Меню

Величины звукового давления и интенсивности звука могут меняться в пределах

Звуковое давление и его уровни (spl)

В настоящее статье поговорим о том, что такое звуковое давление, рассмотрим понятие (импеданс) — удельное акустическое сопротивление среды. Также поговорим об уровнях звукового давления и интенсивности звука.

Чтобы лучше понимать о чём сегодня пойдёт речь, советую прочитать предыдущую статью по этой теме ( звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука ).

Звуковое давление

Звуковая волна, как мы уже рассматривали в прошлой статье, распространяется в среде в виде волн сжатия и разряжения плотности.

В газах (в том числе и воздухе) плотность и давление связаны между собой:

p = RTp

А поскольку у волны имеются области сжатия и разряжения, то в первой области давление будут выше статического атмосферного. А в случае разряжения – ниже.

Вот как это выглядит:

Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением.

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м².

Наша слуховая система может определять очень большой диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.

На рисунке ниже представлено, различное звуковое давление от звуковых источников в децибелах (про децибелы подробнее читай далее):

Импеданс

Рассматривая звук, в прошлой статье ( читать ) мы выяснили, что звуковая волна зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению, то частицы приобретают малую скорость.

Поэтому импеданс – это удельное акустическое сопротивление среды. Представляет из себя отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды:

Z = p/v

Измеряется в (Па · с)/м или кг/(с · м²).

Удельное акустическое сопротивление для воздуха составляет (при температуре 20 С°) 413 кг/(с · м²). В металле, к примеру, оно составляет 47,7 × 10 кг/(с · м²). Так как в воздухе импеданс достаточно мал, то и излучаемая полезная энергия также мала.

Если рассматривать КПД (коэффициент полезного действия) музыкальных инструментов, голосового аппарата, громкоговорителей и т. п., то оно в воздухе находится в пределах 0,2-1%.

Энергетические параметры

Звуковая волна переносит энергию механических колебаний, значит она имеет энергетические параметры. Среди которых: акустическая энергия P (Дж); мощность W – энергия, переносимая в единицу времени (Вт); интенсивность I – количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²); плотность – количество звуковой энергии в единице объёма (Дж/м²).

Уровни звукового давления (анг. SPL, sound pressure level)

Восприятие громкости человеком происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому. Поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы.

Человек различает огромный диапазон изменения звукового давления от тихого 2 × 10 ⁻⁵ Па до очень громкого 20 Па. Разница составляет 10⁶.

Использовать такую школу очень неудобно. Поэтому в измерительных приборах пользуются логарифмическими единицами – децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой – бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел – единица крупная и неудобная для измерений. Поэтому применяется её десятая часть – децибел.

Уровень звукового давления определяется как:

L = 20 lg p/p₀

Например, если звуковое давление p = 2 Па, то уровень звукового давления равен: L = 20 lg (2 Па/(2 × 10 ⁻⁵) Па) = 20 lg (1 × 10⁺⁵) = 20 × 5 = 100 дБ.

Один децибел – примерно та наименьшая разница в громкости, которую человеческое ухо может почувствовать.

Полезно запомнить следующее. Изменение громкости в 3 дБ равно отношению 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличиться на 3 дБ. Например, если к голосу присоединяется ещё один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ. Если нужно ещё увеличить на 3 дБ, потребуется вдвое увеличить имеющийся состав.

Также можно обратиться к следующей таблице (в ней показано на сколько дБ нужно убавить, чтобы получить звучание в 2 раза тише, в 3 и т. д.):

1% 10% 25% 33% 50% 100%
1/100

(в 100 раз тише)

1/10

(в 2 раза тише)

1/1
-40дБ -20дБ -12 дБ -10 дБ — 6 дБ 0 дБ

Для определения суммарного уровня давления нескольких инструментов их никогда не складывают. Вначале необходимо рассчитать значение звукового давления каждого инструмента. Допустим играют две скрипки. Одна с уровнем 80 дБ, другая 86 дБ. У первой звуковое давление равно — 0,2 Па, второй — 0,4 Па.

Рассчитывается так: L = 20 lg p/p₀, значит 80 дБ = 20 lg p / (2 × 10 ⁻⁵), далее lg p / (2 × 10 ⁻⁵) = 4. Следовательно 10⁴ = p / (2 × 10 ⁻⁵), отсюда значение звукового давления будет p = 0,2 Па.

После этого определяется суммарное звуковое давление

В нашем случае суммарное давление равно p = 0, 447 Па. Затем определяется суммарный уровень звукового давления. Который равен 86,98 дБ.

