96 Час т ь I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Гл а в а 5

ШУМ (ЗВУК) И ВИБРАЦИИ В ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЕ

5.1. Основные понятия

Понятие <•звук>>, как правило, ассоциируется со слуховыми ощу­

щениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые

ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые пред­ ставляют механические колебания, распространяющиеся в газооб­

разной, жидкой или твердой среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как

звук только в определенной области частот (16 Гц... 20 кГц) и при

звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона

слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ульт­

развуковыми, не имеют отношения к слуховым ощущениям человека

и воспринимаются как физические воздействия среды. Своеобразие

их действия на организм человека в данном пособии не рассматри­

вается.

Звуковые колебания частиц упругой среды (рис. 5.1 ,а) имеют

сложный характер и могут быть представлены в виде функции вре­

мени а = а( t). Простейший процесс описывается синусоидой [1]: a(t) = аmзх sin wt,

где amax- амплитуда колебаний; w = 2 nf- угловая частота; f -

частота колебаний.

Гармонические колебания (рис. 5.1 ,б) с амплитудой amax и час­

тотой f называются тоном. Сложные колебания характеризуются

эффективным значением на временном периоде Т.

7

аэфф = [(1 /Т) J a2(t) dtjJ/2.

о

Для синусоидального проuесса справедливо соотношение

аэфф = amзj{2 = О,71 аmал ·

В зависимости от формы кривой, описывающей процесс, отноше­ ние эффективного значения к максимальному составляет от О до 1.

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они расходятся

во все стороны. Наглядным примерам являются колебания волн на

воде. При этом следует различать скорость распространения меха-

Тишина

Атмосферное

давление

Рис. 5.3 Звуковое давление

ствующим в среде в данный момент, и атмосферным давлением Ратм•

называется звуковым давлением р (рис. 5.3):

Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим

сопротивлением z8 (табл. 5.2), которое определяется отношением

звукового давления р к колебательной скорости частиц среды u:

Звуковая волна является носителем энергии в направлении свое­

го движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за

1 с через пространство с площадью сечения 1 м2, перпендикулярное

направлению движения, называется интенсивностью звука 1,

Вт/м2:

Отраженная

волна

Рис 54. Иллюстрация взаимодействия звуковой волны с преrрадой

и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути рас­ nространения волн. Если звуковая волна встречает преграду, имею­

щую иную, чем акустическая среда, волновое сопротивление, то

часть звуковой энергии отражается от преграды, часть прон11кает в нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся

часть правикает сквозь преграду (рис. 5.4). Свойства преграды и

материала, покрывающего эту преграду, определяются следующими

tюказателями:

Коэффициент звукопоглощения:

CJ, = ffiOГ~~1П3д'

1де !пог.1 - поглощенная материалом или преградой звуковая энер­ гия, !падпадающая на преграду звуковая энергия.

Коэффициент отражения:

~ = /от/[пад,

rде /отр - отраженная от преграды звуковая энергия. Коэффициент звукоизоляции.

У= /nад/fотр·

Коэффициент прохождения (используются также термины <<КО­ 'Jффициент проницаемости>> и <<коэффициент проникновения'> ):

Т= [пр / /пад·

Из определения коэффициента прохождения следует, что чем

меньше значение 1:, тем больше ослабление звука преградой, т.е.

Jtучше ее звукоизолирующие свойства.

104 Час т ь 1. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Шумовые характеристики оборудования оговариваются в техни­

ческой документации, справочниках или могут быть получены рас­

четным путем. В табл. 5.4 и 5.5 приведены значения уровней зву­

ковой мощности оборудования металлообрабатывающих и кузнеч­ но-прессовых цехов, компрессоров и газотурбинных установок. Для оборудования, не отраженного в этих таблицах, уровни звуковой мощности следует принимать по данным натурных измерений или

использовать приводимые в табл. 5.4 и 5.5 шумовые характеристики

для аналогичного оборудования.

Человек ощущает звук в широком диапазоне звуковых давленш

р (интенсивностей !). Стандартным порогом слышимости (или rro рогом слышимости) называют эффективное значение звукового дав

ления (интенсивности), создаваемого гармоническим колебанием с

частотой f = 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней чувст­

вительностью слуха [7]. Порогуслышимости соответствует звуковое давление р0 = 2 · 1о-5 Па, или интенсивность звука /0 = 1о-12 Вт/ м2

Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых человеком, огра­

ничивается болевым ощущением; ему соответствуют Pm =20 Па и lm = 1 Вт/м2.

