Giáo Trình Âm Học Kiến Trúc: Lịch Sử, Phương Pháp Tính Toán - Thiết Kế, Ứng Dụng

Âm học kiến trúc (còn gọi là âm học phòng kín hay âm học công trình) là ngành khoa học và kỹ thuật nhằm mục đích tạo ra môi trường âm thanh như mong muốn bên trong công trình. Âm học kiến trúc là một nhánh của Bộ môn Âm học nói chung. Môn học Âm học kiến trúc cung cấp những hiểu biết cơ bản về âm thanh, sự vận động của sóng âm trong công trình, các kiến thức cơ bản nhằm đạt hiệu quả âm thanh tối ưu trong thính phòng và đảm bảo tiện nghi về tiếng ồn cho người sử dụng trong công trình. Sau nhiều năm giảng dạy môn Âm học Kiến trúc tại trường Đại học Bách khoa thuộc Đại học Đà Nẵng, bài giảng chi tiết Âm học kiến trúc phát hành lần đầu năm 2013 được bổ sung, chỉnh lý, hoàn thiện để trở thành cuốn sách này. Tài liệu được chúng tôi bổ sung nhiều kiến thức hàn lâm khi làm luận văn khoa học và kinh nghiệm thực tế khi thiết kế và cải tạo âm học các công trình. Trong quá trình biên soạn tài liệu này, tác giả đã cố gắng loại bỏ những kiến thức lỗi thời trong các tài liệu âm học đã có trước đây và đưa thêm vào nhiều lý thuyết mới nhất, đặc biệt là các ứng dụng công nghệ số trong thiết kế âm học. Quyển sách này dựa trên nhiều tài liệu tham khảo quốc tế, các tài liệu tham khảo được trích dẫn chi tiết, giúp cho người đọc dễ dàng kiểm tra tính xác thực của thông tin khoa học cũng như tìm hiểu cặn kẽ thêm thông tin từ tài liệu gốc (nếu cần). Cuốn sách này được tác giả biên soạn nhắm đến đối tượng là Kiến trúc sư, Kỹ sư âm thanh, học viên cao học, sinh viên các ngành kỹ thuật xây dựng, kiến trúc, môi trường đang theo học các cấp tại các trường Đại học và Cao đẳng. Trang Lời nói đầu 3 Danh mục các từ viết tắt 5 Chương 1. Cơ sở lý thuyết của âm học 1.1. Giới thiệu 7 1.2. Lịch sử của âm học 10 1.2.1. Âm học thời cổ đại 10 1.2.2. Âm học trong thế kỷ 19 10 1.2.3. Âm học trong thế kỷ 20 13 1.3. Các nguyên lý cơ bản của âm thanh và sự kiểm soát âm thanh 20 1.3.1. Sự hình thành sóng âm 20 1.3.2. Tần số của sóng âm 21 1.3.3. Dải tần số và sự phân bố áp suất âm của các tần số trong một hòa âm (phổ âm thanh, phổ tiếng ồn) 22 1.3.4. Bước sóng âm thanh 23 1.4. Các đại lượng vật lý đo độ lớn của âm 24 1.5. Thang Decibel 26 1.6. Các mức âm hiệu chỉnh theo trọng số của tần số âm 28 1.7. Các đặc điểm cảm thụ âm thanh của tai người 30 1.7.1. Dải âm thanh khả thính 30 1.7.2. Cao độ của âm thanh 31 1.7.3. Âm điệu và âm sắc 31 1.7.4. Mức cảm giác to nhỏ của tai người 32 1.7.5. Khả năng định vị nguồn âm 33 1.7.6. Tính chất lưu âm của cơ quan thính giác 34 1.7.7. Hiện tượng âm thanh bị che lấp (sound masking) 35 1.8. Sự lan truyền âm thanh ngoài trời 37 1.8.1. Sự suy giảm năng lượng