Лекция № 10.

Акустические колебания, шум

Вопросы борьбы с шумом в настоящее время имеют большое значение в различных областях экономики, в том числе в машиностроении, на транспорте, в энергетике.

Шум на производстве наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека и снижая производи­тельность труда. Утомление рабочих, операторов и служащих из-за сильного шума увеличивает число ошибок при работе, способствует возникновению травм. Нередко и в быту человек подвергается воздействию шума недопустимо высоких уровней. Поэтому борьба с шумом является важной задачей.

Часто возникает необходимость защиты не только от шума, но и от инфра- и ультразвука.

Физические характеристики шума

По физической сущности упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в воздухе, жидкой или твердой средах под воздействием какой-либо возмущающей силы, относят к акустическим колебаниям. Они могут быть как слышимыми, так и не слышимыми.

Акустические колебания с частотой от 16 до 20000 Гц называются звуковыми, с частотой менее 16 Гц – инфразвуком, с частотой более 20 кГц – ультразвуком.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук.

Производственный шум как гигиенический фактор – совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой-либо возмущаю­щей силы. Частицы среды при этом начинают колебать­ся относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний значитель­но меньше скорости распространения волны (скорости звука с).

При нормальных атмосферных условиях (Т = 20⁰С и нормальном атмосферном давлении) скорость звука с в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое поле — это область пространства, в кото­рой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давле­нием, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р. Единица измерения звукового давления – паскаль (Па).

При распространении звуковой волны происходит пе­ренос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точ­ке среды в единицу времени, отнесенный к единице по­верхности, перпендикулярной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке  (Вт/м²):

Величины звукового давления и интенсивности зву­ка, с которыми приходится иметь дело в практике борь­бы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Естественно, что оперировать такими цифрами довольно неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что ухо человека способно реагировать на относительное из­менение интенсивности, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного рода раздраже­ниях, в частности при шуме, пропорциональны логариф­му количества энергии раздражителя. Поэтому для характеристики акустического феномена принята специальная измерительная система интенсивности и энергии шума, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием, а именно шкала логарифмических единиц как наиболее объективная и соответствующая физиологической сущности восприятия. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука увеличивается в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале увеличение происходит соответственно на 1, 2, 3, единицы. Логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука, называется белом ( Б).

Уровень интенсивности звука L₁ (дБ) определяют по формуле:

L₁ = 10 lg I / I₀,

где I₀ - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости,

(I₀ = 10^-12 Вт/м²) на частоте 1000 Гц.

Величина уровня звукового давления L (дБ):

L = 20 lg Р / Р₀,

где Р – звуковое давление , Па;

Р₀ - нулевое значение интенсивности звука, условно принятое равным

210^-5 Па.

Таким образом, логарифмические единицы позволяют оценивать интенсивность звука не абсолютной величиной звукового давления, а ее уровнем, т.е. отношением фактически создаваемого давления к давлению, принятому за единицу сравнения. Такой единицей и принято считать минимальное давление, которое человек воспринимает как звук на частоте 1000 Гц, а именно 210^-5 Па.

Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук укладывается при таких условиях в 13 …14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), который соответствует минимальному приросту силы звука, различаемому ухом.

Таким образом, бел и децибел – это условные единицы, которые показывают, насколько данная интенсивность звука в логарифмическом масштабе больше интенсивности звука, соответствующей порогу слышимости. Измеряемые таким образом величины называются уровнями интенсивности шума или уровнями звукового давления.

Интенсивность шума определяют в пределах октав. Октавы – диапазон частот, в котором верхние границы частоты вдвое больше нижней (например, 40 – 80, 80 – 160 Гц). Для обозначения октавы обычно берут не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты: например, для октавы 40 - 80 Гц – среднегеометрическая составляет 62,5 Гц, для октавы 80 – 160 – среднегеометрическая – 125 Гц.

По частотной характеристике различают шумы:

- низкочастотные – до 350 Гц;

- среднечастотные – 350 – 800 Гц;

- высокочастотные – выше 800 Гц.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, их интенсивности складываются:

I = I₁  I₂  _….. I_п

Искомый уровень звукового давления при одновременной работе этих источников получается путем деления левой и правой частей уравнения на I_О и логарифмирования. После преобразования получаем:

L = 10 lg ( 10^{L1/ 10}  10^{L2/ 10}  … 10^{Lп/ 10}),

где L₁ , L₂ , L_п - уровни звукового давления, создаваемые каждым источником

Если имеется п одинаковых источников с уровнями звукового давленияL_I, то вычисления упрощаются:

L = L_I 10 lg п

Например, два одинаковых станка совместно создадут уровень шума на 3 дБ больше, чем каждый из них.

Любую зависимость какой-либо величины (например, звукового давления) от времени можно представить в виде сумы конечного или бесконечного числа синусоидальных колебаний этой величины. Каждое такое колебание характеризуется своим среднеквадратичным значением физической величины и частотой, т.е. числом колебаний в секунду (Гц). Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в дБ) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

Спектры получают, используя анализаторы шума – набор электрических фильтров, которые пропускают сигнал в определенной полосе частот полосе пропускания.

Шумы принято классифицировать (ГОСТ 12.1.003-83) по их спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра:

• широкополосные, с непрерывным спектром шириной более октавы (например, шум реактивного двигателя);

• тональные, в спектре которых имеются слышимые тона (шум дисковой пилы).

По временным характеристикам:

• постоянные, уровень звука которых за 8-ми часовой рабочий день изменяется не более, чем на 5 дБА;

• непостоянные, уровень звука которых за 8-ми часовой рабочий день изменяется более, чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы в свою очередь, подразделяются на:

• колеблющиеся во времени, уровень звука которых изменяется во времени непрерывно;

• прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется на 5 дБА и более, причем длительность интервалов, в течении которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

• импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с при этом уровни звука отличаются не менее, чем на 7 дБ.