Уровень интенсивности звука

Уровень интенсивности звука также измеряется в децибелах по формуле:

L₁ = 10 lg I/I₀

I₀ – нулевой уровень, равный 10⁻¹² Вт/м².

Мощность, напряжение, ток

Перечисленные электрические характеристики также часто приводятся в децибелах и имеют свои специальные обозначения. Приведём несколько примеров:

L dBm = 10 lg WВт/ 1мВт – уровень мощности отнесённый к 1 мВт

L dBv = 20 lg UB/1B – уровень напряжения, отнесённый к 1 В (Америка)

L dBv = 20 lg UB/0,775 B – уровень напряжения, отнесённый к 0,775 В (Европа)

Спасибо, что читаете New Style Sound ( подписаться на новости )

Похожие записи

Пять причин вернуться к виниловым пластинкам

5 / 5 ( 18 голосов ) В статье перечислены минимум пять причин, чтобы отвернуться от цифрового звука и обратить…

Oversampling, upsampling и downsampling. В чём отличия?

5 / 5 ( 25 голосов ) В прошлой статье мы познакомились с понятием передискретизация. В этой разберёмся в понятиях…

Передискретизация (resampling).

5 / 5 ( 25 голосов ) При обработке сигналов приходится встречаться с понятием передискретизация. Что оно означает, зачем нужно…

Предел Найквиста и побочные эффекты дискретизации

5 / 5 ( 21 голос ) Предел Найквиста что эта за величина, почему современные компакт-диски и аудиофайлы имеют стандарт…

Нелинейные искажения

5 / 5 ( 29 голосов ) Нелинейные искажения, как показывает само название, это искажения, которые возникают при прохождении сигнала…

Книги

СВЕДЕНИЕ И МАСТЕРИНГ МУЗЫКАЛЬНАЯ АКУСТИКА СЕКВЕНСОРЫ И ПЛАГИНЫ МИКРОФОНЫ ЗАПИСЬ МУЗЫКАЛЬНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ КОНЦЕРТНЫЙ ЗВУК ЗВУК НА РАДИО И ТЕЛЕВИДЕНИИ ГАЗЕТЫ…

Условия и правила

Следующие правила необходимо прочитать прежде чем регистрироваться на сайте, во избежании спорных моментов. Представители сайта (nssound.ru) не несут ответственности за…

Статьи New Sytle Sound

60 SHARES Facebook Tweet Подписаться Share Share Share Share Share

Источник

Влияние на человека

Физическое понятие об акустических колебаниях охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред: акустические колебания в диапазоне 16 Гц – 20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми, с частотой менее 16 Гц – инфразвуковыми, выше 20 кГц – ультразвуковыми.

Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми: нижняя – порог слышимости, верхняя, – порог болевого ощущения. Самые низкие значения порогов лежат в диапазоне 1 – 5 кГц. Порог слуха молодого человека составляет 0 дБ на частоте 1000 Гц, на частоте 100 Гц порог слухового восприятия значительно выше, так как ухо менее чувствительно к звукам низких частот.

Болевым порогом принято – считать звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и интенсивности 100 Вт/м 2 . Звуковые ощущения оцениваются по порогу дискомфорта (слабая боль в ухе, ощущение касания, щекотания).

Шум определяют, как совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность: разговорная речь – 50 – 60 дБ·А, автосирена – 100 дБ·А, шум двигателя легкового автомобиля – 80 дБ·A, громкая музыка – 170 дБ·А, шум от движения трамвая – 70 – 80 дБ·А, шум в обычной квартире – 30 – 40 дБ·А.

В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой–либо возмущающей силы. Частицы среды при этом начинают колебаться относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний (колебательная скорость v ) значительно меньше скорости распространения волны (скорости звука с).

Так как при эксплуатации КСр звуковые волны, влияющие на человека, распространяются в воздухе, то распространение звука в твердой и жидкой средах нами рассматриваться не будут.

В газообразной среде скорость звука

,

где c – показатель адиабаты (для воздуха c = 1,41);

При нормальных атмосферных условиях (T = 293 °К и РСТ = 1034 гПа) скорость звука c в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое полеэто область пространства, в которой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени.

Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р. Единица измерения звукового давления – Па.

На слух действует средний квадрат звукового давления

,

где черта означает осреднение во времени, которое в органе слуха человека происходит за Т = 30 – 100 мс.

