1 3 октавных полосах частот определение. Частотная характеристика шума

Рис. 2. Изменение соотношения эталонных частот биологического и социального времениВ верхней части рис. 2 условно показана общая продолжительность глобального исторического процесса (шкала времени - условная, неравномерная). Ниже размещены две оси времени. На них

В настоящее время нормативные требования по производственному шуму регламентируют «Санитарные нормы. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

Эти «Санитарные нормы» устанавливают классификацию шумов; нормируемые параметры и предельно допустимые уровни (ПДУ) шума на рабочих местах.

Среднегеометрическая частота определяется по формуле:

где f 1 – нижняя граница частоты, Гц;

f 2 – верхняя граница частоты, Гц.

Если отношение f 2 к f 1 равно 2 (f 2 /f 1 =2), то полоса называется октавой.

Допускается в качестве характеристики постоянного широкополосного шума на рабочих местах принимать уровень звука в дБА, измеренный на временной характеристике «медленно» шумомера. Значение этого уровня определяют по формуле:

, (4)

где Р А – среднеквадратичная величина звукового давления с учетом коррекции «А» шумомера, Па.

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.

Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах, учитывающие степень напряженности и тяжести трудовой деятельности, представлены в таблице 2 (Приложение 1). Данные этой таблицы – основополагающие при определении ПДУ для всех рабочих мест.

Количественную оценку тяжести и напряженности трудового процесса следует проводить в соответствии с Руководством 2.2.013-94 «Гигиенические критерии оценки условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса».

Значения предельно допустимых уровней звукового давления в октавных полосах частот, уровней звука и эквивалентных уровне звука для основных видов трудовой деятельности и рабочих мест (с учетом категорий тяжести и напряженности труда) приведены в таблице 3 (Приложение 2). Данная таблица служит дополнением к таблице 2. Определив категорию тяжести и/или напряженности, по таблице 2 устанавливают тот или иной нормативный уровень для данного рабочего места.

Человек способен различать прирост звука в 0,1 Б и поэтому на практике измерение уровня шума осуществляется в меньших единицах – децибелах (дБ).

Величина уровня интенсивности используется при проведении акустических расчетов, а уровня звукового давления – для измерения шума и для оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Уменьшение шума оценивается также в дБ:

Например, если шум ДВС по интенсивности снизить в 100 раз, то уровень интенсивности шума будет уменьшен на:

Поэтому, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, то складываются их интенсивности, но не уровни. Из этого следует, что при большом числе одинаковых источников заглушение части из них практически не ослабит суммарный шум.

Суммарный уровень шума от одинаковых источников определяется так:

, дБ (6)

где n - число источников шума.

Из формулы (6) видно, что при двух одинаковых источниках шума суммарный уровень всего на 3 дБ больше каждого из них в отдельности.

Суммарный уровень шума двух различных по интенсивности источников подсчитывается по формуле:

, дБ (7)

где L 1 - наибольший уровень из суммируемых, дБ;

DL - добавка, определяемая по графику (Рис. 1).

Рис. 1. График для определения добавки
при суммировании уровней шума двух источников.

Логарифмическая шкала дБ позволяет определить лишь фактическую характеристику шума. Однако она построена таким образом, что пороговое значение звукового давления Р 0 соответствует порогу слышимости на частоте 1000 Гц.

Слуховой аппарат человека обладает неодинаковой чувствительностью к звукам различной частоты, а именно – наибольшей чувствительностью на высоких и средних частотах (800 - 4000 Гц) и наименьшей - на низких (20-100 Гц). Поэтому для физиологической оценки шума используют кривые равной громкости (Рис. 2), полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости, т.е. судить о том, какой из них сильнее или слабее.

Рис. 2. Кривые равной громкости.

Уровни громкости измеряются в фонах. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления. Фон - это уровень громкости звука, для которого уровень звукового давления равногромкого с ним звука с частотой 1000 Гц равен 1 дБ.

Изменение уровня громкости на 1 фон воспринимается ухом человека как едва заметное, на 8-10 фон как двукратное.

