Физические и физиологические характеристики шума

Процесс распространения  колебательного движения в среде называется звуковой волной.

Область среды, в которой  распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. От характеристик среды (температура и влажность) зависит скорость распространения звуковой волны – скорость звука.

В воздухе звуковые волны  распространяются в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет  большой объем, так как колебания  частиц, вызванные источником звука, передаются значительной массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц среды ослабевают.

Ослабление звука зависит  также от его частоты. Звуки высоких  частот поглощаются в воздухе  больше, чем звуки низких частот.

При распространении звуковой волны следует различать два  совершенно разных явления: движение частиц среды в волне и перемещение  самой волны в среде. Обычно колебательные скорости частиц среды в несколько тысяч раз меньше скорости звука, колебательная скорость – векторная величина.

В процессе распространения  звуковых волн в воздухе и жидкостях  смещения частиц среды происходят в  направлении распространения волны, такие волны называются продольными (рис. 3.1.2, а).

Поперечные звуковые волны возникают при распространении колебаний в твердых средах, при этом частицы среды смещаются перпендикулярно направлению распространения звуковой волны (рис. 3.1.2, б).

 

Рис. 3.1.2. Типы волн:

а - продольная волна (в жидкостях  и газах);

б - поперечная волна (в твердых телах)

 

В твердых телах возможны различные сочетания продольных и поперечных волн. Примером могут  служить изгибные волны, возникающие в относительно тонких конструкциях толщиной меньше 1/6 длины волны.

В природе не существует изолированных колебаний одного тела. Окружающая колеблющееся тело среда (воздух, вода, твердые материалы) обладает своими упругими свойствами. Поэтому  в каждой среде вследствие взаимодействия между частицами колебания, возникающие  в любой точке пространства, передаются прилегающим зонам среды. Этот процесс  передачи колебаний в упругой  среде назван волновым процессом. Направление распространения волны называется звуковым лучом.

Фронтом волны называют поверхность, проходящую через частицы среды, совершающие колебания в одной и той же фазе. Направление распространения звука в каждой точке фронта является нормалью к его поверхности. Различают три типа звуковых волн, отличающихся друг от друга формой фронта:

- плоские, имеющие фронт в виде плоскости, перпендикулярной к направлению распространения;

- сферические, имеющие фронт в виде сферы;

- цилиндрические, имеющие фронт в виде боковой поверхности цилиндра.

Звуковое поле обычно может  быть представлено в виде плоской  волны, если линейные размеры источника  велики по сравнению с длиной излучаемой им волны или если рассматриваемая  зона звукового поля находится на достаточно большом (по сравнению с  длиной волны) расстоянии от источника  звука.

3.2.Физические характеристики шума

3.2.1. Амплитуда звуковых колебаний 

Амплитуда звуковой волны (амплитуда  смещения) – максимальное смещение колеблющихся частиц среды от положения равновесия. Мощность звука при одной и той же частоте зависит от амплитуды колебания звучащего тела. Тело, совершающее колебания с большей амплитудой, будет вызывать более резкое изменение давления среды, и звук будет сильнее (громче)

3.2.2. Длина звуковой волны

   Длина звуковой волны λ (м) прямо пропорциональна скорости звука с   (м/сек) и обратно пропорциональна его частоте f  (Гц):

l

По сопоставлению с  другими волновыми физическими  явлениями (светом, теплом) звук характеризуется исключительно большой длиной волн.

Длина самых коротких звуковых волн соизмерима с размерами ограждающих конструкций зданий, таблица 3.

Таблица 3

Средняя длина звуковых волн в воздухе при t =15ºC
Частота, Гц	20	50	100	200	500	1000	2000	4000	10000	20000
Длина волны , м	17	7	3,4	1,7	0,68	0,34	0,17	0,085	0,034	0,017

3.2.3. Частота звуковых колебаний

Подобно всякому волновому  движению, звуковые волны характеризуются частотой колебаний (f). Частота колебаний связана со скоростью звука и длиной волны следующим выражением:

l

За единицу частоты  принят герц (Гц), равный одному колебанию в секунду (1/с).

Частота звуковых волн, воспринимаемых ухом человека, лежит в пределах от 20 Гц до 20000 Гц. Звуковые колебания  с частотой меньшей 20 Гц называют инфразвуком, больше 20000 Гц – ультразвуком.

3.2.4. Скорость звука

Скорость звука - это расстояние, на которое в упругой среде распространяется звуковая волна в единицу времени. Скорость звука зависит от плотности и температуры среды.

Звуки различной частоты  распространяются в одной и той  же среде с одинаковой скоростью.

Скорость звука является некоторой константой, характерной  для данного вещества. Скорость распространения  звука в воздухе (при 0°С) составляет 340 м/с, в воде - 1450 м/с, в кирпиче - 3000 м/с, в стали - 5000 м/с.

С изменением температуры  среды изменяется скорость звука. Чем  выше температура среды, тем с  большей скоростью в ней распространяется звук. Так, на каждый градус увеличения температуры скорость звука в  газах возрастает на 0,6 м/с, в воде - на 4,5 м/с.

3.2.5. Колебательная скорость

Колебательная скорость – величина, равная произведению амплитуды колебаний частиц среды, через которую проходит периодическая звуковая волна, на угловую частоту:

v = Aω

Единица измерения — метр в секунду (м/с). Для синусоидальной волны колебательная скорость равна амплитуде скорости колеблющихся частиц среды.

