Звуковые волны. Что такое звук: его громкость, кодирование и качество

Для начала заглянем в словарь и посмотрим там определения этих слов.

Звук — всё что слышит ухо, что доходит до слуха. Или более развёрнуто — то, что слышится, воспринимается слухом: физическое явление, вызываемое колебательными движениями частиц воздуха или другой среды. Звук, в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах.

Шум — это звуки, слившиеся в нестройное (обычно громкое) звучание. Или подробнее — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры.

Вибрация — механические колебания упругого тела; дрожание. Слово произошло от латинского «Vibratio » — колебание, дрожание.

Изучением звуков занимается наука под названием АКУСТИКА. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких (условно от 0 Гц) до высоких частот.

Человеческое ухо воспринимает определённый диапазон колебаний — как правило, от 16 до 20 000 колебаний в секунду. Одно колебание в секунду называется Герцем и сокращённо обозначается Гц . Колебания большей частоты называют ультразвуком, меньшей — инфразвуком.

Характеристики звука:
длина волны (период, Т) и амплитуда (А)

Поскольку звук это волна, то она характеризуется двумя основными величинами: длина волны (период колебания) и амплитуда. Амплитуда — максимальное значение смещения или изменения переменной величины от среднего значения при колебательном или волновом движении. Обратная периоду величина называется частотой (Гц). Сам же звук также характеризуется скоростью распространения, которая зависит от среды, в которой распространяется упругое колебание. Например:

скорость звука в воздухе = 331 м/с (при температуре 0 °C и давлении 101325 Па);

скорость звука в чистой воде = 1 348 м/с ;

скорость звука в солёной воде = 1 532,3 м/с (при температуре 24°C, солёности 35 промилле и нулевой глубине).

Связь слышимости звука с давлением,
частотой и громкостью

Как мы уже говорили, человек может воспринимать в идеале звук частотой от 16 до 20000 Гц. Однако сама частота звука не даёт нам возможности оценить насколько он безопасен для человека. Частота звука говорит о теоретической возможности услышать подобный звук, а вот практически услышим мы его или нет зависит от амплитуды. Логарифм амплитуды измеряется в децибелах (дБ). Децибел — это относительная величина, показывающая насколько увеличилась или уменьшилась громкость звука.

Громкость — это кажущаяся сила звука, которая измеряется в децибелах. Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза.

С какими же уровнями громкости мы с Вами сталкиваемся в нашей жизни?

*Звук*	*Громкость, дБ*
Тишина (специальная камера)
Тихий шёпот, тиканье наручных часов
Шелест листьев, тиканье часов, норма для жилых помещений
Сельская местность вдали от дорог, библиотека
Тихая жилая территория, парк, тихий разговор
Разговор средней громкости, тихая улица, тихий офис
Нормальный разговор в 1м, норма для офисов
Улица с интенсивным движением, телефон
Громкий будильник, шум грузового автомобиля или мотоцикла
Громкий крик, отбойный молоток, грузовой вагон на расстоянии 7м
Поезд метро, фен, кузнечный цех, очень шумный завод
Рок-музыка, крики ребёнка, вертолёт, трактор на расстоянии 1м
Болевой порог, близкие раскаты грома, вувузела на расстоянии 1м
Травма внутреннего уха, максимальная громкось на рок-концерте
Контузия, травмы, возможен разрыв барабанной перепонки
Шок, травмы, разрыв барабанной перепонки
Возможен разрыв лёгких, возможна смерть
Макс. давление воздушной ударной волны при взрыве тринитротолуола
Максимальное давление воздушной ударной волны при ядерном взрыве
Давление в ядерном заряде в момент ядерного взрыва

Шумы в наших домах (жилых помещениях) могут возникать по разным причинам. В зависимости от источника шума их подразделают на ударный, воздушный, структурный и акустический.

Виды шумов (звуков):

Ударный шум возникает, когда конструкция помещения принимает удар и рождаемые при этом колебания передаются на стены или перекрытия. Ударный шум возникает при ударах о пол тяжелых предметов, перемещение мебели, звук шагов, удары по стене. По конструкциям звуковые колебания могут распространяться достаточно далеко, т.к. они передаются на все смежные стены, потолки и полы.

Воздушный шум распространяется по воздуху, но стены и перекрытия поглощают воздушные звуковые колебания не достаточно хорошо. Способность поглощать звуки стенами и перекрытиями зависит от того материала из которого они состоят. Чем массивней перегородки, тем большим звукоизоляционным эффектом они обладают. В помещениях воздушным шумом чаще всего являются громкие голоса, громкая музыка, лай собак.

Структурный шум возникает при передаче вибраций трубами, шахтами вентиляции, и другими элементами коммуникаций. Некоторые элементы коммуникаций могут передавать звуки на большие расстояния. Известно, что стук по батареям могут слышать очень многие соседи.

Акустический шум чаще всего возникает в необустроенных помещениях и проявляется в виде эха.

В результате взаимодействия ветра с различными сооружениями, если скорости потока очень велики, а поперечные размеры тел в потоке малы, образуются ультразвуковые колебания, а если скорости потока малы и поперечные размеры велики – инфразвуки. Например, при обтекании стволов деревьев, телеграфных столбов, металлических ферм, снастей кораблей, последние будут испускать инфразвуки.

В действующих СанПиН 2.1.2.2801-10 «Изменения и дополнения №1 к СанПиН 2.1.2.2645-10 «Санитарно-эпидемиологические требования к условиям проживания в жилых зданиях и помещениях» приведены следующие нормативы для жилых помещений:

Допустимые уровни шума в жилых помещениях

*Наименование помещений, территорий*	*Время суток*	Уровни звукового давления, дБ, в октавных частотах со средне-геометрическими частотами, Гц
*Наименование помещений, территорий*	*Время суток*
Жилые комнаты квартир	*7 - 23 ч.*
Жилые комнаты квартир	*23 - 7 ч.*
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам	*7 - 23 ч.*
Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам	*23 - 7 ч.*

Допустимые уровни инфразвука в жилых помещениях

Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом. Диапазон звуковых частот лежит в пределах приблизительно от 20 Гц до 20 кГц. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком , а с частотой более 20 кГц - ультразвуком . Волны звукового диапазона могут распространяться не только в газе, но и в жидкости (продольные волны) и в твердом теле (продольные и поперечные волны). Однако волны в газообразной среде - среде нашего обитания - представляют особый интерес. Изучением звуковых явлений занимается раздел физики, который называют акустикой .

При распространении звука в газе атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны. Это приводит к изменениям локальной плотности ρ и давления p . Звуковые волны в газе часто называют волнами плотности или волнами давления.

В простых гармонических звуковых волнах, распространяющихся вдоль оси OX , изменение давления p (x , t ) зависит от координаты x и времени t по закону

Два знака в аргументе косинуса соответствуют двум направлениям распространения волны. Соотношения между круговой частотой ω, волновым числом k , длиной волны λ, скоростью звука υ такие же, как и для поперечных волн в струне или резиновом жгуте (2.6):

Важной характеристикой звуковых волн является скорость их распространения . Она определяется инертными и упругими свойствами среды. Скорость распространения продольных волн в любой безграничной однородной среде определяется по формуле

где B - модуль всестороннего сжатия, ρ - средняя плотность среды. Еще Ньютон пытался вычислить значение скорости звука в воздухе. Он предположил, что упругость воздуха просто равна атмосферному давлению p атм, тогда скорость звука в воздухе получается меньшей 300 м/с, в то время, как истинная скорость звука при нормальных условиях (т. е. при температуре 0 °С и давлении 1 атм) равна 331,5 м/с, а скорость звука при температуре 20 °С и давлении 1 атм равна 343 м/с. Только через сто с лишним лет французский ученый Пьер Лаплас показал, что предположение Ньютона равносильно предположению о быстром выравнивании температуры между областями разрежения и сжатия. Это предположение из-за плохой теплопроводности воздуха и малого периода колебаний в звуковой волне не выполняется. На самом деле между областями разрежения и сжатия газа возникает разность температур, которая существенно влияет на упругие свойства. Лаплас предположил, что сжатие и разрежение газа в звуковой волне происходят по адиабатическому закону , т. е. без влияния теплопроводности. Формула Лапласа (1816 г.) имеет вид

где p - среднее давление в газе, ρ - средняя плотность, γ - некоторая константа, зависящая от свойств газа. Для двухатомных газов γ = 1,4. Расчет скорости звука по формуле Лапласа дает значение υ = 332 м/с (при нормальных условиях).

