Акустика (от греческого άχούω (акуо) «слышу») — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением и восприятием. Акустика, как наука о звуке, является, с одной стороны, одним из направлений физики (точнее — механики), которое занимается проблемами создания и распространения механических колебаний, с другой стороны, поскольку изучает и проблемы восприятия звука, тесно связана с психофизикой, музыкальной психологией и др.

Акустика является междисциплинарной наукой, использующей для решения своих проблем широкий круг дисциплин: математику, физику, психологию, архитектуру, электронику, биологию, теорию музыки и др.

В сфере науки и практической деятельности используется порядка 15 направлений этой науки (архитектурная акустика, психоакустика, музыкальная акустика, гидроакустика и др.)

При производстве и монтаже сэндвич-панелей используются результаты научных исследований строительной акустики, которая занимается проблемами защиты от шума зданий, промышленных предприятий (расчет конструкций и сооружений, выбор материалов и т.д.), которая может рассматриваться как отрасль прикладной акустики, или как раздел строительной физики.

Основные направления исследований:

- разработка теории звукоизоляции ограждающих конструкций, создание методик расчёта и проектирования;

- изыскание наиболее эффективных шумоглушащих и звукоизолирующих конструкций и устройств;

- совершенствование методов расчёта;

- разработка облегчённых ограждающих конструкций с повышенной звукоизоляционной способностью;

- разработка новых градостроительных принципов, способствующих защите жилой застройки от транспортного шума.

Механические колебания упругой среды в диапазоне частот 16…20000 Гц воспринимаются ухом человека и называются звуковыми волнами. Длина звуковой волны l связана с частотой f и скоростью звука с зависимостью l = с/ f.

Звук характеризуется звуковым давлением и интенсивностью. Под звуковым давлением принято понимать среднеквадратическое значение разности между мгновенным значением полного давления в воздухе и его средним значением. Интенсивность звука - это звуковая мощность, отнесённая к единице площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Интенсивность звука и звуковое давление связаны зависимостью

где I - интенсивность звука, Вт/м²; Р - звуковое давление, Па; r - удельная плотность среды, кг/м³; c - скорость звука, м/c.

Органы слуха человека способны воспринимать звуковые колебания в очень широких диапазонах изменения интенсивностей и звуковых давлений. Например, при частоте звука 1кГц порогу чувствительности “среднего” человеческого уха (порог слышимости) соответствуют значения Р₀= 2×10^-5 Па, I₀=10-12Вт/м², а порогу болевого ощущения (превышение которого может привести к физическому повреждению органов слуха) соответствуют значения Р_б = 20 Па и I_б = 1 Вт/м². Учитывая логарифмическую зависимость между интенсивностью звука и слуховым восприятием (закон Вебера-Фехнера), а также с целью удобства расчётов на практике пользуются логарифмическими параметрами: уровнями интенсивности и звукового давления.

Минимальный порог слышимости человеческого уха нелинеен и представлен, в соответствии с законом Флетчера и Мансена, кривой с максимумом чувствительности в диапазоне от 2 до 5 кГц.

Порог чувствительности человеческого уха.

Уровень интенсивности звука

где I - интенсивность звука в данной точке; I₀=10-12 Вт/м²- интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1 кГц.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень звукового давления

где Р – звуковое давление в данной точке; Р₀=2·10^-5 Па – исходное значение звукового давления в воздухе.

При нормальных или близких к ним условиях можно считать, что L_I = L.

При акустических расчётах пользуются уровнями интенсивности звука, связанными с уровнями звукового давления, измеряемыми шумомерами.

Для характеристики восприятия звука человеком в целом по диапазону звуковых частот применяют понятие уровня звука. Уровень звука L_А (дБА) – это результирующий уровень звукового давления шума, прошедшего обработку в корректирующем фильтре «А», частотная характеристика которого соответствует усреднённой частотной характеристике чувствительности уха человека.

Всякое нежелательное для человека звуковое воздействие называется шумом. Шум оказывает негативное влияние не только на орган слуха, приводя к ухудшению слуховой чувствительности, но и на весь организм человека. Он нарушает работу нервной системы, влияет на параметры дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни. Степень влияния шума зависит от его интенсивности, продолжительности воздействия, особенностей (тональный, импульсный и т.д.), индивидуальных свойств организма. Повышенная чувствительность к действию шума может быть одной из причин утомляемости и развития различных неврозов.

Малые уровни шума оказывают в основном раздражающие воздействия и через ЦНС могут приводить к функциональным расстройствам в организме человека. При длительном воздействии высоких уровней шума наблюдается уменьшение слуховой чувствительности, приводящее к тугоухости – профессиональному заболеванию. Кроме того, деформируется частотная характеристика чувствительности уха человека, резко ухудшается восприятие высоких частот. При уровнях звукового давления около 140 дБ может наступить механическое повреждение органа слуха.

Шум усиливает действия других вредных факторов, повышает общую заболеваемость, снижает работоспособность человека, безопасность труда. В условиях интенсивного шума на выполнение работы требуется больше физических и нервно-психических усилий. Поэтому рекомендуемые уровни шума на рабочих местах устанавливаются с учётом категорий тяжести труда и его напряжённости.

Шумы по природе возникновения подразделяют на механические, аэродинамические, гидродинамические, электромагнитные (связанные с воздействием сил ЭМП). Важным параметром шума является его частотный спектр.

