1.1 Основные физические характеристики шума

Шумом называют всякий неприятный, нежелательный звук или совокупность звуков, мешающих восприятию полезных сигналов, нарушающих тишину, оказывающих вредное или раздражающее воздействие на организм человека, снижающих его работоспособность.

Следует отметить, что под термином «шум окружающей среды» понимается общий шум в данной ситуации в рассматриваемый интервал времени, обычно состоящий из шумов (звуков) от многих источников, близких и удаленных.

Конкретным (определенным) шумом называется составляющая шума окружающей среды, которую можно выделить, пользуясь средствами акустических измерений, и которую можно соотнести с определенным источником шума.

Иногда шум окружающей среды, остающийся в данном месте и в данной ситуации, когда один или несколько конкретных источников шума подавлены, называют остаточным (фоновым) шумом.

Начальным шумом называют шум окружающей среды, превалирующий в данном месте до каких-либо изменений в шумовой ситуации.

Звук как физическое явление представляет собой волновое колебание упругой среды. Звуковые волны возникают в том случае, когда в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) приходят в колебательное движение в продольном или поперечном направлении в результате воздействия на них какой-либо возмущающей силы. Как физиологическое явление звук определяется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии на него звуковых волн. В газообразной среде (воздухе) могут распространяться только продольные волны, в которых частицы среды колеблются вдоль направления распространения волн. Направление распространения звуковой волны называют звуковым лучом. Фронт волны перпендикулярен звуковому лучу. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в практических случаях ограничиваются рассмотрением трех видов волн: плоской, сферической и цилиндрической.

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, называемой скоростью звука (с). В газообразных средах скорость звука зависит в основном от их плотности и атмосферного давления. Скорость звука в воздухе при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении равна 344 м/с.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем. Физическое состояние среды в звуковом поле или, точнее, изменение этого состояния, обусловленное наличием звуковых волн, характеризуется обычно звуковым давлением(р), т. е. разностью между значением полного давления и средним статическим давлением, которое наблюдается в воздухе при отсутствии звукового поля. Звуковое давление, изменяющееся во времени от нуля до максимальной величины, оценивают не мгновенной величиной, а среднеквадратичным значением за период колебания. Звуковое давление представляет собой силу, действующую на единицу поверхности. Единица измерения звукового давления-- паскаль (1 Па = 1 Н/м2).

Длиной звуковой волны называют расстояние, измеренное вдоль направления распространения звуковой волны между двумя ближайшими точками звукового поля, в которых фаза колебаний частиц среды одинакова. В изотропных средах длина волны лсвязана с частотой f и скоростью звука с простой зависимостью л =c/f.

Частоты акустических колебаний в пределах от 16 до 20 000 Гц называют звуковыми, ниже 16 Гц -- инфразвуковыми, а выше 20 000 Гц -- ультразвуковыми. Звуковые частоты делят на низкие, средние и высокие. Примерная граница между низкими и средними частотами составляет 200--300 Гц, между средними и высокими 1000--1250 Гц. На (рисунке №1, приложение Б) для наглядности приведена зависимость длины волны от частоты.

Самым простым звуком является «тон», относящийся к определенному звуковому колебанию без каких-либо сопутствующих колебаний и имеющий вид синусоиды. Если звуки состоят из нескольких тонов, частоты которых находятся между собой в целых кратных отношениях, то они называются музыкальными звуками. Звуки, состоящие из бессистемного сочетания чистых тонов, частоты которых не подчинены определенным числовым отношениям, называются шумами. Под шумом может пониматься и любой звук, оказывающий неблагоприятное влияние на человека, которое в общем случае зависит не только от вида звука, но и от продолжительности и обстановки его воздействия.

Количество энергии, переносимой волной в звуковом поле в 1с через площадь в 1 м2, перпендикулярной распространению волны, называется силой звука и измеряется в Вт/м2.

Между силой звука I (Вт/м2) и звуковым давлением р (Па) существует связь, выражаемая уравнением:

I = р2 (с)-1.

