Основные физические и физиологические характеристики шума и вибрации

Звук представляет собой волновое колебание частиц упругой среды под воздействием какой-либо возмущающей силы. В зависимости от вида среды, в которой распространяется звук, различают воздушный, подводный и структурный звуки.

Звук, распространяющийся в воздушной среде,называют воздушным, в воде - подводным звуком. Структурный звук вызывается вибрацией твердых тел.

Скорость распространения звуковой волны в какой либо среде называют скоростью звука. Она зависит от упругости и плотности среды. Так, например, скорость распространения звуковой волны в воздухе при нормальных атмосферных условиях составляет 344 м/с, в воде - 1500 м/с, в сплошной стальной или алюминиевой конструкции соответственно 6110 и 6400 м/с. При повышении температуры среды скорость звука увеличивается.

Шум - это комплекс звуков различной силы и частоты, находящихся в беспорядочном сочетании. С физиологической точки зрения шумом можноназывать всякий мешающий и нежелательный звук, нарушающий тишину и оказывающий раздражающее воздействие на организм человека.

В судовых условиях воздушный шум, создаваемый главными двигателями и различным оборудованием, распространяется в судовые помещения непосредственно по воздуху. Кроме того, воздушный шум главных двигателей вызывает вибрацию конструктивных ограждений машинного отделения, которая создает шум в смежных помещениях. Аэродинамический шум сопровождает процессы всасывания, нагнетания и выпуска газа или пара (например, в системах вентиляции и кондиционирования воздуха). Механический шум возникает в результате работы машин имеханизмов. В судовые помещения, в которых нет источников шума, структурные звуковые колебания передаются по корпусным конструкциям и системам, создавая воздушный шум. Длина звуковой волны λ (м), скорость звука С (м/с), период колебаний Т (с) и частота звуковых колебаний υ (Гц) связаны между собой следующим соотношением:

 

λ = cТ = с/υ. (16)

 

В зависимости от частоты звуковые волны разделяют на инфразвуковые

- с частотой меньше 8…20 Гц; звуковые или слышимые звуки, с частотой в пределах от 16 до 20 тыс. Гц; ультразвуковые с частотой от 20*10³ до 10⁹ и гиперзвуковые с частотой свыше 10⁹ Гц.

Распространение звуковой волны в среде характеризуется мгновенным изменением давления среды и периодическими сгущениями и разрежениями ее частиц. Длиной звуковой волны называют расстояние между центрами двух сгущений или двух разрежений среды. Наибольшую величину изменения давления среды при чередующихся сближениях и удалениях ее частиц принято называть амплитудой звукового давления Р. Амплитуда звукового давления характеризует величину звукового давления.

Звуковым давлением называется разность между мгновенным значением полного давления, возникающего в среде при прохождении через нее звуковой волны, и статическим давлением невозмущенной среды.

Звуковое давление измеряют с помощью специальных датчиков, воспринимающих переменное значение давления.

Частота звуковых колебаний (Гц) определяет высоту звука

и является одной из основных его характеристик. Чем выше частота, тем выше тон слышимого звука.

Ухо человека способно воспринимать звуки в диапазоне колебаний от 16 до 20 000 Гц. Звуки с частотой ниже 16 Гц и свыше 20 000 Гц слуховым аппаратом человеческого уха не воспринимаются как слышимые.

Минимальное значение звуковой энергии, соответствующее слабым звукам, улавливаемым ухом человека, называют порогом слышимости, принимаемым за нуль громкости. Звук, звуковое давление которого меньше порога слышимости, ухом не воспринимается. Порог слышимости различен для разных частот.

Максимальные значения звуковой энергии, вызывающие болезненные ощущения в ушах и являющиеся порогом болевого восприятия звука, называются болевым порогом.

Звуковые колебания с энергией, превышающей болевой порог вызывают повреждения слухового аппарата человека.

