CC BY
17
Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
ART 170122 УДК 378.147
Елаховский Дмитрий Вячеславович,
кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей физи ки ФГБОУ ВО «Петрозаводский государственный университет» г. Петрозаводск [email protected]
Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования
Аннотация. Обсуждается целесообразность рассмотрения в курсовой работе методик расчета характеристик акустической среды помещений различного предназначения в широком диапазоне используемых строительных материалов, обеспечивающих слуховой комфорт людей. Физические законы, используемые при решении указанной задачи, обсуждаются в рамках соответствующего раздела курса общей физики с привлечением фрагментов строительной физики, а их практическое использование обеспечивает связь физического образования студентов строительной специальности с их дальнейшей профессиональной деятельностью.
Ключевые слова: строительная физика, акустическая среда, время реверберации, звукоизолирующая способность. Раздел: (01) отдельные вопросы сферы образования.
Анализ состояния процесса преподавания физики на технических факультетах университета позволяет судить о двух наиболее важных проблемах, неоднократно обсуждаемых на различных конференциях. В первую очередь речь идет о низком уровне физико-математической подготовки абитуриентов (об этом свидетельствуют результаты ЕГЭ и повторное тестирование студентов первого курса), Другая проблема связана с отсутствием понимания у студентов связи физических знаний не только с их дальнейшей профессиональной деятельностью в качестве инженеров и технологов, но и с процессом изучения таких учебных предметов, как строительная механика, теплотехника, электротехника и других дисциплин, в которых физические законы играют весьма важную роль. Это обстоятельство снижает эффективность процесса обучения, приводит к отсутствию необходимых стимулов к изучению физики, в результате чего снижается роль мотивационной составляющей данного процесса. Также следует признать, что учебники по физике, рекомендуемые студентам инженерных специальностей, лишены прикладной направленности, что тоже не способствует пониманию значимости физики для их выбранной профессии. Всё вышесказанное подтверждается результатами социологических исследований в студенческой среде, при этом используемые выборки подтверждают их репрезентативность. Аналогичная проблема преподавания курса физики на медицинском факультете была успешно решена за счет перехода от традиционного курса общей физики к курсу медицинской и биологической физики, в котором в значительной степени прослеживается влияние физических явлений на функционирование организма человека и его отдельных органов. Следует также отметить обеспечение данной учебной дисциплины учебной литературой. Следуя этой логике, применительно к строительным факультетам университетов в [1] было предложено изменение традиционного методического обеспечения курса физики за счет включения базовых положений строительной физики, связанных с созданием условий, обеспечивающих комфортное пребывание людей в помещениях различного предназначения и реализа-
ISSN 2304-120Х
ниепт
научно-методический электронный журнал
ISSN 2Э04-120Х
ниепт
научно-методический электронный журнал
Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
цию производственных процессов, удовлетворяющих требованием технического задания. Данные разделы курса строительной физики (традиционно читаемого в строительных институтах) связаны с формированием климатической, акустической и световой сред помещений, регламентируемых соответствующими нормативными документами. В частности, фрагментарное включение такого раздела строительной физики, как архитектурная акустика, неразрывно связанного с распространением звуковых волн внутри помещений с учетом их проникновения через строительные ограждения, решает задачу обеспечения акустического комфорта. В театрах, концертных залах, лекционных аудиториях необходимо обеспечить четкое восприятие слов и музыки в любом месте нахождения слушателей, при этом звук как носитель речевой и музыкальной информации должен доходить до «потребителя» в неискаженном виде. Очень важна проблема звукоизоляции и предотвращения вредных воздействий производственных и бытовых шумов. Даже самая приятная музыка из соседних квартир (особенно с использованием звукоусиливающей аппаратуры) вряд ли доставит удовольствие во время отдыха или сна, не говоря уже о разговорах на повышенных тонах или шуме передвигаемой мебели. Развитие новых транспортных средств и новых производств, создающих повышенный шум, поставило проблему шумоподавления в один ряд с проблемами очистки воздуха, воды и недр от промышленных загрязнений. С появлением сборного домостроения и легких ограждений из эффективных материалов повысилась их звукопроницаемость, что вызывает необходимость дальнейшей разработки методов улучшения их акустических характеристик. Учет этих обстоятельств позволяет понять логику строительных норм, обеспечивающих решение указанных проблем. Следует отметить, что вся совокупность архитектурно-строительных методов воздействия на качество звуковой среды помещений и ее защита от шумов различной природы основана на различных физических законах, связанных с процессом распространения звуковых волн и их взаимодействием с ограждениями. Естественно, что основные положения архитектурной акустики излагаются в лекционном фрагменте методического обеспечения курса физики, при этом более подробное изложение данной тематики представлено в методическом пособии [2], а разбор конкретных ситуаций осуществляется в рамках практического занятия с использованием разработанного сборника задач [3]. Также представляется полезным (с точки зрения рассматриваемой проблемы), если в рамках соответствующего раздела курса физики каждый студент выполнит расчетную работу (аналог курсовой работы), связанную с анализом акустической среды конкретных помещений различного предназначения с учетом широкого спектра используемых строительных материалов, наличия источников звука внутри и вне помещений и т. д. Подобная практика широко используется, например, в рамках таких дисциплин учебного плана строительного факультета, как инженерная геодезия и автомобильные дороги. Реализация этого проекта, естественно, должна осуществляться после теоретического рассмотрения базовых положений архитектурной акустики и отработки частных случаев расчета акустической среды помещений в рамках практических занятий.
При рассмотрении распространения звуковых волн в воздушной среде используются хорошо известные понятия из курса физики: интенсивность звука, а также уровень звука и уровень звукового давления.
1. Интенсивность звука (плотность потока звуковой энергии или энергия звуковой волны, проходящей в единицу времени через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны):
I = Е/Э1 = Ф/Э. (1)
ниегп
issn 2304-120X Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
научно-методическии электронный журнал
2. Для точечного изотропного источника звука его мощность N и интенсивность звуковой волны I связаны соотношением:
I = N/4^ г2 = ^810-2/г2, (2)
где г - расстояние от источника звука до конкретной точки звукового поля.
3. Уровень интенсивности звука и уровень звукового давления в децибеллах:
1_ = 10-1д(1/1о) = 201д(Р/Ро), (3)
где Р - звуковое давление, 1о = 10-12 Вт/м2 и Ро = 210-5н/м2 - условная интенсивность и условное звуковое давление, соответствующие порогу слышимости.
Решение проблемы звукоизоляции обеспечивается звукоизоляционными свойствами строительных ограждений. Их эффективность характеризуется коэффициентом звукопроводимости материала ограждения /, равного отношению интенсивности прошедшей через ограждения звуковой волны 1пр к падающей 1о, а также звукоизолирующей способностью однородного ограждения К:
К = 101д (1//) = 101д(1о/1пр). (4)
Звукоизолирующая способность Кср ограждения, состоящего из участков с различной звукопроводностью:
Кср = 101д=^—, (5)
р д 13 V ' ^
где Б - полная поверхность ограждения (м2), Si - площадь участка поверхности с коэффициентом звукопроводности 3. В том случае, когда задана звукоизолирующая
способность материала, переход к коэффициенту звукопроводности осуществляется по формуле:
/ = 10-0,1 к,. (6)
В условиях конкретного расчёта задаются геометрические размеры элементов ограждения (стены, дверей, окон), коэффициенты звукопоглощения материала стен (отдельных слоёв), изолирующая способность дверей и коэффициенты звукопроводности окон. С помощью формул (3) и (4) определяется звукоизолирующая способность данного ограждения, а по формуле (5) рассчитывается его коэффициент звукопроводности.
