Acustica construcţiilor Noţiuni fundamentale 1. Problematica acusticii construcţiilor Acustica construcţiilor, ca parte a fizicii construcţiilor, are ca obiect studiul propagării şi recepţionării. energiei acustice, respectiv a sunetului, în clădiri şi spaţii urbane. Sunetul este forma sub care organismul uman percepe orice perturbaţie produsă într într un mediu elastic. Mişcarea oscilatorie a particulelor mediului prin care se manifestă asemenea perturbaţie excită organul auditiv prin intermediul timpanului şi este transmisă centrului nervos aferent. Prin urmare, în noţiunea de sunet poate fi inclusă orice vibraţie capabilă să impresioneze urechea umană. In ce priveşte impactul acestor vibraţii asupra vieţii şi activităţii oamenilor se disting: - zgomote, componentă componentă agresivă, generatoare de stres a mediului interior sau exterior, a cărei acţiune trebuie diminuată de clădire; - sunete, cu efecte pozitive în viaţa şi activitatea oamenilor, pentru care trebuie t rebuie asigurate condiţiile unei cât mai bune audiţii. Corespunzător, Corespunzător, apar cele două probleme ale acusticii construcţiilor: - protecţia acustică a clădirilor care urmăreşte diminuarea la limite admisibile a nivelului de zgomot prin măsuri urbanistice sau de izolare fonică; - proiectarea acustică a sălilor de audiţie, care care are în vedere punerea în valoare a sunetelor şi difuzarea lor pentru obţinerea unei audiţii corespunzătoare corespunzătoare destinaţiei. Procesul de industrializare şi de urbanizare care a determinat creşterea traficului, apariţia unui număr însemnat de instalaţii şi apa rate generatoare de zgomot, a condus la instaurarea, în special în localităţile urbane, a unei ambianţe zgomotoase permanente şi generale, cu efecte dăunătoare asupra sănătăţii şi randamentului muncii. Această creştere a nivelului de zgomot constituie una din problemele majore ale lumii contemporane, în majoritatea ţărilor avansate existând prevederi normative riguroase privind protecţia la acţiunea dăunătoare a zgomotelor. Adoptarea prin proiectare a unor măsuri de combatere a zgomotului reprezintă calea cea mai judicioasă de rezolvare a ace8tet probleme, cu efecte practice maxime şi efort minim. Încercarea de aplicare a unor astfel de masuri după realizarea construcţiilor prin amenajări ulterioare, locale, este mult mai costisitoare, iar eficienţa acustică redusă. In ce priveşte problemele legate de sălile de .audiţie, acestea trebuie luate în considerare obligatoriu din faza de proiectare, rezolvarea lor ulterioara fiind în unele situaţii foarte dificilă dacă nu chiar imposibila, întrucât în realizarea unei bune audiţii intervin dimensiunile, forma în plan şi în spaţiu, poziţia scenei şi a balconului etc. Principalele surse de zgomot care pot afecta funcţionalitatea clădirilor sunt: - zgomote din exterior generate de trafic, instalaţii industriale, şantiere de construcţii etc.; - zgomote interioare provenite din exploatarea curenta a clădirilor, respectiv a unor spatii tehnice sau comerciale amplasate în subsolul sau parterul acestora (centrale termice, posturi trafo, instalaţii de hidrofor, instalaţii frigorifice sau de condiţionare a aerului etc.). 2. Zgomotul şi confortul acustic 2.1. Caracteristici fizice ale câmpului acustic
Existenţa unui câmp acustic implică: - funcţionarea unei surse de putere acustică; - prezenţa unui mediu mediu de propagare propagare a undelor acustice. acustice.
Sursă de putere acustică poate fi orice sistem fizic care se află în stare de oscilaţie sau conţine subansamble oscilante şi este capabil să radieze energie acustică în mediul înconjurător. Există surse naturale cum sunt coardele vocale, zgomotul produs de vânt etc. sau artificiale. Sursele artificiale pot fi create special în scopul emiterii unor sunete în mediul înconjurător (sirene, instrumente muzicale etc.) sau emiterea sunetelor poate constitui un proces secundar rezultat din exercitarea funcţiunii de bază a unui anumit sistem (motoare, eşapamente, instalaţii etc.). Sursa sonoră emite energie acustică în spaţiu sub formă de unde, ale căror caracteristici depind de puterea sursei şi de me diul de propagare. Puterea sursei P reprezintă cantitatea de energie transportată de undă, în unitatea de timp exprimată în waţi. Mediul de propagare poate fi fluid sau solid, omogen sau neomogen, limitat sau nelimitat. Dacă undele acustice se propagă prin aer avem de a face cu zgomote aeriene, iar dacă mediul de propagare este solid sau lichid, este vorba de zgomote structurale. In exploatarea clădirilor mai apare şi sunetul produs prin lovirea unui element de construcţie, având formă de zgomot de impact şi care iradiază în începere sub formă de zgomot aerian. Pentru caracterizarea undelor acustice este necesară cunoaşterea următoarelor mărimi: viteza de propagare, c, lungimea de undă λ , frecvenţa de oscilaţie, f şi densitatea de energie E. a. Viteza de propagare a sunetelor depinde de caracteristicile inerţiale şi elastice ale mediului, de temperatura şi umiditatea acestuia în aer, la temperatura de 20°C şi umiditatea relativă de 65%, viteza de propagare a undelor sonore longitudinale este de 340 m/s. b. Lungimea de undă este definită de relaţia:
c T
c f
[m]
(1)
în care: T reprezintă perioada oscilaţiei în secunde; f, frecvenţa oscilaţiei în Hz. c. Funcţie de frecvenţă, undele acustice pot fi: - unde sonore cu frecvenţe cuprinse în domeniul audibil, între 20 şi 20000 oscilaţii pe secundă (Hz); - unde infrasonore care nu mai influenţează organul auditiv, dar care sunt percepute de corpul omenesc ca vibraţii mecanice; - unde ultrasonore, care se întind pe un domeniu larg de frecvenţe, superioare frecvenţei sunetelor. Producerea unei perturbaţii implică o cedare de energie de la sursă la mediu, iar această energie se propagă în mediu odată cu unda. d. Densitatea de energie E, în J/m 3, este cantitatea de energie oscilantă conţinută în unitatea de volum a mediului perturbat. Densitatea de energie acustică este direct proporţională cu pătratul presiunii acustice, p, şi invers proporţională cu pătratul vitezei de propagare, c: E
p2 0 c
2
[Jm3]
(2)
în care: ρ0 este densitatea mediului. e. Pentru caracterizarea unui câmp acustic nelimitat (în exteriorul clădirilor) se defineşte şi noţiunea de intensitate acustică, mărime ce reprezintă cantitatea de energie transportată de undă în unitatea de timp (puterea sursei P) prin unitatea de suprafaţă. Intensitatea este o mărime vectorială, exprimată prin relaţia: I
P S
r
[W/m2]
(3)
în care: r este vectorul de poziţie al punctului considerat; P, puterea sursei acustice, în W. Intre intensitatea şi densitatea de energie acustică există relaţia: (4) I Ec în care c este viteza de propagare a sunetului. In cazul unui câmp acustic limitat, cum este o încăpere dintr -o clădire, nu poate fi utilizată noţiunea de intensitate acustică deoarece peste unda incidentă se suprapun numeroase unde r eflectate de suprafeţele adiacente. În această situaţie, pentru caracterizarea câmpului acustic este suficientă noţiunea de densitate de energie.
