5. Краткие теоретические сведения

5.1. Термины и определения

Шум как физическое явление представляет собой беспорядочное сочетание различных звуков. Звук - это особая группа колебаний частиц упругой среды (твердой, жидкой и газообразной) в интервале частот от 20 до 20000 Гц, воспринимаемых слуховым аппаратом человека.

Звуковые колебания создают в упругой среде избыточное давление, называемое звуковым (Р).

Звуковые волны переносят в направлении своего движения энергию.

Количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению бегущей волны, называется интенсивностью или силой звука (I).

Интенсивность (сила) звука связана со звуковым давлением зависимостью:

I=P²/c ,

где I - интенсивность звука, Вт/м²;

P - звуковое давление, Па;

 - плотность Среды, кг/м³;

с - скорость звука в среде, м/с.

Произведение c называется акустическим сопротивлением среды.

Диапазон значений силы звука или звукового давления, воспринимаемых слуховым аппаратом человека ограничен пороговыми значениями.

Минимальные значения (порог слышимости) соответствует едва ощущаемым звукам, вызывающим в органах слуха болевые ощущения. На частоте 1000 Гц, которая принимается эталонной для сравнения, отношение интенсивности на пороге болевого ощущения и пороге слышимости составляет 10¹². Этот огромный диапазон значений интенсивности звука или звукового давления для удобства измерений и расчетов, а также вследствие способности человеческого уха оценивать не абсолютное, а относительное изменение интенсивности звука или звукового давления, принято выражать в относительных, логарифмических единицах - децибелах (дБ). Измеряемые таким образом величины называются уровнями (L).

Уровень интенсивности (силы) звука:

L = 10 lg I/Ic ,

где I - текущее значение интенсивности звука:

Ic - значение интенсивности звука на порог слышимости.

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, можно записать:

L = 20 lg Р/Ро ,

где Ро - звуковое давление на пороге слышимости, равное 2*10^-5Па.

Для анализа шума чаще всего пользуются - графическим изображением его характеристик в зависимости от частоты или времени.

Для построения спектра слуховой диапазон частот разбивают на полосы, характеризуемые верхней f_в и нижней f_н граничной частотами. Каждую полосу в спектре представляют среднегеометрической частотой:

f_{ср. г} =  f_в f_н

В акустических измерениях и нормировании шума приняты следующие стандартные среднегеометрические частоты октавных полос: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 гц.

Как физиологическое явление, шум представляет собой специфическое ощущение, вызываемое действием звуковых волн на органы слуха человека. Физиологической характеристикой шумов является громкость. Понятием громкости шума учтена зависимость слухового ощущения от силы и частоты звука. Так звуки равной силы, но различной частоты воспринимаются ухом неодинаково громкими. На практике принято измерять не абсолютные значения, а уровни громкости, отсчитываемые от условного нулевого порога.

За единицу уровня громкости принимается 1 фон. Это уровень звукового давления равный 1 дБ на эталонной частоте 1000 Гц.

Зависимость уровней громкости от уровней звукового давления и частоты можно представить с помощью графика кривых равной громкости, представленных на рис. 3.

Каждая кривая является геометрическим местом точек, соответствующих различным по частоте и силе, но одинаково громким по восприятию звукам.

Уровни звукового давления особенно значительно отличаются от уровней громкости в области низких частот (до 500 Гц) и при значениях уровней звукового давления до 30 дБ.

В области частот от 500 до 2000 Гц уровни звукового давления и уровни громкости практически совпадают.

Точное совпадение уровней звукового давления и уровней громкости звуков наблюдается только на частоте 100 Гц, что вытекает из определения единицы уровня громкости.