Физические и физиологические характеристики шума

Под термином "шум" понимают любой неприятный или нежелательный звук либо их сочетание, которые мешают восприятию полезных сигналов, нарушают тишину, отрицательно влияют на организм человека, снижают его работоспособность.

Звук как физическое явление - это механические колебания упругой среды в диапазоне слышимых частот. Звук как физиологическое явление - это ощущение, воспринимаемое органом слуха при воздействии на него звуковых волн.

Звуковые волны возникают всегда, если в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) колеблются вследствие воздействия на них любой возбуждающей силы. Однако не все колебательные движения воспринимаются органом слуха как физиологическое ощущение звука. Ухо человека может слышать лишь колебания, частота которых составляет от 16 до 20 000 в 1 с. Ее измеряют в герцах (Гц). Колебания с частотой до 16 Гц называются инфразвуком, более 20 000 Гц - ультразвуком, и ухо их не воспринимает. В дальнейшем будет идти речь лишь о слышимых ухом звуковых колебаниях.

Звуки могут быть простыми, состоящими из одного синусоидального колебания (чистые тона), и сложными, характеризующимися колебаниями различных частот. Звуковые волны, распространяемые в воздухе, называются воздушным звуком. Колебания звуковых частот, распространяющиеся в твердых телах, называют звуковой вибрацией, или структурным звуком.

Часть пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем. Физическое состояние среды в звуковом поле, или, точнее, изменение этого состояния (наличием волн), характеризуется звуковым давлением (р). Это избыточное переменное давление, возникающее дополнительно к атмосферному в среде, где проходят звуковые волны. Измеряют его в ньютонах на квадратный метр (Н/м2) или в паскалях (Па).

Звуковые волны, возникающие в среде, распространяются от точки их появления - источника звука. Необходим определенный отрезок времени, чтобы звук достиг другой точки. Скорость распространения звука зависит от характера среды и вида звуковой волны. В воздухе при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении скорость звука составляет 340 м/с. Скорость звука (с) не следует смешивать с колебательной скоростью частиц (v) среды, являющейся знакопеременной величиной и зависящей как от частоты, так и от величины звукового давления.

Длиной звуковой волны (к) называется расстояние, на которое колебательное движение распространяется в среде за один период. В изотропных средах она зависит от частоты и скорости звука, а именно:

l = c/f.

Частота колебаний определяет высоту звучания. Общее количество энергии, которая излучается источником звука в окружающую среду за единицу времени, характеризует поток звуковой энергии, определяется в ватах (Вт). Практический интерес представляет не весь поток звуковой энергии, а лишь та его часть, которая достигает уха или диафрагмы микрофона. Часть потока звуковой энергии, которая приходится на единицу площади, называется интенсивностью (силой) звука, ее измеряют в ваттах на 1 м2. Интенсивность звука прямо пропорциональна звуковому давлению и колебательной скорости.

Звуковое давление и интенсивность звука изменяются в большом диапазоне. Но ухо человека улавливает быстрые и незначительные изменения давления в определенных пределах. Существуют верхний и нижний пределы слуховой чувствительности уха. Минимальная звуковая энергия, формирующая ощущение звука, называется порогом слышимости, или порогом восприятия, для принятого в акустике стандартного звука (тона) частотой 1000 Гц и интенсивностью 10~12 Вт/м2. Звуковая волна большой амплитуды и энергии оказывает травмирующее действие, обусловливает появление неприятных ощущений и боли в ушах. Это верхний предел слуховой чувствительности - порог болевого ощущения. Он отвечает звуку частотой 1000 Гц при его интенсивности 102 Вт/м2 и звуковом давлении 2 х 102 Па. Способность слухового анализатора воспринимать большой диапазон звукового давления объясняется тем, что он улавливает не разницу, а кратность изменения абсолютных величин, характеризующих звук. Поэтому измерять интенсивность и звуковое давление в абсолютных (физических) единицах сверхсложно и неудобно.

