IV Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

И ВСЮДУ ЗВУК
Шарушинский Г.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы: современные методы строительства и используемые стройматериалы, обычно создают плохо звучащие комнаты - это причина звуковой катастрофы. Современные помещения имеют кирпичные или бетонные стены и потолки, закрытые только слоем краски или обоев, большое количество очень отражающих материалов, таких как гипсокартон, стекло, пеноблоки, сталь в больших пространствах - это причина звуковой катастрофы. Искажённое звучание голоса и музыкальных инструментов превращает пространство в «живое», «мертвое», «яркое» или «скучное». Плохая акустика в помещении может сделать пространство практически непригодным для речевой коммуникации и воспроизведения музыки. [1]

Я заметил, что речь и музыка звучат по разному в разных помещениях.

Например: в концертном зале, заполненном зрителями, звук насыщенный, яркий; в помещении с большим количеством мягких поверхностей звук «глухой»; в пустом помещении звук становится неразборчивым, невнятным.

То есть, пространство искажает звук.

Основополагающие вопросы:

1. Почему качество звука в различных помещениях разное?

2.Возможно ли исправить плохую акустику помещения? Как?

Проблема: плохая акустика учебных помещений. Плохая разборчивость речи в учебных кабинетах вызывает быструю утомляемость, снижение трудоспособности и, как следствие, потерю интереса к обучению, снижение успеваемости.

Объект исследования: время реверберации.

Предмет исследования: влияние звукопоглощающих материалов на время реверберации в помещениях.

Цель: исследовать время реверберации звука вучебных кабинетах № 31, 34, 8.

Задачи проекта:

  1. Изучить теорию распространения звука по источникам информации .

  2. Выбрать метод исследования времени реверберации помещений.

  3. Произвести необходимые измерения и расчёты.

  4. Сравнить полученные результаты с оптимальными значениями.

  5. Проанализировать полученный результат и дать экспертную оценку качества акустики в учебных кабинетах № 31, 34, 8.

  6. Составить рекомендации по исправлению акустики учебных помещений, не соответствующих акустическим требованиям.

  7. Подобрать необходимые материалы и оценить денежные расходы.

Гипотеза: качество звука помещений зависит от времени реверберации. Исправить акустику возможно с помощью звукопоглощающих материалов.

Методы исследования:

1. изучение, систематизация, анализ и обобщение научной литературы, Internet – источников по теме реверберация;

2. экспериментальные измерения, расчёт, сравнение с эталоном;

3. анализ результатов, обобщение и вывод.

Теоретическое значение: (чего ради эта работа делалась?):

В результате проведённых экспериментальных измерений, расчётов, выявил влияние времени реверберации на качество звука в помещениях, в том числе учебных и поднял этот вопрос в лицее БИТ.

Практическое значение: результаты исследования могут быть использованы: 1. для исправления акустики в учебных кабинетах №31, 34 по составленным мной рекомендациям; 2. для повышения образовательного уровня школьниками, для объяснения тем учителем физики и проведения занимательного урока «Физика и охрана здоровья лицеистов».

Историческая справка: самая важная характеристика акустики помещения - время реверберации. Понятие времени реверберации сформулировал и изучал воздействия на него поглощений американский физик Уо́ллес Клемент Сэ́бин (1868—1919) - основатель архитектурной акустики, один из первых исследователей акустических свойств различных залов. Акустический проект Сэбина - Симфонический Зал Бостона - один из лучших залов мира. В честь учёного названа единица поглощения энергии звука Сэбин. Уо́ллес Сэбин экспериментально установил, что время реверберации пропорционально размерам комнаты и обратно пропорционально сумме поглощений. Формулу Сэбина для расчёта времени реверберации применяют для театральных и концертных залов, учебных аудиторий и других помещений с небольшим . [2]

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

Глава 1 Теоретические основы физики звука

1.1 Распространение звука в помещении

На начальном этапе проекта я изучил теорию звука и выяснил, чтопроисходит со звуком в закрытых помещениях. При попадании звука на поверхности стен, он многократно отражается. К слушателю первым приходит прямой звук, не отразившийся ни от одной поверхности.

Далее приходят звуки, отразившиеся от стен один раз. Затем приходят «отражения отражений», то есть звук, многократно отразившийся от разных стен. [3] (Приложение 1) Поздние отражения соединяются в одно сплошное плавно затухающее послезвучание «реверберационный хвост». [3] (Приложение 2)

1.2 Влияние времени реверберации на акустику помещений Реверберация (от лат. reverberatio - отражение) - послезвучание, сохраняющееся после выключения источника звука и обусловленное неодновременным приходом в данную точку отраженных или рассеянных звуковых волн. Реверберация - процесс затухания звука в помещении после прекращения действия источника звука. [4]

Время реверберации - время от прекращения звучания источника до того момента, пока оставшийся звук станет невнятным (примерно 60 дБ). [2]

Время реверберации - один из важных показателей акустического качества помещения. Оно более всего влияет на слышимость, разборчивость речи и музыки в помещении, так как слушатели воспринимают прямой звук на фоне отраженного. [8] Избыточная длительность реверберации приводит к неприятной гулкости, при недостаточной длительности реверберации звук «глохнет». Если промежутки между отраженными сигналами 100 мс, то воспринимается слитно. Если промежутки между отраженными сигналами 100 мс., то воспринимается как раздельное эхо. Эхо с греч. отбой, отдача голоса, который, ударяясь обо что-либо, обращается и вторит, отголосок, отражение звука от предметов, отзвук. [5]

