Глава 11 защита от шума, ультра-и инфразвука

11.1. Физические и физиологические характеристики звука

Звук или шум возникает при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Шумом являются различные звуки, мешающие нормальной деятельности человека и вызывающие неприятные ощущения. Звук представляет собой колебательное движение упругой среды, воспринимаемое нашим органом слуха. Звук, распространяющийся в воздушной среде, принято называть воздушным шумом; звук, передающийся по строительным конструкциям, называют структурным. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в воздухе по сравнению с атмосферным в невозмущенной среде называют звуковым давлением р (Па), именно на изменение давления в воздухе реагирует наш орган слуха. Чем больше давление, тем сильнее раздражение органа слуха и ощущение громкости звука. Звуковая волна характеризуется частотой f и амплитудой колебания. Амплитуда колебаний звуковой волны определяет звуковое давление; чем больше амплитуда, тем больше звуковое давление и громче звук. Время одного колебания называют периодом колебаний Т (с): T=1/f.

Расстояние между двумя соседними участками воздуха, имеющими в одно и то же время одинаковое звуковое давление, определяется длиной волны X.

Часть пространства, в котором распространяются звуковые волны называют звуковым полем. Любая точка звукового поля характеризуется определенным звуковым давлением р и скоростью движения частиц воздуха.

Звуки в изотропной среде могут распространяться в виде сферических, плоских и цилиндрических волн. Когда размеры источника звука малы по сравнению с длиной волны, звук распространяется по всем направлениям в виде сферических волн. Если размеры источника больше, чем длина излучаемой звуковой волны, то звук распространяется в виде плоской волны. Плоская волна образуется на значительных расстояниях от источника любых размеров.

Скорость распространения звуковых волн с зависит от упругих свойств, температуры и плотности среды, в которой они распространяются. При звуковых колебаниях среды (например, воздуха) элементарные частички воздуха начинают колебаться около положения равновесия. Скорость этих колебаний v намного меньше скорости распространения звуковых волн в воздухе с.

Скорость распространения звуковой волны (м/с)

C=λ/Т или C=λf

Скорость звука в воздухе при t= 20 °С примерно равна 334, а стали — 5000, в бетоне — 4000 м/с. В свободном звуковом поле, в котором отсутствуют отраженные звуковые волны, скорость относительных колебаний

v = р/ρс,

где р — звуковое давление, Па; ρ — плотность среды, кг/м³; ρс — удельное акустическое сопротивление сред (для воздуха ρс = 410 Па-с/м).

При распространении звуковых волн происходит перенос энергии. Переносимая звуковая энергия определяется интенсивностью звука I. В условиях свободного звукового поля интенсивность звука измеряют средним количеством энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения звука.

Интенсивность звука (Вт/м²) является векторной величиной и может быть определена из следующей зависимости

I=p²/(ρc); I=v∙p:

где р — мгновенное значение звукового давления, Па; v — мгновенное значение колебательной скорости, м/с.

Интенсивность шума (Вт/м²), проходящего через поверхность сферы радиуса г, равна излучаемой мощности источника W, деленной на площадь поверхности источника:

I= W/(4πr²).

Эта зависимость определяет основной закон распространения звука в свободном звуковом поле (без учета затухания), согласно которому интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Характеристикой источника звука является звуковая мощность W (Вт), которая определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой всей поверхностью источника S в единицу времени:

где I^н — интенсивность потока звуковой энергии в направлении нормали к элементу поверхности.

Если на пути распространения звуковых волн встречается препятствие, то в силу явлений дифракции происходит огибание препятствия звуковыми волнами. Огибание тем больше, чем больше длина волны по сравнению с линейными размерами препятствия. При длине волны меньше размера препятствия наблюдается отражение звуковых волн и образование за препятствием «звуковой тени», где уровни звука значительно ниже по сравнению с уровнем звука, воздействующим на преграду. Поэтому звуки низкой частоты легко огибают препятствия и распространяются на большие расстояния. Это обстоятельство необходимо всегда учитывать при использовании шумозащитных экранов.

