Защита от шума

Звук- слуховые ощущения человека, вызываемые механическими колебаниями упругой среды, воспринимаемые в области частот (16 Гц  -  20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми .

   

1. Основные характеристики звукового поля. Распространение звука

А. Параметры звуковой волны

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис 3.1, а).  

Рис.3.1.   Колебания частиц воздуха.

Простейший процесс описывается синусоидой (рис. 3.1,б)

, 

где a_max - амплитуда колебаний; w = 2p f - угловая частота; f - частота колебаний.

Гармонические колебания  с амплитудой a_max и частотой f  называются тоном. 

Сложные колебания характеризуются эффективным значением на временном периоде Т

.

Для синусоидального процесса  справедливо соотношение

.

 Для кривых другой формы отношение эффективного значения к максимальному составляет от 0 до 1.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают:

 плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

 цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

 сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующий шар.  

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются:

       звуковое давление  p_зв, Па;

       интенсивность звука I, Вт/м².

       длина звуковой волны l, м;

       скорость распространения волны с, м/с;

       частота колебаний f, Гц.

С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.

Длина волны l равна длине пути, проходимого звуковой волной за один период Т:

где с - скорость звука, Т = 1/f.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в возмущенной среде p_ср в данный момент, и атмосферным давлением p_атм, называется звуковым давлением (рис.3.3). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

p_зв = p_ср - p_атм. (3.1)

Рис.3.3.  Звуковое давление 

Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением z_A, которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м²*с) и представляет собой отношение звукового давления p_зв к колебательной скорости частиц среды u

z_A = p_зв/u = r*с, (3.2)          

где с - скорость звука, м; r -плотность среды, кг/м³.

Для различных сред значения z_A различны.  

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м², перпендикулярное   направлению движения, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м² :

(3.3)

Для сферической волны от источника звука с мощностью W, Вт интенсивность звука на поверхности сферы радиуса r равна

I = W / (4p r²),

то есть интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от источника звука. В случае плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.

   

В. Акустическое поле и его характеристики

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

        звуковым давлением p_зв, Па;

        акустическим сопротивлением   z_А, Па*с/м.

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

      интенсивность I, Вт/м²;

мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле  называют свободным акустическим полем.

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн. 

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии. 

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 10⁶ раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

   

С. Уровни акустических величин

Человек ощущает звук в широком диапазоне звуковых давлений p_зв (интенсивностей I ). 

Стандартным порогом слышимости  называют эффективное значение звукового давления (интенсивности), создаваемого гармоническим колебанием с частотой f = 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней чувствительностью слуха.

Стандартному порогу слышимости соответствует звуковое давление p_o=2*10^-5 Па или интенсивность звука I_o=10^-12 Вт/м². Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых слуховым аппаратом человека, ограничивается болевым ощущением и принят равным p_max = 20 Па и I_max= 1 Вт/м².  

Величина слухового ощущения L   при превышении звуковым давлением  p_зв стандартного порога слышимости определяется по закону психофизики Вебера - Фехнера:

L = q lg(p_зв/p_o),

где q - некоторая постоянная, зависящая от условий проведения эксперимента.

С учетом  психофизического восприятия звука человеком  для характеристики значений звукового давления p_зв и интенсивности I  были введены логарифмические величины  – уровни L (с соответствующим индексом), выраженные в безразмерных единицах – децибелах, дБ, (увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует 1 Белу (Б) – 1Б = 10 дБ):  

                 L_p = 10 lg (p/p₀)² = 20 lg (p/p₀), (3.5, а)       

L_I = 10 lg (I/I₀). (3.5, б)

Следует отметить, что при нормальных атмосферных условиях L_p =L_I . 

По аналогии были введены также и уровни звуковой мощности

     L_w = 10 lg (W/W₀), (3.5, в)   

где W₀ =I₀*S₀ =10^-12Вт – пороговая звуковая мощность на частоте 1000 Гц,   S₀ = 1 м².    

Безразмерные величины L_p, L_I, L_w достаточно просто измеряются приборами, поэтому их полезно использовать для определения абсолютных значений p, I, W по обратным к (3.5) зависимостям

                  (3.6, а)

  (3.6, б)

  (3.6, в)  

Уровень суммы нескольких величин определяется по их уровням   L_i, i = 1, 2, ..., n соотношением

                            _(3.7)

_{где n - количество складываемых величин.}

_{Если складываемые уровни одинаковы , то}

  L_   = L+ 10 lg n.