1.3 Применение искусственной реверберации

Эффект реверберации можно наблюдать в закрытых помещениях после выключения источника звука. Художественно-эстетическое впечатление, создаваемое реверберацией, зависит от контекста звукового произведения и определяется в высших отделах головного мозга. Иногда под реверберацией понимается имитация данного эффекта с помощью ревербераторов. С помощью искусственной реверберации создают эффект приближения и удаления источника звука как характер внешнего оформления и как средство усиления драматического действия при звуковом оформлении и озвучивании фильмов. [7]

Глава 2 Метод Сэбина для определения времени реверберации

Для своего исследования времени реверберации в учебных кабинетах я выбрал метод Сэбина., описанный в архитектурной энциклопедии и свободной энциклопедии Википедия. Формула Сэбина для вычисления времени реверберации:{displaystyle T={frac {0.164V}{A}}} t = , где {displaystyle V}V — это объём помещения, {displaystyleA}A — общий фонд звукопоглощения, A = α1·S1 + {displaystyleA=a_{1}S_{1}+a_{2}S_{2}+dots +a_{i}S_{i}}α2·S2 + α3·S3 + αn·Sn , где {displaystyle a_{i}}α — коэффициент звукопоглощения (зависит от материала, его дисперсных, или фрикционных характеристик), {displaystyle S_{i}}S — площадь каждой поверхности.

При этом t - время реверберации тем больше, чем больше V - объем помещения и чем меньше на ограничивающих поверхностях A - поглощение звука. [2] [6] При встрече звука с преградами часть звуковой энергии отражается, часть поглощается, превращаясь в тепловую и 3 часть проходит насквозь. (Приложение 3)

Глава 3 Исследование времени реверберации в кабинете №31

3.1 Площадь звукопоглощающих поверхностей

На втором этапе я произвёл необходимые измерения и рассчитал площади звукопоглощающих поверхностей в кабинете высотой стен h=3м.

Площадь звукопоглощающих поверхностей:S =; = a·h (прямоуг.)

Окно (3шт. стекло): S1= 2.15 · 2.20 · 3 = 14.19 (м2)

Дверь лакированная деревянная: S2 = 1.3 · 2.00 = 2.60 (м2)

Учебная доска (металл): S3 = 4.40 ·1.00 = 4.40 (м2)

Портреты (6 шт. стекло): S4= 0.40 · 0.50 · 6 = 1.20 (м2)

Зеркало: S5 = 0.20 · 1.20 = 0.24 (м2)

Шкаф-1. Деревянный (лак): S6 = (3.00 + 0.35 ·2) · 2.00 + 3.00 · 0.35= 8.45 (м2)

Шкаф -1 (задняя часть): =3.00 · 2.00 = 6.00 (м2)

Шкаф -1 (верх, дно): = 3.00 · 0.35 = 1.05 (м2)

Шкаф-2 металлический: S7 = 0.45 · 1.83 ·3 + 0.45 · 0.45 = 2.67 (м2)

Шкаф -2 (задняя часть): = 0.45 · 1.83 = 0.82 (м2)

Шкаф-2 (верх, дно): = 0.45 · 0.45 = 0.20 (м2)

Тумба: S8 = 0.36 · 0.75 ·3+ 0.36 · 0.36 = 0.94 (м2)

Тумба (задняя часть): = 0.36 · 0.75 = 0.27 (м2)

Тумба (верх, дно): = 0.36 · 0.36 = 0.13 (м2)

Стены (глухие, без учёта проёмов): S9 = (8.00 +5.00) · 3.00 · 2 = 78 (м2)

Стены открытые (обои): S10 = S9 - S1 - S2 - S3 - S4 - S5 - - -

S10 = 78 - 14.19 - 2.60 - 4.40 - 1.20 - 0.24 - 6.00 - 0.82 - 0.27 = 48.28 (м2)

Потолок (бетон, побелка): S11 = 8.00 · 5.00 = 40 (м2)

Пол (открытый линолеум): S12= S11 - - -

S12= 40 - 1.05 - 0.20 - 0.13 = 38.62 (м2)

Стол ученич. (15 шт.): S13= (1.20 · 0.5 + 1.10 · 0.34) · 15 = 14.61(м2)

Стол учителя (дерево): S14= 1.15 · 0.65 + 0.72 · 0.56·2 = 1.56 (м2)

Стул жёсткий (31шт.): S15= (0.36 · 0.19 + 0.36 · 0.34) ·31 = 0.19 · 31 = 5.89 (м2)

Жалюзи: S15= 2.40 · 2.50 · 3 =18.00 (м2)

Человек на дерев. стуле (31 чел.): S16= 1 · 31 = 31 (м2)

3.2 Общее звукопоглощение кабинета

Коэффициенты звукопоглощения имеющихся материалов в кабинете определил по справочной таблице для частоты ν=250 Гц.,так какдиапазон воспринимаемых как взрывные звуки голоса 160..250Гц. (Приложение 4)

Общее звукопоглощение в кабинете нашёл по формуле:A=;An= α·S

Таблица «Общее звукопоглощение поверхностей в кабинете №31»

Объект

Площадь звукопоглощ. поверхности

S2)

Материал

Вещество

Коэффициент звукопоглощ. для ν =250 Гц

α

Звукопоглощение

An=α·S

(сб)

Окно (3шт.)

