6.1.1 Физические характеристики шума

По физической природе шумом является всякий нежелательный для человека звук. Звук обусловливается механическими колебаниями в упругих средах и телах (твердых, жидких и газообразных), частоты которых лежат в диапазоне от 17...20 до 20000 Гц. Соответственно этому механические колебания с указанными частотами называют звуковыми или акустическими.

Неслышимые человеком механические колебания с частотами ниже звукового диапазона называют инфразвуковыми, а с частотами выше звукового диапазона - ультразвуковыми.

При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством волн является перенос энергии без переноса вещества. Это характерно для всех волн независимо от их природы, в том числе и для звуковых. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой-либо возмущающей силы.

Шум, как любой звук, характеризуется частотой f , интенсивностью I и звуковым давлением р. Чем выше частота колебания, тем выше тональность шума. Чем больше интенсивность и звуковое давление, тем громче шум.

Во время распространения звуковых колебаний, в воздухе появляются области разрежения и области повышенного давления, которые и определяют величину звукового давления р. Звуковым давлением называется разность между мгновенным значением давления при распространении звуковой волны и средним значением давления в невозмущенной среде. Звуковое давление изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны.

На слух человека действует среднеквадратичное значение звукового давления:

Осреднение во времени происходит в органе слуха человека за время 30…100 мс

Единица измерения звукового давления - Па (Н/м²)

При распространении звуковой волны происходит перенос кинетической энергии, величина которой определяется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется средней по времени энергией переносимой звуковой волной в единицу времени сквозь единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны:

Единица измерения интенсивности звука - Вт/м² интенсивность звука и звуковое давление связаны соотношением:

где:

ρ - плотность среды, кг/м³;

с - скорость распространения звука в данной среде, м/с;

ρ с - удельное акустическое сопротивление среды; Па с/м.

Для воздуха ρс- 410 Па*с/м, для воды - 1.5 10⁶ Па*с/м, для стали - 4.8. 10⁷ Па*с/м.

Величины звукового давления и интенсивности, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, изменяются в очень широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности - до 10¹⁶ раз. Оперировать такими цифрами неудобно.

Кроме того, установлено, что согласно биологическому закону Вебера-Фехнера, выражающего связь между изменением интенсивности раздражителя и силой вызванного ощущения, реакция организма прямо пропорциональна относительному приращению раздражителя.

В связи с этим были введены логарифмические величины - уровни тукового давления и интенсивности.

L = lg I/I₀

где I₀ - интенсивность звука на пороге слышимости, принимаемая для всех звуков равной 10^-12 Вт/м².

Величина L называется уровнем интенсивности звука и выражается в белах (Б) в честь изобретателя телефона ученого Александра Белла. Ухо человека реагирует на величину в десять раз меньшую, чем бел, поэтому распространение получила единица децибел (дБ), равная 0,1 Б.

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень звукового давления определится по формуле:

где Р₀ - пороговое звуковое давление, едва различимое ухом человека, на частоте 1000 Гц составляет 2 10^-5 Па.

Уровнями интенсивности обычно пользуются при выполнении акустических расчетов, а уровнями звукового давления - при измерении шума и оценке его воздействия на организм человека.

Использование логарифмической шкалы для измерения уровня шума позволяет получить сравнительно небольшой интервал логарифмических величин от 0 до 140 дБ. Уровни звукового давления некоторых источников шума имеют следующие значения:

• 10 дБ - шелест листвы, тиканье часов;

• 30 дБ - тихий разговор;

• 50 дБ - громкий разговор;

• 80 дБ - шум работающего двигателя грузовика;

• 100 дБ - автомобильная сирена;

• 140 дБ - аварийный нефтяной или газовый фонтан, порог болевого ощущения, выше которого давление звука приводит к разрыву барабанной перепонки.

Реальный звук является наложением гармонических колебаний (т.е. колебании совершаемых по закону косинуса или синуса) с большим набором частот т.е. звук обладает акустическим спектром.

Спектр - распределение уровней шума по частотам.

При измерении и анализе шумов весь диапазон частот разбивают на октавы - интервалы частот, где конечная частота больше начальной в 2 раза:

и третьоктавные полосы частот, определяемые соотношением:

В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота:

• д ля октавного диапазона -

• для третьоктавного –

Область слышимых звуков ограничивается не только определенными частотами, но и предельными значениями звуковых давлений и их уровней. Так, для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторым минимальным звуковым давлением, но если это давление превышает определенный предел, то звук не слышен и вызывает только болевое ощущение. Таким образом, для каждой частоты колебаний существует наименьшее (порог слышимости) и наибольшее (порог болевого ощущения) звуковое давление, которое способно вызвать звуковое восприятие

На рис. 6.1 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между этими кривыми, является областью слышимости.

Рис. 6.1 Слуховое восприятие человека

Порог болевого ощущения на частоте 1000Гц составляет 2*10^-5 Па. Из рис. 6.1 следует, что звуки, равные по интенсивности, но неодинаковые по частоте, воспринимаются человеком как звуки разной громкости.