II. Общие теоретические сведения о шуме

Любое нарушение стационарности состояния сплошной среды (твердой, жидкой или газообразной) в какой-то точке пространства приводит к появлению возмущений, распространяющихся от этой точки, которые называют волнами. В твердой среде могут распространяться как продольные, так и поперечные волны. В продольных волнах материальные частицы колеблются вдоль направления распространения волны. В жидкости и газе могут распространяться только продольные волны по разным направлениям. В диапазоне частот 16…20000 Гц волны, воспринимаемые органом слуха человека как звук, называются звуковыми. Необходимо иметь в виду, что с возрастом у человека слышимость звуков высоких частот уменьшается. Большинство взрослых людей едва ли воспринимают звуки с частотой более 12000 Гц, а пожилые люди отчетливо воспринимают звуки частотой всего лишь 6000….8000 Гц. Колебания частотой ниже 16…20 Гц относятся к инфразвукам, а более 20000 Гц – ультразвукам. Они не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм.

Самым простым звуком является “тон”, относящийся к определенному звуковому колебанию без каких-либо сопутствующих колебаний и имеющий вид синусоиды. Если звуки состоят из нескольких тонов, частоты которых находятся между собой в целых кратных отношениях, то они называются музыкальными звуками. Звуки, состоящие из бессистемного сочетания чистых тонов, частоты которых не подчинены определенным числовым отношениям, называются шумами. Под шумом может пониматься и любой звук, оказывающий неблагоприятное влияние на человека, которое в общем случае зависит не только от вида звука, но и от продолжительности и обстановки его воздействия.

Область пространства (среды), где происходит распространение звуковых волн, называется звуковым полем, которое характеризуется плотностью среды r (кг/м³), скоростью распространения колебаний частиц среды (звуковой скоростью) с (м/с) и звуковым давлением р (Па). Под звуковым давлением понимается разность между значениями мгновенного полного давления и среднего давления, которое наблюдается в невозмущенной среде (атмосфере).

Количество энергии, переносимой волной в звуковом поле в 1с через площадь в 1 м², перпендикулярной распространению волны, называется силой звука и измеряется в Вт/м².

Между силой звука I (Вт/м²) и звуковым давлением р (Па) существует связь, выражаемая уравнением:

I = р ² × (r × с)^-1.

Минимальная величина звукового давления, которую ощущает ухо человека, носит название порога слышимости или ощущения и обозначается р ₀. Максимальное давление, создающее болевые ощущения, называется болевым порогом и обозначается р _max. Аналогично имеются значения пороговых сил звука I и I _max. Значения р и I на обоих порогах изменяются в зависимости от частоты.

Международной организацией по стандартизации за пороговые значения р ₀, р_max, I ₀ и I_max приняты значения на частоте 1000 Гц:

р₀ = 2 × 10^-5 Па, I₀ = 10^-12 Вт/м²,

р_max = 2 × 10^-2 Па, I_max = 10² Вт/м².

Величины звукового давления и силы звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по силе звука до 10¹⁶ раз. Естественно, что оперировать такими цифрами неудобно, и, кроме того, орган слуха человека способен реагировать на относительное изменение давления, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного вида раздражениях, в том числе и при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя (закон Вебера-Фехнера), поэтому были введены логарифмические величины – уровни звукового давления и силы звука в децибелах (дБ).

Величина уровня звукового давления L определяется по выражению:

L = 20 × lg (р × р ₀^-1),

где р – среднеквадратическая величина звукового давления, Па.

Для уровня силы звука выражение имеет вид:

L = 10 × lg (I × I ₀^-1),

где I – среднеквадратическая величина силы звука, Вт/м².

В практических расчетах все вычисления проводятся до целых чисел децибел, так как изменение уровня звукового давления менее 1 дБ органом слуха не воспринимается.

Весь слышимый диапазон на стандартной частоте 1000 Гц укладывается в интервале уровней от 0 до 120 дБ. При больших значениях уровней человек вместо звука испытывает боль в ушах.

Абсолютные значения звукового давления, а, следовательно, и его уровня на частотах, отличных от 1000 Гц имеют другие численные значения, что особенно заметно на пороге слышимости (рис.1.1).

Рис. 1.1. Кривые равной громкости

Увеличение частоты слышимых звуков субъективно воспринимается органами слуха как возрастание, пропорциональное не абсолютному, а относительному изменению частоты. Поэтому частотный диапазон обычно делят на полосы измерения, носящие название октавных полос. Октавная полоса – полоса частот, в которой верхняя граница частоты в 2 раза больше нижней (f_max / f_min = 2). Среднегеометрическая частота полосы f _с определяется по выражению:

f _с = (f_max × f_min)^0,5.

Зависимость среднеквадратических значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называется частотным спектром шума или просто спектром. Спектр шума может быть представлен таблицей или графиком.

Значения уровней звукового давления, выраженные в децибелах, не позволяют судить о физиологическом ощущении громкости. Вследствие этого для физиологической оценки шума приняты кривые равной громкости (см. рис.1.1), полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости, определяя, какой из них сильнее или слабее (громче или тише). За единицу уровня громкости, называемую фоном, принимается разность уровней звукового давления в один децибел эталонного звука частотой 1000 Гц. Следовательно, уровень громкости является функцией звукового давления и частоты. Каждая кривая (см. рис.1.1) представляет собой геометрическое место точек, координаты которых – уровень звукового давления и частота – обеспечивают одинаковую громкость звуков.

Для стандартной частоты 1000 Гц уровни звукового давления (силы звука) и громкости численно равны, в то время как для других частот равенства не наблюдается. В соответствии с кривыми звук частотой 100 Гц и уровнем 52 дБ воспринимается в сравнении со звуком частотой 1000 Гц и уровнем 21 дБ как равно громкий. Уровень громкости при этом составляет 21 фон. Пользуясь кривыми равной громкости, можно определить уровень громкости звука на любой частоте, если известно его значение уровня звукового давления в децибелах.

Шумы подразделяются:

1. По характеру спектра на:

а) широкополосные с непрерывным спектром шириной более 1 октавы;

б) тональные, в спектре которых имеются выраженные тона. Тональный характер шума устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

2. По временным характеристикам на:

а) постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике “медленно” и с учетом коррекции А шумомера;

б) непостоянные:

- колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;

- прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

- импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБА I и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках шумомера “импульс” и “медленно”, отличаются не менее чем на 7 дБ.

Поиск по сайту: