1

Capitolul 5

ACUSTICA CLADIRILOR

Notiuni introductive

Caracterizarea fizica a sunetelor

Notiuni de acustica fiziologica

Caracteristici subiective ale sunetului

Confortul acustic in cladiri

Izolarea unitatilor functionale impotriva

zgomotelor

- aerian

- de impact

2

ACUSTICA CLADIRILOR

Acustica cladirilor se ocupa cu studiul problemelor legate de

propagarea si receptionarea energiei acustice in unitatile

functionale si in teritoriul construit in scopul asigurarii confortului

acustic.

Problemele analizate:

izolarea fonica a cladirilor;

tratarea fonoabsorbanta a salilor de auditie.

Pentru analiza se impune cunoastrerea:

sursei de emisie;

mediului de propagare;

receptorului.

Sursa de putere acustica poate fi orice sistem fizic care aflat in

oscilatie, este capabil sa realizeze energia acustica in mediul

inconjurator.

Pot fi:

construite special pentru a raspandi sunetul in spatiu

(instrumente musicale, difuzoare, sirene etc.);

la care radierea energiei acustice apare ca urmare a

functionarii (efect secundar – motoare etc.).

In cladiri zgomotele provin din exterior sau din interior (din

exploatarea curenta sau de la spatiile tehnice).

3

Mediul de propagare al undelor Vibratiile sursei produc dilatari si comprimari succesive ale

particolelor mediului cu care sunt in contact direct. Particulele puse

astfel in miscare antreneaza particulele invecinate s.a.m.d.,

fenomenul se repeta in continuare formandu-se unde elastice, care

iau alternativ forma unor compresiuni sau dilatari succesive ale

mediului. Particulele mediului nu se deplaseaza odata cu unda

elastica. Ele efectueaza numai o miscare oscilatorie, de o parte si

de alta a pozitiei lor de echilibru, facand operatia de transmitere a

undei elastice prin mediul respectiv.

Mediul de propagare al undelor poate fi:

semiinfinit (mediul exterior);

limitat (mediul interior cladirilor).

In mediul aerian se pot gasi obstacole care sa influenteze

comportarea undelor acustice.

CARACTERIZAREA FIZICA A

SUNETELOR

1) VITEZA DE PROPAGARE (c) reprezinta spatiul pe care s-a

propagat miscarea oscilatorie, in unitatea de timp.

t

dc [m/s] (1)

unde:

d – distanta parcursa de unda [m];

t – intervalul de timp [s].

4

Viteza de propagare depinde de:

elasticitatea mediului;

temperatura mediului;

umiditatea mediului;

natura mediului (solide, lichide, gaze).

Mediul Densitatea

(ρ, in kg/m3)

Viteza

(c, in m/s)

Impedanta mediului

(ρc, in Ns/m3)

Aer la 20C 1.2 344 414

Apa la 12C

(20C)

1000 1441

(1480) 144104

Sticla 2400 6000 1440104

Aluminiu 2700 5200 1400104

Otel 7900 5100 4000104

Lemn de brad 510 4700 240104

Lemn de stejar 720 4100 290104

Zidarie din

caramida

1800 4000 720104

Beton 2500 4000 1000104

Cauciuc 1000 … 2000 40 … 200 (4 ... 40)104

Pamant 1800 3400 610104

ρc = impedanta acustica a mediului

2) LUNGIMEA DE UNDA (λ) reprezinta distanta pe care se

propaga unda in interval de o perioada.

5

fcT

c [m] (2)

unde:

c – viteza undei [m/s];

T – perioada de timp [s];

f – frecventa [Hz = 1/s];

Deoarece depinde de viteza de propagare a undelor, lungimea

de unda a unui sunet in aer va fi mai mica decat cea a aceluiasi

sunet intr-un mediu solid sa lichid.

Exemplu:

Ptr. f = 1000 Hz in aer 344.01000

344 m

in apa 44.11000

1441 m

In aer, in domeniul frecventelor 16 ... 16000 Hz

5.2116

344 m

0216.016000

344 m

3) DENSITATEA DE ENERGIE SONORA (E) reprezinta

cantitatea de energie oscilanta continuta de unitatea de volum a

mediului perturbat. Se masoara in [J/m3].

4) PRESIUNEA ACUSTICA (p) [N/m2]

Se adauga presiunii statice a aerului p0 = 1,013*105 N/m2.

