Gyakorlati épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban

Átírás

1 Gyakorlati épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban előadó: Fürjes Andor Tamás, aqrate Kft. Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

2 tartalom akusztika zaj- és rezgésvédelem teremakusztika összefoglalás Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

3 az akusztika helye az akusztika minden, ami rezgés a rezgés egyfajta zavar: kilengés egy nyugalmi állapot körül a hullám a zavar terjedése: adott késéssel és csillapítással a rezgés rezgést kelt a környezetében a zavarterjedés módját a közeg minősége határozza meg mi számít akusztikának? I. akusztika Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

4 Föld-tudományok az akusztikai tudományok áttekintése Föld és atmoszféra fizika orvoslás oceanográfia szeizmikus hullámok atmoszférikus hang bioakusztika vízalatti hangterjedés elektroakusztika ultrahang alapvető fizikai akusztika elektromosságtan és kémia mechanikai sugárzás minden anyagban/ közegben terem- és színházakusztika zaj- és rezgés mechanika mérnöki tudományok építészet vizuális művészetek I. akusztika hallás zenei skálák és hangszerek fiziológia pszichoakusztika kommunikáci ó zene pszichológia élettudományok beszéd művészetek R. Bruce Lindsey: Wheel of Acoustics (1964) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

5 az akusztikai jel a jel általában egy fizikai mennyiség időbeli változása az akusztikai fizikai mennyiségek az idő és a tér függvényei x(t,r), y(t,r), z(t,r): kitérés v(t,r): kitérés sebessége (pl. részecskesebesség) a(t,r): kitérés gyorsulása stb. a közeg minőségétől függő mennyiségek pl. gáz ( fluid ) esetében p 0 =10 5 Pa ρ 0 =1,2kg/m 3 a változó (zavar) mennyiségek: p (t,r) és ρ (t,r) a(b) az összefüggéseket a hullámegyenlet(-rendszer) adja meg ahol ez a gázok linearizált homogén p hullámegyenlete a nyomásváltozásra p = c t z x y b I. akusztika Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

6 az akusztika hatása a rezgések érzékelése fontos mert információt hordoz a környezetről (túlélés) mi számít információnak? minden, ami a létfenntartás szempontjából számít I. akusztika barlangrajz vonalkód minden más zavaró jel, másként: ZAJ Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

7 az akusztika hatása az érzékelés módja a rezgést hordozó közeg minőségétől függ. a levegőben terjedő zavar a hang vagy léghang, érzékszerve a halló szervrendszer az egyéb mechanikai zavarok és nagyszintű léghangok érzékszerve az egész testünk az érzékelés mechanizmusa az ingerré alakult fizikai hatások párhuzamos feldolgozása I. akusztika rezgés inger fizikai hatás érzékszerv hangulat, tanulás, stb. Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

8 az emberi hallószerv felépítése I. akusztika az emberi hallószerv Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

9 az emberi hallószerv működése mechanikai csatolások I. akusztika dobhártya (kb. 80mm 2 ) hallócsontocskák, változó mechanikai áttétellel 10k khz 100 0Hz ovális ablak (kb. 3mm 2 ) basilar membrán, rajta a hallószőrökkel kiterített fülcsiga középfül és belső fül mechanizmusa Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

10 az emberi hallószerv korlátai - szintek a fizikai paraméterek értéktartománya p ref 20µPa (N/m²): hallásküszöb (általában) 10µPa@4kHz p max 200Pa: fájdalomküszöb (elég nagy bizonyossággal) túl nagy a tartomány (7 nagyságrend) az érzékelés arányokban (p 1 /p 2 ) gondolkodik használjuk a logaritmikus skálát (Bell) és tizedét (db) db rock koncert: 120 Bell 12 I. akusztika porszívó: 80 8 halk beszéd: 40 4 hallásküszöb: 0 2μPa 0 20μPa 0,2Pa a hangnyomásszint (sound pressure level SPL) L p = 10 log 10 p(t)/p ref 20Pa p(t) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

11 az emberi hallószerv korlátai - frekvencia a fizikai paraméter értékváltozásának érzékelése az ismétlődő változás gyorsasága, gyakorisága a frekvencia az összetett jelek többféle frekvenciájú jel összegével írhatók le az érzékelés arányokban (f 1 /f 2 ) gondolkodik, az 2/1 arány az oktáv a hallással érzékelhető tartomány szinuszos jelre kb. 20Hz 20kHz (10 oktáv!) nem szinuszos jelre nagyobb szint MÉLY KÖZEPES MAGAS frekvencia (Hz) I. akusztika a hullámhossz (λ) 20Hz levegőben kb. 17m 20kHz levegőben kb. 1,7cm Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

12 az emberi hallószerv minősége az emberi hallószerv műszernek pocsék, de a szükséges információ kinyerésére megfelel, attól különleges, ahogyan feldolgozza az ingereket. I. akusztika Fletcher-Munson (1933), Robinson-Dadson Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

