Архитектурная акустика и акустический расчет!

Звук и его качественная сторона составляет основу речи и является средством коммуникации между людьми. С точки зрения физики, как явление, звук — это процесс колебания звуковых волн в среде обладающей упругостью и инерционностью. Упорядоченное и гармоничное сочетание звуков характерно для речи и музыки, разрозненное и хаотичное сочетание характерно для шумов и их производных… Шум вызывает раздражение и дискомфорт, затрудняет восприятие речи и музыки, искажает определение локализации звука. Сосуществование этих двух составляющих в помещении можно рассматривать как процесс маскирования. Под эффектом маскирования шумов подразумевается процесс слияния этих двух компонентов с последующем влиянием.

Суть архитектурной акустики заключается в создании благоприятных условий для полноценного восприятия звуков путем изменения (коррекции геометрии) или создания архитектурно планировочных решений оптимального вида с применением и размещением материалов корректирующих АЧХ помещения в соответствии с действующими нормами (нормализация акустической среды).

Архитектурно-акустическое проектирование — это раздел инженерии, занимающийся вопросами - влияния звука в зданиях и проектированием конструкций и элементов для достижения благоприятных акустических условий.

Например, в театре, концертном зале, филармонии и лекториях основное внимание уделяется передаче звука со сцены в зрительный зал без искажений. Это требует тщательного планирования геометрии и пропорций помещения, особенно в части структуры первых полезных отражений, а также размещения звукопоглощающих, звукоотражающих материалов и дуффузорных конструкций.

В коммерческих зданиях задача иная. Например, для офисов и открытой планировки требуются акустические решения, снижающие уровень шума и предотвращающие таким путем отвлекающие факторы. Это может включать использование звукопоглощающих перегородок, потолков и напольных покрытий для создания более комфортной рабочей среды.

Спортивные и производственные объекты, главная их проблема заключается в их размерах, наличие большого количества мод низких частот по всем направлениям, симметрия и наличии большого фонда звукоотражающих материалов на ряду с высоким дисбалансом соотношения полезного объема воздуха на одного человека, большое количество источников шума включая людей, всевозможное оборудование, проникающие звуки и модальные эффекты. Все это способствует высокой гулкости и плохой разборчивости звуков. Данные проблемы решаются в основном за счет стратегии равномерного распределения большой доли поглощающих материалов (конструкций) в потолочном пространстве, разработка мер по компенсации акцентированного направления отражений и фокусировки звуковой энергии, звукоизоляции и шумоизоляции.

Хорошие акустические условия позволяют людям наслаждаться пространством именно так, как оно задумано, не жертвуя своим поведением.

Акустический комфорт необходим для физического и психического здоровья человека. Правильная акустика помогает сохранить слух, снизить стресс и тревожность. Она способствует отдыху и восстановлению, повышает производительность труда и повышает удовольствие от отдыха и культурных мероприятий.

Акустика концертного зала, например, имеет множество нюансов при проектировании. Форма и выбор материалов поверхностей внутри зала должны обеспечивать музыкантам хорошее усиление звука, помогая им играть. Кроме того, они должны обеспечивать слушателям качественное звучание, которое подчеркивает выступление, обеспечивая хорошую чистоту и отсутствие раздражающей реверберации. Концертные залы обычно расположены в городской среде, где присутствует значительное количество источников шума и вибрации. Проектирование ограждающих конструкций здания и фундаментов должно быть направлено на устранение высокого проявления этих источников, чтобы они не были заметны внутри концертного зала. Данное правило применимо к любому объекту, где происходит процесс прослушивания, музицирования или ораторства.

Реальность такова, что любое новое строительство должно проектироваться с учётом шумовой среды, в которой оно будет располагаться. Кроме того, новые проекты могут стать источником дополнительного шума, поэтому при проектировании нового объекта необходимо стремиться к контролю уровня шума, чтобы он не наносил ущерба окружающей среде или близлежащим объектам.

По этой причине существуют нормативные требования к контролю шума для различных типов объектов, существует широкий спектр рекомендаций, руководств, сводов правил, ГОСТов, ISO и иных нормативных документов для выполнения акустических расчетов и проектов в строгом соответствии с нормами.

Учитывая важность архитектурной акустики на ранних этапах проекта, мы можем помочь избежать дорогостоящих изменений в дальнейшем. Качественно выполненный акустический расчет — это залог успешной реализации проекта.

