أسس صوتيات الفراغات المغلقة

 

المحاضرة 3

أسس صوتيات الفراغات المغلقة

محتويات المحاضرة

1.     مقدمة

2.     انعكاس الصوت

3.     امتصاص الصوت

4.     معامل الامتصاص

5.     المواد الماصة الليفية

6.     المواد الماصة الغشائية

7.     زيادة الصدى وخمود الصوت

8.     الامتصاص الكلي

9.     ارتداد الصوت

1.     مقدمة

ان الصوت المنبعث من مصدر صوتي على هيئة نقطة في الهواء الطلق ينتشر على شكل موجات كروية وتتناقص شدته بالبعد عن المصدر، الا أن وجود المصدر داخل فراغ مغلق (كطرقة أو قاعة مثلاً) يترتب عليه حدوث تغييرات جمة في نوعية وشدة الصوت الذي يصل الى المستقبل وهذه التغييرات اما ان تكون الى الاحسن مثل تقوية الصوت او دمج صوت الآلات الموسيقية معاً. الى آخره، وإما الى الأسوأ مثل حدوث صدى مصاحب للصوت، وإما عدم وضوح بعض المقاطع في الحديث.

وحتى يمكن دراسة هذه التغييرات، والاستفادة منها لابد من دراسة سلوك الصوت في الفراغات المغلقة، ذلك السلوك الذي يختلف تماماً عن سلوكه في الهواء الطلق حيث لا عوائق على الإطلاق.

          الشكل رقم (1) يوضح سلوك الصوت في الفراغات المغلقة. فنجد مثلاً انه عندما تصطدم موجات الصوت بجدار ما فإن جزءاً من الطاقة الصوتية ينعكس بينما يتسلل الجزء الآخر الى داخل الجدار حيث يمتص جزء منه وينفذ الجزء الباقي الى الجانب الآخر من الجدار.  وإذا ما قابلت موجات الصوت حائلاً أو عائقاً فإنها غالباً ما تنحرف عن مسارها أو تتشتت إذا كان السطح متعرجاً.

شكل رقم 1 : سلوك الصوت في الفراغات المغلقة

 

وفي علم الصوتيات في العمارة نفترض أن الصوت يسير في شكل أشعة مستقيمة Rays ومتعامدة على جهة الوجه Wave font وبالتالي يمكن اخضاعه لقواعد الضوء وفيما يلي نجد أهم التغييرات التي تطرأ على موجات الصوت عند اصطدامها بأسطح أو عوائق في مسارها.

2.     انعكاس الصوت

تلعب العلاقة بين طول موجة الصوت وأبعاد السطح العاكس لها دوراً كبيراً في تحديد كيفية الانعكاس، فإذا ما كانت أبعاد السطح العاكس أكبر من طول الموجة فإن الانعكاس سيخضع لقواعد انعكاس الضوء اما إذا كان أصغر أبعاد السطح مقارباً لطول الموجة الساقطة فإنها تنعكس في شتي الاتجاهات، أي تتشتت ولذا يلزم مراعاة هذه العلاقة قبل تطبيق قواعد الانعكاس في حالة الترددات المنخفضة (الموجات الطويلة).

عند سقوط موجات الصوت على سطح مستو صلب ابعاده أكبر من طول الموجة الساقطة فإنه، طبقاً لقوانين انعكاس الضوء، تكون زاوية الانعكاس مساوية لزاوية السقوط، وكل من الشعاع الساقط والشعاع المنعكس في مستوى واحد متعامد على السطح العاكس. وبإتباع هذه القواعد بالنسبة للأسطح المنحنية فإننا نجد أن الأسطح المقعرة Concave تعكس الصوت بطريقة مجمعه، بينما تعكس الاسطح المحدبة Convex الصوت بطريقة مفرقة.

باستخدام التشابه بين انعكاس الصوت وانعكاس الضوء فإنه من الممكن تصور أن السطح العاكس ما هو الا مرآة تتكون خلفها صورة تخيلية للمصدر، على مسافة مساوية لبعد المصدر عن السطح بحيث يكون الخط الواصل بين المصدر وصورته عمودياً على السطح (أي عمودياً على المماس لهذا السطح إذا كان منحنياً).

