Понятие о шумах. Источники шума естественного и техногенного происхождения

Рис 2.3. Семейство кривых одинаковой громкости, отстоящих друг от друга на 10 Дб

при частоте 1000 Гц:

нижняя кривая — порог слышимости; верхняя кривая — порог болевого ощущения

частоты, равногромкие которым звуки с частотой 1000 Гц отлича­ются по интенсивности на 10 дБ. Предел слышимости принимается за нулевой уровень.

Скорость звука в средах. В газе и жидкости звуковые волны являются продольными, потому что эти среды обладают только объемной упругостью. Скорость звука в этих средах не зависит от частоты в слышимом и инфразвуковом диапазонах. В многоатом­ных газах и жидкостях со сложным строением молекул зависимость скорости звука от частоты (дисперсия звука) наблюдается в области достаточно высоких ультразвуковых частот.

Твердые тела помимо объемной упругости обладают упруго­стью формы, поэтому в твердых телах распространяются как про­дольные, так и поперечные волны. Волновые фронты распростране­ния в твердых телах зависят от свойств вещества, формы тела, направления.

В случае малых амплитуд колебаний скорость звука в газах определяется уравнением Лапласа:

(2.20)

где р — давление невозмущенного газа; у — отношение теплоем-костей при постоянных давлении и объеме; М — молекулярная масса; Л — универсальная газовая постоянная; Т —температура; р — плотность среды.

Для жидких сред звуковая скорость имеет вид:

где К — адиабатический модуль объемного сжатия; b_ад— адиаба­тическая сжимаемость; b_из= gb_ад - изотермическая сжимаемость.

В неограничной твердой среде скорости продольных vj и попе­речных v₂ колебаний имеют значения [12]:

где М_ю — модуль Юнга; к — коэффициент Пуассона; m— модуль сдвига (см. приложение VI). Модуль Юнга часто называют моду­лем растяжения. Для стержня, длина которого намного больше его диаметра, звуковая скорость продольных волн равна у/Мю/р •

Упругая волна представляет собой две независимо распрост­раняющиеся волны. В продольной волне смещение в среде совпада­ет с направлением распространения колебаний со скоростью v_t. В поперечной волне смещение перпендикулярно к направлению распространения звука. Скорость распространения продольных волн всегда больше скорости поперечных волн

Поскольку коэффициент Пуассона меняется в диапазоне 0< k <0,5, то соотношение (2.23) можно усилить:

(2.24)

Связь коэффициентов теории упругости (модулей сжатия, рас­тяжения, сдвига и т. д.) между собой выражаются соотношениями, представленными в приложении VI.

Скорость звука в газах при О °С и давлении, равном одной атмосфере, и жидкостях представлена в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Скорость звука в газах и жидкостях

Газ	Скорость звука, м/с	Жидкость	Скорость звука, м/с
Азот		Вода
Кислород		Спирт этиловый
Гелий		Бензол
Водород		Тетрахлорид
		углерода
Воздух		Глицерин
Аммиак		Ртуть
Метан

Продольные vj и поперечные v₂ скорости в некоторых твердых телах и стержне v\ представлены в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Продольные и поперечиые скорости в некоторых
твердых и неограниченных телах н стержне

Материал	Скорость, м/с
продольная, V]	поперечная, %>i	стержня v't
Золото	3200 — 3240
Серебро	3650 — 3700	1600 — 1690	2610 — 2800
Никель			4785 — 4973
Железо	5835 — 5950	—
Свинец	1960 — 2400	700 — 790	1200 — 1320
Кварц плавленный
Бетон	4200 — 5300	—	—
Плексит лаз	2670 — 2680	1100 — 1120	1840 — 2140
Стекло, флинт	3760 — 4800	2380 — 2560	3490 — 4550

Ударная волна [13 — 15] представляет собой скачок уплотнения вещества, распространяющегося со сверхзвуковой скоростью и яв­ляется тонкой переходной областью в среде, где происходит резкое увеличение плотности, давления, скорости вещества.

Ударные волны возникают при взрывах, мощных электрических разрядах, сверхзвуковом движении тел и т.д. Распространение удар­ной волны, вызванной взрывом или другим процессом, сопровож­дается звуковыми колебаниями большой амплитуды.

Поверхность, которая отделяет сжатый воздух от невозмущен­ного, называется фронтом ударной волны. На рис. 2.4 представлены распределения температуры Т и плотности р в ударной волне, фронт которой распространяется со скоростью u_в. Толщина фронта ударной волны соответствует длине свободного пробега моле­кул. На практике этой величиной пренебрегают и с достаточной точ­ностью заменяют фронт ударной волны поверхностью разрыва. При этом считают, что при про­хождении газа через поверхность разрыва параметры газа меняют­ся скачком (понятие «скачка уп­лотнения»). В соответствии с за­конами сохранения энергии, им­пульса, массы напишем:

Рис 2.4. Распределение Т, р в ударной волне

где ео,»о, Ро, Ро — соответственно удельная внутренняя энергия, скорость, плотность, давление газа перед фронтом ударной волны; е,, vj, p_h pi —те же параметры за фронтом ударной волны (в системе координат, движущейся вместе с ударной волной).

