Физические и физиологические характеристики звуковых волн. Характеристики слухового ощущения Акустические колебания физические и физиологические характеристики шума

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными (физическими) характеристиками звуковой волны.

Воспринимаемые звуки человек различает их по тембру, высоте, громкости.

Тембр – « окраска» звука и определяется его гармоническим спектром. Различные акустические спектры соответствуют разному тембру, даже в том случае, когда основной тон у них одинаков. Тембр – это качественная характеристика звука.

Высотатона – субъективная оценка звукового сигнала, зависящая от частоты звука и его интенсивности. Чем больше частота, главным образом, основного тона, тем больше высота воспринимаемого звука. Чем больше интенсивность, тем ниже высота воспринимаемого звука.

Громкость – также субъективная оценка, характеризующая уровень интенсивности.

Громкость главным образом зависит от интенсивности звука. Однако восприятие интенсивности зависит от частоты звука. Звук большей интенсивности одной частоты может восприниматься как менее громкий, чем звук меньшей интенсивности другой частоты.

Опыт показывает, что для каждой частоты в области слышимых звуков

(16 – 20 . 10 3 Гц) имеется так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность, при которой ухо еще реагирует на звук. Кроме того, для каждой частоты имеется так называемый порог болевых ощущений, т.е. то значение интенсивности звука, которое вызывает боль в ушах. Совокупности точек, отвечающих порогу слышимости, и точек, соответствующих порогу болевых ощущений, образуют на диаграмме (L,ν) две кривые (рис.1), которые пунктиром экстраполированы до пересечения.

Кривая порога слышимости (а), кривая порога боли (б).

Область, ограниченная этими кривыми, называется областью слышимости. Из приведенной диаграммы, в частности, видно, что менее интенсивный звук, соответствующий точке А, будет восприниматься более громким, чем звук более интенсивный, соответствующий точке В, так как точка А более удалена от порога слышимости, чем точка В.

4. Закон Вебера-Фехнера .

Громкость может быть оценена количественно путем сравнения слуховых ощущений от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит психофизический закон Вебера-Фехнера. Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковое значение).

Применительно к звуку это формулируется так: если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например, а I 0 , а 2 I 0,

а 3 I 0 ,….(а - некоторый коэффициент, а > 1) и т.д., то им соответствуют ощущения громкости звука Е 0 , 2 Е 0 , 3 Е 0 ….. Математически это означает, что уровень громкости звука пропорционален десятичному логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражителя с интенсивностями I и I 0, причем I 0 – порог слышимости, то согласно закону Вебера-Фехнера уровень громкости Е и интенсивность I 0 связаны следующим образом:

Е= k lg (I / I 0),

где k – коэффициент пропорциональности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале уровней громкостей. В этом случае уровень громкости звука так же, как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы: Е= k lg(I / I 0).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы уровней громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е. k = 1 и Е Б = lg (I / I 0). Чтобы различить шкалы громкости и интенсивности звука, децибелы шкалы уровней громкости называют фонами (фон).

Е ф = 10 k lg(I / I 0)

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук

со звуком частотой 1 кГц.

Кривые равной громкости. Зависимость громкости от частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков (рис. 2), которые называются кривыми равной громкости. Эти кривые характеризуют зависимость уровня интенсивности L от частоты ν звука при постоянном уровне громкости. Кривые равной громкости называют изофонамим.

Нижняя изофона соответствует порогу слышимости (Е = 0 фон). Верхняя кривая показывает верхний предел чувствительности уха, когда слуховое ощущение переходит в ощущение боли (Е = 120 фон).

Каждая кривая соответствует одинаковой громкости, но разной интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости.

Звуковые измерения . Для субъективной оценки слуха применяется метод пороговой аудиометрии.

Аудиометрия – метод измерения пороговой интенсивности восприятия звука для разных частот. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения на разных частотах:

L п = 10 lg (I п /I 0),

где I п – пороговая интенсивность звука, которая приводит к возникновению слухового ощущения у испытуемого. Получают кривые – аудиограммы, которые отражают зависимость порога восприятия от частоты тона, т.е. это спектральная характеристика уха на пороге слышимости.

Сравнивая аудиограмму пациента (рис. 3, 2) с нормальной кривой порога слухового ощущения (рис. 3, 1), определяют разность уровней интенсивности ∆L=L 1 –L 2 . L 1 – уровень интенсивности на пороге слышимости нормального уха. L 2 - уровень интенсивности на пороге слышимости исследуемого уха. Кривая для ∆L (рис3, 3) называется потерей слуха.

Аудиограмма в зависимости от характера заболевания имеет вид, отличный от аудиограммы здорового уха.

Шумомеры – приборы для измерения уровня громкости. Шумомер снабжен микрофоном, который превращает акустический сигнал в электрический. Уровень громкости регистрируется стрелочным или цифровым измерительным прибором.

5. Физика слуха: звукопроводящая и звукопринимающая части слухового аппарата. Теории Гельмгольца и Бекеши.

Физика слуха связана с функциями наружного (1,2 рис.4), среднего (3, 4, 5, 6 рис.4) и внутреннего уха (7-13 рис. 4).

Схематическое представление основных элементов слухового аппарата человека: 1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4, 5, 6 – система косточек, 7 – овальное окно (внутреннего уха), 8 – вестибулярная лестница, 9 – круглое окно, 10 – барабанная лестница, 11 – геликотрема, 12 - улитковый канал, 13 - основная (базилярная) мембрана.

По выполняемым функциям в слуховом аппарате человека можно выделить звукопроводящую и звукопринимающую части, основные элементы которых представлены на рис.5.

1 – ушная раковина, 2 – наружный слуховой проход, 3 – барабанная перепонка, 4– система косточек, 5 – улитка, 6 – основная (базилярная мембрана, 7 – рецепторы, 8 – разветвление слухового нерва.

Основная мембрана весьма интересная структура, она обладает частотно-избирательными свойствами. На это обратил внимание еще Гельмгольц, который представлял основную мембрану аналогично ряду построенных струн пианино. По Гельмгольцу, каждый участок базилярной мембраны резонировал на определенную частоту. Лауреат Нобелевской премии Бекеши установил ошибочность этой резонансной теории. В работах Бекеши было показано, что основная мембрана является неоднородной линией передачи механического возбуждения. При воздействии акустическим стимулом по основной мембране распространяется волна. В зависимости от частоты эта волна по-разному затухает. Чем меньше частота, тем дальше от овального окна (7 рис.4) распространяется волна по основной мембране, прежде чем она начнет затухать. Так, например, волна с частотой 300 Гц до начала затухания распространяется приблизительно на 25 мм от овального окна, а волна с частотой 100 Гц достигает своего максимума вблизи 30 мм.

Согласно современным представлениям восприятие высоты тона определяется положением максимума колебаний основной мембраны. Эти колебания, воздействуя на рецепторные клетки кортиева органа, вызывают возникновение потенциала действия, который по слуховым нервам передается в кору головного мозга. Головной мозг окончательно обрабатывает поступающие сигналы.

Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

(9.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.

Звук или шум возникает при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Шумом являются различные звуки, мешающие нормальной деятельности человека и вызывающие неприятные ощущения. Звук представляет собой колебательное движение упругой среды, воспринимаемое нашим органом слуха. Звук, распространяющийся в воздушной среде, принято называть воздушным шумом; звук, передающийся по строительным конструкциям, называют структурным. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в воздухе по сравнению с атмосферным в невозмущенной среде называют звуковым давлением р (Па), именно на изменение давления в воздухе реагирует наш орган слуха. Чем больше давление, тем сильнее раздражение органа слуха и ощущение громкости звука. Звуковая волна характеризуется частотой f и амплитудой колебания. Амплитуда колебаний звуковой волны определяет звуковое давление; чем больше амплитуда, тем больше звуковое давление и громче звук. Время одного колебания называют периодом колебаний Т (с): T=1/f.

Расстояние между двумя соседними участками воздуха, имеющими в одно и то же время одинаковое звуковое давление, определяется длиной волны X.

Часть пространства, в котором распространяются звуковые волны называют звуковым полем. Любая точка звукового поля характеризуется определенным звуковым давлением р и скоростью движения частиц воздуха.

Звуки в изотропной среде могут распространяться в виде сферических, плоских и цилиндрических волн. Когда размеры источника звука малы по сравнению с длиной волны, звук распространяется по всем направлениям в виде сферических волн. Если размеры источника больше, чем длина излучаемой звуковой волны, то звук распространяется в виде плоской волны. Плоская волна образуется на значительных расстояниях от источника любых размеров.

Скорость распространения звуковых волн с зависит от упругих свойств, температуры и плотности среды, в которой они распространяются. При звуковых колебаниях среды (например, воздуха) элементарные частички воздуха начинают колебаться около положения равновесия. Скорость этих колебаний v намного меньше скорости распространения звуковых волн в воздухе с.

Скорость распространения звуковой волны (м/с)

C=λ/Т или C=λf

Скорость звука в воздухе при t = 20 °С примерно равна 334, а стали - 5000, в бетоне - 4000 м/с. В свободном звуковом поле, в котором отсутствуют отраженные звуковые волны, скорость относительных колебаний

v = р/ρс,

где р - звуковое давление, Па; ρ - плотность среды, кг/м 3 ; ρс - удельное акустическое сопротивление сред (для воздуха ρс = 410 Па-с/м).

При распространении звуковых волн происходит перенос энергии. Переносимая звуковая энергия определяется интенсивностью звука I . В условиях свободного звукового поля интенсивность звука измеряют средним количеством энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения звука.

Интенсивность звука (Вт/м 2) является векторной величиной и может быть определена из следующей зависимости

I=p 2 /(ρc); I=v∙p:

где р - мгновенное значение звукового давления, Па; v - мгновенное значение колебательной скорости, м/с.

Интенсивность шума (Вт/м 2), проходящего через поверхность сферы радиуса г, равна излучаемой мощности источника W, деленной на площадь поверхности источника:

I= W/(4πr 2).

Эта зависимость определяет основной закон распространения звука в свободном звуковом поле (без учета затухания), согласно которому интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния.

Характеристикой источника звука является звуковая мощность W (Вт), которая определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой всей поверхностью источника S в единицу времени:

где I н - интенсивность потока звуковой энергии в направлении нормали к элементу поверхности.

Если на пути распространения звуковых волн встречается препятствие, то в силу явлений дифракции происходит огибание препятствия звуковыми волнами. Огибание тем больше, чем больше длина волны по сравнению с линейными размерами препятствия. При длине волны меньше размера препятствия наблюдается отражение звуковых волн и образование за препятствием «звуковой тени», где уровни звука значительно ниже по сравнению с уровнем звука, воздействующим на преграду. Поэтому звуки низкой частоты легко огибают препятствия и распространяются на большие расстояния. Это обстоятельство необходимо всегда учитывать при использовании шумозащитных экранов.

В закрытом пространстве (производственном помещении) звуковые волны, отражаясь от преград (стен, потолка, оборудования), образуют внутри помещения так называемое диффузное звуковое поле, где все направления распространения звуковых волн равновероятны.

Разложение шума на составляющие его тона (звуки с одной частотой) с определением их интенсивностей называют спектральным анализом, а графическое изображение частотного состава шума - спектром. Для получения частотных спектров шумов производят измерение уровней звукового давления на различных частотах с помощью шумо-мера и анализатора спектра. По результатам этих измерений на фиксированных стандартных среднегеометрических частотах 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц строят спектр шума.

На рис! 11.1, а...г приведены графики звуковых колебаний в координатах (уровень звукового давления - время). На рис. 11.1, д...з изображены соответственно спектры звука в координатах (уровень звукового давления - частота). Частотный спектр сложного колебания, состоящего из множества простых тонов (колебаний), представлен рядом прямых линий разной высоты, построенных на различных частотах.

Рис. 11.1. Графики звуковых колебаний соответствующие им спектры звука.

Орган слуха человека способен воспринимать значительный диапазон интенсивностей звука - от едва различимых (на пороге слышимости) до звуков на пороге болевого ощущения. Интенсивность звука на грани болевого порога в 10 16 раз превышает интенсивность звука на пороге слышимости. Интенсивность звука (Вт/м 2) и звуковое давление (Па) на пороге слышимости для звука с частотой 1000 Гц соответственно составляют I 0 =10 -12 и p о = 2∙.1О -5 .

Практическое использование абсолютных значений акустических величин, например, для графического представления распределения звукового давления и интенсивностей звука по частотному спектру неудобно из-за громоздких графиков. Кроме того, важно учитывать факт реагирования органа слуха человека на относительное изменение звукового давления и интенсивности по отношению к пороговым величинам. Поэтому в акустике принято оперировать не абсолютными величинами интенсивности звука или звукового давления, а их относительными логарифмическими уровнями L, взятыми по отношению к пороговым значениям ρ о или I 0 .

За единицу измерения уровня интенсивности звука принят один бел (Б). Бел - это десятичный логарифм отношения интенсивности звука I к пороговой интенсивности. При I/I 0 =10 уровень интенсивности звука L =1B, при I/I 0 =100 L = 2Б; при I/I 0 =1000 L = 3Б и т. д.

Однако ухо человека четко различает изменение уровня звука на 0,1 Б. Поэтому в практике акустических измерений и расчетов пользуются величиной 0,1 Б, которая названа децибелом (дБ). Следовательно, уровень интенсивности звука (дБ) определяется зависимостью

L=10∙lgI/I 0 .

Так как I = Р 2 /ρс, то уровень звукового давления (дБ) вычисляют по формуле

L = 20lgP/P 0 .

Орган слуха человека и микрофоны шумомеров чувствительны к изменению уровня звукового давления, поэтому нормирование шумов и градация шкал измерительных приборов осуществляется по уровню звукового давления (дБ). В акустических измерениях и расчетах пользуются не пиковыми (максимальными) значениями параметров I; Р; W, а их среднеквадратичными значениями, которые при гармонических колебаниях в раз меньше максимальных. Введение среднеквадратичных величин определяется тем, что они непосредственно отражают количество энергии, содержащейся в соответствующих сигналах, получаемых в измерительных приборах, а также и тем, что орган слуха человека реагирует на изменение среднего квадрата звукового давления.

В производственном помещении находятся обычно несколько источников шума, каждый из которых оказывает влияние на общий уровень шума. При определении уровня звука от нескольких источников пользуются специальными зависимостями, так как уровни звука складываются не арифметически. Например, если каждая из двух виброплощадок создает шум в 100 дБ, то суммарный уровень шума при их работе будет 103 дБ, а не 200 дБ.

Два одинаковых источника совместно создают уровень шума на 3 дБ больше, чем уровень каждого источника.

Суммарный уровень шума от п одинаковых по уровню шума источников в точке, равноудаленной от них, определяют по формуле

L сум =L+10lg n

где L - уровень шума одного источника.

Суммарный уровень шума в расчетной точке от произвольного числа источников разной интенсивности определяют по уравнению

где L 1 , ..., L n - уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым из источников в расчетной точке.

11.2. ДЕЙСТВИЕ ШУМА

НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА. ДОПУСТИМЫЕ УРОВНИ ШУМА

С физиологической точки зрения шумом является любой звук, неприятный для восприятия, мешающий разговорной речи и неблагоприятно влияющий на здоровье человека. Орган слуха человека реагирует на изменение частоты, интенсивности и направленности звука. Человек способен различать звуки в диапазоне частот от 16 до 20 000 Гц. Границы восприятия звуковых частот неодинаковы для различных людей; они зависят от возраста и индивидуальных особенностей. Колебания с частотой ниже 20 Гц (инфразвук) и с частотой свыше 20 000 Гц (ультразвук), хотя и не вызывают слуховых ощущений, но объективно существуют и производят специфическое физиологическое воздействие на организм человека. Установлено, что длительное воздействие шума вызывает в организме различные неблагоприятные для здоровья изменения.

Объективно действие шума проявляется в виде повышенного кровяного давления, учащенного пульса и дыхания, снижения остроты слуха, ослабление внимания, некоторого нарушения координации движения и снижения работоспособности. Субъективно действие шума может выражаться в виде головной боли, головокружения, бессонницы, общей слабости. Комплекс изменений, возникающих в организме под влиянием шума, в последнее время медиками рассматривается как «шумовая болезнь».

Медико-физиологические исследования показали, например, что при выполнении сложных работ в помещении с уровнем шума 80...90 дБА рабочий в среднем должен затратить на 20% больше физических и нервных усилий, чтобы иметь производительность труда, достигаемую при шуме 70 дБА. В среднем можно считать, что снижение уровня шума на 6... 10 дБА ведет к росту производительности труда на 10... 12%.

При поступлении на работу с повышенным уровнем шума рабочие должны пройти медицинскую комиссию с участием отоларинголога, невропатолога, терапевта. Периодические осмотры работающих в шумных цехах должны производиться в следующие сроки: при превышении уровня шума в любой октавной полосе на 10 дБ - 1 раз в три года; от 11 до 20 дБ- 1 раз и два года; свыше 20 дБ - 1 раз в год. На работу в шумные цехи не принимаются лица моложе 18 лет, и рабочие, страдающие пониженным слухом, отосклерозом, нарушением вестибулярной функции, неврозом, заболеванием центральной нервной системы, сердечнососудистыми заболеваниями.

Основой нормирования шума является ограничение звуковой энергии, воздействующей на человека в течение рабочей смены, значениями, безопасными для его здоровья и работоспособности. Нормирование учитывает различие биологической опасности 4 шума в зависимости от спектрального состава и временных характеристик и производится в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83. По характеру спектра шумы подразделяются: на широкополосные с излучением звуковой энергии непрерывным спектром шириной более одной октавы; тональные с излучением звуковой энергии в отдельных тонах.

Нормирование осуществляется двумя методами: 1) по предельному спектру шума; 2) по уровню звука (дБА), измеренного при включении корректировочной частотной характеристики «А» шумомера. По предельному спектру нормируются уровни звукового давления в основном для постоянных шумов в стандартных октав-ных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 гц.

Уровни звукового давления на рабочих местах в нормируемом частотном диапазоне не должны превышать значений, указанных в ГОСТ 12.1.003- 83. Для приближенной оценки шума можно пользоваться характеристикой шума в уровнях звука в дБА (при включении корректирующей характеристики шумомера «А»), при которой чувствительность всего шумоизмерительного тракта соответствует средней чувствительности органа слуха человека на различных частотах спектра.

Нормирование учитывает большую биологическую опасность тонального и импульсного шума путем ввода соответствующих поправок.

Нормативные данные по октавным уровням звукового давления в дБ, уровням звука в дБА для производственных предприятий и транспортных средств приводятся в ГОСТ 12.1003- 83. Для жилых и общественных зданий нормирование производится по СН 3077-84 «Санитарные нормы допустимого шума в помещениях жилой застройки, общественных зданий и на территории жилой застройки».

11.3. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА

Для измерения уровня шума применяют шумомеры, основными элементами которых являются микрофон, преобразующий звуковые колебания воздушной среды в электрические, усилитель и стрелочный или цифровой индикатор. Современные объективные шумомеры имеют корректирующие частотные характеристики «А» и «Лин». Линейная характеристика (Лин) используется при измерениях уровней звукового давления в октавных полосах 63...8000 Гц, когда шумомер имеет одинаковую чувствительность по всему частотному диапазону. Для того чтобы показания шумомера приближались к субъективным ощущениям громкости, используется характеристика шумомера «А», которая примерно соответствует чувствительности органа слуха при разной громкости. Диапазон измеряемых шумомерами уровней шума 30...140 дБ.

Частотный анализ шума производится шумомером с присоединенным анализатором спектра, который представляет собой набор акустических фильтров, каждый из которых пропускает узкую полосу частот, определяемую верхней и нижней границей октавной полосы. Для получения высокоточных результатов в производственных условиях регистрируется лишь уровень звука в дБА, а спектральный анализ производится по магнитофонной записи шума, которая расшифровывается на стационарной аппаратуре.

В дополнение к основным приборам (шумомеру и анализатору) используются самописцы, записывающие на бумажную ленту распределение уровней шума по частотам спектра, и спектрометр, позволяющий представить анализируемый процесс на экране. Эти приборы фиксируют практически мгновенную спектральную картину шума.

11.4. СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ ОТ ШУМА

Разработка мероприятий по борьбе с производственным шумом должна начинаться на стадии проектирования технологических процессов и машин, разработки плана производственного помещения и генерального плана предприятия, а также технологической последовательности операций. Этими мероприятиями могут быть: уменьшение шума в источнике возникновения; снижение шума на путях его распространения; архитектурно-планировочные мероприятия; совершенствование технологических процессов и машин; акустическая обработка помещений.

Уменьшение шума в источнике возникновения является наиболее эффективным и экономичным. В каждой машине (электродвигатель, вентилятор, виброплощадка) в результате колебаний (соударений) как всей машины, так и составляющих ее деталей (зубчатых передач, подшипников, валов, шестерен) возникают шумы механического, аэродинамического и электромагнитного происхождения.

При работе различных механизмов снизить шум на 5...10 дБ можно путем: устранения зазоров в зубчатых передачах и соединениях деталей с подшипниками; применения глобоидных и шевронных соединений; широкого использования пластмассовых деталей. Шум в подшипниках качения и зубчатых передачах уменьшается также при снижении частоты вращения и нагрузки. Часто повышенные уровни шума возникают при несвоевременном ремонте оборудования, когда ослабляется крепление деталей и образуется недопустимый износ деталей. Снижение шума вибрационных машин достигается посредством: уменьшения площади вибрирующих элементов; замены зубчатых и цепных передач на клиноременные или гидравлические; замены подшипников качения на подшипники скольжения, там, где это не вызывает значительного повышения расхода энергии (снижение шума до 15 дБ); повышения эффективности виброизоляции, так как снижение уровня вибрации деталей всегда приводит к уменьшению шума; снижения интенсивности процесса виброформирования за счет некоторого увеличения времени вибрирования.

Снизить шумы аэродинамического и электромагнитного происхождения часто можно только уменьшением мощности или рабочих скоростей машины, что неизбежно приведет к снижению производительности или нарушению технологического процесса. Поэтому во многих случаях, когда существенного уменьшения шума в источнике не удалось достичь, используют методы " Снижения 1 шума на путях его распространения, т. е. применяют шумозащитные кожухи, экраны, глушители аэродинамического шума.

Архитектурно-планировочные мероприятия предусматривают меры защиты от шума, начиная с разработки генерального плана предприятия строительной индустрии и плана цеха. Наиболее шумные и вредные производства рекомендуется компоновать в отдельные комплексы с обеспечением разрывов между ближайшими соседними объектами согласно Санитарным нормам СН 245-71. При планировке помещений внутри производственных и вспомогательных зданий нужно предусматривать максимально возможное удаление малошумных помещений от помещений с «шумным» технологическим оборудованием.

Рациональной планировкой производственного помещения можно добиться ограничения распространения шума, уменьшения числа рабочих, подверженных действию шума. Например, при расположении виброплощадок или шаровых мельниц в помещении, изолированном от других участков цеха, достигается резкое снижение уровня производственного шума и улучшение условий труда для большинства рабочих. Облицовку стен, потолка производственного помещения звукопоглощающими материалами следует применять в комплексе с другими методами уменьшения шума, так как только акустической обработкой помещения можно добиться снижения шума в среднем на 2...3 дБА. Такое снижение шума, как правило, недостаточно для создания в производственном помещении благоприятной шумовой обстановки.