Интенсивность звука болевого порога превышает интенсивность звука порога слышимости в 10¹³ раз. Сила (интенсивность) звука определяется количеством звуковой энергии, проходящей в среде за одну секунду через единицу поверхности, перпендикулярной направлению движения волны. Для плоской синусоидальной звуковой волны сила звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления:

 

J = P² /ρc, (17)

 

где Р - амплитуда звукового давления;

ρ - плотность среды;

с - скорость распространения звуковой волны в среде.

 

Наряду с понятием силы (интенсивности) звука введено и понятие его громкости.

Громкость звука - это субъективная оценка силы (интенсивности) звука. Уровень силы звука выражает только физическую его характеристику, а громкость - физиологический фактор восприятия звука ухом человека. Таким образом, громкость является субъективным аналогом этой физической величины.

Громкостью звука называют интенсивность слухового ощущения, вызываемого звуковой волной. За единицу измерения уровнягромкости принят фон.

Слуховой аппарат человека способен реагировать на относительное изменение акустических параметров, а не на абсолютное. Если увеличить силу звука какого-либо тона от порога слышимости до болевого порога, то нарастание громкости звука воспринимается намного медленнее, чем возрастает его интенсивность. Например, увеличение силы звука в 10 раз ощущается ухом как увеличение громкости звука лишь в 2 раза. Это объясняется тем, что между силой звука как физической единицей и его громкостью как субъективным фактором восприятия звукане существует прямой пропорциональности.

Согласно закону Вебера-Фехнера с увеличением звукового давления от Р₀ до какого либо фиксируемого значения Ргромкость звука растет приблизительно пропорционально логарифму отношения Р/Р₀. На основании этого закона производитсяпостроение шкал уровней параметров, характеризующих звук и вибрацию.

В технике пользуются понятием уровня виброакустических параметров в связи с тем, что абсолютные их значения изменяются в огромных диапазонах. Уровнем виброакустического параметра считают логарифмическое отношения абсолютной его величины к некоторому значению этого параметра, выбранному за начало отсчета (опорное или пороговое значение).

Чувствительность слухового аппарата человека к изменению интенсивности звука значительно ниже, чем к изменению его частоты. Для того, чтобы человек ощутил едва заметное изменение громкости звука, необходимо его интенсивность увеличить на 26% относительно первоначальной. Изменению жечастоты звука только на 0,3% уже воспринимается ухом человека как изменение его высоты (тона). Кроме того, слуховой аппарат человека неодинаково чувствителен к звукам различной частоты. Оказывается, наиболее чувствителен слух к звукам в диапазоне от 800 до 4000 Гц. Для этих частот порог слышимости наименьший. Поэтому для оценки уровней громкости шумов по международному соглашению принят звук частотой в 1000 Гц. Условному нулю соответствует громкость звука частотой 1000 Гц с силой звука J= 10^-12 Вт/м², соответствующей пороговому звуковому давлению Р₀ = 2*10^-5 Па.

Итак, ощущение человеком изменения уровня громкости звука находится не в прямой, а в логарифмической зависимости от изменения его интенсивности. Поэтому уровень интенсивности какого-либо звука, характеризующий разность двух уровней силы звука, определяется через десятичный логарифм их отношения

 

L = lgJ/ lgJ₀ = lgJ – lgJ₀, (18)

 

где J₀ - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1000 Гц.

Или согласно формуле (13)

 

L = lg(J/J₀) = lg(P²/P²₀) = 2lg(P/P₀). (19)

 

Выше было сказано о том, что энергия звука, соответствующая болевому порогу, превосходит звуковую энергию, соответствующую порогу слышимости в 10¹³ раз. На логарифмической шкале это соотношение выразится числом тринадцать.

Поэтому для построения шкалы уровней интенсивности (силы) звука весь диапазон интенсивности звука частотой 1000 Гц от порога слышимости до болевого порога условно разделили на 13 частей, назвав каждую из них белом. Бел (Б) — это безразмерная акустическая единица измерения разности уровней двух звуковых энергий, определяющая превышение фиксируемой силы какого либо звука J по отношению к пороговой величине J₀,,с которой производится сравнение.

