74. Параметри звукового поля: звуковий тиск, інтенсивність, частота, коливальна швидкість та звукова потужність джерела звуку

Виробниче середовище нерідко наповнене різноманітними за силою і частотою звуками.

Впорядковані звукові сигнали найчастіше застосовують для зосередження уваги працівника (попереджувальні сигнали і сигнали небезпеки) для інформування працівника, який знаходиться в умовах недостатньої видимості об’єкта управління

Невпорядковані звуки сприймаються як шум. Тому шум часто називають несприятливим звуком.

Звук — це слухове відчуття, що викликається механічними коливаннями. Звук, як фізичне явище, являє собою коливання частинок пружного середовища (газу, рідини

твердого тіла), які поширюються в ньому у вигляді хвиль.

Звук, що поширюється у повітряному середовищі, називається повітряним звуком, а в твердих тілах - структурним звуком.

Простір, в якому поширюються звукові хвилі, називається звуковим полем. Основними фізичними параметрами звукового поля (звукових хвиль) є : звуковий тиск, інтенсивність, частота, коливальна швидкість та звукова потужність джерела звуку.

Звуковим тиском Р вважають різницю між атмосферним тиском і тиском, що виник в результаті коливань, створених джерелом звуку, в даній точці звукового поля. Звуковий тиск вимірюється в паскалях (Па). Звуковий тиск є мірою оцінки звукової хвилі в певній точці простору. При розповсюдженні звукової хвилі, частинки повітря починають коливатися відносно положення рівноваги. Швидкість з якою коливаються частинки середовища відносно свого положення рівноваги, називається коливною швидкістю V, м/с:

де p – звуковий тиск, Па

– питомий акустичний опір середовища, Па • с/м.

Коливальна (коливна) швидкість є значно меншою за швидкість розповсюдження звукової хвилі. Швидкість звуку в повітрі дорівнює с = 344м/с.

Частота звуку характеризується числом коливань звукової хвилі за одиницю часу секунду і вимірюється в герцах (І ц).

За частотою звукові акустичні) коливання поділяють на:

- інфразвукові з частотою менше ніж 20 Гц не чутні людиною

- звукові, які сприймаються органом слуху людини від 20 до 20 000 Гц

- ультразвукові — понад 20 000 Гц.

У свою чергу, звуковий діапазон прийнято поділяти на низькочастотний – до 400 Гц, середньостатистичний – 400 – 1000 Гц, високочастотний – понад 1000 Гц.

За еталон прийнято звук з частотою коливань 1000 Гц.

Інтенсивність звуку або сила звуку, визначається кількість енергії, що проходить через одиницю площі, Вт/

Інтенсивність звуку пов’язана зі звуковим тиском:

I = P • V = PI/pc,

де P – звуковий тиск, Па

p – густина середовища, кг/мі

с – швидкість звуку (звукової хвилі) всередині, м/с

Мінімальна величина звуковою тиску та інтенсивності , яка ледве відчуваються органом слуху людини, називається порогам чутності або умовнім нулем чутності.

На частоті 1000 Гц мінімальне значення звукового тиску Па, а мінімальна інтенсивність звуку при нормальних атмосферних умовах (такі значення звукового тиску та інтенсивності відповідають звуку, який створює писк комара)

Максимальна сила звуку, яку людина ледве витримує і відчуває, характеризуется порогам відчуття балю (больовим порогом).

Больовий поріг настає при значеннях P = Па або І = 102 .

В акустиці вимірюють не абсолютні значення інтенсивності звуку або звукового тиску, а їх логарифмічні рівні L взяті по відношенню до порогового значення інтенсивності звуку або порогового звукового тиску. Одиницею такої логарифмічної величини є Бел (Б). Одному белу відповідає збільшення інтенсивності на порозі чуткості в 10 разів (при І/І0 = 10 L = 15; І/І0 = 100; L = 25 і т. д.) Застосовують 1/10 частку бела – децибел (дБ).

Встановлено що орган слуху людини здатний розрізняти приріст звуку на 0,15 (бел), тобто на 1 дБ (децибел), і тому рівень інтенсивності звуку вимірюється в децибелах L, дБ: L = 10 lg (І/І0),

де І – інтенсивність звуку в даній точці,

І0 – інтенсивність звуку, що відповідає порогу чуткості, 10

Рівень звукового тиску виражається: L = 20 lg (P/p0)?

де Р – звуковий тиск в даній точці, Па

Р0 – 2 * 10-5 Па – звуковий тиск на порозі чутності.

Людське вухо реагує не на абсолютну інтенсивність звуку, а на його при ріст, тобто рівень інтенсивності звуку. Увесь діапазон звуків, що чує людина, вкладається в межах від 0 до 140 дБ.

Залежність рівнів звукового тиску або інтенсивності від частоти звуку називають частотним спектром або просто спектром.

Інтенсивність звуку вимірюють як і всій зоні сприйманих частот, так і в октавних смугах частот.

Октава — або октавна смуга частот – це така смуга в якій верхня гранична частота 2 2 рази більша нижньої.

75. Механічні коливання з частотою від 20 Гц до 20 кГц, що виникають у пружному середовищі, називають звуком. Чіткої різниці між поняттями «звук» та «шум» немає. Звуками, як правило, називають регулярні періодичні коливання, а шумом — неперіодичні коливальні процеси. При проведенні робіт щодо забезпечення нормальних умов життя людини шумом вважають будь-який небажаний звук незалежно від його характеру та природи виникнення

Найбільш важливими параметрами шуму є звуковий тиск, інтенсивність звука та звукова потужність. У інженерній практиці ці величини виражають у логарифмічних одиницях, що пояснюється двома причинами:

- реакція вуха людини на різну гучність має логарифмічний характер;

- діапазон зміни цих параметрів надзвичайно широкий.

Звуковий тиск — це різниця між миттєвим значенням повного тиску і статичним тиском у даній точці. Він характеризує зміну густини середовища в напрямі поширення коливань. Кількісною оцінкою звукового тиску є середньо-квадратичне значення , (1.1)

де Т — час вимірювання; р(t) — миттєве значення звукового тиску.

Значення р вимірюють на певній відстані від джерела шуму в заданій смузі частот. Рівень звукового тиску L, дБ, визначають відносно порогового середньоквадратичного значення звукового тиску р0 = 2 • 10-5 Па за формулою . (1.2)

Звуковою потужністю називають потужність звука, який випромінюється джерелом в усіх напрямах простору, що оточує джерело. У цьому розумінні це інтегральна характеристика шуму, який створюється джерелом. Зазначимо, що джерело звука випромінює звукову потужність, а звуковий тиск є наслідком цього випромінювання. Слух людини сприймає звуковий тиск, а причиною цього сприймання є звукова потужність джерела. Рівень звукової потужності LP, дБ, визначають відносно порогової потужності Р = 10-12 Вт за формулою (1.3)

Звукова потужність є мірою швидкості випромінювання звукової енергії, тобто звуковою енергією, що віднесена до одиниці часу.

Інтенсивність звука характеризує швидкість потоку звукової енергії в певній точці звукового поля. Рівень інтенсивності звука LI, дБ, визначають відносно порогового значення I0 = 10-12 Вт/м2 за формулою. (1.4)

Зазначимо, що I0 = р02/ρс, де ρс — хвильовий опір повітря, який дорівнює 416 кг/(м2с).

Звуковий тиск та інтенсивність звука є точковими характеристиками звукового поля. Вони залежать від розташування точки вимірювання та умов поширення звукових хвиль. Звукова потужність не залежить від зазначених факторів, тому є унікальною мірою шумності даного джерела шуму.

Звуковим полем називають простір, в якому поширюються звукові хвилі. У практиці вимірювань шуму звукові поля класифікують за наявністю відбивних перешкод (вільні й дифузні) та за відстанню від джерела звука (дальні та ближні).

Для вільного звукового поля характерне поширення звукових хвиль без відбивання. Ідеальні умови вільного поля можна створити на відкритому повітрі в місцях, що віддалені від об'єктів з великими відбивними поверхнями. На місці вимірювання не повинно бути сторонніх шумів. Однак можливість вимірювання шуму на відкритому повітрі залежить від метеорологічних умов і часу доби.

Для дифузного звукового поля, навпаки, характерні багаторазові відбивання звукових хвиль, внаслідок чого ці хвилі поширюються в усіх напрямах з ідентичною амплітудою. Середня густина енергії звука однакова по всьому полю.

Дальнім називають звукове поле в достатньо віддаленій від джерела зоні простору, де напрям швидкості поширення частинок збігається з напрямом поширення звукової енергії, а інтенсивність звука пропорційна квадрату звукового тиску.

Ближнє звукове поле — це сусідня до джерела звука зона, в якій напрям коливань не обов'язково збігається з напрямом поширення звукової енергії. У цьому полі звуковий тиск не може характеризувати звукову потужність джерела, оскільки реактивна складова ближнього поля, що враховується в процесі вимірювання тиску, не пов'язана з випромінюванням потужності.

Придатність приміщення для вимірювання шуму в умовах вільного дальнього поля перевіряють експериментально. При цьому ставляться такі вимоги:

• сторонній шум (перешкода), що проникає в приміщення, повинен бути слабкіший за сумарний шум агрегату та перешкоди не менше ніж на 10 дБ як за загальним рівнем, так і за рівнем окремих складових спектра в робочому діапазоні частот; у противному разі треба зробити поправку;

• спад рівня звукового тиску в дальньому полі джерела звука при подвоєнні відстані від джерела до точки вимірювання має становити не менше ніж 6 дБ;

• у приміщенні не повинно бути помітних стоячих хвиль, принаймні в місцях розміщення мікрофонів.

Датчики шуму

Мікрофони - це електроакустичні перетворювачі, що перетворюють звукові коливання на електричні. Залежно від конструкції розрізняють мікрофони тиску, а яких звуковий тиск впливає на діафрагму тільки з одного зовнішнього боку, та мікрофони градієнта тиску, в яких звуковий тиск впливає на два боки діафрагми, але з певним зсувом по фазі. У першому випадку зусилля на діафрагму визначається звуковим тиском, що діє на неї, а в другому — різницею тисків з обох боків діафрагми з урахуванням різниці фаз коливань.

Мікрофони повинні бути по можливості малих порівняно з довжиною хвилі звука розмірів, щоб не впливати на вимірюване звукове поле. Невеликі мікрофони можна використовувати в широкому діапазоні частот. Перевага невеликих мікрофонів полягає ще й у тому, що їхня характеристика напрямленості більш рівномірна. Тому при вимірюванні в тому разі, коли напрям поширення звука не зовсім збігається з віссю напрямленості мікрофона, виникає менше помилок. Проте внаслідок відносно невеликої чутливості цих мікрофонів застосовування їх при малих значеннях вимірюваних величин обмежене.

Залежно від характеру звукового поля розрізняють кілька показників чутливості мікрофона. У вільному полі напругу, що створюється мікрофоном, відносять до звукового тиску вільної плоскої біжучої хвилі, що рухається до центра мікрофона в напрямі його осі. Чутливість у дифузному полі становить відношення вихідної напруги до звукового тиску в цьому полі. Для визначення чутливості за тиском напругу на виході мікрофона відносять до звукового тиску, який фактично створюється перед мембраною мікрофона.

Для вимірювань використовують здебільшого конденсаторні мікрофони в основному внаслідок їхньої порівняно рівномірної частотної характеристики. Крім того, конденсаторні мікрофони стійкі до зміни температурного режиму, відрізняються високою стабільністю характеристик у часі й мають рівномірну діаграму напрямленості.

Останнім часом для вимірювань застосовують п'єзоелектричні мікрофони з термостійких матеріалів з достатньо великим п’єзоелектричним ефектом. У них використовується властивість п’єзоелектричних матеріалів створювати при механічній деформації напругу між електродами, які прикладені до пластин з цих матеріалів. У вимірювальних пристроях високого класу п’єзомікрофони застосовуються нечасто. Це пояснюється в основному низькою температурною стабільністю і дуже високим внутрішнім опором ємнісного типу. Останнє ускладнює підключення їх за допомогою довгих ліній, а також на навантаження з не великим опором. До переваг п’єзомікрофонів належать простота конструкції, невеликі розміри, висока чутливість.

Електродинамічні мікрофони майже завжди використовуються для порівняльних вимірювань. Вони мають дуже низький рівень власних перешкод, тому придатні для вимірювань слабких шумів.

При застосуванні мікрофонів треба враховувати низку факторів. Зокрема зазначимо, що чим більша частота вимірювання, тим меншим має бути розмір мікрофона. Щоб не перекручувати звукове поле, мікрофонні приймачі, з'єднувальні кабелі повинні мати невеликі розміри відносно довжини звукової хвилі, а відстань між мікрофоном та оператором, який обслуговує апаратуру, повинна становити не менше ніж 1 м. Крім того, слід звести до мінімуму наведені електричні та магнітні поля, особливо помітні при застосуванні довгих кабелів.

76-77. Класифікація шумів, їх нормування, контроль параметрів

Шум у фізіологічному розумінні — це комплекс звуків, що несприятливо впливають на організм людини , перешкоджають її праці і відпочинку.

Шум як фізичне явище — це сукупність звуків різної частоти та інтенсивності, які зумовлюються невпорядкованими коливаннями різної фізичної природи.

За природою виникнення розрізняють акустичні та радіоелектронні шуми.

Акустичні шуми зумовлюються вібрацією твердих тіл (механічний шум), рухом рідин (аеро- і гідродинамічний шум), горінням, вибухом або розрядом ( термічний шум), впливом змінних магнітних сил (електромагнітний).

