3. Спектры шума и звуковых волн.
Спектром называется зависимость уровня интенсивности звука или шума от частоты LJ (f). Отметим следующие особенности спектров звука, рассматриваемых в нашей работе (см. рис. 3.1).
1) Многие тысячелетия человек использует музыкальные инструменты; при этом он добивается «идеального благозвучия». Оказалось, что правильная настройка музыкальных инструментов (например, струн рояля или арфы) соответствует отношению частот звука, издаваемых соседними струнами, равному двум.
Известно, что lg 2 = 0,3010 = const; поэтому при использовании по оси частоты логарифмической шкалы расстояние между последовательными частотами постоянно.
Такой же масштаб используется и при построении спектра шума.
2) По определению шум есть набор беспорядочных звуковых колебаний. В математике такие физические явления определяют как случайные функции; при этом уровень шума на заданной частоте есть случайная величина.
Вопрос: Почему при измерениях уровня шума на заданной частоте стрелка прибора шумомера колышется?
Ответ: Уровень шума как случайная величина определяется двумя параметрами: математическим ожиданием и дисперсией. При измерениях мы воочию видим математическое ожидание (среднее значение за 3 – 6 сек.) и дисперсию (разброс уровня шума во времени). Это – второй классический пример случайной величины (первым является серия измерений какой – либо величины).
Замечание. При построении спектров шумов дисперсию обычно не указывают.
3) При измерениях спектра уровня шума на шумомерах высокого класса фильтры «вырезают» на каждой частоте f интервал интенсивности в диапазоне частот:
0,75 f ≤ f ≤ 1,5 f.
Поскольку на этом сравнительно узком интервале уровень интенсивности шума изменяется мало, точность измерений оказывается достаточно высокой. Как отмечалось выше, проблемы с точностью измерений возникают, если мы пытаемся определить суммарную энергию (интенсивность) шума во всем диапазоне частот.
4) Для спектров производственных шумов характерно наличие экстремума (максимума) в средней части спектра. Поэтому при измерениях уровня шума с целью получить максимальную точность измерений необходимо вначале найти частоту, на которой уровень интенсивность максимален; для этой частоты устанавливается уровень, чуть меньший 120 дБ (применительно к лабораторному оборудованию, используемому в работе).
4) Область слухового восприятия. Особенности, связанные с ней.
Диаграмма области слухового восприятия приведена на рис. 3.2.
Напомним, что диапазон слуха по частоте «нормального» человека простирается от 20 Гц до 20 000 Гц; с возрастом в области высоких частот наша чувствительность падает.
Частоты, меньшие 20 Гц, определяют как инфразвук; большие, чем 20 000 Гц, как ультразвук.
Особую роль в теории звуковых волн имеет частота 1000 Гц. При этой частоте:
- наш природный механизм «логарифмирования» энергии звуковых волн наиболее совершенен – условие (1) выполняется с наибольшей точностью;
- диапазон энергий звуковых волн, воспринимаемый нами, близок к максимальному значению;
- близка к максимальной величине энергия как производственных, так и природных шумов (см. рис. 1);
- «центр» частот речи (
)
близок к «центру» производственных и
природных шумов;
- имеет место совпадение с «центром» диапазона звуков, воспринимаемых нами.
Возможно, перечисленные особенности взаимосвязаны.
Поэтому:
- порог ощущения звука выбран при частоте 1 кГц;
- в случае, если в публикации не указана частота, «по умолчанию» предполагается, что речь идет о частоте 1 кГц (см., например, таблицу 1);
- в нормах уровней интенсивностей шумов, которые нельзя превышать («предельных спектрах»), указывается уровень при частоте 1 кГц (используется обозначение ПС - 80).
Отметим также, что наше ухо более чувствительно при высоких частотах; при этом «порог ощущения» по энергии оказывается в 10 – 100 раз меньше, чем при частоте 1 кГц.
Наконец, нормы на предельно – допустимые уровни шума учитывают нашу повышенную чувствительность к высоким частотам.
Мнемонический (для запоминания) вопрос: «Скажите, пожалуйста, что говорят основы безопасности жизнедеятельности (норма ПС – 80) о результатах спора (на «повышенных тонах») мужа и жены?»