Скорость v₀, при которой газ втекает в поверхность разрыва, численно совпадает со скоростью v. распространения ударной вол­ны в невозмущенной среде. Свойства ударной волны определяются

уравнениями, выраженными через число Маха (М=—, где v — ско-

V

В случае сильных ударных волн (М-юо) выражения (2.26) прини­мают вид:

рость звука в невозмущенной среде при обычных условиях), которое показывает во сколько раз скорость распространения ударной вол­ны превосходит скорость звука в газе:

где Л — газовая постоянная; ц — молекулярная масса.

Уравнения (2.27) показывают, что есть предел сжатия газа даже при очень сильных ударных волнах, и этот предел ограничивается отношением (у + 1)/(у— 1). Для одноатомного газа при у=5/3 предел сжатия составляет 4, а для двухатомного газа, каким является воздух, у = 7/5 и предел сжатия составляет 6.

В реальных газах при достаточно высоких температурах проис­ходят диссоциация молекул, возбуждение колебательно-вращатель­ных энергетических уровней молекул, ионизация, различные хими­ческие реакции и т. д. Эти процессы сопровождаются изменением числа частиц в газе, затратами энергии ударной волны. В этом случае внутренняя энергия зависит от параметров газа, давления и плотности вещества в ударной волне и часто аналитически очень трудно поддается расчету. При этом пользуются приближенными методами с использованием уравнений (2.25), (2.26).

Одним из распространенных источников создания ударной вол­ны является взрыв, который представляет собой процесс быстрого выделения энергии в определенном объеме с последующим раз­рушением окружающей среды. При выделении, например, срав­нительно небольшого количества теплоты, примерно 4 10³ кДж/кг, в продуктах взрыва достигаются температуры, равные 4 10 К, за счет очень короткого времени химического превращения (примерно 10 ~⁵ с). Поэтому мощность при взрывах достигает больших значе­ний.

Давление и скорость распространения взрывной волны при этом достигают соответственно значений 10¹⁰ Па и 2 — 5 км/с.

Взрыв и ударная волна сопровождаются интенсивными звуковы­ми колебаниями, механическим движением тел, электромагнитны­ми излучениями и другими видами энергий.

Зона действия ударной волны является зоной повышенного рис­ка и часто приводит к контузиям, необратимым нарушениям слухо­вого аппарата, увечьям, ожогам.

Распространение звуковых волн. При распространении звуковых колебаний в сплошной среде возникает звуковое поле, которое можно рассматривать как совокупность пространственно-времен­ных распределений звукового давления р, колебательной скорости v частиц, относительного сжатия др/р (р — плотность), адиабати­ческого изменения температуры ST и т. п.

При отсутствии скачков р, v дисперсии звука и в случае непре­рывности среды выражение для звукового давления можно описать в общем виде волновым уравнением:

(2.28)

При распространении звуковых волн любых частот наблюдают­ся явления дифракции и интерференции, имеющих место при рас­пространении всех типов волн.

Когда размер неоднородностей и препятствий в среде распрост­ранения значительно превосходит длину волны звука, наблюдаются явления преломления и отражения звуковой волны.

По мере распространения звуковая волна затухает. Как любой волновой процесс в неограниченной среде энергия звуковой волны распределяется по поверхности, возрастающей с квадратом рассто­яния. Далее, в результате распространения звуковой волны часть ее энергии превращается в тепловую энергию частиц среды за счет вязкости и теплопроводности.

Значительно большее поглощение энергии звуковой волны про­исходит в случае молекулярного поглощения, когда часть звуковой энергии переходит в энергию внутримолекулярного движения. Кро­ме того, экстинкция (ослабление) звуковой волны может проис­ходить при наличии неоднородности среды (турбулентность, нали­чие пузырьков воздуха в жидкости, капелек жидкости в газах и т. п.) за счет процессов рассеяния, поглощения и т. д.

При распространении звуковых колебаний большой интенсив­ности имеют место различные нелинейные процессы дополнитель­ного поглощения из-за взаимодействия звукового поля с веще­ством.

При учете реальных условий распространения звуковой волны в ряде случаев не представляется возможным строго описать и ко­личественно оценить затухание звуковых колебаний из-за сложных взаимодействий звукового поля с упругой средой. В этом случае для оценки величины сигнала в точке приема или измерения пользуются приближенными методами.