13 az érzet kialakulását befolyásoló tényezők mintázatok felismerése többszörös rövid időbeli ismétlődés: hangmagasság, I. akusztika egyszeres időbeli ismétlődés: visszaverődés tanulás saját hallószerv jellegzetességeinek korrekciója: pl. térhallás környezeti hatások korrekciója: távolság, visszaverő felületek hangszín-burkoló ( formáns ): hangforrás azonosítása egyéb hatások hangulat, közérzet, fáradtság rezgések testfelületen látvány, szag... (és minden más is) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

14 az építészeti akusztika köre épített környezetben I. akusztika ajánlások, szabványok, hatósági előírások ÉPÜLETAKUSZTIKA TEREMAKUSZTIKA Zajkomfort Környezeti zaj Használati zaj Gépészeti zaj Hangzáskomfort Hangtisztaság Térérzet Beszédérthetőség GÉPÉSZETI AKUSZTIKA ELEKTROAKUSZTIKA Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

15 az építészeti akusztika köre zaj- és rezgésvédelem megfelelő határolások a kölcsönös zavartalanság érdekében I. akusztika teremakusztika megfelelő visszaverődések a megfelelő hangzás érdekében Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

16 zaj- és rezgésvédelemről a méretezés célja ismert/becsült zajforrás esetén ismert/becsült zavarterjedési módokkal ( hangút ) számolva a szükséges csillapítások beépítése a megengedett zajszint elérése érdekében. A ZAVARÓ HANGTÉR TESTHANG TESTHANG A VÉDENDŐ HANGTÉR TAPINTÁS II. zaj- és rezgésvédelem ZAJ LÉGHANG LÉGHANG HALLÁS Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

17 a méretezés elemei A ZAVARÓ HANGTÉR TESTHANG ZAJ A VÉDENDŐ HANGTÉR TESTHANG TAPINTÁS II. zaj- és rezgésvédelem LÉGHANG LÉGHANG HALLÁS Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

18 általánosságban szabályozás egészségvédelem, munkavédelem, környezetvédelem vannak rendeletek és szabványok a rendeletek betartásáról tervdokumentációban kell nyilatkozni a civilek tudatosak ha probléma van általában nyilvánvaló (annak akit zavar) általában már késő utólagos javítás csak 30-40%-ban teljesen sikeres javítás aránytalanul drága vagy kompromisszum szükséges II. zaj- és rezgésvédelem tapasztalatok kényszerből és nem igényességből keresik a megoldást a rendeleti határérték betartása nem jelent mindig elégedettséget a szabványok többféleképpen értelmezhetők hasonló a vízszigeteléshez (kivitelezés, hibakeresés) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

19 a hangtér jellemzése a hangforrás határoló szerkezetei átveszik a hangenergiát, részben elnyelik a hangenergiát részben továbbadják a hangenergiát (zaj- és rezgésvédelem!) részben visszaadják a hangenergiát (teremakusztika!) III. teremakusztika a hangforrás hangterének alkotói zajforrás közvetlen hatása (rezgés és hang) zajforrás környezetének visszahatása (visszaverődések) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

20 a jelenség alapja a visszaverődések a határolt térrészre jellemző hangteret építenek fel III. teremakusztika szabad hangtér félszabad hangtér zárt hangtér a visszaverődés irányát a határolások és a hangforrás relatív pozíciója szintjét a határolások elnyelő képessége határozza meg. Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

21 a visszaverődés leírása geometriai visszaverődés E visszavert =E beeső (1-α) részben diffúz ( valós ) visszaverődés III. teremakusztika E visszavert =E geometriai +E diffúz E visszavert =E beeső (1-α) (1-δ)+E beeső (1-α) δ visszavert beeső beeső ezek frekvenciafüggő jellemzők elnyelés/diffuzitás jellemzően nagyobb frekvenciák felé nő az elnyelés, szóródás mértéke frekvencia Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

22 a visszaverődések energiája a visszaverődések energiája a hangtérben egy részük diffúz módon van jelen egy részük geometriai módon van jelen egy részük elnyelődik sum III. teremakusztika E input Eabsorbed absorbed E diffuse E reverberating E specular E specular a diffúz hangtér nincs iránya nem függ a geometriától nem függ a pozíciótól time Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

23 visszaverődések és közvetlen hang folytonos hangforrás esetén közvetlen hangtér elsősorban diffúz hangtér ( zengő energia ) hangteljesítmény eredő hang III. teremakusztika zengő hang közvetlen hang távolság L p = L W Q 4 Q log10 + = LW + 10 log r π R 2r π 4 R Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

24 a jelenség érzékelése a visszaverődések eloszlása irányok szerinti ( térbeli ), idősorrend szerinti és szintek szerinti eloszlása határozza meg az érzetet egy füllel és két füllel. közvetlen hang A visszaverődések térbeli (irányok szerinti) eloszlása (felülnézet). III. teremakusztika szint A visszaverődések időbeli eloszlása, zengés "visszhang" idő közvetlen hang Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