Сравнение различных шумов по уровню их громкости осуществляется с помощью кривых равной громкости. Однако такое сравнение возможно лишь для «чистых шумов», т.е. шумов определенной частоты. На практике в подавляющем большинстве шумы имеют широкий частотный спектр и такая субъективная оценка шума затруднительна. Поэтому в настоящее время приборами предусмотрена возможность такого скорректированного (коррекция А) измерения общего уровня шума, т.е. абсолютного уровня интенсивности или звукового давления, которое учитывает указанные субъективные особенности восприятия звуков различной частоты и дает сопоставимые результаты не только с точки зрения объективной, но и субъективной оценки шумов.

Зная разность DL общих уровней шума, измеренных при такой коррекции (эту величину принято называть «Уровень звука дБА»), можно с помощью монограммы (Рис. 3) сравнивать два различных шума по их громкости, определяя, во сколько раз, на сколько % один шум объективно более громок, чем другой. Этим достигается наглядность оценки шума и мероприятий по борьбе с ним. Ориентировочно принято считать, что снижение уровня звука на 10 дБА соответствует двукратному уменьшению громкости.

Рис. 3. Монограмма для сравнительной оценки шумов по их громкости
в зависимости от разности их уровней звука.

Согласно санитарным нормам допустимых уровней шума на рабочих местах нормируемыми параметрами шума являются уровни среднеквадратических звуковых давлений в октавных полосах частот, определяемые по формуле (5), (по предельному спектру шума) и уровень звука дБА. Нормы приведены в таблице 2.

Шум на рабочих местах при продолжительности действия более 4 часов не должен превышать нормативных уровней, значения которых приведены в таблице 3 (Приложение 2).

Октавой называется частотный интервал между двумя частотами, логарифм отношения которых при основании два равен единице; в октаве отношение крайних частот равно 2.

Измерение уровней звукового давления в октавных полосах частот должно проводиться при помощи шумомера, включенного на прямолинейную частотную характеристику (или шкала С).

Измерение уровня звука в дБА должно производиться шумомером, включенным на шкалу А.

Микрофон шумомера должен быть направлен в сторону источника шума и удален не менее чем на 0,5 м от человека, проводящего измерение. Измерение шумов в условиях воздушных потоков со скоростью более 1 м/с следует производить с противоветровым приспособлением.

Измерения шума на рабочих местах производятся на уровне уха работающего при включении не менее 2/3 установленного оборудования в характерном режиме его работы. Количество и расположение точек замеров в ремонтных мастерских и других цехах следует принимать:

а) для цехов с однотипным оборудованием - не менее чем на трех рабочих местах в средней части цеха;

б) для цехов с групповым размещением однотипного оборудования - на рабочем месте в центре каждой группы;

При решении практических задач чаще всего приходится иметь дело не с чистыми тонами, т.е. звуками одной частоты, а сложными звуками, представ-ляющими собой смесь многих простых колебаний различной интенсивности и частоты. Как известно, сложный колебательный процесс можно представить в виде суммы гармонических функций. Для звукового давления имеем

где p i , f i ,ω i и φ i - соответственно амплитуда, частота круговая частота и фаза составляющих.

Как известно из механики, графическое изображение этого процесса в функции времени называется осциллограммой. Такое представление при необ-ходимости выявления частотных составляющих требует специального гармо-нического анализа. В связи с этим, в акустике принято колебательный процесс изображать в виде функции частоты. Такая запись называется спектрограммой или звуковым спектром . Спектр позволяет судить о том, колебания каких час-

тот вносят наибольший вклад в формирование акустического поля, для каких частот следует проектировать звукоизоляцию и звукопоглощение, какова должна быть эффективность шумозащитных средств.

Различают несколько типов звуковых спектров (рис. 1.1). Спектр, в кото-ром отдельные составляющие отделены друг от друга более или менее значи-тельными частотными интервалами (рис.1.1, а ), называется линейчатым илидискретным .

