1. CHUONG 1

Về mặt vật lý âm thanh chính là dao động của sóng âm trong môi trường đàn hồi sinh ra khi có các vật thể dao động được gọi là nguồn âm.. Minh hoạ lan truyền của sóng âm trong môi tr

ĐẠI HỌC TÔN ĐỨC THẮNG KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ BHLĐ

Nội dung môn học

1. Nguyễn Hải, Âm học và Kiểm tra Tiếng ồn, NXB Giáo dục, 1997

2. Phạm Đức Nguyên, Âm học Kiến trúc, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008

3. Noise Effect Handbook., Office of Scientific Assistant Office Noise Abatement and Control, USEPA

Tài liệu tham khảo

ĐẶC TÍN

H V

ẬT

LÝ CỦ

A Â

M T HA NH

Chương 1

•

LAN TR UYỀ

N Â

M T HA NH TR ON

G C

ÁC MÔ

I TR ƯỜ NG

Chương 3

•

VẬ

T L IỆU VÀ KẾ

T C ẤU H

ÚT ÂM

Chương 4

•

PH ƯƠ NG PH

ÁP CH ỐN

G Ồ N

Chương 5

PHẦN I: KỸ THUẬT CHỐNG ỒN

Về mặt vật lý âm thanh

chính là dao động của sóng

âm trong môi trường đàn

hồi sinh ra khi có các vật thể

dao động được gọi là nguồn

âm.

Bản chất của nguồn âm là kích thích sự dao động của các phần tử kế cận nó nên

âm thanh chỉ lan truyền trong môi trường đàn hồi

Chương 1: Âm thanh và đặc tính âm thanh

Các khái niệm cơ bản về âm thanh

Sóng âm

a Khái niệm

Minh hoạ lan truyền của sóng âm trong môi trường đàn hồi

Khi càng đi xa khỏi nguồn âm, năng lượng âm càng bị chia sẻ cho một lượng nhiều hơn các phần tử cho đến khi tắt hẳn

b Phân loại sóng âm

Xét theo phương dao động của các phần tử môi trường thì sóng được chia thành các dạng:

- Sóng dọc: Khi các phần tử dao động dọc theo phương truyền sóng

- Sóng ngang: Khi các phần tử dao động vuông góc với phương truyền sóng

Trong các chất khí và chất lỏng chỉ có sóng dọc lan truyền, trong chất rắn có thể lan truyền được cả sóng dọc và sóng ngang

Phân loại theo dạng sóng lan truyền

Khi mặt sóng là những mặt cầu Các nguồn điểm phát năng lượng đồng đều trong một môi trường tĩnh đồng nhất sẽ tạo ra sóng cầu

Khi mặt sóng là những mặt cầu Các nguồn điểm phát năng lượng đồng đều trong một môi trường tĩnh đồng nhất sẽ tạo ra sóng cầu

Nếu mặt sóng là những mặt phẳng Trong

thực tế không có những nguồn phát ra

sóng phẳng, nhưng đối với những điểm ở

xa nguồn âm ta có thể xem sóng cầu là

sóng phẳng

Nếu mặt sóng là những mặt phẳng Trong

thực tế không có những nguồn phát ra

sóng phẳng, nhưng đối với những điểm ở

xa nguồn âm ta có thể xem sóng cầu là

sóng phẳng

Trường hợp mặt sóng là những mặt trụ Hãy tưởng tượng có một dòng xe ô tô cùng loại chạy nối đuôi nhau trên đường, khi đó ta có thể xem chúng như một nguồn âm đường phát ra sóng trụ

Trường hợp mặt sóng là những mặt trụ Hãy tưởng tượng có một dòng xe ô tô cùng loại chạy nối đuôi nhau trên đường, khi đó ta có thể xem chúng như một nguồn âm đường phát ra sóng trụ

Mặt sóng là mặt trụ

Đặc điểm lan truyền âm thanh của sóng cầu, sóng phẳng hay sóng trụ không giống nhau Đặc biệt khác nhau ở

sự suy giảm năng lượng xa dần nguồn âm

Các thông số đặc trưng của âm thanh và tiếng ồn

Âm thanh và tiếng ồn có thể đặc trưng bằng những thông số vật lý và sinh lý hay gọi là các đại lượng âm khách

quan và các đại lượng âm chủ quan

Chu kỳ dao động âm và tần số âm

Đơn vị đo của chu kỳ là giây (s)

giây

Đơn vị tần số là Hertz (Hz)

