Лабораторная работа № 1 измерение уровня шума, создаваемого внешними источниками и изучение звукопоглощающих свойств строительных материалов

Цель работы: знакомство с акустической аппаратурой, используемой при измерении уровня шума, и измерение уровня шума на модели помещения (приобретение навыков работы с шумомером TESTO-816). Изучение эффективности звукопоглощения различных материалов, применяемых в строительстве.

Приборы и принадлежности: шумомер TESTO-816, модель помещения, источники шума (микрофон с усилителем, звуковой генератор); штангенциркуль; набор пластин из различных строительных материалов.

Краткие теоретические сведения

Под термином «шум» понимают беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью как временной, так и спектральной структуры.

Под акустическим шумом понимают разного рода нежелательные звуки, мешающие восприятию человеком речи, музыки и других звуковых сигналов. Источниками акустически слышимого и неслышимого шума могут быть любые колебания в твёрдых, жидких и газообразных средах. Основными источниками шума являются различные механизмы и двигатели.

Для количественной оценки шума пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру шума в самом источнике и свойства среды, в которой шум распространяется. Практически наблюдаемый шум, возникающий в результате действия многих отдельных независимых источников (толпа людей, поток машин, производственные станки и др.), является квазистационарным. Шум является нестационарным, если его параметры меняются в течение коротких промежутков времени, меньших, чем время усреднения шума в измерительном устройстве (отдельные стуки в производственных условиях, короткие, резкие звуковые сигналы автомобиля и тому подобные звуки). И хотя имеются примеры благотворного, успокаивающего влияния шума на человека (шум морского прибоя, шум леса), чаще всего шум оказывает неблагоприятное воздействие на его центральную нервную систему. Это приводит к быстрой утомляемости человека, снижению производительности труда и возникновению травм, в частности к прогрессирующей потере слуха при длительных и очень резких шумовых воздействиях.

Цели исследования акустического шума:

а) изучение источников шума с целью уменьшения их вредного воздействия на человека;

б) отыскание способов и средств, позволяющих свести уровень шума к минимуму;

в) отыскание способов приёма и измерения слабых сигналов в присутствии шума.

Качественные особенности ощущения при восприятии акустических шумов органами слуха и организмом в целом зависят от его интенсивности (громкости звука) и спектрального состава. Под действием источника звука происходит непрерывное колебание давления в воздухе. Разность между мгновенным значением давления в звуковом поле и средним атмосферным давлением в среде в условиях абсолютной тишины называется звуковым давлением . Звуковое давление характеризует переменную часть давления, возникающего при распространении продольных звуковых волн в среде:

.

В технической акустике принято оценивать звуковое давление (и интенсивность звука) по относительной логарифмической шкале в децибелах (дБ). При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Поток звуковой энергии E (Дж) в единицу времени t (с), отнесенный к поверхности S (м²), нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука I (Вт/м²).

Для звуковой волны, распространяющейся в виде плоского фронта, имеем следующие соотношения:

,

где ρ – плотность среды (кг/м³) , с – скорость звука в среде (м/с).

Для воздуха при температуре 20 ^оС:

• ρ = 1,20 кг/м³,

• с = 344 м/с;

• ρс – удельное акустическое сопротивление среды.

Для воздуха при нормальных атмосферных условиях ρс ≈ 410 (Па·с)/м. Для объективной оценки характеристики шума вводятся логарифмические величины: уровень интенсивности и уровень звукового давления .

Уровень интенсивности звука оценивается по формуле:

, (1.1)

а уровень звукового давления:

,

где и – интенсивность и звуковое давление на пороге слышимости; и – интенсивность и звуковое давление исследуемого звука на данной частоте.