âm theo khoảng cách 37 1.8.2. Mức âm tổng hợp của nhiều nguồn âm tác dụng đồng thời 38 1.8.3. Ảnh hưởng của gió và nhiệt độ đến sự lan truyền âm thanh 40 1.9. Câu hỏi và bài tập chương 1 41 Tài liệu tham khảo chương 1 44 Chương 2. Vật liệu và kết cấu dùng trong thiết kế trang âm 2.1. Đặc trưng hút âm của vật liệu 48 2.2. Các loại vật liệu và kết cấu hút âm 51 2.2.1. Vật liệu hút âm xốp 51 2.2.2. Bản mỏng cộng hưởng hút âm 53 2.2.3. Bản đục lỗ hút âm 54 2.2.4. Các kết cấu hút âm phức hợp 58 2.3. Ứng dụng vật liệu hút âm 60 2.3.1. Kiểm soát thời gian âm vang 60 2.3.2. Kiểm soát tiếng ồn trong nhà máy và phòng lớn 61 2.3.3. Kiểm soát âm tần số thấp trong các thính phòng quan trọng 62 2.3.4. Kiểm soát tiếng dội trong khán phòng 63 2.3.5. Cách âm 64 2.3.6. Tường chắn ồn và đường 65 2.3.7. Kiểm soát tiếng ồn tự nhiên 66 2.4. Các nguyên tắc bố trí vật liệu hút âm 66 2.5. Các vấn đề khác liên quan đến lựa chọn giải pháp xử lý âm học 67 2.5.1. Xử lý âm học bằng thiết bị điện tử 67 2.5.2. Xử lý âm học và vấn đề an toàn cho con người 69 2.5.3. Vật liệu xử lý âm học và vấn đề môi trường 71 2.6. Vật liệu khuếch tán âm 72 2.6.1. Nguyên lý cơ bản 72 2.6.2. Các bề mặt khuếch tán âm 73 2.6.3. Bộ khuếch tán Schroeder 74 2.7. Ứng dụng của vật liệu khuếch tán âm 76 2.7.1. Kiểm soát tiếng dội và thúc đẩy trường âm khuếch tán trong khán phòng 76 2.7.2. Giảm tác động của âm phản xạ sớm trong studio âm thanh 78 2.7.3. Cải thiện khả năng nghe rõ trong các trạm tàu điện ngầm hoặc ga tàu điện ngầm 80 2.7.4. Các bề mặt sân khấu 81 2.7.5. Làm giảm hiện tượng âm tập trung của bề mặt lõm 84 2.7.6. Trong khu vực khán giả - trường âm khuếch tán 84 2.8. Các nguyên tắc bố trí vật liệu khuếch tán âm 85 2.9. Cách lựa chọn vật liệu (hút âm hay khuếch tán âm) 86 2.10. Câu hỏi và bài tập chương 2 88 Tài liệu tham khảo chương 2 90 Chương 3. Âm học phòng kín (Room Acoustics) 3.1. Trường âm trong phòng kín 93 3.1.1. Xung đáp ứng 93 3.1.2. Quá trình phát triển và tắt dần của trường âm trong phòng kín 96 3.1.3. Đo thời gian âm vang - phương pháp ngắt âm (Interrupted Method) 97 3.1.4. Tính toán thời gian âm vang 99 3.1.5. Sự lan truyền âm thanh theo nguyên lý âm hình học 104 3.1.6. Tần số dao động riêng của phòng kín theo lý thuyết sóng 107 3.2. Các thông số liên quan đến chất lượng âm trong phòng thính giả 110 3.2.1. Thời gian âm vang tối ưu 110 3.2.2. Độ mạnh yếu của âm (sound strength hoặc là strength factor) 117 3.2.3. Ấn tượng không gian (spaciousness) 118 3.2.4. Thông số liên quan đến âm sắc hay âm điệu 119 3.2.5. Các chỉ số về điều kiện biểu diễn 119 3.2.6. Độ rõ (definition), độ rõ câu (speech intelligibility) trong diễn thuyết và độ rõ trong âm nhạc (clarity) 