1. Понятия о шуме и звуке

Шумом считается всякий нежелательный для человека звук, который оказывает вредное физиологическое и психологическое воздействие на его организм. Шум - это комплекс звуков различных частот и тонов. Все шумы по природе возникновения можно разбить на четыре вида: механические, аэродинамические, гидравлические и электрические. Причинами механических шумов являются ударные нагрузки и вибрации. Аэродинамические шумы являются следствием перехода энергии от вихревых возмущений к акустическим колебаниям при обтекании элементов конструкций потоками газа (воздуха). Гидравлические (гидродинамические) шумы связаны, например, с возникновением кавитации в насосах, гидравлического удара в гидросистемах, вихреобразования (турбулентности) при обтекании шероховатой внутренней поверхности труб потоком жидкости. Электрические шумы являются следствием колебаний ферромагнитных масс в электрических машинах под действием переменных в пространстве и времени электромагнитных полей. Обычно силовые установки, машины и механизмы являются одновременно источником шумов нескольких видов. Однако для ГТУ аэродинамический шум, возникающий, например, от вращающихся роторов компрессора и турбины, или при смешении с окружающей средой высокоскоростной струи газов, вытекающих из реактивного сопла ВРД, определяет максимальный уровень шума, который следует сравнивать со значениями, установленными нормативами.

Звук представляет собой упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в газах, жидкостях и твердых телах и воспринимаемые ухом человека. Человек слышит звук с частотами от 16 до 20 000 Гц. Наука о звуке называется акустикой. При восприятии звука различают громкость, высоту и тембр. Громкость звука определяется амплитудой колебаний, высота - частотой, тембр - амплитудой колебаний с более высокими частотами.

Шум состоит из очень слабых колебаний давления, которые распространяются по воздуху с местной скоростью звука. Эти колебания в общем случае изменяются в диапазоне от 2·10^-5 до 2 Па при стандартном значении атмосферного давления 101,325 кПа. Ухо человека уравновешивает постоянное давление, реагируя лишь на его колебания. Скорость звука определяется следующим выражением , где k - изоэнтропический показатель, равный отношению удельных теплоемкостей k = c_p/c_v (для воздуха k = 1.4), R - газовая постоянная, Т - абсолютная температура. При температуре 288 К и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна 331 м·с^-1. Существенным параметром в формуле для скорости звука является температура. Наличие температурных градиентов в атмосфере приводит к искривлению звуковых лучей, что может сказаться при распространении звука на большие расстояния. В выхлопных системах авиационных (ГТД) температура газов на выходе может быть 600 - 800 К, следовательно, местная скорость распространения звука возрастает в несколько раз. Звуковое поле - это область пространства, в котором распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени.

1. Основные параметры и характеристики

Длина звуковой волны λ связана со скоростью звука a и частотой f зависимостью а = f λ. Типичные длины звуковых волн могут изменяться от 17,2 м при 20 Гц до 17,2 мм при 20 кГц. Низкочастотные волны при распространении легко огибают угловые области и барьеры, в то время как для высокочастотного звука обычно образуются зоны акустической тени. Изменение давления в среде при распространении звуковых волн по сравнению с давлением при отсутствии волн называется звуковым давлением р, Па. Учитывая изменение звукового давления по времени, величина ² =/t, где t - время осреднения; τ - текущее время. Степень воздействия звука на органы слуха определяют по среднеквадратичному значению звукового давления:

р_зв = , (1)

В плоской звуковой волне (ТРЕБУЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ) отношение звукового давления p к колебательной скорости v (ТРЕБУЕТ ОПРЕДЕЛЕНИЯ) не зависит от амплитуды колебаний p/v = ρа, где v = - Awsin(.wt – kx). Для воздуха плотность ρ = 1,2 кг·м^-3 при нормальном атмосферном давлении.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения, называется интенсивностью звука в данной точке I_зв, Вт·м^-2. Интенсивность (сила) звука равна I = p_зв²/(ρа), где ρа - удельное акустическое сопротивление среды и для воздуха ρC = 413 Па·с·м^-1 при температуре 293 К. Указанная формула для определения интенсивности справедлива, если четко определено направление потока энергии. В замкнутом пространстве (например, в производственном помещении) имеют место многочисленные отражения звуковых волн и фактическое значение результирующей интенсивности может быть незначительно, даже если изменения акустического давления велики, и указанная выше зависимость I = f(p_зв) не может быть использована.

