Фізичні характеристики шуму

Для успішної боротьби з шумом необхідно знати його фізичні характеристики, закономірності виникнення та поширення. Шумом прийнято вважати звуки, які негативно впливають на організм людини, заважають його роботі та відпочинку. Тому шум часто називають несприятливим звуком. Зазвичай шум створюється при хаотичному чергуванні звуків різної частоти та інтенсивності. Звук, як фізичне явище, являє собою коливальний рух, що поширюється хвилеподібно у пружному середовищі (газоподібному, рідинному чи твердому). Звук, а значить і шум, характеризується: швидкістю звуку с, м/с; частотою f, Гц; звуковим тиском р, Па; інтенсивністю /, Вт/м².

Швидкість звуку залежить від характеристики середовища, в якому поширюється звукова хвиля. В газоподібному середовищі швидкість звуку рівна:

,(2.28).

де х — показник адіабати (х = 1,44);

Р, р — тиск та густина газу (відповідно).

При нормальних атмосферних умовах (Т = 293 К та Р = 1034 гПа) швидкість звуку в повітрі дорівнює с = 344 м/с.

Частота звуку визначається кількістю коливань пружного середовища за одиницю часу і вимірюється в герцах (1 Гц — це одне коливання за секунду). За частотою звукові (акустичні) коливання поділяються на три діапазони: інфразвукові, з частотою коливання менше ніж 20 Гц; звукові (сприймаються органом слуху людини) — від 20 до 20 000 Гц; ультразвукові — більше ніж 20 000 Гц. В свою чергу звуковий діапазон прийнято підрозділяти на низькочастотний — до 400 Гц, середньочастотний — 400— 1000 Гц, високочастотний — більше 1000 Гц.

Звук, що поширюється у повітряному середовищі, називається повітряним звуком, а в твердих тілах — структурним. Повітряний простір, в якому поширюються звукові хвилі називається звуковим полем. У результаті коливань, що генеруються джерелом звуку, в повітрі виникає звуковий тиск, який накладається на атмосферний. Різницю між атмосферним тиском і значенням повного тиску в даній точці звукового поля прийнято вважати звуковим тиском р. Поширення звукової хвилі супроводжується перенесенням звукової енергії. Середній потік звукової енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, віднесений до одиниці поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі, називається інтенсивністю або силою звуку в даній точці / і вимірюється в Вт/м². Співвідношення між інтенсивністю звуку / та звуковим тиском р має наступний вигляд:

(2.29).

де р та с — відповідно густина та швидкість звуку в даному середовищі.

Виділяють два порогових значення звукового тиску та інтенсивності звуку. Мінімальні значення звукового тиску та інтенсивності звуку, які сприймаються органом слуху людини як звук називаються порогом чутності. При частоті звуку f = 1000 Гц, яка прийнята базовою в акустиці поріг чутності має наступні значення: p₀ = 2*10^-5Я/Л4², І₀ = ІО'^Вт/м². Звуковий тиск (р_б= 20 Н/м²) та інтенсивність звуку (/₆ = 1 Вт/м²), при яких починають виникати больові відчуття в органі слуху людини називаються порогом больового відчуття. Великий діапазон значень між порогами чутності та больового відчуття (за звуковим тиском — 10⁶, а за інтенсивністю звуку — 10¹²) викликав чималі труднощі при їх практичному використанні. Тому від абсолютних значень параметрів звуку р та /, перейшли до відносних значень — рівнів (L), застосувавши при цьому логарифмічну шкалу:

L = lg (I / I₀) = 21g (p/p₀); (Б),(2.30).

де /, р — відповідно інтенсивність звуку та звуковий тиск у даній точці; /₀, р₀— інтенсивність звуку та звуковий тиск на порозі чутності.

В середині XIX століття німецький фізик Г. Т. Фехнер вивів закон сприйняття, згідно з яким величина відчування органів чуття людини, в тому числі й чутності, пропорційна логарифму величини подразнення. Так що рівень звуку оцінюється за логарифмічною шкалою не випадково.

Одиниця рівня сили звуку — бел (Б), прийнята на честь фізика О. Г. Белла (1847— 1922 рр.), який вважається винахідником телефону. Оскільки орган слуху людини спроможний розрізняти зміни рівня сили звуку на 0,1 Б, то на практиці, як одиниця рівня сили звуку, в основному, використовується децибел (дБ) — десята частина бела (Б):

L = 10lg (I / I₀) = 201g (p/p₀); (Б),(2.31).

Підставивши у формулу (2.32) замість / значення /₀ та /₆ одержимо, що інтервал від порогу чутності до порогу больового відчуття становить 120 дБ, що значно зручніше для практичного використання.

У приміщеннях, в яких знаходяться кілька джерел шуму загальний його рівень визначається за формулами (2.33) та (2.34).

Якщо в приміщенні знаходиться п однакових джерел з рівнем шуму кожного L, то сумарний рівень L_E у рівновіддаленій від джерел точці приміщення становить:

L_z=L+lOgn (dE).(2.32).

Значення 10 Ign наведені в табл. 2.7.

Таблиця 2.7 Значення добавки до сили шуму одного джерела в залежності від кількості однакових джерел шуму

При одночасній дії двох різних джерел з рівнями сили шуму L, та L₂ сумарний рівень становить:

L_Ј= L₁+ _ДІ (дб),(2.33).

де L₁ — більший із двох рівнів сили шуму;

_дL — значення добавки, що визначається за табл. 2.8.

Таблиця 2.8 Значення добавки при дії двох різних джерел шуму.

При більшому ніж 2 числі джерел шуму підсумовування за формулою (2.33) проводиться послідовно від найбільшого до найменшого. Якщо різниця рівнів сили шуму двох джерел є більшою ніж 6—8 дБ, то рівнем сили шуму меншого з них можна знехтувати.

Сприйняття звуку органом слуху людини залежить не лише від його кількісних характеристик (звукового тиску чи інтенсивності), але й від його «якості» (частоти). Тому рівень сили звуку (шуму) та гучність — це різні поняття. Рівень сили звуку визначає лише фізичну величину сили звуку незалежно від його частотної характеристики. Рівень гучності враховує ще й фізіологічні особливості сприйняття, тобто різну чутливість органа слуху до звуків різної частоти. Найбільш чутливе наше вухо до звуків частотою 2000—4000 Гц.

Рівень гучності визначається шляхом порівняння зі звуком частотою 1000 Гц, для якого рівень сили звуку в децибелах прийнято за рівень гучності у фонах.

В області низьких частот рівень гучності звуку змінюється значно швидше ніж рівень сили звуку. В міру зростання сили звуку криві рівної гучності все більше наближаються до прямої лінії, а при рівнях вище 80 фон чутність звуку визначається практикою лише його силою, незалежно від частоти.