11.2. Спектральные и временные характеристики шума

Спектр шума представляют в виде зависимости уровней звукового давления от частоты. Разложение шума на спектральные составляющие широко используется в практике шумозащиты.

Человеческое ухо различает звуки с частотой в диапазоне от 20 до 20 000 Гц (условно звуковой диапазон). Звук с частотой ниже 20 Гц называется инфразвуком, а выше 20 000 Гц – ультразвуком.

В самом общем виде спектр сложного колебательного процесса математически можно представить в виде суммы гармонических функций:

, (11.6)

где A_i и φ_i – амплитуды и фазы отдельных гармоник; f и t – частота и время.

При целых i имеем ряд Фурье.

Анализируя выражение (11.6), видим, что сложный звук можно представить как функцию либо времени t, либо частоты f. Это также ясно из рис. 11.3, где изображены гармонические колебания (Т – период колебаний, величина обратная частоте; А₀ – амплитуда).

Реальный спектр шума – это сумма большого числа колебаний, имеющих различные частоты и амплитуды (см. рис. 11.4, где графически изображен пример сложного колебательного процесса)

В инженерной акустике широко применяется спектральный анализ шума с помощью основных фильтров, но используются также и третьоктавные. Такие фильтры позволяют получить спектр шума в октавных и третьоктавных полосах среднегеометрических частот.

Рис. 11.3. Графическое представление гармонического колебания в функции времени t (а) либо частоты f (б)

Рис. 11.4. Осциллограмма (а) и спектрограмма (б) сложного колебательного процесса

Границы этих полос, а также значения среднегеометрических частот приведены в табл. 11.2.

Вид спектрального анализа выбирается в зависимости от поставленных задач. В обычных измерениях, как упомянуто выше, для этой цели применяются октавные (чаще всего) или третьокавные фильтры. Но для специальных задач используется узкополосный анализ, например 1 % или 2 % шириной полосы пропускания.

По положению максимума в спектре шум условно делят на низкочастотный (основные составляющие в спектре сосредоточены на частотах до 250 Гц), среднечастотный (до 500 Гц) и высокочастотный (до1000 Гц и выше).

Таблица 11.2

Среднегеометрические и граничные частоты октавных и третьоктавных полос

Среднегеометрические частоты, Гц	Граничные частоты для полос, Гц
	октавных	третьоктавных
50	45-90	45-56
63		56-71
80		71-90
100	90-180	90-112
125		112-140
160		140-180
200	180-355	180-224
250		224-280
315		280-355
400	355-710	355-450
500		450-560
630		560-710
800	710-1400	710-900
1000		900-1120
1250		1120-1400
1600	1400-2800	1400-1800
2000		1800-2240
2500		2240-2800
3150	2800-5600	2800-3540
4000		3540-4500
5000		4500-5600
6300	5600-11200	5600-7100
8000		7100-9000
10000		9000-11200

Спектры шума некоторых реальных источников в соответствии с представленной классификацией показаны на рис. 11.5.

В зависимости от характера спектра различают шум:

• широкополосный, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;

• тональный, в спектре которого имеются выраженные дискретные тона (устанавливается при измерениях в третьоктавных полосах частот по превышению УЗД в одной полосе над соседними на величину не менее 10 дБ);

• смешанный, когда на сплошные участки накладываются отдельные дискретные составляющие (рис. 11.6).

По временным характеристикам шум бывает:

• постоянным (уровень звука которого за выбранный период времени, например за 8-часовой рабочий день, изменяется не более чем на 5 дБА) – см. рис. 11.7;

• непостоянный (УЗ изменяется более чем на 5 дБА за аналогичный период).

Непостоянный шум, в свою очередь, имеет следующие разновидности:

• колеблющийся во времени (УЗ непрерывно меняется);

• прерывистый (УЗ ступенчато изменяется на 5 дБА и более, причем длительность интервалов, в течение которых УЗ остается постоянным, составляет менее 1 с);

• импульсный, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из которых имеет длительность менее 1 с, при этом их УЗ, измеренный на импульсной характеристике шумомера и на фильтре «А», отличается не менее чем на 7 дБА (рис. 11.7).

Рис. 11.5. Спектры шума реальных источников: 1 – высокочастотный (корпус двигателя внутреннего сгорания (ДВС)); 2 – низкочастотный (выпуск ДВС с глушителем); 3 – среднечастотный (гидронасосы)

Рис. 11.6. Спектры шума различного характера: 1 – тональный (незаглушенный шум выпуска ДВС); 2 – смешанный (редуктор); 3 – широкополосный (искусственный источник шума

Импульсный шум возникает, например, при забивании свай, прерывистый – при некоторых процессах металлообработки и др.

Как правило, УЗД используются для характеристики постоянного шума. Характеристикой непостоянного шума является эквивалентный (по энергии) УЗ (L_{А экв}), который определяется по формуле

(11.7)

и соответствует уровню такого постоянного шума, энергия которого равна энергии непостоянного шума за промежуток времени Т. Здесь p_A(t) – текущее значение среднеквадратического звукового давления с учетом коррекции фильтра «А» шумомера; Т – время действия шума.

Рис. 11.7. Временные характеристики шума:

постоянный (а); прерывистый (б) и импульсный шум (в)

Значения L_{А экв} могут быть получены при измерениях шумомером с аналогичной характеристикой. Для того чтобы было легче ориентироваться в значениях эквивалентных УЗ, следует, например, знать, что уменьшение времени воздействия в два раза приводит к снижению L_{А экв} на 3 дБА, а в 10 раз – на 10 дБА.