Минимальная величина звукового давления, которую ощущает ухо человека, носит название порога слышимости или ощущения и обозначается р0. Максимальное давление, создающее болевые ощущения, называется болевым порогом и обозначается рmax. Аналогично имеются значения пороговых сил звука I и Imax. Значения р и I на обоих порогах изменяются в зависимости от частоты.

Международной организацией по стандартизации за пороговые значения р0, рmax, I0 и Imax приняты значения на частоте 1000 Гц:

р0 = 2 10-5Па, I0 = 10-12Вт/м2 ,

рmax = 2 10-2Па, Imax = 102Вт/м2.

Величины звукового давления и силы звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 108 раз, по силе звука до 1016 раз. Естественно, что оперировать такими цифрами неудобно, и, кроме того, орган слуха человека способен реагировать на относительное изменение давления, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при, различного вида раздражениях, в том числе и при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя (закон Вебера-Фехнера), поэтому были введены логарифмические величины - уровни звукового давления и силы звука в децибелах (дБ).

Уровень звукового давления L, дБ, определяется по формуле:

L = 10lg(p2/ po2) = 20lg(p/po),(1)

где р -- звуковое давление, Па;

po-- пороговое звуковое давление, равное 2*10-5 Па.

Каждому удвоению звукового давления соответствует изменение уровня звукового давления на 6 дБ. Логарифмические единицы уровней звукового давления являются не абсолютными, а относительными и потому безразмерными единицами. Однако после того как пороговое значение р0 было стандартизовано, определяемые относительно него уровни звукового давления приобрели смысл абсолютных значений, так как они однозначно характеризуют соответствующее значение звукового давления. В (табл.№3, приложение А) приведены средние значения, уровней звукового давления ряда источников шума.

Уровень звуковой мощности LP, дБ, определяется по формуле

LP = 101g(P/P0),(2)

где Р -- звуковая мощность, Вт;

Ро-- пороговая звуковая мощность, равная 2*10-12 Вт.

В практических расчетах все вычисления проводятся до целых чисел децибел, так как изменение уровня звукового давления менее 1 дБ органом слуха не воспринимается.

Весь слышимый диапазон на стандартной частоте 1000 Гц укладывается в интервале уровней от 0 до 120 дБ. При больших значениях уровней человек вместо звука испытывает боль в ушах.

Абсолютные значения звукового давления, а, следовательно, и его уровня на частотах, отличных от 1000 Гц имеют другие численные значения, что особенно заметно на пороге слышимости (рисунок № 2, приложение Б).

Значения уровней звукового давления, выраженные в децибелах, не позволяют судить о физиологическом ощущении громкости. Вследствие этого для физиологической оценки шума приняты кривые равной громкости (см. рисунок №2, приложение Б), полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости, определяя, какой из них сильнее или слабее (громче или тише). За единицу уровня громкости, называемую фоном, принимается разность уровней звукового давления в один децибел эталонного звука частотой 1000 Гц. Следовательно, уровень громкости является функцией звукового давления и частоты. Каждая кривая представляет собой геометрическое место точек, координаты которых - уровень звукового давления и частота - обеспечивают одинаковую громкость звуков.

Для стандартной частоты 1000 Гц уровни звукового давления (силы звука) и громкости численно равны, в то время как для других частот равенства не наблюдается. В соответствии с кривыми звук частотой 100 Гц и уровнем 52 дБ воспринимается в сравнении со звуком частотой 1000 Гц и уровнем 21 дБ как равно громкий. Уровень громкости при этом составляет 21 фон. Пользуясь кривыми равной громкости, можно определить уровень громкости звука на любой частоте, если известно его значение уровня звукового давления в децибелах.

Звуковая энергия, излучаемая источником шума, распределена по частотам. Поэтому необходимо знать частотный спектр, т. е. значения уровней звукового давления или уровней звуковой мощности на отдельных частотах. Спектр случайных или непериодических процессов, которые характерны для значительного большинства источников шума в городах, является сплошным, поэтому он обычно представляется в полосах частот определенной ширины (Дf). Эти полосы ограничиваются нижней f1и верхней f2 граничными частотами. За среднюю частоту полосы обычно принимают среднегеометрическую частоту f:

При проведении акустических расчетов и измерениях шумов чаще всего используют октавные полосы частот. Октавной полосой частот называется полоса частот, у которой отношение граничных частот f2/f1=2.