2.2. Sunetul ca fenomen fiziologic
Senzaţia auditivă apare ca urmare a excitării aparatului nervos auditiv de către undele elastice care, fie prin intermediul urechii, fie prin conducţie osoasă, ajung în contact cu sistemul receptor. Intensitatea senzaţiei este determinată de caracteristicile fizice ale câmpului sonor, analizate anterior dar şi de particularităţile fiziologice ale organului auditiv. Din punct de vedere fiziologic sau subiectiv un sunet este caracterizat în suficientă măsură prin înălţime, tărie şi timbru. Sub aspect obiectiv, fizic, acestor caracteristici le corespund, respectiv, frecvenţa, intensitatea şi componenta spectrală. a. In funcţie de înălţime, un sunet este perceput de ureche ca fiind mai ascuţit sau mai grav. Un sunet ascuţit sau înalt este determinat de vibraţii cu frecvenţă mare sau înaltă, pe când unui sunet grav îi corespund frecvenţe joase. Având în vedere vastitatea domeniului frecvenţelor audibile, acesta se împarte în intervale dispuse după o scară exponenţială, un interval în care frecvenţa sunetului s -a dublat, reprezentând o octavă. b. Tăria sunetului este caracteristica funcţie de care un sunet este perceput de ureche ca fiind mai slab sau mai puternic şi este legată direct de intensitatea acustică . Intensitatea celui mai slab sunet perceput de urechea unui om normal din punct de vedere otologic este (I 0 = 10-12 W/m2) pentru frecvenţa de 1000 Hz, constituind pragul de audibilitate, iar intensitatea unui sunet perceput ca o senzaţie dureroasă este I = l W/m 2, constituind pragul de durere.
Se observă că domeniul de intensitate al sunetelor audibile este mult prea vast (10 W/m) pentru a putea fi urmărit la scara aritmetică a unităţilor energetice. De altfel, nici urechea nu percepe tăria sunetelor după o scară aritmetică ci după una logaritmică. Astfel, dacă dintre două sunete unul este de două ori mai puternic decât celălalt, se constată că intensitatea primului este de 10 ori mai mare decât a celui de-al doilea. Pentru aprecierea sunetelor funcţie de intensitate s -a introdus noţiunea de nivel de intensitate sonoră, NI, care reprezintă la scară logaritmică raportul între intensitatea unui sunet şi o intensitate de referinţă. Unitatea de măsură se numeşte Bel şi arată că intensitatea unui 12
sunet este de 10 ori mai mare decât a sunetului de referinţă. Întrucât urechea poate deosebi sunete cu variaţii de tărie mai mici decât de două ori, în mod curent, ca unitate de măsură a nivelului de intensitate sonoră se foloseşte decibelul (dB). 1 B = 10 dB Nivelul de intensitate al unui sunet poate fi determinat cu relaţia: NI
10
log
I I0
[dB]
(5)
în care I0 reprezintă intensitatea de referinţă, care se consideră egală cu intensitatea la pragul de audibilitate al unui sunet de frecvenţă egală cu 1000 Hz, respectiv I = 10 -12 W/m2. Similar se poate defini şi nivelul densităţii de energie, N E :
E NE 10 log E0
[dB]
(6)
Între intensitatea sunetului (caracteristică fizică) şi tărie (caracteristică fiziologică) există o relaţie complexă, tăria sunetului depinzând şi de frecvenţă. Astfel, urechea este mult mai puţin sensibilă la frecvenţele joase faţă de cele înalte, domeniul de maximă sensibilitate fiind cuprins între 2000 şi 5000 Hz. De asemenea, intensitatea de prag fiind diferită funcţie de frecvenţă, conform legii Weber -Fechner, sunete de frecvenţe diferite, cu acelaşi nivel de intensitate, provoacă senzaţii acustice diferite, adică sunt percepute ca fiind mai tari sau mai slabe, după cum intensitatea de prag este mai scăzută sau mai ridicată. Acest aspect se reflectă în noţiunea de nivel de tărie, măsurat în foni (Ph). Pentru frecvenţa de 1000 Hz nivelul de tărie al unui sunet armonic (pur) exprimat în foni este egal numeric cu nivelul de intensitate exprimat în dB. Corespondenţa între nivelurile de tărie exprimate în foni şi nivelurile de intensitate exprimate în dB se obţine cu ajutorul curbelor de egal nivel de tărie, curbele Fletcher-Munaon.
