МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

____________________________________________

Кафедра «Физика-2»

А.В. Пауткина

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по дисциплинам

«Физика» и

«Физико-химические процессы в техносфере»

Работы № 26

МОСКВА - 2006

УДК 57:53

П-21

Пауткина А.В. Методические указания к лабораторным работам по дисциплинам «Физика» и «Физико-химические процессы в техносфере». - М.: МИИТ, 2006. - 76 с.

Методические указания к лабораторным работам № 24, 25, 26 соответствуют программе и учебным планам по курсу общей физики, дисциплине «Физико-химические процессы в техносфере» и предназначены для всех специальностей институтов ИУИТ, ИСУТЭ, ИЭФ, ИТТиОП, Вечерний факультет.

© Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ), 2006

Работа № 26

ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ

Цель работы

Измерение уровня эффективного звукового давления.

Приборы и принадлежности

Прибор для измерения эффективного звукового давления (уровня звука) SLM 329 (Sound Level Meter 329).

Введение

Человек и животные живут в мире звуков и шумов, которые играют существенную роль в нашей повседневной жизни. С одной стороны, они являются сигналами информации, воспринимаемые индивидуумом. При этом звуки и шумы оказывают как желательные привычные (шум моря, леса, музыка), так и нежелательные, иногда травмирующие (шум технических механизмов, самолетов, грозы, взрывы и т.п.), физическое и психическое воздействия. С другой стороны, шумы играют существенную роль во многих областях науки и техники, таких как радиоэлектроника и радиотехника, оптика и астрономия, информатика и вычислительная техника и т.д.. Шумы, например, ограничивают чувствительность измерительной аппаратуры, уменьшают стабильность работы генераторов электрического тока, уменьшают устойчивость систем автоматического регулирования, ограничивают чувствительность и помехоустойчивость радиоаппаратуры.

Из выше сказанного становится понятным повышенный интерес к изучению звуков, шумов и вибраций.

В физике под звуком понимают упругие волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твёрдых средах. Диапазон звуковых волн достаточно широк. В быту (и в медицине) под звуком понимают явление субъективного восприятия органами слуха человека упругих волн, длины которых лежат в диапазоне от 16 Гц до 20000 Гц. На шкале звуковых волн упругие волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют инфразвуком; волны с частотами свыше 20 кГц называют ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны, лежащие в диапазоне от 10 до10 Гц, называют гиперзвуком.

Раздел физики, изучающий явления, связанные с источниками и распространением звуковых волн, называют акустикой.

Шум – беспорядочные колебания (флуктуации) различной физической природы, отличающиеся сложной временной и спектральной характеристикой. В зависимости от физической природы источника шума шумы разделяют на акустические и электрические.

Акустический шум

Источником акустического шума могут быть любые нежелательные механические колебания в твердых, жидких или газообразных средах. Можно выделить механический шум, вызываемый вибрацией и соударениями твердых тел (станки, машины, механические устройства); аэро- и гидродинамический шум, возникающий в турбулентных потоках газов и жидкостей в результате флуктуаций давления (шумы, возникающие в струе реактивного двигателя; в струе воды от винтов кораблей и подводных лодок и т.п.); термодинамический шум, обусловленный флуктуациями плотности газа (возникает, например, в процессе горения или при взрывах); кавитационный шум, связанный с захлопыванием газовых полостей (пузырьков) в жидкостях (явление кавитации).

Акустический шум может быть источником помех в работе радиоэлектронных устройств в низкочастотном диапазоне (вплоть до нарушения их работоспособности).

Электрический шум

К электрическим шумам относят нежелательные возмущения токов, напряжений или напряженностей электромагнитных полей в радиоэлектронных устройствах.

Различают шумы регулярные и флуктуационные. Первые носят периодический предсказуемый характер, вторые являются случайными. Примером регулярных шумов может служить фон переменного тока цепей питания радиоэлектронных устройств. Пример флуктуационного шума – электрические шумы, обусловленные неравномерностью эмиссии электронов в электровакуумных приборах (его называют дробовой шум), неравномерностью процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниковых приборах, тепловым движением заряда в проводниках, тепловым излучением Земли, Солнца, земной атмосферы и т.п.

По происхождению шумы подразделяются на естественные и технические. Естественные шумы обусловлены дискретным строением вещества и статистическим характером протекающих в нем процессов. К таким явлениям относятся тепловые движения носителей заряда, процессы рекомбинации, ионизации, прохождения частиц сквозь потенциальный барьер и т.д. В силу статистического характера процессов, являющихся причиной естественных шумов, они принципиально неустранимы. Технические шумы являются следствием конструктивно-технологического несовершенства радиоэлектронных устройств. К таким шумам относится, например, фон переменного тока цепей питания приборов, шумы вторичной электронной эмиссии, вибрации (вибрационные шумы). Вредное влияние технических шумов может быть существенно уменьшено или даже устранено более совершенными технологическими приемами разработки конструкции приборов.

Независимо от физической природы шум отличается от периодических колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс. Нередко шум представляет собой смесь случайных и периодических колебаний. Для описания шумов и их источников используют различные математические модели, соответствующие их временной, спектральной и пространственной структуре. Для количественной оценки шумов пользуются усредненными параметрами, которые определяются на основе статистических законов.

В быту под шумом понимают беспорядочные звуковые волновые помехи различной природы, оказывающие вредное воздействие на организм человека и, прежде всего мешающие правильному восприятию речи и музыки, отдыху и работе.

Орган слуха человека (ухо) воспринимает как слышимый звук колебания упругой среды с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Восприятие звука – субъективный процесс, зависящий, как отмечалось выше, от всех параметров звуковой волны (интенсивности, звукового давления, частоты). Все звуковые волны, интенсивности которых лежат между крайними значениями (порогом слышимости и порогом болевого ощущения) являются областью слышимости.