Учет фундаментальных составляющих вносит весомый вклад в обеспечение оптимальных условий слышимости и разборчивости речи на ряду с комфортным восприятием музыки

Материалы внутри здания могут использоваться для управления внутренними условиями. Поглощающие материалы, обычно пористые или текстурированные, могут уменьшить реверберацию звука и обычно используются там, где важны коммуникация или звукозапись, комфорт или качество звука. Отражающие и рассеивающие материалы, обычно твёрдые с гладкой поверхностью, могут использоваться для усиления или распространения звука по помещению, обеспечивая более равномерное покрытие и далёкое распространение.

Ограждающая конструкция здания относится к внешней конструкции здания, которая вмещает все внутренние элементы и защищает их от окружающей среды. Ограждающая конструкция здания охватывает множество отдельных элементов, в первую очередь остекление, вентиляционные решетки, крышу и фасады. Акустическая конструкция этих элементов должна быть адаптирована для достижения целевых внутренних условий в контексте внешней шумовой среды. Например, если внешняя среда содержит значительный низкочастотный шум, такой как шум ночного клуба, транспорта, ограждающая конструкция здания должна быть спроектирована соответствующим образом для снижения уровня шума от конкретного источника. И наоборот, для объектов, предназначенных для проведения громких мероприятий, например таких как арены или производства, выход шума через ограждающую конструкцию также является ключевым фактором проектирования здания.

Внутренняя конструкция здания включает фундамент, перекрытия и стены. Все эти элементы могут быть спроектированы для снижения передачи шума и вибрации через конструкцию здания или вокруг неё. Особое внимание уделяется местам соединения, узлам примыкания этих элементов, например, местам соединения внутренних стен или перекрытий с внешней ограждающей конструкцией здания, а также местам, где инженерные сети или конструктивные элементы здания проходят через основные разделительные стены или перекрытия.

Механическое оборудование, такое как лифты, генераторы и системы отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, содержит движущиеся части. Такое инженерное оборудование может создавать шум и вибрацию. Всевозможное шумное и вибрирующее оборудование, в том числе и промышленное, а также окружающие его конструкции должны быть спроектированы таким образом, чтобы шум и вибрация не передавалась по элементам конструкции и через них. Данное условие реализуется путем виброакустической развязки с применением специального материала - Эластомер. Эластомер подбирается согласно конкретной нагрузки в определенной точке и образует матрицу разнесенных точек развязки с учет конкретной нагрузки в каждой (учет центра массы).

Варианты исполнения данного угла разнообразны: плавающие стяжки, пружинные элементы, вантовые элементы, виброопоры и виброподвесы на основании Эластомера, прокладки из Эластомера и разнообразные комбинации этих элементов с составе одного узла виброразвязки...

• Метод геометрической акустики — основан на представлении звука в виде лучей, распространяющихся подобно векторам. Главный закон в данном методе это – угол падения равен углу отражения. Позволяет достаточно точно предсказать поведения звука в помещениях сложной формы в диапазоне средних и высоких частот.
• Метод модального анализа — основан на разложении звукового поля на собственные моды колебаний помещения преимущественно на низких частотах. Это связанно с неизбежным увеличением мод помещения с увеличением частоты, глобальной проблемой большинства помещений является низкочастотная составляющая спектра. Данный метод может применяться для всего диапазона частот, но чаще применяется для исследования низких частот – у низкой частоты почти нет направленности, и она почти не чувствительна к изменчивости геометрии помещения, следовательно данный метод является менее информативным в помещениях сложной геометрии.
• Метод конечных элементов — позволяет рассчитать звуковое поле в помещениях сложной формы с учётом разнообразных акустических условий с последующей интерполяцией данных областей, взаимодействующих с расчетными. Алгоритм увязывает великое множество факторов влияния на пути следования звуковой волны, а также влияние данных векторов друг на друга, позволят анализировать почти все слышимый диапазон частот.

Большинство новых проектов требуют оценки их пригодности для предполагаемого местоположения объекта. Что касается архитектурной акустики, она обычно включает оценку ограждающих конструкций здания внешних и внутренних, предлагаемых стратегий реализации решений инженерных систем, вентиляции и иного шумного оборудования с целью контроля шума и вибрации внутри и снаружи здания. Хотя вопросы шумов скорее раздел строительной акустики, тем не менее данные разделы связанны и выполняются теми-же проектными организациями.

