10.8. Дифракция звука

Дифракцией звуковых волн называется огибание ими препятствий. Объяснить дифракцию можно на основе принципа Гюйгенса. Согласно этому принципу каждую точку среды, в которую проникла звуковая волна, можно считать источником вторичных волн. Поэтому на краю огибаемого звуком тела образуется вторичный источник, от которого распространяется звуковая волна, проникаемая в область акустической тени (рис. 10.9).

Рис. 10.9. Схема образования звуковой тени:

1 – препятствие; 2 – звуковая тень; 3 – источник звука; 4 – точка наблюдения

Размер зоны тени зависит от соотношения длины звуковой волны λ и размеров препятствия: чем больше λ, тем меньше область тени за препятствием. Эта картина иллюстрируется на рис. 10.10, а и в.

Рис. 10.10. Дифракция звуковых волн на препятствиях (а, в),

щелях и отверстиях различных размеров (б, г)

Размер области тени за препятствием с поперечным размером D можно вычислить по формуле

. (10.28)

Пример. Пусть размер препятствия 10 м. Тогда длина звуковой тени для волны с частотой 100 Гц (λ = 3,4м) определяется так: l_т = 10²(4·3,4) ≈ 7м.

Дифракция приводит к тому, что прохождение звука через отверстия меньше, чем через щели, при их одинаковой площади (рис.10.10, б и г).

Если размеры отверстия D сравнимы с длиной звуковой волны λ, то излучение локализуется в узкий пучок, если же меньше (D < λ), то излучение в полупространство за препятствием будет ненаправленным. Эти явления иногда приходится учитывать при разработке конструкций шумозащиты.

Контрольные вопросы

1. Назовите три аспекта воздействия шума на человека и поясните их суть.

2. Что такое звук, звуковое поле, воздушный и структурный звук?

3. Какие виды источников существуют?

4. Как связан вид звуковой волны с расстоянием от точки приема до источника?

5. Как определяется собственная частота колебаний воздушного объема замкнутого помещения?

6. Чем характеризуется диффузное акустическое поле?

7. Объясните суть волновой и геометрической акустики.

8. Как определяются коэффициенты звукопроводности, звукопоглощения и звукоизоляции?

9. Что такое интерференция и дифракция звука?

11. ШУМ

Шумом называется случайное состояние звуков различной интенсивности и частоты. В практике борьбы с шумом под ним подразумевается мешающий, нежелательный звук. Воздействие шума на человека зависит от его основных характеристик, которыми являются:

• уровни звукового давления (УЗД);

• уровни звука (УЗ);

• частотный состав (спектр).

11.1. Характеристика шума

Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц измеряются в децибелах (дБ). Измерение УЗД производится прибором с октавными фильтрами, который называется шумомером.

Уровень звукового давления относится к характеристикам постоянного шума на рабочих местах и определяется по формуле

, (11.1)

где ρ – среднеквадратическое значение звукового давления, измеряемое в паскалях; ρ₀ – нулевой порог слышимости, т.е. давление, соответствующее порогу чувствительности человеческого уха на частоте 100 Гц (ρ₀ = 2·10^-5 Па).

Переход к децибелам вместо паскалей обусловлен тем, что логарифмический масштаб более адекватно отражает субъективное восприятие шума человеком. Кроме того, ухо воспринимает шум в очень широком диапазоне звуковых давлений: от 2·10^-5 до 2·10² Па (рис. 11.1), и поэтому использование логарифмического масштаба при измерениях и расчетах шума более удобно.

По шкале децибел область восприятия шума человеком лежит в диапазоне от 0 дБ (нулевой порог) до 130-140 дБ (болевой порог).

Рис. 11.1. Область слухового восприятия человека:

1 – порог слышимости, 2 – болевой порог

Единица измерения УЗД децибел названа так в честь американского изобретателя телефона Г. Бела (1847-1924).

Для ориентировочной оценки шума используется уровень звука (единица измерения – дБА), который определяется по формуле

, (11.2)

где ρ_A – среднеквадратическое давление с учетом кривой коррекции фильтра «А» шумомера, Па. Характеристики шумомера приведены на рис. 11.2.

Уровень звука является интегральной характеристикой шума, поэтому он нашел широкое применение в технике измерений и при нормировании шума. В табл. 11.1 приведены УЗ некоторых источников. Эти данные дают представления об уровнях звуков, которые мы слышим.

Рис. 11.2. Частотные характеристики шумомера:

А – интегральная; С – линейная

Таблица 11.1

Звуки, которые нас окружают

Источник звука или место его измерения	УЗ, дБА	Расстояние, на котором измерен звук, м
Шорох листвы при полном безветрии	20	-
Шепот	40	0,3
Обычный разговор	60	1,0
Легковой малошумный автомобиль	70	7,5
Скоростной поезд	75	100
Отбойный молоток	100	1,0
Симфонический оркестр	110	10
Взлет реактивного самолета	125	100
Взлет ракеты	180	10-0
Тихая сельская местность	25-30	-
Салон комфортабельного автомобиля	65	-
Оживленная магистральная улица	80-85	7,5
Механический цех	85-90	-

Помимо основных характеристик для расчетов широко используются уровни интенсивности (L_I) и уровни звуковой мощности (L_W), определяемые по формулам

; (11.3)

, (11.4)

где I и W – среднеквадратичные значения интенсивности и мощности звука соответственно; I₀ = 10^-12 Вт/м², W₀ = 10^-12 Вт – значение нулевых порогов интенсивности и мощности звука.

Напомним, что связь между интенсивностью звука и звуковым давлением в плоской волне определяется выражением

. (10.5)