В закрытом пространстве (производственном помещении) звуковые волны, отражаясь от преград (стен, потолка, оборудования), образуют внутри помещения так называемое диффузное звуковое поле, где все направления распространения звуковых волн равновероятны.

Разложение шума на составляющие его тона (звуки с одной частотой) с определением их интенсивностей называют спектральным анализом, а графическое изображение частотного состава шума — спектром. Для получения частотных спектров шумов производят измерение уровней звукового давления на различных частотах с помощью шумо-мера и анализатора спектра. По результатам этих измерений на фиксированных стандартных среднегеометрических частотах 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц строят спектр шума.

На рис! 11.1, а...г приведены графики звуковых колебаний в координатах (уровень звукового давления — время). На рис. 11.1, д...з изображены соответственно спектры звука в координатах (уровень звукового давления — частота). Частотный спектр сложного колебания, состоящего из множества простых тонов (колебаний), представлен рядом прямых линий разной высоты, построенных на различных частотах.

Рис. 11.1. Графики звуковых колебаний соответствующие им спектры звука.

Орган слуха человека способен воспринимать значительный диапазон интенсивностей звука — от едва различимых (на пороге слышимости) до звуков на пороге болевого ощущения. Интенсивность звука на грани болевого порога в 10¹⁶ раз превышает интенсивность звука на пороге слышимости. Интенсивность звука (Вт/м²) и звуковое давление (Па) на пороге слышимости для звука с частотой 1000 Гц соответственно составляют I₀=10^-12 и p_о = 2∙.1О^-5.

Практическое использование абсолютных значений акустических величин, например, для графического представления распределения звукового давления и интенсивностей звука по частотному спектру неудобно из-за громоздких графиков. Кроме того, важно учитывать факт реагирования органа слуха человека на относительное изменение звукового давления и интенсивности по отношению к пороговым величинам. Поэтому в акустике принято оперировать не абсолютными величинами интенсивности звука или звукового давления, а их относительными логарифмическими уровнями L, взятыми по отношению к пороговым значениям ρ_о или I₀.

За единицу измерения уровня интенсивности звука принят один бел (Б). Бел — это десятичный логарифм отношения интенсивности звука I к пороговой интенсивности. При I/I₀=10 уровень интенсивности звука L=1B, при I/I₀=100 L = 2Б; при I/I₀=1000 L = 3Б и т. д.

Однако ухо человека четко различает изменение уровня звука на 0,1 Б. Поэтому в практике акустических измерений и расчетов пользуются величиной 0,1 Б, которая названа децибелом (дБ). Следовательно, уровень интенсивности звука (дБ) определяется зависимостью

L=10∙lgI/I₀.

Так как I = Р²/ρс, то уровень звукового давления (дБ) вычисляют по формуле

L = 20lgP/P₀.

Орган слуха человека и микрофоны шумомеров чувствительны к изменению уровня звукового давления, поэтому нормирование шумов и градация шкал измерительных приборов осуществляется по уровню звукового давления (дБ). В акустических измерениях и расчетах пользуются не пиковыми (максимальными) значениями параметров I; Р; W, а их среднеквадратичными значениями, которые при гармонических колебаниях в раз меньше максимальных. Введение среднеквадратичных величин определяется тем, что они непосредственно отражают количество энергии, содержащейся в соответствующих сигналах, получаемых в измерительных приборах, а также и тем, что орган слуха человека реагирует на изменение среднего квадрата звукового давления.

В производственном помещении находятся обычно несколько источников шума, каждый из которых оказывает влияние на общий уровень шума. При определении уровня звука от нескольких источников пользуются специальными зависимостями, так как уровни звука складываются не арифметически. Например, если каждая из двух виброплощадок создает шум в 100 дБ, то суммарный уровень шума при их работе будет 103 дБ, а не 200 дБ.

Два одинаковых источника совместно создают уровень шума на 3 дБ больше, чем уровень каждого источника.

Суммарный уровень шума от п одинаковых по уровню шума источников в точке, равноудаленной от них, определяют по формуле

L_сум=L+10lg n

где L — уровень шума одного источника.

Суммарный уровень шума в расчетной точке от произвольного числа источников разной интенсивности определяют по уравнению

где L₁, ..., L_n — уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым из источников в расчетной точке.