14.19

стекло

0.2

2.84

Дверь

2.60

дерево лакиров.

0.02

0.052

Доска учебная

4.40

металл

0.4

1.76

Портреты (6 шт.)

1.20

стекло

0.2

0.24

Зеркало

0.24

зеркало

0.01

0.0024

Шкаф -1 (3 стороны)

8.45

дерево лакиров.

0.02

0.169

Шкаф-1 (задняя часть)

6.00

     

Шкаф -1 (верх, дно)

1.05

дерево лакиров.

0.02

0.021

Шкаф-2 (3 сороны)

2.67

металл

0.4

1.07

Шкаф-2 (задняя часть)

0.82

     

Шкаф-2 (верх, дно)

0.20

металл

0.4

0.08

Тумба (3 стороны)

0.94

дерево лакиров.

0.02

0.019

Тумба (задняя часть)

0.27

     

Тумба (верх, дно)

0.13

дерево лакиров.

0.02

0.0026

Стены (открытые)

48.28

кирпич, обои

0.04

1.93

Потолок

40.00

бетон, побелка

0.01

0.4

Пол (открытый)

38.62

линолеум

0.025

0.97

Стол ученич. (15 шт.)

14.61

дерево лакиров.

0.02

0.29

Стул ученич (31шт)

5.89

жёсткий

0.02

0.12

Стол учителя

1.56

дерево лакиров.

0.02

0.03

Жалюзи (3 шт.)

18.00

твёрдая ткань

0.28

5.04

Человек на деревянном стуле (31 чел.)

31.00

человек

0.36

11.16

Итого: общее звукопоглощение

A=

Кабинет без учеников

15.04

Кабинет + ученики + учитель 26.01

{displaystyle a_{i}}3.3 Время реверберации в кабинете

Объём помещения:{displaystyle a_{i}}Объём прямоугольной призмы: V = a·b·h

Объём кабинета: V = 8.00 · 5.00 · 3.00 = 120.00 (м3)

Время реверберации в кабинете без людей и заполненных людьми

(30 учеников + 1 учитель) рассчитал по формуле Сэбина: t =

t1 = = 1.31 (с) - (кабинет без учеников)

t2 = = 0.76 (с) – (кабинет +ученики + учитель)

3.4 Экспертная оценка акустики кабинета

Основным критерием оценки акустических свойств служит разборчивость речи, «гулкость» кабинета. По графикуя определил оптимальное время реверберации для данного объёма, при котором речь хорошо разборчивая. [10] (Приложение 5)

tопт. = 1.00 (с) - (если кабинет пустой)

tопт. = 0.5 (с) - (если кабинет заполненный) Сравнение экспериментального времени реверберации с оптимальным.

Таблица «Оценка времени реверберации кабинета №31»

 

Кабинет пустой

Кабинет заполненный

В.Р оптимальное.: tопт. (с)

1.00

0.50

В.Р. экспериментальное: t(с)

1.31

0.76

Сравнение В.Р эксперимент. и оптим.: t и tопт.

ttопт

ttопт.

Избыточное запаздывание:

t' = t - tопт (с)

0.31(31%)

0.26(52%)

Допустимое запаздывание:

tдоп. = 0.1· tопт (10%)

0.10(10%)

0.05(10%)

Сравнение избыточн. запаздыв. с допустимым:

t′ и tдоп.

0.31 0.10

t′tдоп. в 3.1 раз

0.260.05

t′tдоп. в 5.2 раз

Заключение:

Акустика плохая,

кабинет «гулкий»

Акустика плохая,

кабинет «гулкий»

Пути решения проблемы:

Увеличить звукопоглощение

Увеличить звукопоглощение

3.5 Исправление акустики

Оптимальное звукопоглощение кабинета: найдём из формулы Сэбина tопт. = Aопт =

Aопт. = = = 39.36 (сб)

Недостающее звукопоглощение кабинета:

A' = Aопт. - A ' = 39.36 - 26.01 = 13.35 (сб)

Необходимый коэффициент звукопоглощения доп. материала:

найдёмиз формулы звукопоглощения A' = α'· S'α' =

Если S' = S10 = (м3) - стены, то α' = = 0.28

Если S' = S11 = 40.00(м2) - потолок, то α' = = 0.33

Если S' = S10+ S11 = 88.28 (м3) - стены и потолок, то α' = = 0.15

S'= 48.28 + 40.00 = 88.28 (м3)

3.5.1 Подбор акустических звукопоглощающих материалов

Акустические звукопоглощающие материалы для внутренней облицовки помещений предназначены для создания требуемого звукопоглощения.Звукопоглощающие материалы снижают энергию отраженных звуковых волн. Эти материалы должны быть высокопористыми. Звуковая волна проходит через пористый материал и приводит в колебательное движение воздух, заключенный в его порах. Мелкие поры создают большее сопротивление, чем крупные. Движение воздуха в них тормозится, и в результате трения часть механической энергии превращается в тепловую. В панельных материалах и конструк­циях звукопоглощение обусловлено активным сопротивлением системы, совершающей вынужденные колебания под действием попадающей звуковой волны (тонкие панели из фанеры, жесткие древесноволокнистые плиты и звуконепроницаемые ткани).

