Параметры, характеризующие акустические колебания (шум)

Колебательная скорость v (м/с) – скорость колебания частиц воздуха относительно положения равновесия.

Скорость распространения звука (скорость звука) с (м/с) – скорость распространения звуковой волны. При нормальных атмосферных условиях (температура 20 ⁰С, давление 10 ⁵Па) скорость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

При звуковых колебаниях частиц среды в ней возникает переменное давление, которое назвают звуковым давлением Р.

Звуковое давление р (Па) – разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущённой среде

Р = vρc,

где ρ – плотность среды (кг/м³), ρc – называют удельным акустическим сопротивлением (Па·с/м), равное 410 Па·с/м для воздуха, 1,5 · 10⁶ Па·с/м для воды, 4,8 · 10⁷ Па·с/м – для стали.

При распространении звука со коростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука.

Интенсивность звука I (Вт/м²) – это энергия, переносимая звуковой волной в единцу времени, отнеённая к площади поверхности, через которую она распространяется

I = p/( ρc).

Минимальное звуковое давление Р₀ и минимальная интенсивность звука I₀, различаемые ухом человека, называются пороговыми. Интенсивности едва слышимых звуков (порог слышимости) и интенсивность звуков, вызывающих болевые ощущения (болевой порог), отличаются друг от друга более чем в миллион раз. Оперировать с цифрами большого диапазона очень неудобно. Кроме того, органы человека реагируют не на абсолютное изменение интенсивности раздражителя, а на его относительное изменение. В соответствии с законом Вебера – Фехнера, ощущения человека возникающие при различного рода раздражителях, в частности шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому для оценки шума удобно измерять не абсолютные значения интенсивности и звукового давления, а относительные их уровни в логарифмических единицах, взятые по отношению к пороговым знвчениям Р₀ и I₀. За единицу измерения уровней звукового давления и интенсивности звука принят децибел (дБ). Диапазон звуков, воспринимаемых органом слуха человека, 0 … 140 дБ.

Уровень звукового давления

L_Р = 10 lg(Р²/Р₀²) = 20 lg(Р/Р₀),

где Р – звуковое давление, Па; Р₀ – пороговое звуковое давление, равное 2 · 10^-5 Па.

Уровень интенсивности звука

L_I = 10 lg(I/I₀),

где I – интенсивность звука, Па; I₀ – пороговая интенсивность звука, равная 10^-12 Вт/м².

В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Для определения частотной характеристики шумазвуковой диапазон по частоте разбивают на октавные полосы частот, где верхняя граничная частота f_в равна удвоенной нижней частоте f_н, т.е.

f_в / f_н = 2.

Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой:

Классификация производственного шума (рис.)

Шум классифируется по частоте, спектральным и временным характеристикам, природе его возникновения.

По частоте акустические колебания подразделяются на инфразвук (f < 16 Гц), звук (16 ≤ f ≤ 20 000 Гц), ультразвук (f > 20 000 Гц). Акустические колебания звуового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выраженные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах). Спектры широкополосного и тонального шума представлены на рис. Примером широкополосного шума может являться шум реактивного самолёта, тонального – шум дисковой пилы, в спектре шума которого имеется ярко выраженная частота с доминирующим уровнем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на постоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ; непостоянным – если это изменение превышает 5 дБ. непостоянные шумы в свою очередь разделяются на колеблющиеся и, уровень звука которых изменяется непрерывно во времени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причём длительность интервалов, в которых уровень звука остаётся постоянным не менее 1 с (например, шум прерывисто сбрасываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме). Временные характеристики колеблющегося, прерывистого и импульсного шумов показаны на рис.

По природе возникновения шум можно разделить на механический, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Механические шумы возникают по следующим причинам: наличие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникающих из-за движения деталей механизма с переменными ускорениями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбежных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов, ударные процессы (ковка, штамповка, клёпка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные части вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения газа, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара и газа в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания. Причинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и выпуске свободной струи газа; пульсации рабочей среды, вызываемые вращением лопастных колёс вентиляторов, турбин; колебания, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэродинамический шум – один из самых значительных по уровню звука.

Гидравлические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулентность, гидравлические удары). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхностей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также электрические (пондеромоторные) силы, вызываемые взаимодействием электромагнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами.