Рис. 2. Изменение соотношения эталонных частот биологического и социального времениВ верхней части рис. 2 условно показана общая продолжительность глобального исторического процесса (шкала времени - условная, неравномерная). Ниже размещены две оси времени. На них

Процесс передачи колебаний в среде называется волновым .

Рис. 1 Волновое движение

Основная характеристика волнового движения – длина волны, т.н. расстояние между двумя точками волны, пребывающими в одной фазе. Другая характеристика – амплитуда волны – расстояние, на которое колеблющаяся частица отклоняется от положения равновесия.

Волновое движение характеризуется также частотой f этого движения и скоростью распространения.

Частота – количество колебаний в единицу времени (обычно в секунду, с), измеряется в герцах, Гц.

Частота звуковых волн, воспринимаемых нормальным ухом человека, лежит в пределах от 16 до 16000 Гц. Колебания с частотой меньше 16 Гц называются инфразвуком, больше 16000 Гц – ультразвуком.

Рис. 2 [__] Частота в октавных интервалах

Звук как физическое явление представляет собой волновое движение упругой среды; как физическое явление он представляется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн в диапазоне частот 16-16000 Гц. Другими словами звуком называют механические колебания упругого тела в частотном диапазоне слышимости человека.

Процесс распределения колебательного движения в среде называется звуковой волной . Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем .

Звуковые волны подобно всякому волновому движению характеризуются длиной волны λ в м, частотой f в герцах, Гц, и периодом колебания Т в секундах, с, а также скоростью их распространения С в м/с.

Зависимость между этими величинами может быть представлена следующим образом:

λ = С / f = С · Т (1)

Если смещение частиц среды происходит в направлении распространении звуковой волны, то такие волны называют продольными. В воздухе и на жидкостях звук распространяется только в виде продольных волн. В твердых телах наряду с продольными происходит образование поперечных и изгибных волн.

С целью анализа звукового поля звуковой диапазон (16-16000 Гц) разбивают на полосы (интервалы, шаги).

Октавная полоса – диапазон частот, в котором верхняя граничная частота f 2 в два раза больше нижней f 1 .

Третьоктавная полоса частот – диапазон частот, в котором это соотношение равно 1,26 (f 2 = 1,26 f 1). Октавная и третьоктавные полосы характеризуются среднегеометрической часто-той полосы

(2)

Граничные и среднегеометрические частоты октавных и третьоктавных полос приведены в табл. П1.

Таблица П.1

Граничные и среднегеометрические

частоты октавных и третьоктавных полос, Гц

Для воздуха зависимость скорости от температуры выглядит:

С = 331,4 + 0,6t , м/с (3)

где 331,4 – скорость звука в воздухе при 0ºС;

t – температура окружающей среды, ºС.

Таблица 1

Скорость звука в различных материалах

Если принять среднюю скорость звука в воздухе 340 м/с, то можно получить зависимую от частоты длину волны.

Изменение состояния среды в звуковом поле характеризуется звуковым давлением р и колебательной скоростью частиц среды V .

Звуковое давление р – разность между мгновенным значением полного давления и средним (атмосферным) давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля. Единица измерения звукового давления р – Н/м 2 , 1 Н/м 2 = 1 Па (Паскаль).

Колебательной скоростью частиц среды V называется мгновенное значение скорости колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны. Колебательная скорость частиц среды является векторной величиной, единица измерения – м/с.

Связь между этими физическими величинами в плоской бегущей волне определяется соотношением

р = V ρс, (4)

где ρ – плотность среды. Величина ρс – постоянная для данной среды – называется акустическим (волновым) сопротивлением и для воздуха при нормальных атмосферных условиях (р = 10 5 Па, t = 20°С) ρс = 408 Па·с/м.

Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука I , которая измеряется в Вт/м 2 . Связь между звуковым давлением и интенсивностью звука в бегущей волне устанавливается соотношением:

, (5)

где черта означает осреднение во времени.

Другой энергетической характеристикой звукового поля является плотность звуковой энергии ω в Дж/м 3 , равная количеству звуковой энергии, содержащейся в единице объема.

Для плоских звуковых волн определяется соотношением

Интенсивность звука является векторной, а плотность звуковой энергии скалярной величинами.

Человек воспринимает звук лишь в определенных интервалах. Минимальное значение звукового давления, которое человек воспринимает как звук, называется порогом слышимости (р 0 = 2·10 -5 Па). Максимальное значение звукового давления, которое воспринимает человек без риска повреждения слуха, называется болевым порогом (р = 2·10 2 Па). Порогу слышимости соответствуют звуки интенсивностью I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , а болевому порогу – I = 10 2 Вт/м 2 .

Вводится понятие так называемого уровня, в котором абсолютные величины берутся в отношении к определенным величинам (на пороге слышимости), и это отношение логарифмируется. Единицей измерения является децибел (дБ). Таким образом, децибел – это число, выражающее в логарифмическом масштабе отношение двух величин .

