Акустические шумы представляют как научный, так и практический интерес, например, шумолокация и шумопеленгация (определение координат источника шума); диагностика машин и механизмов по изменению характера их шума, воздействующего на человека в условиях труда и отдыха.

Шум является общебиологическим раздражителем, влияет не только на слуховой анализатор, но и на структуры головного мозга, вызывает сдвиги в различных функциональных системах организма, нарушение периферического кровообращения, изменение артериального давления. Шум способствует развитию утомления, снижению производительности труда, появлению шумовой патологии тугоухости. Развитие тугоухости длительный и постепенный процесс. При действии интенсивного шума изменения со стороны нервной системы значительно более выражены, чем развитие тугоухости.

Характеристикой постоянного шума является уровень звукового давления L (дБ) в октавных полосах

L = 20 lg (P/P₀),

где Р - среднее квадратическое значение звукового давления, Па; Р₀ - пороговое значение звукового давления Р = 2.10^-5 Па.

Для непостоянного шума характеристикой является эквивалентный уровень звука в дБ (А), измеренный по шкале шумомера. В качестве характеристики непостоянного шума допускается использовать дозу шума, т.е. интегральную величину, учитывающую акустическую энергию, которая воздействует на человека за определенный период времени и измеряется в Па²•ч. Для непостоянного шума может использоваться относительная доза шума (%).

D_отн = D•100%/D_доп,

где D_доп допустимая доза, Па²•ч.

Допустимый уровень постоянного шума на рабочих местах задается предельным спектром, т.е. в каждой активной полосе спектра задается допустимый уровень звукового давления. Причем для тонального и импульсивного шума допустимые уровни уменьшаются на 5 дБ. Шум от кондиционеров, вентиляции, воздушного отопления должен быть меньше допустимого на 5 дБ. В любом случае максимальный уровень звука непостоянного шума на рабочих местах не должен превышать 110 дБ (А), а импульсного шума 125 дБ (А).

Основой мероприятий по снижению производственного шума является гигиеническое нормирование. На каждый агрегат, являющийся источником шума, в технической документации указываются уровень звуковой мощности и фактор направленности, характеризующий уровень звукового давления. Допустимый уровень шума устанавливается с учетом характера работы, характера шума и продолжительности действия.

Регламентация шума определяется "Санитарными нормами допустимых уровней шума" 3223-85, ГОСТ ССБТ 12.1.003-83. Требования к шумовым характеристикам машин определяется ГОСТ ССБТ 12.1.023-80. Измерение шума должно производиться по ГОСТ ССБТ 12.1.050-86 с помощью шумомера.

Ключевые слова: шум, постоянный, широкополосный шум, дискретный, узкополосный, спектр, гигиеническое нормирование, допустимый уровень, измерение шума .

Контрольные вопросы

1. Что такое шум?

2. Опишите характер шума в зависимости от источника.

3. Охарактеризуйте шум как физиологическое явление.

4. Что такое спектр шума, дайте его характеристики.

5. Охарактеризуйте временные характеристики шума.

6. Какими документами регламентируется уровень шума?

6. Акустические спектры

Акустический сигнал от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания и связи, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Спектры могут быть высоко- и низкочастотными, дискретными и сплошными.

У каждого источника звука, даже того же самого типа (например, скрипка в оркестре), спектры имеют индивидуальные особенности, что придает звучанию характерную окраску. Эту окраску называют тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. п., а также тембра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляющие; глухой, когда они подавлены.

Гармоническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность различения слухом соседних частот относительно друг друга в пределах слышимого диапазона частот (от 16 ... 20 Гц до 20 кГц) неодинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва превышает 1%, в области высоких частот--около 0,5% и лишь на средних частотах составляет 0,2 ... 0,3%.

В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в акустических измерениях. Помимо октавы в акустических измерениях используется также понятие декады.

Понятие октава соответствует изменению частоты F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 октавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 полутонов, что соответствует приращению частоты или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто пользуются промежуточными значениями интервалов частот -- третьоктавных и полуоктавных .

Декада - это частотный интервал с отношением крайних частот, равным 10. Одна декада включает в себя 3,32 октавы.

Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармонических колебаний, представляемых рядом Фурье:

,

где -- амплитуда; -- частота; k -- номер спектральных составляющих звучания; -- их фаза. В этом случае звучание характеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием, соотношение же между основным тоном и обертонами -- высшими гармониками - определяет при восприятии тембр звучания, его тональную окраску.

Исследования показывают, что тембральное различие голосов определяется формой спектрального распределения энергии звука, обычно обладающего несколькими максимумами и минимумами в области средних и высоких частот в пределах значительной части звукового диапазона. Максимальные значения такого распределения называют формантами, минимальные--антиформантами. По тембру можно отличить один музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, характер шума.

