4.3. Физические характеристики шума

Звуковыми (акустическими)называют распространяющиеся в среде упругие волны с частотами 16 – 20 000 Гц. Колебания с частотами ν<16 Гц называютинфразвуковыми, ν >20 кГц –ультразвуковыми.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления и средним давлением за определенный промежуток времени (рис. 4.1).

Р

t

Рис. 4.1. Звуковое давление

P – давление; P_мг – мгновенное значенеи давления; P_ср – среднее давление;

P_зв – звуковое давление

Человек воспринимает не мгновенное значение давления, а его среднеквадратичное:

(4.1)

где Т_ус– время усреднения.

Поток энергии (I)– энергия, переносимая распространяющейся волной через единицу площади за единицу времени. Вектор потока энергии направлен в сторону распространения волны и носит названиевектора Умова. Величина потока энергии измеряется в Вт/м²и для звукового поля называетсяинтенсивностью звука или силой звука.

Интенсивность и звуковое давление связаны зависимостью:

, (4.2)

где ρ – плотность среды, кг/м³, с – скорость распространения звука в среде.

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью.

Скорость распространения звукав различных средах различна. В твердых телах могут распространяться упругие колебания двух типов: продольные и поперечные. В изотропных твердых телах скорости этих двух типов колебаний равны соответственно:

, (4.3)

, (4.4)

где Е– модуль упругости, Па;G– модуль сдвига, Па;ρ– плотность, кг/м³.

В жидкостях могут распространяться только продольные звуковые волны сжатия и разрежения. Их скорость выражается формулой

, (4.5)

где K– модуль сжатия жидкости, Па.

Скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением

, (4.6)

где – показатель адиабаты;С_РиС_V– теплоемкость газа при постоянном давлении и постоянном объеме, Дж/(моль·К);р– статическое давление среды, Па;R– универсальная газовая постоянная, Дж/(моль·К);Т– термодинамическая температура газа, К;μ– молярная масса газа, кг/моль.

Для одноатомных газов γ =1,67, а для многоатомных приближается к 1. Для воздуха γ = 1,41.

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты.

По закону Вебера-Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности – уровень интенсивности:

, (4.7)

где I– текущее значение интенсивности звука,I= 10^-12Вт/м² – пороговая интенсивность звука.

С учетом формулы (4.2) введена аналогичная величина для давления – уровень звукового давления:

(4.8)

где рир₀– соответственно текущее и пороговое значение звукового давления, Па;р₀= 2·10^-5Па.

Уровни интенсивности и звукового давления измеряются в децибелах (дБ).

4.4. Классификация шумов

Шум – совокупность апериодических звуков разной интенсивности и частоты.

По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и тональные.

Спектр представляет собой зависимость между частотой и уровнем звукового давления (интенсивности). Различают сплошные (непрерывные) спектры (рис. 4.2, а), линейчатые (дискретные) спектры (рис. 4.2, б) и смешанные спектры (рис. 4.2, в).

L, дБ L, дБ L, дБ

f, Гц f, Гц f, Гц

а) б) в)

Рис. 4.2. Виды спектров шума:

L – уровень интенсивности; f – частота

Широкополосныминазываются шумы, имеющие непрерывный спектр шириной более октавы.

Тональныйшум характеризуется тем, что в спектре присутствуют отдельные слышимые дискретные тона.

Октава– диапазон, в котором верхняя граничная частота в два раза больше нижней граничной частоты:

(4.9)

Октава характеризуется среднегеометрической частотой

(4.10)

По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные.

Постоянныене изменяют уровень сигнала в течение 8 часов более чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы делятся:

- на импульсные – состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, длительностью до 1 с и с уровнями звука, отличающимися более чем на 7 дБА (удар молота);

- прерывистые – уровень звука изменяется на 5 дБА и более несколько раз за время измерения, причем длительность импульса больше 1 с и в момент действия импульса амплитуда остается постоянной, превышающей фон (сброс сжатого воздуха).

- колеблющиеся во времени– уровень меняется со временем (шум транспорта).

В технике измерений шумов в зависимости от среды распространенияразличают воздушный и структурный шумы.Воздушныйраспространяется по воздуху от источника до точки измерения.Структурный возникает из-за колебаний упругой среды (стены зданий, перекрытие, трубопроводы) с последующим излучением с колеблющихся поверхностей.