9. Ηχοδιάδοση - Ψυχοακουστική ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ Δ.Π.Θ. ΤΜΗΜΑ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΜΑΘΗΜΑ : ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ II εισαγωγή στον βιοκλιματικό σχεδιασμό 9. Ηχοδιάδοση - Ψυχοακουστική Διδάσκοντες Ρίκα Δεληγιαννίδου Νίκος Κ. Μπάρκας e-mail : nbarkas@arch.duth.gr Οι σημειώσεις βρίσκονται αναρτημένες στην ιστοσελίδα : http : // eclass.duth.gr ΤΜD100

H KYMATIKH ΦΥΣΗ ΤΟΥ ΗΧΟΥ O ήχος είναι το αποτέλεσμα της ελαστικής μετακίνησης των στοιχείων ενός ρευστού εντός του οποίου διαδίδεται μια κύμανση Κάθε ήχος είναι μια απλή ή περιοδικά σύνθετη ταλάντωση που αναλύεται σε (θεωρητικά ημιτονοειδείς) συνιστώσες οι οποίες χαρακτηρίζονται από 3 παραμέτρους : το εύρος ταλάντωσης Α, την ταχύτητα κίνησης u = dA / dt, τη μεταβολή πίεσης P σε σχέση με την ατμ. πίεση Po Το ανθρώπινο αισθητήριο διεγείρεται και διακρίνει τις ελάχιστες μεταβολές των παραπάνω παραμέτρων : ένα σύνηθες ακουστό εύρος ταλάντωσης στον αέρα είναι 0,05mm το κατώφλι του πόνου αντιστοιχεί σε μεταβολές της ατμοσφαιρικής πίεσης κατά 0,01 Watt/cm2 Η μελέτη των ακουστικών φαινομένων προϋποθέτει δύο απλοποιήσεις : -ελαστικότητα των κυμάνσεων, -απειροστό μέγεθος των ταλαντώσεων. Στην πραγματικότητα, οι ταλαντώσεις κατά την ηχοδιάδοση υφίστανται απόσβεση (μείωση του εύρους ταλάντωσης) εξαιτίας του ιξώδους και των τριβών στο μέσο διάδοσης.

Πηγή - Δέκτης - Μέσο διάδοση Οι ακουστικές κυμάνσεις και ταλαντώσεις έχουν περιοδικό χαρακτήρα. Δηλαδή, τα βασικά μεγέθη τους (μετατόπιση, ταχύτητα, επιτάχυνση) επαναλαμβάνονται σε τακτά διαστήματα διάρκειας Τ (περίοδος του φαινομένου, ανά sec). Συχνότητα (f ή ν) είναι ο αριθμός των κύκλων της περιόδου στη μονάδα του χρόνου (f = 1 / T, σε μονάδες hertz, Hz). Μήκος κύματος λ είναι η ελάχιστη χωρική απόσταση ανάμεσα σε δύο σημεία του μέσου, τα οποία βρίσκονται στο ίδιο καθεστώς ταλάντωσης. Διαστημική ταχύτητα c (velocity, celerite) λέγεται η ταχύτητα της ηχοδιάδοσης : c = λ / t  λ = c / f  λ = c * T Για τη Μηχανική των Συνεχών Μέσων, για την ηχοδιάδοση απαιτείται Πηγή - Δέκτης - Μέσο διάδοση ΔΕΝ υφίσταται ηχοδιάδοση στο κενό. Τα ακουστικά κύματα είναι διαμήκη ή εγκάρσια. Η ηχοδιάδοση συντελείται σε συνθήκες αδιαβατικής κατάστασης, δηλαδή η ταχύτητα της θερμότητας στον αέρα 0,5m/s, είναι αμελητέα σε σχέση με την ταχύτητα της ηχοδιάδοσης, 340m/s (στη στάθμη της θάλασσας)

Στην Ακουστική, η έννοια της έντασης έχει διπλή σημασία : -για τη φυσική, η ένταση ενός κυματικού φαινομένου είναι το έργο που δαπανάται ή παράγεται στη μονάδα του χρόνου -για τη φυσιολογία, η ένταση ενός ηχητικού φαινομένου είναι η σχετική μεταβολή της πίεσης του περιβάλλοντος Για τους ακουστούς ήχους, η ηχητική ένταση που αναλογεί σε κατανομή ενέργειας : I0 = 10 -16 Watt/cm2 αντιστοιχίζεται με το κατώφλι της ακουστότητας Imax = 10 -2 Watt/cm2 αντιστοιχίζεται με το κατώφλι του πόνου Σύμφωνα με το νόμο των Weber - Fechner, η ακουστική αίσθηση μεταβάλλεται λογαριθμικά σε συνάρτηση με την ηχητική ένταση της διέγερσης. Δηλαδή, η αύξηση της φυσικής έντασης κατά 100, 1000, 10.000 φορές κλπ, οδηγεί σε αύξηση της φυσιολογικής έντασης κατά 2, 3, 4 φορές κλπ. Ο σχετικός χαρακτήρας της ακουστικής έντασης οδήγησε στη διαμόρφωση ενός συστήματος λογαριθμικών μονάδων προσαρμοσμένου στην ανθρώπινη κλίμακα, με το οποίο η άθροιση μονάδων αντιστοιχεί σε πολλαπλασιασμό δεκάδων. Προς τιμήν του G. Bell, η λογαριθμική μονάδα μέτρησης των ηχητικών φαινομένων ονομάστηκε bell. Για λόγους απλοποίησης των τιμών, τα μεγέθη εκφράζονται σε δέκατα της μονάδας, δηλαδή σε decibell (ή συντομογραφικά dB)

ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Ανάλογα με το ηχητικό φαινόμενο που θα μετρήσουμε, επιλέγουμε μια πρότυπη καμπύλη διόρθωσης Ηχομετρήσεις που σχετίζονται με την προσομοίωση της ανθρώπινης φωνής διεξάγονται με μηχανήματα ρυθμισμένα στην καμπύλη C. Ηχομετρήσεις που σχετίζονται με την προσομοίωση της ανθρώπινης ακοής πραγματοποιούνται σύμφωνα με την καμπύλη Α Οι μετρήσεις του ηλεκτρονικού θορύβου γίνονται στην καμπύλη W Οι επιμέρους συχνοτικές τιμές του ίδιου μεγέθους αξιολογούνται μονοσήμαντα σε dB. Αυτό που κάθε φορά αλλάζει (ανάλογα με την καμπύλη μέτρησης) στον προσδιορισμό της αντίστοιχης, σχετικής, σφαιρικής τιμής είναι τα συχνοτικά όρια, η καμπύλη διόρθωσης και η βαρύτητα των επιμέρους συχνοτήτων.

Ο ορισμός της μονάδας ακουστικής έντασης δεν είναι απλά αυθαίρετος, αλλά και σχετικός, ανθρωποκεντρικός 0 dB = το κατώφλι της ακοής 140 dB = το όριο πόνου Η ανθρώπινη ακοή είναι συνάρτηση ΚΑΙ της έντασης ΚΑΙ της συχνότητας Το κατώφλι της ακοής 0 dB δεν ισχύει για τα ζώα Η διάκριση υπόηχου / υπέρηχου επίσης δεν ισχύει για τα ζώα Σε ορισμένα ζώα, το κατώφλι του πόνου βρίσκεται << 140 dB Οι βλάβες της ανθρώπινης ακοής (στην εργασία, στη διασκέδαση) αρχίζουν από πολύ χαμηλότερες εντάσεις (90, 95, 100, 105 dB) και συναρτώνται με τη διάρκεια έκθεσης στο θόρυβο