 

شكل رقم 2 : تأثير شكل السطح علي كيفية الانعكاس

3.     امتصاص الصوت

امتصاص الصوت Absorption of sound هو إخماد الصوت أو الموجة الصوتية عند مرورها في وسط مادي أو ملامستها لسطح ما، ويعرف امتصاص الصوت أيضاً بالخاصية التي تمتلكها الكتل والمواد لامتصاص الصوت.

4.     معامل الامتصاص

معامل امتصاص الصوت Sound absorption coefficient هو ذلك الجزء من الصوت الساقط والذي لا يقوم السطح أو المادة بعكسه وتختلق قيمة هذا المعامل باختلاف التردد، والتركيب البنائي، والمادة المكونة (انظر الامثلة في الجدولين 1 و2).

ويختلف امتصاص الصوت عن عزل الصوت، ففي معظم الأحيان تكون المواد ذات الامتصاص العالي فقيرة في خاصية عزل الصوت .تستعمل المواد الماصة للصوت في خفض الضوضاء الصادرة عن الآليات والماكينات داخل الأماكن المغلقة ويكون التخفيض في حدود 10 ديسبل نسبة للتكلفة العالية لهذه المواد.

جدول رقم 1: امثلة لمعاملات الامتصاص لمواد البناء العامة

المادة و طريقة التركيب	معاملات الامتصاص
	تردد ادني	تردد متوسط	تردد اعلي
	125 هرتز	500 هرتز	2000 هرتز	4000 هرتز
سقف خشبي مائل ببلاط سقف (مارسيليا)	0.15	0.10	0.10	0.10
مباني طوب كحلة او مطلية	0.02	0.02	0.04	0.05
موكيت متوسط علي أرضية مصمتة	0.10	0.30	0.50	0.60
موكيت متوسط علي أرضية خشبية مجوفة	0.20	0.30	0.50	0.60
أرضية خرسانة بيضاء/ حجر	0.01	0.20	0.02	0.02
بلاط فينيل/خشب/مطاط علي أرضية صلبة	0.05	0.05	0.10	0.10
الستائر (قماش وسط) عمودية و علي مسافة قريبة من الحائط	0.55	0.25	0.30	0.50
بلاطات ليفية ناعمة بسمك 13 سم مركبة علي خلفية مصمتة	0.05	0.15	0.30	0.30
كما أعلاه مشطبة بالطلاء	0.05	0.10	0.15	0.15
بلاطات ليفية ناعمة بسمك 12 سم مركبة علي خلفية مع وجود فجوة هوائية	0.30	0.30	0.30	0.30
كما أعلاه مشطبة بالطلاء	0.30	0.15	0.10	0.15
بلاط ارضيات عادي	0.03	0.03	0.05	0.05
زجاج نوافذ حتي 3 ملم	0.20	0.10	0.05	0.02
طوب زجاجي و بلاط صيني او رخام مصقول	0.01	0.01	0.01	0.01
بياض جير او جبص علي حائط مصمت	0.02	0.02	0.04	0.04
بياض علي شبك بفجوات هوائية و خلفية صلبة او حواجز خشبية	0.30	0.10	0.04	0.04
خشب ابلكاش مثبت مباشرة	0.05	0.05	0.05	0.05
خشب ابلكاش مثبت بوجود فجوة هوائية بينه و بين خلفية مصمتة	0.30	0.15	0.10	0.05
الماء (حمامات السباحة)	0.01	0.01	0.10	0.01
أرضية خشببية . الواح علي عوارض	0.15	1.10	1.10	1.10
بلاطات الياف خشبية 25 مم	1.10	0.40	0.60	0.60
كما أعلاه بوجود فجوة هوائية	0.15	0.60	0.60	0.70
بلاطات الياف خشبية سمك 80 مم مثبتة علي خلفية صلبة بوجود فجوة هوائية	0.20	0.80	0.80	0.80