Повышенный уровень шума на рабочем месте отнесен к группе физически опасных и вредных производственных факторов.

Многочисленные исследования и повседневная деятельность свидетельствуют о том, что шум высокой интенсивности оказывает на человеческий организм вредное влияние: изменяется ритм сердечной деятельности, повышается кровяное давление, ухудшается слух, ускоряется процесс утомления, замедляются физические и психологические реакции. При обследовании рабочих многих шумных производств обнаружены различные расстройства функционального состояния центральной нервной системы, секреторной и моноторной систем, а также пищеварительного и желудочного тракта.

Неприятное воздействие шума в некоторой степени зависит от индивидуального отношения к нему. Например, шум, производимый самим оператором, беспокоит его меньше, чем более слабый, но раздражающий шум от постороннего источника.

Основные количественные характеристики звука

Интенсивность звука (сила звука)

Интенсивностью звука называется физическая величина, равная средней по времени энергии, переносимой за единицу времени звуковой волной через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны (плотность потока энергии). Для периодического звука усреднение проводится либо за промежуток времени, большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов.

Для плоской гармонической волны интенсивность звука равна:

(1)

где - амплитуда звукового давления; – амплитуда скорости колебаний; - плотность среды, в которой распространяется звук; – скорость звука в среде (фазовая или групповая, если дисперсия мала, то скорости практически совпадают).

В международной системе единиц СИ интенсивность звука измеряется в .

Уровень интенсивности

Уровень интенсивности – оценочная величина интенсивности, выраженная в децибелах (дБ). Число децибел N равно:

(2)

где - интенсивность данного звука, - пороговая интенсивность.

Пороговая интенсивность

Пороговая интенсивность – интенсивность, соответствующая порогу чувствительности уха человека. За пороговую интенсивность принята величина:

(3)

Другой количественной характеристикой звука является эффективное звуковое давление, т.к. человек физиологически воспринимает интенсивность звука как давление, которое оказывают звуковые волны на органы слуха. Количественной мерой в этом случае служит и уровень звукового давления. Следует отличать звуковое давление от давления звука. Давление звукового излучения (иначе – давление звука, радиационное давление) – постоянное давление, которое испытывает тело, находящееся в стационарном звуковом поле. Давление звукового излучения пропорционально плотности звуковой энергии. Оно мало по сравнению со звуковым давлением. Звуковое давление в несколько сот раз больше давления звука.

Эффективное звуковое давление

Эффективное звуковое давление – эффективное (или действующее) значение звукового давления (среднеквадратичное):

(4)

См. формулу (1).

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления – оценочная величина давления, выражаемая в белах (Б) или децибелах (дБ):

(5)

где - условный порог слышимости; k – нормировочный коэффициент. Если k=1, то уровень звукового давления измеряется в белах (Б); если k=10, то уровень звукового давления измеряется в дБ.

Условный порог слышимости

Условный порог слышимости задается как числовое значение звукового давления при частотах 1,5 – 3 кГц, равное

Более подробно теорию можно прочесть в методических указаниях «Шумы и вибрации» [1], а также в прилагаемом в конце данной работы списке литературы [2-6].

Описание прибора

Универсальный прибор SLM 329 (Sound Level Meter 329) позволяет провести измерения уровня эффективного звукового давления в широком диапазоне. Пределы измерений и спецификация прибора приведены в таблице 1.Шаг измерений и приборная погрешность приведены в таблице 2.

Прибор нельзя эксплуатировать в условиях:

повышенной влажности;

повышенной температуры (более );

при прямых ярких лучах Солнца; при попадании яркого света или заметном нагревании жидкокристаллический дисплей может стать чёрным, а сам прибор не пригодным для измерений. Однако если экстремальные условия всё же не привели к порче прибора, то после остывания в течение 1-2 часов прибор снова будет готов к работе;

сильного запыления или рядом с открытым огнём;

во время грозы или в районе сильных электромагнитных полей.

Перед началом работы прибор должен достичь комнатной температуры, поэтому, принеся его с мороза, не начинайте измерения сразу, подождите, пока прибор нагреется.

Питание осуществляется от батарейки 9 вольт. Когда ресурс батарейки заканчивается, в левой части дисплея появляется соответствующий значок. Необходимо сменить батарею. Смена батарейки производится только лаборантом или преподавателем.

Никогда не включайте прибор, когда открыт отсек батарейки.

Таблица 1

Технические характеристики и пределы измерений SLM 329 (спецификация прибора)

№	Параметр	Значение
1	Дисплей	Жидкокристаллический четырёхразрядный
2	Максимальная скорость измерений	2 измерения в секунду
3	Диапазон	От 40 дБ до 130 дБ
4	Частоты измеряемых сигналов	От 125 Гц до 8 кГц
5	Время проведения одного измерения	В режиме FAST 125 мс, в режиме SLOW 1 с
6	Рабочая температура	От до
7	Относительная влажность	От 10% до 75%, конденсат не допустим
8	Оптимальная температура для проведения измерений
9	Индикация необходимости замены батарейки	Если напряжение батарейки падает до уровня ниже 7,5 В, то на дисплее появляется значок
10	Рекомендуемые батарейки	NEDA 1604 9V или 6F22 9V («Крона»)
11	Время непрерывной работы без замены питания	В непрерывном режиме измерений время работы не более 10 часов
12	Вес	170 г с батарейкой
13	Размеры: длинаширинавысота	2315333 мм

Таблица 2

Шаг и точность измерений

Измеряемый параметр	Разрешение (шаг)	Приборная погрешность
При измерении эффективного звукового давления в пределах от 40 дБ до 130 дБ	0,5 дБ	дБ