Показатели шума и их характеристика

Шум как физическое явление имеет ряд показателей, который непосредственно определяет степень их воздействия на организм человека.

Основными из них являются:

- частота звука;

- звуковое давление;

- интенсивность звука;

- мощность звука.

Приведенные показатели являются физическими характеристиками звука (физическими величинами) и могут быть измерены приборами.

 

Частота звука

Частота звука является одним из основных его показателей.

Частота звука (f) - число полных колебаний, совершаемых частицей возмущенной среды в единицу времени:

f = n / t

Единицей измерения частоты является герц (Гц).

1 Гц = 1 колебание в секунду.

Человеческий орган слуха способен воспринимать звуки (звуковые волны) с частотой от 16 до 20000 Гц. Этот частотный диапазон волн называется звуковым диапазоном.

Упругие волны (колебания) с частотой ниже слышимого диапазона (f < 16 Гц) называют инфразвуком, а с более высокой частотой(f > 20 кГц) - ультразвуком.

Поскольку спектр шума по частотам значительный, то слышимый диапазон (16 < f < 20000 Гц) разбивают на полосы частот или октавы, что учитывается при гигиенической оценке шума.

Спектр шума - распределение звуковой энергии (звуковых волн) шума по частотам.

Полоса частот - область частот, ограниченная нижним и верхним пределами.

Октава - полоса частот, верхняя граница которой (f₂) превышает нижнюю (f₁) в два раза, т.е. f₂ / f₁ = 2.

Слышимые человеком частоты охватывают диапазон 10 октав.

Октавная полоса частот характеризуется среднегеометрической частотой:

 

                                               f _ср = √ f ₁ х f ₂

 

Существует стандартный ряд среднегеометрических частот октавных полос, в которых рассматриваются спектры шумов: f_ср = 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Среднегеометрические частоты октавных полос рассматриваются как справочные параметры, которые могут использоваться для разработки мер профилактики и снижения риска профессиональных заболеваний.

 

Звуковое давление

Качественным показателем шума является звуковое давление.

Звуковое давление (Ра)   - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па.

Для понимания данного показателя следует знать, что з вук по своейфизической природепредставляет собой разновидность кинетической или «акустической» энергии, которую получают частицы среды при прохождении механической звуковой волны.

Механическая волна - возмущение, распространяющееся в упругой среде.

Вследствие данного положения при прохождении звуковой волны в воздушной (упругой) среде возникает переменное (пульсирующее) избыточное (дополнительное) давление.

Таким образом, звуковое давление - это разность между мгновенным значением полного давления в среде вследствие распространения звуковых колебаний и средним (статическим) давлением в невозмущенной среде.

Рассматривая звуковое давление как перенос энергии, то это звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние.

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

  Однако на практике из-за большего удобства для измерения звукового давления принят бел или децибел (дБ), единица в 10 раз меньшая чем бел.

Следует отметить, что децибел не является физической величиной. В большей степени это чисто математическое понятие. Являясь универсальной логарифмической единицей уровней, децибел позволяет сравнивать между собой нужные величины.

Так, это наглядно проявляется между звуковым давлением и уровнем звукового давления.

Данный показатель имеет чисто практическое значение.Ведь   человеческий орган слуха в значительном спектре шума (звука) различает (воспринимает) такой же диапазон изменений звукового давления, измерить который имеющимся приборами (шумомерами) сложно, а практически невозможно. В этом случае за основу взята логарифмическая шкала, которая позволяет сжать масштаб изменения давления и его измерить.

При этом измеренным показателем является не само звуковое давление, а уровень звукового давления.

Уровень звукового давления (L _р)_, дБ - значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению равному 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц.

Для измерения уровня звукового давления приняты два показателя:

- опорное звуковое давление - установленное по соглашению опорное  значение звукового давления в воздухе, равное 20 мкПа (2·10^-5 Па);

- порог слышимости - минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть ещё воспринят ухом человека.

Стандартный порог слышимости при 20 мкПа принимается как стандартная величина в физиологической акустике при частоте f= 1 кГц.

Таким образом, при измерении уровня звукового давления за эталонные (нулевой уровень) приняты звуки, имеющие частоту в 1 кГц и звуковое давление 2⋅10^-5 Па.

Данный подход обоснован тем, что максимальная чувствительность (воспринимаемость) слуха человека приходится именно на звук с частотой ≈ 1 кГц и звуковым давлением ≈ 20 мкПа.

При наименьшем звуковом давлении вызывающее ощущение звука на частоте 1 кГц называется порогом слышимости, а выше - болевым порогом.

Порог слышимости - минимальная величина звукового давления, при которой звук данной частоты может быть ещё воспринят ухом человека.

Следует учитывать, что порог слышимости у каждого конкретного человека зависит от его индивидуальных свойств, возраста и физиологического состояния.

Порог болевого ощущения слуховой - величина звукового давления, при котором в слуховом органе возникают боли. Превышение данного порога приводит к акустической травме.

Уровень звукового давления также измеряется в децибелах.

В данном случае эта величина позволяет сравнивать между собой такие показатели как звуковое давление и уровень звукового давления:

L _р = 20 lg p/p₀,

где: L _р - уровень звукового давления, дБ; 20 - численная зависимость между звуковым давлением  в мкПа и уровнем звука в дБ (20 мПа = 0 дБ);

p - звуковое давление, создаваемое источником звука, Па;  р₀ - 2·10^-5 Па, опорная (базисная) величина.

 

Интенсивность звука

Показателем звука является его интенсивность.

При распространении в среде звуковой волны происходит перенос кинетической энергии. Следовательно, она может характеризоваться энергетическими параметрами, одной из которых является интенсивность звука.