6

Cand o sursa radiaza, oscilatia mediului genereaza o dilatari-

contractari producand o presiune instantanee.

In calcule se foloseste presiunea eficace (pef) care este media

patratica a presiunii instantanee in intervalul de o oscilatie.

T

0

2

ef dtT

1p [N/m2] (3)

Ex: la distanta de 1 m de sursa pef = 0.1 N/m2, ptr. conversatie

pef = 1 N/m2, ptr. strigat

pef = 20 N/m2, ptr. motor de avion

5) FLUXUL DE ENERGIE SONORA (Φ) reprezinta energia ce

travereaza o suprafata, normala pe directia de propagare a undelor

sonore, in unitatea de timp.

Se masoara in [J/s = W].

6) INTENSITATEA UNDELOR (I) reprezinta cantitatea de

energie transportata de unda sonora in unitatea de timp prin

unitatea de suprafata.

S

I

sau S

PI [W/m2] (4)

unde:

P – puterea acustica

Deoarece se masoara greu, se prefera utilizarea formulelor:

c

pI

2

ef

[W/m2] (5)

sau cEI [W/m2] (6)

7

Sursa Puterea acustica

Racheta la rampa de lansare 104 kW

Jet de avion cu reactie 10 kW

Orchestra mare (75 persoane) 50 … 70 w

Pian 0.3 W

Voce puternica 1 mW

Voce normala 20 W

Fosnetul frunzelor 0.001 W

deoarece rezulta un domeniu foarte larg, pentru I se va folosi o

scara logaritmica in baza 10. Aceasta scara a condus la adoptarea

unei marimi noi – nivel acustic.

7) NIVEL DE INTENSITATE ACUSTICA (NI, L sau Li) care

este o marime fizica obiectiva

0I

Ilg10L [dB] (7)

unde:

I0 = 10-12 W/m2 - intensitatea de referinta (de propagare

pentru f=1000 Hz)

Pentru I = 10-12 ... 1 W/m2, rezulta L = 0 ... 120 dB

8) NIVEL DE PRESIUNE ACUSTICA (Lp) sunetele ajung la

ureche si o impresioneaza prin variatii de presiune.

0

pp

plg10L [dB] (8)

unde:

I0 = 10-12 W/m2 - intensitatea de referinta (de propagare

pentru f=1000 Hz)

8

daca se tine seama de (5), rezulta 00

ip

plg20

I

Ilg10L

daca se suprapun efectele:

0

2n

22

21

0

n21i

p

p...pplg10

I

I...IIlg10L

(9)

NOTIUNI DE ACUSTICA

FIZIOLOGICA

Caracteristici fizice ale sunetului si proprietati derivand din

particularitatile fiziologice ale senzatiei auditive.

DOMENIUL DE AUDIBILITATE Pentru a fi perceput de urechea umana, sub forma de sunete,

vibratiile acustice care ajung la ureche trebuie sa satisfaca anumite

conditii privind:

frecventa;

intensitate;

durata.

Frecventa:

infrasunete domeniul audibil ultrasunete

< 16 Hz 16 …. 16000 Hz > 16000 Hz

Domeniul audibil se intinde pe 10 octave.

9

unde: 1 oct (octava) = distanta dintre o frecventa si dublul ei

1 oct 3.02lgf

f2lg

Intensitatea:

Limita de durata pentru ca un sunet sa fie perceput = 60 msec.

SENZATIA AUDITIVA. LEGEA WEBWR-FECHNER Senzatia auditiva poate fi considerata o functie de frecventa si

intensitatea sunetului. Sensibilitatea organului auditiv este de asa

natura incat unei vibratii acustice avand o intensitate de doua ori

mai mare decat alta vibratie, nu-i corespunde un sunet de doua ori

mai intens; sunetul corespunzator vibratiei acustice cu intensitate

dubla apare ca ceva mai tare decat sunetul corespunzator celeilalte

vibratii.

Weber si Fechner, au stabilit experimental ca, pentru o

frecventa data, urechea umana are proprietatea ca la intensitati

10

reduse ale sunetului sa sesizeze mai usor variatii mici de intensitate

decat la valori mai mari.

Au stabilit experimental o lege ce are expresia:

I

IkS

(10)

unde:

k – constanta in raport cu intensitatea dar variabila cu

frecventa.