121 3.2.7. Thời điểm trọng tâm (center time) 126 3.2.8. Tiếng dội (echoes) 126 3.3. Các hiện tượng âm học trong phòng kín 128 3.3.1. Trường âm khuếch tán 128 3.3.2. Tiếng dội 131 3.3.3. Hội tụ âm - âm đi vòng (whispering-gallery effect) 132 3.3.4. Hiện tượng méo âm sắc 133 3.3.5. Hiện tượng bóng âm 133 3.4. Đo đạc trường âm trong phòng 134 3.5. Câu hỏi và bài tập chương 3 136 Tài liệu tham khảo chương 3 138 Chương 4. Thiết kế trang âm các phòng thính giả 4.1. Yêu cầu chung về chất lượng âm 141 4.2. Thiết kế các bộ phận cơ bản của phòng khán giả 145 4.2.1. Thiết kế ghế ngồi khán giả 145 4.2.2. Thiết kế tia nhìn và trường nhìn 146 4.2.3. Tấm phản xạ âm 148 4.2.4. Sân khấu 150 4.2.5. Thiết kế hố nhạc 153 4.2.6. Trần 156 4.2.7. Tường hậu và tường bên 157 4.2.8. Ban công 160 4.3. Thiết kế trang âm phòng thính giả dựa trên thời gian âm vang 162 4.3.1. Tính toán thể tích và lựa chọn hình dáng mặt bằng 163 4.3.2. Định hình hình dáng phòng theo nguyên lý âm hình học 167 4.3.3. Xác định thời gian âm vang tốt nhất cho phòng 173 4.3.4. Tính toán tổng lượng hút âm cần thiết 175 4.3.5. Chọn và bố trí vật liệu và kết cấu hút âm, phản xạ âm 176 4.3.6. Kiểm tra các điều kiện âm học theo phương án đã chọn 177 4.4. Một ví dụ tính toán âm học thính phòng theo phương pháp thời gian âm vang 178 4.5. Câu hỏi và bài tập chương 4 181 Tài liệu tham khảo chương 4 185 Chương 5. Các phương pháp mô hình hóa âm học thính phòng 5.1. Tính toán các chỉ số chất lượng âm bằng các mô hình thực nghiệm 188 5.2. Thiết kế trang âm phòng thính giả bằng mô phỏng trên máy tính 189 5.2.1. Phương pháp âm vang thống kê 192 5.2.2. Phương pháp dò tia (ray tracing method) 193 5.2.3. Phương pháp ảnh nguồn âm (image source method) 198 5.2.4. Các phương pháp khác 199 5.2.5. Đặc điểm chung của các phương pháp 201 5.2.6. Trình tự thực hiện một mô phỏng âm học trên máy tính 202 5.2.7. Âm thanh giả lập (auralization) 206 5.2.8. Những ưu điểm của phương pháp mô phỏng âm học trên máy tính 208 5.2.9. Độ chính xác của kết quả tính toán bằng phần mềm 211 5.3. Thiết kế âm học phòng thính giả bằng phương pháp dựng mô hình 213 5.3.1. Vấn đề xử lý tần số âm thí nghiệm 213 5.3.2. Vật liệu trong mô hình âm học 216 5.3.3. Độ chính xác yêu cầu của thiết bị đo 218 5.4. Quan ngại về mức độ không chắc chắn của các thiết kế âm học 218 5.5. câu hỏi và bài tập chương 5 219 Tài liệu tham khảo chương 5 221 Chương 6. Hệ thống điện thanh trong phòng thính giả 6.