c. Un sunet poate fi efectul unei vibraţii simple sau sinusoidale şi în acest caz poartă numele de sunet pur, sau/suprapunerii mai multor vibraţii, când se numeşte sunet complex. Dacă între vibraţiile componente ale unui sunet complex există o relaţie armonică, respectiv dacă frecvenţele sunetelor componente sunt multipli ai unei anumite frecvenţe considerată fundamentală, atunci sunetul complex este plăcut urechii. Acestea sunt sunete muzicale, i ar componentele superioare sunetului fundamental se numesc armonice. Caracteristica după care se pot deosebi două sunete cu aceeaşi tărie şi aceeaşi frecvenţă fundamentală, dar cu una sau mai multe armonice diferite, constituie caracteristica de componenţă sau de structură numită timbru. Dacă între componentele unui sunet complex nu există o relaţie armonică, atunci
acesta este un zgomot. Din punct de vedere fiziologic, noţiunea de zgomot se extinde asupra tuturor sunetelor nedorite, fiind considerate zgomote chiar şi sunetele muzicale dacă sunt percepute într -un moment nepotrivit. 2.3. Confortul acustic
Efectele defavorabile ale zgomotului asupra sănătăţii oamenilor sunt cunoscute, studiul acestora preocupând numeroase organisme specializate, inclusiv Organizaţia Mondială a Sănătăţii. Acţiunea dăunătoare a zgomotului este. cu atât mai pronunţată cu cât nivelul de intensitate sonoră şi durata de acţiune sunt mai mari. Astfel: - zgomotele cuprinse între 30 şi 65 dB au numai un efect psihic manifestat prin oboseală, insomnie, scăderea randamentului intelectual. Acest efect apare atunci când se doreşte în mod special o atmosferă de linişte (somn, odihnă meditativă, activitate intelectuală) şi când apare o aversiune condiţionată împotriva sursei de zgomot; - zgomotele cu nivel de intensitate cuprins între 65 şi 90 dB, pe lângă efectele de ordin psihic menţionate pot să producă şi afecţiuni ale sistemului nervos, îmbolnăviri ale inimii şi aparatului circulator, ale stomacului şi bilei; - zgomotele cu nivel de intensitate cuprins între 90 şi 120 dB produc tulburări de auz, cu traumatisme în special la urechea internă, însoţite de surditate temporară sau permanentă. În cazul frecvenţelor înalte pot să apară şi scăderi temporare ale capacităţii intelectuale, iar sur ditatea temporară se poate instaura începând de la un nivel de zgomot de 85 foni. La zgomote cu nivelul de intensitate mai mare de 120 dB, leziunile organului auditiv cu surditate pronunţată apar după un timp destul de scurt. Este cazul personalului care lucrează în aeroporturi, la bancurile de probă pentru motoare de avion, în cazangerii, în industria metalurgică sau textilă. Conceptul de confort acustic implică asigurarea în interiorul clădirilor a unui nivel de intensitate sonoră favorabil desfăşurării activităţii căreia acestea îi sunt destinate (inclusiv odihna) cu randament maxim. Criteriul de performanţă privind asigurarea confortului acustic este nivelul de tărie al zgomotului interior datorat unor surse de zgomot exterioare unităţii funcţionale. Acest nivel trebuie să fie mai mic sau cel mult egal cu nivelul de tărie admisibil exprimat global, în dB (A,B sau C), (unităţi de măsură ale nivelului acustic ponderat, obţinut prin corectarea nivelului obiectiv de presiune acustică cu un factor de ponderare ce ţine seamă de modul de percepere al urechii umane, funcţie de frecvenţă). Insă în adoptarea unor măsuri eficiente de combatere a zgomotului fiind necesară cunoaşterea compoziţiei acestuia, în majoritatea prescripţiilor naţionale, condiţiile admisibile se exprimă printr -o anumită curbă de egal nivel de tărie, numite curbe de zgomot, indicate prin simbolul C z.
Prescripţiile tehnice din ţara noastră, referitoare la protecţia împotriva zgomotului, stabilesc limitele admisibile ale nivelului de zgomot echivalent interior în unităţile funcţionale din clădiri, datorat unor surse interioare. Valorile sunt exprimate în numărul de ordine al curbei Cz şi în dB(A). Pentru a aprecia dacă este îndeplinit criteriul de confort acustic se reprezintă nivelul de intensitate al zgomotului care se poate înregistra în unitatea funcţională stabilit pe bază de calcule sau măsurători şi curba C z caracteristică destinaţiei clădirii. Curba C z efectivă trebuie să se situeze sub curba C z standard pentru orice valoare a frecvenţei. Astfel: Cz Cz adm (7) este condiţia fundamentală de asigurare a confortului acustic într -o unitate funcţională. Destinaţie Camere de zi, bucătării Dormitoare Nivel de zgomot exterior
ziua noaptea
Nivel de zgomot admisibil ≤ 45 dBA ≤35dBA ≤55dBA ≤ 45 dBA
Observaţie: In accepţiunea normelor din ţara noastră, prin unităţi funcţionale se înţeleg încăperi sau grupuri de încăperi care necesită o limitare a nivelului de zgomot produs sau declanşat din afara lor, de surse ce nu pot fi înlăturate sau reglementate de cel care foloseşte unitatea. 3. Propagarea zgomotului în mediu deschis 3.1. Zgomotul urban