Âm thanh và tiếng ồn có tần số trong khoảng 20 – 20.000 Hz Các sóng âm có tần số nhỏ hơn 20 Hz gọi là hạ

âm, các sóng âm có tần số trên 20.000Hz gọi là siêu âm

Tai người cảm thụ được những âm thanh có tần số từ 16 đến 20.000 Hz

Kí hiệu & Công thức: λ = C/f (m)

λ = c/f = c.T

Tại người cảm thụ được âm thanh có bước sóng λ = 1,7cm ÷20m

C là gì?

* Vận tốc truyền sóng âm

Là đặc trưng quan trọng của quá trình truyền âm Kí hiệu: c Đơn vị:m/s

Độ lớn vận tốc lan truyền của sóng âm phụ thuộc vào tính chất của môi trường, phụ thuộc vào độ đàn hồi, mật độ

và trở âm của môi trường

Khi nhiệt độ không khí tăng lên 1 oC thì vận tốc âm tăng lên khoảng 0,61 m/s Trong tính toán thực tế, nếu môi trường truyền âm là không khí, vận tốc âm thường được xác định theo công thức gần đúng sau

C = Co + 0,61t

C: vận tốc âm (m/s)t: nhiệt độ không khí (oC)

Co = 331,5: vận tốc âm ở 0 oC

C: vận tốc âm (m/s)t: nhiệt độ không khí (oC)

Co = 331,5: vận tốc âm ở 0 oC

Ở nhiệt độ 20 oC vận tốc âm trong không khí tĩnh sẽ là 344 (m/s) Trong các tính toán thường lấy vận tốc âm là 340 (m/s) tương ứng với nhiệt độ không khí ở 14 oC

- Chất khí Không khí (0 oC)

Không khí (20 oC) Hydrogen

Oxygen Carbon dioxide

331 344 1284 316 340

- Chất rắn Thép

Nhôm

Gỗ thông Kính Gạch

Bê tông cốt thép

Đá granite

6100 6400 5260 5660 3650 4500 6000

Nhận xét và Giải thích

1.2 Các đơn vị đo âm thanh theo hệ thập phân

Áp suất âm, ký hiệu P, đơn vị N/m2 (hay Pa) là áp suất dư (áp suất có thêm so với áp suất khí quyển tĩnh) có trong trường

âm

2

max

P

P = Pmax là giá trị áp suất cực đại tương ứng với biên độ dao động cực đại.

Mật độ năng lượng âm

Là số năng lượng âm chứa trong 1 đơn vị thể tích của môi trường

Cường độ âm tại một điểm trong không gian (ký hiệu là I) là số năng lượng trung bình đi qua một đơn vị diện tích 1 m2 vuông góc với phương truyền âm trong một giây

lượng sóng âm bằng vận tốc truyền âm

Trong sóng âm phẳng, quan hệ giữa cường độ âm (I), áp suất âm (P) và mật độ năng lượng âm (E) được thể hiện theo các biểu thức

2

0 0

P I

Trong đó ρ0: khối lượng riêng của không khí (kg/m3)

Giá trị ρc0 gọi là trở âm của không khí Trong điều kiện áp suất khí quyển bình thường ở nhiệt độ 20 oC ta có ρ.c=

415 kg/m2s

Công suất âm của một nguồn là năng lượng âm toàn phần do nguồn đó sinh ra trong không gian bao quanh trong thời gian 1 giây

Công suất âm đo bằng W (watt) Công suất âm phụ thuộc tính chất của nguồn mà không phụ thuộc các điều kiện truyền sóng âm

Mối liên hệ giữa các đại lượng

1.3 Các đơn vị đo âm thanh theo thang logarit

của âm đó – Đơn vị: dB ( đánh giá cường độ âm)

10.lg

I

o

I L

I

=

Mức áp suất âm (L P ):Là đại lượng để đánh giá áp suất của âm

Thông thường, máy đo mứa âm thường dùng để đo áp suất của âm thanh – Đơn vị: dB

Theo quy ước quốc tế, các trị số của chuẩn so sánh được lấy tương ứng với các trị số trung bình nhỏ nhất mà tai

người cảm thụ được, gọi là ngưỡng quy ước

+ Io = 10-12 (W/m2),

+ Po = 2.10-15 (N/m2)