К технологическим мероприятиям по борьбе с шумом относится выбор таких технологических процессов, в которых используются механизмы и машины, возбуждающие минимальные динамические нагрузки. Например, замена машин, использующих вибрационный метод уплотнения бетонной смеси (виброплощадка и т. д.), машинами с применением безвибрационной технологии изготовления железобетонных изделий, когда формование изделий осуществляется прессованием или нагнетанием под давлением бетонной смеси в форму.

Для защиты работающих в производственных помещениях с шумным оборудованием, применяются: звукоизоляция вспомогательных помещений, смежных с шумным производственным участком; кабины наблюдения и дистанционного управления; акустические экраны и звукоизолирующие кожухи; обработка стен и потолка звукоизолирующими облицовками или применение штучных поглотителей; звукоизолирующие кабины и укрытия для регламентированного отдыха работников шумных постов; вибродемпфирующие покрытия на корпуса и кожухи виброактивных машин и установок; виброизоляция виброактивных машин на основе различных систем амортизации.

В необходимых случаях меры коллективной защиты дополняются применением средств индивидуальной защиты от шума в виде различных наушников, вкладышей, шлемов.

11.5. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ

Шум, распространяющийся по воздуху, может быть существенно снижен посредством устройства на его пути звукоизолирующих преград в виде стен, перегородок, перекрытий, специальных звукоизолирующих кожухов и экранов. Сущность звукоизоляции ограждения состоит в том, что наибольшая часть падающей на него звуковой энергии, отражается и только незначительная часть его.проникает через ограждение. Передача звука через ограждение осуществляется следующим образом: падающая на ограждение звуковая волна приводит его в колебательное движение с частотой, равной частоте колебаний воздуха в волне. Колеблющееся ограждение становится источником звука и излучает его и изолируемое помещение. Передача звука из помещения с источником шума в смежное помещение происходит по трем направлениям: 1 - через щели и отверстия; 2 - вследствие колебания преграды; 3 -через прилегающие конструкции (структурный шум) (рис. 11.2). Количество прошедшей звуковой энергии растет с увеличением амплитуды колебаний ограждения. Поток звуковой энергии

А при встрече с преградой частично отражается у4 отр, частично поглощается в порах материала преграды А погл и частично проходит за преграду за счет ее колебаний А прош - Количество отраженной, поглощенной и прошедшей звуковой энергии характеризуется коэффициентами: звукоотражения β=А отр /А; звукопоглощения α=А погл /А; звукопроводимости τ=A прош /А. По закону сохранения энергии α+β+τ=1. Для большинства применяемых строительных облицовочных материалов α= О,1 ÷0,9 на частотах 63...8000 Гц. Приближенно звукоизолирующие качества ограждения оцениваются по коэффициенту, звукопроводимости т. Для случая диффузного звукового поля значение собственной звукоизоляции ограждения R (дБ) определяется зависимостью

Звукоизоляция однослойных ограждений. Звукоизолирующие ограждающие конструкции принято называть однослойными, если они выполнены из однородного строительного материала или составлены из нескольких слоев различных материалов, жесткр (по всей поверхности) скрепленных между собой, или из материалов с сопоставимыми акустическими свойствами (например, слой кирпичной кладки и штукатурки). Рассмотрим характеристику звукоизоляции однослойного ограждения в трех частотных диапазонах (рис. 11.3). На низких частотах, порядка 20...63 Гц (частотный диапазон явлениями. Области резонансных колебаний ограждений зависят от жесткости и массы звукоизоляция ограждения определяется возникающими в нем резонансными ограждения, свойств материала. Как правило, собственная частота большинства строительных однослойных перегородок ниже 50 Гц. В первом частотном диапазоне рассчитать звукоизоляцию пока не удается. Однако определение звукоизоляции в этом диапазоне не имеет принципиального значения, так как нормирование уровней звукового давления начинается с частоты 63 Гц. Практически звукоизоляция ограждения в этом диапазоне незначительна вследствие относительно больших колебаний ограждения вблизи первых частот собственных колебаний, что графически изображено в виде провалов звукоизоляции в первом частотном диапазоне.

Рис. 11.2. Пути передачи звука из шумного помещения в смежное

(Z~3)f 0 0,5f Kp №

Рис. 11.3. Звукоизоляция однослойного ограждения в зависимости от частоты звука I),

На частотах, в 2...3 раза превышающих собственную частоту ограждения (частотный диапазон II), звукоизоляция определяется массой единицы площади ограждения. Жесткость ограждения в диапазоне II не влияет существенно на звукоизоляцию. Изменение звукоизоляции можно достаточно точно рассчитать по так называемому закону «массы»:

R = 20 lg mf - 47,5 ,

где R - звукоизоляция, дБ; т - масса 1 м 2 ограждения, кг; f - частота звука, Гц.

В частотном диапазоне II звукоизоляция зависит только от массы и частоты падающих звуковых волн. Здесь звукоизоляция возрастает на 6 дБ при каждом удвоении массы ограждения или частоты звука (т. е. 6 дБ на каждую октаву).

В частотном диапазоне III проявляется пространственный резонанс ограждения, при котором звукоизоляция резко уменьшается. Начиная с некоторой частоты звука f> 0,5f кр , амплитуда колебаний ограждения резко возрастает. Это явление происходит вследствие совпадения частоты вынужденных колебаний (частоты падающей звуковой волны) с частотой колебаний

ограждения. В данном случае происходит совпадение геометрических размеров и фазы колебаний ограждения с проекцией звуковой волны на ограждение. Проекция падающей на ограждение звуковой волны равна длине волны изгиба ограждения при совпадении фазы и частоты этих колебаний. В рассматриваемом диапазоне проявляется эффект волнового совпадения, в результате чего амплитуда колебаний волн изгиба ограждения возрастает, а звукоизоляция в начале диапазона резко падает. Изменение звукоизоляции здесь не поддается точному расчету. Наименьшую частоту звука (Гц), при которой становится возможным явление волнового совпадения, называют критической и вычисляют по формуле

где h - толщина ограждения, см; ρ - плотность материала, кг/м 3 ; Е - динамический модуль упругости материала ограждения, МПа.

На частоте звука выше критической существенное значение приобретает жесткость ограждения и внутреннее трение в материале. Рост звукоизоляции при f>f кр приближенно составляет 7,5 дБ при каждом удвоении частоты.

Приведенное выше значение собственной звукоизолирующей способности ограждения показывает, на сколько децибел снижается уровень шума за преградой, если предположить, что затем звуки распространяются беспрепятственно, т. е. отсутствуют другие преграды. При передаче шума из одного помещения в другое, в последнем уровень шума будет зависеть от эффекта многократных отражений звука от внутренних поверхностей. При высокой отражательной способности внутренних поверхностей будет проявляться «гулкость» помещения и уровень звука в нем будет больше (чем при отсутствии отражения) и, следовательно, будет ниже его фактическая звукоизоляция R ф. Звукопоглощением поверхностей ограждения помещения на заданной частоте является величина, рав-ная произведению площадей ограждения помещения S на ее коэффициенты звукопоглощения α ;

S экв =∑Sα

R ф =R+10 lg S экв /S

где S экв - эквивалентная площадь звукопоглощения изолируемого помещения, м 2 ; S - площадь изолирующей перегородки, м 2 .

Принцип звукоизоляции практически реализуется путем устройства звукоизолирующих стен, перекрытий, кожухов, кабин наблюдения. Звукоизолирующие строительные перегородки снижают уровень шума в смежных помещениях на 30...50 дБ.