Zgomotul urban este un factor poluant care afectează în special viaţa locuitorilor din marile oraşe, sursa principală fiind traficul (rutier, feroviar şi aerian). Recunoaşterea zgomotului ca un factor de inconfort major datează încă din antichitate, mărturie în acest sens fiind măsura luată de Iulius Cezar care a interzis circulaţia carelor în timpul nopţii, pentru a asigura liniştea şi odihna cetăţenilor Romei. De asemenea Schopenhauer a scris despre "ruşinosul şi infernalul zgomot" datorat agitaţiei pe străzile oraşelor germane. Astăzi nivelul de zgomot urban în marile oraşe este de două ori mai mare decât în urmă cu 30 de ani şi continuă să crească. Traficul intens de autoturisme, autobuze, autocamioane şi tramvaie, apropierea de aeroporturi, zgomotul unor instalaţii de condiţionare a aerului sau a unor agregate frigorifice, funcţionarea compresoarelor necesare permanentelor lucrări edilitare, constituie cele mai importante surse de zgomot. Zgomotul produs de vehicule şi radiocasetofoane „a depăşit limitele oraşului, pătrunzând în locuri considerate, până nu demult, refugii în natură. Evident că sursa cea mai importantă de zgomot este circulaţia rutieră, cercetări efectuate în diverse ţări conducând la concluzia că 66% din zgomotul urban se datorează vehiculelor şi numai 9,8 % industriei. Pentru aprecierea aportului diferitelor surse de zgomot în stabilirea nivelului de zgomot urban pot fi luate în considerare următoarele valori: - foşnetul frunzelor ≈ 20 dB; - aparat de condiţionare a aerului montat în fereastră ≈ 55 dB; - conversaţia mai multor persoane ≈ 60 dB ; - descărcarea mărfurilor în zonele comerciale ≈ 60…80 dB; - orchestrele grădinilor-restaurant la distanţa de 7 m, ≈ 90 dB; - cinematograf în aer liber ≈ 90 dB;
- traficul urban greu ≈ 90 dB; - turboreactor la 200-300 m altitudine ≈ 115 dB; - pragul durerii fizice a urechii - 120 dB; - zgomotul produs de racheta Saturn V la rampa de lansare - 180 dB. Neplăcute nu atât prin nivelul lor cît prin caracterul lor de impuls sînt zgomotele provenite din jocul copiilor, cu valori de 80-85 dB. Cunoaşterea valorilor probabile ale nivelului de zgomot urban în diferite zone ale oraşului este necesară pentru adoptarea unor măsuri de protecţie adecvate, în vederea asigurării în unităţile funcţionale a unui nivel de zgomot inferior valorilor admisibile. Desigur, este de dorit ca valorile C z adm să se realizeze cu ferestrele deschise, iar pe arterele de circulaţie să existe o ambianţă acustică acceptabilă, cît mai puţin poluantă. Pentru realizarea acestor deziderate este necesar ca nivelul de zgomot echivalent, L echiv, la 3 m de clădire şi înălţimea de 1,3 m să nu depăşească valorile din tabelul următor : Zona urbană protejată Zona de locuit Zone de recreare şi odihnă Dotări protejate Centru de cartier Centru orăşenesc
Limitele admisibile ale nivelului de Curba Cz zgomot exterior clădirii [dB(A)] 50 45 45 40 45 40 55 50 60 55
Lechiv reprezintă nivelul de zgomot echivalent într-un anumit punct A dintr-o zonă urbană în care, într -o perioadă caracteristică se înregistrează semnale acustice provenind de la n acţiuni diferite, şi se calculează cu relaţia:
1 n q lg ti 10 0,3 T i 1
[dB] (8) Lech în care: q este coeficientul de influenţă caracteristic diferitelor tipuri de zgomot (q = 4 în cazul zgomotului de trafic; q = 3 pentru zgomote provenite din interiorul unor incinte care limitează întreprinderi industriale, şcoli, spaţii comerciale etc.); T, perioada de timp caracteristică, în s ; ti, durata de timp corespunzătoare acţiunii i, în s; L Ai L, nivelul de zgomot caracteristic acţiunii i în punctul considerat. Pentru calcule orientative, nivelul de zgomote echivalent provenite din trafic poate fi calculat cu relaţia: Lechiv = 34 + 10 lg (n1 + n2) [dB] (9) în care: n1 este numărul vehiculelor uşoare în perioada de timp caracteristică, considerată; n2, numărul vehiculelor grele care trec pe artera de circulaţie în aceeaşi perioadă. Nivelul de zgomot caracteristic, L ., din relaţia (8) este influenţat de reflexiile repetate ale undelor acustice pe suprafeţele cu care vin în contact, fapt pentru care se calculează diferit în cazul străzilor cu front construit pe o singură parte sau pe ambele părţi. De asemenea, valoarea nivelului de zgomot caracteristic este variabilă pe verticală, fiind minimă la partea superioară a clădirii. 0,3 A L i q
3.2. Factorii care influenţează nivelul zgomotului urban În afară de puterea şi durata de acţiune a sursei sonore , din reflexiile succesive sunt auzite ca fiind separate numai atunci când ecoul soseşte cu o întârziere mai mare de 1/15 s.
Deci pentru a fi perceput ecoul, drumul undei reflectate trebuie să fie cu cel puţin
c , 15
respectiv cu 23 m mai lung decât drumul undei directe. Capacitatea de absorbţie a sunetelor prin suprafaţa pereţilor, plafonului, pardoselii depinde de coeficientul de absorbţie al sunetului α , respectiv de coeficientul de reflexie β, pentru fiecare material în parte. Coeficientul de absorbţie α al sunetului reprezintă raportul între energia absorbită de material şi energia incidentă în câmp acustic difuz şi se exprimă printr -un număr subunitar, conform relaţiei:
i
Ia Ii
(10)
în care; Ia este intensitatea de energie sonoră absorbită de material, în W/m 2 Ii, intensitatea de energie sonora incidentă, în W/m 2. Se defineşte A i Si ca suprafaţă totală de absorbţie a încăperii, în m 2 . Reverberaţia este fenomenul de prelungire a duratei sunetului într-o încăpere după încetar ea acţiunii sursei. Durata de reverberaţie T, exprimată în secunde, este durata în care energia sonoră dintr -o încăpere se reduce la a milioana parte din valoarea, după încetarea acţiunii sursei, respectiv cu 60 dB. Durata de reverberaţie depinde de volumul încăperii şi absorbţia acesteia.
