 |
Восприятие шума и единицы его измерения
|
|
|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ШУМА
И СРЕДСТВ ЗВУКОИЗОЛЯЦИИ
Методические указания
Цели работы:
- Ознакомиться с основными характеристиками шума и его воздействием на организм человека.
- Научиться пользоваться шумоизмерительными приборами.
- Получить практические навыки измерения уровней шума.
- Познакомиться с санитарными нормами допустимых уровней шума для производственных помещений и трудовых процессов.
Краткие теоретические сведения
Звук – это волнообразно распространяющиеся колебательные движения частиц упругой среды (газообразной, твёрдой, жидкой), сопровождающиеся периодическими изменениями её давления.
Звуковое давление – это разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в упругой среде при отсутствии звукового поля. Измеряется в паскалях (Па) или ньютонах на квадратный метр (Н/м2).
Важной характеристикой акустических процессов является
интенсивность (сила) звука – количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади упругой среды, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. Измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м2).
Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления:
I = P2 / (ρ c) (1)
где Р – давление; ρ – плотность среды; с – скорость звука; ρ c – волновое сопротивление.
Одной из основных характеристик волнового движения является скорость звука. Для любой среды скорость звука определяется по формуле:
с = √ γ / ρ (2)
где γ – упругость среды.
В таблице 1 приведены значения скорости звука в некоторых средах.
Таблица 1
|
|
|
| Параметр | Среда | |||||||||
| Воздух | Водород | Вода | Водяной пар | Угле-кислота | Каучук | Дерево поперёк волокон | Сталь | Железо | Стекло | |
| Скорость мс-1 |
В газах и жидкостях звук распространяется в виде продольных волн. В твёрдых телах кроме продольных волн возникают поперечные, при которых колебания частиц происходят перпендикулярно пути распространения волн.
Звуковые волны характеризуются частотой и амплитудой колебаний.
Частота колебаний является тем свойством звуковой волны, которое позволяет отличить один звук от другого, т.е. определяет тональность звука.
Частота, длина волны и скорость распространения звука связаны зависимостью:
f = c / λ (3)
где f – частота звука, Гц; с – скорость звука, м/с-1; λ – длина волны, м.
Длина звуковой волны – это расстояние, пройденное волной за период колебания. За единицу измерения частоты колебаний принят герц (Гц) – одно колебание в секунду.
Амплитуда колебаний характеризует величину звукового давления: чем больше амплитуда, тем больше звуковое давление и громче звук, ощущаемый слушателем.
Шум – комплекс звуков различной интенсивности и частоты, находящихся в беспорядочном (хаотичном) сочетании.
С физиологической точки зрения шумом можно назвать любой звук, мешающий восприятию полезных звуковых сигналов, нарушающий тишину и оказывающий вредное или раздражающее действие на человека.
Интенсивный шум наносит значительный ущерб здоровью человека. Под действием шума может произойти необратимое поражение внутреннего уха и наступить глухота. Шум отрицательно влияет на психические функции, на состояние сердечно-сосудистой системы, приводя к изменениям артериального давления и частоты сердечных сокращений. При работе в условиях интенсивного шума увеличиваются энергетические затраты организма, быстро наступает утомление, снижается производительность труда.
|
|
|
Восприятие шума и единицы его измерения
Колебания, воспринимаемые человеком как слышимые звуки, лежат в диапазоне от 16 Гц до 20 кГц. Колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком, выше
20 кГц – ультразвуком.
По частотному составу шум делится на: низкочастотный f ≤ 300 Гц; среднечастотный f = 300…800 Гц; высокочастотный f ≥ 800 Гц.
Высокочастотные шумы оказывают более вредное воздействие на организм человека, чем низкочастотные.
Область слышимых звуков также ограничена определёнными значениями звукового давления. Международной организацией по стандартизации (ИСС) минимальное давление, способное вызывать ощущение едва слышимого звука (нижний абсолютный порог ощущений – порог слышимости звука), принято Ро = 2 · 10-5 Па на частоте 1000 Гц. Этому давлению соответствует пороговая интенсивность Io = 10-12 Вт/м2.
Максимальное звуковое давление, способное вызывать болевые ощущения,
Ро = 2 ∙ 102 Па и соответственно Io = 102 Вт/м2.
В соответствии с основным психофизическим законом Вебера-Фехнера между субъективными ощущениями человека и физическими раздражителями (в данном случае звуком) существует логарифмическая зависимость, которая показывает, что с ростом силы раздражителя ощущения изменяются гораздо медленнее, т.е. прирост ощущений пропорционален логарифму отношений энергий сравниваемых раздражений.
Поэтому для оценки эффективности звука наиболее объективной оказалась шкала, которая даёт возможность судить о звуке не по абсолютной величине его интенсивности, а по уровню интенсивности, представляющему собой логарифм отношения фактически создаваемой интенсивности I к минимальной пороговой интенсивности Io.