Значение слухового ощущения Л и значение звукового давления

р при превышении стандартного порога слышимости определяются

законом психофизики Фехнера:

Л = q lg (р / р0),

где q - некоторая постоянная, зависящая от условий проведения

эксперимента

Для оценки и сравнения звукового давления р, Па, интенсивнос­

ти /, Вт/м2, и звуковой мощности l\?, Вт, различных источников,

учитывающих психофизическое восприятие звука человеком. при­

няты их уровни L (с соответствующим индексом), выраженные в децибелах (дБ):

Здесь W0 =10-1 2 Вт -опорная звуковая мощность на частоте

1000 Гц. Предположим, что источник излучает на определенной час­

тоте звуковую мощность 1Q-6 Вт. Тогда уровень звуковой мощности Lw составит 60 дБ

106 Час т ь l Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природ~

108 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Безразмерные величины LP, L1, Lw достаточно просто измеряют­

ся приборами, поэтому их полезно использовать для определения

абсолютных значений р, /, W по обратным к (5.1) зависимостям:

Пусть источник звука окружен некоторой замкнутой поверхнос­ тью S так, что направление распространения волн в любой точке

поверхности перпендикулярно к этой поверхности. Тогда полная

звуковая мощность, излучаемая источником:

W"' f I(S) dS "'f p(S) dS,

где /(S), p(S) - законы распределения интенсивности звука и зву­

кового давления по поверхности S.

Если вся площадь поверхности разделена на n равных частей dS

с давлением на каждой площадке р" а число n существенно велико, то уравнение для W приобретает другой вид:

l = l

звукового давления по всей площади поверхности.

Подставив значение W из (5.7) в (5.5б), получим значение уров­

ня звуковой мощности, выраженное через параметры среды и зву­

ковое давление:

L\'r' = 10 lg( W/ \f/0 ) = 10 lg S + 10 lg [ре~/ (W0 ре)]. (5.8)

Используя (55) для определения р,2 =ре} 10Lp,, выразим значе­

ние Ре~ через уровни звукового давления 0,1LP, на i-й элементарной

площадке:

'= l

11 О Час т ь 1 Место инженерной эколоrии в системе знаний о человеке и природе

Подставив (5 12) в (55), получим

LP = 10 lg (р/ро)2 = 10 lg [(р1/Ро)2 + (р2/ро)21

или с учетом (5 5)

(5 13)

Например, если два чистых тона имеют одно и то же среднее

квадратическое значение звукового давления (р1=р2), а значит, один

и тот же уровень звукового давления (LP = LP ), то создаваемыи

ими суммарный уровень звукового давлени'я в собтветствии с (5 13)

Lp = 10 lg (2 10° 1LP,) = 10 lg l0° 1 LP, +10 lg2 = LP,+ 3,

т е будет на 3 дБ больше, чем уровень звукового давления одного отдельно взятого тона В общем виде для n чистых тонов с разными

частотами будем иметь

LP(n) = 10 lg (lOo 1 LP, + lOo 1 LP, + + 10о 1 LP)

Отметим, что суммарный уровень звукового давления от не­

скольких звуковых волн различных частот не зависит от соотноше­

ния фаз звукового давления в этих волнах Однако сочетание двух звуковых волн одной и той же частоты зависит от соотношения фаз Такие колебания называются когерентными

Рассмотрим случай двух звуковых волн одной и той же частоты в звуковом поле Средние квадратические значения звукового дав­ ления в расчетной точке поля двух сигналов одной частоты с раз ностью фаз 8 определяются из уравнения суммирования векторов

р2 = (рт + р~ + 2p 1p 2cos8),

где р 1 и р2 - средние квадратические значения звуковых давлений двух звуковых волн, 8 - фазовый угол между двумя звуковыми вол­ нами в данной точке

Если р1-= р2 и две звуковые волны в какаи-либо точке находятся

в противофазе, т е 8 =180°, тогда результирующее звуковое давле­

ние в этой точке равно нулю Если две звуковые волны находятся

<<В фазе~ друг с другом, т е 8 = О, то р2 = 4рт. и тогда уровень зву­

ковоr о давления

т е увеличивается на 6 дБ Восприятие звука человеческим ухом представляет собой слож­

ный процесс Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с

Рис 5 8 Абсолютные значения и уровни звукового давления,

а также интенсивности звука д.1я различных неточников

В табл. 5.6 приведены численные значения поправок дL для частот­

ных характеристик А. В, С

Необходимость введения поправок обусловлена тем, что челове­

ческое ухо воспринимает уровень звукового давления на разных час­

тотах по-разному.