Величины звукового давления (Па) и силы звука (Вт·м^-2) изменяются, как это показано в таблице 1, в широких пределах от нижнего значения, соответствующего пределу чувствительности человеческого уха, до верхнего болевого предела, когда звук уже не слышен: 2·10^-5 < p_зв < 64,5 Па и 10^-12 < I_зв < 10 Вт·м^-2. В виброакустике используются логарифмические уровни параметров. Общепринятой мерой уровня звука являются децибелы. Это вызвано тем, что ощущения человека, возникающие при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Вследствие этого изменение уровня звука, например, на 5 дБ примерно соответствует такому же изменению слышимости при любом уровне. В то же время изменение звукового давления всего на 0,01 Па эквивалентно резкому изменению восприятия звука при низких уровнях и едва различимому при высоких уровнях. Понятие уровень всегда подразумевается при использовании шкалы, выраженной в децибелах. Следующие соотношения определяют величины уровней:

звукового давления (SPL) L_p = 10 lg (p_эф²/p_зв²) = 20 lg [_Δf/(2·10^-5)], где _Δf - среднеквадратичное давление в полосе частот Δf; р_зв = 2·10^-5 Па - пороговое значение звукового давления;

интенсивности звука L_I = 10 lg I_Δf/I₀, где I_Δf - интенсивность звука в полосе частот f, I₀ = 10^-12 Вт·м^-2 (численные значения L_р и L_I отличаются всего на 0,16 дБ);

звуковой мощности L_W = 10 lg (W/10^-12), где W - полная звуковая мощность источника, Вт; W₀ = 10^-12Вт - наименьшая величина звуковой мощности.

Если в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, то суммарная интенсивность шума I_Σ = I₁ + I₂ + … + I_n, где I₁, I₂, …, I_n - интенсивность отдельных источников. Если разделить это выражение на I_оп (ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ) и прологарифмировать его, то получим:

L_Σ = 10 lg (I_Σ/I₀) = 10 lg (I₁/I_îï + I₂/I_îï + … + I_n/I_оп) = 10 lg () = = 10 lg, где L₁, L₂, …, L_n - уровни интенсивности (звукового давления), создаваемые в расчетной точке каждой силовой и энергоустановкой в отдельности. Если на летательном аппарате (в машинном зале) установлено несколько (n) двигателей c уровнем звукового давления L, то L_Σ = L + 10 lg n = L + L. Например, при n = 2, 3 … 10 суммарный уровень L_Σ по сравнению с его значением для одного двигателя L₁ изменяется на величину L = L_Σ - L₁ = 3; 4, 7 … 10 дБ. Распространение звука в дальнем звуковом поле, где влияние конечных размеров и форм излучателя звука на характеристики звукового поля несущественны, определяется соотношением - 20 lg (r₀/r_i) – В. Величина определяет известный уровень звукового давления на заданном расстоянии r₀; r_i - расстояние, на котором оценивается величина ; В- дополнительное ослабление звука в атмосфере при поглощении звука воздухом, туманом, дождем, растительностью, стенами и т.д. Для идеальной среды, когда В= 0, уровень интенсивности звука при удвоении расстояния уменьшается примерно на 6 дБ.

Основной характеристикой шума являются спектры уровней среднеквадратичного звукового давления и уровня его интенсивности, т.е. распределение этих параметров по частоте. Спектр шума ВРД показан на рис. 1. Как видно, имеется непрерывный фон широкополосный или так называемый "белый" шум ОБОЗНАЧЕН 1 с наложенными на этот фон пиками интенсивности ОБОЗНАЧЕНЫ 2 в области средних частот, связанными с работой лопаточного аппарата ВРД и которые представляют собой дискретные составляющие или тональный шум (ДАТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЕ). Как известно, простейшая звуковая волна характеризуется периодически изменяющейся во времени амплитудой А = f (t) и периодом Т, где t - время, за которое наблюдался сигнал, Т - период изменения амплитуды А, f - частота , f = 1/T₀.

В действительности в реальных условиях акустические сигналы не являются повторяющимися и содержат все возможные частоты в заданном диапазоне, как это показано на рис. 1. Если отфильтровать одну произвольную частоту и проанализировать ее, то окажется, что соответствующая этой частоте амплитуда колебаний случайным образом изменяется во времени. Единственный способ описания частотного состава такого сигнала сводится к разложению общего диапазона частот на ряд слагаемых диапазонов и к определению уровня сигнала в каждом диапазоне. При определении спектра шума двигателя весь диапазон частот распределяют на отдельные полосы, соответствующие октаве. Более подробное представление о шуме можно получить с помощью спектров в 1/3 - октавном диапазоне частот. Октавой называется интервал между частотами, отличающийся в два раза, f₂ = 2f₁. При любом акустическом исследовании в качестве исходной принимается частота 1000 Гц, являющаяся центральной частотой октавной полосы 1000 Гц. Для 1/3 октавы соотношение между конечной частотой полосы и начальной будет f₂ = 1,26f₁ (см. табл. 2). Для авиационных двигателей, как правило, используется 1/3 - октавный спектр в диапазоне средних частот f_ср = 50 … 10 000 Гц, включающий 24 полосы. Измеряют средние уровни звукового давления в дБ в каждой отдельной частотной полосе, относя их к центральным частотам. В результате получают спектр шума, пример которого показан на рис. 1.

8. Действие шума на человека

   1. Воздействия шума

   Акустическое загрязнение среды обитания является частью общей экологической проблемы, относящейся к охране здоровья человека и окружающей среды, включая жизнь диких животных и птиц. В крупных населенных пунктах транспорт является основным источником шума, который наносит ущерб здоровью людей. Поэтому в современных условиях при интенсивном развитии автомобильного, железнодорожного и воздушного транспорта, а также роста мощности промышленных энергоустановок, предназначенных, в частности, для выработки электрической и тепловой энергии, проблема снижения шума является весьма актуальной. ( ПЕРЕФРАЗИРОВАТЬ (ИЗМЕНИТЬ ФОРМУ) ПРЕДЛОЖЕНИЕ)

   Действие шума на организм человека зависит от уровня звукового давления, характера шума (стабильный, тональный, импульсивный) и индивидуальных особенностей человека.

   Сильный шум нередко отражается на здоровье и работоспособности людей. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие сильного шума вызывает общее утомление и может привезти к глухоте. Действуя на центральную нервную систему, шум оказывает влияние на весь организм. От сильного шума (90 - 100 дБ) притупляется острота зрения, изменяются ритмы дыхания, сердечной деятельности, повышается кровяное давление, замедляется процесс пищеварения. Воздействуя на кору головного мозга, шум ускоряет процесс утомляемости, ослабляет внимание и замедляет психические реакции. В условиях производства сильный шум может способствовать возникновению травматизма. Эти патологические изменения, возникающие под влиянием шума, медики рассматривают как "шумовую болезнь". Звуковые колебания воспринимаются не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (так называемая костная проводимость), что при высоких уровнях усугубляет вредное воздействие шума. При уровне шума более 145 дБ возможен разрыв барабанных перепонок.

   Реакция человека на шум зависит не только от физического уровня шума, определяемого звуковым давлением в дБ по описанному выше методу, а и от целого ряда факторов, в том числе, от частотной характеристики (спектра) шума, продолжительности, монотонности или ударности действия и т.д.

   1. Коррекции уровня звукового давления

   Коррекции уровня звукового давления основываются на том, что слух человека не одинаково чувствителен к шуму на различных частотах (рис. 2).В таблице 3 представлены различные виды коррекции уровня звукового давления. Частотная коррекция А широко применяется для многих разновидностей транспортного шума. Его оценка приводится в дБА и в наибольшей мере соответствует кривой равной громкости с уровнем 30 дБ (рис. 2).

   Уровень L_A рекомендован Международной организацией по стандартизации (ISO) в качестве единицы оценки всех промышленных и транспортных шумов. На основе накопленного опыта оценки воздействия шума в промышленности и на транспорте разработаны критерии и санитарные нормы на допустимые уровни шума различного типа и времени его воздействия. Согласно этим критериям при увеличении времени воздействия шума вдвое допустимый уровень его должен быть уменьшен на 5 дБА. ( ПОСТРОИТЬ БОЛЕЕ ЯСНО). Следует иметь в виду, что уровень шума L_A является приближенным критерием и не всегда достаточно точно характеризует восприятие шума. Для оценки шума Международная организация по стандартизации рекомендовала семейство кривых ПС (дать определение), при построении которых использовался принцип "равной громкости". Кривые ПС можно использовать в сочетании с приближенным критерием L_A, как это сделано в санитарных нормах: допустимый уровень шума L_A должен быть на 5 дБ выше соответствующего номера кривой предельного спектра. В качестве примера приводятся уровни звукового давления самолета в условиях крейсерского полета, которые не должны превышать значений, соответствующих предельным спектрам, указанным в таблице 4. Уровни звукового давления в октавных полосах частот, соответствующие предельным спектрам, указаны в таблице 5.