При нормальных атмосферных условиях . Поэтому для краткости используют термин уровень шума L. Уровень шума характеризует степень ощущения или степень информационного воздействия энергии шума на человека. Например, на стандартной частоте 1000 Гц порогу слышимости соответствуют значения: I₀ = 10^–9 мВт/м² и P₀ = 2·10^–9 Па. Введение понятия «уровень шума» позволило преобразовать очень широкий диапазон значений интенсивности (от 10^–9 до 10⁴ мВт/м² и звукового давления (2·10^–5 до 2·10⁸ Па в сравнительно узкий интервал уровня шума (от 0 до 130 дБ). Другое преимущество логарифмической шкалы состоит в том, что изменение уровня шума на величину ΔL = 1 дб соответствует минимальному, едва ощутимому человеком изменению громкости звука.

Источник шума характеризуется мощностью W (Вт), т. е. количеством звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени (Дж/с).

Звуковая мощность источника шума W (Вт) связана с интенсивностью шума I (Вт/м²) следующим соотношением:

,

где S – площадь поверхности, через которую проходит поток звуковой энергии.

При нормировании шума используют октавные полосы частот.

Октавной называется полоса частот, в которой верхняя граничная частота ν_max в два раза больше нижней ν_min. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой: .

Измерения, акустические расчеты, нормирование производятся в полосах со среднегеометрическими частотами 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Приборы, служащие для объективного измерения уровня шума (уровня громкости звука, или уровня звукового давления), называются шумомерами.

Обычно шумомеры устроены так, чтобы их свойства приближались к свойствам человеческого уха. Чувствительность уха зависит от частоты звука, и вид этой зависимости изменяется с увеличением интенсивности измеряемого звука (рис. 1.1).

Рис. 1.1

Шумомер содержит ненаправленный измерительный микрофон, воспринимающий звуковые колебания. Пропорциональное уровню звукового давления переменное электрическое напряжение с микрофона подаётся на вход специального усилителя, интегрируется и, после выпрямления, поступает на стрелочный или цифровой индикатор, шкала которого проградуирована в децибелах. Внешний вид шумомера TESTO-816 и органы управления им показаны на рис. 1.2.

Рис. 1.2

В корпус шумомера могут быть вмонтированы фильтры, позволяющие произвести частотный анализ звука по октавным диапазонам.

При прохождении через ограждающую конструкцию здания энергия звуковой волны постепенно уменьшается. (Звук ослабляется как при прохождении, так и при отражении от поверхности). Это явление носит название звукопоглощения. Свойство поверхности поглощать звуковую энергию характеризуется коэффициентом звукопоглощения . Коэффициент показывает, какая доля падающей энергии поглощается:

, (1.2)

где I_погл и I_пад – соответственно интенсивность поглощенной и падающей волны.

Коэффициент звукопоглощения зависит от структуры звукопоглощающего материала, от характера его поверхностного слоя, от частоты звука _ν и угла падения α волны на поверхность. Так как разные материалы с различным состоянием поверхности поглощают звук по-разному, то при акустических расчетах обычно используют среднее значение коэффициента звукопоглощения, величина которого выражается формулой:

,

где и , соответственно площадь i-ой звукопоглощающей поверхности и её эквивалентная площадь; – полная площадь всего ограждения, – коэффициент звукопоглощения i-ой поверхности.

Эквивалентной площадью звукопоглощения принято называть площадь поверхности, поглощающей такое же количество звуковой энергии, что и данная поверхность площадью S:

,

где – коэффициент звукопоглощения данной поверхности S.

В данной лабораторной работе предлагается измерить уровень шума, создаваемого внешними источниками (шум улицы), и провести изучение эффективности звукопоглощения различными строительными материалами. Для этого необходимо измерить уровень шума без перегородки и при ее наличии. Разность между этими уровнями есть снижение уровня шума после прохождения звуковой волны через перегородку. Измерительный тракт и модель помещения, используемые в работе, показаны на рис. 1.2. Внешний вид шумомера TESTO-816 и органы управления этим прибором представлены на рис 1.3.

Рис. 1.3