Показания шумомера LpA• полученные с использованием харак­

теристики А, называются акустическим уровнем звука с единицей

дБ(А) (или дБА):

т

= 10 !g [(PtAIPo)2+ (pzAIPY + ... + (pmA1Po)21 = 10 lg L 101-Р'А,

l ~ l

Кривые В и С на рис. 5.9 используются для анализа гроl\!КИХ

звуков.

На примере анализа частотныл полос шириной 1% рассмотри:vt

использование уровня звукового давления в узких полосах частот

:rля получения значениИ уровня звука. В табл. 5.7 приведены уровни

звукового давления всех доминирующих компонентов в полосах час­

тот шириной 1% для отде.r1ьного случая шумового загрязнения ок­

ружающей среды. Уровень звука для этого случая с учетом поправок

(см. табл. 5.7)

LpA = 10 !g( 107 69 + IQ7.52 + J07.72 + lOS о+

+ IQ7.9 + J09.lЗ) = 92,2 дБ.

114 Час т ь I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Приведенный пример показывает, что вклад максимального ком­

понента с частотой l 00 Гц в уровень звука мал, поскольку на этой частоте характеристика А дает затухание 19,1 дБ. Если измерения

шума проводятся в октавных и третьоктавных полосах частот, уров­

ни звукового давления пересчитываются в уровень звука аналогич­

ным методом.

Приборы для измерения шума строятся на основе полосовых

фильтров и показывают уровень звукового давления в полосе частот.

Частотная характеристика К(f) = ивыхfивх фильтра представляет

собой зависимость коэффициента передачи сигнала ивл со входа

Полосовой фильтр характеризуется лолосой пропускания В, т.е. об­ ластью частот между двумя частотами f1 и / 2, на которых частотная

характеристика k(f) имеет значение (затухание) 3 дБ:

в= /2- fi·

Запишем соотношение между частотами f 1 и f2, которые назы­

ваются частотами среза фильтра, в виде

fz = 2 т fJ.

где т - постоянная фильтра.

Для большинства фильтров, применяемых в шумоизмерительной

аппаратуре, т = l или т = l /3. Если т = l, фильтр называется октавным, а когда т = l /3 - третьоктавным. Центральная

частота fo фильтра определяется из равенства fo = (f 1 f2) 112 . Цент­

ральная частота fo и полоса частот В для каждого октавнаго и

третьеоктавнаго фильтров, лринятых в международных стандартах,

представлены в табл. 5.8.

В дополнение к октавным и третьоктавным филырам некоторые

анализаторы шума, используемые для идентификации доминирую­ щих частотных компонен;гов шума, оборудованы узкополосными

фильтрами. Ширина лолосы пропускания фильтров выражается

либо в процентах установленной средней частоты, либо как абсо­ лютное значение в герцах. Соответственно их называют фильтрами с относительно постоянной полосой и фильтрами с постоянной по­ посой. Октавные и третьоктавные фильтры являются фильтрами с

относительно постоянными полосами 71 и 23% соответственно.

При средних квадратических значениях звуковых давлений р1,

р2, ... , Pn в узких полосах для всех значимых частотных компонентов

внутри третьоктавной лолосы пропускания уровень звукового дав­

ления LP в этой полосе определяется выражением (5.13), распро­

страненным на n звуковых компонентов:

В 'свою очередь третьоктавные лолосы являются узкополосными

110 сравнению с октавными. Поэтому уровни звукового давления в 1ретьоктавных полосах, находящихся в пределах октавной полосы,

11реобразуются в уровни звукового давления согласно (5.14). Напри­

мер, если уровни звукового давления в третьоктавных полосах час­

! ОТ с центральными частотами 50, 63, 80 Гц составляют 27,9; 24,8 11 23,3 дБ соответственно, то в октавной полосе с центральной час­

L\Y'A == 10 Jg L lOO,ILo·A,,

i ~ 1

где сумма берется по т важным компонентам шума; индекс А оз­

начает коррекцию по А.

Используя данные табл. 5.9, продемонстрируем лолучение скор­

ректированного уровня звуковой мощности во всей полосе звуковых

частот, исходя из уровней мощности в октавных лолосах частот:

Lu'!А=10lg(l00.4З + 1oo.'11i +. 101,52 + 102.38 + 102.з +

5.3. Действие шума иа человека и окружающую среду

Среди основных чувств человеJ\а слух и зрение играют важней­

II!ую роль - они позволяют человеку владеть звуковыми и зритель­

IIЫМИ информационными полями.

Насыщение окружающего пространства шумами повышенной 11нтенсивности может привести к искажению звуковой информации 11 нарушению слуховой активности человека.