В акустике для характеристики интенсивности звуков, или шума, используют специальную измерительную систему, где учтена почти логарифмическая зависимость между раздражением и слуховым восприятием. Это шкала белов (Б) и децибелов (дБ), отвечающая физиологическому восприятию и дающая возможность резко сократить диапазон значений измеряемых величин. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука больше в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале она отвечает увеличению на 1, 2, 3 единицы. Логарифмическая единица, которая отражает десятикратную степень повышения интенсивности звука над порогом чувствительности, называется белом, т. е. это десятичный логарифм отношения интенсивности звуков.

Следовательно, для измерения интенсивности звуков в гигиенической практике пользуются не абсолютными величинами звуковой энергии или давления, а относительными, которые выражают отношение энергии или давления данного звука к пороговым для слуха величинам энергии или давления. Диапазон энергии, который воспринимается ухом как звук, составляет 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей, которая в 10 раз меньше, - децибелом. Эти величины называются уровнями интенсивности звука или звукового давления.

После стандартизации порогового значения Р0 уровни звукового давления, определяемые относительно него, стали абсолютными, так как они однозначно отвечают значениям звукового давления.

Звуковую энергию, излучаемую источником шума, распределяют по частотам. Поэтому необходимо знать, как распределяется уровень звукового давления, т. е. частотный спектр излучения.

В настоящее время гигиеническое нормирование осуществляется в звуковом диапазоне частот от 45 до 11 200 Гц.

Часто приходится складывать уровни звукового давления (звука) двух и более источников шума или находить их среднее значение. Производят последовательное сложение уровней звукового давления, начиная с максимального. Сначала определяют разницу между двумя составляющими уровнями звукового давления, после чего по разнице, определенной с помощью таблицы, находят слагаемое. Его приплюсовывают к большему из составляющих уровней звукового давления. Аналогичные действия производят с определенной суммой двух уровней и третьим уровнем и т. д.

Большинство шумов содержит звуки почти всех частот слухового диапазона, но отличается разным распределением уровней звукового давления по частотам и их изменением во времени. Классифицируют шумы, действующие на человека, по их спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра шумы разделяют на широкополосные с беспрерывным спектром шириной более одной октавы и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По виду спектра шумы могут быть низкочастотными (с максимумом звукового давления в области частот менее 400 Гц), среднечастотными (с максимумом звукового давления в области частот 400-1000 Гц) и высокочастотными (с максимумом звукового давления на участке частот свыше 1000 Гц). При наличии всех частот шум условно называют белым.

По временной характеристике шумы разделяют на постоянные (уровень звука изменяется во времени не более чем на 5 дБА) и непостоянные (уровень звука изменяется во времени на более чем 5 дБА).

К постоянным могут быть отнесены шумы постоянно работающих насосных или вентиляционных установок, оборудования промышленных предприятий (воздуходувки, компрессорные установки, различные испытательные стенды).

Непостоянные шумы, в свою очередь, делят на колебательные (уровень звука все время меняется), прерывистые (уровень звука резко падает до фонового несколько раз за период наблюдения, причем продолжительность интервалов, в течение которых уровень шума остается постоянным и превышает фоновый, составляет 1 с и более) и импульсные (состоящие из одного или нескольких последовательных ударов продолжительностью до 1 с), ритмичные и неритмичные.

К непостоянному относится шум транспорта. Прерывистый шум - это шум от работы лебедки лифта, периодически включающихся агрегатов холодильников, некоторых установок промышленных предприятий или мастерских.

К импульсным могут быть отнесены шумы от пневматического молотка, кузнечно-прессового оборудования, хлопанья дверьми и т. п.

По уровню звукового давления шум делят на низкий, средней мощности, сильный и очень сильный.

Методы оценки шума зависят, прежде всего, от характера шума. Постоянный шум оценивают в уровнях звукового давления (L) в децибелах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Это основной метод оценки шума.

Для оценки непостоянных шумов, а также ориентировочной оценки постоянных шумов используют термин "уровень звука", т. е. общий уровень звукового давления, который определяют шумомером на частотной коррекции А, характеризующей частотные показатели восприятия шума ухом человека1. Непостоянные шумы принято оценивать по эквивалентным уровням звука. Эквивалентный (по энергии) уровень звука (LA экв, дБА) определенного непостоянного шума - это уровень звука постоянного широкополосного неимпульсного шума, который имеет то же среднеквадратическое звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного времени.