Уровень интенсивности (уровень силы звука)
L = lg I / Io = lg I / 10-12 (4)
Если воспользоваться формулой (1), получим выражение для уровня звукового давления:
L = lg (P / Po)2 = 2 lg P / Po = 2 lg P / 2·10-5 (5)
Зависимости (4) и (5) свидетельствуют о том, что уровень интенсивности звука и уровень звукового давления – синонимы. За единицу измерения уровня интенсивности и уровня звукового давления в этих формулах принят бел (Б). Слуховой анализатор человека способен различать прирост звука в 0,1 Б. Поэтому на практике пользуются разрядной единицей от бела – децибелом (дБ) – величиной в 10 раз меньшей, чем бел. В этом случае выражения (4) и (5) можно записать:
|
|
|
L = 10 lg I / Io = 20 lg P / Po (6)
Нетрудно убедиться, что увеличение интенсивности звука в 10, 100, 1000, 10000 раз соответствует увеличению его уровня соответственно на 10, 20, 30,40 дБ и т.д. Поэтому, если один источник генерирует звук с уровнем интенсивности 50 дБ, а второй – с уровнем 100 дБ, то нельзя сказать, что интенсивность (сила) звука второго источника в два раза больше первого. В действительности сила звука второго источника больше первого в 100000 раз.
Логарифмический масштаб оправдан и при оценке восприятия частоты. Увеличение частоты звука субъективно воспринимается как возрастание величины его тона. При этом ухо фиксирует изменение не на какое-то количество единиц, а в какое-то число раз. Например, увеличение частоты звука со 100 до 200 Гц соответствует такому же ощущению изменения высоты тона, как при увеличении с 1000 до 9000 Гц.
Уровень интенсивности звука, выраженный в дБ, является физической характеристикой звука, которая не позволяет судить о физическом ощущении громкости, т.к. не учитывает различную чувствительность слухового анализатора к звукам разной частоты. Поэтому для субъективной оценки интенсивности звука введено понятие уровня громкости с единицей измерения – фон. Уровень громкости звука определяют путём уравнивания его со звуком частотой 1000 Гц, для которого уровень интенсивности (бел) принят за уровень громкости (фон). Путём сравнения громкости звуков различной частоты с громкостью звука частотой 1000 Гц были получены диаграммы кривых равной громкости. Звуки различной частоты и интенсивности, расположенные на одной кривой, производят впечатление звуков одинаковой громкости.
Для оценки воздействия шума на организм человека необходимо знать распределение уровня звукового давления по частотам. Зависимость уровней звукового давления от частот называется частотным спектром шума.
|
|
|
Частотные полосы – полосы, на которые разделяют весь слуховой диапазон частот.
При анализе шума уровни звукового давления могут измеряться как в октавных, так и в полу- и третьоктавных полосах.
Октава – диапазон частот, в котором верхняя граничная частота в 2 раза больше нижней (fв / fн = 2 / 1), например 63, 125, 250 … Гц
Третьоктава – отношение частот (fв / fн = 5 / 41), например 55, 63, 80, 100…
В практических расчётах и при нормировании шума пользуются стандартным рядом октавных полос, среднегеометрическое значение которых составляет 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Для октавной полосы среднегеометрическое значение определяется по формуле:
f = √ fв · fн = 1.41 fн (7)
Общий уровень шума – уровень звукового давления во всём слуховом диапазоне, равный суммарному уровню во всех частотных полосах.
Сложение полосовых уровней, как и уровней нескольких источников шума, производится по формуле:
Lобщ = 10 lg (100.1L1 + 100.1L2 +……..100.1Ln). (8)
где L1, L2,…..Ln – уровни в отдельных частотных полосах и уровни шума от различных источников.
Классификация шума
Степень вредного воздействия шума, учитываемая при нормировании, зависит главным образом от уровней звукового давления, частотного спектра шума и продолжительности его воздействия. Принимается во внимание характер спектра шума и его временные характеристики.
По характеру спектра шум подразделяется на:
- широкополосный с непрерывным спектром шириной более одной октавы (например, шум
судового двигателя);
- тональный, в спектре которого имеются дискретные тона (например шум дисковой пилы). Тональный характер шума устанавливают измерением в третьоктавных полосах частот по превышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам шумы подразделяются на
- постоянный, уровень звука которого за 8- часовой рабочий день изменяется во времени,
не более чем на 5 дБа;
- непостоянный, уровень шума которого за 8-часовой рабочий день изменяется во времени
более чем на 5 дБА.
Непостоянный шум подразделяется на:
- колеблющийся во времени, уровень которого непрерывно изменяется во времени
(например шум автомобиля);
- прерывистый, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА), причём
длительность интервалов, в течение которых уровень остаётся постоянным, составляет 1 с
и более (например, шум холодильников, систем кондиционирования воздуха, работающих
в автоматическом режиме);
- импульсный, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый
|
|
|
длительностью менее 1 с (например, шум отбойных молотков).
Наибольшее раздражающее действие на организм человека оказывают тональные и импульсные шумы.
|
|
|