Звукопоглощающее свойство материала характеризуется коэффициентом поглощения, который представляет собой отношение поглощенной звуковой энергии ко всей энергии, падающей на материал.

За единицу звукопоглощения условно принимают звукопоглощение 1 м2 открытого окна. Кзвукопоглощающим материалам относят те, которые имеют коэффициент звукопоглощения не менее 0,4 при частоте 1000 Гц («Защита от шума» СНиП 11-12-77). [8]

3.5.2 Расчёт денежных средств на исправление акустики

Для исправления акустики в кабинетах я изучил предложения на рынке звукопоглощающих материалов через интернет-магазин.

Таблица«Цена акустических звукопоглощающих материалов»

 

Коэффициент звукопоглощения α

Цена

Панели акустические «Байкал»

0.40-1.00

от 266 руб/м2

Панели акустические «ЭхоКор 20Б»

0.40-1.00

от 1303 руб/м2

Панели акустические «Армстронг»

0.40-1.00

от 822.57 руб. /шт.

Обои акустические

0.25

от 600 руб/м 2

Шторы и портьеры акустические

0.15 - 0.30

от 700 руб/пг.м.

Из них я выбрал несколько вариантов, которые пользуются спросом и подходят по коэффициенту поглощения (α = 0.4)акустические плиты: 1.«Армстронг» - производство Евросоюз-США

2. «ЭхоКор» - бюджетный вариант российского производства

3. «Байкал» - эконом класс российского производства.

Расчёт расходов на закрытие потолка акустическими плитами

1.Панели акустические «Байкал» российского производства в сборке:

Цена: 266.00 руб/м2

Расходы: 266.00 руб/м2 · 40.00 м 2 =10640.00 руб..

2.Панели акустические «ЭхоКор 20Б» российского производства в сборке:

Цена: 1302.00 руб/м2

Расходы: 1302.00 руб/м2 · 40.00 м 2 =52080.00 руб..

3.Панели акустические «Армстронг» производство Евросоюз-США в сборке:

Площадь 1 потолочной плиты S1 = 0.6· 0.6 = 0.36 (м2)

Необходимое количество плит: N = ; N = = 111

Расходы: 822.57 руб. · 111 = 91305.27руб.

Таблица «Денежные расходы на исправление акустики кабинета №31»

 

Потолок

Необходимый коэффициент звукопоглощения α'

0.33 (0.40 для плит)

Площадь поверхн. потолкаS' (м2)

40.00

Покрытие звукопоглощающее

Плиты акустические «Байкал»

Производство

Россия с подвесной системой Албес -эконом

Плиты акустические «ЭхоКор 20Б»

Производство

Россия

Плиты акустические «Армстронг»

Производство

Евросоюз-США

Цена за комплект в сборке с подвесной системой

266 руб/м2

. 1302 руб/м2

822.57 руб. /шт

Денежные расходы

10640.00 руб.

52080.00 руб.

91305.27 руб.

Результат

Хорошая акустика

Хорошая акустика

Хорошая акустика

На этом этапе я провёл расчёты предстоящих денежных расходов.

Проанализировал результаты расчётов предстоящих затрат и сделал вывод, что для исправления акустики в кабинете №31 достаточно закрыть потолок плитами «Байкал», на что потребуются денежные средства: 10640.00 руб

3.5.3 Время реверберации после исправления акустики

Время реверберации после исправления акустики найдём, если подставимα” = 0.4 - минимальный для плит в формулу Сэбина

tиспр. = , где Аиспр = А + А доп А доп =α” · S S - площадь потолка

tиспр. = = = 0.47(с) - кабинет с учениками

tиспр. = = = 0.63(с) - кабинет пустой

3.5.4 Результат качества акустики после её исправления

Погрешность:tпогр = tопт - tиспр.

tпогр = 0.50 - 0.47= 0.03 (с) (6%) ( допустимая) - кабинет с учениками

tпогр = 1.00 - 0.63 = 0.37 (с) (37%) кабинет пустой

Погрешность: в пределах допустимой для заполненного кабинета.

Результат: акустика хорошая, комфортная, кабинет хорошо «звучит».

Глава 4 Исследование времени реверберации в кабинете №34 Химия

4.1 Площадь звукопоглощающих поверхностей

Необходимые измерения и расчёты площади звукопоглощающих поверхностей в кабинете с высотой стен h=3м.

Площадь звукопоглощающих поверхностей:S =; = a·h (прямоуг.)

Окно (4 шт. стекло): S1= 2.15 · 2.20 · 4 = 18.92 (м2)

Дверь лакированная деревянная: S2 = 1.3 · 2.00 = 2.60 (м2)

Учебная доска (металл): S3 = 4.40 ·1.00 = 4.40 (м2)

Шкаф встроенный деревянный (лак): S4 = 2.10· 1.90 = 3.99 (м2)

Стены (глухие, без учёта проёмов): S5 = (6.00 +11.00) · 3.00 · 2 = 102 (м2)

Стены открытые (обои): S6 = S5 - S1 - S2 - S3 - S4

S6 = 102 - 18.92 - 2.60 - 4.40 - 3.99 = 72.09 (м2)

Потолок (бетон, побелка): S7 = 6.00 · 11.00 = 66.00 (м2)