В общем виде зависимость силы звука от расстояния в изотроп­ной неограниченной жидкой или газообразной среде можно выразить соотношением:

(2 29)

где /о — сила звука на расстоянии г= 1; ае — величина, определя­ющая расстояние (г_е=1/ав), на котором происходит уменьшение силы звука Уве раз (е^2,72).

В соответствии с классической теорией Стокса:

где к — коэффициент теплопроводности; £, — вязкость (остальные обозначения соответствуют ранее принятым).

В случае ультразвуковых волн необходимо пользоваться релак­сационной теорией, учитывающей дисперсию звука и молекулярное поглощение [3,5].

Изучение вопросов распространения звука в различных средах имеет большое практическое значение для самых различных прило­жений: изучение параметров турбулентных флуктуации в атмосфере с использованием сверхмощных низкочастотных звуковых локато­ров (содаров); сверхдальняя (до 5000 км) гидролокация; звуковая разведка, ультразвуковая технология, атмосферная и строительная акустика и т. д. [3, 5, 16, 17].

Слышимые звуковые непериодические колебания с непрерывным спектром воспринимаются как шумы. Энергия этих звуковых коле­баний распределена в более или менее широкой области частот. Иногда на этот непрерывный спектр накладываются тональные звуки. Интенсивность шумов может быть самой различной, от шелеста листьев деревьев до шума грозового разряда. Источники шумов обладают практически неисчерпаемым разнообразием. Раз­личают источники шума естественного и техногенного происхожде­ния.

Источники шума естественного происхождения. В реальной ат­мосфере вне зависимости от человека всегда присутствуют шумы естественного происхождения с весьма широким спектральным диа­пазоном от инфразвука с частотами 3·10^-3 Гц до ультразвука и гиперзвука. Примерами шумов естественного происхождения яв­ляются шумы морского прибоя, горного обвала, грозового разряда, извержения вулкана, ветра в лесу, пения птиц, голоса животных, шум низвергающегося водопада.

Источниками инфразвуковых шумов могут быть различные ме­теорологические и географические явления, такие, как магнитные бури, полярные сияния, движения воздуха в кучевых и грозовых облаках, ураганы, землетрясения. В слышимой области частот под действием ветра всегда создается звуковой фон. В природе при обтекании потоком воздуха различных тел (углов зданий, гребней морских волн и т. п.) за счет отрыва вихрей образуются инфразвуковые колебания и слышимые низкие частоты. Шумы естествен­ного происхождения настолько разнообразны, что в полной мере не поддаются подробному описанию.

Источники шума техногенного происхождения. К источникам шу­ма техногенного происхождения относятся все применяемые в со­временной технике механизмы, оборудование и транспорт, которые создают значительное шумовое загрязнение окружающей среды.

Техногенный шумовой фон создается источниками, находящи­мися в постройках, сооружениях, зданиях и на территории между ними.

Примерами источников шумов техногенного происхождения яв­ляются: рельсовый, водный, авиационный и колесный транспорт, техническое оборудование промышленных и бытовых объектов, вентиляционные установки, санитарно-техническое оборудование, теплоэнергетические системы, электромеханические устройства, га­зотурбокомпрессоры, электротехнические приборы и оборудование, аэрогазодинамические установки и т. п. Перечисление источников шумовых загрязнений потребует достаточно много времени.

Классификация шумов по физической природе. Техногенные шу­мы по физической природе происхождения могут быть классифици­рованы на следующие группы:

— механические шумы, возникающие при взаимодействии различных деталей в механизмах, (одиночные или периодические удары), а также при вибрациях поверхностей устройств, машин, оборудования и т.п.;

— электромагнитные шумы, возникающие вследствие колебаний деталей и элементов электромеханических устройств под действием электромагнитных полей (дроссели, трансформаторы, статоры, роторы и т. п.);

— аэродинамические шумы, возникающие в результате вихревых процессов в газах (адиабатическое расширение сжатого газа или пара из замкнутого объема в атмосферу; возмущения, возникающие при движении тел с большими скоростями в газовой среде, при вращении лопаток турбин и т. п.);

— гидродинамические шумы, вызываемые различными процессами в жидкостях (например, возникновение гидравлического удара при быстром сокращении кавитационных пузырей, кавитация в ультразвуковом технологическом оборудовании, в жидкостных системах самолетов и т. п.).

Классификация шумов по спектрально-временным характеристи­кам. Спектрально-временные характеристики шумов обладают большим многообразием. Для технической оценки шумов введена их классификация по спектральным и временным характеристикам [18—21].

