Поняття шуму та його фізичних характеристик

Шум – це сукупність звуків різноманітної частоти та інтенсивності, що виникають у результаті коливального руху частинок у пружному середовищі (твердому, рідкому, газоподібному). Джерелами шуму являються промислові об’єкти, усі види транспорту, будівельні машини, музичні інструменти, групи людей, окремі особи, тощо.

Шум – один із видів звуку, який називають “небажаним” звуком. З курсу фізики відомо, що процес поширення коливального руху в середовищі називається звуковою хвилею, а частина простору, в якому поширюються звукові хвилі, називається звуковим полем.

Основними фізичними характеристиками шуму є: частота ƒ (Гц) – число коливань звукової хвилі за 1 с.; звуковий тиск Р (Па) – різниця між миттєвим значенням певного тиску та тиском в незбуреному середовищі; інтенсивність (або сила) звуку J (Вт/м²) – потік енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, що переноситься звуковою хвилею через одиницю площі поверхні (1 м²), яка перпендикулярна до напрямку поширення хвилі; звукова потужність W(Вт) – загальна кількість звукової енергії, що випромінює джерело шуму в оточуюче середовище за одиницю часу. Швидкість поширення звукових хвиль в атмосферному повітрі при нормальних атмосферних умовах (t = 20⁰ С, Р = 1013 гПа), становить 344 м/с. Органи слуху людини з нормальним слухом сприймають звукові коливання в інтервалі частот від 16 до 20000 Гц. Коливання з частотою нижче 16 Гц називаються інфразвуковими, а вище 20000 Гц – ультразвуковими. В свою чергу звуковий діапазон прийнято підрозділяти на низькочастотний – до 400 Гц, середньочастотний − 400-1000 Гц, високочастотний – більше 1000 Гц.

Найменша інтенсивність звуку J₀ і найменше значення звукового тиску Р₀, які сприймає вухо людини, називається порогом чутності. Порогові значення J₀ і Р₀ залежать від частоти звуку. У різних людей поріг чутності різний. В зв’язку з тим, що людина найкраще чує звуки в інтервалі частот від 1000 до 3000 Гц, за стандартну частоту прийнято 1000 Гц. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р₀ = 2 · 10^-5 Па, інтенсивність = 10^-12 Вт/м² – це поріг чутності. При звуковому тиску Р_б =2 · 10² Па, інтенсивності J_б = 10² Вт/м² виникають болісні відчуття в органах слуху людини. Це больовий поріг.

Між порогом чутності і больовим порогом знаходиться ділянка чутності. В ній зміни звукового тиску і інтенсивності звуку, які чує людина, надзвичайно великі і становлять відповідно 10⁷ і 10¹⁴ разів, тому оперувати числами, що мають такий великий розбіг, неможливо. А.Г.Бел (винахідник телефону) запропонував використати логарифмічну шкалу, яка дає змогу визначати рівень шуму у відносних одиницях. Тобто вимірювати звуковий тиск і інтенсивність шуму не абсолютними значеннями фізичних величин, а логарифмами відношень цих величин до значень, що відповідає порогові чутності при частоті 1000 Гц. Ці логарифми відношень називають рівнями звукового тиску (L_p), інтенсивності (L_J) і виражають в белах (Б).

L_J = lg J_б / J₀ = lg10² / 10^-12 = lg 10¹⁴ = 14· lg 10 = 14 Б (13.1)

Оскільки орган слуху людини здатний розрізняти зміни інтенсивності звуку на 0,1 Б, то для практичного використання зручнішою є одиниця, яка в 10 разів менша і називається децибел (дБ), тобто 14Б = 140 дБ. Поріг дискомфорту (біль у вусі) відповідає звуковому тиску 140 дБ. Шум з рівнем звукового тиску до 30-35 дБ не турбує людину. При дії шуму з рівнем звукового тиску понад 140 дБ може привести до розриву барабанних перетинок, контузії, а при рівні понад 160 дБ – до смерті.

Наприклад, шум лісу взимку в тиху погоду оцінюється в 10 дБ, а розмова середньої чутності на відстані 1 м – в 60 дБ. Це не означає, що розмова перевищує за чутністю шум лісу у 6 разів. Відповідно до Бела одержуємо 10⁶ / 10¹ = 10⁵ = 100000. Ця цифра означає, що розмова середньої чутності “голосніша” за чутність лісу в 100000 разів, що в свою чергу ілюструє основний психофізіологічний закон Вебера-Вехнера: інтенсивність відчуття пропорційна логарифму інтенсивності подразника.

В математичній формі цей закон виражається так:

S = C· lg J, ( 13.2 )

де S - інтенсивність (або сила) відчуття; J - величина чинного подразника; C - коефіцієнт пропорційності.

Отже використання логарифмічної шкали для вимірювання шуму дозволяє вкладати великий діапазон значень звукового тиску і інтенсивності в порівняно невеликий інтервал від 0 до 140дБ

Вплив шуму на організм людини. Шум являється однією із форм фізичного (хвильового) забруднення навколишнього середовища. Негативна дія шуму на організм людини відома давно. Шум, який є загальним біологічним подразником, за певних умов може впливати на всі органи та системи організму і викликати фізіологічні зміни. Впливаючи на організм як стрес-фактор, шум викликає зміни реактивності центральної нервової системи, наслідком чого стають розлади функцій органів та систем. Дослідженнями вчених встановлено, що гучний шум (навіть музика на рок-концертах) сприймаються не тільки органами слуху, а й шкірою, серцем, органами дихання. Такий шум є причиною виділення в кров людини великої кількості гормонів (наприклад, адреналіну), що сприяє виникненню почуття страху і небезпеки. Звичайно, молоді люди витримують шум більш інтенсивний, ніж люди середнього, а тим більше похилого віку. Проте згодом дія надмірного шуму приводить до розвитку шумової патології. Основне значення в розвитку шумової патології має інтенсивність шуму, його частотний склад, тривалість щоденного впливу, індивідуальна чутливість. В більшості людей ушкоджуються органи слуху, знижується гострота зору, знижується чутливість розрізнення кольорів. Страждає від шуму також вестибулярний апарат; люди скаржаться на головний біль, запаморочення, погіршення пам’яті, підвищену втомлюваність, порушення сну, серцебиття та біль в ділянці серця. Спостерігається дисфункція шлунка, зміна кислотності шлункового соку, підвищення внутрічерепного тиску, порушення процесів обміну речовин в організмі.

Медики відзначають особливо несприятливу дію навіть незначних за рівнем шумів у години відпочинку і передовсім сну, коли найбільш повно повинні відновлюватись сили людини.

Не зайве нагадати, що у зв’язку з вищезазначеним у нашій країні, як і в багатьох інших, діє заборона щодо порушення тиші у житлових масивах з 23.00 до 7.00.

Але шум може впливати на організм людини і позитивно. Здавна відомо, що тихий шелест листя дерев, спів птахів, рокіт морського прибою поліпшує самопочуття людини, діє заспокійливо на неї. З надмірним шумом необхідно боротися. Тиша і спокій людині потрібні так само, як повітря, вода, сонце.