В первую очередь представляют интерес средний спектр для источников звука каждого типа, а для оценки искажений сигнала--спектр, усредненный за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин для художественных). Усредненный спектр может быть, как правило, сплошной и достаточно сглаженный по форме.

Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называется интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Для акустики эту полосу берут равной 1 Гц. Спектральная плотность

,

где -- интенсивность, измеренная в узкой полосе частот с помощью узкополосных фильтров.

Для удобства оценки введена логарифмическая мера плотности спектра аналогично уровню интенсивности. Эту меру называют уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем. Спектральный уровень равен

,

где Вт/м²--интенсивность, соответствующая нулевому уровню, как и для оценки уровня интенсивности.

Очень часто для характеристики спектра вместо спектральной плотности используют интенсивности и уровни интенсивности, измеренные в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот. Нетрудно установить связь между спектральным уровнем и уровнем в октавной (полуоктавной или третьоктавной) полосе.

Спектральный уровень равен

,

а уровень в октавной полосе определяется выражением

,

где --ширина соответствующей октавной полосы.

Вычитая второе из первого, находим

.

При известном спектре сигнала можно определить его суммарную интенсивность. Так, если спектр задан в уровнях интенсивности для третьоктавных полос, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в интенсивности и затем просуммировать все интенсивности. Сумма всех дает суммарную интенсивность для всего спектра.

Суммарный уровень находится по формуле

Если спектр задан в спектральных уровнях, то, исходя из их определения, для всего спектра точный, суммарный уровень равен

,

где и -- верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Приближенно суммарный уровень можно найти делением частотного диапазона на n полосок шириною , в пределах которых спектральный уровень примерно постоянен. Суммарный уровень определяется выражением

Частотный диапазон акустического сигнала определяют из частотной зависимости спектральных уровней. Это определение можно сделать или по спаду спектральных уровней или приближенно, на слух. Субъективными границами считают заметность ограничения диапазона для 75% слушателей.

На рис.1.1 приведены спектры трех типов шумов: белого, розового и речевого. Термин «белые» относится к шумам, имеющим одинаковую спектральную плотность во всем частотном диапазоне, «розовые» -- к шумам с тенденцией спада плотности на 3 дБ/окт. в сторону высоких частот. Речевые шумы -- шумы, создаваемые одновременным разговором нескольких человек.

Рис.1.1. Спектральные уровни шумов:

1-- белого; 2 -- розового; 3 -- речевого

Приведем частотные диапазоны для ряда первичных источников акустического сигнала, Гц:

Таблица 1.1

Контрольные вопросы

1. Что такое тембр?

2. Что такое тон?

3. Объясните понятия октавы, полуоктавы, третьоктавы.

4. Что такое спектр акустического сигнала?

5. Объясните понятие спектральной плотности и спектрального уровня.

7. Звук и слух

Человек живет в мире звуков. Звук - это то, что слышит ухо. Мы слышим голоса людей, пение птиц, звуки музыкальных инструментов, шум леса, гром во время грозы. Звучат работающие машины, движущийся транспорт и т.д.

Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых человеком, простирается примерно от 16 ... 25 Гц до 18 ... 20 кГц в зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С нижней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразвуковых частот, воздействие которых на человека считают вредным, так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут возникать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр.

Выше звукового диапазона располагается диапазон ультразвуковых механических колебаний. Ультразвук для человека неслышим, но широко используется в технике.

Услышав какой-то звук, мы обычно можем установить, что он дошел до нас от какого-то источника. Рассматривая этот источник, мы всегда найдем в нем что-то колеблющееся. Если, например, звук исходит от репродуктора, то в нем колеблется мембрана - легкий диск, закрепленный по его окружности. Если звук издает музыкальный инструмент, то источник звука - это колеблющийся столб воздуха и другие.

Основные физические характеристики любого колебательного движения - период и амплитуды колебания, а применительно к звуку- частота и интенсивность колебаний.

Периодом колебания называется время, в течение которого совершается полное колебание. Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Такую единицу называют герц (Гц). Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий тон.

При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости, зависящего от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления, т.е. амплитуды p₀ колебаний давления в волне.

Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Область слышимых звуков ограничена двумя порогами: нижний порог слышимости и болевой порог. Порог слышимости соответствует значению p₀ порядка 10^-10 атм., т.е. 10^-5 Па. Болевой порог соответствует значению p₀ порядка 10^-4 атм. или 200 Па. Уровень звукового давления 140 дБ - это порог переносимости интенсивных звуков.

Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в 10⁷ раз. Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то диапазон интенсивностей оказывается порядка 10¹²! Такой огромный диапазон человеческого уха эквивалентен использованию одного и того же прибора для измерения диаметра атома и размеров футбольного поля.

Для сравнения укажем, что при обычных разговорах людей в комнате интенсивность звука приблизительно в 10⁶ раз превышает порог слышимости, а интенсивность звука при рок-концерте приближается к болевому порогу.

Еще одной характеристикой звуковых волн, определяющей их слуховое восприятие, является высота звука. Колебания в гармонической звуковой волне воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон. Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона, колебания низкой частоты - как звук низкого тона.

Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса - баса - простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса - сопрано - от 250 до 1050 Гц.

Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 Гц, от 40 до 60 лет- 2000 Гц, старше 60 лет- 1000 Гц.

В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому незначительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц мы можем отличить один звук от другого только, когда разница в частоте будет не менее 5 Гц. При меньшей разнице звуки нам будут казаться одинаковыми. Однако правил без исключения почти не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Одаренный музыкант может уловить изменение звука всего на какую-то долю колебаний.

С периодом и частотой связано понятие о длине волны, т.е. в расстоянии между двумя гребнями (или впадинами). Наглядное представление об этом понятии дают волны, распространяющиеся по поверхности воды.

Звуки могут отличаться один от другого и по тембру. Это значит, что одинаковые звуки по высоте тона могут звучать по-разному, потому что основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте. Они предают основному звуку дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, темброкачественная характеристика звука. Чем больше обертонов налагается на основной тон, тем «богаче» звук в музыкальном отношении. Если основной звук сопровождается близкими к нему по высоте обертонами, то сам звук будет мягким, «бархатным». Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.

Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают одно колебание от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. Потому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя кому принадлежит голос.

Амплитудой колебания называется наибольшее отклонение от положения равновесия при гармонических колебаниях. Амплитуда колебания определяет интенсивность (силу) звука. С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком.

Область слышимых звуков ограничивается не только определенными Частотами (20-20000 Гц), но и определенными значениями звуковых давлений и их уровней. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия.

Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от особенностей слухового аппарата. Мы не воспринимаем как очень слабые, так и очень сильные звуки - каждый человек обладает так называемым порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.

Звуки, наиболее хорошо воспринимаемые по частоте, лучше различаются и по громкости. При частоте 32 Гц по громкости различаются три звука, при частоте 125 Гц- 94 звука, а при частоте 1000 Гц- 374. Увеличение это не беспредельно. Начиная с частоты 8000 Гц число различимых звуков по громкости уменьшается. Например, при частоте 16000 Гц человек может различить только 16 звуков.

Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое ощущение, различна.

Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует силу звука в громкость, по сложному логарифмическому закону, ограждая свои внутренние части от чрезмерных воздействий.

Имеется еще одна особенность человеческого уха. Если к звуку определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты, то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют или маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности звучания оркестра.

Ключевые слова: звук, слух, диапазон частот, звуковое давление, высота звука, громкость звука, порог слышимости. болевой порог, период колебания, амплитуда колебания.

Контрольные вопросы

1. Назовите диапазон звуковых частот, воспринимаемых человеком.

2. К каким параметрам звуковых волн чувствителен слух?

3. Что такое порог слышимости?

4. Что такое болевой порог?

5. Что такое тембр звука?

8. Гидроакустика

Гидроакустика (от гидро... и акустика), раздел акустики, изучающий распространение звуковых волн в реальной водной среде (в океанах, морях, озёрах и т.д.) для целей подводной локации, связи и т.п. Существенная особенность подводных звуков -- их малое затухание, вследствие чего под водой звуки могут распространяться на значительно большие расстояния, чем, например, в воздухе.

Так, в области слышимых звуков для диапазона частот 500--2000 гц дальность распространения под водой звуков средней интенсивности достигает 15--20 км, а в области ультразвука -- 3--5 км. Если исходить из величин затухания звука, наблюдаемых в лабораторных условиях в малых объёмах воды, то можно было бы ожидать значительно больших дальностей. Однако в естественных условиях, кроме затухания, обусловленного свойствами самой воды (т. н. вязкого затухания), сказываются ещё рефракция звука и его рассеяние, и поглощение различными неоднородностями среды.

Рефракция звука, или искривление пути звукового луча, вызывается неоднородностью свойств воды, главным образом по вертикали, вследствие трёх основных причин: изменения гидростатического давления с глубиной, изменения солёности и изменения температуры вследствие неодинакового прогрева массы воды солнечными лучами. В результате совокупного действия этих причин скорость распространения звука, составляющая около 1450 м/сек для пресной воды и около 1500 м/сек для морской, изменяется с глубиной, причём закон изменения зависит от времени года, времени дня, глубины водоёма и ряда др. причин.