Уровень интенсивности звука, дБ,

Уровень звукового давления, дБ,

Рис. 3 Область слухового восприятия звука человеком

Так как децибел – логарифмическая величина, то арифметические действия с ним имеют свои особенности, например:

L 1 + L 2 = 70 дБ + 70 дБ = 10lg (10 0,1·70 + 10 0,1·70) =

10lg (10 7 + 10 7) = 10lg (2·10 7) = 10 · 7,3 = 73 дБ

Формула сложения децибел имеет вид:

L 1 + L 2 = 10lg (10 0,1· L 1 + 10 0,1· L 2)

В общем виде при наличии нескольких источников звука суммарные уровни звукового давления определяются по формуле

, (9)

где L i – слагаемые уровни звукового давления, дБ;

n – общее число слагаемых.

L = L 1 + ΔL (L 1 > L 2) (10)

Пример. Требуется найти суммарный для трех слагаемых уровней:L 1 = 86 дБ; L 2 = 80 дБ; L 3 = 88 дБ. Разность ΔL 3,1 =2 дБ; поправка ΔL 1 =2 дБ; L 3,1 = 90 дБ; L 3,1 – L 2 = 10 дБ, поправка ΔL 2 = 0,4 дБ; L 3,1,2 = 90,4 дБ.

Приборы для измерения шума называются шумомерами. Эти приборы состоят из микрофона, усилителя и измерительного прибора со шкалами А, В, С и D . Полную характеристику шума может дать измерение уровня звукового давления по шкале С и его частотная характеристика (распределение компонентов шума по частоте и уровню звукового давления). Для того, чтобы приблизить результаты измерений к субъективному восприятию человека введено понятие корректированного уровня звукового давления. Наиболее употребительная коррекция шумомера А .

Рис. 4 А шумомера

Стандартное значение коррекции ΔL А приведено ниже

Коррективный уровень звукового давления

L А = L – ΔL А (11)

называется уровнем звука в дБА.

Таким образом, определение уровней звука в дБА следующее – это энергетическая сумма октавных уровней звукового давления в нормируемом диапазоне частот, откорректированных по частотной характеристике А шумомера.

Пример определения уровня звука в дБА

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум – всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р мг – Р ст .

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

Время усреднения давления: Т о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии .

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

Интенсивность, Вт/м 2 , связана со звуковым давлением зависимостью

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению – до 10 8 раз, по интенсивности – до 10 16 раз. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

где Р о = 2×10 -5 Па – пороговое звуковое давление; Р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Уровень интенсивности звука, дБ:

где I – действующая интенсивность звука; I о = 10 -12 Вт/м 2 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (на частоте 1000 Гц).

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчётов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Интенсивность I max и величина звукового давления P max , соответствующие болевому порогу: I max = 10 2 Вт/м, P max = 2×10 2 Па.

Частотный спектр шума – зависимость уровня интенсивности (уровня звукового давления) от частоты: L = L(ƒ). Весь слышимый диапазон частот разбит на 9 октавных полос. Октавная полоса, или октава – это частотный диапазон, для которого выполняется условие

Различают следующие виды спектров:

- дискретный (линейчатый) – спектр, синусоидальные составляющие которого отделены друг от друга по частоте (рис. 6.1);

Октавная полоса – полоса частот, в которой верхняя граничная частота fв равна удвоенной нижней частоте fн, т.е. fв/fн = 2.

Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой fСГ:

fв=2* fн=357*2=714 Гц

Ответ: верхняя граничная частота равна 714 Гц, нижняя граничная частота равна 357 Гц.

2.4 Электромагнитные поля и излучения

Считается, что наиболее вредными для человеческого организма являются электромагнитные излучения с длиной волны 20-30 см. Какова частота этих волн? Какие параметры нормируются для этого диапазона?

Частота волны определяется по следующей формуле:

с – скорость света в вакууме ;

– длина волны,

Определим частоты волн для крайних точек диапазона длин волн :

Таким образом получаем, что для диапазона длин волн соответствует следующий диапазон частот .

Действующее значение напряженности электрического поля, измеренное на расстоянии 1 м от экрана телевизора, оказалось равным Е В/м. Эффективным способом защиты от электромагнитных излучений является защита расстоянием. Считая, что напряженность Е убывает с расстоянием

пропорционально кубу, определить, на каком расстоянии будет измерено принимаемое рядом исследователей за безопасное значение Едоп.= 0,5 В/м? Чему равно Е на расстоянии х=2 м и на рекомендуемом гигиенистами расстоянии 4 м?

Так как напряженность Е убывает с расстоянием пропорционально кубу, определим на каком расстоянии будет измерено принимаемое рядом исследователей за безопасное значение Едоп.= 0,5 В/м:

Так же определим напряженность Е на различных расстояниях от экрана телевизора:

И в заключении определим напряженность Е на рекомендуемом расстоянии просмотра телевизора :

Таким образом, получим, что напряженность убывает с увеличением расстояния от источника излучения, в данном случае – телевизора. Наиболее рекомендуемое расстояние r = 4 м предпочтительнее, так как является оптимальным вариантом, при котором обеспечивается наиболее комфортный просмотр ТВ, а так же происходит не значительное значение действующего напряжения.