Звукоизолирующие кожухи устанавливают как на отдельные механизмы (например, привод машины), так и на машину в целом. Конструкция кожуха многослойная: внешняя оболочка изготовлена из металла, дерева и покрытия упруговязким материалом (резина, пластмассы) для ослабления изгибных колебаний; внутренняя поверхность облицована звукопоглощающим материалом. Валы и коммуникации, проходящие через стенки кожуха, снабжают уплотнениями, а вся конструкция кожуха должна плотно закрывать источник шума. Для исключения передачи вибраций от основания кожух

Рис. 11.4. Звукоизолирующий кожух:1- отверстие для отвода тепла; 2- упруговязкий материал; 3- корпус; 4- звукопоглощающий материал; 5- виброизолятор

устанавливают на виброизоляторы, кроме того, в стенках кожуха предусматривают вентиляционные каналы для отвода теплоты, поверхность, которых облицовывают звукопоглощающим материалом (рис. 11.4).

Требуемую звукоизоляцию воздушного шума (дБ) стенками кожуха в октавных полосах определяют по формуле

R тр =L-L доп -10lg α обл +5

где L - октавный уровень звукового давления (получен по результатам измерений), дБ; L доп - допустимый октавный уровень звукового давления на рабочих местах (по ГОСТ 12.1.003- 83), дБ; α - реверберационный коэффициент звукопоглощения внутренней облицовки кожуха, определяемый по СНиП II-12-77. Рассчитанная по данному СНиПу звукоизолирующая способность металлического кожуха толщиной 1,5 мм представлена на рис. 11.5.

Для защиты от шума операторов бетоносмесительных узлов, дозаторных установок пульт управления располагают в звукоизолирующей кабине, снабженной смотровым окном с 2- и 3-слойным остеклением, герметичными дверями и специальной системой вентиляции.

От воздействия прямого звука операторы машин защищаются при помощи экранов, которые располагаются между источником шума и рабочим местом. Ослабление шума зависит от геометрических размеров экрана и длин волн звука. Когда размеры экрана больше длины звуковой волны, то за экраном образуется звуковая тень, где звук значительно ослаблен. Применение экранов оправдано для защиты от высоко и среднечастотных шумов

Рис 11,5 График звукоизоляции кожуха на стандартных частотах

Многослойные звукоизолирующие ограждения. Для уменьшения массы ограждений и повышения их звукоизолирующей способности часто применяют многослойные ограждения. Пространство между слоями заполняется пористо-волокнистыми материалами или оставляется воздушный промежуток шириной 40...60 мм. Стенки ограждения не должны иметь жестких связей, а их изгибная жесткость должна быть различной, что достигается применением стенок неодинаковой толщины с оптимальным отношением 2/4. На звукоизоляционные качества многослойного ограждения влияют масса слоя ограждения т 1 и m 2 , жесткость связей K, толщина воздушного промежутка или слоя пористого материала (рис. 11.6).

Под действием переменного звукового давления первый слой многослойной преграды начинает колебаться и эти колебания передаются упругому материалу, заполняющему промежуток между слоями. Благодаря виброизолирующим свойствам заполнителя колебания второго слоя ограждения будут значительно ослаблены, а следовательно, и шум, возбуждаемый колебаниями второго слоя преграды, будет существенно снижен. Чем больше жесткость материала, заполняющего промежуток между слоями, тем ниже звукоизоляция многослойного ограждения.

W

7т

Щ//////////////А

щ	к
	m 2

У//////////Ш////,

Рис. 11.6. Принципы звукоизоляции многослойными ограждениями

Теоретически звукоизоляция двухслойного ограждения может составлять 70...80 дБ, но за счет косвенных путей распространения звука (через примыкающие конструкции) практическая звукоизоляция двойного ограждения не превышает 60 дБ. Для уменьшения косвенной передачи звука необходимо стремиться к предотвращению распространения изгибных волн по примыкающим конструкциям. С этой целью ограждение целесообразно виброизолировать с помощью упругих элементов.

Отверстия и щели в ограждениях значительно уменьшают звукоизолирующий эффект. Величина снижения звукоизоляции зависит от отношения размеров отверстий к длине падающей звуковой волны, от взаимного расположения отверстий. При размере отверстия d, большем длины волны λ, звуковая энергия, прошедшая через отверстие, пропорциональна его площади. Отверстия оказывают тем большее влияние на снижение звукоизоляции, чем выше собственная звукоизоляция ограждения. Небольшие отверстия d≤λ в случае диффузного звукового поля оказывают значительное влияние на снижение звукоизоляции. Отверстия в виде узкой щели приводят к большему снижению звукоизоляции (на несколько децибел), чем круглые отверстия равной площади.

11.6. ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ

Звукопоглощение - это свойство строительных материалов и конструкций поглощать энергию звуковых колебаний. Поглощение звука связано с преобразованием энергии звуковых колебаний в теплоту вследствие потерь на трение в каналах звукопоглощающего материала. Звукопоглощение материала характеризуется коэффициентом звукопоглощения α, который равен отношению звуковой энергии, поглощенной материалом, к падающей звуковой энергии. К звукопоглощающим относятся материалы с α> 0,2.Облицовка внутренних поверхностей производственных помещений звукопоглощающими материалами обеспечивает снижение шума на 6...8 дБ в зоне отраженного звука и на 2...3 дБ в зоне прямого шума. В дополнение к облицовке помещений используют штучные звукопоглотители, представляющие собой объемные звукопоглощающие тела различной формы, свободно и равномерно подвешиваемые в объеме помещения. Звукопоглощающие облицовки размещают на потолке и верхних частях стен. Максимальное звукопоглощение можно получить при облицовке не менее 60 % общей площади ограждающих поверхностей помещения, причем наибольшая эффективность достигается в помещениях высотой 4...6 м. Снижение уровня звукового давления в акустически обработанном помещении в зоне отраженного звука рассчитывают по формуле

∆L = 20lgB 2 /B l

где В 1 и В 2 - постоянные помещения до и после акустической обработки его, определяемые по СНиП II-12-77

B 1 =B 1000 μ

где B 1000 - постоянная помещения, м 2 , на среднегеометрической частоте 1000 Гц, определяемая в зависимости от объема помещения V, (см. ниже); μ - частотный множитель, определяемый по табл. 1.11.

По найденной постоянной помещения В 1 для каждой октавной полосы вычисляют эквивалентную площадь звукопоглощения (м 2):

А=В 1 /(В 1 /S+1)

где S - общая суммарная площадь ограждающих поверхностей помещения, м 2 .

Зона отраженного звука определяется предельным радиусом r пр (м) - расстояния от источника шума, на котором уровень звукового давления отраженного звука равен уровню звукового давления, излучаемого данным источником.

Когда в помещении находится п одинаковых источников шума, то

B 8000 - постоянная перемещения на частоте 8000 Гц;

В 8000 =B 1000 μ 8000

Постоянная помещения В 2 (м 2) в акустически обработанном помещении определяется по зависимости

B 2 =(A′+∆A)/(1-α 1)

где A′=α{S -S обл)-эквивалентная площадь звукопоглощения поверхностями, не занятыми звукопоглощающей облицовкой, м 2 ; α - средний коэффициент звукопоглощения в помещении до его акустической обработки;

Основными физическими параметрами, характеризующими шум в какой-либо точке пространства, с точки зрения охраны труда, является; звуковое давление P , интенсивность звукаI, частотаf , звуковая мощностьW, уровни звукового давленияL P , интенсивностиL I и мощностиL w .

Звуковое давление - это переменная составляющая давления воздуха, возникающая в результате колебания источника звука, накладывающаяся на атмосферное давление и вызывающая его флуктуацию (колебание). Таким образом, звуковое давление определяется как разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии источниказвука. Единица измерения – Па (н/м 2).

На слух действует квадрат звукового давления

где Т 0 – время осреднения, Т= 30-100 мс;

Р( t ) – мгновенное значение полного звукового давления.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Количество звуковой энергии, отнесенное к единице поверхности и проходящей в одну секунду в направлении распространения волн, называется интенсивностью звука.

