Общие данные о звуке и шуме

Введение

Тон, звук, шум представляют собой механические вибрации материальных частиц в эластичной среде. Когда тон и звук являются помехой тогда говорим о шуме. Обычная звуковая волна колеблется с небольшой амплитудой. В случае взрыва амплитуды очень большие. В жидкостях и газах звуковая волна - продольная, частицы колеблются в направлении распространения волны. В твердых телах звуковые волны могут быть и поперечными.

Обозначения акустических величин:

c м/сек - скорость звука  
Скорость звука'  
 
- в воздухе:  ~  340 м/сек (при 20°С и 760 мм p.c.)
- в воде: ~ 1484 м/сек  
- в стекле: ~ 3940 м/сек  
- в железе:  ~ 5000 м/сек  
- в бетоне:   - 4000м/сек  
- в дереве (дуб) - 3850 м/сек
l м - длина волны  
f Гц - частота  
T сек - продолжительность одного периода
  дБ  - логарифмическая единица уровня звука 
LpA дБ  - уровень звуковой мощности  
LWA дБ (A) - уровень звуковой мощности по отношению к А фильтру   
Lv дБ - общий уровень звуковой мощности вентилятора    
z   - число лопаток вентилятора  
fon фон - единица уровня громкости      
De дБ - демпфирование (ослабление) звукового давления 
a   - коэффициент абсорбции звука      

Звуковое давление - переменное давление, которое при расширении звукового вала суммируется с атмосферным давлением. Звуковое давление очень мало по сравнению с атмосферным. Минимальное давление, регистрируемое человеческим ухом составляет всего 0,00002 Па (т.е. 2*10 -5 Н/м2), а звуковое давление, вызывающее боль в ушах приблизительно 20 Па (т.е. 20 Н/м2). Для упрощения измерений в практике чаще всего измеряют звуковое давление, т.к. его изменения ухо воспринимает как звук. Звуковое давление уменьшается обратно пропорционально с расстоянием от источника звука. Так например удвоение расстояния уменьшает уровень шума на 6 дБ, в соответствии со следующей формулой:

De=Lv-LpA=10 log 4 p r22/r12

Пример ослабления шума вентилятора на определенном расстоянии в свободном пространстве:

При условии, что на расстоянии г1 от вентилятора, звуковое поле уже сформировалось, действительно выражение для приблизительного вычисления.

De = 20 log r2 + 14 дБ(А) = 20 log 50 + 14 = 48 дБ(А)

Уровень звукового давления на расстоянии r2 составляет:

LpA = Lv - De = 85 - 48 = 37 дБ(А)

(В расчете не приняты во внимание абсорбция и отражение шума от объектов)

Сила (интенсивность) звука I (Вт/м2) - количество звуковой энергии, которая в единицу времена проходит через единичную площадь, перпендикулярную к направлению распространения звука.

Звуковая мощность Р (Вт) - произведение силы звука и поверхности, через которую звук проходит. Диапазон звуковых давлений, чувствуемых человеческим ухом огромен. Сравнивая диапазон от порога слышимости до границы боли, отношение минимального и максимального звуковых давлений 1:106, а минимальной и максимальной звуковых мощностей даже 1:1012. Поэтому для показа этих отношений используют логарифмическую скалу, ввиду того, что ухо обладает логарифмической характеристикой. Из-за этого данные отношения можно показать значительно меньшими числами -децибелами, а умножение и деление сводится на суммирование и вычитание.

Уровни акустических величин Цель введения данных величин - получение различных параметров как например звуковое давление, сила звука, мощность звука и т.п. в сравнении с базовыми значениями. Логарифмические соотношения между значениями данных параметров являются безразмерными относительными величинами. Так например уровень звукового давления - безразмерная величина, показывающая во сколько раз наблюдаемый звуковой вал сильнее базового. Таким образом диапазон давлений от 1:1 000 000 сведен на уровень от О до 120 дБ (см. таблицу).

LpW= 10 log (p/p0) (дБ), где p0(10-12 Вт) - сила звука на пороге слышимости

Выражение для уровня звукового давления на частоте 1000 Гц

LpA= 20 log (p/p0) (дБ), где p0(10-5 Вт) - звуковое давление на пороге слышимости

Пример:

- Измерено звуковое давление р = 10-1 Па.
- Каков уровень звукового давления LpA ?

Решение: 

Отношение давлений:  p/p0= 10-1/(2*10-5)= 5000 = 5 * 1000

Из таблицы считываем:

- отношению звуковых давлений 5 соответствует 14 дБ
- отношению звуковых давлений 1000 соответствует 60 дБ

Уровень звукового давления LpA = 74 дБ

Соотношения силы звука и звуковых давлений в диапазоне от порога чувствительности до границы боли

Децибелы <-- Отношения силы звука
Отношения звуковой мощности -->		 Децибелы Уровень громкости
0 1 0 Порог чувствительности (измерен в лабораториях)
3 2 6  
4,8 3 9,5  
6 4 12 Шуршание листьев на очень слабом ветре
7 5 14  
7,8 6 15,6  
8,5 7 16,9  
9 8 18,1  
9,5 9 19,1  
10 10 20 Шепот, библиотека
20 100 40 Приглушенный разговор
30 1 000 60 Нормальный разговор
40 10 000 80 Грузовой автомобиль на расстоянии 5 м
50 100 000 100 Самый сильный человеческий голос
60 1 000 000 120 Выстрел из ружья под ухом
70 10 000 000    
80 100 000 000    
90 1 000 000 000    
100 10 000 000 000    
110 100 000 000 000    
120 1 000 000 000 000 (1012)    

Уровень громкости - фон - величина, численно равная уровню звукового давления чистого тона с частотой 1000 Гц, вызывающего такое же ощущение как и испытываемый звук.
При борьбе с шумом необходимо иметь в виду, что чувство неприятности не зависит от абсолютной величины уровня шума, а от перемены, которую какой-либо источник звука вызывает по отношению к уровню громкости окружающей среды. При этом увеличение уровня громкости на 10 дБ вызывает чувство неприятности.

Графики одинаковой громкости, как их чувствует ухо, в соответствии с ДИН 45630, лист 2.
Графики оценивания А, В, С.

Уровень звукового давления (дБ) и уровень громкости (фон) при частоте 1 000 Гц имеют одинаковые значения.

Критерии оценки шума

При оценке шума в настоящее время применяют два основных правила:

  1. Измерение уровня громкости или звукового давления LpA при помощи акустического измерителя с корректирующей характеристикой типа А/дБ(А)/, при этом разрешенный уровень LpA задан.
  2. Измерение уровня звукового давления по октавам и сравнение с NR (или NC) характеристикой, нормализированным по ИСО.

В качестве критерия для оценки шума в области вентиляции и кондиционирования в Европе приняты NR (noisie rating) характеристики. В акустические измерители встроены фильтры с А, В и С характеристиками, и тогда на измерителе (анализаторе шума) считывают уровни на средних частотах спектра. Если шум какого-либо источника обладает одинаковой интенсивностью во всех 8-ми октавах спектра, тогда шум каждой октавы меньше шума источника на 9 дБ, т.к. общая разница звукового давления

LpA=10 log*n + L1 (дБ)
n - число источников шума
L1 - интенсивность шума в каждой из 8-ми октав (или в каждом из 8-ми источников)

Когда отдельные уровни источника звукового давления, измеренные по октавам, повторяют одну из NR характеристик, определенный уровень звукового давления LpA такого источника расположен ВЫШЕ значения граничной характеристики на 7 до 10 дБ. При шуме, создаваемом вентилятором, разница составляет около 5 дБ. т.к. спектр данного шума во всех октавах не достигает NR характеристику.

NR характеристики одинаковой громкости (в соответствии с А характеристикой)

Коррекционные коэффициенты для характеристик оценки звука по ДИН 45633
Средняя частота октавы(Гц) Оценка
А B С
31,5 -39,4 -17,1 -3,0
63 -26,2 -9,3 -0,7
125 -16,1 -4,2 -0,2
250 -8,6 -1,3 0
500 -3,2 -0,3 0
1000 -0 0 0
2000 +1,2 -0,1 -0,2
4000 +1,0 -0,7 -0,8
8000 -1,1 -2,9 -3,0
12500 -4,3 -8,1 -6,0
Затененная область иллюстрирует рекомендуемые значения в соответствии с таблицей на стр. 6

Пример: результаты измерения шума по А-характеристике

Задано: LpA = 55 дБ
Критерий: NR 49

Решение: (обозначено на диаграмме NR характеристик)

Вместо верхней таблицы при акустических расчетах можно использовать и диаграмму с об­рат­но­про­пор­цио­наль­ны­ми ха­рак­те­рис­ти­ка­ми в со­от­ветст­вии с нижним рисунком.

Предписанные критерии уровня шума для различных помещений в соответствии с ДИН 4109 и VDI2058 (от 1973 года)

Типы помещений Уровень шума
(ДБ)		 Среднее время эха
(с) 		NR - характеристики
Квартиры
Спальные комнаты - ночью
Спальные комнаты- днем
30
35
0,5
0,5
20
25
Больницы
Больничная палата - ночью
Больничная палата - днем
Операционный зал
Больничная лаборатория
Коридоры, залы ожидания
 
30
35
40
40
40
 
1
 
3
2
2
 
20
25
35
30
30
Общественные помещения
Радиовещательная студия
Телевизионная студия
Концертный зал
Опера
Театр
Кинозал
Зал
Класс
Зал для семинаров
Школьный класс
15
25
25
25
30
35
35
35
40
40
1
1,5
2
1,5
1
1
1
1
1
1
5
15
15
15
20
25
25
25
30
30
Канцелярии
Зал совещаний
Канцелярия руководителя
Комната отдыха
Небольшая канцелярия
Большая канцелярия
35
35
40
40
45
1
0,5
0,5
0,5
0,5
25
25
30
30
35
Церковь
Музей
Зал с окошками обслуживания
Вычислительный центр
Лаборатория
35
40
45
45
50
3
1,5
1,5
1,5
2
25
30
35
35
40
Спортивный зал
Бассейн
45
50
1,5
2
35
40
Ресторан
Кухня
Магазин
40 - 55*
45 - 60*
45 - 60*
1
1,5
1
30 - 45
35 - 50
35 - 50
* зависит от назначения


Максимальные уровни шумов по VDI2058

в чисто промышленном районе     70 дБ(А)
в преобладающе промышленном районе днем   65 дБ(А)
    ночью 50 дБ(А)
в смешанном районе днем   60 дБ(А)
    ночью 45 дБ(А)
в преобладающе жилом районе днем   55 дБ(А)
    ночью 40 дБ(А)
в исключительно жилом районе днем   55 дБ(А)
    ночью 30 дБ(А)
в санаториях днем   45 дБ(А)
    ночью 35 дБ(А)
в чисто жилом районе днем   35 дБ(А)
    ночью 25 дБ(А)

Абсорбционные глушители звука

Эскиз глушителей с одинаковыми акустическими характеристиками

Приблизительные значения глушения можно рассчитать по выражению:

De =3a*(L/s)  (дБ), где
  a - коэффициент абсорбции половины кулисы
  L - длина глушителя
  s - расстояние между кулисами

Верхняя формула действительна при ограничении

l > 2 s или f < c/(2*s), т.к. вне данного диапазона появляются высшие, очень направленные частоты.

Максимальное глушение ввиду эффекта интерференции (сдвиг фаз при l/2) звуковых волн особенно проявляется при d = l/ 4, т.е. при f=c/ = c/4d.
Из этого видно, что для глушения нижних частот необходима большая толщина кулис. Ввиду прохождения звука по листовым стенкам глушителя, максимальное приглушение составляет 40 дБ. Если необходимо большее глушение, тогда общее глушение делят на 2 глушителя, а между собой их соединяют эластичным переходником. При скоростях воздуха, больших 20 м/сек, или при загрязненном воздухе, кулисы обкладывают перфорированным листом, что очень незначительно влияет на глушение шума. Если же из - за большой влажности или других гигиенических причин, под перфорированным листом установить ПХВ пленку - это значительно ухудшает эффект глушения.

Основные критерии при выборе глушителей

наверх ^