Например высокопроизводительные промышленные системы вентиляции и кондиционирования расположенные на крыше здания вблизи плотной многоэтажной городской застройки является проблемой, шум от установок особенно в теплое время года когда система работает на полную а проживающие люди в соседних домах открывают окна для проветривания начинают наслаждаться шумами данного оборудования, зачастую уровни шумов превышают допустимые нормы или проходят по граничной отметки допуска, таковы реалии и проблематика весьма распространена.

Используя разработанную в отрасли эмпирическую формулу, можно прогнозировать уровень внутреннего шума в зданиях, создаваемый различными источниками. В уровень внутреннего окружающего шума может вносить вклад внешний шум, проникающий через фасад, вентиляционные системы, крышу и строительные конструкции. Также учитывается шум от инженерных систем здания, состоящих из множества отдельных элементов. Также может вносить вклад внутренний шум, передающийся из других зон здания, а также шум, создаваемый людьми и используемым ими оборудованием.

Используя разработанную в отрасли эмпирическую формулу, можно прогнозировать передачу шума между помещениями, что поможет определить характеристики звукоизоляции перегородок. Могут быть предоставлены рекомендации по конструкции и составу перегородок, а также по оптимальным областям для улучшения.

Пакеты программного обеспечения могут использоваться для трёхмерного моделирования внутренней акустики помещений (например AFMG EASE 4.4 с применением алгоритма AURA) и расчета конструкций для борьбы с распространением внешнего шума (например AFMG SoundFlow - Sound Absorption and Transmission Loss Simulator в соответствии с ISO 12354).

Внутреннее трёхмерное акустическое моделирование использует сложные алгоритмы трассировки лучей (Ray Tracing) для прогнозирования акустических условий помещения (время реверберации (RT60 (T30, T20, T10) (Reverberation Time), EDT), звуковое картирование, разборчивость речи (С50, STI, RaSTI, ALCons) и музыки (С80), а также многое другое, или электроакустического выходного сигнала акустической системы в помещении по прямому (Direct SPL) звуку или с учетом отражений (Total SPL). Итогом такого моделирования является акустический расчет (архитектурная акустика), электроакустический расчет (электроакустика) и звукоизоляционный расчет (звукоизоляция или шумоизоляция).

Расчёты и трёхмерное акустическое моделирование (акустический расчет) позволяют прогнозировать акустические условия помещения, включая время реверберации, разборчивость речи, чёткость речи и степень смешивания звуков в пространстве. Мы даже можем проводить аурализации, что позволяет нам понять, как будет звучать помещение, и лучше описать воздействие определённых конструкций. Такие прогнозы помогают нам определить внутреннюю форму и материалы, которые будут использоваться в здании.

• RT60 (T30, T20, T10) (Reverberation Time) – время реверберации
• Total SPL – уровень и неравномерность прямого звука с учетом отражений
• С80 (Clarity Measure C80 for Music) – музыкальная ясность
• С50 (Definition Measure C50 for Speech) – разборчивость речи, эквивалентен Alcons
• STI (Speech Transmission Index STI) – разборчивость речи, модуляционная передаточная функция (MTF)
• RaSTI (Speech Transmission Index RaSTI) – разборчивость речи, потеря согласных
• ALCons (Articulation Loss Alcons with Speech) – слоговые потери согласных
• EDT (Early Decay Time) – распределение первых интенсивных отражений
• LF – энергия ранних боковых отражений
• Echo Speech и Echo Music – возможность образования эха при речи и музыке
• G (Strength Measure G) – индекс силы звука
• Critical Distance – радиус гулкости
• LspkOverlap – интерференция в зонах перекрытия АС

Строительные нормы и правила, касающиеся акустики, применяются к сооружениям согласно их целевому назначению и различаются в разрезе требований и допусков. Кроме того, схемы сертификации зданий обычно включают в себя оценку акустического проекта и эксплуатационных характеристик здания. Соответствие требованиям обычно подтверждается достижением нормативных показателей расчетной части акустического расчета в составе акустического проекта и натурными акустическими измерениями на месте при необходимости.

Все технические решения должны соответствовать требованиям экологических, санитарно-гигиенических, противопожарных и других нормам, действующих на территории Российской Федерации и обеспечивать безопасную для жизни и здоровья людей эксплуатацию объекта при соблюдении предусмотренных проектом мероприятий.