 

 

 

جدول رقم 2:  امثلة لمعاملات الامتصاص لبعض البنود الخاصة

البند	معاملات الامتصاص
	تردد ادني	تردد متوسط	تردد اعلي
	125 هرتز	500 هرتز	2000 هرتز	4000 هرتز
الهواء لكل متر مكعب	-	-	0.007	0.002
مستمعين علي مقاعد منجدة تنجيد كامل (للشخص الواحد)	0.19	0.47	0.15	0.47
مستمعين علي مقاعد خشبية معدنية (للشخص الواحد)	0.16	0.40	0.43	0.40
مقاعد منجدة تنجيدا كاملا خالية من المستمعين (للمقعد الواحد)	0.12	0.28	0.31	0.37
مقاعد خشبية او معدنية خالية من المستمعين (للمقعد الواحد)	0.07	0.15	0.18	0.19

5.     المواد الماصة الليفية

 المواد الماصة الليفية Fibrous absorbers هي الأفضل عادة للامتصاص العام وتستعمل الأنسجة والألياف المعدنية عادة لامتصاص الصوت.

وعملية الامتصاص عباره عن تحويل الطاقة الصوتية الى طاقة حرارية، وهنا يجب ملاحظة أن الطاقة الصوتية تكون ذات كمية قليله جداً حتى بالنسبة للضوضاء العالية، ولذلك فإن الارتفاع في درجة حرارة تلك الألياف يمكن إهماله.

تعتمد فاعلية الامتصاص على التردد الصوتي وسمك المادة المستعملة للامتصاص، فكلما ازداد السمك تحسنت فاعلية الامتصاص خاصة في الأصوات ذات التردد الأدنى.

ويمكن زيادة سمك المادة الممتصة للصوت بوضعها على مسافة من السطح الصلب للجدار أو السقف حيث تزيد الفجوة الهوائية من فاعلية الامتصاص.

تشكل تفاصيل السمك والتركيب البنيوي أهمية في معرفة مقدار معامل الامتصاص، وكذلك التشطيب النهائي للسطح، خاصة عند التردد العالي للصوت، وكمثال فإن البلاطات الصوتية Acoustic tiles والتي تكون بها فتحات صغيرة عند السطح حوالي  من مساحة البلاطة، حيث يجب مراعاة عدم ملء هذه الفتحات بالدهان عند طلائها، لأن ذلك سوف يخفض من فاعلية امتصاصها.

ويختلف معامل الامتصاص لمادة ما أيضاً باختلاف زاوية سقوط الصوت، وعملياً فإن الصوت يسقط على كل الزوايا، ومن الأفضل أخذ القياسات عشوائيا.

6.     المواد الماصة الغشائية

المواد الماصة الغشائية membrane absorbers  هي عبارة عن الواح او صفائح, و هنا تقوم المادة كلها بالاهتزاز حيث يتحول جزء من الصوت الي حرارة و الجزء الأكبر يتم انتقاله عبر المادة. و تختلف الخواص الماصة للمواد الغشائية تماما عن المواد الليفية, و الفرق الرئيس بينهما هو ان المواد الغشائية افضل ما تكون عند التردد الادني للصوت.

اما مواد البناء الثقيلة كالطوب و البياض, فانها تعكس كل الصوت الساقط عليها تقريبا (معامل الامتصاص 0.02 تقريبا).

 

 

7.     زيادة الصدى وخمود الصوت

في أي حجرة او قاعة يكون من المهم تشطيب الاسطح بالمواد الماصة الصحيحة. فاذا قلت المادة سيكون هنالك أثر كبير للصدى وإذا ما زادت المواد الماصة كثيرا فان الصوت سيبدو خامدا، وفي كلا الحالتين فان وضوح الحديث سيكون دون المستوي المطلوب.

8.     الامتصاص الكلي

الامتصاص الكلي total absorption في حجرة ما هو ناتج المجموع لامتصاص كل الاسطح والكتل والموجودات داخل فراغ الحجرة (الاسطح والاثاثات والانسان ...الخ) ويحسب الامتصاص الكلي بحاصل ضرب مساحة سطح المادة في معامل امتصاصها.

