Физические и физиологические характеристики шума

3.2.14. Спектр шума

Спектр – это графическое изображение разложения уровней звукового давления по частотам. Спектральные характеристики помогают определить наиболее вредные звуки и разработать мероприятия по борьбе с производственным шумом.

Различают три вида спектров шума: дискретный или линейчатый, сплошной или широкополосный и смешанный.

Дискретный спектр характеризует непостоянный звук, когда из общего уровня резко выделяются отдельные частоты, а на некоторых частотах вообще отсутствует какой-либо звук. Дискретный спектр характерен, например, для шума, издаваемого сиреной спецмашин, пилой и т. п.

Сплошной спектр является совокупностью уровней звукового давления, близко расположенных друг к другу частот, когда на каждой частоте присутствует уровень звукового давления.

Этот спектр шума характерен для работы реактивного двигателя, двигателей внутреннего сгорания, выхлопа  газов, истечению воздуха через  узкое отверстие и т. п.

При смешанном спектре на фоне сплошного шума имеются дискретные составляющие.

На предприятиях чаще всего  имеют место смешанные спектры  – это шум технологического оборудования, вентиляторов, компрессоров и т. п.

По положению максимума  спектра шумы делятся на три частотных  диапазона:

- низкочастотные (f < 300 Гц );

- среднечастотные (300 <f < 800 Гц);

- высокочастотные (f  > 300 Гц).

 

Рис. Спектры шума: а - дискретный; б - сплошной; в – смешанный.

3.2.15. Акустический импеданс

Импеданс акустический - комплексное сопротивление, которое вводится при рассмотрении колебаний акустических систем (излучателей, рупоров, труб и т. п.).

Акустический импеданс представляет собой отношение комплексных  амплитуд звукового давления и объёмной колебательной скорости частиц среды (последняя равна произведению усреднённой  по площади колебательной скорости на площадь, для которой определяется импеданс акустический). Комплексное выражение для акустического импеданса имеет вид:

,

где  – мнимая единица.

Разделяя комплексный  импеданс на вещественную и мнимую части, получают активную R_a и реактивную X_a составляющие. Акустический импеданс – активное и реактивное акустические сопротивления. Первое связано с трением и потерями энергии на излучение звука акустической системой, а второе – с реакцией сил инерции (масс) или сил упругости (гибкости). Реактивное сопротивление в соответствии с этим бывает инерционное или упругое.

Акустическое сопротивление  в системе СИ измеряется в единицах н×сек/м⁵, в системе СГС – в дин×сек/см⁵ (в литературе для этой единицы встречается обозначение «акустический ом»). Понятие импеданс акустический важно при рассмотрении распространения звука в трубах переменного сечения, рупорах и подобных системах или при рассмотрении акустических свойств излучателей и приёмников звука, их диффузоров, мембран и т. п. Для излучающих систем от импеданса зависят мощность излучения и условия согласования со средой.

Кроме акустического Z_a, применяют также удельный акустический Z₁ и механический Z_м импедансы, которые связаны между собой зависимостью Z_м = SZ₁ = S²Z_a,

где S – рассматриваемая площадь в акустической системе. Удельный акустический импеданс выражается отношением звукового давления к колебательной скорости в данной точке или для единичной площади.

 В случае плоской  волны удельный акустический  импеданс равен волновому сопротивлению среды.

Механический импеданс (и соответственно механическое активное и реактивное сопротивления) определяется отношением силы (т. е. произведения звукового  давления на рассматриваемую площадь) к средней колебательной скорости для этой площади. Единица механического  сопротивления в системе СИ – н×сек/м, в системе СГС – дин×сек/см (иногда называется «механический ом»).

3.2.16. Волновое сопротивление

Волновое сопротивление в акустике, в газообразной или жидкой среде – отношение звукового давления р в бегущей плоской волне к скорости v колебания частиц среды. Волновое сопротивление характеризует степень жёсткости среды (т. е. способность среды сопротивляться образованию деформаций) в режиме бегущей волны. Волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой:

p/v = ρc,

где ρ – плотность среды;

      с – скорость звука.

Волновое сопротивление  – важнейшая характеристика среды, определяющая условия отражения и преломления волн на её границе. При нормальном падении плоской волны на плоскую границу раздела двух сред коэффициент отражения определяется только отношением волновых сопротивлений этих сред; если волновые сопротивления сред равны, то волна проходит границу без отражения. Понятием волновое сопротивление можно пользоваться и для твёрдого тела (для продольных и поперечных упругих волн в неограниченном твёрдом теле и для продольных волн в стержне), определяя волновое сопротивление как отношение соответствующего механического напряжения, взятого с обратным знаком, к скорости частиц среды.

3.2.17. Временные характеристики  шума

По временным характеристикам  выделяют:

- постоянный шум, уровень звукового давления которого за рассматриваемый промежуток времени изменяется не более чем на 5 дБ;

- непостоянный шум, уровень звукового давления которого за рассматриваемый промежуток времени изменяется более чем на 5 дБ.

Непостоянный шум подразделяется на:

- колеблющийся во времени шум, уровень звукового давления которого непрерывно изменяется во времени (на 5 дБ не более);

- прерывистый шум, уровень звукового давления которого ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причем длительность интервала, в течении которого уровень звукового давления остается постоянным, составляет не менее 1 с;

- импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.

 

3.3.Физиологические характеристики  шума

3.3.1. Закон  Вебера-Фехнера.

Уровень интенсивности  звука. Уровень звукового давления

В 1846 г. немецкий физиолог Фехнер вывел всеобщий закон восприятии для всех ощущений.

Отношение минимально заметного  прироста ощущений ∆J к его первоначальному ощущению I величина постоянная:

 

Аналогичным образом чувствительность слуха к изменению частоты (тонкость слуха) определяется отношением:

 

где ∆ f – минимально заметное изменение частоты;

         f – частота первоначального тона.

Физико-физиологический  закон Вебера-Фехнера гласит, что интенсивность почти всех ощущений в том числе слухового, пропорциональна логарифму интенсивности внешнего стимула.

Ощущение изменяется как  логарифм возбуждения.

Этот закон справедлив для области средних уровней  и средних частот и представляет собой грубое приближение вне  этой области.

Например, интенсивность  первого тона в 100 раз больше второго, однако, первый тон более интенсивный, т. е . воспринимается ухом (производит впечатление) лишь вдвое больше второго.

 

Согласно этому закону ухо человека оценивает не абсолютные, а относительные изменения интенсивности.

Изменению интенсивности I и звукового давления р слышимого звука, измеренных в абсолютных единицах (Вт/м², Па) огромна и составляет соответственно 10¹⁴ и 10⁷ степени раз.

Принимая во внимание все  выше сказанное, общепринято оценивать  интенсивность звука и звуковое давление не абсолютных единицах (Вт/м², Па), а в относительных белах (Б) и децибелах (дБ).

Для этого введены логарифмические  величины: уровень интенсивности  звука и уровень звукового  давления (см. п. 3.2.7. и 3.2.10)

Разница уровней в 1 дБ соответствует минимальной величине, различимой ухом. При этом интенсивность звука изменится на 25-26%, а звуковое давление на 12%

Удвоение интенсивности  звука соответствует изменению  уровня интенсивности 3 дБ, а удвоение звукового давления равносильно увеличению уровня звукового давления на 6 дБ.

3.3.2. Уровень громкости звука  и громкость звука 

Ухо человека обладает способностью слышать звуки в  весьма большом диапазоне значений звукового давления, а также различать  их по частотам. Однако уровни звукового  давления не учитывают чувствительности слуха к звукам различной частоты  и не дают правильного представления  о громкости звука – физиологической (субъективной) характеристике звука. Ухо человека обладает наибольшей чувствительностью на средних и высоких частотах, наименьшей – на низких частотах.

Уровень громкости звука выражается в фонах.