В зависимости от частоты звука f звукоизолирующая способность ограждения рассчитывается по формуле:
К = 201д( т^ - 47,5 дБ, (7)
где т = р ^ (8) - поверхностная плотность ограждения (р- плотность материала ограждения, h - толщина слоя). В том случае, когда т < 200кг/м2:
К = 121д т + 13 дБ, (9)
при т > 200 кг/м2:
К = 231д т - 10 дБ. (10)
ниегп
issn 2304-120X Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
научно-методический электронный журнал
Включение элементов архитектурной акустики более подробно знакомит с таким параметром, характеризующим качество звуковой среды помещений, как время стандартной реверберации (кратко упоминаемым в базовом курсе физики). Процесс формирования звукового поля, с одной стороны, связан с быстрым нарастанием звуковой энергии за счет вклада многократных отражений звуковой волны от конструктивных элементов помещения, а с другой стороны, звукопоглощающие свойства используемых отделочных материалов помещений обеспечивают динамическое равновесие энергетических характеристик звукового поля. При прекращении генерации звуковой волны вследствие превалирования поглощающего эффекта элементов интерьера наступает этап постепенного спада звуковой энергии. Именно этот процесс, возникающий после прекращения действия источника звуковой волны, получил название реверберационного, а его количественная характеристика - время реверберации. При расчёте этого параметра необходимая информация включает в себя: размер помещения (длина, ширина, высота); материал пола, стен, потолка, наличие окон (их количество т, площадь Бок, наличие штор); наличие мебели (столов) и их количество N2 , количество посадочных мест (стулья, кресла) N и коэффициент заполнения к (или количество людей в помещении N1). Коэффициенты поглощения материалов внутренних поверхностей заграждений а (стен аст, пола атп, потол-
кааиотя), остекления окон а з, поглощение посадочных места, людей а2 и мебелиа м
считаются известными. В предлагаемых заданиях указанные параметры варьируются в широких пределах. Стандартное время реверберации 1рев(с), если пренебречь поглощением звука в воздухе, рассчитывается по формуле:
1рев = 0.163У/Д (11) ,
где V - объём помещения, А - эффективный показатель поглощения:
А = Ла Бг +а2 (1-к^+аж №+П1 а3 Бок. (12)
г
Если учитывать поглощение звуковых волн в воздушной среде, то:
1рев = 53,2^/(4Ь+А)у, (13)
где V = 340м/с - скорость звука в воздухе, Ь = 0,002 м-1 - коэффициент звукопоглощения в воздухе.
Указанные параметры N к, П1, п, I варьируются в пределах от 0 до указанных в условии данного расчёта.
Коэффициенты поглощения всех материальных объектов данного помещения считаются известными (указываются в конкретном задании, или дается ссылка на соответствующий источник). Полученное значение стандартного времени реверберации можно сравнить с оптимальным временем реверберации:
* 7Т = т-V, (14)
где V - объём помещения, т - коэффициент, зависящий от типа помещения: т = 0,1с/м для оперных театров, т = 0,09 с/м для концертных залов, т = 0,075с/м для аудиторий и жилых помещений.
Подавление вредных воздействий шумов различной природы реализуется за счет использования строительных конструкций с хорошими звукоизоляционными свойствами; их эффективность определяется количеством слоев ограждения и коэффициентами звукопроводимости используемого материала /, который равен от-
ниегп
issn 2304-120X Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
научно-методическии электронный журнал
ношению интенсивности прошедшей через ограждения звуковой волны 1пр к падающей 1о, а также звукоизолирующей способностью однородного ограждения К:
К = 101д (1//) = 101д(1о/1пр). (15)
Звукоизолирующая способность Кср ограждения, состоящего из участков с различной звукопроводностью:
Кср = 10^1д=^-, (16)
где Б - полная поверхность ограждения (м2), Si - площадь участка поверхности с коэффициентом звукопроводимости 3. В том случае, когда в конкретном задании указана звукоизолирующая способность материала переход к коэффициенту звукопроводимости осуществляется по формуле:
3 = 10-0,1 Ъ. (17)
Как и в случае анализа распространения звуковых волн в воздушной среде, информация о рассматриваемом помещении, включающая геометрические размеры элементов ограждения, коэффициенты звукопоглощения материала отдельных сло-ёв конструкции, а также изолирующую способность дверей и коэффициенты звукопроводимости окон, задается в каждом конкретном случае.