На практике обычно используются акустические единицы в 10 раз меньше бела, называемые децибелами (дБ). Децибел соответствует силе звука, равной 1/10 бела. Тогда

 

L = 10 lg(J/J₀), дБ (20)

 

На шкале децибел расположен весь диапазон интенсивности звука от порога слышимости (0 дБ), т.е. от едва слышимых звуков до чрезвычайно громких, вызывающих неприятные ощущения в ушах (130-140 дБ). При измерениях пользуются целыми числами, так как изменения уровня менее чем 1 дБ практически не ощутимы.

Уровень интенсивности (силы) звука в децибелах можно определить по формуле

 

L = 10 lg(J/J₀) = 10 lg(P²/P²₀) = 20 lg(P/P₀), (21)

 

где J и P - интенсивность (сила) звука и звуковое давление фиксируемого уровня;

J₀ = 10^-12 Вт/м² -сила звука, соответствующая порогу слышимости звука частотой 1000 Гц;

Р₀ = 2*10^-5 Па - звуковое давление, соответствующее порогу слышимости.

 

Формула (21) позволяет для звука, обладающего интенсивностью J или звуковым давлением P, вычислить абсолютные ихуровни L относительно соответственно J₀ или Р₀ .

На рис.7 приведена номограмма, представляющая семейство кривых равной громкости. Как видно из номограммы, при стандартной частоте 1000 Гц уровни громкости и интенсивности (силы) звуки совпадают, т.е. нуль шкалы интенсивности звука соответствует нулю шкалы громкости, а интенсивность звука в 120 дБ соответствует уровню громкости в 120 фон.

На других частотах (особенно в диапазоне низких частот) это равенство нарушается. Уровень громкости звука других частот является функцией частоты и уровня звукового давления. Самая нижняя из семейства кривых является граничной кривой еле слышимого различения звуков и называется порогом слышимостиили слуховым порогом. Верхняя кривая номограммы представляет собой граничную кривую оглушительных звуков, от которых начинают появляться болезненные ощущения в ушах. Поэтому эта

 

Звуковое давление, Па

Рис 7 Кривые равной громкости звуков

 

кривая называется порогом болевого ощущения звука, или болевым порогом. Каждая из кривых, лежащих в диапазоне слышимых звуков, показывает соответствие какого-либо уровня громкости в фонах различным уровням силы звука ичастоты. Из рисунка видно, что различие между интенсивностью и громкостью звука увеличивается с уменьшением его частоты и ослаблением силы. С увеличением силы звука кривые равной громкости выравниваются. Уровни громкости и силы звука численно совпадают при значительной интенсивности звуков (с уровнем громкости 80 фон и выше). В этой области акустической диаграммы по численному значению фоны совпадают с децибелами.

Совокупность частот различных звуков, составляющих шум, называется спектром шума. Соотношение двух звуков по высоте называют интервалом высоты или частотным интервалом, Так как высота звука определяется его частотой, то частотный интервал определяется соотношением частот звуков. Частотный интервал измеряется в октавах. В практике виброакустических исследований весь слышимый диапазон частот (от 16 до 20000Гц) разделен на частотные, октавные полосы (диапазоны). Виброакустические частотные полосы определяются величинами начальных и конечных частот.

Под октавой понимается частотный интервал между двумя частотами, логарифм отношения которых при основании, равном двум, составляет единицу (ГОСТ 8849-88).

В октавной полосе верхняя граничная полоса вдвое больше нижней

f_в/f_н = 2 (например,25…50; 200…400 Гц и т.д.). Если f_н – нижняя граничная частота в данной полосе частот, а f_в - верхняя граничная частота, то в качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота f_c.r. = √(f_в * f_н).

Наиболее часто используют полосы частот, равные октаве, полу- и треть-октаве. Граничные частоты октавных, полу- и треть-октавных частот стандартизированы.

На основании тщательного изучения вредного воздействия шума на судовые экипажи установлены нормы допустимых уровней шума на морских судах, предусматривающие величины уровней шума для машинно-котельных отделений, жилых, общественных и служебных помещений. На рис.8 приведены кривые, выражающие предельные нормы шумности в машинных отделениях судов.