   Коррекции видов В и С применяются редко, соответствуют кривым равной громкости в 70 и 100 дБ. Характеристика С практически линейна в измеряемом диапазоне частот, избыточное давление выражается в дБ (С) и используется, например, для расчета повреждений зданий при воздействии звуковых ударов. Коррекция D введена исключительно с целью измерения авиационного шума. В отличие от других видов коррекция D относится в основном к диапазону частот от 1 до 10 кГц. Это связано с формой кривых равной шумности, разработанных для оценки воздействия самолетов и показанных на рис. 3. Эти кривые были построены с учетом интенсивных дискретных составляющих, обусловленных шумом реактивного двигателя. Шум, регистрируемый во время пролета самолета, анализируется с интервалом 0,5 с. При этом полностью определяются текущие спектры шума в 1/3 - октавных полосах частот. ( не ясно).

   1. Уровень воспринимаемого шума

В результате проведения специальных экспериментов с участием большого количества людей в настоящее время введен новый способ оценки шумности с помощью единицы воспринимаемого шума, обозначаемой N. Одна единица воспринимаемого шума N равна 40 дБ уровня звукового давления производимого шума для октавы ,в которой частота изменяется от 600 до 1200 Гц .На рис. 4 приведены зависимости шумности от уровня звукового давления для разных октав. Чем больше частотность шума, тем выше величина воспринимаемого уровня шума при неизменном уровне звукового давления. Концепция уровня воспринимаемого шума, учитывается системой оценки PNL (дать определение), в которой уровень воспринимаемого шума выражается в специальных единицах - PN дБ

Для каждого интервала времени и для каждой полосы частот с помощью данных, представленных на рис.3, рассчитывается воспринимаемая шумность. Полученные значения шумности суммируются:

N = N_max + 0,15() , ( 2 )

где N_i - шумность в i-ом диапазоне; N_max - максимальная шумность в любом диапазоне. Суммарное значение шумности N снова преобразуется в уровень PNL: L_PN = 40 + 33,3 lg N.

Дальнейший расчет сводится к введению коррекции для каждого значения PNL, учитывающего интенсивные тональные составляющие шума. Для этого осуществляется анализ спектров в 1/3 - октавных полосах частот с целью выявления относительно больших пиковых составляющих и расчета поправок. В определенных случаях коррекция на тональность может достигать 6,7 дБ. Уровень воспринимаемого шума с поправкой на тональность обозначается PNLT. Для связи уровней, полученные с помощью коррекции А и D, и соответствующим уровнем PNL, можно использовать следующие эмпирические соотношения: L_PN L_A + 13 и L_PN L_D + 7.

Существует упрощенный способ определения максимального значения уровня воспринимаемого шума при пролете самолета PNL. В этом случае в каждой полосе октавных частот регистрируется максимальный уровень пролетного шума независимо от того, когда он появляется. Полученная совокупность уровней пересчитывается в шумность по данным рис. 4 и эти значения суммируются:

N = N_max + 0,3() , ( 3 )

Суммарное значение шумности преобразуется затем снова в уровень PNL ,поправка на тональность при этом не требуется.

Как видно из данных рис. 3 и 4 наиболее чувствительно ухо человека к частотам 3000 … 5000 Гц. Они самые неприятные для человека. Лучше воспринимается звук низких частот. Одинаково, например, воспринимается звуки с f = 100 Гц, L 107 дБ и f = 4000 Гц, L = 90 дБ (см. рис. 3) несмотря на то, что их интенсивности отличаются в десятки раз. Величины PNL численно совпадают с уровнем звукового давления L на кривых равной шумности при f = 1000 Гц. Увеличение уровня воспринимаемого шума на 10 PN дБ физиологически соответствует удвоению его раздражающего действия.