В термодинамике доказывается, что коэффициент γ равен отношению теплоемкостей при постоянном давлении C p и при постоянном объеме C V . Формулу Лапласа можно представить в другом виде, если воспользоваться уравнением состояния идеального газа . Приведем здесь окончательное выражение:

где T - абсолютная температура , M - молярная масса , R = 8,314 Дж/моль·К - универсальная газовая постоянная . Скорость звука сильно зависит от свойств газа. Чем легче газ, тем больше скорость звука в этом газе. Так, например, в воздухе (M = 29·10 -3 кг/моль) при нормальных условиях υ = 331,5 м/с, в гелии (M = 4·10 -3 кг/моль) υ = 970 м/с, в водороде (M = 2·10 -3 кг/моль) υ = 1270 м/с.

В жидкостях и твердых телах скорость звуковых волн еще больше. В воде, например, υ = 1480 м/с (при 20 °С), в стали υ = 5-6 км/с.

При восприятии различных звуков человеческое ухо оценивает их прежде всего по уровню громкости , зависящей от потока энергии или интенсивности звуковой волны. Воздействие звуковой волны на барабанную перепонку зависит от звукового давления , т. е. амплитуды p 0 колебаний давления в волне. Человеческое ухо является совершенным созданием Природы, способным воспринимать звуки в огромном диапазоне интенсивностей: от слабого писка комара до грохота вулкана. Порог слышимости соответствует значению p 0 порядка 10 -10 атм, т. е. 10 -5 Па. При таком слабом звуке молекулы воздуха колеблются в звуковой волне с амплитудой всего лишь 10 -7 см! Болевой порог соответствует значению p 0 порядка 10 -4 атм или 10 Па. Таким образом, человеческое ухо способно воспринимать волны, в которых звуковое давление изменяется в миллион раз. Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то диапазон интенсивностей оказывается порядка 10 12 ! Человеческое ухо, способное воспринимать звуки в таком огромном дипазоне интенсивности, можно сравнить с прибором, который можно использовать для измерения и диаметра атома и размеров футбольного поля.

Для сравнения укажем, что при обычных разговорах людей в комнате интенсивность звука приблизительно в 10 6 раз превышает порог слышимости, а интенсивность звука на рок-концерте приближается к болевому порогу.

Еще одной характеристикой звуковых волн, определяющей их слуховое восприятие, является высота звука . Колебания в гармонической звуковой волне воспринимаются человеческим ухом как музыкальный тон . Колебания высокой частоты воспринимаются как звуки высокого тона , колебания низкой частоты - как звуки низкого тона . Звуки, издаваемые музыкальными инструментами, а также звуки человеческого голоса могут сильно различаться по высоте тона и по диапазону частот. Так, например, диапазон наиболее низкого мужского голоса - баса - простирается приблизительно от 80 до 400 Гц, а диапазон высокого женского голоса - сопрано - от 250 до 1050 Гц.

Диапазон звуковых колебаний, соответствующий изменению частоты колебаний в два раза, называется октавой . Голос скрипки, например, перекрывает приблизительно три с половиной октавы (196-2340 Гц), а звуки пианино - семь с лишним октав (27,5-4186 Гц).

Когда говорят о частоте звука, издаваемого струнами любого струнного музыкального инструмента, то имеется в виду частота f 1 основного тона. Но в колебаниях струн могут присутствовать и гармоники, частоты f n которых удовлетворяют соотношению:

f n = nf 1 , (n = 1, 2, 3...).

Поэтому звучащая струна может излучать целый спектр волн с кратными частотами. Амплитуды A n этих волн зависят от способа возбуждения струны (смычок, молоточек); они определяют музыкальную окраску звука или тембр . Аналогично обстоит дело с духовыми музыкальными инструментами. Трубы духовых инструментов являются акустическими резонаторами , то есть акустическими колебательными системами, способными возбуждаться (резонировать) от звуковых волн определенных частот. При определенных условиях в воздухе внутри труб возникают стоячие звуковые волны. На рис. 2.7.1 показаны несколько типов стоячих волн (мод) в органной трубе, закрытой с одного конца и открытой с другого. Звуки, издаваемые трубами духовых инструментов, состоят из целого спектра волн с кратными частотами.

При настройке музыкальных инструментов часто используется устройство, называемое камертоном . Оно состоит из деревянного акустического резонатора и скрепленной с ним металлической вилки, настроенных в резонанс. При ударе молоточком по вилке вся система возбуждается и издает чистый музыкальный тон.

Акустическим резонатором является и гортань певца. На рис. 2.7.2 представлены спектры звуковых волн, испускаемых камертоном, струной пианино и низким женским голосом (альт), звучащими на одной и той же ноте.

Звуковые волны, частотные спектры которых изображены на рис. 2.7.2, обладают одной и той же высотой, но различными тембрами .

Рассмотрим теперь явление, возникающее при наложении двух гармонических звуковых волн с близкими, но все же несколько отличающимися частотами. Это явление носит название биений . Оно возникает, например, при одновременном звучании двух камертонов или двух гитарных струн, настроенных на почти одинаковые частоты. Биения воспринимаются ухом как гармонический тон, громкость которого периодически изменяется во времени. Пусть звуковые давления p 1 и p 2 , действующие на ухо, изменяются по законам

p 1 = A 0 cos ω 1 t и p 2 = A 0 cos ω 2 t .

В соответствии с принципом суперпозиции полное давление, вызываемое обеими волнами в каждый момент времени, равно сумме звуковых давлений, вызываемых в тот же момент времени каждой волной в отдельности.

Суммарное действие обеих волн с помощью тригонометрических преобразований можно представить в виде

На рис. 2.7.3(1) изображены зависимости давлений p 1 и p 2 от времени t . В момент времени t = 0 оба колебания находятся в фазе, и их амплитуды складываются. Так как частоты колебаний несколько отличаются друг от друга, через некоторое время t 1 колебания окажутся в противофазе. В этот момент суммарная амплитуда обратится в нуль (колебания «гасят» друг друга). К моменту времени t 2 = 2t 1 колебания снова окажутся в фазе и т. д. (рис. 2.7.3 (2)).

Минимальный интервал между двумя моментами времени с максимальной (или минимальной) амплитудой колебаний называется периодом биений T б. Медленно изменяющаяся амплитуда A результирующего колебания равна

Период T б изменения амплитуды равен 2π / Δω. Это можно показать и другим способом, предположив, что периоды колебаний давлений в звуковых волнах T 1 и T 2 таковы, что T 1 < T 2 (т. е. ω 1 > ω 2). За период биений T б происходит некоторое число n полных циклов колебаний первой волны и (n - 1) циклов колебаний второй волны.

Предлагаемая брошюра дает ответ на большинство основных вопросов, относящихся к измерениям звука и шума и соответствующей аппаратуре.
В брошюре кратко рассматривается и излагается следующий материал:

Предлагаемая брошюра дает ответ на большинство основных вопросов, относящихся к измерениям звука и шума и соответствующей аппаратуре. В брошюре кратко рассматривается и излагается следующий материал:

Причины и цели измерений звука Физическое определение и основные свойства звука,
Акустические единицы и шкала дБ,
Субъективные величины звука
Звукоизмерительная аппаратура
Схемы частотной коррекции и динамическая характеристика шумомера
Частотный анализ
Распространение звуковых волн
Акустические параметры специальных камер и нормальных помещений
Влияние отражающих звук объектов
Шум фона
Влияния условий окружающей среды
Акустические рекомендации и стандарты
Протокол измерения
Графическое представление звуковых и шумовых полей
Кривые индексов шумности
Доза шума

Звук и человек

Звук является так обычной частью повседневной жизни современного человека, что он почти не осознает все его виды и функции. Звук приносит человеку удовольствие, например, при слушании музыки или пения птиц. Звук способствует речевой коммуникации между членами семьи и друзьями. Звук предупреждает человека и сигнализирует о тревоге, например, звонок телефона, стук в дверь или вой сирены. Звук дает человеку возможность оценки качества и составления диагноза, например, дребезжание клапанов двигателя автомобиля, скрип колеса или сердечный шум. Однако звук в современном обществе часто является неприятным и раздражающим.

