Основные характеристики и единицы измерения

Основными физическими параметрами, характеризующими звук, является звуковое давление р и интенсивность звука I.

Разность между давлением, существующем в возмущенной среде р_ср в данный момент, и атмосферным давлением р_а, называется звуковым давлением

Звуковое давление

Слуховой аппарат человека реагирует на величину, пропорциональную среднему квадрату звукового давления

где р(t) – разность между мгновенными значениями полного давления и средним давлением в среде при отсутствии звукового поля; T − время усреднения, которое для уха человека равно 30…1000 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Интенсивностью звука называется количество звуковой энергии, переносимое звуковой волной в единицу времени через единицу поверхности

где ρ − плотность среды, кг/м³; с − скорость звука, м/с.

Кроме этого, любой источник шума характеризуется звуковой мощностью, которая представляет собой общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство.

Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью S, то звуковая мощность источника определится как

где I_n - нормальная к поверхности составляющая интенсивности.

Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью

Область слышимости звуков ограничивается не только определенными частотами, но и определенными значениями давления и интенсивности звука. Максимальные и минимальные звуковые давления интенсивности, воспринимаемые человеком как звук, называются пороговыми.

Минимальная интенсивность звука, которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости. В качестве стандартной частоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости I₀ = 10^12 Вт/м², а соответствующее ему звуковое давление р₀ = 210^5 Па. Максимальная интенсивность звука, при которой орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения, равным 10² Вт/м², а соответствующее ему звуковое давление р = 210² Па.

Так как изменения интенсивности звука и звукового давления слышимых человеком, огромны и составляют соответственно 10¹⁴ и 10⁷ раз, то пользоваться для оценки звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления крайне неудобно.

Для гигиенической оценки шума принято измерять его интенсивность и звуковое давление не абсолютными физическими величинами, а логарифмами отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона частотой 1000 Гц. Эти логарифмы отношений называют уровнями интенсивности и звукового давления, выраженные в белах (Б). Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1 бела, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше – децибел (дБ).

Уровень интенсивности звука L в децибелах определяется по формуле

где I – интенсивность звука в данной точке, I₀ – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, равному 10^-12 Вт/м.

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать также в виде

где р – звуковое давление в данной точке пространства, р₀ – пороговое звуковое давление, равное 210^5 Па.

Использование логарифмической шкалы для измерения уровня шума позволяет укладывать большой диапазон значений I и р в сравнительно небольшом интервале логарифмических величин от 0 до 140 дБ. При нормальном атмосферном давлении L_I = L_p. Пороговое значение звукового давления р₀ соответствует порогу слышимости L = 0 дБ, порог болевого ощущения 120-130 дБ. Шум, даже когда он невелик (50-60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему, оказывая психологическое воздействие. При действии шума более 140-145 дБ возможен разрыв барабанной перепонки.

Для измерения шума с целью оценки его воздействия на человека, используется уровень звукового давления L_p (часто обозначается просто L). Уровень интенсивности L_I используют при акустических расчетах помещений.

Слуховой аппарат человека обладает неодинаковой чувствительностью к звукам различной частоты: наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах (800…4000 Гц) и наименьшей – на низких (20…100 Гц).

Суммирование источников шума

Шум от нескольких источников не соответствует сумме шумов от каждого источника в отдельности. Суммарный уровень звукового давления L, создаваемый несколькими источниками звука с одинаковым уровнем звукового давления L_i, рассчитываются по формуле

L=L_i+10lg n , дБ,

где n – число источников шума с одинаковым уровнем звукового давления.

Так, например, если шум создают два одинаковых источника шума, то их суммарный шум на 3 дБ больше, чем каждого из них в отдельности.

Для двух находящихся рядом установок шум определяется следующим образом:

1. Если показатели уровня шума одинаковы, то суммарный уровень шума на 3 дБ превышает уровень шума каждой установки.

2. Если разница уровней шума превышает 10 дБ, суммарный уровень шума равен величине большего из двух шумов. Например, общий шум от двух установок с уровнями 30 и 60 дБ, равен 60 дБ.