Колебательная скорость частиц (акустическая скорость), скорость v, с которой движутся по отношению к среде в целом частицы (бесконечно малые части среды), колеблющиеся около положения равновесия при прохождении звуковой волны. Колебательную скорость следует отличать как от скорости движения самой среды, так и от скорости распространения звуковой волны или скорости звука с. Величина v << с при распространении звуковых и ультразвуковых волн в любых средах (газах, жидкостях, твёрдых телах) и при любых достижимых в настоящее время интенсивностях звука

3.2.6. Звуковое давление

В каждой точке звукового  поля при распространении гармонической  звуковой волны будут попеременно  возникать  деформации сжатия и разряжения, что приведет к изменению давления в среде по сравнению с атмосферным  давлением.

Разность между атмосферным  давлением при отсутствии звукового  воздействия и давлением в  каждой точке звукового поля называется звуковым давлением (p).

Фазе сжатия соответствует  положительное значение звукового  давления, фазе разряжения – отрицательное. Единицей измерения звукового давления является паскаль (Па). Паскаль – это давление, вызываемое силой 1Н, равномерно распределенной по перпендикулярной ей поверхности площадью 1м² (т.е. 1Па=1Н/м²)

Звуковое давление в  каждой точке изменяется по времени, принимая положительные или отрицательные  значения. Поэтому оно измеряется не в амплитудных, а в эффективных его значениях. Таким значением является среднеквадратичное звуковое давление, в расчеты вводится осредненное значение p_ср:

 

При рассмотрении звукового  поля создаваемого несколькими источниками, мгновенное значение результирующего  давления равно алгебраической сумме  давлений от каждого источника:

 

3.2.7. Уровень звукового давления

Величина звукового давления  слышимого человеком звука изменяется в очень больших пределах – 10⁷ раз. Учитывая трудности, связанные с использованием абсолютных значений звукового давления, эту величину принято оценивать в относительных логарифмических уровнях звукового давления, измеряемых в децибелах (дБ). Каждое значение этой логарифмической шкалы соответствует изменению звукового давления в определенное число раз.

Уровень звукового давления, выраженный в логарифмической шкале, находится по формуле:

 

где p_ср – среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

      p_0ср–среднеквадратичное значение звукового давления, соответствующее порогу слышимости и принятое за начало отсчета, p_0ср=2´10^-5Па

Болевой порог восприятия звука соответствует величине p =2´10² Па

Уровень звукового давления в расчетной точке звукового  поля, создаваемого несколькими источниками  шума равен:

 дБ,

где L₁, L₂, … L_n – уровни звукового давления, создаваемые соответствующими источниками в расчетной точке.

При n одинаковых источниках шума, равноудаленных от расчетной точки с уравнениями звукового давления L_i суммарный уровень равен:

 

3.2.8. Фактор направленности

Часто источники излучают звук неравномерно по всем направлениям, такая неравномерность излучения  характеризуется коэффициентом Ф - фактором направленности. Он представляет собой отношение интенсивности звука I, создаваемой источником в данной точке звукового поля, к интенсивности I_сф, которую имел бы источник с такой же мощностью, но равномерно излучающий звук по всем направлениям (в сферу), т. е.:

 

3.2.9. Интенсивность звука

Распространение звуковой волны сопровождается переносом  энергии, которая является функцией звукового давления p и колебательной скорости V в каждой точке среды.

Интенсивностью звука (I) называют средний поток звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения звуковой волны. За единицу интенсивности принят Вт/м². В общем случае интенсивность звука в свободном звуковом поле в направлении распространения звуковых волн определяется по выражению:

 

где p – среднеквадратичное звуковое давление, Па;

      r – плотность среды, кг/м²;

      с – скорость звука в среде, м/с.

Произведение r·с – удельное акустическое сопротивление среды, в которой распространяется звук, Па·с/м³ (например, для воздуха r·с = 420´10⁵ Па·с/м³)

Интенсивность звука является векторной величиной.

При рассмотрении звукового  поля создаваемого несколькими источниками, суммарная интенсивность звука  будет складываться из интенсивностей всех источников в расчетной точке:

3.2.10. Уровень интенсивности звука

Изменение интенсивности  слышимого звука огромно и  составляет 10¹⁴ раз. Поэтому введена логарифмическая величина уровень интенсивности звука (дБ), которая определяется по формуле:

 

где I₀ – значение интенсивности звука, соответствующее порогу слышимости, I₀=10^-12Вт/м² (на частоте 1000Гц).

Болевой порог восприятия звука соответствует величине I=10²Вт/м². Подставляя в формулу уровня интенсивности звука, получаем:

дБ

3.2.11. Плотность звуковой энергии

В тех случаях, когда  направление распространения звуковой волны определить трудно, возможно использовать другую энергетическую характеристику – плотность звуковой энергии (e ), т. е. энергию, содержащуюся в единице объема звукового поля.

Плотность звуковой энергии  рана отношению звуковой энергии dW, содержащейся в элементе среды, к объему этого элемента dV:

;

Плотность звуковой энергии  является скалярной величиной. Единицей измерения плотности звуковой энергии  является Дж/м³.

3.2.12. Звуковая мощность

Звуковой мощностью  (Р) источника звука называют общее количество звуковой энергии, излучаемое источником звука в окружающее пространство в единицу времени. Единица измерения звуковой мощности – ватт (Вт).

Звуковая мощность источника  определяется интегрированием интенсивности  звука по всем направлениям от источника:

 

где I – интенсивность потока звуковой энергии в направлении, перпендикулярном элементу поверхности dS.

3.2.13. Уровень звуковой мощности

По аналогии с уровнями интенсивности установлены уровни звуковой мощности (дБ):

где W₀ – пороговое значение звуковой мощности, W₀=10^-12Вт.

Так как источники шума обычно считаются некогерентными, т.е. создаваемые им давления произвольны по фазе, то это позволяет суммировать их мощности энергетически.