Основные физические характеристики звука

Основными характеристиками являются:

- частота f (Гц),

- интенсивность J (Вт/ м²) – энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через единичную поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны,

- звуковое давление р (Па) – это разность давлений в возмущенной и невозмущенной средах. Именно на изменение давления в воздухе реагирует наш орган слуха.

Звуковая волна характеризуется частотой 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 T = 1 / f.

Звуковое давление связано с интенсивностью звука следующим уравнением

J = u p = p²/(r c) (1)

где p – значение звукового давления; u - колебательная скорость частиц в звуковой волне, м/c; r - плотность среды (плотность воздуха при температуре 20⁰С и атмосферном давлении 760 мм.рт.ст. равна 1.29 кг/м³), кг/ м³; c – скорость звука в среде(в воздухе с = 334 м/с).

Интенсивность шума на расстоянии l от источника шума мощностью W равна

J = W / (4 p l²). (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.

Уровни минимального звукового давления и минимальной интенсивности звуков, слабо различимых слуховым аппаратом человека, называются пороговыми. Наибольшей чувствительностью к звуку слуховой аппарат человека обладает при частотах от 2000 до 5000 Гц (см. рис. 1). За эталонный принят звук с частотой колебаний 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости по звуковому давлению р₀ = 2× 10^-5 Па, а соответствующая ей интенсивность составляет J₀ = p₀ ²/(r c) = (2× 10^-5)²/ (1.29 × 340) = 10^-12 Вт/м².

Верхняя по интенсивности граница воспринимаемых человеком звуков характеризуется порогом болевого ощущения, равным ~ 1 Вт/м², что в 10¹⁴ раз превышает нижнюю пороговую.

Так как человек воспринимает звуки в очень широком диапазоне интенсивностей от 10^-14 до 1 Вт/м², то пользоваться для оценки звука абсолютными значениями звукового давления или интенсивности неудобно. Поэтому используют относительные значения, выраженные в логарифмической форме, в децибелах (дБ = 0.1 Б или dB). Таким образом, уровень интенсивности

L_J = 10 lg (J/J₀). (3)

И поскольку интенсивность звука J = p²/(r c), т.е. пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень звукового давления определяется по формуле

L_Р = 20 lg (Р/Р₀). (4)

Уровни звукового давления и интенсивности связаны между собой соотношением

L_J = L_Р + 10 lg [ r₀ c₀ /(r c) ],

где r₀, c₀ – плотность и скорость звука при нормальных атмосферных условиях. Если измерения проводятся при нормальных атмосферных условиях (температура 20⁰С и атмосферном давлении), очевидно, что L_J = L_Р = L, т.к. r₀ c₀ = r c. Нарис.1 показана область слухового восприятия человека. Из которого можно видеть, что если уровень звукового давления, например, для частот 100 Гц, меньше 70 дБ, то человек его не слышит, а если L> 110 дБ, то человек получает болевое ощущение.

Звуковое давление и интенсивность звука характеризуют звуковое поле в определенной точке пространства, но не характеризует сам источник шума.

Характеристикой непосредственно источника шума является звуковая мощность – общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство. Уровень звуковой мощности определяется по формуле

L_Р = 20 lg (W/W₀),

где W – звуковая мощность источника шума, Вт; W ₀ – пороговая величина звуковой мощности, равная 10^-12 Вт, характеризует, сколько мощности (энергии) механическая система передает внешней среде. Чем больше мощность, тем громче механическая система.

В производственном помещении может находиться несколько источников шума, каждый из которых оказывает влияние на общий уровень шума. Суммарный уровень шума от n одинаковых по уровню шума источников в точке, равноудаленной от них, определяют по формуле

L_сум = L + 10 lg n, (5)

где L – уровень звукового давления одного источника. Например: два одинаковых насоса, работая совместно, создают уровень шума на 3 дБ больше, чем каждый из них.

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

L_сум = 10 lg (10^{0.1 L1} + … + 10^{0.1 Ln}), (6)

где L1, …Ln – уровни звукового давления, создаваемые каждым из источников в расчетной точке. Например: Насосная станция состоит из 5 насосов, при этом L₁ = L₂ = 35 дБ, L₃ = L₄ = 55 дБ, L₆ = 60 дБ. Тогда суммарный уровень шума равен L_сум= 10 lg (2 × 10^{0.1× 35} + 2 × 10^{0.1× 55} +

+ 10^{0.1× 60}) = 62 дБ.

1. 2.Частотная характеристика
Звуковая мощность и звуковое давление есть величины переменные, изменяющиеся во времени. Разложение шума на составляющие его тона (звуки с одной частотой) с

определением их интенсивностей называют спектральным анализом, а графическое изображение шума – спектром.

Для получения частотных спектров шумов или его частотной характеристики производят измерение уровней звукового давления от времени с помощью шумомера (см. рис. 2 для станции СО – 3MHI402/ER – WMS).

Рис. 3. Спектры уровня звука от частоты для насосной станции CO – 3MHI402/ER-WMS

Затем с помощью анализатора получают спектры звука в координатах: уровень звукового

давления – частота (см. рис. 3).

Таким образом, частотным спектром или частотной характеристикой называется зависи-мость уровней звукового давления от частоты. Различают спектры сплошные, у которых спектральные составляющие распределены по шкале частот непрерывно, и дискретные, когда спектральные составляющие разделены участками нулевой интенсивности.

В зависимости от вида спектра шумы делят на тональные, состоящие из нескольких ярко выраженных звуков, и широкополосные, когда энергия расположена в частотном диапазоне

достаточно равномерно.

По временным характеристикам шумы подразделяются на: постоянные, уровень звука которых за рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ, и непостоянные, уровень звука которых меняется не менее чем на 5 дБ.