По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и то­нальные. Под широкополосными шумами понимаются шумы, име­ющие непрерывный спектр шириной более октавы (рис. 2.5, а). В технике приняты октавные полосы со среднегеометрическими частотами, например, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Тональный шум характеризуется тем, что в спектре присутству­ют отдельные слышимые дискретные тона (рис. 2.5, 6). Тональность шума определяют в процессе измерений уровня звукового давления L_p в третьоктавных полосах частот при превышении уровня в одной полосе над соседними более, чем в 10 дБ. Рассчитывают L_p, по

Рис. 2.5. Разновидности спектров реальных источников шумов:

а — непрерывный спежтр (турбореактивный двигатель); б — тональный (осевой вентилятор); в — колеблющийся во времени (транспорт); г —импульсный спектр (удар молота); д — прерывистый (сбрасывание воздуха)

формуле (2.18). По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. Постоянные шумы в процессе измере­ний на временной характеристике шумомера «медленно» не изменя­ют уровень сигнала более 5 дБА (дБА-величина по шкале А, принятая в технике измерений шума). В случае непостоянных шу­мов это изменение может быть более 5 дБА.

В свою очередь, непостоянные шумы делятся на импульсные, прерывистые и колеблющиеся во времени.

Импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, длительностью 1 с и уровнями звука (L_p или Lj), отлича­ющимися более, чем на 7 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «импульс» и «медленно» (рис. 2.5, г).

Прерывистые шумы отличаются тем, что уровень звука изме­нятся на 5 дБА и более несколько раз за время измерения, причем длительность импульса больше, чем при импульсных шумах и в мо­мент действия импульса его амплитуда остается постоянной, превы­шающей фон (рис. 2.5, д).

Колеблющиеся во времени, отличающиеся тем, что уровень шума меняется со временем (рис. 2.5, в).

Рассмотрим некоторые примеры реальных источников техноген­ных шумов, отличающихся своими спектрально-временными харак­теристиками [18—21].

При работе турбореактивного двигателя (рис. 2.5, а) возникает шум с непрерывным спектром в широком диапазоне частот. При длительном испытании двигателя этот шум может быть постоян­ным во времени. На рис. 2.5, б представлен пример тонального спектра в третьоктавной полосе на среднегеометрической частоте, равной 125 Гц, возникающего при работе осевого вентилятора. Уровень шума в третьоктавной полосе превышает соответству­ющий уровень на соседних частотах более, чем на 10 дБ. Шум транспорта может быть примером непостоянного шума, колеблю­щимся во времени (рис. 2.5, в). На рис. 2.5, г представлен спектр импульсного шума, возникающего при ударе молота. Разность уровня звука AL, измеренного на характеристиках «импульс», и «медленно» отличается более, чем на 7 дБА. На рис. 2.5, д пред­ставлен спектр прерывистого шума, возникающего при периодичес­ком сбросе сжатого воздуха газодинамической установки.

При одновременном воздействии нескольких источников может возникнуть шумовое поле со сложным спектрально-временным рас­пределением. Методом последовательного выключения источников шума, если это возможно в процессе эксплуатации различных уста­новок, можно определить вклад каждого из них.

В технике измерений шумов в зависимости от среды распрост­ранения различают воздушный и структурный шумы. Воздушный шум распространяется по воздуху от источника до точки измерения (регистрации, восприятия). Структурный шум возникает из-за коле­баний упругой среды (стены зданий, перекрытия, перегородки, тру­бопроводы и т. д.) с последующим излучением колеблющихся по­верхностей.

Техногенные шумы часто представляют собой смесь случайных и периодических колебаний. Для определения и количественной оценки шумов и описания их источников применяют различные математические модели в соответствии с их временной, спектраль­ной и пространственной структурой. При этом учитывается струк­тура шумов в источнике и свойства среды, в которой они распрост­раняются.

Постоянные (стационарные) шумы характеризуются постоян­ством средних параметров: интенсивности или мощности, распреде­ления интенсивности по спектру и т. п. Практически слышимый шум, возникающий в результате действия нескольких независимых источников (например, производственных установок, шума толпы или моря и т. д.) является квазипостоянным (квазистационарным).

Непостоянные (нестационарные) шумы характеризуются мед­ленно меняющимися параметрами или длящимися короткие проме­жутки времени, меньшие, чем время усреднения в измерительном приборе. Временные характеристики таких шумов представлены на рис. 2.5, в, г, д (например, шум проходящего транспорта, удар молота или отдельные стуки в производственных условиях и т. п.).

Целью исследований акустических шумов является разработка методов снижения их вредного воздействия на человека и на различ­ные системы.

В ряде случаев шумы используются как источники информации, например, в гидролокации по шумам, возникающим от гребных винтов надводных кораблей и подводных лодок, их обнаруживают и пеленгуют.