Daca se considera senzatia acustica ca o functie continua de

intensitatea sunetului, prin prelucrari se ajunge la relatia:

fII

lnfkI,fSp

(11)

CARACTERISTICI SUBIECTIVE

ALE SUNETULUI

NIVELUL DE TARIE SONORA

Intensitatea de prag este variabila in functie de frecventa.

Din legea Webwr-Fechner rezulta ca sunete cu frecvente

diferite avand acelasi nivel de intensitate provoaca senzatii acustice

diferite, adica unele sunt percepute ca fiind mai tari, iar altele ca

fiind mai slabe, dupa cum intensitatea de prag este mai scazuta sau

mai ridicata.

11

Din desenul de mai sus desi I/Ip este mai mare pentru f2

decat pentru f1, deci la aceeasi intensitate si respectiv nivel de

intensitate sonora se aud ca fiind mai tari sunetele cu frecventa mai

mare decat cele cu frecventa mai joasa.

Pentru a tine seama de acest aspect, pe langa notiunea de nivel

de intensitate (care reprezinta o marime fizica, obiectiva) s-a

introdus notiunea de nivel de tarie sonora.

pI

Ilog10 [foni] (11)

CURBE DE EGAL NIVEL DE TARIE SONORA (izofone)

12

Pe baza cercetarilor FLETCHER – MUNSON au elaborat

curbele de egal nivel de tarie acustica, care indica influenta pe care

o are frecventa unui sunet asupra senzatiei auditive.

TARIA SONORA (N)

Nivelul de tarie sonora permite ordonarea sunetelor pe o scara

de la “slabe” la “puternice”. Notiunea nu permite insa sa se

aprecieze de cate ori un sunet este mai puternic decat altul.

10

40)foni(

2N

[soni] (12)

INALTIMEA SUNETULUI

Tinand seama de inaltimea sunetelor, acestea pot fi ordonate

pe o scara de la sunete joase, grave, la sunete inalte.

Unitatea de masura este “mel” (de la “mellody”).

13

TIMBRUL UNUI SUNET.

REPREZENTARE SPECTRALA

Notiunea de timbru intervine in aprecierea unor sunete

complexe ce au aceeasi frecventa fundamentala (deci aceiasi

inaltime) si acelasi nivel de tarie, care pot fi totusi distinse unele de

altele, prin auz liber. Despre astfel de sunete se spune ca au timbru

diferit.

Helmholz a aratat ca timbrul sunetului depinde de spectrul lui;

pentru aceeasi frecventa fundamentala sunetele vocii, clarinetului

sau pianului vor avea un timbru diferit, datorita spectrului diferit.

Din punct de vedere muzical, un sunet are un timbru cu atat mai

bogat cu cat spectrul lui cuprinde mai multe armonice.

Reprezentarea sunetelor :

- sunet pur

- sunet musical complex

14

- zgomot

In cazul zgomotului, componentele sunetului complex sunt

atat de numeroase si putin distantate, incat sunetul apare cu un

spectru continuu de frecvente intr-o banda larga de frecvente.

CONFORTUL ACUSTIC

IN CLADIRI

Exemple de niveluri de tarie pentru diverse sursr sonore

Sursa sonora Nivel tarie

(foni)

Fosnetul frunzelor 10

Soapta la 1,5 m 15

Gradina foarte linistita 20

Locuinta foarte linistita 30

Convorbire cu voce tare 65

Strada zgomotoasa 85

Restaurant cu aglomeratie

mijlocie

50

Birou cu masini de

dactilografiat

70

Motor de avion la 3 m 120

15

In raport cu nivelul de tarie al zgomotului, confortul acustic

se defineste in urmatorul mod :

intr-o unitate functionala, tinand cont de specificul

activitatii, se stabileste un anumit nivel de tarie

admisibil (conf. STAS);

se considera ca in acea unitate sunt indeplinite

conditiileconfort acustic, daca nivelul de tarie al

zgomotelor produse sau declansate din exteriorul

unitatii functionale este cel mult egal cu nivelul de tarie

admisibil.

Deoarece pentru combaterea zgomotului perturbator este

nevoie sa se cunoasca spectrul zgomotului, in prescriptii, conditiile

admisibile se exprima printr-o anumita curba de egal nivel de

tarie sonora (sunt curbe simplificate care utilizeaza curbele

Fletcher-Munson).

Aceste curbe sunt indicate prin simbolul cz urmat de un

numar de ordine al curbei respective (ex. cz 30) cifra indicand

valoarea nivelului maxim admisibil.