Μεθοδολογική διάκριση των θορύβων Ως θόρυβος προσδιορίζεται κάθε μη επιθυμητός ή δυσάρεστος ήχος από το εγγύς ή μακρινό περιβάλλον. Γενικά οι θόρυβοι προέρχονται από το φυσικό περιβάλλον (φυσικά φαινόμενα, πανίδα) ΠΡΟΣΟΧΗ : δεν πρέπει να ταυτίζουμε το φυσικό περιβάλλον με τις ειδυλλιακές ακουστικές συνθήκες το ανθρωπογενές περιβάλλον (δραστηριότητες, μηχανές) για ευκολία διακρίνονται σε : αστικούς θορύβους (αστικές δραστηριότητες, αναψυχή, μηχανικός εξοπλισμός οικιακών και εμπορικών χρήσεων) κυκλοφοριακούς θορύβους (αστικούς / υπεραστικούς, από ιδιωτικά ή συλλογικά μέσα μεταφοράς) θορύβους εργασιακού περιβάλλοντος (βιομηχανικές, αστικές, αγροτικές εγκαταστάσεις) Η υποκειμενική κατάταξη ενός ήχου στους θορύβους έχει ψυχολογικά, μορφωτικά και πολιτιστικά χαρακτηριστικά

Ήχος και Θόρυβος : χαρακτηριστικά Οι ήχοι (και οι θόρυβοι) μπορούν να διαχωριστούν σε : -χαμηλής και υψηλής ηχητικής έντασης (ενέργεια), -στιγμιαίους / παροδικούς και διαρκείς / μόνιμους (διάρκεια) -περιοδικούς και τυχαία επαναλαμβανόμενους (ρυθμός) -αναμενόμενους και απρόβλεπτους (περίσταση) -ανεκτούς και οχληρούς (υποκειμενική στάση). Οι πάσης φύσεως θόρυβοι προκαλούν σοβαρές ηχητικές ενοχλήσεις, η έκταση και η βαρύτητα των οποίων ποικίλλουν ανάλογα με : την απόσταση της πηγής, τα συχνοτικά χαρακτηριστικά και την διάρκεια της όχλησης, την τοπογραφία, διαμόρφωση και πολεοδομική οργάνωση μιας περιοχής. την κοινωνική σύνθεση (δηλαδή την προσδοκώμενη άνεση) των κατοίκων. Οι στάθμες των θορύβων μετριούνται με ηχόμετρα (ή ντεσιμπελόμετρα)

Θόρυβοι / χαρακτηριστικές στάθμες

Ηχητικές στάθμες αναφοράς - βασικές σχέσεις Δυο ήχοι, ίδιας συχνότητας, με εντάσεις I1 και I2 (αντίστοιχες σχετικές πιέσεις Ρ1, Ρ2 και αποστάσεις d1,d2 απο την πηγή) διαφέρουν κατά Ν δέκατα του bell, ή Ν decibell (Ν dB) όταν : ΝdB = 10*log (I1 / I2) ή ΝdB = 20*log (Ρ1 / Ρ2 ) ή ΝdB = 20*log (d2 / d1) Ο διπλασιασμός της λογαριθμικής αναλογίας των πιέσεων οφείλεται στη σχέση : I = p2 / ρc για επίπεδη ή σφαιρική ηχοδιάδοση Ο διπλασιασμός της λογαριθμικής αναλογίας των αποστάσεων οφείλεται στη σχέση : Ι = W/ F = W / 4d2 επειδή σε σφαιρικό κύμα, η μεταβολή της έντασης είναι αντιστρόφως ανάλογη της σχετικής απόστασης από την πηγή.

Θόρυβοι / χαμένα χρόνια υγείας Οι επιπτώσεις στην υγεία από τον περιβαλλοντικό θόρυβο προκαλούν μεγάλη ανησυχία στο ευρύ κοινό και στους διαχειριστές πολιτικής στην Ευρώπη. Ο Παγκόσμιας Οργάνωσης Υγείας (WHO) διαπιστώνει αύξηση των θορυβικών επιπτώσεων στην υγεία τις δύο τελευταίες δεκαετίες. Στο τελευταίο πόρισμα της WHO (2011), καταγράφεται η παρακάτω εκτίμηση όσον αφορά τις απώλειες σε υγιή χρόνια προσδόκιμης ζωής, εξαιτίας του περιβαλλοντικού θορύβου, στα κράτη μέλη της Ε.Ε. και σε άλλα ευρωπαϊκά κράτη (σε χρόνια) : 22.000 για βουίσματα, 61.000 για ισχαιμικά επεισόδια, 45.000 για γνωστικές δυσλειτουργίες σε παιδιά, 587.000 για ενοχλήσεις 903.000 για διαταραχές ύπνου.

