Основні поняття та фізичні параметри.

Тіла в стані коливання викликають повздовжні коливання повітряного середовища, які у межах частот від 20 до 20 000 Гц сприймається людиною як звук.

В кожній точці звукового поля тиск та швидкість руху частинок повітря змінюється в часі. Частинки середовища коливаються відносно положення рівноваги, причому швидкість таких коливань (швидкість коливання) значно менша швидкості розповсюдження хвилі. Різниця між миттєвим значенням повного тиску в деякій точці та середнім тиском, який спостерігається у незбудженому середовищі називається звуковим тиском Р (н/м²).

На слух діє середній квадрат звукового тиску:

, [ н/м² ], (5.1)

де – час усереднення, який в середньому для людини складає 30-100 мс.

Сукупність звуків різної частоти та інтенсивності, що викликають неприємні суб’єктивні відчуття називають шумом.

Шум (звук) крім звукового тиску ще характеризується інтенсивністю або силою – кількість енергії, яка проходить в одиницю часу через одиничну площадку перпендикулярну до напрямку розповсюдження шуму. Інтенсивність звуку зв’язана із звуковим тиском залежністю

, , (5.2)

де – звуковий тиск, (н/м²); – питомий акустичний опір середовища, н·с/м³; – густина середовища, кг/м³; – швидкість розповсюдження звуку в середовищі, м/с (для повітряного середовища =414 н·с/м³; для води =1.5·10⁶ н·с/м³; для сталі =4.8·10⁷ н·с/м³). Крім того акустичний опір визначає звукоізолюючі властивості матеріалів.

Величини звукового тиску та інтенсивності шуму, з якими приходиться на практиці мати справу, змінюється в дуже широких межах: по тиску в 10⁸ раз, по інтенсивності до 10⁶ раз. Оперувати такими цифрами не дуже зручно. Але найбільш важлива та обставина, що вухо людини реагує на відносну зміну звукового тиску, а не на її абсолютне значення (відносно порогу чутності). Крім того, відчуття людини при шумі пропорційне логарифму кількості енергії подразника. Тому були введені логарифмічні величини відношення: рівень інтенсивності шуму та рівень звукового тиску, які вимірюються в децибелах. Вперше поняття рівня було введено вченим А. Г. Бел-лом: рівень інтенсивності

в Беллах (Б),

де порогова інтенсивність чутності. Але оскільки вухо людини реагує на величину в 10 раз меншу за 1 Б, то в якості одиниці вимірювання рівнів взята величина 1 дБ =0.1 Б. Тоді останній вираз запишеться

, [ дБ ]. (5.3)

Причому слід відзначити, що людина сприймає нормально звукові коливання в певних межах інтенсивності, але нормальність сприйняття залежить й від частоти коливань, так при =1000 Гц ці межі від =10^-12 Вт/м² – поріг сприйняття, до =10 Вт/м² – больовий поріг. Для других частот ці межі будуть іншими.

Отже рівень інтенсивності шуму визначається співвідношенням (5.3) де – інтенсивність шуму, яка рівна порогу чутності при =1000 Гц ( =10^-12 Вт/м²). Больовий поріг 130 дБ, 150 дБ вже не можливо витримати.

Величина рівня звукового тиску в дБ визначається виразом

, (5.4)

Тут пороговий тиск =2·10^-5 н/м² вибраний таким чином, щоб при нормальних атмосферних умовах рівень звукового тиску дорівнював рівню інтенсивності. Величина рівня інтенсивності використовується при проведенні акустичних розрахунків, а рівень звукового тиску – для вимірювання шуму та оцінки його дії на людину, оскільки орган слуху чутливий не до інтенсивності а до звукового тиску.

Зв’язок між рівнем інтенсивності шуму та рівнем звукового тиску знайдемо якщо розділити вираз

для інтенсивності звуку на

(порогову інтенсивність) та прологарифмувати:

.

Для нормальних умов

,

так як

а ,

де – густина, – швидкість звуку в повітрі.

Рис. 5.1. Криві рівної гучності звуків

Зменшення шуму також може бути оцінене в децибелах:

, дБ. (5.5)

Приклад: якщо по інтенсивності зменшення шуму маємо в 1000 раз, то рівень інтенсивності зменшиться на 10 1000 = 30 дБ.

У випадку коли в розрахункову точку потрапляє шум від кількох джерел, складаються їх інтенсивності, а не рівні. При цьому вважається, що джерела не когерентні, тобто створювані ними тиски мають різні фази.

. (5.6)

Рівень інтенсивності (дБ) при одночасній роботі цих джерел отримаємо розділивши як праву так і ліву частину цього рівняння на та прологарифмувавши:

, або

, (5.7)

де – рівні звукового тиску, або рівні інтенсивності, які створюються кожним із джерел в розрахунковій точці. (Покажемо, що дійсно ).

Якщо є в наявності однакових джерел шуму з рівнем звукового тиску , то сумарний шум (дБ) з (5.7) буде:

,

Отже,

(5.8)

З виразів (5.7) та (5.8) можна зробити наступні практичні висновки:

· при великій кількості однакових джерел шуму заглушення лише кількох з них практично не послаблять сумарний шум;

· якщо на робоче місце потрапляє шум від різних за інтенсивністю джерел, то для найбільш ефективного послаблення сумарного шуму знижувати необхідно спочатку шум більш потужніших джерел.

В якості прикладу розв’яжемо дві задачі.

Задача 1. В машинному залі встановлено 3 генераторні установки з рівнем інтенсивності шуму в 60 дБ кожна. Визначити їх сумарний рівень шуму та рівень гучності шуму при частотах 100 та 10000 Гц.

При однаковій інтенсивності шуму джерел їх загальний рівень інтенсивності визначиться за формулою (5.8): , де – рівень інтенсивності шуму одного джерела, – число джерел. Тоді дБ, якби було 2 однакових джерела, то дБ.

Скориставшись кривими рівної гучності (див. рис. 5.1) при частоті 100 Гц для дБ опускаючись по відповідній кривій однакової гучності на частоту в 1000 Гц отримаємо рівень гучності 50 фон; аналогічно для 10 000 Гц та дБ рівень гучності складе 55 фон.

Задача 2. В приміщенні працює одночасно чотири вентиляційні установки з рівнями інтенсивності шуму 95, 100, 105 та 110 дБ відповідно. Визначити сумарний рівень інтенсивності шуму.

1-ий варіант розв’язку. При різних за рівнем інтенсивності джерелах шуму сумарний рівень можна визначити за виразом (5.7):

,

У нашому випадку: дБ.

2-ий варіант розв’язку. Можливе використання наступного методу, коли сумування проводиться попарно й послідовно з врахуванням поправки для кожного значення різниці та двох джерел, тобто , де – джерело з більшою інтенсивністю шуму, а взято з таблиці 5.1:

Таблиця 5.1.

, дБ
, дБ		2.5		1.8	1.5	1.2		0.8	0.6	0.5	0.4	0.2

Потім до сумарного значення послідовно додаються наступні по мірі зменшення значення . У нашому випадку:

, тоді дБ.

; дБ.

дБ.

Як бачимо отримали той же результат але без проведення складних обчислень.