Характеристики акустических колебаний

Органы слуха человека воспринимают звуковые волны с частотой от16 до 20000 Гц (звук).Колебания с частотой ниже 20 Гц (инфразвук) и выше 20000 Гц (до 10⁹) (ультразвук)не вызывают слуховых ощуще­ний, но оказывают биологическое воздействие на организм. Ухо человека способно реагировать на изменения давления от 2 × 10^-5 до 200 Па. Эти величины по­лучили название пороговых — соответственно нижнее и верх­нее пороговые давления. Верхний порог слышимости называют также болевым порогом, так как при таких давлениях возникают резкие боли в ушах.

При звуковых колебаниях частиц среды в ней возникает перемен­ное давление, которое называют звуковым давлением. Характеристика источника шума, определяющая полную энергию, излучаемую источником в окружающее пространство за единицу времени, называется акустической мощностью (P). Акустическая мощность (поток звуковой энергии) – величина, равная отношению звуковой энергии, переносимой упругой средой через заданную поверхность, к интервалу времени, за который эта энергия переносится. Единицей измерения акустической мощности является ватт (Вт).

Распростра­нение звуковых волн связано с переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу по­верхности (S, м²), называется интенсивностью звука I (Вт/м²). Общее коли­чество звуковой энергии, Вт, излучаемой источником в единицу вре­мени, называется звуковой мощностью W:

W = I * S

Невозможно создать для измерений прибор со шкалой равноценных делений от верхнего до нижнего предела слышимости. Для измерения уровня звукового давления установлена логариф­мическая шкала, каждая ступень которой соответствует изменению интенсивности шума в 10 раз или на 1 бел (Б). Так, если интенсив­ность одного звука больше интенсивности другого в 10 раз, то счита­ют, что второй звук больше первого на один бел, если в 100 раз — на 2 бела и т. д.В связи с этим на практике принято оценивать звуковое давление не в абсолютных величинах, а в их логарифмических уровнях — децибелах(дБ), определяемых по формуле:

L = 20lg(P/P_о)

где Р — среднеквадратичное звуковое давление, Па, в данной полосе частот; Р_о = 2 × 10^-5 Па — значение давления, приблизительно соответ­ствующее порогу чувствительности на частоте 1000 Гц (порог слыши­мости). Диапазон слышимых звуков для человека составляет от ~0 до 170 дБ.

Для интегральной оценки шума используется уровень звука L_А, дБА:

L_А = 20lg(Р_А/Р₀),

где Р_А — среднеквадратичное звуковое давление, Па, измеренное с уче­том корректировки частотной характеристикой шумомера (шкала А), отражающей частотную чувствительность человеческого уха.

По частоте шумы подразделяются на:

· низкочастотные (максимум звукового давления в диапазоне частот ниже 400 Гц),

· среднечастотные (400—1000 Гц)

· высокочастотные (свыше 1000 Гц).

Для определения частотной характеристики шума звуковой диапазонпо частоте разбивают на октавные полосы частот, где верхняя граничная частота f_B равна удвоенной нижней частоте f_H, т.е. f_B/f_H = 2. Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой:

f_ср = (f_B * f_H)^1/2.

Всего используют 9 октавных полос со следующими сред­негеометрическими частотами: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, на каждой из которых измеряют уро­вень звукового давления.

Спектральный состав шума (уровень шума на каждой ак­тивной полосе) необходимо знать при определении источника шума и разработке мер защиты от него. Дело в том, что частот­ные характеристики шума соответствуют тем или иным часто­там вращения, перемещения или вибрации отдельных деталей и узлов механизмов. Сравнивая частотную характеристику шума с частотами движения деталей, можно определить, ка­кие из них являются источниками повышенного шума, и при­нять необходимые меры по его устранению. Кроме того, спосо­бы защиты от низкочастотных и высокочастотных звуков на пути их распространения имеют определенные различия.

По характеру спектра шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром шириной более одной октавы и тональный, в спектре которого имеются выраженные дискретные тона. По временным характеристикам шум подразделяется на постоян­ный и непостоянный (колеблющийся во времени, прерывистый, им­пульсный).

Постоянный шум – уровни шума в течение дительного времени изменяются незначительно +/- 5 дБА.

Прерывистый шум – шум, уровень которого периодически резко падает до фонового значения.

Колеблющийся шум – шум, уровень которого постоянно меняется во времени.

Импульсный шум – последовательность звуковых сигналов длительностью менее 1 сек.

Шум, создаваемый частями и деталями различных приспособлений и устройств, совершающих движение, трение, удары, вращение и т. д., является механическим. При этом часть механической энергии превращается в тепловую энергию или другие ее виды, в том числе и полезные, а частично – в звуковую энергию, в данном случае не являющуюся полезной. Вибрирующие механические части заставляют колебаться частички воздуха, расположенного вблизи них, создавая давление и раздражение и тем самым звуковую волну в воздухе.

Уровни звукового давления являются логарифмическими величинами, поэтому при сравнении разных источников шума или при определении суммарного шума от нескольких источ­ников их нельзя складывать или вычитать чисто арифмети­чески. Для этого используют формулу:

где L₁, L₂ ,L_n— уровни звукового давления, создаваемые в расчетной точке 1, 2, n-ым источниками шума.

Если источники шума одинаковые по интенсивности (если L₁ = L₂ = L_n), то предыдущее выражение может быть упро­щено:

L_сум = L + 10 lg n,

где L — уровень шума от одного источника; n— количество одинаковых по интенсивности источников шума.

Если один источник шума создает уровень звукового давле­ния 90 дБ, а другой — 84 дБ, то их суммарный уровень будет не 174 дБ.

Эквивалентный (по энергии) уровень звука непостоянно­го шума — это такой уровень постоянного широкополосного шума, который в течение какого-то определенного времени, например за рабочую смену, создает ту же дозу шума (или имеет ту же энергию), что и данный непостоянный шум. Эквивалентный уровень отражает среднее значение уровня шума за смену. В общем виде эквивалентный уровень звука определяют по формуле:

где L — уровни шума, действующие в интервале времени t, Т — суммарная длительность всех циклов уровней шума (Т = Σt_i), n — число циклов уровней шума, t — длитель­ность циклов шума.