4.2. Variaţia intensităţii energiei sonore într -o încăpere In interiorul unei încăperi, energia emisă de o sursă sonoră contribuie parţial la creşterea densităţii de energie sonoră în încăpere, iar parţial este absorbită de suprafeţele delimitatoare, bilanţul energetic exprimându-se sub forma: (11) P t V E Pa t Ţinând seama de valoarea Pa: A c Pa E (12) 4
şi de faptul că fenomenul se desfăşoară continuu, relaţia (11) devine: V
d E A c E dt 4
P
(13)
cu condiţia iniţială: dE dt
t 0
P V
(14)
Soluţia acestei ecuaţii diferenţiale neomogene de ordinul I este: t 4P 1 e 4 V E(t ) A c A c
(15)
şi exprimă variaţia densităţii de energie în funcţie de puterea sursei, de elementele geometrice şi de absorbţie ale încăperii. In relaţiile (11…15) au fost utilizate următoarele notaţii: E - creşterea de densitate de energie sonoră în încăperea de volum V, în J/m 3; P - puterea sursei, în W ; Pa - puterea absorbită de elementele delimitatoare ale încăperii, în W; E - densitatea de energie sonoră din încăpere, în J/m 3; c - viteza de propagare a sunetului în aer, în m/s; A - suprafaţa totală de absorbţie a încăperii, în m 2; t - timpul, în s. Ţinând seamă de expresia intensităţii sonore într -un câmp difuz Ec I (16) 4
se obţine expresia variaţiei intensităţii sonore într -o încăpere: t P I 1 e 4 V A A c
(17)
a cărei reprezentare grafică apare în figură.
Analizând relaţia (17) şi reprezentarea ei grafică apar 3 situaţii distincte: I- Imediat după ce sursa începe să emită se observă o creştere a intensităţii de energie
sonoră după o curbă exponenţială, II- După un anumit interval de timp, a cărei mărime depinde de capacitatea de absorbţie a suprafeţelor delimitatoare, intensitatea sonoră se menţine constantă la valoarea: Is
P
A
(18)
fiind independentă de timp şi volumul încăperii. III- După ce sursa încetează (P = 0), ecuaţia (11) devine: V d E Pa t analog cu; V
dE dt
Ec A 4
(20)
Prin integrarea ecuaţiei (20) se obţine: A c 4 P 4 V t e ER A C respectiv: A c
P t IR e 4 V A
I3 e
(19)
A c t 4V
(21)
(22)
Rezultă că după încetarea sursei intensitatea acustică descreşte exponenţial, având loc o prelungire a sunetului în încăpere, ceea ce reflectă fenomenul de reverberaţie definit anterior. Dacă se ia în considerare faptul că durata de reverberaţie corespunde intervalului în care intensitatea sonoră descreşte cu 60 dB după încetarea sursei, se obţine expresia duratei de reverberaţie, Tr : IR IS
e
A c t 4V
106 V A
TR 0,161
(23) [s]
(24)
Relaţia [24] este cunoscuta sub denumirea de formula lui Sabine şi permite calculul duratei de reverberaţie în ipoteza că absorbţia se produce în mod continuu. In ipoteza absorbţiei energiei în mod discontinuu, ori de câte ori undele sonore ating suprafeţele delimitatoare ale încăperii, este valabilă expresia duratei de reverberaţie stabilită de Eyring: 0,161 V T (25) S ln(1 ) în care: S i i (26) S
reprezintă coeficientul de absorbţie acustică mediu. Însă nici relaţia lui Eyring nu dă rezultate conforme cu realitatea în toate situaţiile concrete. Astfel, dacă materialul absorbant este dispus neuniform pe suprafeţele încăperii, considerarea unui coeficient de absorbţie mediu introduce anumite erori. În asemenea situaţii, cum ar fi cazul unei încăperi la care numai tavanul este tratat fonoabsorbant, se utilizează formula lui Bilington care ţine seamă de coeficientul de absorbţie al fiecărei suprafeţe: 0,161 V Tr (27) Si ln(1 i ) Neajunsul acestei relaţii constă în faptul că dacă numai o mică porţiune din suprafaţa unei încăperi are coeficientul de absorbţie egal cu unu, durata de reverberaţie devine egală cu
zero. In baza acestei relaţii, o fereastră deschisă într -o încăpere, face ca durata de reverberaţie să devină egală cu zero, ceea ce nu corespunde realităţii. Cele trei relaţii de stabilire a duratei de reverberaţie, fiecare cu particularităţile sale de aplicare, dau rezultate practice satisfăcătoare în măsura în care sînt cunoscute valorile coeficienţilor de absorbţie pentru diferite materiale de finisaj. In general, erorile apar datorită imposibilităţii de încadrare a situaţiei reale în formulele menţionate sau din neconcordanţa între valorile coeficientului de absorbţie pentru materiale, stabilite de diferite laboratoare. La clădiri în exploatare, durata de reverberaţie poate fi stabilită pe cale experimentală în ipoteza încăperii goale, ocupate parţial sau în întregime. Spaţiul este saturat cu energie sonoră produsă de un pistol cu gloanţe oarbe sau de o sursă de zgomot etalon. Lanţul electroacustic folosit pentru producerea şi măsurarea căderii nivelului de zgomot odată cu încetarea sursei este prezentat în figura următoare.
4.3. Materiale şi structuri fonoabsorbante Intr-un spaţiu închis o parte din energia sonoră emisă de o sursă venind în contact cu suprafeţele delimitatoare se întoarce înapoi în încăpere datorită fenomenului de reflexie, Er , o parte este transmisă prin elementul de separaţie, Et, iar altă parte este disipată la suprafaţă, transformându-se în căldur ă, Ed. E = Er + Et + Ed (28) Energia disipată şi energia transmisă sau, într-un cuvânt, energia nereflectată este considerate ea fiind absorbită de suprafeţele încăperii, raportul între energia absorbită şi cea incidentă fiind numit coef icient de absorbţie acustică, α : E E E d t a (29) E
E
Raportul între energia reflectată şi cea incidentă caracterizează capacitatea de reflexie a suprafeţei prin coeficientul ρ:
Er E
(30)
In general însă, energia transmisă prin elementul de constr ucţie este neglijabilă şi prin urmare, coeficientul de absorbţie acustică poate fi definit ca raportul între energia disipată şi cea incidentă. Disiparea energiei este provocată de frecări, iar frecările cresc odată cu creşterea vitezei de deplasare a particulelor de aer. La rândul s ău, viteza de deplasare a particulelor creşte cu frecvenţa, aşa încât pentru caracterizarea unui material sau sistem din punct de vedere al absorbţiei acustice este necesar să, se cunoască coeficientul de absorbţie pentru un domeniu larg de frecvenţe. Pentru obţinerea absorbţiei acustice sunt utilizate două procedee, bazate pe fenomene fizice diferite: - disiparea energiei prin frecare în cadrul unor materiale cu pori deschişi absorbanţi f onici poroşi; - disiparea energiei prin punerea în mişcare a unor sisteme oscilante care la rezonanţă amplifică viteza de circulaţie a aerului, realizând o sporire a eficacităţii frecărilor. Sistemele oscilante fonoabsorbante sînt de două categorii: - membrane vibrante, constând dintr-un volum de aer care formează resortul sistemului oscilant şi dintr-o membrană care închide acest volum de aer şi a cărei masă constituie masa sistemului oscilant; - rezonatori, care sunt sisteme mecanice constând din c avităţi cu aer deschise, comunicând cu exteriorul printr-un orificiu (gât); resortul sistemului oscilant este constituit din volumul de aer care umple cavitatea, iar masa oscilantă din masa aerului din orificiu. Materialele utilizate ca absorbanţi fonici poroşi sunt: vata minerală, vata de sticlă, PFL poros, pâsla, poliuretanul. Montarea acestora se face direct pe suport sau cu interspaţii de aer, iar mascarea se realizează cu pânză de sac. Membranele vibrante sînt plăci subţiri, alcătuite din materiale dense (placaj, PFL dur, sticlă, PAL etc.), cu grosime mica şi masă redusă (sub 10 kg/m ), amplasate la o anumită distanţă faţă de un perete rigid. Absorbţia prin rezonatori se obţine cu ajutorul unor baterii de rezonatori, formate din plăci rigide perforate, dispuse la o anumită distanţă faţă de perete. Dacă în spatele plăcii perforate se introduce un mater ial poros, se obţine un sistem mixt.
PROTECŢIA ACUSTICĂ ÎN CONSTRUCŢII Protecţia acustică – ansamblul de măsuri destinate realizării unor spaţii cu un climat sonor confortabil, adică liniştit. Scopul final al tuturor măsurilor de protecţie acustică adoptate în proiectarea construcţiilor îl constituie reducerea sub limite admisibile a nivelului de tărie al zgomotului ce pătrunde în unitatea funcţională considerată. Protecţia acustică a construcţiilor are în vedere următoarele aspecte esenţiale în adoptarea mijloacelor de combatere a zgomotului: - scăderea nivelului de zgomot la sursă prin măsuri de ordin tehnologic aplicate instalaţiilor şi utilajelor generatoare de zgomot; - gruparea surselor de zgomot şi a construcţiilor protejate; - reducerea nivelului de zgomot prin măsuri urbanistice; - distribuţia judicioasă a încăperilor în cadrul unităţii funcţionale ţinând seama de destinaţia acestora şi exigenţele de confort urmărite; - izolarea acustică a unităţilor funcţionale la zgomot aerian şi de impact; - reducerea nivelului de zgomot prin absorbţie acustică.
1. Protecţia acustică prin măsuri de ordin urbanistic şi arhitectural Întrucât energia undelor acustice scade cu pătratul distanţei faţă de sursă, rezultă că prima măsură de ordin urbanistic, menită a reduce nivelul de zgomot în zonele rezidenţiale constă în asigurarea unei distanţe cît mai mari între sursele de zgomot şi locuinţe. In acest scop se impune delimitarea în cadrul oraşului de zone acustice şi stabilirea aproximativă a nivelului de zgomot maxim admis în acestea. La studierea zonării se ţine seama de direcţia vânturilor dominante, de conformaţia naturală a terenului, de prezenţa unor suprafeţe reflectante etc. Atunci când nu există posibilitatea asigurării unor distanţe corespunzătoare între surse şi clădirile de locuit se adoptă alte măsuri urbanistice, cum sunt: - scoaterea arterelor de circulaţie intensă la periferia zonelor de locuit şi crearea aşa-numitelor centuri sau artere ocolitoare; - crearea unor zone verzi între sursele de zgomot şi zonele rezidenţiale; - dispunerea judicioasă a clădirilor faţă de axul străzii; se recomandă dispunerea blocurilor normal pe axul străzii, retrase cu 2…3 m faţă de aceasta, cu grădini de faţadă plantate cu arbori capabili să atenueze zgomotul ; - realizarea unor ecrane de protecţie acustică constituite din clădiri care nu reclamă un nivel de zgomot scăzut; - evitarea dispunerii clădirilor în incinte deschise spre arterele de circulaţie care amplifică zgomotul stradal sau cel produs de jocul copiilor; - evitarea arterelor de tip coridor care amplifică zgomotul stradal datorită reflexiilor multiple. Măsurile de ordin arhitectural privind protecţia acustică se referă la amplasarea optimă a încăperilor în clădire în raport cu alte încăperi şi cu sursele de zgomot. Astfel se recomandă amplasarea în vecinătatea palierului şi a liftului a încăperilor auxiliare (băi şi bucătării) şi nu a încăperilor destinate odihnei sau activităţii intelectuale. De asemenea, este indicată amplasarea cazanelor pentru instalaţia de încălzire sau a instalaţiilor de hidrofor în încăperi speciale, protejate acustic, situate în afara clădirilor.
2. Izolarea unităţilor funcţionale împotriva zgomotului aerian 2.1. Capacitatea de izolare la zgomot aerian a elementelor de constr ucţii
Zgomotul aerian se defineşte ca zgomotul produs într -o încăpere dintr -o unitate funcţională, care se propagă prin mediul aerian al încăperii respective, până la elementele delimitatoare prin intermediul cărora este radiat în încăperile vecine.