 

 

Рис. 8 График нормирования шума на судне

 

По кривой 1 находятся предельные уровни шума для судов с дистанционным управлением из центрального поста управления механизмами при периодическом (не более 2-х часов в сутки) пребывании людей в машинно-котельном отделении. По кривой 2 определяют предельные уровни шума, когда обслуживающий персонал находится в машинном отделении в течение всей вахты (при отсутствии дистанционного управления механизмами из звукоизолированных постов). Для изолированных постов или пультов управления механизмами допускаемый уровень шума определяют по кривой 3. Кроме того, в справочной литературе приведены кривые, построенные по аналогичному принципу. С помощью этих кривых можно определить допустимые уровни шума во всех других судовых помещениях.

Вибрации представляют собой колебательные движения материальных частиц, сообщающие телу человека колебательную скорость. Причинами возникновения вибрации могут быть неуравновешенные вращающиеся массы, неуравновешенные силовые воздействия при работе машин, удары деталей механизмов и т.д.

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются период колебаний Т, амплитуда колебания А, частота f = 1/Т, скорость v=A2πf, ускорение a = A2πf².

В практике исследований вибраций, так же как и при анализе шумов, вместо абсолютных значений параметров оперируютуровнями этих параметров, представляющими собой логарифмические отношения абсолютных величин параметров к ихпороговым значениям. Для измерения параметров вибрации используется логарифмическая шкала децибел. Как ипри акустических расчетах, весь диапазон частот вибрации разбивается на октавные полосы. Стандартизованные среднегеометрические частоты вибраций полос частот вибрации составляют: 1; 2; 3; 4; 8; 16; 32; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000 Гц. Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибраций. Уровень колебательной скорости в децибелах определяется по формуле

 

L_v = 10 lg(v²/v²₀) = 20 lg(v/v₀), (22)

 

где V- результирующее действующее значение колебательной скорости в соответствующей полосе частот, м/с;

V₀- пороговое значение колебательной скорости (м/с),определенное международным соглашением. Значение пороговой скорости вибрации, вызывающей еле заметные ощущения, равно V₀ = 5*10^-8 м/с.

 

Предел допустимых вибраций зависит от частоты колебаний. Различают общую и местную (локальную) вибрации. Общая вызывает вибрацию всего организма, местная вибрация действует на ограниченный участок тела. В судоремонте к виброопасному инструменту относится более ста найменований ручного механизированного инструмента ударного, ударно-вращательного и вращательного действия.

Судовые экипажи, как правило, подвергаются воздействию общей вибрации, источниками которой на судах являются главные двигатели, гребной винт, вентиляторы, компрессоры и другиемеханизмы. Локальная вибрация ощущается при роботе с ручным механизированным и пневматическим инструментом. При этом влиянию вибрации подвергаются не только руки, но практически все органы человека. Нередко человек может быть подвергнут одновременно воздействию общей и локальной вибрации. Человек воспринимает вибрации в широком диапазоне от долей герца до 200 Гц. В плане риска возникновения вибрационной болезни наиболее вредны для человека вибрации, частота которых совпадает с собственной частотой колебаний его организма, а также вибрации частотой от 16 до 250 Гц. Для большинства внутренних органов собственные частоты лежат в диапазоне 6…9 Гц. Колебания с такими частотами чрезвычайно опасны для человека, так как могут вызвать повреждения внутренних органов. Длительное и систематическое воздействие вибрации может вызвать вибрационную болезнь. Быстрому развитию болезни способствует повышенные частоты и большие амплитуды колебаний. Эффект воздействия вибрации на организм человека определяется в основном величинами скорости и ускорения. При малых амплитудах и сравнительно больших частотах основное влияние на человека оказывает колебательная скорость. При вибрациях с большой амплитудой смещения и незначительной частотой определяющую роль в восприятии человеком вибрации играет колебательное ускорение.

Человек начинает ощущать вибрации, когда им приобретено ускорение, составляющее 1% от нормального ускорения силы тяжести. Ускорения, достигающие 4…5 % этой величины (40…50 см/с²), вызывают у человека неприятные ощущения.