Пол (открытый линолеум): S8= 6.00 · 11.00 = 66.00 (м2)

Стол ученич. (15 шт.): S9= (1.20 · 0.5 + 1.10 · 0.34) · 15 = 14.61(м2)

Стол учителя (дерево): S10= 1.15 · 0.65 + 0.72 · 0.56·2 = 1.56 (м2)

Стул жёсткий (31шт.): S11= (0.36 · 0.19 + 0.36 · 0.34) ·31 = 0.19 · 31 = 5.89 (м2)

Жалюзи: S12= 2.40 · 2.50 · 4 =24.00 (м2)

Человек на дерев. стуле (31 чел.): S13= 1 · 31 = 31 (м2)

4.2 Общее звукопоглощение кабинета

Таблица «Звукопоглощение поверхностей»

Объект

Площадь звукопоглощ.поверхности

S2)

Материал

Вещество

Коэффициент звукопоглощ. для ν=250 Гц

α

Звукопогло

щение

An=α·S

(сб)

Окно (4 шт.)

18.92

стекло

0.2

3.78

Дверь

2.60

дерево лакиров.

0.02

0.052

Доска учебная

4.40

металл

0.4

1.76

Шкаф встроенный 1стор.

3.99

дерево лакиров.

0.02

0.08

Стены (открытые)

72.09

кирпич, обои

0.04

2.88

Потолок

66.00

бетон, побелка

0.01

0.66

Пол (открытый)

66.00

линолеум

0.025

1.65

Стол ученич. (15 шт.)

14.61

дерево лакиров.

0.02

0.29

Стул ученич (31шт)

5.89

жёсткий

0.02

0.12

Стол учителя

1.56

дерево лакиров.

0.02

0.03

Жалюзи (4 шт.)

24.00

твёрдая ткань

0.28

6.72

Человек на стуле(31чел.)

31.00

человек+дерево

0.36

11.16

Итого:

A=

Кабинет без учеников

18.02

Кабинет + ученики + учитель 29.01

4.3 Время реверберации в кабинете

Объём помещения:{displaystyle a_{i}}Объём прямоугольной призмы: V = a·b·h

Объём кабинета: V = 6.00 · 11.00 · 3.00 = 198.00 (м3)

Время реверберации: по формуле Сэбинаt =

t1 = = 1.80 (с) - (кабинет без учеников)

t2 = = 1.12 (с) – (кабинет +ученики + учитель)

4.4 Экспертная оценка акустики кабинета

Оптимальное время реверберации учебного кабинета (по графику):

tопт. = 1.20 (с) - (кабинет пустой)

tопт. = 0.60 (с) - (кабинет заполненный)

Запаздывание : t' = t - tопт (с) t' = 1.12 - 0.60 = 0.52(с) (каб. заполн.)

Допустимое запаздывание (заполн. каб.): tдоп = 0.1· tопт = 0.06 (с)(10% )

Соотношение запаздывания t' с допустимым tдоп : 0.52(с) 0.06 (с)

Таблица «Оценка времени реверберации кабинета №34»

 

Кабинет пустой

Кабинет заполненный

Оптимальное В.Р:tопт. (с)

1.20

0.60

Расчётное В.Р.: t(с)

1.80

1.12

Сравнение В.Р. расчётн. с оптимальн.: t и tопт.

ttопт

ttопт.

Запаздыв. t' = t - tопт.(с)

0.60 (50%)

0.52 (87%)

Допустимое В.Р.

tдоп. = 0.1· tопт (10%)

0.12 (10%)

0.06 (10%)

Сравнение запаздывания В.Р с допустимым:

t′ и tдоп.

0.60 0.12

t′tдоп. в 5 раз

0.52 0.06

t′tдоп. в 8.7 раз

Заключение:

Акустика плохая,

кабинет «гулкий»

Акустика плохая,

кабинет «гулкий»

Пути решения проблемы:

Увеличить звукопоглощение

Увеличить звукопоглощение

4.5 Исправление акустики кабинета №34

Оптимальное звукопоглощение заполненного кабинета:

найдём из формулы Сэбина tопт. = Aопт =

Aопт= = 54.12 (сб)

Недостающее звукопоглощение:

Aн = Aопт. - A= 54.12 - 29.01 = 25.11 (сб)

Необходимый коэффициент звукопоглощения доп. материала:

найдёмиз формулы звукопоглощения A' = α'· S'α' = ; Aн = 25.11 (сб)Если S' = S6 = 72.09 (м2) - (стены), то α' = = 0.35

Если S' = S7 = 66.00 (м2) - (потолок), то α' = = 0.38

Если S' = S6 + S7 = 138.09 (м2) - (стены и потолок), то α' = = 0.18

Возможные пути увеличения звукопоглощения учебного кабинета:

я ознакомился с предложением на рынке строительных отделочных материалов через интернет магазин и пришёл к выводу, что необходимыми акустическими свойствами обладают акустические плиты.

Таблица «Коэффициент звукопоглощения материалов, цена»

 

Коэффициент звукопоглощения α

Цена

Панели акустические «Байкал»

0.40-1.00

от 266руб/м2

Панели акустические «ЭхоКор 20Б»

0.40-1.00

от 1302 руб/м2

Панели акустические «Армстронг»

0.40-1.00

от 822.57 руб. /шт.

Обои акустические

0.25

от 1000 руб/рул.

