Физические характеристики шума

Звуковые волны характеризуются звуковым давлением (P),колебательной скоростью (V),интенсивностью (I), частотой - числом колебаний в секунду (f) [1/сек =1 Гц].

По частоте, звуковые колебания подразделяются на инфразвуковые (f < 20 Гц), звуковые(20 Гц < f < 20000 Гц) и ультразвуковые (f > 20000 Гц). Такое подразделение связано с тем, что органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от ~20 Гц до ~20000 Гц, поэтому этот диапазон называется звуковым диапазоном. Звуковой диапазон, в свою очередь, принято подразделять на низкочастотный (f < 400 Гц), среднечастотный (400 Гц < f < 1000 Гц) и высокочастотный (f > 1000Гц).

Одним из параметров, характеризующих звук, как физическое явление, является звуковое давление (P). Звуковым давлением называют разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением в невозмущенной среде [Па].

Другой измеримой характеристикой звука является количество заключенной в нем энергии. При распространении звуковой волны в пространстве происходит перенос энергии. Количество переносимой энергии определяется интенсивностью звука (I). Интенсивностью звука в данной точке называется поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, приходящийся на единицу площади поверхности, нормальной к направлению распространения волны [Вт/м²].

Восприятие звука человеком зависит не только от частоты, но и от интенсивности и звукового давления, причем интенсивность наиболее тихого звука, доступного восприятию человека с самым острым слухом I ~10^-12 Вт/м², а один из наиболее громких звуков, с которыми мы сталкиваемся, уже не без риска вредных последствий, - это шум реактивного самолета, пролетающего на расстоянии около 50 м. Его интенсивность составляет ~10 Вт/м². А на расстоянии 100 метров от места запуска ракеты "Сатурн" интенсивность звука заметно превышает 1000 Вт/м².

Таким образом, величины звукового давления и интенсивности звука могут изменяться в очень широком диапазоне: по звуковому давлению до 10⁸ раз, а по интенсивности до 10¹⁶ раз. Очевидно, что оперировать числами, лежащими в таком гигантском диапазоне, трудно. Существует простой выход из данного затруднения - уровень звука представляются в виде отношений текущего значения интенсивности к эталонному (пороговому) значению интенсивности звука, за которое принята интенсивность самого тихого звука, воспринимаемого человеческим ухом (I₀~10^-12Вт/м²). При этом будем отмечать, сколько раз нужно умножить пороговое значение интенсивности на 10, чтобы получить текущее значение интенсивности звука. Например, интенсивность звука реактивного самолета в 10¹³ раз превышает пороговое значение, т.е. пороговое значение необходимо 13 раз умножить на 10. Такой способ выражения позволяет значительно уменьшить значения чисел, выражающих огромный диапазон звуковых интенсивностей; если обозначить однократное увеличение в 10 раз как 1 бел, то это и будет "единицей" для выражения отношений. Название этой единицы принято в честь американского ученого А.Г.Белла, предложившего этот способ. Таким образом, уровень интенсивности звука определяется из следующего соотношения:

где: I - интенсивность звука в данной точке;

I₀ - пороговое значение интенсивности звука.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень звукового давления равен:

где: P - звуковое давление в данной точке;

P₀ - пороговое значение звукового давления [Па]

Однако ухо человека реагирует на величину в 10 раз меньшую, чем 1 бел (1 Б), поэтому в технике и в медицине получила распространение единица равная 0,1 Б - децибел (дБ), тогда:

Уровнями интенсивности шума обычно оперируют при акустических расчетах, а уровнями звукового давления при измерении шума и оценке его воздействия на человека, т.к. наши органы слуха чувствительны не к интенсивности звука, а к среднеквадратическому давлению.

Каждый источник шума может быть представлен, составляющими его, тонами в виде зависимости уровней звукового давления от частоты - частотным спектром.

Спектры шума могут быть линейчатыми (дискретными), сплошными и смешанными. Большинство источников шума на предприятиях имеют смешанный или сплошной спектры. При измерении и анализе шумов, а также при проведении акустических расчетов весь слышимый диапазон частот разбивают на полосы частот определенной ширины. Полоса частот, у которой отношение верхней частоты (f₂) к нижней (f₁) равно 2 называют октавой.

Если , то ширина полосы равна 1/3 октавы.

Для гигиенических целей шумы обычно исследуют в октавных, а для технических целей - в 1/3 октавных полосах частот. Характеристикой каждой полосы частот является среднегеометрическая частота (f_сг), определяемая по выражению:

- для октавы

- для 1/3 октавы

Широкополосные шумы имеют непрерывный спектр шириной более одной октавы, а в спектре тональных шумов можно четко выделить отдельные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные и непостоянные. Постоянным считается шум, уровень звука которого за 8 часовой рабочий день изменяется по времени не более, чем на 5 дБ. Непостоянные шумы, уровень звука которых меняется за 8 часовой рабочий день более, чем на 5 дБ, в свою очередь подразделяются на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсивные, состоящие из отдельных сигналов, длительностью менее 1 с.

Субъективное восприятие шума человеком значительно отличается от описанных физических характеристик звука, т.к. орган слуха неодинаково чувствителен к звукам различных частот. Низкочастотные звуки воспринимаются, как менее громкие по сравнению с высокочастотными звуками той же интенсивности. Поэтому для оценки субъективного ощущения громкости введено понятие уровня громкости.

Громкость - субъективное впечатление от воздействия звуковых колебаний на орган слуха, зависящее прежде всего от интенсивности звука (или звукового давления). Вторым фактором, определяющим субъективное ощущение громкости, является частота. Экспериментально удается подобрать звуки разных частот и интенсивностей, оцениваемые субъективно как равные по громкости, т.е. построить кривые равной громкости. За единицу уровня громкости принят фон. Уровень громкости какого-либо звука в фонах определяется путем субъективного сравнения громкости данного звука с громкостью стандартного тона (f=1000 Гц), для которого уровень интенсивности в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах.

Различие между уровнем громкости (фон) и уровнем интенсивности звука (дБ) тем больше, чем ниже его частота и слабее звук. По мере повышения интенсивности звука кривые равной громкости выравниваются, приближаясь к горизонтальным. Поэтому при уровнях громкости 80 фон и выше громкость звука определяется главным образом его интенсивностью и мало зависит от частотной характеристики

Шкала уровней громкости в фонах является шкалой сравнения с эталонами. По ней можно определять условия, при которых звуки разных частот будут слышны как равногромкие, однако нельзя количественно сравнивать разные громкости. Для этой цели используют натуральную (субъективную) шкалу громкости в сонах. 1 сон - это громкость звука, равная громкости тона 1000 Гц при уровне интенсивности 40 дБ над порогом слышимости (примерно соответствует громкости шепота на расстоянии 0,3 м). Отношение громкостей двух звуков в сонах показывает, во сколько раз один из них субъективно воспринимается громче другого. Зависимость громкости в сонах от уровня громкости в фонах имеет нелинейный характер. График этой зависимости имеется в справочной литературе.