Фізичні характеристики шуму

Для успішної боротьби з шумом необхідно знати його фізичні характеристики, закономірності виникнення та поширення. Шумом прийнято вважати звуки, які нега­тивно впливають на організм людини, заважають його роботі та відпочинку. Тому шум часто називають несприятливим звуком. Зазвичай шум створюється при хаотичному чергуванні звуків різної частоти та інтенсивності. Звук, як фізичне явище, являє собою коливальний рух, що поширюється хвилеподібно у пружному середовищі (газоподібно­му, рідинному чи твердому). Звук, а значить і шум, характеризується: швидкістю звуку с, м/с; частотою f, Гц; звуковим тиском р, Па; інтенсивністю /, Вт/м².

Швидкість звуку залежить від характеристики середовища, в якому поширю­ється звукова хвиля. В газоподібному середовищі швидкість звуку рівна:

, (2.28)

де х — показник адіабати (х = 1,44);

Р, р — тиск та густина газу (відповідно).

При нормальних атмосферних умовах (Т = 293 К та Р = 1034 гПа) швидкість звуку в повітрі дорівнює с = 344 м/с.

Частота звуку визначається кількістю коливань пружного середовища за одини­цю часу і вимірюється в герцах (1 Гц — це одне коливання за секунду). За частотою звукові (акустичні) коливання поділяються на три діапазони: інфразвукові, з частотою коливання менше ніж 20 Гц; звукові (сприймаються органом слуху людини) — від 20 до 20 000 Гц; ультразвукові — більше ніж 20 000 Гц. В свою чергу звуковий діапазон прийнято підрозділяти на низькочастотний — до 400 Гц, середньочастотний — 400— 1000 Гц, високочастотний — більше 1000 Гц.

Звук, що поширюється у повітряному середовищі, називається повітряним зву­ком, а в твердих тілах — структурним. Повітряний простір, в якому поширюються звукові хвилі називається звуковим полем. У результаті коливань, що генеруються джерелом звуку, в повітрі виникає звуковий тиск, який накладається на атмосфер­ний. Різницю між атмосферним тиском і значенням повного тиску в даній точці звукового поля прийнято вважати звуковим тиском р. Поширення звукової хвилі супроводжується перенесенням звукової енергії. Середній потік звукової енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, віднесений до одиниці поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення хвилі, називається інтенсивністю або силою звуку в даній точці / і вимірюється в Вт/м². Співвідношення між інтенси­вністю звуку / та звуковим тиском р має наступний вигляд:

(2.29)

де р та с — відповідно густина та швидкість звуку в даному середовищі.

Виділяють два порогових значення звукового тиску та інтенсивності звуку. Міні­мальні значення звукового тиску та інтенсивності звуку, які сприймаються органом слуху людини як звук називаються порогом чутності. При частоті звуку f = 1000 Гц, яка прийнята базовою в акустиці поріг чутності має наступні значення: p₀ = 2*10^-5Я/Л4², І₀ = ІО'^Вт/м². Звуковий тиск (р_б= 20 Н/м²) та інтенсивність звуку (/₆ = 1 Вт/м²), при яких починають виникати больові відчуття в органі слуху людини називаються порогом больового відчуття. Великий діапазон значень між порогами чутності та бо­льового відчуття (за звуковим тиском — 10⁶, а за інтенсивністю звуку — 10¹²) викли­кав чималі труднощі при їх практичному використанні. Тому від абсолютних значень параметрів звуку р та /, перейшли до відносних значень — рівнів (L), застосувавши при цьому логарифмічну шкалу:

L = lg (I / I₀) = 21g(p/p₀); (Б), (2.30)

де /, р — відповідно інтенсивність звуку та звуковий тиск у даній точці; /₀, р₀ — інтенсивність звуку та звуковий тиск на порозі чутності.

В середині XIX століття німецький фізик Г. Т. Фехнер вивів закон сприйняття, згідно з яким величина відчування органів чуття людини, в тому числі й чутності, пропорційна логарифму величини подразнення. Так що рівень звуку оцінюється за логарифмічною шкалою не випадково.

Одиниця рівня сили звуку — бел (Б), прийнята на честь фізика О. Г. Белла (1847— 1922 рр.), який вважається винахідником телефону. Оскільки орган слуху людини спро­можний розрізняти зміни рівня сили звуку на 0,1 Б, то на практиці, як одиниця рівня сили звуку, в основному, використовується децибел (дБ) — десята частина бела (Б):

L = 10lg (I / I₀) = 201g(p/p₀); (Б),(2.31)

Підставивши у формулу (2.32) замість / значення /₀ та /₆ одержимо, що інтервал від порогу чутності до порогу больового відчуття становить 120 дБ, що значно зручні­ше для практичного використання.

Наближені рівні сили звуку (шуму) від деяких джерел, що його генерують наведені в табл. 2.7.

Таблиця 2.7