Tr ansmisia zgomotului aerian prin elementele de compartimentare şi de faţadă se face într-o măsură mai mare sau mai mică, funcţie de capacitatea de izolare acustică a acestor elemente. Criteriul de apreciere al capacităţii de izolare acustică la zgomot aerian îl constituie indicii de atenuare acustică, R i, determinaţi prin măsurare directă, in situ, în benzi de frecvenţă de 1/3 octavă, în domeniul de frecvenţe cuprins între 100 şi 3150 Hz (domeniul de frecvenţe care interesează în tehnica de izolare acustică) sau prin calcul. Determinarea în laborator sau in situ a capacităţii de izolare acustică implică existenţa a două încăperi - camera de emisie şi camera de recepţie - separate prin elementul de probă,
respectiv elementul de studiat, încăperi în care poate fi măsurat nivelul de zgomot emis şi recepţionat. 1 R' 10 log
[dB]
Expresia indicelui de atenuare rezultat pe baza încercărilor este R' 10 log
E1 E2
[dB]
(1)
în care : E1 reprezintă densitatea energiei incidente pe suprafaţa elementului de construcţie despărţitor, în camera de emisie, în J/m 3; E2 densitatea energiei radiate de elementul de construcţie despărţitor, în camera de recepţie, în J/m3. Dacă se măsoară nivelul de zgomot în cele două încăperi, indicele de reducţie sonoră poate fi exprimat funcţie de capacitatea de izolare acustică brută : A R' D 10 lg 0 A
(2)
în care: D = L1-L2 este diferenţa între nivelul de zgomot măsurat în camera de emisie (L 1) şi cea de recepţie (L2), în dB; A0 , suprafaţa elementului despărţitor, în m ; A, suprafaţa de absorbţie echivalentă a încăperii receptoare, în m 2 U.A.). Evaluarea globală a capacităţii de izolare la zgomot aerian a unui element despărţitor se face prin intermediul indicelui de izolare la zgomot aerian I a(EA), care rezultă comparând curba R’(f) corespunzătoare elementului respectiv, stabilită pe bază de calcul sau măsurători cu o curbă etalon. Se defineşte indicele de izolare la zgomot aerian (E A) ca fiind ordonata măsurată în dB, cu care trebuie translată curba etalon a indicilor de atenuare până la obţinerea unei abateri negative medii a curbei reale (R i) faţă de curba etalon în valoare de cel mult 2 dB. Abaterea medie negativă reprezintă suma abaterilor negative măsurate pe abscisele corespunzătoare frecvenţelor medii ale treimilor de octavă, împărţită la 15 (numărul total al treimilor de octavă din intervalul de 100...3150 Hz). Funcţie de sensul de deplasare al curbei etalon în sus sau în jos, respectiv spre zona rezultatelor favorabile sau defavorabile se înregistrează semnul + sau - al indicelui EA. Satisfacerea exigenţei de confort acustic, exprimată prin condiţia C z ≤ Cz,adm se obţine dacă pentru fiecare element delimitator al unităţii funcţionale se asigură un indice de izolare la zgomot aerian Ea real ≥ Ea adm. Valorile lui Eadm pentru clădiri de locuit sunt prezentate în STAS 6156-80.
2.2. Determinarea prin calcul a indicilor de atenuare la zgomot aerian Pentru evaluarea prin calcul a indicilor de atenuare acustică R’ pentru elemente delimitatoare se utilizează metode inginereşti simplificate, valabile pentru structuri omogene sau neomogene din punct de vedere acustic. O ipoteză utilizată curent în evaluarea indicelui de atenuare acustică a elementelo r delimitatoare este cea făcută de fizicianul german W. Berger, conform căreia, elementul de construcţie poate fi considerat ca o masă rigidă rezemată elastic (cu frecare) pe contur care se comportă ca un sistem oscilant cu un singur grad de libertate, având în vedere deplasările foarte mici care se produc sub acţiunea sarcinilor acustice. S -a constatat prin calcul că frecvenţa de rezonanţă, pentru dimensiuni uzuale ale elementului de construcţie se situează totdeauna în afara domeniului util de frecvenţe (100...3150 Hz), în cadrul acestuia indicele de atenuare stabilindu-se cu relaţia:
f m [dB] (3) c în care: f reprezintă frecvenţa sunetului considerat, în Hz; m, masa elementului, în kg/m 2; ρ, densitatea aerului, în kg/m 3; c, viteza de propagare a sunetului în aer, în m/s. Dacă se reprezintă grafic mărimea R' funcţie de frecvenţa reprezentată la scară logaritmică, se obţine o dreaptă cu pantă de 6 dB/octavă, situată mai sus sau mai jos după cum masa este mai mare sau mai mică. Rezultă că indicele de atenuare acustică a unui element de construcţie depinde în principal de masa acestuia, relaţia (3) fiind cunoscută sub numele de legea masei. Reprezentarea grafică a dependenţei indicelui de reducţie sonoră de masa elementului a fost r ealizată de Gösele şi Schille, prin prelucrarea rezultatelor experimentale ale lui W.Berger. O îmbunătăţire a comportării elementelor de construcţie privind izolarea la zgomot aerian se obţine prin fragmentarea masei to tale în două mase separate de un str at de aer. Prin fragmentarea masei, la indicele de atenuare corespunzător masei totale m = m 1 + m2 se adaugă aportul stratului de aer ∆R’(f). R' 20 lg
In cazul elementelor cu goluri de uşă sau fereastră, care delimitează încăperile ce trebuie izolate acustic, indicele de atenuare, R(f), se determina funcţie de diferenţa dintre indicii corespunzători elementului plin şi elementului de tâmplărie şi de raportul între suprafaţa totală a elementului şi suprafaţa golului.