25 a jelenség minősége ami hasznos a korai visszaverődések energiája ( hangtisztaság ) a korai visszaverődések iránya ( térszélesség ) a késői visszaverődések diffúz jellege (egyenletes zengés ) ami káros túl sok késői energia erős különálló visszaverődés ( visszhang ) szabályosan ismétlődő visszaverődések ( csörgés ) egyenetlen lecsengés III. teremakusztika a jó mértékek és arányok a helyiség funkciójától függenek! a tervezés feladata mindezt meghatározni a frekvencia függvényében is akár. Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

26 a teremakusztikai tervezés a tervezés teljes folyamata specifikáció ÉRZET TERVEZÉS optimalizálás MODELLEZÉS III. teremakusztika minősítés MÉRÉS ellenőrzés Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

27 a teremakusztikai paraméterek a lecsengési idő T 60, Sabine 24 ln10 = c V A S 0,161 S 1 α + S 1 2 V α +... S 2 n α n Wallace Clement Sabine ( ) III. teremakusztika ahol az elnyelés (A s illetve α átlag ) a felületek minősége és mérete alapján számolható energiaarányok (E 0 t /E 0 ) hangtisztaság: C ( clarity ), D ( deutlichkeit ) összetett paraméterek beszédérthetőség: STI, RaSTI, Al cons térérzettel összefüggő paraméterek: LEF, IACC Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

28 és mégis csak a lecsengési idő a közepes érték (T m ) funkció és térfogat alapján Reverberation Time (s) Churches 2 Concert Halls 3 Music Studios 4 Conference Rooms 5 Small Lecture Theatres 6 Chamber Music 7 Talks Studio 8 Cinemas 9 Theatres III. teremakusztika Room Volume (x 1000) (m 3 ) Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

29 még mindig a lecsengési idő frekvenciafüggés közepes értékhez (T m ) képest T 60 felső toleranciahatár III. teremakusztika T m alsó toleranciahatár k 2k 4k 8k f általában, de ettől el lehet térni Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

30 teremakusztikai tervezés gyakorlata meghatározandó a terem funkciója (vagy fő funkciója) a terem mérete (A) a terem alakja és elrendezése színpad III. teremakusztika színpad színpad színpad nézőtér nézőtér a burkolatok minősége (elnyelés és felület) a berendezések minősége (elnyelés és felület). Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

31 teremakusztikai modellezés alapelvek (geometriai modellezés) a terem síkokkal határolt 3D modellel van leírva a hangforrásból a lehetséges vevőpontokba számol hangutakat a háromszöges nyalábok a gömbfelületet átlapolás nélkül lefedik III. teremakusztika a hullámfront egy darabja: a nyaláb a háromszöges nyalábot három sík határolja a vevőpontokban a detektált visszaverődésekből számolja a teremakusztikai paramétereket csak annyira pontos, amennyire a bemenő adatok kisfrekvencián korlátozott érvényesség Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

32 amit ritkán számolunk a módus állandósult forrásjel esetén állandósult rezonáns viselkedés frekvenciája másként sajátfrekvencia frekvenciája lényegében/általában csak a teremalaktól és mérettől függ alakja lényegében/általában csak a teremalaktól függ hatása elsősorban a terem méretével összemérhető hullámhosszaknál az egyenletes sajátfrekvencia-eloszlás preferált ahol számít például kisméretű stúdiók, házimozi helyiségek, lehallgató helyiségek számításuk alapja hullámegyenlet analitikus megoldása egyszerű esetben (pl. téglatest) hullámegyenlet numerikus megoldása tetszőleges geometriára III. teremakusztika Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

33 általánosságban szabályozás szabvány van, rendelet nincs méretezés külföldi és nemzetközi ajánlások szerinti követelményekhez hiányzik! ha probléma van általában nyilvánvaló (annak akit zavar) általában már késő (a teremalak mindent meghatároz) utólagos javítás általában csak egy-egy jellemzőben sikeres javítás aránytalanul drága vagy kompromisszum szükséges (műemlék) III. teremakusztika tapasztalatok kényszerből és nem igényességből keresik a megoldást nincs olyan objektív jellemző, ami szerint ez jól szól marketing jelentősége: bármit el lehet hitetni a laikussal észrevétlenül sokat javít a komfortérzeten Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,

34 az építészeti akusztika helyzete alkalmazás ahol kell rendelet alapján, de jelenleg csak zaj- és rezgésvédelem alkalmazás ahol kellene minden tartózkodási területen nem csak zaj- és rezgésvédelem, hanem teremakusztika is mikor kell hívni akusztikust ha rendelet vagy határozat előírja ha a geometria bonyolult vagy a funkciók igényszintje magas ha az ügyfél igényszintje magas mennyibe kerül? a díj feladat léptékétől és a felelősség mértékétől függ az anyagköltség nem feltétlenül magasabb csak mert akusztikus is beleszólt az akusztika nem varázslat, nem feng-shui! IV. összefoglalás Gyakorlati Épületfizika építészeti akusztika a gyakorlatban Széchenyi István Egyetem,