5.6. Шум, ультразвук, інфразвук

Шум як фізичне явище являє собою хвильові коливання матеріальних тіл – твердих, газоподібних або рідких. Виникнення звукових відчуттів людини пов’язане з коливаннями повітря.

З погляду сприйняття шуму людиною шум – це неупорядковане сполучення звуків різної частоти та інтенсивності.

Шум негативно впливає на організм людини і може бути причиною професійних захворювань. Під час роботи в умовах шуму понижується працездатність (продуктивність праці). Шум притупляє увагу, гальмує реакцію людини на ті чи інші подразники, заважає сприйняттю корисних сигналів, що особливо небезпечно на роботах, пов’язаних із рухом потягів. Він порушує комфорт пасажирів і є джерелом хвилювання для населення у розташованих поблизу залізничних об’єктів населених пунктів.

Зменшення впливу шуму до допустимих величин − одна з незмінних умов оздоровлення умов праці та охорони навколишнього середовища.

Механічні коливання, які передаються у відчутному для людини діапазоні частот, сприймаються людиною як звуки. За частотою звукові коливання поділяються на три діапазони: інфразвукові з частотою коливань менше 20 Гц, звукові (ті, що ми чуємо) – від 2 Гц до 20 кГц та ультразвукові − більше 20 кГц (рис. 5.1).

Рис. 5.1. Зона слухового сприйняття людини

Звукова хвиля характеризується:

•  частотою коливань – кількість повних коливань за одиницю часу, f, Гц;

•  інтенсивністю (силою звуку) – кількість енергії, що проходить за 1 с через площу 1 м² поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення звукової хвилі, I, Вт/м²;

• звуковим тиском – абсолютна різниця між тиском максимального згущення повітря та атмосферним тиском, Р, Па.

Мінімальна інтенсивність І₀ та звуковий тиск Р₀, які сприймаються вухом людини, називаються порогом слухового відчуття. Порогові значення І₀ та P₀ пов’язані з частотою коливань звуку. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р₀ = 2 10⁵ Па, I₀=10¹² Вт/м². При звуковому тиску 2·10² та інтенсивності звуку 10 Вт/м² і з частотою 16...20000 Гц виникають больові відчуття (больовий поріг). Коливання частотою понад 20 000 Гц називають ультразвуком, а нижче 16 Гц – інфразвуком.

Оскільки різниця між больовим порогом та порогом слухового сприйняття дуже велика, то, щоб не оперувати великими числами, вчений А. Г. Белл запропонував вимірювати не абсолютні значення інтенсивності звуку чи звукового тиску, а їх логарифмічні рівні L, взяті за відношення до порогового значення Р₀ чи І₀,

де L_I – рівень інтенсивності звуку, дБ;

I – інтенсивність звуку в даній точці, Вт/м²;

І_о – інтенсивність звуку, що відповідає порогу слухового відчуття.

де р – середньоквадратичне значення звукового тиску в даній точці, Па;

р₀ – порогове значення звукового тиску.

Рівень звукового тиску L_p та рівень інтенсивності звуку вимірюється в децибелах (дБ) та L_I = L_p. Це пов’язано з тим, що

де I – інтенсивність звуку, Вт/м²;

p² – середній квадрат звукового тиску, Па;

ρ – густина повітря, кг/м³;

V – швидкість руху звуку в повітрі, м/сек.

У виробничих умовах дуже часто шум має непостійний характер. В цих умовах доцільно користуватись деякою середньою величиною, яку називають еквівалентним (по енергії) рівнем звуку L_екв і характеризується середнім значенням енергії звуку в дБА. Цей рівень вимірюється спеціальними інтегруючими шумомірами за шкалою «А» і визначається за виразом:

де Р_а – середньоквадратичний звуковий тиск з урахуванням корекції шумоміра, Па;

Р₀ = 2 10⁵ – пороговий середньоквадратичний звуковий тиск, Па.

Спектр шуму – залежність рівнів інтенсивності від частоти. Розрізняють спектри суцільні, у яких спектральні складові розташовані по шкалі частот безперервно, і дискретні, коли спектральні складові розділені ділянками нульової інтенсивності.

Залежно від виду спектра шуми поділяють на тональні, що складаються з кількох яскраво виражених звуків, і широкосмугові, коли енергія розташована у частотному діапазоні досить рівномірно.

За часовими характеристиками шуми поділяють на постійні і непостійні. Постійними вважають шуми, у яких рівень звуку протягом робочого дня змінюється не більше ніж на 5 дБА. Непостійні шуми поділяються на переривчасті, з коливанням у часі, та імпульсні.

При переривчастому шумі рівень звуку може різко падати до фонового рівня, а довжина інтервалів, коли рівень залишається постійним і перевищує фоновий рівень, досягає 1 с та більше.

До імпульсних відносять шуми у вигляді окремих звукових сигналів тривалістю менше 1 с кожний, що сприймаються людським вухом як окремі удари.