W và E là công suất và mật độ năng lượng âm cần đo

+ Wo = 10-12 (W) là công suất âm ở ngưỡng quy ước,

+ Eo = 3.10-15 (J/m3) là mật độ năng lượng âm ở ngưỡng quy ước

GIÁ TRỊ CỦA CHUẨN SỐ

Sóng âm có tần số là 250Hz, truyền đi trong môi trường không khí Biết nhiệt độ môi trường là 25oC

Tính:

a. Vận tốc, bước sóng của sóng âm?

b. Trong 1s, số dao động thực hiện được là bao nhiêu?

ÁP DỤNG

Trong trường âm tự do, đối với sóng phẳng thì mức áp suất âm bằng mức cường độ âm và được gọi chung là mức âm

Thực tế cho thấy sự thay đổi mức âm nhỏ nhất mà tai người có thể phát hiện được là 1 dB, nhưng thay đổi 3 dB mới được xem

là thay đổi nhỏ nhất có ý nghĩa Các phép đo âm học thông thường cho phép sai số 1 ÷ 2 dB

KS Nguyễn Trần Ngọc Phương 27

Các đặc tính sinh lý của âm thanh

Về mặt sinh lý âm thanh và tiếng ồn được đặc trưng bởi độ cao, độ to, mức to, âm sắc, thời gian tác động, mức âm…

 Là bộ máy thu nhận âm thanh rất phức tạp, tinh vi

và hoàn thiện

 Cơ quan thu nhận âm thanh gồm tai và não bộ

Tai ngoài làm nhiệm vụ thu nhận và hướng sóng âm đến màng nhĩ

Tai giữa: truyền sóng từ tai ngoài vào tai trong và biến đổi theo mức âm thanh độ cứng của màng nhĩ

Tai trong làm nhiệm vụ biến đổi các dao động cơ học của âm thanh thành các tín hiệu điện để gửi về não bộ

Đặc điểm cảm thụ âm thanh của tai người

+ Các sóng âm có tần số nhỏ hơn 20 Hz gọi là hạ âm

+ Các sóng âm có tần số trên 20.000Hz gọi là siêu âm

Không nghe được

Phạm vi nghe âm thanh

Độ nhạy cao nhất của tai nằm ở phạm vi tần số từ 1000 – 5000Hz và giảm dần ở các tần số thấp

Quan hệ giữa mức độ cảm nhận và năng lượng kích thích âm thanh của tai người

Độ cao âm thanh

 Cảm giác âm thanh cao hay thấp, thanh hay trầm do tần số quyết định

 Tần số càng cao, âm càng thanh

 Tần số càng nhỏ, âm nghe càng thấp, càng trầm Theo cảm giác độ cao của tai người chia làm ba phạm

Âm sắc

Âm sắc quyết định bởi tần số của âm

+ Âm thanh có 1 tần số  đơn âm

+ Tạp âm  Tổ hợp của nhiều tần số

 Âm trong thường gặp trong đời sống hàng ngày là những âm phức hợp, là tổ hợp của nhiều tần số khác nhau

 Trong một âm phức hợp bao giờ cũng có một âm cơ bản – âm có cường độ mạnh nhất có tần số f0 và các họa âm (có tần số 2f0, 3f0,…và các âm có tần số khác

 Dao động âm là tổng hợp của dao động âm cơ bản với các họa âm và các âm tần số khác có mặt trong âm phức hợp

Mức to

 Các đại lượng mức áp suất âm, mức cường độ âm đã nói ở trên có phản ánh được một phần về cảm giác của cơ quan thính giác đối với âm thanh, tuy nhiên chúng vẫn còn hạn chế chưa thể đặc trưng cho cảm giác của tai được

 Những âm thanh có cùng mức cường độ âm thanh nhưng có các tần số khác nhau lại gây nên những cảm giác khác nhau Ngược lại những âm thanh có cường độ và tần số khác nhau lại có thể cho cùng một cảm giác về độ to

Cảm giác chủ quan về cường độ âm của cơ quan thính giác được đánh giá bằng mức to