В плоской звуковой волне, т.е. такой, в которой поверхность, проходящая через точки с одинаковой фазой колебаний, является плоскостью, перпендикулярной направлению распространения колебания, отношение звукового давления к колебательной скорости не зависит от амплитуды колебаний.

Оно равно (Па·с/м) p/v = r·c, где r·с – удельное акустическое сопротивление среды, которое для воздуха, например, равно 410 Па·с/м, для воды 1,5·10 6 Па·с/м, для стали 4,8·10 7 Па·с/м.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой–либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке I (Вт/м 2 ):

. (20.1)

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. Естественно, что оперировать такими цифрами довольно неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что ухо человека способно реагировать на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому были введены логарифмические величины – уровни звукового давления и интенсивности.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по формуле

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

Величина уровня звукового давления (дБ)

L = 10 lg,

где р пороговое звуковое давление, выбранное таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях уровни звукового давления были равны уровням интенсивности, т.е. р =2·10 –5 Па на частоте 1000 Гц; р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Пороговая интенсивность звука (Вт/м 2 )

I =, (20.2)

где r·c – плотность и скорость звука при нормальных атмосферных условиях.

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

Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления получим, разделив выражение (20.1) на выражение (20.2) и прологарифмировав

При нормальных атмосферных условиях LI = L. Уменьшение шума ΔL определяют также в децибелах:

Например, если шум агрегата снизить по интенсивности в 1000 раз, то уровень интенсивности будет уменьшен на 30 дБ, т.е. ΔL = 10 lg 1000 = 30 дБ.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, складывают их интенсивности, но не уровни. При этом считается, что источники некогерентны, т.е. создаваемые ими давления имеют произвольные фазы I = I1 + I2 + … + In.

Искомый уровень интенсивности (дБ) при одновременной работе этих источников получим, разделив левую и правую части данного выражения на I и прологарифмировав:

где L1, L2, … , Ln уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым источником (или гармоническими составляющими одного и того же источника) в расчетной точке.

Рассмотренные особенности суммирования уровней имеют большое практическое значение для шумоглушения. Так, при большом числе одинаковых источников глушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум от более мощных источников.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления Li, создаваемым каждым источником, то суммарный шум (дБ) L = Li+10 lg n. Из этой формулы видно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник.

Любую зависимость какой–либо величины (например, звукового давления) от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа синусоидальных колебаний этой величины. Каждое такое колебание характеризуется своим среднеквадратичным значением физической величины и частотой f, т.е. числом колебаний в секунду (Гц).

Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

По спектральному составу в зависимости от преобладания звуковой энергии в соответствующем диапазоне частот различают низко–, средне– и высокочастотные шумы, по временным характеристикам – постоянные и непостоянные, последние, в свою очередь, делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные, по длительности действия – продолжительные и кратковременные.

С гигиенических позиций придается большое значение амплитудно– временным, спектральным и вероятностным параметрам непостоянных шумов, наиболее характерных для современного производства и эксплуатации КСр.

Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, исключительно сильное влияние оказывает шум на быстроту реакции, сбор информации и аналитические процессы, из–за шума снижается производительность труда и ухудшается качество работы. Шум затрудняет своевременную реакцию работающих на предупредительные сигналы внутрицехового транспорта (автопогрузчиков, мостовых кранов и т.п.), что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.

В биологическом отношении шум является заметным стрессовым фактором, способным вызвать срыв приспособительных реакций. Акустический стресс может приводить к разным проявлениям: от функциональных нарушений регуляции ЦНС до морфологически обозначенных дегенеративных деструктивных процессов в разных органах и тканях. Степень шумовой патологии зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, функционального состояния ЦНС и, что очень важно, от индивидуальной чувствительности организма к акустическому раздражителю. Индивидуальная чувствительность к шуму составляет 4 – 17 % . Считают, что повышенная чувствительность к шуму определяется сенсибилизированной вегетативной реактивностью, присущей 11 % населения. Женский и детский организм особенно чувствительны к шуму. Высокая индивидуальная чувствительность может быть одной из причин повышенной утомляемости и развития различных неврозов.

Шум оказывает влияние на весь организм человека: угнетает ЦНС, вызывает изменение скорости вдыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно–сосудистых заболеваний, гипертонической болезни, может приводить к профессиональным заболеваниям.

Шум с уровнем звукового давления до 30 – 35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40 – 70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, и при длительном действии может быть причиной неврозов. Воздействие шума уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха – профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть (плак.20.1).

Специфическое шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анализатора, проявляется медленно прогрессирующим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у других – потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве.

