Основные параметры и характеристики

Длина звуковой волны λ связана со скоростью звука a и частотой f зависимостью а = f λ. Типичные длины звуковых волн могут изменяться от 17,2 м при 20 Гц до 17,2 мм при 20 кГц. Низкочастотные волны при распространении легко огибают угловые области и барьеры, в то время как для высокочастотного звука обычно образуются зоны акустической тени. Изменение давления в среде при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением р, Па. Учитывая изменение звукового давления по времени, величина ² =/t, где t - время осреднения; τ - текущее время. Степень воздействия звука на органы слуха определяют по среднеквадратичному значению звукового давления:

р_зв = , (1)

В плоской звуковой волне (ТРЕБУЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ) отношение звукового давления p к колебательной скорости v (ТРЕБУЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ) не зависит от амплитуды колебаний p/v = ρа, где v = - Awsin(.wt – kx). Для воздуха плотность ρ = 1,2 кг·м^-3 при нормальном атмосферном давлении.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения, называется интенсивностью звука в данной точке I_зв, Вт·м^-2. Интенсивность (сила) звука равна I = p_зв²/(ρа), где ρа - удельное акустическое сопротивление среды и для воздуха ρC = 413 Па·с·м^-1 при температуре 293 К. Указанная формула для определения интенсивности справедлива, если четко определено направление потока энергии. В замкнутом пространстве (например, в производственном помещении) имеют место многочисленные отражения звуковых волн и фактическое значение результирующей интенсивности может быть незначительно, даже если изменения акустического давления велики, и указанная выше зависимость I = f(p_зв) не может быть использована.

Величины звукового давления (Па) и силы звука (Вт·м^-2) изменяются, как это показано в таблице 1, в широких пределах от нижнего значения, соответствующего пределу чувствительности человеческого уха, до верхнего болевого предела, когда звук уже не слышен: 2·10^-5 < p_зв < 64,5 Па и 10^-12 < I_зв < 10 Вт·м^-2. В виброакустике используются логарифмические уровни параметров. Общепринятой мерой уровня звука являются децибелы. Это вызвано тем, что ощущения человека, возникающие при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Вследствие этого изменение уровня звука, например, на 5 дБ примерно соответствует такому же изменению слышимости при любом уровне. В то же время изменение звукового давления всего на 0,01 Па эквивалентно резкому изменению восприятия звука при низких уровнях и едва различимому при высоких уровнях. Понятие уровень всегда подразумевается при использовании шкалы, выраженной в децибелах. Следующие соотношения определяют величины уровней:

звукового давления (SPL) L_p = 10 lg (p_эф²/p_зв²) = 20 lg [_Δf/(2·10^-5)], где _Δf - среднеквадратичное давление в полосе частот Δf; р_зв = 2·10^-5 Па - пороговое значение звукового давления;

интенсивности звука L_I = 10 lg I_Δf/I₀, где I_Δf - интенсивность звука в полосе частот f, I₀ = 10^-12 Вт·м^-2 (численные значения L_р и L_I отличаются всего на 0,16 дБ);

звуковой мощности L_W = 10 lg (W/10^-12), где W - полная звуковая мощность источника, Вт; W₀ = 10^-12Вт - наименьшая величина звуковой мощности.

Если в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, то суммарная интенсивность шума I_Σ = I₁ + I₂ + … + I_n, где I₁, I₂, …, I_n - интенсивность отдельных источников. Если разделить это выражение на I_оп (ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ) и прологарифмировать его, то получим:

L_Σ = 10 lg (I_Σ/I₀) = 10 lg (I₁/I_îï + I₂/I_îï + … + I_n/I_оп) = 10 lg () = = 10 lg, где L₁, L₂, …, L_n - уровни интенсивности (звукового давления), создаваемые в расчетной точке каждой силовой и энергоустановкой в отдельности. Если на летательном аппарате (в машинном зале) установлено несколько (n) двигателей c уровнем звукового давления L, то L_Σ = L + 10 lg n = L + L. Например, при n = 2, 3 … 10 суммарный уровень L_Σ по сравнению с его значением для одного двигателя L₁ изменяется на величину L = L_Σ - L₁ = 3; 4, 7 … 10 дБ. Распространение звука в дальнем звуковом поле, где влияние конечных размеров и форм излучателя звука на характеристики звукового поля несущественны, определяется соотношением - 20 lg (r₀/r_i) – В. Величина определяет известный уровень звукового давления на заданном расстоянии r₀; r_i - расстояние, на котором оценивается величина ; В- дополнительное ослабление звука в атмосфере при поглощении звука воздухом, туманом, дождем, растительностью, стенами и т.д. Для идеальной среды, когда В= 0, уровень интенсивности звука при удвоении расстояния уменьшается примерно на 6 дБ.

Основной характеристикой шума являются спектры уровней среднеквадратичного звукового давления и уровня его интенсивности, т.е. распределение этих параметров по частоте. Спектр шума ВРД показан на рис. 1. Как видно, имеется непрерывный фон широкополосный или так называемый "белый" шум ОБОЗНАЧЕН 1 с наложенными на этот фон пиками интенсивности ОБОЗНАЧЕНЫ 2 в области средних частот, связанными с работой лопаточного аппарата ВРД и которые представляют собой дискретные составляющие или тональный шум (ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ). Как известно, простейшая звуковая волна характеризуется периодически изменяющейся во времени амплитудой А = f (t) и периодом Т, где t - время, за которое наблюдался сигнал, Т - период изменения амплитуды А, f - частота , f = 1/T₀.

В действительности в реальных условиях акустические сигналы не являются повторяющимися и содержат все возможные частоты в заданном диапазоне, как это показано на рис. 1. Если отфильтровать одну произвольную частоту и проанализировать ее, то окажется, что соответствующая этой частоте амплитуда колебаний случайным образом изменяется во времени. Единственный способ описания частотного состава такого сигнала сводится к разложению общего диапазона частот на ряд слагаемых диапазонов и к определению уровня сигнала в каждом диапазоне. При определении спектра шума двигателя весь диапазон частот распределяют на отдельные полосы, соответствующие октаве. Более подробное представление о шуме можно получить с помощью спектров в 1/3 - октавном диапазоне частот. Октавой называется интервал между частотами, отличающийся в два раза, f₂ = 2f₁. При любом акустическом исследовании в качестве исходной принимается частота 1000 Гц, являющаяся центральной частотой октавной полосы 1000 Гц. Для 1/3 октавы соотношение между конечной частотой полосы и начальной будет f₂ = 1,26f₁ (см. табл. 2). Для авиационных двигателей, как правило, используется 1/3 - октавный спектр в диапазоне средних частот f_ср = 50 … 10 000 Гц, включающий 24 полосы. Измеряют средние уровни звукового давления в дБ в каждой отдельной частотной полосе, относя их к центральным частотам. В результате получают спектр шума, пример которого показан на рис. 1.