Θόρυβοι = χαμένα χρόνια υγείας = χαμένες ευκαιρίες ζωής Θόρυβοι = χαμένα χρόνια υγείας = χαμένες ευκαιρίες ζωής Συνολικά 1.000.000 υγιή έτη προσδόκιμης ζωής χάνονται κάθε χρόνο στην Δυτική Ευρώπη από κυκλοφοριακούς θορύβους (οι οποίοι καταλαμβάνουν το μέγιστο τμήμα των θορύβων του περιβάλλοντος) Ειδικά, όσον αφορά τα παιδιά, η έκθεση στον θόρυβο κατά την κρίσιμη σχολική ηλιακή επιφέρει βλάβες στη μνήμη και στις εκπαιδευτικές επιδόσεις τους Έχει αποδειχτεί ότι, οι ηχητικές επιβαρύνσεις επηρεάζουν: τις δεξιότητες που αφορούν την κατανόηση του γραπτού λόγου, την απομνημόνευση και την προσήλωση.

Πρόγραμμα ΕΥΑΙΣΘΟ www.noiseawareness.gr/

Ηχητικές στάθμες αναφοράς (ως προς τη σχέση των αποστάσεων) I = W / F Ηχητικές στάθμες αναφοράς (ως προς τη σχέση των αποστάσεων) I = W / F F = 4πd2 I1 / I2 = (W / F1) / (W / F2) = (d2 / d1) 2

Η ηχητική ένταση είναι σχέση της έντασης του ήχου (στάθμης) ως προς μια άλλη ένταση αναφοράς (στάθμη αναφοράς). Ανεξαρτήτως μεγέθους έντασης, με στάθμη αναφοράς την ένταση σε απόσταση 1m από την πηγή ισχύει : Απόσταση σε m Ελάττωση σε W/m2 Απομείωση σε dB Παρατηρήσεις 1 1,4 2 3 Διπλασιασμός της ελάττωσης ηχομείωση 3dB 4 6 5 25 14 10 100 20 Διπλασιασμός της απόστασης ηχομείωση 6dB 400 26 30 900 29,5

Φαινόμενα ηχοανάκλασης (1) Κατά την πρόσπτωση του ήχου σε ένα λείο, ανακλαστικό τοίχο η ηχοδιάδοση φαίνεται να προέρχεται από μια συμμετρική ηχητική πηγή, είδωλο της αυθεντικής πηγής ως προς τον τοίχο.

Φαινόμενα ηχοανάκλασης (2) Ο ανακλώμενος ήχος, ως προς τον προσπίπτοντα ήχο παρουσιάζει : -χρονική καθυστέρηση, -μεταβολή έντασης, -αλλαγή φασματικής σύνθεσης.

Φαινόμενα ηχοανάκλασης (3) Με μια σειρά παραδοχές, η ηχοανάκλαση χαρακτηρίζεται από την κεντρική δέσμη της. Ανάλογα με την διακύμανση των παραμέτρων απόκλισης η ηχοανάκλαση μπορεί να βελτιώσει ή να επιδεινώσει την ακουστική επικοινωνία. Γενικά, ένας ανακλώμενος ήχος που προέρχεται από μια ΜΗ μελετημένη κατεύθυνση λειτουργεί ως παρασιτικό φίλτρο του κατευθείαν ήχου, δηλαδή επιδρά στην ακουστική επικοινωνία σαν μάσκα