Плакат 20.1. Классификация шумов в зависимости от

интенсивности и частоты

Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ – начинает серьезно мешать человеку, так как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи.

Оценка состояния слуховой функции базируется на количественном определении потерь слуха и производится по показателям аудиометрического исследования. Основным методом исследования слуха является тональная аудиометрия. При оценке слуховой функции определяющими приняты средние показатели порогов слуха в области восприятия речевых частот (500, 1000, 2000 Гц), а также потеря слухового восприятия в области 4000 Гц.

Критерием профессионального снижения слуха принят показатель средней арифметической величины снижения слуха в речевом диапазоне, равный 11 дБ и более. Помимо патологии органа слуха при воздействии шума наблюдаются отклонения в состоянии вестибулярной функции, а также общие неспецифические изменения в организме; рабочие жалуются на головные боли, головокружение, боли в области сердца, повышение артериального давления, боли в области желудка и желчного пузыря, изменение кислотности желудочного сока. Шум вызывает снижение функции защитных систем и общей устойчивости организма к внешним воздействиям.

Ультразвуккак упругие волны не отличается от слышимого звука, однако, частота колебательного процесса способствует большему затуханию колебаний вследствие трансформации энергии в теплоту.

По частотному спектру ультразвук классифицируют на: низкочастотный – колебания 1,12·10 4 – 1,0·10 5 Гц; высокочастотный – колебания 1,0·10 5 – 1,0·10 9 Гц; по способу распространения – на воздушный и контактный ультразвук.

Низкочастотные ультразвуковые колебания хорошо распространяются в воздухе. Биологический эффект воздействия их на организм зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемой действию ультразвука. Длительное систематическое влияние ультразвука, распространяющегося в воздухе, вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно–сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов.

У работающих на ультразвуковых установках отмечают выраженную астению, сосудистую гипотонию, снижение электрической активности сердца и мозга.

Изменения ЦНС в начальной фазе проявляются нарушением рефлекторных функций мозга (чувство страха в темноте, в ограниченном пространстве, резкие приступы с учащением пульса, чрезмерной потливостью, спазмы в желудке, кишечнике, желчном пузыре).

Наиболее характерны вегетососудистая дистония с жалобами на резкое утомление, головные боли и чувство давления в голове, затруднения при концентрации внимания, торможение мыслительного процесса, на бессонницу.

Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, снижению болевой чувствительности, т.е. развиваются периферические неврологические нарушения. Установлено, что ультразвуковые колебания могут вызывать изменения костной структуры с разрежением плотности костной ткани.

Профессиональные заболевания зарегистрированы лишь при контактной передаче ультразвука на руки – вегетосенсорная (ангионевроз) или сенсомоторная полиневропатия рук.

Инфразвук область акустических колебаний с частотой ниже 16 – 20 Гц. В условиях производства инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, в ряде случаев – с низкочастотной вибрацией.

При воздействии инфразвука на организм уровнем 110 – 150 дБ могут возникать неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения: нарушения в ЦНС, сердечно–сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе.

Отмечают жалобы на головные боли, головокружение, осязаемые движения барабанных перепонок, звон в ушах и голове, снижение внимания и работоспособности; может появиться чувство страха, сонливость, затруднение речи; специфическая для действия инфразвука реакция – нарушение равновесия.

При воздействии инфразвука с уровнем 105 дБ отмечены психофизиологические реакции в форме повышения тревожности и неуверенности, эмоциональной неустойчивости.

Установлен аддитивный характер действия инфразвука и низкочастотного шума. Следует отметить, что производственный шум и вибрация оказывают более агрессивное действие, чем инфразвук сопоставимых параметров.

Ультразвук и инфразвук могут возникать при работе двигателей ракет–носителей, двигателей внутреннего сгорания, дизель–генераторов, дизель–электрических станций и т.д.

Кроме того, инфразвук возникает в атмосфере, в лесу, на море (так называемый голос моря).

Источником инфразвука является гром, взрывы, орудийные выстрелы, землетрясения.

Для инфразвука характерно малое поглощение. Поэтому инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространяться на очень большие расстояния.

Это свойство инфразвука используется как предвестник стихийных бедствий, для исследования свойств атмосферы и водной среды.

2. Нормирование уровней звуковых колебаний (шума)

Дата добавления: 2014-01-07 ; Просмотров: 822 ; Нарушение авторских прав?

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Читайте также:  Цифровой дифманометр для измерения давления газа
Adblock
detector