16

Pentru a aprecia daca sunt indeplinite conditiile de confort

acustic, se procedeaza in felul urmator:

se traseaza spectrul zgomotului perturbator in unitatea

functionala ce se analizeaza;

se stabileste curba de zgomot definitorie pentru zgomotul

perturbator si se noteaza cu cz,ef (se alege curba de

zgomot care margineste superior spectrul de zgomot

perturbator);

pe acelasi grafic, curba cz,adm asociata destinatiei unitatii

functionale si tipului de cladire din care face parte;

17

se considera ca sunt indeplinite conditiile de confort, in

unitatea respectiva, daca este respectata conditia :

cz,ef cz,adm (13)

Exemple ale valorilor cz,adm

Tipul de

cladire

Unitatea functionala Numarul de ordine al

curbei cz,adm

Cladiri de

locuit

apartamente 30

Hoteluri Camere de locuit si

apartamente

30

Birouri de administratie 40

Sali de restaurante 45

Spitale Saloane 1 – 2 paturi 25

Saloane 30 locuri 30

Sali de operatie 30

Sali de mese 40

Scoli Amfiteatre 35

Biblioteci 30

Cancelarii 35

18

IZOLAREA UNITATILOR

FUNCTIONALE

IMPOTRIVA ZGOMOTELOR

Conditia fundamentala necesara indeplinirii confortului

acustic in U.F. din cladiri, este

cz,ef cz,adm (13)

Masurile de protectie ale U.F. au drept scop:

izolarea U.F. impotriva ggomotelor prin intermediul

elementelor delimitattoare ;

combaterea zgomotelor produse de instalatiile aferente

cladirii.

Functie de pozitia sursei de zgomot, in raport cu elementele

de constructie, zgomotul poate fi :

aerian ;

de impact.

In cazul zgomotului aerian, sursa de zgomot emite in aer

(exemple : vorbitul, aparate radio, televizoare etc.).

In cazul zgomotului de impact, sursa de zgomot se afla in

contact cu elementele de constructie (exemple : circulatia pe

pardoseala, caderea obiectelor pe pardoseala, mutatul mobilierului

etc.).

19

IZOLAREA IMPOTRIVA

ZGOMOTULUI AERIAN

In cazul zgomotului aerian, sursa de zgomot actioneaza

asupra elementului de constructie in mod indirect prin intermediul

undelor acustice ce se propaga in aer ; elementul de constructie

excitat de sursa aeriana, vibreaza si devine sursa de zgomot

transmitand energia sonora.

C.E. – camera de emisie, C.R. – camera de receptie

Datorita legaturilor care exista intre elementele de constructie,

transmiterea energiei acustice se realizeaza:

direct;

indirect (prin cai colaterale).

Sursa de zgomot emite unde sferice care ajung la toate

elementele de constructie, delimitatoare ale camerei de emisie si le

supune la presiuni. Zgomotul aerian se transmite prin elementele

de constructie se transforma in unde transversale, punand in

miscare astfel elementele de constructie. Elementele de constructie

“ vibreaza ” si transmit zgomotele in celelelate incaperi.

20

In cazul transmiterii directe, zgomotul este receptionat in

camera de receptie, numai prin elementul de constructie care

delimiteaza camera de emisie de camera de receptie.

In cazul transmiterii indirecte (prin cai colaterale),

zgomotul este receptionat in camera de receptie, numai prin

elementul de constructie care delimiteaza camera de emisie de

camera de receptie.

Transmiterea directa

Indicele de atenuare sonora (R) se evalueaza cu formula:

fA

Slg10fLfL)f(R 21 [dB] (14)

unde:

L1(f) – nivelul de intensitate sonora in C.E.;

L2(f) – nivelul de intensitate sonora in C.R.;

S – suprafata elementului de separatie dintre C.E. si C.R.;

A – suprafata de absorbtie sonora echivalenta a C.R.;

iiSA [m2] (15)

άi – coeficientul de absorbtie sonora al materialului de

suprafata Si

Evaluarea globala a capacitati de izolare la zgomot aerian a

unui element separator de U.F. se face prin intermediul indicelui de

izolare la zgomot aerian Ia(Ea).