Неприятные и раздражающие звуки называются шумами. Все таки степень неприятности и раздражимости зависит не только от параметров самого шума, а также от психологического отношения человека к воздействующему на него шуму. Шум реактивного самолета, например, может его конструктору казаться любезной музыкой, в то время как для живущих вблизи аэропорта людей и их слуха он может быть настоящим мучителем. Даже звуки и шумы небольшой интенсивности могут быть неприятными и раздражающими. Скрипучий пол, поцарапанная пластинка или каплющий водопроводный кран может обусловливать такое же раздражение, как и сильный грохот грома. Хуже всего, звук может также быть вредным и разрушительным. Звуковой удар, например, может разрушать стекло в окнах и штукатурку стен. Однако, самым опасным и пагубным является то, что звук может вредить самому деликатному и чувствительному устройству для его восприятия - человеческому слуху.

Причины и цели измерений звука

Измерения звука эффективны и выгодны по многим причинам: на основе их результатов улучшены акустические параметры строительных конструкций и громкоговорителей и, следовательно, дана возможность усовершенствования качества восприятия музыки не только в концертных залах, а также в нормальных жилых помещениях.

Акустические измерения дают возможность точно и с научных позиций анализировать и оценивать раздражающие и вредные звуки и шумы. Следует подчеркнуть, что на основе результатов измерений можно объективно оценивать и сопоставлять разные звуки и шумы даже в разных условиях, но из-за физиологических и психологических особенностей человеческого организма нельзя точно и однозначно определять степень субъективной неприятности или раздражимости разных звуков по отношению к отдельным лицам.
Акустические измерения также дают ясную и однозначную индикацию степени опасности и вредности звуков и шумов и, следовательно, способствуют заблаговременному принятию соответствующих контрмер. На основе аудиометрических исследований и измерений можно оценивать чувствительность и остроту слуха людей. Следовательно, измерения звука являются существенным инструментом при охране слуха и, следовательно, охране здоровья.
Наконец, измерения и анализ звука являются эффективным диагностическим методом, используемым при решении задач борьбы с шумами в аэропортах, промышленности, зданиях, жилых помещениях, радиостудиях и т.д. Вообще, акустические измерения являются эффективным средством повышения качества жизни людей.

Физическое определение и основные свойства звука

Звуком называются воспринимаемые человеческим слухом изменения давления (в воздухе, воде или другой среде). Самым распространенным и известным прибором для измерения изменений давления воздуха является барометр.
Однако обусловливаемые изменениями погоды изменения давления происходят так медленно, что они не воспринимаются человеческим слухом и, следовательно, не удовлетворяют приведенному выше определению звука.
Происходящие более быстро, т.е. по меньшей мере, 20 раз в с, изменения давления воздуха уже регистрируются человеческим слухом, и, следовательно, называются звуком. Отметим, что барометр не реагирует достаточно быстро и не регистрирует быстрые изменения давления, так что его нельзя применять для измерения звука.

Число изменений давления в секунду называется частотой звука и выражается в единицах Гц (герц). Диапазон слышимых частот простирается от 20 Гц до 20000Гц (20 кГц)

Отметим, что перекрываемый роялем диапазон частот имеет пределы 27,5 Гц и 4186Гц.
Люди имеют хорошее представление о скорости распространения звука в воздухе, основанное на экспериментальном методе определения расстояния между наблюдателем и молнией: с момента наблюдения молнии до восприятия грохота интервалам длительностью 3 сек. соответствуют интервалы расстояния длиной 1 км. В пересчете эти значения соответствуют скорости распространения звука 1224 км/ч. Однако, в области акустики и акустических измерений отдается предпочтение выражению скорости распространения звука в м/с, т.е. 340 м/с.
На основе скорости распространения и частоты звука можно определять его длину волны, т.е. физическое расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами его амплитуды. Длина волны равна деленной на частоту скорости распространения звука. Следовательно, длина волны звука с частотой 20 Гц составляет 17м, в то время как волна звука с частотой 20 кГц имеет длину всего 17 мм.

Шкала дБ

Самый слабый звук, обнаруживаемый нормальным слухом здорового человека имеет амплитуду, равную 20 миллионным долям основной единицы давления (паскаль), т.е. 20 мкПа (20 микропаскаль). Это равносильно деленному на 5000000000 нормальному атмосферному давлению (1 атм. равна 1 кг/см 2 , т.е. 10т/м 2 }. Изменение давления на 20мкПа так мало, что ему соответствует перемещение ушной перепонки на расстояние, меньшее диаметра одного атома.
Удивительно, что человеческий слух способен воспринимать звуки, обусловливающие изменения давления более чем в миллион раз больше вышеописанного минимального значения. Следовательно, применение основных единиц давления, т.е. Па, в акустической практике сопровождалось бы необходимостью применения больших и ненаглядных чисел. Во избежание этого недостатка в акустике распространено применение логарифмической шкалы и соответствующей ей единицы дБ (децибел).
Опорной точкой шкалы дБ служит слуховой порог, т.е. давление 20 мкПа. Так как эта точка является исходной точкой шкалы, ей соответствует уровень 0 дБ.
Линейному увеличению звукового давления в 10 раз соответствует в логарифмическом масштабе увеличение уровня на 20 дБ. Следовательно, звуковому давлению 200 мкПа соответствует уровень 20 дБ отн. 20 мкПа, давлению 2000 мкПа уровень 40 дБ и т.д. Таким образом, применение логарифмической шкалы дает возможность сжатия диапазона 1:1 000000 до диапазона шириной 120 дБ.
На рисунке показаны значения звукового давления и уровня звукового давления (УЗД) в соответствующих единицах, т.е. соответственно Па и дБ, хорошо известных и часто встречающихся звуков. К преимуществам и достоинствам логарифмической шкалы дБ относится также то, что она более точно, чем линейная шкала Па соответствует субъективному восприятию относительной громкости звука. Это обуславливается тем, что слух реагирует на процентные изменения интенсивности (давления) звука и, следовательно, на изменения его уровня. 1 дБ является наименьшим обнаруживаемым слухом изменением уровня звука, отображающим идентичное относительное изменение в любой точке логарифмической шкалы уровней.

Субъективные величины звука

Факторы, определяющие субъективную громкость звука так сложны, что в соответствующей области акустики все еще проводятся важные исследовательские, теоретические и экспериментальные работы.

Одним из таких факторов является частотная зависимость чувствительности человеческого слуха (максимальная чувствительность в области 2 — 5 кГц и минимумы на высоких и низких частотах). Усложняющим является также то, что описанная выше частотная зависимость чувствительности слуха более выразительна в области низких уровней звукового давления, а уменьшается с ростом УЗД.

Вышесказанное иллюстрируют приведенные на рисунке кривые равной громкости, по которым можно определять уровни звукового давления на разных частотах, результирующие в идентичной чистому тону с частотой 1000Гц субъективной громкости.

Например, уровень тона с частотой 50 Гц должен быть на 15 дБ больше уровня тона с частотой 1000Гц и УЗД 70 дБ для того, чтобы оба они обладали идентичной субъективной громкостью.
Относительно простой задачей электроники и измерительной техники для измерения звука является построение специальной электронной схемы, чувствительность которой изменяется с частотой согласно частотным изменениям чувствительности человеческого слуха. В настоящее время широко применяются определяемые международными рекомендациями и стандартами схемы частотной коррекции, обозначенные «А», «В» и «С». Характеристика корректирующей схемы «А» соответствует кривым равной громкости в области низких уровней звукового давления, схема «В» является приближением в области средних уровней звукового давления, а параметры схемы «С» соответствуют кривым равной громкости в области высоких уровней звукового давления. Однако в большинстве практических областей отдается предпочтение схеме частотной коррекции «А" ввиду относительно плохой корреляции между результатами субъективных экспериментов и объективных измерений приборами со схемами частотной коррекции «В» и «С». Следует отметить, что в настоящее время имеется дополнительная схема частотной коррекции «D», определяемая международными рекомендациями и стандартами и предназначенная для измерений шума самолетов.

Одной из причин не совсем хороших результатов применения схем частотной коррекции «В» и «С» является сам метод определения кривых равной громкости.
Дело в том, что эти кривые относятся к чистым тонам и условиям свободного звукового поля, в то время как большинство встречающихся в акустической практике звуков отличается от чистых тонов и имеет сложный или даже случайный характер.

В тех случаях, когда нужно более подробное описание сложного акустического сигнала, область слышимых частот, т.е. диапазон 20 Гц — 20 кГц, предпочтительно подразделять на ряд смежных узких частотных полос, например, шириной одной октавы или третьоктавы. Для этой цели предусмотрены электронные фильтры, пропускающие составляющие с частотами внутри определенной частотной полосы, а почти совершенно заграждающие составляющие с частотами вне этой полосы.
Например, октавный фильтр со средней частотой 1 кГц пропускает полосу частот от 707 до 1410 Гц.

Процесс выделения частотных составляющих сигнала и обработки отдельных частотных полос называется частотным анализом. Результатом частотного анализа является частотный спектр и в графическом представлении спектрограмма.

Кратковременные звуки, т.е. звуки длительностью меньше 1 с, называются импульсными. Примером таких импульсных звуков могут служить генерируемый пишущей машинкой шум и ударный звук при применении молота. Импульсные звуки еще более затрудняют и усложняют оценку субъективной громкости, так как с уменьшением длительности звука также уменьшается чувствительность воспринимающего его слуха. Научные и исследователи в области акустики, в общем, соглашаются с правилом, устанавливающим уменьшение субъективной громкости с уменьшением длительности импульсных звуков общей длительностью до 70 мс.
В соответствии с этим правилом разработана и принята в международном масштабе специальная электронная схема, чувствительность которой уменьшается с уменьшением длительности кратковременного звука. Характеристика этой схемы называется «импульсной».

Шумомер

Шумомер является электронным измерительным прибором, реагирующим на звук аналогично человеческому слуху и обеспечивающим объективное и воспроизводимое измерение уровней звука или звукового давления.

Воспринимаемый шумомером звук преобразуется его микрофоном в пропорциональный электрический сигнал. Так как амплитуда этого сигнала весьма мала, еще до его подачи на стрелочный измерительный прибор или цифровой индикатор необходимо соответствующее усиление. Усиленный предусмотренным на входе шумомера усилительным каскадом электрический сигнал может подвергаться частотной коррекции в блоке, содержащем стандартные корректирующие схемы. А, В, С и/или D, или фильтрации внешними полосовыми (например, октавными или третьоктавными} фильтрами. Усиленный соответствующим усилительным каскадом электрический сигнал затем подается на блок детектора и от его выхода на стрелочный измерительный прибор или после преобразования на цифровой индикатор. Блок детектора стандартного шумомера содержит среднеквадратичный детектор, но может быть также снабжен пиковым детектором. Стрелочный измерительный прибор или цифровой индикатор показывает уровни звука или уровни звукового давления в дБ.

Среднеквадратичное значение (СКЗ) является математически точно определенным специальным средним значением, относящимся к энергии исследуемого процесса. Это особенно важно в акустике, так как среднеквадратичное значение пропорционально количеству энергии измеряемого шумомером звука или шума. Пиковый детектор дает возможность измерения пикового значения кратковременных и импульсных звуков, в то время как применение запоминающего устройства (схемы удерживания) способствует фиксированию максимального пикового или среднеквадратичного значения, измеряемого в импульсном режиме шумомера.

Предпочтительным методом калибровки шумомеров является акустический метод, основывающийся на применении прецизионного и, возможно, портативного акустического калибратора. По существу акустический калибратор является комбинацией прецизионного генератора и громкоговорителя, генерирующей звук с точно определенным уровнем.) Так как шумомер является прецизионным измерительным прибором, в его конструкции предусмотрена возможность повторной калибровки и проверки его параметров с целью обеспечения высокой точности и надежности результатов измерения.

Динамическая характеристика шумомера

При измерении звука с изменяющимся уровнем нужно, чтобы отклонение стрелки измерительного прибора шумомера точно соответствовало этим изменениям.
Однако слишком быстрые изменения уровня измеряемого звука могут быть причиной так быстрых флуктуации стрелки измерительного прибора, что снятие показаний становится затруднительным или даже невозможным. По этой причине международными рекомендациями и стандартами установлены две основные динамические характеристики шумомеров; "быстро» - характеристика, соответствующая быстрому реагированию прибора. При быстрых флуктуациях стрелки измерительного прибора (см. верхний рисунок) при работе в режиме «быстро» более предпочтительно установить шумомер в режим «медленно».
При слишком больших флуктуациях стрелки измерительного прибора шумомера, работающего в режиме «медленно», необходимо определить среднее значение отклонений стрелки и отметить в соответствующем протоколе максимальное и минимальное показания измерительного прибора.
При измерении кратковременных и импульсных звуков нужен импульсный шумомер. Некоторые рекомендации и стандарты предъявляют требования к измерению пиковых значений, в то время как другие определяют необходимость применения режима с динамической характеристикой «импульс». Отметим, что возможность фиксирования показания измерительного прибора или индикатора шумомера эффективна и удобна при измерении всякого рода кратковременных звуков. При измерении звука с изменяющимся уровнем нужно, чтобы отклонение стрелки измерительного прибора шумомера точно соответствовало этим изменениям. Однако слишком быстрые изменения уровня измеряемого звука могут быть причиной так быстрых флуктуации стрелки измерительного прибора, что снятие показаний становится затруднительным или даже невозможным. По этой причине международными рекомендациями и стандартами установлены две основные динамические характеристики шумомеров; "быстро» - характеристика, соответствующая быстрому реагированию прибора. При быстрых флуктуациях стрелки измерительного прибора (см. верхний рисунок) при работе в режиме «быстро» более предпочтительно установить шумомер в режим «медленно». При слишком больших флуктуациях стрелки измерительного прибора шумомера, работающего в режиме «медленно», необходимо определить среднее значение отклонений стрелки и отметить в соответствующем протоколе максимальное и минимальное показания измерительного прибора. При измерении кратковременных и импульсных звуков нужен импульсный шумомер. Некоторые рекомендации и стандарты предъявляют требования к измерению пиковых значений, в то время как другие определяют необходимость применения режима с динамической характеристикой «импульс». Отметим, что возможность фиксирования показания измерительного прибора или индикатора шумомера эффективна и удобна при измерении всякого рода кратковременных звуков.

Распространение звуковых волн

Распространение звуковых волн в воздухе аналогично распространению волн в воде. Звуковые волны распространяются равномерно во всех направлениях, и их амплитуда уменьшается с увеличением расстояния от источника. Увеличению вдвое расстояния в воздухе соответствует уменьшение наполовину амплитуды звуковой волны, т.е. уменьшение уровня на 6дБ. Следовательно, увеличив расстояние между источником звука и наблюдателем вдвое, уровень воспринимаемого последним звукового давления уменьшится на 6 дБ. Увеличению расстояния в 4, 8 и т.д. раз соответствует уменьшение уровня соответственно на 12 дБ, 18 дБ и т.д.
Однако, вышесказанное действительно только в отсутствии объектов, отражающих или поглощающих звук. Такие идеальные условия называются условиями свободного звукового поля. Находящиеся в звуковом поле объекты в большей или меньшей мере отражают, поглощают и пропускают звуковые волны.
Количество отражаемой, поглощаемой и пропускаемой звуковой энергии определяется физическими свойствами отдельных объектов, в частности коэффициентом поглощения и размерами, и длиной волны звука. В общем, только объекты, размеры которых больше длины волны звука, серьезно нарушают звуковое поле. Например, длина волны звука с частотой 10 кГц составляет всего 34мм, так что даже небольшие объекты (например, измерительный микрофон) будут нарушать звуковое поле. Наоборот, звукоизоляция и поглощение в области высоких частот являются относительно простыми задачами. Совсем противное справедливо в области низких частот (длина волны звука с частотой 100Гц равна 3,4м), где звукоизоляция становится сложной проблемой прикладной акустики.
Подтверждением вышесказанного может быть распространяющаяся из соседнего помещения музыка - басовые тоны практически нельзя задержать.

Безэховые (поглощающие звук) камеры

Если нужно измерение в свободном звуковом поле, т.е. в отсутствии отражающих звук объектов, исследования или испытания необходимо осуществлять или на открытом воздухе с микрофоном на конце длинного и тонкого вертикального стержня, или в безэховой камере. Стены, потолок, и пол безэховой камеры покрыты поглощающим звук материалом, параметры и конструкция которого исключают отражения звуковых волн. Следовательно, в безэховой камере можно измерять распространяющийся в любом направлении от источника звук без нарушений звукового поля объектами, отражающими звуковые волны.

Реверберационные (отражающие звук) камеры

Реверберационная камера противоположна безэховой камере в отношении свойств и конструкции. Все поверхности реверберационной камеры как можно тверды и гладки с цепью обеспечения возможно большого отражения звуковых волн. Чтобы обеспечить нужное угловое распределение звука, поверхности реверберационной камеры не расположены параллельно друг другу. Образуемое в реверберационной камере звуковое поле называется диффузным и отличается равномерным распределением звуковой энергии во всех его точках. В реверберационных камерах можно измерять мощность излучаемого разными источниками звука и шума, но попытка измерять уровни звука или уровни звукового давления в определенном направлении относительно источника приводит ввиду отражений звуковых волн к ошибочным и практически бессмысленным результатам. Отметим, что из-за более низкой стоимости реверберационных камер (по сравнению с безэховыми камерами) они находят широкое применение в технической акустике, в частности при исследованиях генерируемого и излучаемого машинами и оборудованием шума.

Акустические параметры нормальных помещений

Большинство практических измерений звука не осуществляется ни в безэховых, ни реверберационных камерах, а в помещениях, акустические параметры которых находятся где-то в середине между параметрами упомянутых выше специальных камер.
При измерении генерируемого и излучаемого определенным источником звука или шума не исключены разные ошибки. Небольшие изменения положения находящегося на малом расстоянии от источника звука микрофона
звукоизмерительной аппаратуры могут сопровождаться большими изменениями уровней звука или звукового давления. Такая ситуация не исключена на расстояниях, меньших большего из следующих двух значений: длина волны составляющей с самой низкой частотой генерируемого и излучаемого источником звука и увеличенный в два раза максимальный размер источника звука.
Определяемое таким образом звуковое поле называется ближним полем. Отметим, что по упомянутым выше причинам не рекомендуется измерение уровней звука или звукового давления в ближнем звуковом поле.
Даже при измерениях на больших расстояниях от источника звука не исключены определенные ошибки, в частности ошибки из-за отражений от стен помещения и других отражающих звук объектов. Поле, в котором интенсивность отраженного звука может почти равняться интенсивности распространяющегося непосредственно от источника звука, называется реверберационным. Где-то между реверберационным полем и ближним полем находится свободное звуковое поле, границы которого можно найти согласно его определению: удвоению расстояния в свободном поле должно соответствовать уменьшение уровня на 6 дБ. Акустические измерения рекомендуется осуществлять в свободном звуковом поле или как можно близких ему условиях.
В протоколе измерений нужно отметить не только результирующий уровень звука или звукового давления, а также расстояние между микрофоном и источником звука, направление микрофона и его высоту.

Измерительный микрофон в звуковом поле

Измерительный микрофон должен удовлетворять ряду строгих требований.
Прежде всего, он должен быть высококачественным и надежным. Далее, он должен обладать ровной и равномерной частотной характеристикой, т.е. его чувствительность должна быть идентична или почти идентична на всех частотах. Он должен также быть всенаправленным, т.е. иметь идентичную или почти идентичную чувствительность во всех направлениях.
Фирма Брюль и Къер изготовляет и выпускает прецизионные измерительные микрофоны с оптимальными характеристиками в свободном звуковом поле, при измерении давления и в диффузном звуковом поле. Микрофоны, предназначенные для применения в свободном звуковом поле, имеют ровную частотную характеристику по отношению к звуку, образующему звуковое поле еще до установки в нем микрофона. Следует подчеркнуть, что каждый микрофон нарушает звуковое поле, но что предназначенные для свободного звукового поля микрофоны сконструированы с учетом автоматической компенсации их присутствия в звуковом поле. Микрофоны-приемники давления сконструированы с учетом достижения ровной частотной характеристики относительно действительного звукового давления, разумеется, с автокомпенсацией нарушения звукового поля из-за присутствия микрофона. Конструкция микрофонов, предназначенных для эксплуатации в диффузном звуковом поле, гарантирует их всенаправленность, т.е. идентичную или почти идентичную чувствительность к звуковым волнам, поступающим одновременно под разными углами, как это имеет место в реверберационных и диффузных звуковых полях. При акустических измерениях в свободном звуковом поле нужно предназначенный для условий свободного звукового поля микрофон направлять непосредственно к источнику звука, в то время как микрофон-приемник давления должен находиться под углом 90° относительно направления к источнику звука, т.е. он должен располагаться так, чтобы его мембрана была параллельной направлению распространения звуковых волн.

Измерительный микрофон в звуковом поле

Используемый в диффузном звуковом поле или поле случайно падающих звуковых волн микрофон должен быть всенаправленным. Общим правилом можно принять, что чем меньше размеры микрофона, тем лучше его характеристика направленности, т.е. тем ближе он идеальному всенаправленному микрофону.
Однако, чувствительность малых микрофонов относительно мала, что может исключать возможность их применения в относительно тихих условиях. Решением этой проблемы является применение чувствительного микрофона с оптимальной характеристикой в свободном звуковом поле, т.е. однодюймового микрофона, снабженного специальным приспособлением, называемым диффузором и придающим ему почти всенаправленную характеристику. Однако, если высокая чувствительность однодюймового микрофона не нужна, предпочтение отдается применению предназначенных для эксплуатации в диффузном звуковом поле микрофонов меньших размеров, т.е. микрофонов диаметром 1/2 дюйма или менее.
Следует подчеркнуть, что присутствие корпуса измерительного прибора и оператора в диффузном звуковом поле может препятствовать распространению звуковых волн в определенных направлениях и, следовательно, существенно ухудшать иначе хорошую всенаправленную характеристику микрофона. Именно поэтому рекомендуется закреплять микрофон на удлинительном стержне или при применении удлинительного микрофонного кабеля на прочной опоре, находящейся на расстоянии от корпуса измерительного прибора и оператора и ненарушающей звуковое поле.

Шум окружающей среды

До сих пор в данной брошюре рассматривался звук и шум, генерируемый и излучаемый одним источником, например, машиной, в частности с цепью описания акустических параметров данного источника и определения параметров звука и их зависимости от расстояния. Совсем другим видом акустических исследований являются измерение, анализ и оценка звука или шума в определенном месте, причем звуковое поле могут создавать разные источники и их комбинации.

Шум на рабочем месте является примером шума внешней среды. Измерение и анализ такого шума осуществляются в нормальном рабочем месте, не принимая в расчет, находится ли это место в ближнем или дальнем звуковом поле соответствующего оборудования, создается ли звуковое поле только данным оборудованием или определенной комбинацией и т.д.

Действительные условия, отдельные источники шума и т.д. учитываются на этапе борьбы с шумом, но при измерении и оценке дозы воздействующего на человека шума они не являются существенными.
Так как общий шум внешней среды в большинстве случаев образуется звуковыми волнами от разных источников и т.д., микрофон используемого при измерениях шумомера должен быть всенаправленным. Следовательно, комплект шумомера с микрофоном должен обладать идентичной чувствительностью во всех направлениях и его показания не должны зависеть от расположения образующих звуковое поле источников.
Другими примерами шума внешней среды могут служить шум в жилых помещениях, в окрестности промышленных комплектов, в конторах, театрах и т.д.

Влияние присутствия измерительного прибора и оператора

При всякого рода измерениях звука и шума нужно позаботиться о том, чтобы присутствие звукоизмерительной аппаратуры и оператора не нарушало измеряемое звуковое поле. Следует учитывать то, что корпус измерительного прибора и тело оператора могут не только препятствовать распространению звуковых волн в определенных направлениях, а также обусловливать нарушающие звуковое поле отражения звуковых волн. С первого взгляда тело человека не кажется объектом, хорошо отражающим звуковые волны. Однако экспериментальные исследования показали, что на частотах около 400 Гц отражения от тела человека могут быть причиной ошибок порядка 6 дБ при измерениях на расстоянии менее 1 м от тела оператора.

С целью доведения до минимума отражений от корпуса звукоизмерительных приборов шумомеры фирмы Брюпь и Кьер снабжены специальным конусообразным фасадом. Вместе с большинством этих шумомеров можно применять гибкий удлинительный стержень, способствующий удалению микрофона от шумомера и, следовательно, уменьшению общей погрешности измерений. Кроме того, предусмотрена возможность применения микрофонных удлинительных кабелей в тех случаях, когда нужно совершенное исключение нарушения звукового поля из-за присутствия корпуса звукоизмерительного прибора.
Отражения звуковых волн от тела оператора и их влияние на результаты измерений можно в большинстве случаев довести до минимума путем правильной установки шумомера. Шумомер следует держать на расстоянии натянутой руки или, предпочтительнее, закрепить его на треножнике или другой прочной опоре, не нарушающей звуковое поле. Во всяком случае, рекомендуется применение гибкого удлинительного стержня. Еще более совершенным с точки зрения уменьшения ошибок из-за присутствия оператора является крепление микрофона на расстоянии от шумомера и их взаимное соединение соответствующим микрофонным удлинительным кабелем.

Шум фона (вычитание уровней)

Другим важным фактором, влияющим на общую погрешность результатов акустических измерений, является шум фона, в частности отношение его уровня к уровням измеряемого звука или шума. Понятно, что уровень шума фона не должен превышать уровни подлежащего измерению процесса.
На практике можно пользоваться правилом, определяющим необходимость превышения уровня шума фона уровнями измеряемого звука или шума на ЗдБ или больше. Однако даже при удовлетворении требованию этого правила нужно внесение соответствующей поправки с тем, чтобы добиться правильных результатов с минимальной погрешностью. Методика измерения и вычисления уровня генерируемого определенным источником (например, машиной) звука или шума в присутствии шума фона с относительно высоким уровнем следующая:

Измерить общий уровень звука или шума (Ls+м) с включенным источником.
Измерить уровень шума фона (Ln) после выключения источника.
Вычислить разность результатов описанных выше измерений. В случае если эта разность меньше ЗдБ, шум фона необходимо считать чрезмерно интенсивным и препятствующим обеспечению точных результатов. При разности в пределах от 3 до 10 дБ нужно внесение соответствующей поправки. Внесением поправки можно пренебречь в случае, если упомянутая выше разность превышает 10 дБ
Поправка на шум фона определяется по приведенной на рисунке справа номограмме. На горизонтальной оси номограммы нужно найти точку, соответствующую вычисленной в п. 3 разности уровней. Из этой точки следует вести вертикальную линию вверх так, чтобы определить точку ее пересечения жирной кривой. Горизонтальная линия из этой точки ведется к вертикальной оси номограммы. Точка пересечения определяет значение Δ Ln в дБ.
Вычесть определенное по вертикальной оси номограммы (см., п. 4 выше) значение Δ Ln из измеренного в п. 1 общего уровня звука или шума.
Результатом этой операции является искомый уровень генерируемого и излучаемого исследуемым источником звука или шума.

Пример:

Общий уровень шума = 60 дБ
Уровень шума фона - 53 дБ
Разность уровней - 7 дБ
Определенная на основе номограммы поправка - 1 дБ
Искомый уровень шума источника =60—1 = 59 дБ

Сложение уровней

В случае если индивидуально измерены уровни излучаемого двумя источниками звука или шума и нужно определение общего уровня звука или шума при одновременной работе обоих этих источников, необходимо сложение соответствующих уровней. Однако применение логарифмической шкалы и дБ исключает возможность непосредственного сложения уровней звука или шума.

Сложение осуществляется путем внесения соответствующей поправки, определяемой или путем вычисления, или на основе номограммы, например, приведенной на рисунке справа номограммы.
Рабочая методика следующая:
Измерить индивидуально уровни звука или шума обоих источников, например, машин 1 и 2.
Вычислить разность результатов описанных выше измерений.
Найти на горизонтальной оси номограммы точку, соответствующую вычисленной в п. 3 разности уровней. Вести из этой точки вертикальную линию так, чтобы определить точку ее пересечения жирной кривой. Горизонтальная линия из этой точки к вертикальной оси номограммы определяет новую точку пересечения и соответствующее ей значение Δ L в дБ.
Прибавить определенное по вертикальной оси номограммы (см. п. 3 выше) значение к большему уровню, определенному э п. 1. Результатом этой операции является искомый общий уровень, т.е. сумма уровней, генерируемого двумя источниками звука или шума.

Пример:

Источник 1 - 85 дБ Источник 2 = 82 дБ
Разность уровней = 3 дБ
Определенная на основе номограммы поправка -1,7 дБ
Искомый общий уровень - 85+ 1,7 = 86,7 дБ

Ветер
Присутствие ветра воспринимается микрофоном звукоизмерительной аппаратуры как шум, подобный слышимому человеческим слухом при дутии ветра шуму. Для уменьшения создаваемого ветром шума предназначены специальные ветрозащитные колпаки, имеющие вид шара из пористого и пенистого полиуретана и защищающие микрофон также от пыли, грязи и других нечистот. Следует подчеркнуть необходимость применения ветрозащитного колпака при эксплуатации микрофона на открытом воздухе.
Влажность
Влажность внешней среды влияет мало на качественные звукоизмерительные приборы и микрофоны, так что влиянием относительной влажности до 90% можно практически пренебречь. Однако измерительную аппаратуру необходимо защищать от дождя, снега и т.д. При эксплуатации на открытом воздухе необходимо применение ветрозащитного колпака. Отметим, что погрешность измерений остается практически неизменной даже при сильном увлажнении надетого на микрофоне ветрозащитного колпака. Для стационарного применения в условиях высокой относительной влажности предназначены специальные микрофоны, противодождевые колпаки и осушители.
Температура
Изготовляемая и выпускаемая фирмой Брюль и Къер Звукоизмерительная аппаратура рассчитана на высокоточную и надежную работу в температурном диапазоне от —10 до + 50°С., Однако, особое внимание нужно уделять быстрым измерениям температуры, так как они могут обусловливать конденсацию влаги внутри микрофонов.

Влияние условий окружающей среды

Статическое давление
Изменения статического (атмосферного) давления в пределах ±10% почти не влияют на чувствительность микрофонов (изменения ±0,2 дБ). Однако, на слишком больших высотах над уровнем моря изменения чувствительности микрофонов, в частности в области высоких частот, становятся заметными, так что их нужно учитывать согласно указаниям соответствующей инструкции по эксплуатации. Местное атмосферное давление нужно также принимать во внимание уже при акустической калибровке аппаратуры пистонфоном.
Механические колебания
Хотя микрофоны и шумомеры относительно мало чувствительны к механическим колебаниям, все же рекомендуется их надежная изоляция относительно механических колебаний и ударов с большими амплитудами. При необходимости эксплуатации звукоизмеритепьной аппаратуры в присутствии механических колебаний и ударов рекомендуется применение упругих подушек или прокладок из пенистой резины или другого подходящего материала.
Электромагнитные поля
Влиянием электростатических и электромагнитных полей на шумомеры можно пренебречь.

Протокол измерения звука или шума

Важной частью акустического измерения является составление прецизионного протокола измерения. Протокол измерения звука или шума должен содержать следующее:

Эскиз места измерения с указанием соответствующих размеров, расположения микрофона и подлежащего измерению объекта.
Типовые и серийные номера используемых измерительных приборов.
Описание метода калибровки измерительной аппаратуры.
Описание используемых при измерении схемы частотной коррекции и динамической характеристики.
Краткое описание измеряемого акустического сигнала (импульсный звук, непрерывный шум, чистый тон и Т.Д.).
Уровень шума фона.
Метеорологические данные и данные времени измерения.
Основные данные подлежащего измерению объекта (тип оборудования, рабочие параметры, нагрузка, скорость и т.д.).
Тщательно составленный протокол измерения гарантирует возможность точного и надежного сравнения и сопоставления результатов акустических измерений, осуществляемых в разное время и на разных местах.

Графическое представление звуковых или шумовых полей

Один из первых шагов выполнения более сложной программы борьбы с шумом обычно является графическое представление соответствующего шумового поля, т.е. составление достаточно точного эскиза с указанием расположения и главных размеров отдельных источников шума (машин и т.д.) и других объектов, находящихся в исследуемом поле. В этот эскиз затем вносятся уровни шума, измеренные в разных точках шумового поля. Понятно, что с ростом числа результатов измерений получается все более точное представление исследуемого поля.

Соединением точек с идентичными уровнями шума строятся кривые, подобные изогипсам в картографии и дающие графическое представление о распределении энергии шума. Графическое представление шумового поля способствует обнаружению наиболее шумных мест и служит исходной платформой планирования и подготовки акустических мероприятий с целью защиты людей от шума. Новые измерения, осуществляемые после реализации упомянутых выше мероприятий, дают наглядное представление их результатов и иллюстрацию достижений в отношении снижения шума и оптимизации шумового поля. В упомянутом выше эскизе можно красным обозначать зоны, в которых обязательно применение средств индивидуальной защиты, например, ушных тампонов, противошумовых наушников и т.д.

Кривые индексов шумности

При выполнении большинства планов борьбы с шумами, в частности в областях, в которых измеряемые уровни в дБ (А) превышают допустимые пределы, нужна оценка шумности и вредных эффектов шума.

В таких случаях необходим частотный анализ шума, например, октавный или третьоктавный анализ. Разные рекомендации и стандарты устанавливают более или менее сложные методы оценки шума и его эффектов. Самый простой метод основывается на применении кривых индексов шумности, показанных на рисунке. В поле кривых индексов шумности вносятся результаты частотного анализа, т.е. соответствующие отдельным частотным полосам уровни. Путем сопоставления определяется кривая, соприкасающаяся с максимумом спектра шума и, следовательно, шуму придается соответствующий этой кривой индекс шумности NR (в примере на рисунке этим индексом является NR78). Из формы кривых индексов шумности видно, что область высоких частот считается более важной и с точки зрения неблагоприятных эффектов шума более серьезной, чем область низких частот.

Отметим, что относящиеся к кривым индексов шумности определения и объяснения даются в рекомендации 1996 Международной организации по стандартизации ИСО. Аналогичные кривые применяются в некоторых странах для определения максимально допустимого времени экспозиции воздействующего на человека шума и установления допустимых пределов шума машин, оборудования и т.д. Следует отметить, что при применении упомянутых выше кривых, между прочим, автоматически учитывается частотная характеристика человеческого слуха.

Доза шума

Потенциальная опасность определенного шума, в частности е отношении нарушений и повреждений слуха, определяется не только его уровнем, а также его продолжительностью. Например, вредный эффект шума с определенным уровнем, воздействующего на человека в течение 60 минут, намного больше эффекта шума с идентичным уровнем и продолжительностью лишь одной минуты. Следовательно, для оценки степени опасности необходимы измерения уровня и продолжительности шума. Такие измерения не совсем сложны в случае стационарных шумов с фиксированными уровнями, но усложняются там, где шум является нестационарным и где его уровни изменяются во времени.
Усложнение обусловливается необходимостью периодических измерений уровней шума по точно определенным интервалам времени. На основе отнесенных к отдельным интервалам времени дискретных значений уровня нестационарного шума возможно вычисление одночиспенного параметра, называемого эквивалентным уровнем шума (1_экв)- L экв является эквивалентным уровнем непрерывного шума в дБ(А), степень опасности для слуха которого идентична степени опасности шума с изменяющимися во времени уровнями. В случае если уровень исследуемого шума изменяется более или менее дискретно, эквивалентный уровень можно вычислять на основе результатов измерений с помощью шумомера и секундомера.
Эквивалентный уровень шумов с флуктуирующим или случайно изменяющимся уровнем нельзя вычислять на основе нескольких результатов измерений, В таких случаях нужно применение дозиметра шума, осуществляющего автоматическое измерение и вычисление эквивалентных уровней шума. Измерители уровня шума могут быть или стационарными приборами, или портативными устройствами карманного формата.
Акустические рекомендации и стандарты устанавливают два метода определения и вычисления эквивалентного уровня шума. Один из этих методов устанавливается рекомендациями 1996 и 1999 Международной организации по стандартизации ИСО, в то время как другой метод определяется принятым в США Документом безопасности труда и охраны здоровья (OSHA).

Основные методы борьбы с шумом

В случае если результаты акустических измерений сигнализируют о слишком высоких и превышающих допустимые пределы уровнях шума, необходимо принимать все соответствующие меры по их снижению. Хотя методы и средства борьбы с шумом часто сложны, ниже кратко описываются соответствующие основные мероприятия.

Уменьшение шума в его источнике, например, применением специальных технологических процессов, модификацией конструкции оборудования, дополнительной акустической обработкой деталей, узлов и поверхностей оборудования или применением нового и менее шумного оборудования.
Блокировка путей распространения звуковых волн. Этот метод,
основывающийся на применении дополнительных технических средств, заключается в снабжении оборудования звуконепроницаемым покрытием или акустическими экранами и его подвеске на амортизаторах вибраций. Шум на рабочих местах можно уменьшать покрытием стен, потолка и пола поглощающими звук и уменьшающими отражения звуковых волн материалами.
Применение средств индивидуальной защиты там, где другие методы по той или иной причине не эффективны. Однако применение этих средств нужно считать только временным решением проблемы.
Прекращение эксплуатации шумного оборудования является самым радикальным и последним методом, принимаемым в учет в специальных и серьезных случаях. На данном месте нужно подчеркнуть возможность сокращения времени эксплуатации шумного оборудования, перемещения шумного оборудования в другое место, выбора рационального режима труда и отдыха и сокращения времени нахождения в шумных условиях и т.д.

Основные правила акустических измерений

Заключением данной брошюры является обзор основных правил акустических измерений, осуществляемых портативным шумомером.

Ознакомиться с указаниями рекомендаций и стандартов, устанавливающих соответствующие методы и предъявляющих требования к используемой измерительной аппаратуре.
Проверить состояние внутреннего батарейного источника питания шумомера и подготовить запасный набор качественных элементов. Отметим, что при хранении шумомера на складе, в частности в течение длительного времени, необходимо устранение элементов, содержащихся нормально в батарейном источнике питания.

Проверить шумомер и при необходимости произвести его калибровку. Во всяком случае, рекомендуется осуществляемая по регулярным интервалам времени калибровка акустическим калибратором.
Определить соответствующую условиям и целям измерения схему частотной коррекции. Отметим, что в большинстве нормальных случаев используется корректирующая схема А.

Еще до начала действительного измерения рекомендуется снять несколько ориентировочных показаний шумомера в исследуемом звуковом поле.
Определить тип и основные параметры подлежащего исследованию звукового поля и соответствующие условиям работы точки замера.
Снабженный микрофоном с оптимальной характеристикой в свободном звуковом поле шумомер нужно держать на расстоянии натянутой руки, причем микрофон должен быть направлен к источнику звука или шума

В диффузном звуковом поле и поле со случайным падением звуковых волн важно применение микрофона и метода крепления прибора, гарантирующих всенаправленность снабженного микрофоном шумомера.
Определить динамическую характеристику шумомера, т.е. "быстро" или «медленно», соответствующую условиям измерения и исключающую ошибки отсчета. Отметим, что при измерении импульсных звуков нужен специальный импульсный шумомер

В тех случаях, когда определение обусловливающего показание стрелочного прибора или цифрового индикатора шумомера источника звука затруднительно, соединяемые с выходом шумомера наушники могут оказаться ценным помощником. Отметим, что применение наушников возможно только в случае, если шумомер снабжен соответствующим выходным гнездом.
Во время измерения необходимо принимать во внимание следующее:
- достаточное расстояние между микрофоном шумомера и отражающими звук объектами
- соответствующее условиям измерения и типу звукового поля расстояние между шумомером и измеряемым источником звука или шума
- уровень шума фона
- присутствие объектов, способных блокировки распространения звуковых волн от источника к шумомеру
- необходимость применения ветрозащитного колпака при работе на открытом воздухе
- необходимость исключения результатов измерения при перегрузке шумомера или его индикатора

Тщательно составить соответствующий протокол измерения

Авторы данной брошюры надеются, что она является практическим введением в область измерения звука и шума и дает ответ на большинство практических вопросов и, следовательно, что она найдет применение в качестве удобного справочника. За советами по специальным вопросам акустических измерений и соответствующей аппаратуры можно обращаться к представителям фирмы Брюль и Къер или в письменной форме непосредственно по адресу Брюль и Къер 2850 Нэрум Дания

Звук представляет собой звуковые волны, которые вызывают колебания мельчайших частиц воздуха, других газов, а также жидких и твердых сред. Звук может возникать только там, где есть вещество, не важно, в каком агреатном состоянии оно находится. В условиях вакуума, где отсутствует какая-либо среда, звук не распространяется, потому что там отсутствуют частицы, которые и выступают распространителями звуковых волн. Например, в космосе. Звук может модифицироваться, видоизменяться, превращаясь в иные формы энергии. Так, звук, преобразованный в радиоволны или в электрическую энергию, можно передавать на расстояния и записывать на информационные носители.

Звуковая волна

Движения предметов и тел практически всегда становятся причиной колебаний окружающей среды. Не важно, вода это или воздух. В процессе этого частицы среды, которой передаются колебания тела, также начинают колебаться. Возникают звуковые волны. Причем движения осуществляются в направлениях вперед и назад, поступательно сменяя друг друга. Поэтому звуковая волна является продольной. Никогда в ней не возникает поперечного движения вверх и вниз.

Характеристики звуковых волн

Как и любое физическое явление, они имеют свои величины, при помощи которых можно описать свойства. Основные характеристики звуковой волны - это ее частота и амплитуда. Первая величина показывает, какое количество волн образуется за секунду. Вторая определяет силу волны. Низкочастотные звуки имеют низкие показатели частоты, и наоборот. Частота звука измеряется в Герцах, и если она превышает 20 000 Гц, то возникает ультразвук. Примеров низкочастотных и высокочастотных звуков в природе и окружающем человека мире достаточно. Щебетание соловья, раскаты грома, грохот горной реки и другие - это все разные звуковые частоты. Значение амплитуды волны напрямую зависит от того, насколько звук громок. Громкость же, в свою очередь, уменьшается по мере удаления от источника звука. Соответственно, и амплитуда тем меньше, чем дальше от эпицентра находится волна. Другими словами, амплитуда звуковой волны уменьшается при удалении от источника звука.

Скорость звука

Этот показатель звуковой волны находится в прямой зависимости от характера среды, в которой она распространяется. Значимую роль здесь играют и влажность, и температура воздуха. В средних погодных условиях скорость звука составляет приблизительно 340 метров в секунду. В физике существует такое понятие, как сверхзвуковая скорость, которая всегда по значению больше, чем скорость звука. С такой скоростью распространяются звуковые волны при движении самолета. Самолет движется со сверхзвуковой скоростью и даже обгоняет звуковые волны, создаваемые им. Вследствие давления, постепенно увеличивающегося позади самолета, образуется ударная звуковая волна. Интересна и мало кому известна единица измерения такой скорости. Называется она Мах. 1 Мах равен скорости звука. Если волна движется со скоростью 2 Маха, значит, она распространяется в два раза быстрее, чем скорость звука.

Шумы

В повседневной жизни человека присутствуют постоянные шумы. Измеряется уровень шума в децибелах. Движение автомобилей, ветер, шелест листвы, переплетение голосов людей и другие звуковые шумы являются нашими спутниками ежедневно. Но к таким шумам слуховой анализатор человека имеет возможность привыкать. Однако существуют и такие явления, с которыми даже приспособительные способности человеческого уха не могут справиться. Например, шум, превышающий 120 дБ, способен вызвать ощущение боли. Самое громкое животное - синий кит. Когда он издает звуки, его можно услышать на расстоянии более 800 километров.

Эхо

Как возникает эхо? Здесь все очень просто. Звуковая волна имеет способность отражаться от разных поверхностей: от воды, от скалы, от стен в пустом помещении. Эта волна возвращается к нам, поэтому мы слышим вторичный звук. Он не такой четкий, как первоначальный, поскольку некоторая энергия звуковой волны рассеивается при движении до преграды.

Эхолокация

Отражение звука используется в различных практических целях. Например, эхолокация. Она основана на том, что с помощью ультразвуковых волн можно определить расстояние до объекта, от которого эти волны отражаются. Расчеты осуществляются при измерении времени, за которое ульразвук доберется до места и вернется обратно. Способностью к эхолокации обладают многие животные. Например, летучие мыши, дельфины используют ее для поиска пищи. Другое применение эхолокация нашла в медицине. При исследованиях с помощью ультразвука образуется картинка внутренних органов человека. В основе такого метода находится то, что ультразвук, попадая в отличную от воздуха среду, возвращается обратно, формируя таким образом изображение.

Звуковые волны в музыке

Почему музыкальные инструменты издают те или иные звуки? Гитарные переборы, наигрыши пианино, низкие тона барабанов и труб, очаровывающий тонкий голосок флейты. Все эти и многие другие звуки возникают по причине колебаний воздуха или, другими словами, из-за появления звуковых волн. Но почему звучание музыкальных инструментов настолько разнообразное? Оказывается, это зависит от некоторых факторов. Первое - это форма инструмента, второе - материал, из которого он изготовлен.

Рассмотрим это на примере струнных инструментов. Они становятся источником звука, когда на струны воздействуют касанием. Вследствие этого они начинают производить колебания и посылать в окружающую среду разные звуки. Низкий звук какого-либо струнного инструмента обусловлен большей толщиной и длиной струны, а также слабостью ее натяжения. И наоборот, чем сильнее натянута струна, чем она тоньше и короче, тем более высокий звук получается в результате игры.

Действие микрофона

Оно основано на преобразовании энергии звуковой волны в электрическую. В прямой зависимости при этом находятся сила тока и характер звука. Внутри любого микрофона расположена тонкая пластина, выполненная из металла. При воздействии звуком она начинает совершать колебательные движения. Спираль, с которой соединена пластинка, также вибрирует, в результате чего возникает электрический ток. Почему он появляется? Это связано с тем, что в микрофоне также встроены магниты. При колебаниях спирали между его полюсами и образуется электрический ток, который идет по спирали и далее - на звуковую колонку (громкоговоритель) или к технике для записи на информационный носитель (на кассету, диск, компьютер). Кстати, аналогичное строение имеет микрофон в телефоне. Но как действуют микрофоны на стационарном и мобильном телефоне? Начальная фаза одинакова для них - звук человеческого голоса передает свои колебания на пластинку микрофона, далее все по описанному выше сценарию: спираль, которая при движении замыкает два полюса, создается ток. А что дальше? Со стационарным телефоном все более-менее понятно - как и в микрофоне, звук, преобразованный в электрический ток, бежит по проводам. А как же обстоит дело с сотовым телефоном или, например, с рацией? В этих случаях звук превращается в энергию радиоволн и попадает на спутник. Вот и все.

Явление резонанса

Иногда создаются такие условия, когда амплитуда колебаний физического тела резко возрастает. Это происходит вследствие сближения значений частоты вынужденных колебаний и собственной частоты колебаний предмета (тела). Резонанс может приносить как пользу, так и вред. Например, чтобы вызволить машину из ямки, ее заводят и толкают взад-вперед для того, чтобы вызвать резонанс и придать автомобилю инерцию. Но бывали и случаи негативного последствия резонанса. К примеру, в Петербурге приблизительно сто лет назад рухнул мост под синхронно шагающими солдатами.