Шторы, партьеры акустические

0.15

от 700 руб/пг.м

Расчёт денежных средств на звукопоглощающие плиты для потолка.

1.Панели акустические «Байкал» производство Россия.

Цена: 266.00 руб/м2 (в сборе с подвесной системой - алюмин. каркасом)

Расходы: 266.00 руб/м2 · 66.00 м 2 =17556.00 руб.. (на потолок)

2.Панели акустические «ЭхоКор 20Б» производство Россия.

Цена: 1302.00 руб/м2 (в сборе)

Расходы: 1302.00 руб/м2 · 66.00 м 2 =85932.00 руб.. (потолок)

3.Панели акустические «Армстронг» производство Евросоюз-США

Площадь 1 потолочной плиты S1 = 0.6· 0.6 = 0.36 (м2)

Необходимое количество плит: N = ; N = = 183.3 184 шт.

Расходы: 822.57 руб. · 184 = 151352.88 руб.

Таблица «Денежные расходы на звукопоглощающие плиты для потолка»

 

Потолок

Необходимый коэффициент звукопоглощения α'

0.38 (для плит 0.4)

Площадь поверхн. S'

66.00 м2

Покрытие

звукопоглощающее

Плиты акустические «Байкал»

Производство Россия

Плиты акустические «ЭхоКор 20Б»

Производство Россия

Плиты акустич. «Армстронг»

Производство

Евросоюз-США

Цена (в сборке )

266.00

1302 руб/м2

822.57 руб. /шт.

Денежные расходы

17556.00 руб.

85932.00 руб.

151352.88 руб.

Результат

Хорошая акустика

Хорошая акустика

Хорошая акустика

Время реверберации после исправления акустики: найдём, если подставимα” = 0.4 - минимальный для панелей

tиспр. = , где Аиспр = А + А доп А доп =α” · S S - площадь потолка

tиспр. = = = 0.59(с) - кабинет с учениками

tиспр. = = = 0.73(с) - кабинет пустой

Погрешность:tпогр = tопт - tиспр.

tпогр = 0.6 - 0.59 = 0.01 (с) (1.7%) ( допустимая) - кабинет с учениками

tпогр = 1.2 - 0.73 = 0.47 (с) (39.17%) кабинет пустой

Вывод: Для получения комфортной акустики в каб. №34 достаточно закрыть потолок акустическими плитами. Исходя из предстоящих расходов, я считаю рационально выбрать вариант эконом класса плиты «Байкал» российского производства.

Глава 5 Исследование времени реверберации кабинета №8 Медиатека

5.1 Площадь звукопоглощающих поверхностей

Площадь звукопоглощающих поверхностей: S =; = a·h (прямоуг.)

Окно (5 шт. стекло): S1= 2.15 · 2.20 · 5 = 23.65 (м2)

Дверь лакированная деревянная: S2 = 1.3 · 2.00 = 2.60 (м2)

Шкаф-1. Деревянный (лак): S3 = (3.00 + 0.35 ·2) · 2.00 + 3.00 · 0.35= 8.45 (м2)

Шкаф -1 (задняя часть): =3.00 · 2.00 = 6.00 (м2)

Шкаф -1 (верх, дно): = 3.00 · 0.35 = 1.05 (м2)

Шкаф-2 металлический: S4 = (0.35 · 2 + 1.83) · 1.80 + 0.35 · 1.80= 5.18(м2)

Шкаф -2 (задняя часть): = 1.83 · 1.80 = 3.29 (м2)

Шкаф-2 (верх, дно): = 0.35 · 1.83 = 0.64 (м2)

Стены (глухие, без учёта проёмов): S5 = (14.04 +5.80) · 2.85 · 2 = 113.09 (м2)

Стены открытые (обои): S6 = S5 - S1 - S2 - S'3 - S'4

S6 = 113.09 - 23.65 - 2.60 - 6.00 - 1.05 - 3.29 = 76.50(м2)

Потолок (бетон, плитка): S7 = 14.04 · 5.80 = 81.43 (м2)

Пол (открытый линолеум): S8= S7 - -

S8= 81.43 - 1.05 - 0.64 = 79.74(м2)

Стол -1, дерево (3 шт.): S9= (1.40 · 1.40) · 3 = 5.88(м2)

Стол -2 (дерево): S10= 1.60 · 5.50 = 8.80 (м2)

Стол -3 (дерево): S11= 1.15 · 0.65 + 0.72 · 0.56·2 = 1.56 (м2)

Стул мягкий (31шт.): S12= (0.36 · 0.19 + 0.36 · 0.34) ·31 = 0.19 · 31 = 5.89 (м2)

Диван мягкий: S13 = 2.00 · 0.55 · 3 + 2.00 · 0.35 = 4.00 (м2)

Жалюзи: S14= 2.40 · 2.50 · 5 =30.00 (м2)

Человек на мягком стуле (31 чел.): S15= 1 · 31 = 31 (м2)

5.2 Общее звукопоглощение кабинета

Таблица «Звукопоглощение поверхностей в кабинете №8»

Объект

Площадьзвукопоглощ. поверхности

S2)

Материал

Вещество

Коэффициент звукопоглощ. для ν=250 Гц

α

Звукопоглощение

An=α·S

(Сб)

Окно (5шт.)

23.65

стекло

0.2

4.73

Дверь

2.60

дерево лакиров.