Кратные составляющие линейчатого спектра называются гармониками. Количество и сила отдельных частотных составляющих звука определяют его слуховую окраску – тембр.

а – линейчатый спектр; б – сплошной спектр; в – смешанный спектр; г – спектр белого шума

Рис.1.1. Типы звуковых спектров

Если частотные составляющие следуют одна за другой непрерывно, то спектр называется сплошным (рис.1.1, б ). Такие спектры возникают при соуда-рении тел и при образовании звуковых импульсов. В случае, когда составляю-щие сплошного спектра шума имеют равные амплитуды (рис.1.1, г ) шум назы-вают белым шумом .

Человеческое ухо различает частотные составляющие звуковых колеба-ний также как и их амплитуды, т.е. по логарифмическому закону. Поэтому при-нято рассматривать и сравнивать частотные составляющие в полосах частот, ширина которых увеличивается по мере увеличения частоты. Общепринятыми считаются октавные и 1/3-октавные полосы частот. Каждая последующая ок-тавная полоса в два раза шире предыдущей, т.е. отношение верхней и нижней

Частотные полосы обозначаются их центральными частотами, которые опреде-ляются как среднегеометрическая величина верхней и нижней частоты данной

полосы, т.е. f = √ f 1 ⋅ f 2 .

В табл. 1.4. приведены центральные частоты и приближенные значения граничных частот октавных и 1/3-октавных полос.

Процесс передачи колебаний в среде называется волновым .

Рис. 1 Волновое движение

Основная характеристика волнового движения – длина волны, т.н. расстояние между двумя точками волны, пребывающими в одной фазе. Другая характеристика – амплитуда волны – расстояние, на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия.

Волновое движение характеризуется также частотой f этого движения и скоростью распространения.

Частота – количество колебаний в единицу времени (обычно в секунду, с), измеряется в герцах, Гц.

Частота звуковых волн, воспринимаемых нормальным ухом человека, лежит в пределах от 16 до 16000 Гц. Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, больше 16000 Гц – ультразвуком.

Рис. 2 [__] Частота в октавных интервалах

Звук как физическое явление представляет собой волновое движение упругой среды; как физическое явление он представляется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн в диапазоне частот 16-16000 Гц. Другими словами звуком называют механические колебания упругого тела в частотном диапазоне слышимости человека.

Процесс распределения колебательного движения в среде называется звуковой волной . Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем .

Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны λ в м, частотой f в герцах, Гц, и периодом колебания Т в секундах, с, а также скоростью их распространения С в м/с.

Зависимость между этими величинами может быть представлена следующим образом:

λ = С / f = С · Т (1)

Если смещение частиц среды происходит в направлении распространении звуковой волны, то такие волны называют продольными. В воздухе и на жидкостях звук распространяется только в виде продольных волн. В твердых телах наряду с продольными происходит образование поперечных и изгибных волн.

С целью анализа звукового поля звуковой диапазон (16-16000 Гц) разбивают на полосы (интервалы, шаги).

Октавная полоса – диапазон частот, в котором верхняя граничная частота f 2 в два раза больше нижней f 1 .

Третьоктавная полоса частот – диапазон частот, в котором это соотношение равно 1,26 (f 2 = 1,26 f 1). Октавная и третьоктавные полосы характеризуются среднегеометрической часто-той полосы

(2)

Граничные и среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос приведены в табл. П1.

Таблица П.1

Граничные и среднегеометрические

частоты октавных и третьоктавных полос, Гц

Для воздуха зависимость скорости от температуры выглядит:

С = 331,4 + 0,6t , м/с (3)

где 331,4 – скорость звука в воздухе при 0ºС;

t – температура окружающей среды, ºС.

Таблица 1

Скорость звука в различных материалах

Если принять среднюю скорость звука в воздухе 340 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.

Изменение состояния среды в звуковом поле характеризуется звуковым давлением р и колебательной скоростью частиц среды V .

Звуковое давление р – разность между мгновенным значением полного давления и средним (атмосферным) давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля. Единица измерения звукового давления р – Н/м 2 , 1 Н/м 2 = 1 Па (Паскаль).