Звуковые лучи, вышедшие из источника под некоторым углом к горизонту, изгибаются, причём направление изгиба зависит от распределения скоростей звука в среде.

Летом, когда верхние слои теплее нижних, лучи изгибаются книзу и в большинстве своём отражаются от дна, теряя при этом значительную долю своей энергии. Наоборот, зимой, когда нижние слои воды сохраняют свою температуру, между тем как верхние слои охлаждаются, лучи изгибаются кверху и претерпевают многократные отражения от поверхности воды, при которых теряется значительно меньше энергии. Поэтому зимой дальность распространения звука больше, чем летом. Вследствие рефракции образуются т. н. мёртвые зоны (зоны тени), т. е. области, расположенные недалеко от источника, в которых слышимость отсутствует.

Наличие рефракции, однако, может приводить к увеличению дальности распространения звука -- явлению сверхдальнего распространения звуков под водой. На некоторой глубине под поверхностью воды находится слой, в котором звук распространяется с наименьшей скоростью; выше этой глубины скорость звука увеличивается из-за повышения температуры, а ниже -- вследствие увеличения гидростатического давления с глубиной. Этот слой представляет собой своеобразный подводный звуковой канал. Луч, отклонившийся от оси канала вверх или вниз, вследствие рефракции всегда стремится попасть в него обратно (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Распространение звука в подводном звуковом канале: а -- изменение скорости звука с глубиной; б -- ход лучей в звуковом канале.

Если поместить источник и приёмник звука в этом слое, то даже звуки средней интенсивности (например, взрывы небольших зарядов в 1--2 кг) могут быть зарегистрированы на расстояниях в сотни и тысячи км. Существенное увеличение дальности распространения звука при наличии подводного звукового канала может наблюдаться при расположении источника и приёмника звука не обязательно вблизи оси канала, а, например, у поверхности. В этом случае лучи, рефрагируя книзу, заходят в глубоководные слои, где они отклоняются кверху и выходят снова к поверхности на расстоянии в несколько десятков км от источника.

Далее картина распространения лучей повторяется и в результате образуется последовательность т. н. вторичных освещенных зон, которые обычно прослеживаются до расстояний в несколько сотен км. Явление сверхдальнего распространения звука в море было открыто независимо американскими учёными М. Ивингом и Дж. Ворцелем (1944) и советскими учёными Л. М. Бреховских и Л. Д. Розенбергом (1946).

На распространение звуков высокой частоты, в частности ультразвуков, когда длины волн очень малы, оказывают влияние мелкие неоднородности, обычно имеющиеся в естественных водоёмах: микроорганизмы, пузырьки газов и т.д. Эти неоднородности действуют двояким образом: они поглощают и рассеивают энергию звуковых волн. В результате с повышением частоты звуковых колебаний дальность их распространения сокращается. Особенно сильно этот эффект заметен в поверхностном слое воды, где больше всего неоднородностей.

Рассеяние звука неоднородностями, а также неровностями поверхности воды и дна вызывает явление подводной реверберации, сопровождающей посылку звукового импульса: звуковые волны, отражаясь от совокупности неоднородностей и сливаясь, дают затягивание звукового импульса, продолжающееся после его окончания, подобно реверберации, наблюдающейся в закрытых помещениях. Подводная реверберация -- довольно значительная помеха для ряда практических применений гидроакустики, в частности для гидролокации.

Пределы дальности распространения подводных звуков лимитируются ещё и т. н. собственными шумами моря, имеющими двоякое происхождение. Часть шумов возникает от ударов волн на поверхности воды, от морского прибоя, от шума перекатываемой гальки и т.п. Другая часть связана с морской фауной; сюда относятся звуки, производимые рыбами и др. морскими животными.

Гидроакустика получила широкое практическое применение, т.к. никакие виды электромагнитных волн, включая и световые, не распространяются в воде (вследствие её электропроводности) на сколько-нибудь значительном расстоянии, и звук, поэтому является единственным возможным средством связи под водой. Для этих целей пользуются как звуковыми частотами от 300 до 10000 гц, так и ультразвуками от 10000 гц и выше.

Ключевые слова: гидроакустика, рефракция, звуковой канал, сверхдальнее распространение звука, реверберация, гидролокация.

Контрольные вопросы

1. Чем занимается гидроакустика?

2. Объясните явление рефракции звука в воде.

3. В чем заключается явление сверхдальнего распространения звука?

4. Чем вызывается подводная реверберация?

Размещено на Allbest.ru