Глава 8. Акустические измерения

8.1. Общие сведения

Большое место в оценке акустических свойств помещений и открытых пространств принадлежит акустическим измерениям. Они, в конечном счете, подтверждают правильность проектных и расчетных решений. Объектами измерений служат студии звукозаписи, звукового и телевизионного вещания, театральные и концертные залы, учебные аудитории, производственные помещения. В последние годы объектами измерений стали помещения культового назначения - храмы различных конфессий. Кроме того, для оценки шумового режима в жилой застройке, квартирах, на улицах применяется акустический мониторинг (контроль).

Методов измерения параметров и оценки акустических качеств помещений, которые однозначно и сравнительно просто характеризовали бы акустические качества помещений, пока не существует. Поэтому акустические свойства помещений определяют различными способами. В их число входят:

• измерения времени реверберации в зависимости от частоты «по точкам» или с непрерывной записью измеренных данных в виде графиков;

• регистрация пространственного распределения поля отраженных волн, приходящих в исследуемую точку помещения с различных направлений;

• регистрация коротких импульсных сигналов прямого звука и запаздывающих сигналов, приходящих в рассматриваемую точку помещения после отражений от стен, пола и потолка помещения;

• запись собственного спектра резонансных частот помещения, особенно в области нижних частот, в которой частоты расположены относительно редко;

Предложены и используются и другие методы оценки акустических качеств помещений, а также салонов автомобилей.

Основными показателями, характеризующими акустические свойства помещений, являются время реверберации, его частотный ход, спектр собственных частот как функция формы и линейных размеров помещения, временная структура запаздывающих сигналов, степень диффузности звукового поля, уровень проникающих шумов. От этих объективных показателей зависят субъективные качества звучания музыки и речи.

Время реверберации - функция звукопоглощающих свойств материалов, покрывающих преграды помещения, и материалов, из которых изготовлены предметы, находящиеся в помещении. Исследование акустических свойств этих материалов и предметов входят в круг вопросов, рассматриваемых при акустических измерениях.

8.2. Основные понятия

Основные понятия и определения изложены в первой части пособия. Здесь повторяются основные понятия.

Интенсивность звука I - это энергия, переносимая звуковой волной за одну секунду через поверхность в один квадратный метр, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. За единицу интенсивности звука принимают Вт/м².

В интервале звуковых частот наименьшая интенсивность звука, при которой возникает слуховое ощущение, называется пороговой. Эта величина зависит от частоты и имеет минимальное значение в области частот 1...3 кГц. При этой частоте порог слышимости по интенсивности составляет I₀= 10^-12 Вт/м² .

Интенсивность звука в 10 Вт/м² вызывает болевое ощущение в ушах человека и называется порогом болевого ощущения.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления и определяется по формуле:

, (8.1)

где р - звуковое давление, Па; - плотность среды, кг/м³; с - скорость распространения звука, м/с.

Так как, ухо человека воспринимает звуки в очень большом диапазоне интенсивностей от 10^-12 до 10 Вт/м² и реагирует на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное, то пользоваться для оценки интенсивности звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления неудобно. Поэтому принято измерять не абсолютные значения интенсивности и звукового давления, а относительные их уровни по отношений к пороговым значениям: I_о= 10^-12 Вт/м² и р_о = 2·10 ^-5Па.

Уровень интенсивности звука можно определить в децибелах

(8.2)

Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то можно записать, также в дБ

(8.3)

где: р - величина звукового давления в точке измерения, Па; р₀ = 2·10^-5 Па - пороговая величина звукового давления. Наконец, можно оценивать мощность звука в ваттах. Тогда запишем

, (8.4)

где: p- звуковая мощность, Вт ; = 10^-12 Вт - пороговое значение мощности звука.

Диапазон уровней слышимых звуков составляет примерно 120 дБ. Изменения уровня звукового давления меньше 1 дБ практически на слух не воспринимаются.

Наряду с объективными параметрами - уровнями интенсивности звука в акустике используются субъективные параметры - уровни громкости, являющиеся мерой слухового ощущения

(8.5)

где I₁₀₀₀ - интенсивность тона частоты 1000 Гц, равногромкого данному звуку.

В отличие от уровня интенсивности звука уровни громкости отсчитываются от порога слышимости на данной рассматриваемой частоте, а не от порога слышимости на частоте 1000 Гц. По этой причине числовые значения уровней громкости, как правило, ниже числовых значений уровней интенсивности звука. Чтобы отличить эти два понятия, уровни громкости выражают не в децибелах, в иных величинах - фонах.

В некоторых руководствах для выражения уровня громкости используются обозначения дБА. Этот символ обозначает, что уровни громкости измеряются шумомерами, в которых для имитации частотных свойств слуха используется фильтр типа А, который имитирует свойства слуха при тихих звуках с уровнем громкости L = 40 фон. Его применяют при измерении звуков, в том числе шумов с уровнями громкости от 20 до 55 фон.

Следует указать на некорректность использования фильтра типа А при измерении больших шумов. Фильтр типа В используют при уровнях громкости от 55 до 85 фон. При больших громкостях (L > 85 фон) необходимо применять фильтр типа С с практически горизонтальной амплитудно-частотной характеристикой.

При оценке интенсивности шумов пользуются понятием предельного спектра (ПС). Уровни громкости акустических шумов сравнивают с нормами, выраженными номером предельного спектра. В этом понятии выражена интенсивность звука и спектральное распределение её мощности.

Номер предельного спектра численно равен уровню звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц. Предельные спектры даны в Санитарных нормах.

Общий или корректированный уровень громкости шума измеряется по частотной характеристике шумомера типа А и обозначается L_А, дБА.

Для ориентировочной оценки в качестве характеристики постоянного шума на рабочих местах уровень шума выражают в дБА.

Для оценки непостоянного шума используется относительная доза шума (ГОСТ 12.1.003 - 83) или эквивалентный уровень громкости Lа_экв. Величина Lа_экв определяется (рассчитывается) на основании измерения уровней громкости в дБА в течение наиболее шумного получаса.

Эквивалентный уровень громкости рассчитывается по формуле (ГОСТ 20444-75 Потоки транспортные в населенных пунктах. Метод определения шумовой характеристики):

(8.6)

где: L_i - средний уровень громкости звука класса i в дБА, измеряемый шумомером; f_i - время воздействия шума класса I в процентах от общего времени измерения.