Человек живёт в мире звуков от самого рождения на протяжении всей жизни. На лекции об освещении мы говорили, что 90% информации об окружающей среде человек получает от органов зрения. А из оставшихся 10% 5% приходится на органы слуха. В нашей лекции будут встречаться два понятия: звук и шум. Они в принципе однозначны, но понятие звук более широкое. Это музыка, шелест листьев, шум прибоя. Кроме того, это живая речь, которая отводит человеку особое место в природе. Понятие шум немного уже.
1 Шум – это неритмичное звукообразование, беспорядочное смешение звуков.
2 Шум – это всякий мешающий человеку звук.
Статистика показывает, что в последние годы шумность как в быту, так и на рабочих местах постоянно возрастает на 1-3 дБ в год.
В качестве примера увеличение шумности в быту можно вспомнить почти все бытовые устройства и приспособления: стиральные машины, пылесосы, бритвы, мопеды, электродрели.
Поэтому в настоящее время наряду с термином загрязнение воздушной среды, под которым понимается в основном химическое и механическое загрязнение вводится понятие «Шумовое загрязнение». Учёными ещё не доказано что опаснее: дышать воздухом, содержащим вредные примеси, или в течение всех суток находится под воздействием сильного шума. Абсолютная тишина – тоже плохо (космонавты, подводники и т.д.).
Из истории борьбы с шумом
В некоторых городах древней Греции в целях борьбы с шумом запрещалось держать петухов. В Англии в XVII веке был принят закон, который запрещал сориться с жёнами с 9 часов вечера до 6 утра, чтобы шум не мешал окружающим.
Шум - это зло. В связи с тем, что тишина на планете стала дефицитной, борьба за тишину стала актуальной задачей.
По физической сущности шум - это волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение частиц упругой (газовой, жидкой или твёрдой) среды, которое носит, как правило, беспорядочный, случайный характер.
Непосредственно примыкающие к источнику колебания частицы среды вовлекаются в колебательный процесс и смещаются, приходя в состояние ритмического сгущения и разряжения. Этот процесс в силу упругости среды распространяется последовательно на смежные частицы в виде волны.
Источниками шума могут быть:
1 Колебания тел или их поверхностей – вызывает механический шум (эффект используется в театре).
2 Нестационарные процессы в жидкости или газе, сопровождающиеся возникновением звуковых волн – аэрогидродинамический шум.
3 Переменные магнитные силы, приводящие к колебаниям рабочие органы электрических машин и аппаратов, – электромагнитный шум (стабилизатор напряжения к телевизору).
Основными параметрами, характеризующими шум, являются:
1 Амплитуда колебания – максимальное смещение от исходного положения частиц среды, проводящей звук, в результате вовлечения их в колебательный процесс источником колебания (например, ножками камертона).
2 Звуковое давление – это переменное давление, возникающее дополнительно к атмосферному давлению, в той среде, через которую происходят звуковые волны. Оно выражается в ньютонах на квадратный метр (Н/м2) или динах на квадратный сантиметр (дин/см2). В фазе сжатия звуковое давление положительно, в фазе разрежения – отрицательно. Обозначается буквой р (строчкой).
3 Скорость звука – это расстояние, на которое в течении одной секунды может распространяться волновой процесс. В воздухе при t = 20ºС и нормальном атмосферном давлении она равна 334 м/с, при повышении температуры – скорость звука увеличивается примерно на 0,71 м/с на каждый градус. Для сравнения:
в стали – 5000 м/с,
в резине – 40/60 м/с.
4 Длина волны – это расстояние между двумя соседними сгущениями или разряжениями в звуковой волне:
, (5.1)
где С – скорость звука, м/с;
f – частота герц.
5 Сила звука (интенсивность) – это количество энергии, проходящее в результате распространения звука через площадь 1м2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны в единицу времени. Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью
, Вт/м2, (5.2)
где ρ – плотность среды, Н/м3;
с – скорость распространения звука, м/с;
Р – звуковое давление, Н/м3.
Единица измерения силы звука - Вт/м2.
Несколько слов о наглядности силы звука.
1 В старину была казнь «под колоколом».
2 Самолетам запрещалось переходить звуковой барьер над населёнными пунктами. Почему? Могут быть серьёзные разрушения и вылететь стёкла из окон.
3 В США большое значение придаётся рекламе. В этих целях над 10 добровольцами на высоте 10-20м пролетел на сверхзвуковой скорости самолёт. Сила звука была такой, что 6 человек погибли на месте, 4 - скончались в госпитале.
Частотный состав шума - это совокупность входящих в него частот. По ширине спектра шумы распределяются:
а) а узкочастотные, состоящие из ограниченного числа смежных частот;
б) широкополосные, включающие почти все частоты звукового диапазона.
По частоте преобразующих звуков шум делится на:
низкочастотный – до 400 Гц;
среднечастотный – от 400 до 1000 Гц;
высокочастотный – свыше 1000 Гц.