Ψυχοακουστική (1) Η επίδραση των ηχοανακλάσεων στην ακουστική επικοινωνία καθορίζεται με βάση τη χρονική τους καθυστέρηση σε σχέση με τον άμεσο ήχο. Ψυχοακουστικά πειράματα των Haas & Meyer : -δύο όμοιοι ήχοι εκπέμπονται από πηγές που βρίσκονται σε απόσταση 3m -ένας ακροατής τοποθετείται στη μεσοκάθετο της εστιακής απόστασης -ανάλογα με την χρονική καθυστέρηση της εκπομπής ο ακροατής αντιλαμβάνεται : για χρονικές διαφορές < 5msec (αντίστοιχο διάστημα < 1,7m) διπλασιασμό της ηχητικής έντασης, προέλευση από τη μεσοκαθέτο των πηγών, για χρονικές διαφορές 5 ως 35msec (αντίστοιχο διάστημα 1,7 ως 12m) διπλασιασμό της ηχητικής έντασης, προέλευση από την πρώτη πηγή εκπομπής, για χρονικές διαφορές 35 ως 50msec (αντίστοιχο διάστημα 12 ως 17m), επιμήκυνση της ακουστικής εντύπωσης, σχετικός διαχωρισμός των πηγών, διάκριση της πρώτης εκπομπής σαν ισχυρότερης, για χρονικές διαφορές > 50msec (αντίστοιχο διάστημα >17 m), πλήρης διαχωρισμός των πηγών, διάκριση ανεξάρτητων εκπομπών.

Ψυχοακουστική (2) Με βάση την επίδραση των χρονικών καθυστερήσεων, μπορούμε να αξιολογήσουμε τη χρησιμότητα των ανακλάσεων και τη θέση των ανακλαστικών επιφανειών γύρω από τον ομιλητή : η ένταση του κατευθείαν ήχου διπλασιάζεται από ηχοανακλάσεις πρόσθετης ηχοδιαδρομής μέχρι 12m, η μέγιστη αποδεκτή, απόσταση των ανακλαστήρων από τον ομιλητή είναι 6m (12 / 2 = 6) Για ένα ανακλαστήρα σε απόσταση 7,5m από στον ομιλητή (πρόσθετη διαδρομή 15m), Α] ακροατής σε απόσταση 3m από τον ομιλητή, αμελητέα επίδραση της ανάκλασης απομείωση του κατευθείαν ήχου I0 = -9,5dB, απομείωση του ανακλώμενου ήχου Iα = -23,5dB Δηλαδή απόκλιση των ηχητικών εντάσεων κατά 14dB, Β] ακροατής σε απόσταση 30m από τον ομιλητή, έντονη επίδραση της ηχοανάκλασης. απομείωση του κατευθείαν ήχου I0 = -29,5dB, απομείωση του ανακλώμενου ήχου Iα = -33dB Δηλαδή απόκλιση των ηχητικών εντάσεων ΜΟΝΟ κατά 3,5dB,

Σύνθεση ηχητικών εντάσεων Σύμφωνα με τα πειράματα του F Σύνθεση ηχητικών εντάσεων Σύμφωνα με τα πειράματα του F. Canac, κατά τη σύνθεση δύο όμοιων ήχων (λευκός θόρυβος ή ανθρώπινη φωνή) : στην περίπτωση μεγάλης διακύμανσης των επιμέρους τιμών ( > 6dB), η άθροιση των ηχητικών εντάσεων είναι ανεξάρτητη της μικρότερης συνιστώσας (+0dB), στην περίπτωση μικρής διακύμανσης των επιμέρους τιμών (  6dB), η άθροιση των ηχητικών εντάσεων είναι γραμμική συνάρτηση των συνιστωσών (+0,5 ως 3dB). για αποκλίσεις < 1dB, διπλασιασμός του ήχου της μεγαλύτερης έντασης (+3dB), για αποκλίσεις 1 ως 2dB, αύξηση της ηχητικής έντασης του ισχυρότερου κατά 2,5dB για αποκλίσεις 2 ως 3dB, αύξηση της ηχητικής έντασης του ισχυρότερου κατά 2dB, για αποκλίσεις 3 ως 4dB, αύξηση της ηχητικής έντασης του ισχυρότερου κατά 1,5dB για αποκλίσεις 4 ως 5dB, αύξηση της ηχητικής έντασης του ισχυρότερου κατά 1dB για αποκλίσεις 5 ως 6dB, αύξηση της ηχητικής έντασης του ισχυρότερου κατά 0,5dB για αποκλίσεις πάνω από 6dB, διάκριση του ήχου της μεγαλύτερης ηχητικής έντασης.