Физические и физиологические характеристики звука

Звук – колебания в частотном диапазоне слышимости человека, распространяющиеся в виде волн в упругих средах. Шум – беспорядочное сочетание различных по силе и частоте звуков. Источником шума является любой процесс, вызывающий местное изменение давления или механические колебания в твердых, жидких и газообразных средах.

Звуковые ощущения воспринимаются органами слуха человека при воздействии на них звуковых волн частотой в диапазоне от 16 Гц до 20 тыс. Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, а выше 20 000 Гц – ультразвуком.

По происхождению шум может быть механическим, аэрогидродинамическим и электромагнитным.

Механический шум возникает в результате ударов в сочленяющихся частях машин, их вибрации, при механической обработке деталей, в зубчатых передачах в подшипниках качения и т.п. Мощность звукового излучения поверхности, совершающей колебания, зависит от интенсивности колебаний вибрирующих поверхностей, их размеров, форм, способов крепления и др.

Аэрогидродинамический шум появляется в результате пульсации давления в газах и жидкостях при их движении в трубопроводах и каналах (турбомашины, насосные агрегаты, вентиляционные системы и т.п.).

Электромагнитный шум является результатом растяжения и изгиба ферромагнитных материалов при воздействии на них переменных электромагнитных полей (электрические машины, трансформаторы, дроссели и т.п.).

Воздействие шума на человека проявляется от субъективного раздражения до объективных патологических изменений функции органов слуха, центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, внутренних органов.

Характер шумового воздействия обусловлен его физическими характеристиками (уровнем, спектральным составом и т.п.), длительностью воздействия и психофизиологическим состоянием человека.

Под воздействием шума снижается внимание, работоспособность. Шум нарушает сон и отдых людей.

Все разнообразие невротических и кардиологических расстройств, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, слуха и т.д., которые возникают под воздействием шума, объединяются в симптомокомплекс "шумовой болезни".

С физической точки зрения звук характеризуется частотой колебаний, звуковым давлением, интенсивностью или силой звука. В соответствии с Санитарными правилами и нормами 2.2.4/2.1.8.10-32-2002 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» основными характеристиками шума являются частота колебаний, звуковое давление и уровень звука.

Звуковое давление Р (Па) – переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны, называется интенсивностью звука I (Вт/м²):

,

Порог слышимости имеет минимальное значение примерно при частоте 1000 Гц. По интенсивности или силе звука I_o он равен 10^-12 Вт/м², а по звуковому давлению P_o – 2x10^-5 Па. Порог болевого ощущения на частоте 1000 Гц по интенсивности I_макс равен 10 Вт/м², а по звуковому давлению - Р_макс = 2х10^-5 Па. Поэтому за эталонный принят звук с частотой 1000 Гц.Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости.

Ухо человека реагирует не на обсалютное, а на относительное изменение звука. По закону Вебера-Фехнера раздражающее действие шума на человека пропорционально десятичному логарифму квадрата звукового давления. Поэтому для характеристики шума пользуются логарифмическими уровнями:

уровнем интенсивности звука L_I и уровнем звукового давления L_P. Они измеряются в децибелах и определяются соответственно по формулам:

, дБ,

, дБ,

где I и I_o - фактическая и пороговая интенсивности звука соответственно, Вт/м²; Р и Р_о - фактическое и пороговое звуковое давление соответственно, Па.

Единица измерениябелназвана в честьАлександра Грейама Белла – учёного, изобретателя и бизнесмена шотландского происхождения, одного из основоположников телефонии (англ. Alexander Graham Bell; 3 марта 1847(18470303), Эдинбург, Шотландия — 2 августа 1922, Баддек, провинция Новая Шотландия, Канада).

Рис 1. Область слухового восприятия человека

Один бел крайне малая величина, едва заметное на слух изменение громкости соответствует 1 дБ (соответствует изменению интенсивности звука на 26 % или звукового давления на 12 %).

Логарифмическая шкала в дБ (0…140) позволяет определить чисто физическую характеристику шума независимо от частоты. Вместе с тем, наибольшая чувствительность слухового аппарата человека имеет место при частотах 800…1000 Гц, а наименьшая при 20…100 Гц. Поэтому для приближения результатов субъективных измерений к субъективному восприятию введено понятие корректированного уровня звукового давления. Суть коррекции – введение поправок в измеренное значение уровня звукового давления в зависимости от частоты. Наиболее применяемая коррекция А. Корректированный уровень звукового давления L_A= L_Р – ΔL_A называется уровнем звука.