В процессе эволюции человек привык к звукам средней частоты, т.к. эти частоты в природе самые распространённые (пение птиц, шум леса и моря). Поэтому на человека шум такой частоты действует более благоприятно, чем такой же силы, но более высокой частоты. Это обстоятельство нужно учитывать при проектировании новых машин при выборе числа оборотов или частоты колебаний рабочих органов (вибросита, виброгрохоты, уплотнение формовочных смесей).
По величине интервалов между составляющими его звуками различают:
а) дискретный (линейный) шум – с интервалами;
б) сплошной шум – без интервалов;
в) смешанный шум.
По характеру изменений общей интенсивности во времени различают:
а) стабильные звуки – энергия звука во времени меняется незначительно;
б) прерывистые звуки – быстрое периодическое нарастание и спад энергии с паузами (ткацкие, швейные цехи).
При измерении производственных шумов спектр определяется в диапазоне 31,5 - 8000 Гц.
Этот интервал разбит на полосы, которые назвали октавами.
Октава – это такая полоса спектра, в которой верхняя граничная частота отличается от нижней граничной частоты в 2 раза. Тогда весь слышимый спектр примет вид
45-90(63), 90-180(125), 180-355(250), 355-710(500), 710-1400(1000), 1400-2800(2000), 2800-5600(4000), 5600-11200(8000).
Распространение звуковых волн сопровождается появлением ряда акустических явлений.
Наложение звуковых волн одинаковой частоты называется интерференцией.
Процесс огибания звуковой волной препятствий конечных размеров называется дифракцией.
Возникающие внутри замкнутых помещений звуковые волны, распространяясь от источника, многократно отражаются от перекрытий, создавая условия для появления гулкости помещения. Этот процесс называется реверберацией.
При совпадении частоты колебаний внешней среды с собственными колебаниями системы, амплитуда резко возрастает. Это явление называется резонансом.
В понятии шум в акустике заложен не только физический, но и физиологический смысл.
С физиологической точки зрения не каждое колебательное движение звукопроводящей среды воспринимается организмом как звуковое раздражение. Ухо человека способно улавливать механические колебательные движения среды, с частотой от 20 до 20000 Гц. Ниже 20 Гц и выше 20 тыс. Гц находятся соответственно области неслышимых человеком инфразвуков и ультразвуков.
В этом слышимом диапазоне (20-20000 Гц) выделяют два порога звуковой энергии, воспринимаемой человеком как звук.
Минимальная величина звуковой энергии воспринимаемая человеком как звук, называется слуховым порогом. Порог слышимости составляет I0 = 10-12 Вт/м2. Звуковое давление, соответствующее этой величине равно Р = 2×10-5 Н/м2.
Звуковая энергия, при которой воспринимаемый звук вызывает уже болевые ощущения – называется болевым порогом, она соответствует силе I = 102 Вт/м2 и звуковому давлению более Р = 20 Н/м2.
Диапазон большой: по силе (интенсивности) 1014;
по давлению -106 .
Оперировать такими цифрами неудобно, кроме того, ухо человека способно реагировать на относительные измерения интенсивности, а не на абсолютное значение параметра.
Для органов слуха важен не сам параметр звука, а изменение фактического параметра звука относительно значения принятого за пороговый отсчёт. Поэтому в акустике введено понятие уровень параметра как отношение фактического значения параметра к пороговому значению.
Международным соглашением в качестве порогового отсчёта принято звуковое давление Р=2×10-5 Н/м2 (это порог слышимости). Тогда уровень параметра по звуковому давлению можно представить в виде
L=lg(Pфак /Pпор), (5.3)
где lg – символ, который вводится для того, чтобы не оперировать большими цифрами: 1014, а lg1014 = 14.
Логарифм отношения параметра звука над принятым пороговым значением в акустике называется белом (Б).
По аналогии
LI = lg(Iфак/Iпор).
Но пользоваться показателем «Б» неудобно, т.к. диапазон слишком мал, поэтому пользуются величиной в 10 раз меньше – «дБ». Т.к. I = Р2/ρс, то Lη = 10 lgI/I0 = =20 lg Р/Р0 дБ. Тогда весь улавливаемый человеком диапазон укладывается в 14 Б или 140 дБ.
Несколько цифр для сравнения: взрыв атомной бомбы 200 дБ – смертельный порог, ход часов 30 дБ, тихий разговор 30дБ, для наших учебных помещений нормальные условия работы 60 дБ, громкая музыка 110 дБ, токарный станок до 100 дБ.
Громкость
Звуки одной интенсивности на разных частотах субъективно человек воспринимает по-разному (с разной громкостью). Поэтому вводится понятие громкость звука, шума. Единица громкости - фон.
Только на частотах 1000 Гц единицы в фонах и дБ совпадают.
Звуковая мощность
Звуковая мощность источника Р – это общее количество звуковой энергии, изучаемой источником шума в окружающую среду за единицу времени, Вт:
,
где in – нормальная к поверхности интенсивности звука, Вт/м2;
S - площадь замкнутой поверхности, на которую распространяется звук, м2.
Уровень звуковой мощности определяется по формуле
,
где P/ – звуковая мощность, Вт;
P/0 – пороговая звуковая мощность, равная 10-12 Вт.
Поможем написать любую работу на аналогичную тему