Характеристики шума как физического явления

Основными характеристиками звука являются: частота колебаний, звуковое давление, интенсивность и мощность звука.

Учитывая физиологические особенности восприятия звуков человеческим ухом, выделение диапазона слышимых для человека звуков происходит по такому параметру как частота.

Колебания в диапазоне частот 16 Гц – 20 кГц могут восприниматься ухом человека как звуки. Колебания с частотой менее 16 Гц – инфразвуки и с частотой более 20 кГц – ультразвуки находятся за пределами слышимых человеком звуков (рис. 1).

Рис. 1. Спектральная чувствительность человеческого уха*

1 – порог болевого ощущения; 2 – порог слышимости; А – слышимый диапазон частот

*Обозначения на осях координат проставлены без соблюдения масштаба

Учитывая, что ухо человека и датчики измерительной аппаратуры реагируют на звуковое давление, в практике акустических измерений и гигиенических оценок для количественной характеристики шума используют именно эту величину.

Звуковое давление Р – это разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при прохождении через эту точку звуковых волн и средним давлением, которое наблюдается в этой же точке при отсутствии звука. Единицей измерения звукового давления является Паскаль (Па).

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии, количественно оценить которую можно, используя такие параметры как мощность и интенсивность звука.

Мощность звука W – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в единицу времени. Единицей измерения мощности является Ватт (Вт).

Интенсивностью звука I называется количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной в единицу времени через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно направлению распространению звука. Единицей измерения интенсивности является Вт/м².

Органы слуха человека способны воспринимать звуковые колебания в очень широких диапазонах изменения интенсивностей, звуковых давлений, частоты. Максимальная чувствительность слуха приходится на частоты 1 – 3 кГц. Частота звука в 1 кГц принята за эталонную при гигиеническом нормировании. Порогу чувствительности “среднего” человеческого уха (порог слышимости) соответствуют значения P₀ = 2·10^–5 Па; I₀ = 10^–12Вт/м², а порогу болевого ощущения (превышение которого уже может при­вести к физическому повреждению органов слуха) соответствуют значения P_б = 200 Паи I_б = 10 Вт/м².

Как видно из представленных данных, диапазон изменения указанных параметров велик и составляет по звуковому давлению 10⁷ Па, а по интенсивности 10¹⁴ Вт/м². Пользоваться абсолютными значениями этих характеристик шума неудобно. Кроме того, анализаторы человека (в том числе и слуховой) реагируют не на абсолютное изменение интенсивности раздражителя, а на его относительное изменение.

Поэтому звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их логарифмическими значениями – уровнями звукового давления и интенсивности звука, единицей измерения которых служит децибел (дБ). Для относительной логарифмической шкалы в качестве нулевых уровней выбраны показатели, характеризующие минимальный порог восприятия звука человеческого голоса на частоте 1000 Гц (P₀ = 2·10^–5 Па; I₀ = 10^–12Вт/м²).

Таким образом, для целей оценки и нормирования шумов используются такие параметры, как уровень интенсивности звука и уровень звукового давления.

(1)

где I – интенсивность оцениваемого шума, Вт/м²; I₀ – порог слышимости по интенсивности на эталонной частоте 1000 Гц, Вт/м² (I₀ = 10^-12 Вт/м²).

Поскольку между интенсивностью звуковой энергии и звуковым давлением существует связь, выражаемая формулой (2):

(2)

где P – звуковое давление, Па; ρ – плотность воздуха, кг/м³; с – скорость звука в воздухе, м/с,

то подставив соотношение (2) в (1) и выражая I₀ через порог слышимости по давлению P₀, плотность и скорость звука при этом давлении, получим:

(3)

Поскольку ρ ≈ ρ₀, а с ≈ с₀, то второе и третье слагаемые в (3) стремятся к нулю и, следовательно,

(4)

где P – звуковое давление оцениваемого шума, Па; P₀ – порог слышимости по звуковому давлению на эталонной частоте 1000 Гц, Па (Р₀ = 2·10^-5 Па).

Для определения нижней и верхней границ полученной логарифмической шкалы подставим в выражением (4) сначала Р = Р = 2·10^-5 Па, а затем P = 200 Па, получим:

(5)

Таким образом, вместо громоздкой абсолютной шкалы, которая бы оценивала звуковое давление шума диапазоном 10¹⁴ Па, получим компактную шкалу в 140 ступеней дБ, которая оценивает логарифмический уровень звукового давления шума.

Поиск по сайту: