Физические характеристики шума. - Безопасность жизнедеятельности человека.

  В акустике под звуком понимают механические колебания в сплошной среде: твердой, жидкой или газообразной. Звуковые колебания охватывают диапазон частот от 0 до бесконечности. В зависимости от частоты звуковые колебания подразделяются на инфразвуковые (частота ниже 16 Гц), акустические (слышимые), (частота от 16 Гц  до 20 кГц), ультразвуковые (частота выше 20 кГц).

Шумом называют любой нежелательный звук или совокупность таких звуков. Звук это распространяющийся в упругой среде колебательный процесс в виде чередующихся волн сгущения и разряжения частиц этой среды. Источником звука может являться любое колеблющееся тело.  Колеблющееся тело отклоняется от своего положения равновесия попеременно в противоположные стороны. При каждом отклонении оно сжимает одной своей стороной прилегающий к нему воздух, а другой стороной разрежает. С одной его стороны давление воздуха становится чуть больше атмосферного,  и настолько же оно уменьшается с противоположной стороны.  Разница между давлением в слое сжатия или разрежения и обычным атмосферным давлением называется акустическим или звуковым давлением Р. Звуковое давление измеряется в Паскалях  (1Па = 1Н/м2). Ухо человека ощущает звуковое давление от 2*10-5  до 2*102  Н/м2.  Чем больше давление звука, тем сильнее раздражение и ощущение громкости звука.

Скорость распространения звуковых волн зависит от упругих свойств среды, температуры и плотности среды.

Скорость распространения звуковой волны по разным средам различна и для воздуха при t=20оС  с=334 м/с,  для воды с=1485 м/с, для льда с=3000 м/с, для бетона с=4000 м/с, для стали с=5000 м/с.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии  в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке I.(Вт/м2).

            ,

где и с – плотность и скорость звука.

Величины звукового давления  и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут изменяться в широких пределах: по давлению до 108 раз, по интенсивности до 1013. Естественно, что оперировать такими цифрами очень неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что человеческое ухо способно реагировать на относительное изменение интенсивности звука, а не на абсолютное. Поэтому были введены логарифмические величины – уровни  интенсивности и  звукового давления

Единица измерения уровня интенсивности и звукового давления – Бел (Б). Однако для практических целей оказалось удобнее пользоваться десятой частью этой единицы –децибелом (дБ).

Уровень интенсивности звука определяется по формуле:

lg (I/I0) (дБ)

где I0=10-12 Вт/м2 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1000 Гц.

 lg (p/p0) (дБ)

где р0=2*10-5 Па –  пороговое звуковое давление, выбранное таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях уровни звукового давления были равны уровням интенсивности, р - среднеквадратичное звуковое давление.

Величину уровня интенсивности используют в акустических расчетах, а уровня звукового давления  - для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Благодаря звуковому давлению мы и можем слышать звук. Оно ничтожно. Мы легко улавливаем чуть слышный шорох, хотя его звуковое давление на барабанную перепонку уха равно  всего лишь 3*10-5 Па, т.е. в 3*1010 раз меньше атмосферного давления. Такое давление соответствует нагрузке примерно трем десятимиллионным грамма на 1 см2. Наше ухо гораздо чувствительнее, чем самые точнейшие химические весы.

Такая чувствительность уха сама по себе загадочна. Физиологи рассчитали, что под воздействием самого слабого звука барабанная перепонка прогибается на расстояние меньше, чем размеры атома. Науке еще не вполне ясно, как осуществляется в нашем ухе передача столь слабых звуков.

Еще одно замечательное свойство нашего уха – способность воспринимать звуки, интенсивность которых различается в 1013 раз. Измерительная техника не знает такого прибора, которым можно было бы определять величины, различающиеся в 10 триллионов раз. На весах с таким диапазоном чувствительности можно было бы взвесить и камень весом в 1 кг и небольшую планету.

Т.к.,  шум, как правило, является совокупностью звуков различной частоты, то для удобства нормирования осуществляют разложение шума на составляющие его тона (звуки примерно одной частоты).  Такая операция называется спектральным анализом, а графическое изображение зависимости уровней звукового давления от частоты  называется частотным спектром шума. Спектры получают, используя анализаторы шума – набор электрических фильтров, которые пропускают сигнал в определенной полосе частот.

 Для оценки шума используют звуковой диапазон частот от 45 до 11000 Гц, включающий 8 октавных полос со среднегеометрическими частотами октавных полос fсг  63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Октавная полоса – полоса частот, между граничными значениями которых fверх  и fнижн выполняется соотношение fверх/fнижн=2, среднегеометрическая частота      ( 63=).