Колебательной скоростью частиц среды V называется мгновенное значение скорости колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны. Колебательная скорость частиц среды является векторной величиной, единица измерения – м/с.

Связь между этими физическими величинами в плоской бегущей волне определяется соотношением

р = V ρс, (4)

где ρ – плотность среды. Величина ρс – постоянная для данной среды – называется акустическим (волновым) сопротивлением и для воздуха при нормальных атмосферных условиях (р = 10 5 Па, t = 20°С) ρс = 408 Па·с/м.

Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука I , которая измеряется в Вт/м 2 . Связь между звуковым давлением и интенсивностью звука в бегущей волне устанавливается соотношением:

, (5)

где черта означает осреднение во времени.

Другой энергетической характеристикой звукового поля является плотность звуковой энергии ω в Дж/м 3 , равная количеству звуковой энергии, содержащейся в единице объема.

Для плоских звуковых волн определяется соотношением

Интенсивность звука является векторной, а плотность звуковой энергии скалярной величинами.

Человек воспринимает звук лишь в определенных интервалах. Минимальное значение звукового давления, которое человек воспринимает как звук, называется порогом слышимости (р 0 = 2·10 -5 Па). Максимальное значение звукового давления, которое воспринимает человек без риска повреждения слуха, называется болевым порогом (р = 2·10 2 Па). Порогу слышимости соответствуют звуки интенсивностью I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , а болевому порогу – I = 10 2 Вт/м 2 .

Вводится понятие так называемого уровня, в котором абсолютные величины берутся в отношении к определенным величинам (на пороге слышимости), и это отношение логарифмируется. Единицей измерения является децибел (дБ). Таким образом, децибел – это число, выражающее в логарифмическом масштабе отношение двух величин .

Уровень интенсивности звука, дБ,

Уровень звукового давления, дБ,

Рис. 3 Область слухового восприятия звука человеком

Так как децибел – логарифмическая величина, то арифметические действия с ним имеют свои особенности, например:

L 1 + L 2 = 70 дБ + 70 дБ = 10lg (10 0,1·70 + 10 0,1·70) =

10lg (10 7 + 10 7) = 10lg (2·10 7) = 10 · 7,3 = 73 дБ

Формула сложения децибел имеет вид:

L 1 + L 2 = 10lg (10 0,1· L 1 + 10 0,1· L 2)

В общем виде при наличии нескольких источников звука суммарные уровни звукового давления определяются по формуле

, (9)

где L i – слагаемые уровни звукового давления, дБ;

n – общее число слагаемых.

L = L 1 + ΔL (L 1 > L 2) (10)

Пример. Требуется найти суммарный для трех слагаемых уровней:L 1 = 86 дБ; L 2 = 80 дБ; L 3 = 88 дБ. Разность ΔL 3,1 =2 дБ; поправка ΔL 1 =2 дБ; L 3,1 = 90 дБ; L 3,1 – L 2 = 10 дБ, поправка ΔL 2 = 0,4 дБ; L 3,1,2 = 90,4 дБ.

Приборы для измерения шума называются шумомерами. Эти приборы состоят из микрофона, усилителя и измерительного прибора со шкалами А, В, С и D . Полную характеристику шума может дать измерение уровня звукового давления по шкале С и его частотная характеристика (распределение компонентов шума по частоте и уровню звукового давления). Для того, чтобы приблизить результаты измерений к субъективному восприятию человека введено понятие корректированного уровня звукового давления. Наиболее употребительная коррекция шумомера А .

Рис. 4 А шумомера

Стандартное значение коррекции ΔL А приведено ниже

Коррективный уровень звукового давления

L А = L – ΔL А (11)

называется уровнем звука в дБА.

Таким образом, определение уровней звука в дБА следующее – это энергетическая сумма октавных уровней звукового давления в нормируемом диапазоне частот, откорректированных по частотной характеристике А шумомера.

Пример определения уровня звука в дБА