0.02

0.052

Шкаф -1 (3 стороны)

8.45

дерево лакиров.

0.02

0.169

Шкаф-1 (задняя часть)

6.00

     

Шкаф -1 (верх, дно)

1.05

дерево лакиров.

0.02

0.021

Шкаф-2 (3 сороны)

5.18

металл(сталь)

0.4

2.07

Шкаф-2 (задняя часть)

6.00

металл (сталь)

   

Шкаф-2 (верх, дно)

0.64

металл (сталь)

0.4

0.26

Стены (открытые)

76.50

кирпич, обои

0.04

3.06

Потолок

81.43

бетон, плитка

0.15

12.21

Пол (открытый)

79.74

линолеум

0.025

1.99

Стол -1(3шт.)

5.88

дерево лакиров.

0.02

0.12

Стол-2

8.80

дерево лакиров.

0.02

0.176

Стол-3

1.56

дерево лакиров.

0.02

0.03

Стул мягкий (31 шт.)

5.89

тканевая обшивка

0.12

0.71

Диван мягкий

4.00

тканевая обшивка

0.12

4.01

Жалюзи (5 шт.)

30.00

твёрдая ткань

0.28

8.40

Человек на мягком стуле (31 чел.)

31.00

Человек на мягком стуле

0.40

12.40

Итого: общее звукопоглощение

A=

Кабинет без учеников

38.01

Кабинет + ученики + учитель 49.70

5.3 Время реверберации в кабинете

{displaystyle a_{i}}Объём помещения:

Объём прямоугольной призмы: V = a·b·h(h=2.85 м - высота стен)

Объём кабинета: V = 14.04 · 5.80 · 2.85 = 232.083)

Время реверберации: t = - формуле Сэбина

t1 = = (с) - (кабинет без учеников)

t2 = = = 0.77 (с) –(кабинет +ученики + учитель)

5.4 Экспертная оценка акустики кабинета

Оптимальное время реверберации: (по графику)

tопт. = 1.00 (с) - (кабинет пустой)

tопт. = 0.70 (с) - (кабинет заполненный)

Избыточное запаздывание для заполненного кабинета:

t΄ = t - tопт= 0.77 – 0.70 = 0.07 (с) - это 10% от tопт

Допустимое запаздывание: tдоп = 0.1· tопт (10%)

tдоп = 0.1 · tопт. = 0.1 ·0.70 = 0.07(с)

Соотношение избыточного запаздывания с допустимым:

t΄ = tдоп=0.07(с) (10%) для заполненного кабинета допустимое.

Таблица «Оценка времени реверберации кабинета №8 Медиатека»

 

Кабинет пустой

Кабинет заполненный

В.Р. оптимальное: tопт.(с)

1.00

0.70

В.Р. экспериментальное: t(с)

1.00

0.77

Соотношение В.Р. эксперимент. и оптимального : t и tопт.

t = tопт

ttопт.

В.Р. избыточное.: t΄ = t - tопт(с)

0.00

0.07 (10%)

Заключение:

Акустика хорошая

Акустика хорошая

Заключение: в кабинете №8 Медиатека комфортная акустика и не требуется дополнительной коррекции.

Глава 6 Экспертнаяоценка времени реверберациикабинетов №31, 34, 8 после исправления акустики

В сводной таблице размещены

результаты исследования времени реверберации кабинетов №31, 34, 8

 

Каб.№ 31(заполн.)

Каб.№ 34 (заполн.)

Каб.№ 8 (заполн.)

ОбъёмV3)

120.00

198.00

232.08

В.Р. до исправления акустики: t(c)

0.76

1.12

0.77

В.Р. после исправл. акустики: tи(c)

0.47

0.59

не требует

В.Р. оптимальное tопт(c)

0.50

0.60

0.70

В.Р. избыточное до исправления:

t' = t - tопт (с)

0.26(52%)

0.52 (87%)

0.07(9%) допустимое

В.Р. избыточное после исправл.:

tпогр = tопт - tиспр. (c)

0.03 (6%)допустимое

0.01 (1.7%)допустимое

-

Качество акустики:

Акустика хорошая

Акустика хорошая

Акустика хорошая

Сравнительные значения времени реверберации кабинетов №31, 34, 8 до и после исправления акустики с оптимальными значениями представлены в диаграммах (Приложение-5)

По результатам исследования времени реверберации учебных кабинетов можно сделать заключение:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате исследовательского проекта я пришёл к заключению:

1.Причиной искажения звука в замкнутом пространстве является реверберация. Качество звука или акустика помещений зависит от времени реверберации. Чем больше оно отличается от оптимальных значений, тем хуже качество звука в помещении.

2.Из 3-х исследованных мной кабинетов только кабинет №8 Медиатека правильная акустика и слышентолько прямой звук, идущий от говорящего к слушающему . Кабинет хорошо «звучит», так как время реверберации звука оптимальное.

В кабинетах №31 и №34 необходимо корректировать акустику, так как время реверберации звука многократно превышает оптимальное. Многократное и хаотичное отражение от большого числа звукоотражающих поверхностей порождает своеобразное эхо — фоновый шум, который снижает слышимость и разборчивость речи. [9]

3.Исправить акустику помещений возможно с помощью специальных звукопоглощающих материалов.

