1. WPROWADZENIE DO TEMATYKI AKUSTYKI W BUDOWNICTWIE

1. WPROWADZENIE...
1.
„Akustyka w budownictwie. …”
WPROWADZENIE DO TEMATYKI AKUSTYKI
W BUDOWNICTWIE
AKUSTYKA –
dział fizyki i techniki zajmujący się zjawiskami dźwiękowymi, ultradźwiękowymi i infradźwiękowymi oraz ich oddziaływaniem na inne
zjawiska fizyczne.
(ENCYKLOPEDIA POPULARNA PWN)
BUDOWNICTWO –
1. dział gospodarki zajmujący się wznoszeniem budowli
2. technika wznoszenia i konserwacji budowli oraz związane z nią
umiejętności; rozróżnia się budownictwo lądowe – nadziemne
(np.
budynki),
naziemne
(np.
drogi)
i
podziemne
(np. tunele), oraz wodne (np. porty, zapory)
(ENCYKLOPEDIA POPULARNA PWN)
ARCHITEKTURA –
sztuka projektowania i wznoszenia budowli; ze względu na funkcje
rozróżnia się architekturę sakralną i świecką (obronną, mieszkalną,
m.in. pałacową); wg usytuowania – miejską i wiejską; z uwagi na
zastosowany materiał – kamienny, drewniany itp.; mogą istnieć
też podziały wg stylów (architektura gotycka) czy epok historycznych (architektura nowożytna).
(ENCYKLOPEDIA POPULARNA PWN)
Zgodnie z uwagami poczynionymi we wstępie, pierwsze
prace z zakresu akustyki przypisuje się autorowi Fo-Szi (Chiny),
a czas ich powstania datuje się na ok. 3000r. p.n.e.1. Jeżeli przyjmiemy rok 3000 p.n.e. za początek merytorycznej debaty nad zagadnieniami akustyki, to spoglądając wstecz, z perspektywy naszych czasów, początków szóstego tysiąclecia (!) „istnienia” akustyki, spostrzeżemy ogromy postęp. Począwszy od „prymitywnych” doświadczeń badających zjawisko rozchodzenia się fali akustycznej, zjawisko rezonansu, związek pomiędzy długością struny, a wysokością wytwarzanego dźwięku itp., prowadzonych przez m.in. Terpandera (VII w.
p.n.e.), Pitagorasa (VI w. p.n.e.), Arystotelesa (IV w. p.n.e.), Witruwiusza (I w. p.n.e.), dochodzimy do okresu XVI – XIX w. n.e., w którym powstaje dojrzały matematycznie opis fali akustycznej. Najwy1
[10]
1
1. WPROWADZENIE...
„Akustyka w budownictwie. …”
bitniejsi badacze tamtych czasów to W.Koytera [1534-1600], Galileo
Galilei-Galileusz [1564-1642], M.Marsenne [1592-1655], I.Newton
[1643-1727], G.J.Durerney [1648-1730],P.S.Laplace [1749-1872],
L.Euler [1707-1883], D.Beurnoulii [1700-1782], E.F.Chlandi [17561827], J.L. Lagrange [1736-1813] oraz H.L. Helmholtz [1821-1894].
Zwieńczeniem, a zarazem podsumowaniem prac tamtych czasów, było dzieło Lorda Rayleigha (John William Strutt [1842-1912]) „Theory
of Sound”, które było do tego stopnia kompletne, iż jeden
z uczonych, po przeczytaniu jego, wyraził pogląd, iż akustyka stała
się zamkniętą dziedziną fizyki(!)[15]. Oczywiście mylne były słowa
tamtego uczonego, w książce Ignacego Maleckiego [15] czytamy:
„...Ale taki jest już paradoks dziejów, że właśnie w tym czasie następuje wynalezienie przez Bella (1876r.) telefonu i fonografu przez Edisona i Berlinera (1878r.). Otwiera to całą nową dziedzinę akustyki,
związaną z przekazywaniem sygnałów akustycznych drogą elektryczna. ...(elektroakustykę2 )”.
Przełom XIX/XX w. oraz cały wiek XX to okres burzliwego
rozwoju akustyki fizycznej, a co warto tu podkreślić, niemożliwego do
zrealizowania bez elektryczności oraz ciągłego wzrostu znaczenia
komputeryzacji. Niezliczone książki, publikacje, artykuły itp., powstałe w tym okresie, powodują, że każda próba wyszczególnienia jednostki (konkretnej osoby), tworzącej kolejne gałęzie akustyki, jest
niemalże z góry skazana na niepowodzenie. Nic nie stoi jednak na
przeszkodzie, aby pamięć twórców „nowej” akustyki uczcić wskazując
bogactwo jej tematyki.
Interdyscyplinarność współczesnej akustyki fizycznej
w szkicowy sposób, przedstawia Rys. 1.1 (na podstawie [14]).