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc của hệ thống điện thanh 224 6.1.1. Đầu thu âm 225 6.1.2. Loa (speaker) 227 6.1.3. Hệ thống trộn, khuếch đại và cân bằng tần số 238 6.1.4. Hệ thống các dây nối: dây loa và âm-ly 241 6.1.5. Các thiết bị phụ trợ (không nhất thiết phải có) 242 6.2. Phân loại các hệ thống điện thanh 243 6.2.1. Phân loại theo đặc điểm bố trí hệ thống thu phát 243 6.2.2. Phân loại theo tính chất của hệ thống thu phát 247 6.3. Khi nào thì cần một hệ thống điện thanh 248 6.4. Các yêu cầu âm học đối với hệ thống điện thanh 249 6.5. Đặc điểm trường âm thanh trong phòng có hệ thống điện thanh 251 6.5.1. Hiệu ứng Haas 251 6.5.2. Hiện tượng hồi tiếp (hiện tượng phản quy) 253 6.5.3. Hiện tượng âm tắt dần trong phòng có hệ thống điện thanh 257 6.6. Tính toán sơ bộ một hệ thống điện thanh 262 6.6.1. Các bước thiết kế hệ thống điện thanh 262 6.6.2. Tính toán sơ bộ công suất hệ thống điện thanh 262 6.6.3. Thiết kế âm học phòng có hệ thống điện thanh 263 6.6.4. Thiết kế âm học với phòng đa chức năng 264 6.6.5. Lưu ý khi lựa chọn và bố trí hệ thống điện thanh 266 6.7. Câu hỏi và bài tập chương 6 271 Tài liệu tham khảo chương 6 277 Chương 7. Tiếng ồn và chống ồn trong môi trường xây dựng 7.1. Khái niệm về tiếng ồn và các vấn đề liên quan đến tiếng ồn 279 7.1.1. Các loại nguồn ồn và tính chất của tiếng ồn 280 7.1.2. Đánh giá tiếng ồn thay đổi 282 7.1.3. Mức ồn tổng hợp của 2 nguồn ồn độc lập 285 7.1.4. Ảnh hưởng của tiếng ồn đối với con người 286 7.1.5. Các tiêu chuẩn mức ồn cho phép âu - mỹ 290 7.1.6. Một số quy định và tiêu chuẩn về tiếng ồn của việt nam 294 7.1.7. Tính toán lan truyền tiếng ồn trong không gian đô thị 298 7.2. Các biện pháp chống ồn trong thiết kế và quy hoạch đô thị 307 7.2.1. Biện pháp chống ồn trong quy hoạch chung đô thị 307 7.2.2. Biện pháp chống ồn trong quy hoạch đô thị 310 7.2.3. Biện pháp chống ồn khi thiết kế công trình 316 7.3. Thiết kế cách âm cho công trình xây dựng 318 7.3.1. Các đại lượng vật lý để đánh giá khả năng cách âm của kết cấu 319 7.3.2. Các giải pháp cách âm không khí cho công trình xây dựng 322 7.3.3. Giải pháp cách âm va chạm 326 7.4. Câu hỏi và bài tập chương 7 330 Tài liệu tham khảo chương 7 333 Phụ lục Phụ lục A. Đặc tính âm học của một số vật liệu và kết cấu 336 Phần 1: Hệ số hút ẩm của vật liệu và kết cấu (trích từ tài liệu (Phạm, 2011)) 336 Phần 2: Thông số âm học của vật liệu và kết cấu (trích từ tài liệu (VorlÄnder, 2008)) 344 Tài liệu tham khảo phụ lục A 368 Phụ lục B. Thông số kỹ thuật loa SP225-9 và loa 8340A của JBL 369 Phụ lục C. Liệu các thiết bị điện tử có giải quyết hết các vấn đề âm thanh? 378 Giá sản phẩm trên Tiki đã bao gồm thuế theo luật hiện hành. Bên cạnh đó, tuỳ vào loại sản phẩm, hình thức và địa chỉ giao hàng mà có thể phát sinh thêm chi phí khác như phí vận chuyển, phụ phí hàng cồng kềnh, thuế nhập khẩu (đối với đơn hàng giao từ nước ngoài có giá trị trên 1 triệu đồng).....