ПРАКТИЧЕСКИЙ ВЫХОД

Рекомендации

по исправлению акустики в кабинетах №31 и №34

С целью уменьшения гулкости кабинета и создания комфортной акустики помещения, позволит на 25 % повысить уровень восприятия учениками устной речи и снизить риск развития профессиональных заболеваний у учителей на 75 % [9] рекомендуется:

1. Для достижения нужного времени реверберации необходимо увеличить звукопоглощение (исправить плохую акустику) учебных кабинетов №31 и №34, так как время реверберации не соответствует оптимальному и погрешность превышает допустимую в несколько раз.

2.Для увеличения звукопоглощения рационально использовать звукопоглощающие плиты «Байкал» российского производства эконом класса, так как при необходимом коэффициенте поглощения предстоящие затраты минимальны.

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОДОЛЖЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

Я планирую продолжить исследовательскую работу по этой проблеме и хочу исследовать время реверберации актового зала , дать экспертную оценку качества акустики этого учебного помещения и составить рекомендации по исправлению акустики, если это потребуется.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

Учебники и справочники

1.В.А.Касьянов. Учебник «Физика-10».

2.С.А.Енохович Справочник по физике - М. 1983г.

Интернет-ресурсы

1.http://livesoundjournal.ru/vliyanie-akustiki-na-zvuk-v-lyubom-pomeshh/ Влияние акустики на звук в любом помещении.

2. https://ru.wikipedia.org/wiki Википедия. Свободная энциклопедия.

3. http://wikisound.org/. Энциклопедия звука.

4. http://tolkslovar.ru/r4449.html Толковый словарь

5.https://how-to-all.com/.Этимологический Словарь

6. https://arxipedia.ru/arxitekturnaya-akustika/reverberaciya-zvuka-v-pomeshhenii-i-metody-ee-umensheniya.html Архитектурная энциклопедия. Реверберация звука в помещении и методы ее уменьшения.

7.http://wikisound.org/. Энциклопедия звука.

8. http://baurum.ru/_library/?cat=acoustics_materials&id=564 Справочник строителя | Акустические материалы.

9. http://www.saint-gobain.ru/magazine/2016/3/klassnaya-akustika Классная акустика.

10. http://www.master-skills.ru/articles/acoustics/1106-time

Обучающий портал по работе со звуком и музыкой.

Оптимальное время реверберации.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Приложение 1

Рис.1. Отражение звука в помещении

Различные сигналы. Красный: прямой звук, зеленый: первичные отражения (звук комнаты), синий: реверберация.

Приложение 2

Рис.2. Уровень звука при реверберации. Пример импульсной характеристики помещения.

Приложение 3

Рис.3. Прохождение звука через преграду

Приложение 4

Таблица 1

Коэффициенты звукопоглощения материалов, предметов, людей, драпировок в зависимости от частоты звука.

Коэффициенты звукопоглощения материалов, предметов, людей, драпировок в зависимости от частоты звука.

Название материала или конструкции

Коэффициенты звукопоглощения при частоте

125 Гц

250 Гц

500 Гц

1000 Гц

2000 Гц

4000 Гц

Строительные материалы - коэффициенты звукопоглощения

Бетонная стена гладкая, неокрашенная

0,010

0,012

0,015

0,019

0,023

0,035

Кирпичная стена неоштукатуренная

0,024

0,025

0,032

0,042

0,049

0,070

Штукатурка гипсовая гладкая по кирпичной стене, окрашенная

0,012

0,013

0,017

0,020

0,023

0,025

Плиты сухой штукатурки

0,020

0,050

0,060

0,080

0,040

0,060

Линолеум толщиной 5 мм на твердой основе

0,020

0,025

0,030

0,035

0,040

0,040

Стекло одинарное

0,035

-

0,027

-

0,020

-

Драпировки и ковры - коэффициенты звукопоглощения

Ткань хлопчатобумажная 360 г/м2

0,030

0,040

0,110

0,170

0,240

0,350

Ткань бархатная 650 г/м2

0,050

0,120

0,350

0,450

0,380

0,360

Ковер толщиной 1 см с ворсом, на бетоне

0,090

0,080

0,210

0,270

0,270

0,370

Резиновый ковер толщиной 0.5 см

0,040

0,040

0,080

0,120

0,130

0,100

Поглощение объектов и людей - коэффициенты звукопоглощения

Стул с жестким сиденьем и спинкой

0,020

0,020

0,030

0,035

0,038

0,038

Стул с мягким сиденьем и спинкой

0,090

0,120

0,140

0,160

0,150

0,160

Слушатель (Человек)

0,360

0,430

0,470

0,440

0,490

0,490

Приложение 5

Рис.4. График, изображающий раннюю попытку Сэбина определить приемлемые времена реверберации для залов различных объемов

1. Маленький театр. 2. Веслейская аудитория. 3. Маконская церковь. 4. Театр «Аполло». 5. Аудитория Иллинойсского университета. 6. Большой зал колледжа штата Нью-Йорк. 7. Муниципальный зал.

Приложение-6

Рис.5. Время реверберации каб.№31 после исправления акустики: t (мс)

Рис.6. Время реверберации каб.№34 после исправления акустики: t (мс)

Рис.7. Время реверберации каб.№8 после исправления акустики: t (мс)

Рис.8.Время реверберации каб № 31, 34, 8 после исправления акустики: t (мс)