 |
Звук. Основные характеристики звукового поля. Распространение звука
|
|
|
|
Лекция 6 ЗАЩИТА ОТ ШУМА
Среди основных чувств человека слух и зрение играют важнейшую роль - позволяют человеку владеть звуковыми и зрительными информационными полями.
Даже беглый анализ системы человек – машина – окружающая среда дает основание считать одной из приоритетнейших проблем взаимодействия человека с окружающей средой, особенно на локальном уровне (цех, участок), проблему шумового загрязнения среды.
Длительное воздействие шума может привести к ухудшению слуха, а в отдельных случаях – к глухоте. Шумовое загрязнение среды на рабочем месте неблагоприятно воздействует на работающих: снижается внимание, увеличивается расход энергии при одинаковой физической нагрузке, замедляется скорость психических реакций и т.п. В результате снижается производительность труда и качество выполняемой работы.
Знание физических закономерностей процесса излучения и распространения шума позволит принимать решения, направленные на снижение его негативного воздействия на человека.
Звук. Основные характеристики звукового поля. Распространение звука
Понятие звук, как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые представляют собой механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как звук только в определенной области частот (16 Гц - 20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.
Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми. Они не имеют отношения к слуховым ощущениям человека и воспринимаются как физические воздействия среды.
|
|
|
Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис. 1, а).
Рис. 1. Колебания частиц воздуха.
Простейший процесс описывается синусоидой (рис. 1, б)
,
где amax - амплитуда колебаний;
w = 2p f - угловая частота;
f - частота колебаний.
Гармонические колебания с амплитудой amax и частотой f называются тоном.
В зависимости от способа возбуждения колебаний различают:
- плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;
- цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;
- сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующий шар.
Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются:
- звуковое давление p зв, Па;
- интенсивность звука I, Вт/м2.
- длина звуковой волны l, м;
- скорость распространения волны с, м/с;
- частота колебаний f, Гц.
Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются колебания волн на воде. С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.
Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в возмущенной среде p ср в данный момент, и атмосферным давлением p атм, называется звуковым давлением (рис.2). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.
|
|
|
p зв = p ср - p атм.
Рис. 2. Звуковое давление
Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением ZA, которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м2*с) и представляет собой отношение звукового давления p зв к колебательной скорости частиц среды u:
zA = pзв/u = r*с,
где с - скорость звука, м; r - плотность среды, кг/м3.
Для различных сред значения Z A различны.
Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м2, перпендикулярное направлению движения, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м2:
Для сферической волны от источника звука с мощностью W, Вт интенсивность звука на поверхности сферы радиуса r равна:
I = W / (4 p r 2),
то есть интенсивность сферической волны убывает с увеличением расстояния от источника звука. В случае плоской волны интенсивность звука не зависит от расстояния.
6.1.1. Акустическое поле и его характеристики
Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.
Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:
- звуковым давлением p зв, Па;
- акустическим сопротивлением ZA, Па*с/м.
Энергетическими характеристиками акустического поля являются:
- интенсивность I, Вт/м2;
- мощность звука W, Вт - количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.
Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф, т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.
|
|
|
Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук. Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое поле называютсвободным акустическим полем. В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн.
Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлениями реверберации и диффузии.
Если в помещении начинает действовать источник звука, то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.
Звуковое поле, в котором возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю, называется диффузным полем.
После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 106 раз от уровня, существующего в момент его выключения. Любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звука – реверберацией ("послезвучание").
|
|
|