Интенсивность J и звуковое давлениеР связаны между собой соотношением

, (2)

где Р - среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

 - плотность среды, кг/м 3 .

с – скорость распространения звука, м/с.

Звуковое давление и интенсивность звука являются характеристиками звукового поля в определенной зоне пространства и не характеризуют непосредственно источник шума. Характеристикой непосредственно источника шума является его звуковая мощность (W ). Эта величина характеризует определенное количество энергии, затрачиваемой источником звука в единицу времени на возбуждение звуковой волны. Звуковая мощность источника определяет интенсивность генерируемых волн. Чем выше интенсивность данной волны, тем выше громкость звука. В обычных условиях источник звука излучает энергию независимо от окружающей среды, так же как электрический камин излучает теплоту. Единицей измерения мощности источника звука является Ватт (Вт). В реальных условиях мощность источника звука изменяется в очень широких пределах: от 10 -12 до многих миллионов ватт (табл.1). В таких же широких пределах изменяется звуковое давление и интенсивность.

Ухо человека не может определять звуковое давление в абсолютных единицах, но может сравнивать давление различных источников звука. Именно поэтому, а также, учитывая большой диапазон используемого звукового давления для его определения, пользуются относительной логарифмической шкалой, которая позволяет резко сократить диапазон значений измеряемых величин. Каждому делению такой шкалы соответствует изменение интенсивности звука, звукового давления или другой величины не на определенное число единиц, а в определенное число раз.

Применение логарифмической шкалы оказалось возможным и удобным благодаря физиологической особенности нашего слуха – одинаково реагировать на относительно равные изменения интенсивности звука. Например, возрастания интенсивности звука в десять раз (от 0,1 до 1, от 1 до 10 или от 10 до 100 Вт/м 2) оцениваются как примерно одинаковые приросты громкости. При увеличении любого числа в одном и том же отношении его логарифм также возрастает на одно и то же число единиц (ℓ q 10 = 1, ℓ q 100 = 2 ;ℓq 1000 = 3 и т.д.), что и отражает вышеуказанную особенность слуха.

Десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука называют уровнем одной из них по отношению к другой L . Единицей измерения уровня является Бел (Б ), ей соответствует отношение уравниваемых интенсивностей, равное 10. Если они отличаются в 100, 1000, 10000paз, то уровни имеют разницу соответственно в 2, 3, 4 Бел - слишком большая величина, поэтому в практических измерениях пользуются десятыми долями бела - децибелами (дБ). Можно измерять в децибелах не только отношения, но и сами величины интенсивностей или звуковых давлений. В соответствии с требованиями международной организации по стандартизации (ИСО) условились за нулевой уровень звука принять интенсивность, равнуюJ= 10 -12 Вт/м 2 . Это нулевой (пороговый) уровень звука. Тогда интенсивность любого звука или шума можно записать:

а) уровень интенсивности звука,

,

где J o - пороговое значение интенсивности, равное 10 -12 Вт/м 2

б) уровень звукового давления

Таблица 1

Звуковая мощность различных источников

Уровни интенсивности звука и звуковогодавления связаны следующим образом

, (5)

где  о ис о - плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных

условиях;

 и с - плотность среды и скорость звука в воздухе при замерах.

Пороговые значения Jo подобраны так, что при нормальных атмосферных условиях ( =  о и с = с о ) уровень звукового давленияL равен уровню интенсивностиL y (L = L у )

в) уровень звуковой мощности

, (6)

где Р 0 - пороговое значение звуковой мощности, равное 10 -12 Вт.

Частотный спектр . Зависимость звукового давления или звуковой мощности как физических величин от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа простых синусоидальных колебаний этих величин. Зависимость среднеквадратичных значений этих синусоидальных составляющих (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называетсячастотным спектром или простоспектром .

Говоря о спектре, необходимо указывать ширину частотных полос, в которых производится определение спектра. Чаще всего применяются октавные и треть октавные полосы. Октавная полоса (октава) – такая полоса частот, в которой верхняя граничная частотаf гр.в в два раза больше нижнейf гр.н. В треть октавной полосе соотношение равно 1,26. Полоса частот определяется среднегеометрической частотой

. (7)

Значения среднегеометрических и граничных частот октавных полос, принятых для гигиенической оценки шума, приведены в табл.2.

Таблица 2

Среднегеометрические и граничные частоты октавных полос

Среднегеомет- рическая частота,
Диапазон частот,

В практике нормирования и оценки шума под спектром обычно понимают зависимость уровней звукового давления в октавных или треть октавных полосах частот от среднегеометрической частоты этих полос. Спектр представляется в виде таблиц или графиков.

Характер спектра, следовательно, и производственного шума, может быть низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным:

– низкочастотный - спектрс максимумом звукового давления в области частот до 300 Гц;

– среднечастотный - спектр с максимумом звукового давления в области частот 300 – 800 Гц;

– высокочастотный – спектр cмаксимумом звукового давления в области частот свыше 800 Гц.

Шумы также подразделяются на:

– широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы (шум подвижного состава, водопада);

– тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона (звон, свист, сирена и т.п.). Тональный характер шума устанавливается измерением в треть октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяются на постоянные, уровень которых за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ, и непостоянные уровни которых постоянно меняются более чем на 5 Дб..

Человек различает звуки по их частоте и громкости.. Высоту звука определяет его частота, а громкость – его интенсивность. Чем выше частота, тем более высоким воспринимается звук.

1. Звук, виды звука.

2. Физические характеристики звука.

3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения.

4. Прохождение звука через границу раздела сред.

5. Звуковые методы исследования.

6. Факторы, определяющие профилактику шума. Защита от шума.

7. Основные понятия и формулы. Таблицы.

8. Задачи.

Акустика. В широком смысле - раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле - учение о звуке.

3.1. Звук, виды звука

Звук в широком смысле - упругие колебания и волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле - явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

В норме ухо человека слышит звук в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Однако с возрастом верхняя граница этого диапазона уменьшается:

Звук с частотой ниже 16-20 Гц называется инфразвуком, выше 20 кГц -ультразвуком, а самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 10 9 до 10 12 Гц - гиперзвуком.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон - это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум - это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар - это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Сложный тон, как периодический процесс, можно представить в виде суммы простых тонов (разложить на составляющие тоны). Такое разложение называется спектром.

Акустический спектр тона - это совокупность всех его частот с указанием их относительных интенсивностей или амплитуд.

Наименьшая частота в спектре (ν) соответствует основному тону, а остальные частоты называют обертонами или гармониками. Обертоны имеют частоты, кратные основной частоте: 2ν, 3ν, 4ν, ...

Обычно наибольшая амплитуда спектра соответствует основному тону. Именно он воспринимается ухом как высота звука (см. ниже). Обертоны создают «окраску» звука. Звуки одной и той же высоты, созданные разными инструментами, воспринимаются ухом по-разному именно из-за различного соотношения между амплитудами обертонов. На рисунке 3.1 показаны спектры одной и той же ноты (ν = 100 Гц), взятой на рояле и кларнете.

Рис. 3.1. Спектры ноты рояля (а) и кларнета (б)

Акустический спектр шума является сплошным.

3.2. Физические характеристики звука

1. Скорость (v). Звук распространяется в любой среде, кроме вакуума. Скорость его распространения зависит от упругости, плотности и температуры среды, но не зависит от частоты колебаний. Скорость звука в газе зависит от его молярной массы (М) и абсолютной температуры (Т):

Скорость звука в воде равна 1500 м/с; близкое значение имеет скорость звука и в мягких тканях организма.

2. Звуковое давление. Распространение звука сопровождается изменением давления в среде (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Изменение давления в среде при распространении звука.

Именно изменения давления вызывают колебания барабанной перепонки, которые и определяют начало такого сложного процесса, как возникновение слуховых ощущений.

Звуковое давление (Δ Ρ) - это амплитуда тех изменений давления в среде, которые возникают при прохождении звуковой волны.