В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы дове­

нения звуковых колебаний воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно мень­ ll!еЙ степени исследованы процессы преобразования физических ко­

.11ебаний в звуковые образы или ощущения в нервной системе. Из­ вестно, что в ней акустический сигнал преобразуется в электричес-

1\ИЙ, и в результате сложного взаимодействия в сфере нервной дея­

гсльности создается звуковой образ, адекватный реальному. Орган слуха, преобразующий колебания воздушной среды в

tлектрические сигналы нервной системы человека, функционально

118 Час т ь I. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и nрироде

15

Рис 5 11 Строение органа слуха (а), основная мембрана (б)

состоит из трех частей: наружнего, среднего и внутреннего уха

(рис. 5.11). Ушная раковина 1 наружиего уха направляет принимае­

мые акустические колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся

барабанной лереланкой 3. Ушная раковина благодаря своей форме

согласовывает процесс перехода звуковой волны из свободного про­

странства в ухо. В слуховом лроходе, как в звуковом резонаторе,

настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит примерно трехкратное усиление звукового давления, воздействующего далее на барабанную переланку 3. Она образует границу с областью сред­

него уха и здесь соединена с кастно-мышечным рычажным механиз­

мом в виде молоточка 4 и иаковаленки 5. Мышечная ткань ножки

иаковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха - мем­ брану овального окна 6 внутреннего уха 7.

Рычажная система <<Молоточек-наковаленка>> выполняет роль трансформатора колебаний барабанной лерепонки, повышая звуко­ вое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с внеш­ ней средой через носоглотку 8, в область внутреннего уха 7, запол­ ненную несжимающейся жидкостью - лимфой.

Процесс лолучения звуковой информации из окружающей среды, ее лреобразования по цели <<Энергия акустической волны ~ механи­

ческая энергия ~ энергия нервных импульсов>> завершается во внут­

реннем ухе. Структура внутреннего уха представляет собой сужаю­

щуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к

которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде трех

колец 9. На рис. 5.11 для пояснения основных механизмов звукопе­

редачи все это локазано схематически, и улитка дана в развернутом

виде. Мембрана круглого окна 11 выполняет вспомогательную функ·

цию согласования внутреннего уха со средним. Весь рассматривае­

мый слуховой лабиринт ограничен костной лерегородкой 10.

условиях. У работающих в шумных производствах отмечается уве­

личение на 10.. .15% заболеваний общего характера.

Эффект получения звуковой информации двумя ушами одновре­ менно называется бинауральны.м и способствует стереоакустичес­ кому восприятию звуков. Это позволяет человеку выявлять направ­

ление звуковых волн с разрешающей способностью в горизонталь­

ной плоскости 3.. .4°, а в вертикальнойоколо 20°. Бинауральность

обусловлена пространствеиным расположением ушей и экранирую­

щим влиянием головы. Разница возбуждения характеризуется пока­

зателями:

•временнЫм (несовпадение моментов воздействия на левое и

правое ухо одинаковых по фазе звуковых волн);

•амплитудным (разными значениями звуковых давлений на уши

из-за наличия акустической тени).

Бинауральный эффект способствует локализации источников

звука благодаря двум факторам: временной разности и интенсив­

ностной разности приходящих в уши сигналов. На низших частотах

слухового диапазона (ниже 500 Гц) направление на источник опре­

деляется в основном по временному запаздыванию бинаурального

С)ффекта. В то же время источники сигналов с частотой ниже 150 Гц практически не локализуются слухом. Направление на источники

.звука с частотой выше 500 Гц определяется как временнЫм, так и

интенсивностными бинауральными эффектами. Эффект локализа­

ции источника звука проявляется в условиях открытого простран­

ства. При наличии отраженных волн пространствеиная картина вос-

11риятия искажается.

Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Ощущение возникновения звука, а также его прекращения возни­ кает не сразу. Время, в течение которого ощущение уровня гром­

J<ости уменьшается на 8... 10 фон, называется постоянной времени слуха, и ее значение в среднем составляет 150... 200 мс. Время адап­ тации слуха при оценке высоты тона зависит от частоты. На низких

•1астотах оно составляет 30 мс, на высоких -несколько больше.

При возбуждении слуха короткими звуковыми импульсами (менее

!JO мс) и через такие же промежутки времени происходит их интег­

рирование при восприяrии и временная маскировка, проявляющая­

('Я в подавлении последующего импульса предыдущим. Происходит

также накопление в памяти коррелированных по структуре звуча­

ний [7]. В процессе восприятия человеком двух различных звуковых

сигналов одновременно, один сигнал слышится хорошо, а второй как

бы нонеТ» в нем. Такой эффект называют маскирующим.