2. 8.1. Акустичні величини

Звуковими хвилями називаються коливні збурення, що поширюються від джерела шуму в навколишнє середовище.

Довжина хвилі — це відстань, котру проходить звукова хвиля протягом періоду коливання (відстань між двома сусідніми шарами повітря, що мають однаковий звуковий тиск, виміряний одночасно).

В ізотропному середовищі довжина хвилі прямо пропорційна швидкості поширення звукових хвиль С (для повітря С=340 м/с при t=20 °С) і обернено пропорційна частоті коливань /, Гц

Швидкість звуку залежить від фізичних властивостей тіла (густини, пружності тиску тощо), в котрому поширюється звук та від температури. В повітрі збільшення швидкості складає 0,6 м/с при підвищенні температури на 1 °С.

Частота коливань— число коливань за одну секунду. Одне коливання за секунду — 1 Гц. Октавна смуга частот — смуга в котрій верхня гранична частота в два рази перевищує нижню. Третиннооктавна смуга — смуга, в котрій співвідношення граничних частот складає 1,26.' Середньогеометрична частота октавної смуги:

де /j — нижня гранична частота,Г ц, /2 — верхня гарнична частота, Гц.

Чутні звуки обмежуються певною частотою звуку. Людина чує звуки в частотному діапазоні 16—20000 Гц. Звуки з частотою ЗО—300 Гід вважаються низькими, з частотою 300—800 Гц — середніми, з частотою, понад 800 Гц — високими.

Крім швидкості звуку С, розрізняють швидкість коливного руху частинок в звуковій хвилі v, котра залежить від амплітуди коливань (тобто від звукового тиску р) та частоти

Величина рС називається питомим акустичним опором середовища, через котре поширюється звук. Для повітря при нормальному тиску (барометричний тиск 760 MM, t=20 °С, густина р=0,001205 г/см3, С=344 м/с, рС=41г/см2с).

Питомий опір має важливе значення при розгляді проблем відбивання та поглинання звуків.

Звук, що поширюється в повітряному середовищі, називається повітряним звуком, в твердих тілах — структурним. Частина повітря, охоплена коливним процесом, називається звуковим полем. Вільним називається звукове поле, в котрому звукові хвилі поширюються вільно, без перешкод (відкритий простір, акустичні умови в спеціальній заглушеній камері, облицьованій звукопоглинальним матеріалом).

Дифузним називається звукове поле, в котрому звукові хвилі надходять до кожної точки простору з однаковою ймовірністю з усіх сторін (зустрічається в приміщеннях, внутрішні поверхні котрих мають високі коефіцієнти відбивання звуку).

В реальних умовах (приміщення або територія підприємства) структура звукового поля може бути якісно близькою (або проміжною) до граничних значень — вільного або дифузного звукового поля.

Повітряний звук поширюється у вигляді поздовжніх хвиль, тобто хвиль, в котрих коливання частинок повітря співпадають з напрямком руху звукової хвилі. Найбільш поширена форма поздовжніх звукових коливань — сферична хвиля. її випромінює рівномірно в усі сторони джерело звуку, розміри котрого малі порівняно з довжиною хвилі.

Структурний звук поширюється у вигляді поздовжніх та поперечних хвиль. Поперечні хвилі відрізняються від поздовжніх тим, що коливання в них відбуваються в напрямку, перпендикулярному напрямку поширення хвилі. Рух звукової хвилі в повітрі супроводжується періодичним підвищенням та пониженням тиску Тиск, що перевищує атмосферний, називається акустичним, або звуковим тиском. Чим більший звуковий тиск, тим гучніший звук.

Мірою інтенсивності звукових хвиль в будь-якій точці простору є величина звукового тиску — надлишковий тиск в даній точці середовища порівняно з тиском за відсутності звукового поля. Одиниця вимірювання звукового тиску р, Н/м2; 1 Н/м2=1 Па (Паскаль). Існують нижня та верхня межі чутності. Нижня межа чутності називається порогом чутності, верхня — больовим порогом. Порогом чутності називається найменша зміна звукового тиску, котру ми відчуваємо. При частоті 1000 Гц (на цій частоті вухо має найбільшу чутливість) поріг чутності складає р0 = 2 ■ 10~5 Н/м2. Поріг чутності сприймає приблизно 1% людей.

Больовий поріг — це максимальний звуковий тиск, котрий сприймається вухом як звук. Тиск понад больовий поріг може викликати пошкодження органа слуху. При частоті 1000 Гц за больовий поріг прийнято звуковий тиск Р=20 Н/м2. Відношення звукових тисків при больовому порозі та порозі чутності складає 106. Це діапазон звукового тиску, що сприймається вухом.