3. Интенсивность звука (I). Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии.

Интенсивность звука - это плотность потока энергии, переносимой звуковой волной (см. формулу 2.5).

В однородной среде интенсивность звука, испущенного в данном направлении, убывает по мере удаления от источника звука. При использовании волноводов можно добиться и увеличения интенсивности. Типичным примером такого волновода в живой природе является ушная раковина.

Связь между интенсивностью (I) и звуковым давлением (ΔΡ) выражается следующей формулой:

где ρ - плотность среды; v - скорость звука в ней.

Минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают слуховые ощущения, называются порогом слышимости.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу слышимости соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ 0) и интенсивности звука (I 0):

ΔΡ 0 = 3х10 -5 Па (≈ 2х10 -7 мм рт.ст.); I 0 = 10 -12 Вт/м 2 .

Значения звукового давления и интенсивности звука, при которых у человека возникают выраженные болевые ощущения, называются порогом болевого ощущения.

Для уха среднего человека на частоте 1 кГц порогу болевого ощущения соответствуют следующие значения звукового давления (ΔΡ m) и интенсивности звука (I m):

4. Уровень интенсивности (L). Отношение интенсивностей, соответствующих порогам слышимости и болевого ощущения, столь велико (I m /I 0 = 10 13), что на практике используют логарифмическую шкалу, вводя специальную безразмерную характеристику - уровень интенсивности.

Уровнем интенсивности называют десятичный логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости:

Единицей измерения уровня интенсивности является бел (Б).

Обычно используют более мелкую единицу уровня интенсивности - децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. Уровень интенсивности в децибелах вычисляется по следующим формулам:

Логарифмический характер зависимости уровня интенсивности от самой интенсивности означает, что при увеличении интенсивности в 10 раз уровень интенсивности возрастает на 10 дБ.

Характеристики часто встречающихся звуков приведены в табл. 3.1.

Если человек слышит звуки, приходящие с одного направления от нескольких некогерентных источников, то их интенсивности складываются:

Высокий уровень интенсивности звука приводит к необратимым изменениям в слуховом аппарате. Так, звук в 160 дБ может вызвать разрыв барабанной перепонки и смещение слуховых косточек в среднем ухе, что приводит к необратимой глухоте. При 140 дБ человек ощущает сильную боль, а продолжительное действие шума в 90-120 дБ приводит к поражению слухового нерва.

3.3. Характеристики слухового ощущения. Звуковые измерения

Звук является объектом слухового ощущения. Он оценивается человеком субъективно. Все субъективные характеристики слухового ощущения связаны с объективными характеристиками звуковой волны.

Высота, тембр

Воспринимая звуки, человек различает их по высоте и тембру.

Высота тона обусловлена прежде всего частотой основного тона (чем больше частота, тем более высоким воспринимается звук). В меньшей степени высота зависит от интенсивности звука (звук большей интенсивности воспринимается более низким).

Тембр - это характеристика звукового ощущения, которая определяется его гармоническим спектром. Тембр звука зависит от числа обертонов и от их относительных интенсивностей.

Закон Вебера-Фехнера. Громкость звука

Использование логарифмической шкалы для оценки уровня интенсивности звука хорошо согласуется с психофизическим законом Вебера-Фехнера:

Если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т.е. на одинаковую величину).

Именно логарифмическая функция обладает такими свойствами.

Громкостью звука называют интенсивность (силу) слуховых ощущений.

Ухо человека имеет различную чувствительность к звукам различных частот. Для учета этого обстоятельства можно выбрать некоторую опорную частоту, а восприятие остальных частот сравнивать с нею. По договоренности опорную частоту приняли равной 1 кГц (по этой причине и порог слышимости I 0 установлен для этой частоты).

Для чистого тона с частотой 1 кГц громкость (Е) принимают равной уровню интенсивности в децибелах:

Для остальных частот громкость определяют путем сравнения интенсивности слуховых ощущений с громкостью звука на опорной частоте.

Громкость звука равна уровню интенсивности звука (дБ) на частоте 1 кГц, вызывающего у «среднего» человека такое же ощущение громкости, что и данный звук.

Единицу громкости звука называют фоном.

Ниже приводится пример зависимости уровня громкости от частоты при уровне интенсивности 60 дБ.

Кривые равной громкости

Детальную связь между частотой, громкостью и уровнем интенсивности изображают графически с помощью кривых равной громкости (рис. 3.3). Эти кривые демонстрируют зависимость уровня интенсивности L дБ от частоты ν звука при заданной громкости звука.

Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Она позволяет найти пороговое значение уровня интенсивности (Е = 0) при заданной частоте тона.

С помощью кривых равной громкости можно найти громкость звука, если известны его частота и уровень интенсивности.

Звуковые измерения

Кривые равной громкости отражают восприятие звука средним человеком. Для оценки слуха конкретного человека применяется метод тональной пороговой аудиометрии.

Аудиометрия - метод измерения остроты слуха. На специальном приборе (аудиометре) определяется порог слухового ощущения, или порог восприятия, L П на разных частотах. Для этого с помощью звукового генератора создают звук заданной частоты и, увеличивая уро-

Рис. 3.3. Кривые равной громкости

вень интенсивности L, фиксируют пороговый уровень интенсивность L п, при котором у испытуемого появляются слуховые ощущения. Меняя частоту звука, получают экспериментальную зависимость L п (v), которую называют аудиограммой (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Аудиограммы

Нарушение функции звуковоспринимающего аппарата может привести к тугоухости - стойкому снижению чувствительности к различным тонам и шепотной речи.

Международная классификация степеней тугоухости, основанная на усредненных значениях порогов восприятия на речевых частотах, приведена в табл. 3.2.

Для измерения громкости сложного тона или шума используют специальные приборы - шумомеры. Звук, принимаемый микрофоном, преобразуется в электрический сигнал, который пропускается через систему фильтров. Параметры фильтров подобраны так, что чувствительность шумомера на различных частотах близка к чувствительности человеческого уха.

3.4. Прохождение звука через границу раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела между двумя средами звук частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Интенсивности отраженной и прошедшей через границу волн определяются соответствующими коэффициентами.

При нормальном падении звуковой волны на границу раздела сред справедливы следующие формулы:

Из формулы (3.9) видно, что чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем большая доля энергии отражается на границе раздела. В частности, если величина х близка к нулю, то коэффициент отражения близок к единице. Например, для границы воздух-вода х = 3х10 -4 , а r = 99,88 %. То есть отражение является практически полным.

В таблице 3.3 приведены скорости и волновые сопротивления некоторых сред при 20 °С.

Отметим, что значения коэффициентов отражения и преломления не зависят от того порядка, в котором звук проходит данные среды. Например, для перехода звука из воздуха в воду значения коэффициентов такие же, как для перехода в обратном направлении.

3.5. Звуковые методы исследования

Звук может быть источником информации о состоянии органов человека.

1. Аускультация - непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма. По характеру таких звуков можно определить, какие именно процессы протекают в данной области тела, и в некоторых случаях установить диагноз. Приборы, применяемые для выслушивания: стетоскоп, фонендоскоп.

Фонендоскоп состоит из полой капсулы с передающей мембраной, которая прикладывается к телу, от нее идут резиновые трубки к уху врача. В полой капсуле возникает резонанс столба воздуха, вызывающий усиление звучания и, следовательно, улучшение выслушивания. Выслушиваются дыхательные шумы, хрипы, тоны сердца, шумы в сердце.

В клинике используются установки, в которых выслушивание осуществляется при помощи микрофона и динамика. Широко

применяется запись звуков с помощью магнитофона на магнитную ленту, что дает возможность их воспроизведения.

2. Фонокардиография - графическая регистрация тонов и шумов сердца и их диагностическая интерпретация. Запись осуществляется с помощью фонокардиографа, который состоит из микрофона, усилителя, частотных фильтров, регистрирующего устройства.