Интенсивность звука (I) - это средняя по времени энергия, которую звуковая волна переносит в единицу времени через единицу площади поверхности, расположенной перпендикулярно к направлению распространения волны.

Единицей измерения интенсивности звука является Вт/м².

Значение интенсивности в связи со значительным звуковым диапазоном меняется в очень широких пределах. Поэтому для измерения введена логарифмическая величина - уровень интенсивности.

Уровень интенсивности (Li) – оценочная величина интенсивности, выраженная в децибелах (дБ).

Для расчета взята пороговая интенсивность.

 Пороговая интенсивность – интенсивность, соответствующая порогу чувствительности уха человека.

За пороговую интенсивность принята величина интенсивности, равная 10^-12 Вт/м² при эталонной частоте f =1000 Гц.

Расчет уровня интенсивности проводится по формуле:

Li = 10 lg (I / I ₀),

где: I - фактическая интенсивность данного звука, I₀ - пороговое (абсолютное, среднее) значение интенсивности.

 

На практике интенсивность звука имело название как «сила звука», которое сейчас называется «громкостью звука».

Громкость звука - субъективная величина слухового ощущения, которая функционально зависит от звукового давления, частоты и амплитуды звуковых колебаний.

Громкость звука оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона с частотой 1 кГц, то есть с уровнем громкости звука.

Уровень громкости звука - величина, равная уровню интенсивности звука со стандартной частотой 1 кГц, который воспринимается одинаково громким с данным (измеряемым) звуком.

Тон - звук, который представляет колебание с постоянной или закономерно изменяющейся по времени частотой.

 

 

Мощность звука

Мощность звука (звуковая мощность) является показателем, который характеризует общую энергию, переносимую звуковой волной через рассматриваемую поверхность за единицу времени.

Любой источник звука (шума) характеризуется мощностью звука (звуковой мощностью), которая определяет общее количество излучаемой им звуковой энергии в окружающее пространство за единицу времени.

Мощность звука - энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени.

Кстати, среднее значение мощности звука, отнесенное к единице площади, называется интенсивностью звука.

Мощность звука измеряется в ваттах (Вт) и рассчитывается по формуле:

W = 10 lg (P/Р_о),

где: W - звуковая энергия за единицу времени, распространяемая источником по воздуху; P - измеренная мощность звука (звуковая мощность источника), Вт; Р_о - пороговое значение звуковой мощности на частоте 1000 Гц, равное 10^-12 Вт.

 

Также как и при измерении других показателей, за основу принят уровень мощности звука или уровень звуковой мощности.

Это позволяет на основе установленного (опорного) критерия оценить данный показатель и измерить его в общедоступных единицах, а, именно, в децибелах.

Уровень звуковой мощности (L_W), дБ - десятикратный десятичный логарифм отношения звуковой мощности W к опорной звуковой мощности W_о = 10^-12 Вт:

L_W = 10 lg (W/ W_о)

 

Таким образом, уровень звуковой мощностиявляетсялогарифмической мерой мощности звука (звуковой мощности), излучаемой источником.

Здесь следует отметить, что все выше рассмотренные показатели (интенсивность, звуковое давление, мощность звука или звуковая мощность) в акустике¹ на практике принято использовать с учетом логарифмической зависимости ощущения от изменения энергии раздражителя целесообразности унификации единиц и удобства оперирования не самимыми величинами, а их логарифмическими уровнями.

___________________________________________________________ 

1. Акустика - наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких до высоких частот.

Данное положение основано на законе Вебера-Фехнера¹, которым установлена логарифмическая зависимость между субъективными ощущениями человека и внешними физическими раздражителями, то есть подтверждено, что величина ощущений человека изменяется медленней, чем сила раздражителя.

 

Классификация шума

Шум классифицируют по следующим показателям:

По частотам

По частотной характеристике шум подразделяют на:

- низкочастотный (16 < f  < 300 Гц);

- среднечастотный (300 < f  < 800 Гц);

- высокочастотный (800 < f  < 20000 Гц).

 

По спектру

По характеру спектра шум выделяют:

- широкополосный шум, не содержащий выраженных тонов;

- тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тоны.

Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением уровней звукового давления в 1/3-октавных полосах частот в диапазоне частот 25 - 10000 Гц по превышению уровня в одной из 1/3-октавных полос над соседними не менее чем на 10 дБ или по превышению суммарного уровня двух соседних 1/3-октавных полос, уровни которых отличаются менее чем на 3 дБ, над соседними не менее чем на 12 дБ.

1/3 октавные (третьеоктавные) полосы частот используют для более детального (технического) исследования шума для которых:

f ₂ = 2^1/3 f ₁ = 1,26 f ₁

по временным характеристикам

По временным характеристикам шум выделяют:

- постоянный шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или за время измерения изменяется не более, чем на 5 дБА при режиме усреднения шумомера S (медленно);

- непостоянный шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день, рабочую смену или за время измерения изменяется более чем на 5 дБА при измерениях с постоянной времени усреднения шумомера S (медленно);

- импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых событий, каждый длительностью менее 1с, при этом уровни звука L_pI_max и ______________________________________________________

1. Закон Вебера - Фехнера - эмпирический (на основе опытных данных) психофизиологический закон, заключающийся в том, что интенсивность ощущения чего-либо прямо пропорциональна логарифму интенсивности раздражителя.

L_p S_max, измеренные соответственно с временными коррекциями I (импульс) и S (медленно), отличаются не менее чем на 7 дБ.

Непостоянный шум подразделяют на:

- колеблющийся во времени шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

- прерывистый шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

- импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов (импульсов), каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные на временных характеристиках «импульс» и «медленно», отличаются не менее чем на 7 дБ.

Импульс (шума) - кратковременное возрастание звукового давления.
     В общем виде классификация шума приведена в приложении 1.