Таким образом, выполнение указанной расчетной работы позволяет более детально ознакомиться с методикой формирования акустической среды различных помещений.
В качестве примера представлен типичный пример практического задания и его реализация.
1. Определить время стандартной реверберации на частоте 500 Гц для помещения, высота которого 3 м, длина 7 м, ширина 5 м. Площадь остекления 15 м2, стены и потолок оштукатурены, пол покрыт линолеумом. Количество стульев N = 30, их поглощение ах = 0,06 Сэб, число людей N1 = 25 с поглощением а2 = 0,5 Сэб, количество столов N3 = 16 с поглощением 0,12 Сэб каждый. Заданы: а ст = а пот = 0,06, апол = 0,03, аз = 0,18.
1) Ищем объем комнаты: V = 3 • 5 • 7 = 105 м2.
2) Площадь стен: Бст = 2 • 3 • 7 + 2 • 3 • 5 = 72 м2.
3) Площадь потолка и пола: Бпот = Бпол = 5 • 7 = 35 м2.
4) Ищем эффективный показатель поглощения (формула 12): А = (Б
ст - Бок + Б пот
) • 0,06 + Бок • 0,18 + Бпол • 0,03 + N1 • 0,5 + N2 • 0,06 + N3 0,12 = 92 • 0,06 + 15 • 0,18 + 35 • 0,03 + 25 • 0,5 + 30 • 0,06 + 16 • 0,12 = 5,52 + 2,7 + 1,05 + 12,5 + 1,8 + 1,92 = 25,49 сэб.
5) Ищем время реверберации по формуле 11: 1рев = 0,163 • 140/25,49 = 0,9 с.
6) Сравним полученное значение с оптимальным временем реверберации
(формула 14): г = т-3/У = 0,075 • (105)1/3 = 0,35 с.
2. Определить звукоизолирующую способность кирпичной стены (р =
1800 кг/м3) толщиной ^ = 0,38 м, размером 53 м2, если в ней имеется окно разме-
ниегп
issn 2304-i20x Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
научно-методический электронный журнал
ром 1,51,2 м2 с коэффициентом звукопроводности тх = 1,110-3 и дверь размером 1 2,2 м2 (т2 = 310-4). Во сколько раз ограждение уменьшает интенсивность звука?
1) По формуле 8 ищем поверхностную площадь ограждения: m = 1800 • 0,38 = 684кг/м2 m > 200кг/м2.
2) С учетом значения величины m звукоизолирующую способность ограждения рассчитываем по формуле 10: RCT = 23 • lg 684 - 10 = 55,2 дБ.
3) Площадь стены без окна и двери: Sct = S - Sдв - Sок = 15 - 1,8 - 2,2 = 11 м2.
4) Площадь окна So = 1,8 м2.
5) Тогда звукоизолирующая способность ограждения (кирпичная стена, дверь, окно) по формулам (4) и (5): R = • 10 • lg 15 / (11 • 10-01 • 552 + 1,8 • 1,1 • 10-3 + 2,2 • 3 • 10-4) = 10 • lg (15 • 104/27) = 37,4 дБ.
6) Ослабление интенсивности звуковой волны: ( = 1прош/1исх = 10-01R, следовательно, 1исх/1прош = 10374 = 5,4 • 103.
3. Удовлетворяет ли трехслойная стена из кирпича ( р 1 = 1800 кг/м3) толщиной h1 = 0,25 м, облицованная с двух сторон сухой штукатуркой ( р 2 = 800 кг/м3), толщиной h2 = 0,03 м акустическим требованиям R > 50 дБ? Какова будет интенсивность звука в помещении, если за перегородкой работает механизм (L = 70 дБ)?