Фон – логарифмическая единица для оценки уровня громкости звука. Шкала фонов от шкалы децибелов отличается тем, что в ней значения громкости коррелируются с чувствительностью человеческого слуха на разных частотах. У чистого тона с частотой 1000 Гц уровень в фонах численно равен уровню звукового давления в децибелах, для других частот используют поправки из таблицы или специального графика — кривых равных громкостей (рис. 3.3.1.), представляющего собой стандартизованное семейство кривых, называемых также изофонами.

Рис. 3.3.1. Кривые равных громкостей

Каждая из кривых равной громкости представляет собой геометрическое место точек равногромких тонов различных частот.

Шкала уровней громкости (в фонах) не является натуральной, т. е., например, изменение уровня громкости  в два раза не означает, что субъективное ощущение громкости звука изменится во столько же раз. Для оценки субъективного восприятия громкости введена шкала сонов.

Сон – единица громкости звука. Шкала сонов является шкалой субъективной оценки, разработана в результате многочисленных тестов испытуемых и стандартизована Международной организацией по стандартизации.

Полученные экспериментальным  способом оценки показывают, что громкость  возрастает как кубический корень из интенсивности звука, то есть зависимость психологической оценки громкости ( ) от физической интенсивности (мощности) звука ( ) описывается формулой:

,

где – коэффициент, зависящий от частоты.

Громкость в сонах определяется по формуле:

 

где L_r – уровень громкости, фон.

Таким образом, получаем, что  громкость в 1 сон имеет звук с  уровнем громкости L=40 фон.

Графическая зависимость  между уровнями громкости (в фонах) и громкостью (в сонах) представлена на рис. 3.3.2.

Рис. 3.3.2. Зависимость между  уровнями громкости (в фонах) и громкостью (в сонах)

Изменение уровня громкости  на 10 фон соответствует изменению  громкости звука в два раза. Например, требуется сравнить по громкости  два звука с уровнями громкости 60 и 80 фон. Из рис.  находим, что уровню громкости 60 фон соответствует громкость, равная 4 сонам, а уровню громкости 80 фон – 16 сонам. Следовательно, второй звук ощущается слухом как в четыре раза более громкий.

3.3.3. Тембр звука

Тембр (франц. timbre) – качество звука (его "окраска", "характер"), которое позволяет различать звуки одной и той же высоты, исполняемые на различных инструментах или различными голосами. Тембр связан со сложным характером звуковых колебаний и зависит от того, какие обертоны, (частичные тоны) сопутствуют основному тону и в каких областях звукового спектра они особенно сильны. Всё это определяется материалом и формой звучащего тела, участвующими в образовании звука резонаторами, способом извлечения звука. Большое влияние на тембровую окраску звука оказывает также момент его возбуждения и угасания. В речи, благодаря тембру, различаются гласные и другие сонорные звуки; основную роль при этом играют первая и вторая форманты. Характеризуясь именно тембром, каждый звук речи может быть любой высоты и интенсивности. В то же время соотношение частоты основного тона с формантами и гармоническими обертонами определяет индивидуальные особенности речи говорящего; ведущая роль принадлежит здесь третьей и более высоким формантам. В речевой интонации благодаря тембру различают всевозможные оттенки эмоций: радость, неудовольствие, угрозу и т. п

Тон – любой звук, производимый регулярно или периодически вибрирующим источником. Может быть простым (чистый тон), когда источник вибрирует с одинаковой частотой, и составным (сложный тон), когда имеется более одной частоты. Чистый тон производится одной периодической вибрацией.

Обертон (нем. Oberton, от ober верхний и Ton тон) – составляющая сложного колебания (механического, в том числе звукового, электрического) с частотой более высокой, чем основной тон. Соотношение частот обертона  и основного тона выявляется при разложении сложного колебания в ряд; обертоны,  частоты которых относятся к частоте наинизшего, основного тона как целые числа 1:2:3 и т.д., называется гармоническими, или гармониками, если же зависимость оказывается более сложной — негармоническими. Обертон может быть выделен с помощью резонатора.