Conditia care se impune pentru indeplinirea confortului

acustic este:

Ia,ef Ia,adm sau Ea,ef Ea,adm (16)

21

Nivelul tariei receptiei depinde de o serie de factori ce depind

in principal de elementul de constructie delimitator. Dintre acesti

factori se pot aminti:

modul de rezolvare constructiva;

existenta golurilor (patrunse sau nu, numarul,

dimensiunile, distributia, modalitatea de etansare

acustica in jurul golurilor, modalitatea de rezolvare al

elementelor de mascare al golurilor etc.);

modalitatea de ancorare perimetrala etc.

Din punct de vedere al rezolvarii constructive al elementelor

de constructie putem discuta de:

elemente masive (legea Berger);

c

mflg20R

[dB] (16)

unde:

f – frecventa sunetului, [Hz];

m – masa unitara a elementului, [kg/m2];

ρ – densitatea aerului, [kg/m3];

c – viteza de propagare a sunetului in aer, [m/s].

sau inlocuind coeficientii cu valorile corespunzatoare si pentru o

valoare a frecventei de 500 Hz, se obtine:

350

mlg20Ea [dB] (17)

22

elemente multistrat.

Existenta golurilor in elementele de constructie, conduce la

cresterea nivelului tariei zgomotului receptionat.

110S

S1lg10RR 10

RR

0

10

10

[dB] (18)

unde:

“0” – elementul plin;

“1” – golul;

23

Din punct de vedere al modalitatii de ancorare perimetrala,

pentru elementele nestructurale, se recomanda utilizarea detaliilor

cu prinderi elastice.

Transmiterea indirecta (prin cai colaterale)

Cresterea indicelui de atenuare sonora (Rc) se evalueaza cu

formula:

1

Z

Zlg20R

F

Ic [dB] (19)

unde:

ZI – impedanta mecanica corespunzatoare elementului de

constructie considerat, in [daNs/m];

ZII – impedanta mecanica medie a elementulelor de

constructie adiacente elementului considerat,

in [daNs/m];

24

IZOLAREA IMPOTRIVA

ZGOMOTULUI DE IMPACT

In cazul zgomotului de impact, sursa de zgomot actioneaza in

mod direct asupra elementului de constructie.

Excitatia sonora se transforma in unde transversale care se

transmit in toata structura de rezistenta (mediu solid), supunand la

vibratii elementele de rezistenta. Acestea din urma devin surse de

zgomot, transmitand energia sonora in toate U.F. ale cladirii.

Protectia inpotriva zgomotului de impact se realizeaza prin

doua metode:

in cazul pardoselilor se adopta solutii de tip pardoseala

pe dala flotanta;

25

Exemple de valori ale imbunatatirii indicelui de izolare la

zgomot de impact (EI), pentru diverse solutii de rezolvare al

pardoselilor :

Tipul de pardoseala EI

(dB)

Covoare si dale PVC fara suport textil cu

grosimi de 1,5 ... 2 mm

+7

Covoare PVC cu suport textil tesut cu grosimi de

2 ... 2,5 mm

+9

Covoare PVC cu substrat fonoizolator din PVC

expandat cu grosimea de cel putin 2,5 mm

+16

Parchet L.U. lipit pe placi fibrolemnoase poroase

de 16 (25) mm grosime

+10 (+14)

Mocheta netesuta +20

Conditia care se impune pentru indeplinirea confortului

acustic este:

Ln,w,ef Ln,w,adm (20)

in cazul zgomotelor provenind din instalatii se adopta

“camasuirea” elementelor de prindere utilizand materiale

fonoabsorbante (dibluri cu camasa din PVC, dibluri

ancorate in ghermele din lemn, coliere cu garnituri din

cauciuc etc.).

26

ACUSTICA CLĂDIRILOR ÎNTREBĂRI PENTRU EXAMEN

1. Caracterizarea fizică a sunetelor (viteza de propagare, lungimea de undă,

densitatea de energie acustică, presiunea acustică, fluxul de energie sonoră,

intensitatea undelor sonore).

2. Definiţi nivelul de intensitate acustică şi nivelul de presiune acustică.

3. Domeniul de audibilitate.

4. Senzaţia auditivă. Legea Weber-Fechner.

5. Nivel de tărie sonoră, curbele de zgomot, tăria sonoră, înălţimea sunetului,

timbrul unui sunet.

6. Definirea confortului acustic în unităţile funcţionale din clădiri.

7. Izolarea unităţilor funcţionale împotriva zgomotului aerian.

8. Izolarea unităţilor funcţionale împotriva zgomotului de impact.