3. Если разница уровней шума не более 10 дБ, нужно воспользоваться приведенной ниже таблицей. Вычисляем разность уровней шума установок.

Разница уровней шума, дБ	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Показатель-добавка, дБ	2.6	2.1	1.8	1.5	1.2	1.0	0.8	0.6	0.5	0.4

Если источников шума более двух, метод расчета не меняется, и источники рассматриваются парами, начиная с самых слабых. Например, есть четыре установки с уровнями шума 25 дБ, 38 дБ, 43 дБ и 50 дБ.

Сначала делаем подсчет для двух слабейших установок: 38 - 25 = 13 дБ. Разница больше 10 дБ, и эту установку вообще не учитываем.

Для установок 38 и 43 дБ: 43 - 38 = 5 дБ, поправка из таблицы равна 1.2 дБ. Суммарный шум трех установок: 43 + 1.2 = 44.2 дБ.

Теперь найдем полный шум всех установок. 50 - 44.2 = 5.8 дБ. Округляя разность уровней шума до 6 дБ, по таблице находим поправку 1.0 дБ.

Итак, общий уровень шума четырех установок равен 50 + 1 = 51 дБ.

По уровню интенсивности звука еще нельзя судить о физиологическом ощущении громкости этого звука, так как наш орган слуха неодинаково чувствителен к звукам различных частот; звуки равные по силе, но разной частоты, кажутся неодинаково громкими. Например, звук частотой 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку частотой 1000 Гц и силой 20 дБ. Поэтому для сравнения звуков различных частот, наряду с понятием уровня интенсивности звука, введено понятие уровня громкости с условной единицей – фон. Один фон – громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления.

Есть единица измерения звука – сон, она более наглядна. Уровень громкости в 40 фон принят за 1 сон, 50 фон – 2 сона, а 60 фон – за 4 сона, следовательно, увеличение в фонах на 10 в сонах – в 2 раза.

Обычно параметры шума и вибраций оценивают в октавных полосах. За ширину полосы принята октава. Октава – это диапазон частот, в котором верхняя граница диапазона в два раза больше нижней. Весь диапазон частот, который мы слышим, разбит на октавы. Октава характеризуется среднегеометрическим показателем частоты колебаний (31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000 Гц), определяемым по формуле

В ряде случаев октава является очень широкой полосой и требуется исследование шума в более узких полосах. Принимают понятие 1/3 октавы - это полоса частоты, у которой

При измерении шума для того, чтобы приблизить результаты объективных измерений к субъективному восприятию, используют корректированный уровень звукового давления (уровень интенсивности). Коррекция заключается в том, что вводятся зависящие от частоты звука поправки к уровню соответствующей величины (путем коррекции частотной характеристики шумомера). Эти поправки стандартизованы в международном масштабе. Наиболее употребительна коррекция А. Корректированный уровень звукового давления

L_А = L – ΔL_А

называется уровнем звука и измеряется в дБА.

Стандартное значение коррекции приведено ниже

Частота, Гц	16	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Коррекция LА , дБ	80	42	26,3	16,1	8,6	3,2	0	1,2	1,0	1,0

Постоянный шум может быть разложен на тональные (гармонические, синусоидальные) составляющие с указанием интенсивности и частоты каждого тона (разложение в ряд Фурье). Зависимость уровня тональных составляющих от частоты называется частотным спектром шума. Всякий производственный шум имеет свой характерный для него спектр. Изучение спектра шума позволяет обнаружить неисправности в работе машин, выделить доминирующие источники шума, производить рациональный выбор средств защиты от шума (эффективность работы различных средств зависит от спектрального состава шума).

Спектры получают, используя анализаторы шума – набор полосовых электрических фильтров. Для анализа и нормирования шума наибольшее распространение получили фильтры с постоянной относительной полосой пропускания, в частности, октавные полосовые фильтры, в которых верхняя граничная частота в два раза больше нижней f_В/ f_Н= 2.