1.2 Общие характеристики шума

Шумом называется случайное сочетание 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 (далее УЗД);

-уровни звука (далее УЗ);

-частотный состав (спектр).

Звуковое давление – это переменная часть давления, возникающего при прохождении звуковой волны в среде распространения. Измеряется эта сила, действующая на единицу площади, в паскалях (Па).

Звуковое давление в воздухе изменяется от10–5 Па вблизи порога слышимости до 103 Па. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления порядка 0,1 Па.

Минимальное звуковое давление, на которое реагирует человеческое ухо, составляет 2·10–5 Па, максимально же воспринимаемое без ощущения боли звуковое давление 102 Па (рисунок 1.6). Следовательно, диапазон звуковых давлений, воспринимаемых человеческим ухом, составляет 107 Па.

p, Па

2 ×10-4

2 ×10-5

Рисунок 1.6 – Область слухового восприятия человека:

1– порог слышимости, 2 – болевой порог

16

Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления, выраженного в децибелах (дБ) – отношение величины данного звукового давления p к пороговому значению звукового давления равному p0=2·10–5 Па:

где p – среднеквадратичное значение звукового давления, измеряемое в паскалях;

p0 – нулевой порог слышимости, то есть давление, соответствующее порогу чувствительности человеческого уха на частоте 1000 Гц (p0 = 2·10–5).

Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от

16–20 Гц до 16–20 кГц.

Плоскость между порогом слышимости и болевым порогом называют плоскостью слышимости. Эта плоскость характеризуется следующими данными:

-по частоте колебаний – 16–20 Гц – 16–20 кГц;

-по звуковому давлению – 0 – 130–140 дБ.

Уровень звука является интегральной характеристикой шума, поэтому он нашел широкое применение в технике измерений и при нормировании шума.

Среднее по времени значение мощности звука, отнесенное к единице площади, называют интенсивностью звука.

Интенсивность звука оценивается уровнем интенсивности по шкале де-

где I – среднеквадратичные значения интенсивности;

I0 = 10–12 Вт/м2 – значение нулевого порога интенсивности звука.

С интенсивностью звука связана громкость звука – величина, характеризующая слуховое ощущение от данного звука(рисунок 1.8). Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления(интенсивности звука). При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением интенсивности звука (звукового давления). При одинаковом звуковом давлении громкость звука гармонических колебаний различной частоты различна, то есть на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности.

Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого, как и измеряемый звук, называют уровнем громкости данного звука в фонах (рисунок 1.7).

17

Рисунок 1.7 – Кривые равной громкости

Как видно из приведенных на рисунке 1.7 кривых равной громкости, для того чтобы получить уровень громкости в4 фона на частоте 500 Гц, необходимо звуковое давление в 20 дБ, а для такого же уровня громкости на частоте20 Гц необходимо звуковое давление в 60 дБ.

Из кривых, приведенных на графике, видно, что при уровне 30–40 фон на частоте 1000 Гц в диапазоне частот250–500 Гц происходит уменьшение громкости примерно на 6 дБ.

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение(от 10–12 до 10 Вт/м2), соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В таблице 1.2 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 1.2 – Ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков

18

Классификация шумов, воздействующих на человека

1.По характеру спектра шума выделяют:

-широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более1 октавы;

-тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тоны. Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

2.По временным характеристикам шума выделяют:

-постоянный шум, уровень звука которого за8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно»;

-непостоянный шум, уровень которого за 8-часовой рабочий день, рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во

времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно».

Непостоянные шумы подразделяют на следующие виды:

-колеблющийся во времени шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

-прерывистый шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 секунду и более;

-импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 секунды, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках «импульс» и «медленно», отличаются не менее чем на7 дБ.

Цвета шума – это система терминов, приписывающая некоторым видам шумовых сигналов определённые цвета исходя из аналогии между спектром сигнала произвольной природы (точнее, его спектральной плотностью или, говоря математически, параметрами распределения случайного процесса) и спектрами различных цветов видимого света. Эта абстракция широко используется в отраслях техники, имеющих дело с шумом(акустика, электроника, физика и т. д.).

Цветовые соответствия различных типов шумового сигнала определяются с помощью графиков(гистограмм) спектральной плотности, то есть распределения мощности сигнала по частотам.

Белый шум – это сигнал с равномерным спектром на всех частотах(рисунок 1.8). Другими словами, такой сигнал имеет одинаковую мощность в лю-

19

бой полосе частот. К примеру, полоса сигнала в 20 Гц между 40 и 60 Гц имеет такую же мощность, что и полоса между4000 и 4020 Гц. Неограниченный по частоте белый шум возможен только в теории, так как в этом случае его мощность бесконечна. На практике сигнал может быть белым шумом только в -ог раниченной полосе частот.

Рисунок 1.8 – Спектральная плотность белого шума

Спектральная плотность розового шума определяется формулой1/f (плотность обратно пропорциональна частоте), то есть он является равномерным в логарифмической шкале частот(рисунок 1.9). Например, мощность сигнала в полосе частот между 40 и 60 Гц равна мощности в полосе между4000 и 6000 Гц. Спектральная плотность такого сигнала по сравнению с белым шумом затухает на 3 дБ на каждую октаву. Пример розового шума – звук пролетающего вертолёта. Розовый шум обнаруживается, например, в сердечных ритмах, в графиках электрической активности мозга, в электромагнитном излучении космических тел.

Иногда розовым шумом называют любой шум, спектральная плотность которого уменьшается с увеличением частоты.

20

Рисунок 1.9 – Спектральная плотность розового шума

Броуновский шум схож с розовым шумом, однако его спектральная плотность затухает на 6 дБ на октаву (рисунок 1.10). То есть его спектральная плотность обратно пропорциональна квадрату частоты. Броуновский шум может быть получен, если проинтегрировать белый шум, или с помощью алгоритма, симулирующего броуновское движение. Спектр красного шума (в логарифмической шкале) зеркально противоположен спектру фиолетового. Иногда этот шум называют также коричневым, как один из вариантов перевода фамилии Brown — «коричневый». На слух броуновский шум воспринимается более «тёплым», чем белый.

21

I, Гц Коричневый шум

f, Гц

Рисунок 1.10 – Спектральная плотность коричневого шума

Также наиболее распространены:

а) синий шум – вид сигнала, чья спектральная плотность увеличивается на 3 дБ на октаву; б) фиолетовый шум – вид сигнала, чья спектральная плотность увеличи-

вается на 6 дБ на октаву; в) серый шум – спектр серого шума получается, если сложить спектры

броуновского и фиолетового шумов.

22