Rys. 1.1. Związek akustyki z innymi dziedzinami nauki
2
przypis autora
2
1. WPROWADZENIE...
„Akustyka w budownictwie. …”
Wyróżnienie
gałęzi „akustyka w budownictwie i architekturze”
(Rys. 1.1), nie ma na celu wyniesienia jej ponad inne, (choć zwarzywszy na fakt, iż jej „oddziaływanie” jest najbardziej istotne
z punktu widzenia przeciętnego człowieka, to usytuowanie jej w górnej części koła jest uzasadnione), podkreślenie to, służy wyłącznie
ustaleniu uwagi, w którą stronę zwrócone są rozważania teoretyczne
i praktyczne tej pracy.
Tak obszerny związek akustyki z innymi dziedzinami nauki
może rodzić pytanie, „...czy tak zróżnicowane i niemal autonomiczne
gałęzie wiedzy, ... , rzeczywiście wyrosły ze wspólnego pnia, czy mówiąc dziś o akustyce, nie budujemy dachu nad zbiorem zupełnie od
siebie różnych przedmiotów. ...”[15]. Osobiście, podzielam tu pogląd
prof. Ignacego Maleckiego [15], uważam, iż to łączenie jest w pełni
uzasadnione merytorycznie. Za poprawnością tego stwierdzenia
przemawiają następujące argumenty [15]:
− mimo różnorodnych zastosowań baza teoretyczna akustyki
pozostaje wspólna,
− interdyscyplinarny charakter akustyki nadaje jej szczególną
rangę jako czynnika pogłębiającego tendencje integracyjne
we współczesnej nauce,
− próby podzielenia akustyki na „pod-dyscypliny” wykazały, że
są to tendencje sztuczne, gdyż trudno organicznie powiązane
działanie przeciąć liniami demarkacyjnymi,
− w wielu przodujących naukowo krajach istnieją towarzystwa
akustyczne. Wprawdzie towarzystwa te posiadają sekcje
specjalistyczne, ale ich znaczenie polega głównie na reprezentowaniu ogółu akustyków i zapewnieniu im platformy
wymiany poglądów.
Każda z gałęzi akustyki fizycznej przedstawiona na
Rys. 1.1 podlega dalszemu podziałowi na wąskie specjalizacje. Pozostając już wyłącznie przy tematyce akustyki w budownictwie , możemy dokonać takiego jej podziału, co wraz z krótką charakterystyką,
zostało przedstawione na Rys. 1.2. Charakterystyczne jest tutaj
(Rys. 1.2) przenikanie się słów budownictwo i architektura. Mimo
istotnych różnic pomiędzy obiema wymienionymi dziedzinami nauki,
czego dowodem są zacytowane definicje na początku rozdziału, błędem byłoby dosłowne potraktowanie słowa „budownictwo” w temacie
pracy. Zanim zatem przejdę do dalszych komentarzy, chciałbym podkreślić, że tematykę akustyki w budownictwie nie utożsamiam z akustyką budowlaną, ale traktuję ją tak, jak przedstawiono na Rys. 1.2.
Zgodnie z Rys. 1.2, jedno z dwóch głównych zadań szeroko rozumianej akustyki jest odpowiednie kształtowanie wnętrza (bu-
3
1. WPROWADZENIE...
„Akustyka w budownictwie. …”
Rys. 1.2 Tematyka akustyki w budownictwie
4
1. WPROWADZENIE...
„Akustyka w budownictwie. …”
dowlanego, urbanistycznego), tak aby uzyskać pożądany klimat akustyczny. Mimo, iż pierwsze prace traktujące o modelowaniu wnętrz
wymagających dobrej akustyki pochodzą już z I w. p.n.e. (Witruwiusz
– „Dziesięć ksiąg o architekturze”)3, to koniec XIX w n.e. zdawał się
nie przedstawiać żadnych poważnych osiągnięć w tym zakresie. Potwierdzenie powyższego stwierdzenia możemy się doszukać w wypowiedzi architekta Garniera, twórcy gmachu opery w Paryżu:
„ ...Przestudiowałem cały będący do dyspozycji materiał i uczyniłem
następujące odkrycie: Sala, żeby posiadać doskonałe warunki akustyczne powinna być ani długa, ani szeroka, ani niska, ani okrągła,
ani kwadratowa, ani z drzewa, ani z kamienia. Są ludzie, którzy
chcieliby zasadzić drzewa w sali, inni życzyliby sobie sali całkowicie
z kryształu, są i tacy, którzy wracają do Witruwiusza i chcieliby
umieszczenia naczyń (rezonansowych) pod krzesłami. Ja i mój asystent Louvet przejechaliśmy całą Europę zwiedzając sale uznane za
akustycznie dobre, zanotowaliśmy rodzaje ich konstrukcji, wiek
i wszystkie szczegóły, które mogły mieć wpływ na akustykę. Wszystkie te dane zebrane razem dały tylko jeden wniosek ... zupełną niepewność. Jedna sala była zła, gdy inna o tym samym kształcie i wielkości – dobra, raz drzewo, kiedy indziej cegła wydawały się najlepszym materiałem...”. Wspomnianą powyżej stagnację w akustyce
wnętrz, przecinają dopiero prace W.C. Sabine’a, a szczególnie zbiór
„Collected Papers on Acoustics” [X] (wydane pośmiertnie 1922 r.).