Спектр шума характеризует распределение энергии шума в диапазоне звуковых частот и оценивается уровнями звукового давления, соответствующими анализируемым частотным полосам. Как правило, используют октавные частотные полосы, характеризуемые нижней f_н и верхней f_в граничными частотами и среднегеометрической частотой.  Для октавной полосы f_в / f_н = 2. Среднегеометрические частоты октавных полос соответствуют стандартному ряду: 31.5, 63, 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4, 8 кГц.

По виду спектра шумы подразделяют на широкополосные (с непрерывным спектром шириной более одной октавы) и тональные, в спектре которых имеются выраженные дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяют на постоянные, уровень звука которых изменяется не более чем на 5 дБА, и непостоянные, не удовлетворяющие данному условию. Непостоянные шумы подразделяются на колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени; прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причём длительность интервалов, в течение которых уровень остаётся постоянным, составляет не менее 1 с; и импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов длительностью менее 1 с.

Нормирование шума. Допустимые значения параметров шума регламентируются СН 2.2.4/2.1.8.562 - 96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки». Нормируемыми параметрами шума являются:

- для постоянного шума - уровни звукового давления L (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31.5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц. Для оценки постоянного широкополосного шума допускается использовать уровень звука L_А, выраженный в дБ_А, определяемый при установленной частотной характеристике «А» шумомера;

- для непостоянного шума – эквивалентный (по энергии воздействия) уровень звука L_аэ, (дБ_А), определяемый по специальной методике. Дополнительно для колеблющегося во времени и прерывистого шума ограничивается допустимый максимальный уровень звука (110 дБА). Для импульсного шума допустимый максимальный уровень измеряется по временной характеристике «I - импульс» шумомера и составляет 125 дБА(I). Для тонального и импульсного шума с учётом неблагоприятного их воздействия вводят поправку (- 5 дБА) к табличным значениям, установленным для широкополосного шума.

Зоны с уровнем звука свыше 85 дБА должны быть обозначены знаками безопасности, в таких зонах следует использовать средства индивидуальной защиты от шума. Запрещается даже кратковременное пребывание людей в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе частот.

Допустимые уровни шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки (СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96) устанавливаются в зависимости от назначения помещений или территорий и от времени суток (7-23 ч – дневное время, 23-7 ч – ночное время). При этом приводятся также максимально допустимые уровни.

Способы и средства борьбы с шумом. Классификация способов и средств защиты от шума приведена в ГОСТ 12.1.029-80. Они подразделяются на средства коллективной (СКЗ) и индивидуальной защиты (СИЗ). СКЗ подразделяются на инженерно-технические, архитектурно-планировочные и организационно-технические.

Инженерно-технические решения направлены на снижение шума в источнике его возникновения (глушители, встроенные кожухи, замена стальных шестерён пластмассовыми, выбор скоростного режима и т.д.) и на пути его распространения (виброизоляция и вибродемпфирование, звукоизоляция с помощью экранов, кожухов, кабин, звукопоглощение, реализуемое звукооблицовкой и звукопоглотителями).

В основу звукоизоляции положен эффект отражения звуковых волн от преграды. Звукоизолирующие свойства ограждения характеризуются коэффициентом, представляющим отношение звуковой мощности, прошедшей через преграду, к падающей на неё мощности. Звукоизолирующая способность ограждения зависит от его поверхностной плотности (кг/м²) и пропорциональна частоте. Поэтому звукоизоляция наиболее эффективна для средних и высоких звуковых частот. Для повышения эффективности звукоизолирующего кожуха уменьшают уровень отражённого от его стенок шума, покрывая внутреннюю поверхность звукопоглощающими материалами.

Звукопоглощение основано на том, что звуковые волны, падающие на преграды, поглощаются их материалами, при этом звуковая энергия превращается в тепловую. Звукопоглощение достигается внутри помещений облицовкой стен и потолка звукопоглощающими материалами (стекловолокно, пористые структуры) и установкой объёмных звукопоглотителей. Эффективность звукопоглощения зависит от площади поверхностей звукопоглощающих материалов.

Звукоизоляция сэндвич панелей призвана обеспечить низкую проницаемость для звуков из внешней среды, а также подавление шумов, возникающих в самих конструкциях.

За счет чего происходит шумо- и звуко- изоляция ? Происходит это за счет материала утеплителя в сердечнике панели, он снижает уровень шума, а также поглощает его.

Для оценки параметра звукоизоляции, используют индекс изоляции шумов, он обозначается так – R_w, измеряется в Дб, и зависит от толщины панели.

Например в панели толщиной 80 мм, этот индекс равен 31 Дб, а панель толщиною 250 мм – 37 Дб.

Для оценки звукоизоляции ограждающих конструкций стеновых и кровельных сэндвич панелей в следующей таблице приведен индекс изоляции воздушного шума R_w (дБ) для панелей различной толщины.

На следующем рисунке приведена зависимость частотной характеристики изоляции воздушного шума в третьоктавных полосах акустического частотного диапазона для различных толщин панелей, определенных при испытаниях натурных образцов по ГОСТ 272-96.

Звукоизолирующие характеристики сэндвич-панелей в комплексе с другими положительными свойствами этих строительных конструкций в сравнении с другими материалами (железобетон, металл, дерево) во многих случаях являются наиболее оптимальным выбором по соотношению цена – качество – полезные свойства.