1) Поверхностная площадь ограждения: m = р 1 * h1 + р2 * h2 = 450 + 24 = 474 дБ > 200.
2) Учитывая значение величины m, звукоизолирующую способность ограждения рассчитываем по формуле 10: R = 23 • lg 474 - 10 = 51,5 дБ, что больше допустимого значения 50Дб.
3) Уровень интенсивности внутри помещения: Lвнутр = 10 • ^ОвнутрЛо), следовательно, 1внутр/1исх = ( = 10-01R, где 1внутр - интенсивность звука внутри помещения, 1исх - интенсивность звука механизма, I0 = 10-12Вт/м2 - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости.
4) Порог интенсивности звука механизма: Lисх = 10 • ^(^схЛо), следовательно, порог интенсивности звука внутри помещения: Lвнутр = 10 • lg(ta • 1001 ^w • 10-01R) / 1о =
10(0,1 • Lисх - 0,1R) = Lисх - R = 70 - 51,5 = 18,5дБ. Так как Lвнутр = 10 • lg (1внутр / 1о), следовательно, 1внут = 1о • 1001 Leuym = 10-12 • 10185 = 7,08 • 10-11Вт/м2.
Ссылки на источники
1. Елаховский Д. В. Повышение мотивационной составляющей физического образования студентов строительной специальности вуза // Физическое образование в вузах. - 2013. - Т. 19. - № 4. -С. 74-78.
2. Елаховский Д. В., Малиненко И. А. Физические основы архитектурной акустики: учеб. пособие. -Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2008. - 130 с.
3. Елаховский Д. В., Малиненко И. А. Строительная физика: сб. задач для студентов строительной специальности: учеб. пособие. - Петрозаводск: Изд-во ПетрГУ, 2016. - 35 с.
Dmitry Elakhovskiy,
Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of General Physics Chair, Petrozavodsk State University, Petrozavodsk [email protected]
Students' acoustical environment estimation skills training as the means for their motivation in the course of physical education
Abstract. The author discusses the consideration relevance of acoustical characteristics calculation methods for rooms of various destination. These methods will be used in students' course projects and take into account a wide range of building materials which provide acoustic comfort for people. The physical laws
Елаховский Д. В. Отработка навыков оценки акустической среды помещений как средство повышения мотивационной составляющей физического образования // Научно-методический электронный журнал «Концепт». - 2017. - Специальное приложение к № 6 (июнь). - 0,4 п. л. - URL: http://e-koncept.ru/2017/170122.htm.
used to solve such problems are studied within the relevant sections of general physics course and structural physics. Their application will ensure interdisciplinary connection between students' physical education and their future professional building activities.
Key words: structural physics, acoustic environment, reverberation time, sound insulation ability. References
1. Elahovskij, D. V. (2013). "Povyshenie motivacionnoj sostavljajushhej fizicheskogo obrazovanija studen-tov stroitel'noj special'nosti vuza", Fizicheskoe obrazovanie v vuzah, t. 19, № 4, pp. 74-78 (in Russian).
2. Elahovskij, D. V. & Malinenko, I. A. (2008). Fizicheskie osnovy arhitekturnoj akustiki: ucheb. posobie, Izd-vo PetrGU, Petrozavodsk, 130 p. (in Russian).
3. Elahovskij, D. V. & Malinenko, I. A. (2016). Stroitel'naja fizika: sb. zadach dlja studentov stroitel'noj special'nosti: ucheb. posobie, Izd-vo PetrGU, Petrozavodsk, 35 p. (in Russian).
ISSN 2304-120X
ко ниегтг
научно-методический электронный журнал
Рекомендовано к публикации:
Горевым П. М., кандидатом педагогических наук, главным редактором журнала «Концепт»
Поступила в редакцию Received 10.04.17 Получена положительная рецензия Received a positive review 17.04.17
Принята к публикации Accepted for publication 17.04.17 Опубликована Published 30.06.17
© Концепт, научно-методический электронный журнал, 2017 © Елаховский Д. В., 2017
www.e-koncept.ru