 Thường người ta không dùng giá trị chủ quan tuyệt đối của độ to mà dùng mức, so với "mức không" quy ước

 Mức không quy ước của độ to âm thanh ở tần số 1000 Hz ứng với áp suất âm là 2.10-5 (N/m2) Đơn vị của mức to là phôn

 Phôn là hiệu giữa hai mức cường độ âm có giá trị hơn kém nhau 1 dB của âm thanh chuẩn ở tần số 1000

Hz Như vậy mức to phụ thuộc vào cường độ âm thanh và tần số

Đối với âm tiêu chuẩn, mức to có trị số bằng mức áp suất âm (đo dB) Muốn biết mức to của 1 âm bất kỳ phải

so sánh với âm tiêu chuẩn Với âm tiêu chuẩn: Mức to ở ngưỡng nghe là 0 Fôn ngưỡng chói tai là 120 Fôn

Cùng 1 giá trị áp suất âm, tần số càng cao

=> mức to càng lớnKS Nguyễn Trần Ngọc Phương . 35

Độ to

Khi so sánh âm này to hơn âm kia bao nhiêu lần ta dùng khái niệm “độ to”

Độ to là 1 thuộc tính của thính giác, cho phép phán đoán tính chất mạnh yếu của âm thanh

MốiliênhệgiữaSôn&Fônnhưsau:

S=

Hiện tượng che lấp

 Hiện tượng che lấp xảy ra khi chúng ta nghe âm thanh trong môi trường ồn

 Khi đó sự cảm thụ âm thanh khó khăn hơn do tiếng ồn che lấp một phần âm thanh cần nghe

 Hiện tượng che lấp là sự giảm ngưỡng nghe trong môi trường ồn

 Tiếng ồn có tần số càng thấp và mức âm càng lớn hiệu quả che lấp càng mạnh

 Âm thanh ở tần số cao có lợi để nghe rõ tiếng nói nhưng bị che lấp nhiều hơn

1.4 Đo âm thanh

 Đo phân tích mức âm thanh theo tần số

 Đo mức âm tổng cộng về năng lượng theo thang hiệu chỉnh gần đúng về cảm giác âm thanh của cơ quan thính giác người

 Đo tích lũy theo từng khoảng thời gian để xác định trị số

trung bình năng lượng âm thanh

 Ghi lại mức áp suất âm

 Đo thời gian âm vang của phòng và chất lượng cách âm của kết cấu

 Đo tính năng âm học của vật liệu

Đo bằng vật lý sau đó chuyển về đo cảm giác fôn của tai người ta dùng mạch chuyển đổi A, B, C, D.

L : Bộ lọc tần sốTG: Máy tự ghi

MH : màn hình

Thiết bị đo cường độ âm

Thiết bị đo mức suất âm

 Mức âm hiệu chỉnh

 Các máy đo âm thanh hiện nay đều làm việc theo nguyên tắc tác động của áp suất âm

 Sự khác nhau cơ bản giữa máy đo và tai người ở chỗ: một microphon lý tưởng có độ nhạy đồng đều với mọi tần số âm thanh Để chuyển đổi một cách gần đúng các kết quả đo khách quan của máy về cảm giác chủ quan của tai người bằng các mạch hiệu chỉnh tương ứng với đường đồng mức to gần mức khảo sát nhất

 Hiện nay các phép đo và đánh giá tiêu chuẩn âm thanh quy định chỉ sử dụng mạch hiệu chỉnh A (dBA) để đánh giá tất cả các âm thanh

DÃY TẦN SỐ ÂM

 Tiếng ồn gồm vô số những âm thanh có cường độ âm và tần số khác nhau

 Trong thực tế nếu chỉ đánh giá âm thanh theo một mức âm tổng cộng là chưa đủ mà cần phải phân tích chúng theo các tần số

 Tuy nhiên việc phân tích âm thanh trên mỗi tần số trong phạm vi 20 ÷ 20000 Hz là không thể thực hiện được và cũng không thực sự cần thiết Vì vậy để thống nhất, ISO đề nghị sử dụng các dãy tần số âm tiêu

chuẩn khi nghiên cứu âm thanh cũng như khi chế tạo các thiết bị đo âm thanh

 Mỗi dãy tần số được xác định bởi tần số giới hạn dưới f 1 và tần số giới hạn trên f2 Khi đó bề rộng của dãy tần

số được xác định:

∆ f = f2 - f1

 Khi chọn một dãy tần số nghiên cứu, bộ lọc tần số chỉ cho năng lượng âm thanh của các tần số nằm giữa phạm

vi của tần số giới hạn xác định của dãy này đi qua

Có 3 dãytầnsốchính

-Dãy1 octa, khi f2/f1=2

-Dãy½ octa, khi f2/f1 =

-Dãy1/3 octa, khi f2/f1=

2

1

 Dãy tần số 1 ốc ta thường được sử dụng trong nghiên cứu tiếng ồn các khu dân cư, trong thành phố và trong phòng

 Dãy tần số 1/3 ốc ta thường được sử dụng trong nghiên cứu cách âm của kết cấu nhà cửa

 Dãy tần số ½ ốc ta ít được sử dụng

Tên của mỗi dãy thường được gọi theo tần số trung bình của dãy và được xác định theo công thức:

Giới hạn của dải, Hz Tên dải, Hz

Giới hạn của dải, Hz Tên dải, Hz

Biểu diễn biểu đồ mức âm theo các tần số của chúng.

Tiếng ồn trắng: năng lượng âm phân bố đều nhau trên mọi tần số, mức âm tăng dần theo dải 1 ôcta hoặc

1/3 ôcta

Tiếng ồn hồng: có mật độ năng lượng phổ tỷ lệ nghịch với tần số hoặc năng lượng cố định cho mỗi

khoảng tần số theo tỷ lệ lôgarit

PHỔ ÂM

Phương pháp biểu diễn và tính toán kết qủa đo

Xác định và biểu diễn phổ âm theo dải 1 ôcta từ kết quả đo theo dải 1/3 ôcta.

 Mức âm theo dải 1 ôcta là tổng mức năng lượng âm của ba dải 1/3 ôcta tương ứng

 Kết quả mức âm theo dải 1 ôcta tương ứng của ba dải 1/3 ôcta

Xác định mức âm theo thang A - dBA

Các trị số hiệu chỉnh về thang A theo dải ôcta 1 có thể xác định bằng biểu đồ hoặc bảng sau:

Xác định mức âm theo thang A - dBA

Bước 1: hiệu chỉnh các trị số đo về thang A

Bước 2: Cộng mức âm ở tất cả các dải tần số theo phương pháp tổng năng lượng

Ví dụ: theo phổ âm thanh của dải 1 ôcta ở ví dụ trên xác định mức âm tổng cộng theo thang A.

Các hiện tượng chính trong âm học

Tia vang dội

 Là phần năng lượng của tia tới bị dội lại khi tia này gặp một bề mặt chắn trên đường đi

 Sự vang dội có thể đến từ 1 tia hay nhiều tia

 Bề mặt chắn là các vật liệu cứng, không xốp, có đặc tính làm vang dội âm thanh

 Hệ số vang dội:

Các hiện tượng chính trong âm học

Tia hấp thụ

 Năng lượng của âm thanh bị hập thụ khi tia tới gặp bề mặt chắn lại trên đường đi

 Những chất liệu hấp thụ âm thanh như sợi thủy tinh, cao su, mút…thường là các vật liệu xốp, nhẹ

 Năng lượng âm thanh bị hấp thụ thường là do ma sát

 Hệ số hấp thụ âm thanh:

Các hiện tượng chính trong âm học

Tia truyền qua

 Được xác định bằng cách tính mức tổn thất năng lượng theo phương trình

TL = 10lg(Wt/W1), dB

 Mức tổn thất năng lương nói chung tăng với tần số âm thanh

 Những vật liệu làm yếu âm thanh thường là những chất liệu đặc và không xốp: chì, bê tông, gỗ, thép, thủy tinh…

Các hiện tượng chính trong âm học

Tia nhiễu xạ

 Sự nhiễu xạ xảy ra khi sóng âm gặp phải vật chắn hữu hạn

 Tần số sóng âm tăng  tăng nhiễu xạ  Cường độ âm thanh giảm

 Hiệu ứng nhiễu xạ thường được định lượng bằng việc mất năng lượng vì vật cản

IL = Lp0 – Lp, dB