اما السامعين والاثاثات فيحسب امتصاصها بمتوسطات (لا توجد مساحات) تعتمد على المقاس والملابس. والناتج في كلا الحالتين هو ارقام أمتار مربعة من الامتصاص.

ويترك مجال لتخفيض الامتصاص بواسطة المقاعد و السامعين الذين يغطون سطح الأرضية, و هذا الغطاء يمثل أهمية بالنسبة للأصوات ذات التردد العالي و عليه فان هناك تخفيض بما يوازي 40% عند التردد من 125 الي 500 هرتز و 60% عند 2000 هرتز من امتصاص الأرضية.

9.     ارتداد الصوت

الارتداد Reverberation  هو دوام الصوت في مكان مغلق, نتيجة للانعكاسات المتكررة لهذا الصوت من حدود هذا المكان. و الصوت الارتدادي ليس هو الصدي, فالصدي عبارة عن انعكاس مفرد وواضح بينما الصوت الارتدادي عبارة عن الاف الانعكاسات في الثانية الواحدة. و يأخذ الصوت في التناقص الي ان يخبو,  اما اذا ما خبا الصوت سريعا فان وضوح الحديث يكون جيدا. و في بعض الأوضاع يأخذ الصوت وقتا طويلا ليخبو فينخفض الوضوح نتيجة لذلك و لكن الصوت يكون قويا و ممتلئا. و عليه فان الوضع الأمثل يختلف باختلاف الاستعمال, للحديث او الموسيقي.

9.1.           زمن الارتداد Reverberation time .

هو الزمن الذي ياخذه الصوت ليخبو بمقدار 60 ديسبل و يعتمد زمن الارتداد علي حجم القاعة و كمية الامتصاص بها.

9.2.           معادلة سابين   Sabins Formula

و هي معادلة لحساب زمن الارتداد الفعلي Actual reverberation time في أي قاعة و هي كما يلي:

t = 0.16V/A

                                 حيث:      t = زمن الارتداد بالثواني

                                             V = حجم القاعة بالأمتار المكعبة

                                             A = مساحة الامتصاص بالأمتار المربعة

9.3.           زمن الارتداد الأمثل optimum reverberation time

يعتمد زمن الارتداد المرغوب فيه على مقاس واستعمال الفراغ. والزمن الأمثل للارتداد يمكن استنتاجه من التجارب العملية الذاتية subjective experiments.

وضع العالمان ستيفنس وبيتر Stephens & Bates معادلة يتم استعمالها لحساب زمن الارتداد الأمثل وهي من معادلات حساب زمن الارتداد ولكنها تقريبية وتستعمل فقط عند تردد 500 هرتز:

                           حيث   t = زمن الارتداد الأمثل بالثواني

                                   V = حجم القاعة بالأمتار

                                   r  =  ثابت

                                          4 للقاعات المستعملة في الحديث

                                      =  5 للقاعات المستعملة للموسيقي الاوركسترالية

                                      = 6 للقاعات المستعملة للموسيقي الكورالية

وينصح بزادة هذه الأرقام بما يعادل 40% عند الترددات الأدنى.

10.                        مثال 1

احسب الامتصاص الكلي عند التردد 500 هرتز لقاعة تحتوي التشطيبات الاتية:

 265 م2          بياض علي جدار من الطوب

43 م2             نوافذ بزجاج 3 ملم

70 م2             للمسرح بارضية من الخشب

60 م2             بلاطات الياف خشبية سمك 25 ملم

96 م2              شاشة من الصفائح الزجاجية

310 م2           بياض علي السقف

300 م2           أرضية خشبية

افرض ان غطاء الأرضية  بواسطة السامعين يخفض امتصاصها بما يعادل 40%

11.                        مثال 2

احسب زمن الارتداد للقاعة الموضحة في المثال 1  اذا كان حجم القاعة 2500 م 3.