Если , f2/f1= = 1,26, то ширина полосы равна 1/3 октавы. Акустические расчеты, измерения и нормирование шума в городах производятся в звуковом диапазоне частот от 45 до 11200 Гц. Этому диапазону соответствуют октавные полосы частот с граничными среднегеометрическими частотами, указанными в (рисунок № 2, приложение А).

Уровни звукового давления или звуковой мощности, отнесенные к октавным полосам частот, называют октавными уровнями, а уровни, отнесенные ко всем полосам частот -- общими уровнями.

Для оценки шума одним числом, учитывающим субъективную оценку его человеком, в настоящее время широко используется «уровень звука» (в дБА) -- общий уровень звукового давления, измеряемый шумомером на кривой частотной коррекцииА, характеризующей приближенно частотную характеристику восприятия шума человеческим ухом. (Эта кривая коррекции А соответствует кривой равной громкости с уровнем звукового давления 40 дБ на частоте 1000 Гц). Относительная частотная характеристика кривой коррекции А приведена в (таблице № 5, приложение А).

В практике борьбы с шумом часто бывает необходимо сложить уровни звукового давления (уровни звука) двух или более источников шума, найти средний уровень или по октавным уровням рассчитать общий уровень звукового давления. Сложение уровней производится с помощью (таблицы № 6, приложение А).

Последовательное сложение уровней звукового давления (уровней звука) начинают с максимального уровня. Сначала определяют разность двух складываемых уровней, а затем из установленной разности по табл. 6 находят добавку, которую прибавляют к большему из складываемых уровней. Аналогичное действие проводят с указанной суммой двух уровней и третьим уровнем и т. д.

Шум большинства городских источников включает звуки почти всех полос частот слухового диапазона, но отличается разным распределением уровней звукового давления по частотам и неодинаковым изменением их по времени. Классификация шумов, действующих на человека, производится по их спектральным и временным характеристикам.

По виду спектра шумы могут быть разбиты на низкочастотные с максимумом звукового давления в области частот ниже 300 Гц, среднечастотные с максимумом звукового давления в области частот 300--800 Гц и высокочастотные с максимумом звукового давления в области частот выше 1000 Гц. По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых изменяется во времени не более чем на 5 дБА, и непостоянные, уровень звука которых изменяется во времени более чем на 5 дБА.

К постоянным шумам относятся шумыпостоянно работающих насосных, вентиляционных и компрессорных установок, а также инженерного и технологического оборудования промышленных предприятий (воздуходувок, испытательных стендов и др.).

Непостоянные шумы можно подразделить на колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени; прерывистые, уровень звука которых резко падает до уровня фонового шума несколько раз за время наблюдения, причем длительность интервалов, в течение которых уровень звука остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более, и импульсные, состоящие из одного или нескольких следующих друг за другом звуковых импульсов длительностью менее 1 с. К непостоянному колеблющемуся шуму относится шум автомобильного транспорта, к прерывистым шумам -- шум железнодорожного транспорта, холодильных установок, а также некоторых непостоянно работающих установок промышленных предприятий. К импульсным шумам можно отнести шум пневматических молотков, кузнечнопрессового оборудования, сваебойных машин.

Методы оценки шума зависят в первую очередь от его временного характера. Постоянный шум оценивается в уровнях звукового давления Lв дБ в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Этот метод оценки постоянного шума является основным. Для оценки непостоянных шумов, а также для ориентировочной оценки постоянных шумов используют уровень звука в дБА. Необходимо отметить, что для оценки шумов в городах преимущественно применяют уровни звука.Защита от шума в градостроительстве/Г. Л. Оси-пов, В. Е. Коробков, А. А. Климухин и др.; Под ред. Г. Л. Осипова.--М.: Стройиздат, 1993.--96 с: ил.-- (Справочник проектировщика).[1]