2.3. Factorii care influenţează capacitatea de izolare acustică a elementelor de construcţii Capacitatea de izolare acustică a elementelor de construcţii, respectiv a pereţilor despărţitori este influenţată de următorii factori: a. Proprietăţile fizice ale materialelor care intră în alcătuirea pe retelui despărţitor - Masa materialului este caracteristica principală care determină capacitatea de izolare la zgomot aerian a elementelor delimitatoare, după cum rezultă din paragraful anterior. Soluţiile constructive de pereţi care răspund exigenţelor de izolare la zgomot aerian sunt: din beton armat, în grosime de 16…18 cm (m = 350 kg/m 2 ), beton uşor cu agregate din piatră în grosime de 16…25 cm (m = 250…270 kg/m 2), ipsos în grosime de 30..35 cm, beton poros 30..40 cm.
- Porozitatea materialului inf luenţează negativ capacitatea de izolare acustică prin reducerea masei. Golurile de aer (în afară de cele cilindrice cu anumite dimensiuni) favorizează fenomenul de rezonanţă. b. Rezolvări constructive - modul de fixare a pereţilor pe contur influenţează capacitatea de izolare acustică, fixarea elastică prin intermediul unui material deformabil conducând la creşterea capacităţii de izolare a peretelui în special la zgomote structurale; - etanşarea corectă a îmbinărilor contribuie la creşterea capacităţii de izolare acustică; - tencuirea pe ambele fete a pereţilor despărţitori din materiale cu pori deschişi, pentru evitarea fenomenului de rezonanţă; - evitarea îmbinării uscate la pereţi despărţitori.
3. Izolarea unităţilor funcţionale la acţiunea zgomotului de impact Potrivit prescripţiilor în vigoare, zgomotul de impact este zgomotul care ia naştere prin lovirea unui element de construcţie, sub formă de zgomot structural şi care este iradiat în încăpere sub formă de zgomot aerian. Zgomotele de impact apar în exploatarea normală a clădirilor şi sunt determinate de: circulaţia pe planşeu, jocul copiilor, căderea unor obiecte pe pardoseală, mişcarea mobilierului, funcţionarea unor aparate de uz casnic etc. Dacă la acţiunea zgomotului aerian se impune verificare a tuturor elementelor delimitatoare, la zgomotul de impact se dimensionează numai planşeele. Pentru aprecierea capacităţii de izolare acustică la zgomot de impact a unei structuri de planşeu cu sau fără pardoseală, în condiţii de laborator, se produce zgomotul de impact cu ajutorul unui dispozitiv standard de lovire aşezat pe elementul de studiat. Nivelul zgomotului recepţionat în încăperea situată sub planşeu, când pe aceasta acţionează dispozitivul de lovire, se numeşte nivelul zgomotului de impact, Li. Întrucât în încăpere există şi zgomot reverberant care se suprapune peste cel iradiat de planşeu, se foloseşte noţiunea de nivel de zgomot normalizat (L n) al zgomotului de impact, care se determină cu relaţia: Ln
A 0 A
Li 10 lg
(4)
în care: Li reprezintă nivelul zgomotului înregistrat; A0, absorbţia acustică de referinţă, A 0 = 10 m2; A, absorbţia echivalentă a camerei de recepţie.
Indicele de izolare la zgomot de impact (E i) se defineşte ca ordonată, măsurată în dB, cu care trebuie translată curba etalon pentru. a se suprapune peste curba nivelurilor normalizate Ln(f) (măsurată sau calculată) corespunzătoare elementului de construcţie analizat.
Aportul pe care îl aduce pardoseala la creşterea valorii (E i) poartă numele de îmbunătăţirea comportării la zgomot de impact ∆I i(∆Ei), diferă funcţie de structura pardoselii, îmbunătăţirea adusă de aceasta fiind cu atât mai mare cu cît pardoseala respectivă conduce la un interval de timp corespunzător impactului mai lung. In tabelul ce urmează sînt prezentate valorile AE. pentru câteva tipuri de pardoseli, care reflectă efectul favorabil al prezenţei pardoselii în complexul planşeu brut- pardoseală. Rezultă că indicele total de izolare la zgomot de impact se determină cu relaţia: Ii(Ei) = Iib(Eib) + ∆Ii(∆Ei) [dB] (5) în care: Iib(Eib) este indicele de izolare la zgomot de impact a planşeului brut, în dB; ∆Ii(∆Ei) - îmbunătăţirea izolării la zgomot de impact corespunzătoare pardoselii, în dB. Aportul de izolare acustică al pardoselilor la zgomot de impact
Tipul de pardoseală Parchet LU lipit pe plăci fibrolemnoase poroase, de 16 mm grosime Parchet LU bătut în cuie pe plăci din fibrobeton, aşezate pe un strat de pudretă de cauciuc de 25 mm grosime Covoare şi dale din PVC, fără suport textil, cu grosimi cuprinse între 1,5 şi 2 mm Covoare ş din PVC, cu suport textil, neţesut, cu grosimi totale cuprinse între 2,5 şi 3 mm Covoare din PVC cu substrat fonoizolant din PVC expandat, cu grosimea de cel puţin 2,5 mm Mochetă neţesută Pardoseli din parchet sau covor din PVC, fără suport textil, lipit pe dală flotantă din beton, pe strat elastic din vată minerală tip F.I., de 10 cm grosime Pardoseli din parchet sau covor din P VC, fără suport textil, lipit pe dală flotantă din beton, pe strat elastic din plăci poroase tip F.I., de 20 cm grosime Pardoseli din parchet sau covor din PVC, fără suport textil, lipit pe dală flotantă din beton, pe strat elastic din polistiren extr udat de 10 cm grosime
Îmbunătăţirea izolării la zgomot de impact I (EI) [dB] + 10 + 21 +7 + 11 + 16 + 20 + 23 +28 + 22
Din consultarea tabelului reiese aportul deosebit la izolarea împotriva zgomotului de impact în cazul utilizării pardoselilor pe dală flotantă, care realizează şi suprafeţe de circulaţie rigide. Dalele flotante constituie un sistem oscilant (amortizor) cu un grad de libertate. Practic sistemul trebuie astfel realizat încât între dala propriu-zisă şi elementele de rezistenţă (planşee, pereţi) să nu se realizeze punţi rigide, care ar duce la scăderea eficienţei sistemului amortizor.