Залежно від частоти розрізняють шуми низькочастотні (16-350 Гц), середньо частотні (350-800 Гц) і високочастотні (понад 800 Гц).

Шум може бути показаний як сума гармонійних коливань. Розкладання шуму на гармонійні складові (на окремі тони) називається спектральним аналізом. В залежності від характеру шуму його спектр може бути

дискретним, безперервним або змішаним.

Діапазон звукових частот називається спектром.

За характером спектра шум поділяється на :

- широкосмуговий з безперервним спектром шириною більше однієї октави

- тональний, у спектрі якого є дискретні (переривчасті) тони, які чуються.

За часовими характеристиками шум поділяють на :

- постійний, рівень звуку якого за 8-годинний робочий день (робочу зміну) змінюється в часі не більше ніж на 5 дБА

- непостійний, рівень звуку якого за 8-годинний робочий день (робочу зміну) змінюється в часі більше ніж на 5 дБА.

Непостійний шум поділяється на :

- мінливий у часі, рівень звуку якого безперервно змінюється (коливається)

- переривчастий, рівень звуку якого ступінчасто змінюється (на 5 дБА і більше), при цьому довжина інтервалів , під час яких рівень залишається сталим, становить 1с і більше

- імпульсний, який складається з одного або декількох звукових сигналів, кожен тривалістю менше 1с, при цьому рівні шуму відрізняються не менше , ніж на 7 дБА.

Досліджують шуми для з¢ясування їхнього впливу на людину і різні системи, для створення методів виділення корисних сигналів на фоні шуму з метою підвищення точності вимірювань у різних пристроях, для оцінки надійності конструкцій за інтенсивністю так званої акустичної емісії.

В ряді випадків шуми використовують як джерело інформації , зокрема у гідролокації, радіоастрономії.

Нормування шуму здійснюється за двома методами : нормування за граничним спектром шуму та нормування рівня звуку в дБА.

Перший метод є основним для постійних шумів , нормуються рівні звукового тиску L (дБ) в октавних смугах з середньогеометричними частотами.

При аналізі шуму спектр (діапазон звукових частот) розбивають на октавні смуги (октави), в яких верхня частота ¦в в два рази більша за нижню ¦н.

Октава характеризується середньогеометричною частотою ¦с.г, Г.ц :

¦с.г, =¦с.г, Г.ц /Ö ¦в • ¦н .

Визначено дев¢ять основних смуг з середньогеометричними частотами :

31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Сукупність гранично допустимих рівнів тиску в дев¢яти октавних смугах частот і є граничним спектром (Г С) шуму.

Другий метод нормування загального рівня звуку , в дБА використовують для орієнтованої оцінки постійного широкосмугового та непостійного шуму з невідомим спектром.

Спектри отримують, використовуючи аналізатори шуму - набір електронних фільтрів, які пропускають сигнал в певній смузі частот. Найбільше розповсюдження отримали фільтри з постійною смугою пропускання (октавні фільтри).

Для орієнтованої оцінки шуму , спектр якого невідомий, використовується

характеристика А, яка показує рівень звуку в дБА (А означає шкалу шумоміра, що імітує чутливість органу слуху людини до шуму різної чутності ).

Характеристикою непостійного шуму є інтегральний параметр - еквівалентний (за енергією) рівень звуку в дБА .

Шум нормується ГОСТом 12.1.003-83 “Шум. Згальні вимоги безпеки” та Державними санітарними нормами ДСН 3.3.6.037-99. Основою нормування є обмеження звукової енергії , яка діє на людину протягом робочої зміни , значеннями,безпечними для її здоров¢я і працездатності.

Шум в аудиторії не повинен перевищувати згідно з нормами 55дБА. На вулиці — 70дБА. Забороняється навіть недовготривале перебування в зонах з октавними рівнями звукового тиску вище 135дБ в будь-якій октавній смузі. Шум в 155дБ викликає опіки. Шум в 180дБ людина не витримує.

Для тонального та імпульсивного шуму допустимі рівні приймаються на 5дБ меншими за значення, вказані в санітарних нормах.

Для контролю параметрів шуму використовують прилади — шумоміри.

Принцип вимірювання шуму полягає у перетворенні звуку мікрофоном в електричні коливання, які підсилюються і, пройшовши коректувальні фільтри та випрамляч, реєструються індикаторним приладом. Шум на робочих місцях вимірюється на рівні вуха працюючого при увімкненні не менше 2/3 встановленого обладнання. Визначають також тривалість впливу шуму протягом зміни та порівнюють виміряні значення зі значеннями граничного спектру шуму за санітарними нормами