W ten sposób Stany Zjednoczone Ameryki stały się kolebką naukowego podejścia do akustyki sal, a podstawy stworzone przez
W.C. Sabine’a procentują dziś wyrafinowanymi metodami oceny akustyczności wnętrz (np. metoda autorstwa Y. Ando [10]).
W literaturze polskiej podstawowymi pracami poświęconymi szeroko rozumianej akustyce w budownictwie są prace Jerzego
Sadowskiego [21]. W książkach jego autorstwa doszukamy się wybranych wiadomości z teorii fali, miernictwa akustycznego. Szeroko
omówione są problemy związane z kształtowaniem właściwości akustycznych wnętrz oraz problemów związanych z ochroną pomieszczeń przed hałasem. Prace zestawiają wiele tablic i wykresów związanych z właściwościami materiałów, wyrobów i ustrojów dźwiękochłonnych. Warto również wspomnieć o pracach Mieczysława Drobnera [3],
które w przystępny sposób, charakteryzują właściwości wybranych
instrumentów, bez znajomości których, trudno byłoby świadomie konstruować sale koncertowe. W tematyce akustyki wnętrz, ważna jest
również książka Andrzeja Gołasia [10], która m.in. w syntetyczny
sposób zbiera parametry służące do oceny jakości akustyki wnętrz.
Książka anglojęzyczna, o tematyce wspomnianej powyżej
(jedna z wielu), to pozycja [IV] autorstwa E.M. Davida.
3
prace te, były bardzo ogólne, o charakterze praktycznym, bez jakiejkolwiek bazy o teoretycznej
5
1. WPROWADZENIE...
„Akustyka w budownictwie. …”
Drugim ważnych zadaniem akustyki w budownictwie jest
ochrona przeciwdźwiękowa. Wyznacznikiem prędkości rozwoju tej gałęzi akustyki fizycznej, były i są dźwięki niepożądane – hałas, którego
intensywność wzrastała wraz z postępem cywilizacji. Mylne byłoby
stwierdzenie, że problem zwalczania hałasu, jest wyłącznie domeną
wieku XIX, XX i XXI, ale przesadą byłoby również stwierdzenie, iż
problem zmniejszania hałasów jest „stary jak świat”, choć już Seneka
(I w. p.n.e. / I w. n.e.) w jednym ze swoich listów, skarży się, że turkot ładowanych wozów po ulicach Rzymu nie pozwala mu spokojnie
pracować. Faktem jest natomiast, że problem z hałasem, aż do
II wojny światowej nie był „...ani bardzo powszechny, ani bardzo palący. ...”[15]. Dopiero po II wojnie żywiołowy rozwój ruchu samochodowego, wytworzył warunki ogromnej uciążliwości hałasów w miastach, powiększonej jeszcze przez szerokie stosowanie w budownictwie lekkich konstrukcji szkieletowych i prefabrykowanych.
Książki traktujące o zadaniach akustyki w ochronie przeciwdźwiękowej, to prócz wymienionej pozycji Jerzego Sadowskiego
[21], książki Czesława Cempela [2], Zbigniewa Engela [5] czy Tadeusza Zakrzewskiego [26]. W książkach tych doszukamy się tablic
i wykresów związanych z właściwościami materiałów, wyrobów
i ustrojów dźwiękochłonnych, wiadomości na temat źródeł hałasów
i ich charakterystyki liczbowe, podstawy miernictwa akustycznego
oraz sposoby kształtowania przestrzeni urbanistycznej i wnętrz w celu
zmniejszenia uciążliwości dźwięków niepożądanych – hałasu.
Niezależnie od wybranego zagadnienia, akustyka w budownictwie niepodzielnie związana jest z problemem propagacji fali
akustycznej. W związku z powyższym, znajomość teoretycznego (matematycznego) opisu fali akustycznej oraz zasad propagacji fali
dźwiękowej wydaje się niezbędna, dla prawidłowego zrozumienia istoty omawianych zjawisk. Nieocenione w tym temacie mogą się okazać
prace Rufina Makarewicza [14], Ignacego Maleckiego [17, V],
P.M. Morse’a i K.U. Ingarda [VI] oraz dokumentacja programu [I].
Pomocne w zrozumieniu zagadnień teoretycznych będą wszelkie
książki z matematyki np. [4,8,11,12,18,19,24,27,II,VII,VIII,IX,XI].
6