3. Перкуссия - исследование внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Постукивание осуществляется либо с помощью специальных молоточков, либо при помощи пальцев.

Если в замкнутой полости вызвать звуковые колебания, то при определенной частоте звука воздух в полости начнет резонировать, усиливая тот тон, который соответствует размеру полости и ее положению. Схематично тело человека можно представить суммой разных объемов: газонаполненных (легкие), жидких (внутренние органы), твердых (кости). При ударе по поверхности тела возникают колебания с разными частотами. Часть из них погаснет. Другие совпадут с собственными частотами пустот, следовательно, усилятся и из-за резонанса будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию органа.

3.6. Факторы, определяющие профилактику шума.

Защита от шума

Для профилактики шума необходимо знать основные факторы, определяющие его воздействие на организм человека: близость источника шума, интенсивность шума, длительность воздействия, ограниченность пространства, в котором действует шум.

Длительное воздействие шума вызывает сложный симптоматический комплекс функциональных и органических изменений в организме (и не только органа слуха).

Воздействие длительного шума на ЦНС проявляется в замедлении всех нервных реакций, сокращении времени активного внимания, снижении работоспособности.

После длительного действия шума изменяется ритм дыхания, ритм сердечных сокращений, возникает усиление тонуса сосудистой системы, что приводит к повышению систолического и диастоли-

ческого уровня кровяного давления. Изменяется двигательная и секреторная деятельность желудочно-кишечного тракта, наблюдается гиперсекреция отдельных желез внутренней секреции. Имеет место повышение потливости. Отмечается подавление психических функций, особенно памяти.

Специфическое действие оказывает шум на функции органа слуха. Ухо, как и все органы чувств, способно адаптироваться к шуму. При этом под действием шума порог слышимости повышается на 10-15 дБ. После прекращения шумового воздействия нормальное значение порога слышимости восстанавливается только через 3-5 минут. При высоком уровне интенсивности шума (80-90 дБ) его утомляющее действие резко усиливается. Одной из форм расстройства функции органа слуха, связанной с длительным воздействием шума, является тугоухость (табл. 3.2).

Сильное воздействие как на физическое, так и на психологическое состояние человека оказывает рок-музыка. Современная рок-музыка создает шум в диапазонах от 10 Гц до 80 кГц. Экспериментально установлено, что если основной ритм, задаваемый ударными инструментами, имеет частоту 1,5 Гц и имеет мощное музыкальное сопровождение на частотах 15-30 Гц, то у человека наступает сильное возбуждение. При ритме с частотой 2 Гц при таком же сопровождении человек впадает в состояние, близкое наркотическому опьянению. На рок-концертах интенсивность звука может превышать 120 дБ, хотя человеческое ухо настроено наиболее благоприятно на среднюю интенсивность 55 дБ. При этом могут возникать контузии звуком, звуковые «ожоги», потеря слуха и памяти.

Шум оказывает вредное воздействие и на орган зрения. Так, длительное воздействие производственного шума на человека, находящегося в затемненном помещении, приводит к заметному снижению активности сетчатки глаза, от которой зависит работа глазного нерва, а следовательно, и острота зрения.

Защита от шума достаточно сложна. Это связано с тем, что вследствие сравнительно большой длины волны звук огибает препятствия (дифракция) и звуковая тень не образуется (рис. 3.5).

Кроме того, многие материалы, применяемые в строительстве и технике, имеют недостаточно высокий коэффициент поглощения звука.

Рис. 3.5. Дифракция звуковых волн

Эти особенности требуют специальных средств борьбы с шумами, к которым относятся подавление шумов, возникающих в самом источнике, использование глушителей, применение упругих подвесов, звукоизолирующих материалов, устранение щелей и т.п.

Для борьбы с шумами, проникающими в жилые помещения, большое значение имеют правильное планирование расположения зданий, учет розы ветров, создание защитных зон, в том числе и растительных. Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники могут снижать уровень интенсивности на 5-20 дБ. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. Лучше всего шум гасят липы и ели. Дома, находящиеся позади высокого хвойного заслона, могут быть избавлены от шумов улицы почти полностью.

Борьба с шумом не предполагает создания абсолютной тишины, так как при длительном отсутствии слуховых ощущений у человека могут возникнуть расстройства психики. Абсолютная тишина и длительный повышенный шум одинаково противоестественны для человека.

3.7. Основные понятия и формулы. Таблицы

Продолжение таблицы

Окончание таблицы

Таблица 3.1. Характеристики встречающихся звуков

Таблица 3.2. Международная классификация тугоухости

Таблица 3.3. Скорость звука и удельное акустическое сопротивление для некоторых веществ и тканей человека при t = 25 °С

3.8. Задачи

1. Звук, которому на улице соответствует уровень интенсивности L 1 = 50 дБ, слышен в комнате так, как звук с уровнем интенсивности L 2 = 30 дБ. Найти отношение интенсивностей звука на улице и в комнате.

2. Уровень громкости звука частотой 5000 Гц равен Е = 50 фон. Найти интенсивность этого звука, воспользовавшись кривыми равной громкости.

Решение

Из рисунка 3.2 находим, что на частоте 5000 Гц громкости Е =50 фон соответствует уровень интенсивности L = 47 дБ = 4,7 Б. Из формулы 3.4 находим: I = 10 4,7 I 0 = 510 -8 Вт/м 2 .

Ответ: I = 5?10 -8 Вт/м 2 .

3. Вентилятор создает звук, уровень интенсивности которого L = 60 дБ. Найти уровень интенсивности звука при работе двух рядом стоящих вентиляторов.

Решение

L 2 = lg(2x10 L) = lg2 + L = 0,3 + 6Б = 63 дБ (см. 3.6). Ответ: L 2 = 63 дБ.

4. Уровень громкости звука реактивного самолета на расстоянии 30 м от него равен 140 дБ. Каков уровень громкости на расстоянии 300 м? Отражением от земли пренебречь.

Решение

Интенсивность убывает пропорционально квадрату расстояния - уменьшается в 10 2 раз. L 1 - L 2 = 10xlg(I 1 /I 2) = 10x2 = 20 дБ. Ответ: L 2 = 120 дБ.

5. Отношение интенсивностей двух источников звука равно: I 2 /I 1 = 2. Чему равна разность уровней интенсивностей этих звуков?

Решение

ΔL = 10xlg(I 2 /I 0) - 10xlg(I 1 /I 0) = 10xlg(I 2 /I 1) = 10xlg2 = 3 дБ. Ответ: 3 дБ.

6. Каков уровень интенсивности звука с частотой 100 Гц, который имеет ту же громкость, что и звук с частотой 3 кГц и интенсивностью

Решение

Используя кривые равной громкости (рис. 3.3), найдем, что 25 дБ на частоте 3 кГц соответствуют громкости 30 фон. На частоте 100 Гц этой громкости соответствует уровень интенсивности 65 дБ.

Ответ: 65 дБ.

7. Амплитуда звуковой волны увеличилась в три раза. а) во сколько раз возросла ее интенсивность? б) на сколько децибел увеличился уровень громкости?

Решение

Интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды (см. 3.6):

8. В лабораторном помещении, находящемся в цехе, уровень интенсивности шума достигал 80 дБ. С целью уменьшения шума было решено обить стены лаборатории звукопоглощающим материалом, уменьшающим интенсивность звука в 1500 раз. Какой уровень интенсивности шума станет после этого в лаборатории?

Решение

Уровень интенсивности звука в децибелах: L = 10x lg(I/I 0). При изменении интенсивности звука изменение уровня интенсивности звука будет равно:

9. Импедансы двух сред различаются в 2 раза: R 2 = 2R 1 . Какая часть энергии отражается от границы раздела и какая часть энергии переходит во вторую среду?

Решение

Используя формулы (3.8 и 3.9) найдем:

Ответ: 1/9 часть энергии отражается, а 8/9 переходит во вторую среду.