Для більш повної характеристики джерел шуму введено поняття звукової енергії, що випромінюється джерелами шуму в навколишнє середовище за одиницю часу.

Величина потоку звукової енергії, що проходить за 1 с через площу 1 м2, перпендикулярно до напрямку поширення звукової хвилі, є мірою інтенсивності звуку або сили звуку. Сила звуку виражається залежністю:

При пороговому значенні звукового тиску р0 = 2-10~5 Н/мі
порогове значення сили звуку І0 = 10~іг Вт/м2.                                                        '

Силою звуку характеризується гучність. Чим більший потік енергВ що випромінюється джерелом звуку, тим вища гучність. Звукові потужність джерела:

де S — площа.

При випромінюванні в сферу радіусом г — 5=4лгг, в напівсферу — S^Jtr2.

Якщо джерело звуку знаходиться біля стіни, випромінювання відбувається в чверть сфери.

При великому числі джерел звуку їх звукова потужність рівна сумі потужностей окремих джерел:   -

В зв'язку з тим, щоміж слуховим сприйняттям та подразнення^ існує приблизна логарифмічна залежність, для вимірювання звукового тиску, сили звуку та звукової потужності прийнята логарифмічна шкала. Це дозволяє великий діапазон значень (за звуковим тиском — 106, за силою звуку — 1012) вкласти в порівняно невеликий інтервал логарифмічних одиниць. В логарифмічній шкалі кожен наступний ступінь цієї шкали більший від попереднього в 10 разів. Це умовно вважається одиницею вимірювання 1 бел (Б). В акустиці використовується дрібніша одиниця — децибел (дБ), рівна 0,1 Б.

Величина, виражена в белах або децибелах, називається рівнем цієї величини. Якщо сила одного звуку більша від іншого в 100 разів, то рівні сили звуку відрізняються на 1д 100=2 Б, або 20 дБ.

Рівень сили звуку в белах і децибелах виражається формулами:

Якщо в формулу (2.35) підставити замість / його значення з формули (2 42), а замість І0 р02/(рС), то отримаємо рівень звукового тиску

Існує розмежування областей застосування термінів „рівень звуку" та ..рівень звукового тиску". Для характеристики простих звуків в октавних смугах частот застосовується термін «рівень звукового тиску»; для характеристики складних звуків (тобто не розкладених по октавних смугах) — «рівень звуку» в дБА (децибел за шкалою шумоміра А). Між логар Омічними одиницями дБ та відповідними їм звуковими тисками в Н/м Існує наступний зв'язок: зміна рівня звукового тиску на 10 дБ відповідає зміні звукового тиску (котра характеризує гучність) в 3 рази.

Крім рівня звуку та рівня звукового тиску існує поняття рівня звукової потужності:

де W0=1012, Вт — порогове значення звукової потужності.

Спектром звукової потужності (звукового тиску) називається сукупність рівнів звукової потужності, виміряних в стандартних смугах частот — октавних, третиннооктавних, вузькосмугових.

Шумові характеристики джерел шуму, що визначаються згідно з ГОСТ 12.1.003-86.ССБТ „Шум, общие требования безопасности": спектр звукової потужності, коректований рівень звукової потужності, показник напрямленості випромінювання.

Нерівномірність випромінювання шуму джерела в різних напрямках виражається за допомогою фактора напрямленості:

де Р — середньоквадратичнезначення звукового тиску в заданій точці, Н/м2;

РСЕР— середньоквадратичне значення звукового тиску в заданій точці при рівномірному випромінюванні тієї ж звукової потужності в сферу, Н/м2.

При розташуванні джерела на одній площині (на підлозі, стіні, біл екрана, котрий відбиває звукові хвилі) Ф=2; поряд з двогранним кута Ф=4; поряд з тригранним — Ф=<§.

Рівень звуку LA, дБА, вимірюється шумоміром при ввімкненій корекц «А» та при вимкнених смугових фільтрах. Корекція «А» дозволяє здійснюват інтегральну оцінку, наближену до сприйняття шуму людським вухом.

Еквівалентний рівень (за енергією) звукового тиску Le, дБ, або звуго дБА, дозволяє визначити середній рівень протягом періода усередненн Т з врахуванням часового інтервалу tt, с, протягом котрого рівен знаходиться в заданих межах:

де і— номер інтервале рівнів (1=1, 2,...,п).