Нормирование шума

Шум представляет собой сложный звук нестационарного характера, составляющие которого имеют различную частоту и интенсивность [3]. Известно, что звук как физическое явление – это волновое колебание упругой среды, поэтому волны его возникают всегда, когда в такой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы этой среды (газообразной, жидкой, твёрдой) совершают колебательные движения вследствие действия на них возмущающей силы. С точки зрения природы возникновения между звуками, шумом и вибрацией никакой разницы нет. Все они в основе своей складываются из гармонических колебаний. Разница состоит лишь в психофизиологическом их восприятии. Вибрация воспринимается осязанием, шум – слухом. Слуховое ощущение, возникающее у человека, называется звуком. Человек воспринимает звуковые раздражения в диапазоне частот 20…20000 Гц и способен выполнять тонкий анализ и синтез звуков, выбирать из большой массы полезные звуки и соответствующим образом реагировать на них. К звукам с частотой < 20 Гц – инфразвукам и > 20 кГц – ультразвукам человеческое ухо не чувствительно.

Обычные техногенные шумы возникают как следствие вибрации каких-либо поверхностей, причём с увеличением поверхностей и амплитуды их колебаний излучаемый шум усиливается. Исключение из этого составляют лишь аэродинамические шумы (вентиляторы, воздушные струи) и шумы, порождаемые трансформаторами, электрическими генераторами и двигателями.

Определяющими характеристиками источника колебаний являются частота f и интенсивность колебаний – звуковое давление p. Кроме того, звуковая волна характеризуется длиной λ и периодом Т:

(1)

где a – скорость распространения звукового колебания в исследуемой среде (скорость звука), которая для идеального газа при адиабатном процессе и плотности среды ρ будет (k – показатель адиабаты).

При исследовании вопросов излучения, отражения и распространения звука в разных средах важную роль играют акустическое сопротивление среды и такая энергетическая его характеристика, как сила J звука.

Под силой J звука понимают количество звуковой энергии, переносимое волной в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения волны. В случае плоской синусоидальной волны

(2)

Для практических целей введено понятие уровня L силы звука, выражаемого в логарифмических единицах – децибелах (дБ). А так как сила звука пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень силы звука определяют также через величины звукового давления

(3)

где J и p – измеряемые величины;

J₀ – пороговое значение силы звука, равное 10^-12 Вт/м²;

p₀ – звуковое давление, условно принятое за порог чувствительности уха человека (2·10^-5 Па).

Причём различают такие параметры, как уровень интенсивности звука L_J и уровень звукового давления L_p.

Спектры шума обуславливаются наличием в колебательном процессе синусоид с различными амплитудами, фазами и длинами волн, вследствие чего их делят на три вида: дискретные, или линейчатые, сплошные и смешанные. Дискретные спектры характеризуются наличием одной или нескольких частотных составляющих с высшими для них гармониками (например, спектры шума машин с вращающимися частями). Сплошные спектры – результат статистического сочетания большого количества случайных частотных составляющих (шумы ударного и взрывного происхождения). Смешанные спектры шумов наиболее распространены на практике и представляют собой сочетание дискретных составляющих и сплошного шумового фона. Спектры шума двигателей внутреннего сгорания, как правило, смешанные (рисунок 1).

I – зона дискретных частотных составляющих; II – зона сплошного спектра

Рисунок 1 – Спектр шума двигателя внутреннего сгорания

Для объективных измерений уровня громкости шума (звука) используется шумомер, блок-схема которого представлена на рисунке 2.

1 – микрофон; 2 – усилитель; 3 – корректирующие фильтры; 4 – детектор; 5 – индикатор

Рисунок 2 – Блок-схема шумомера

Шумомер состоит из микрофона 1, воспринимающего звуковое давление, усилителя 2 (измерительного звена) и называемого обычно шумомером, корректирующих фильтров 3, обеспечивающих требуемую форму частотной характеристики, детектора 4, преобразующего сигналы в удобную для восприятия форму, и индикатора 5, проградуированного в дБ.

Микрофоны применяют с достаточно широким рабочим частотным диапазоном, с высокой и стабильной чувствительностью и возможно меньшими размерами. При внесении в звуковое поле они не должны его искажать. Обычно используют конденсаторные, электродинамические, пьезоэлектрические и керамические микрофоны. Лучшими из них считаются конденсаторные и пьезоэлектрические.

Шумомеры снабжаются комплектами фильтров для трёх определённых диапазонов значений частот, позволяющих измерять уровень громкости чистых тонов в диапазонах: 25…55 фон – характеристика А, 55…85 фон – В и от 85 фон – С. Если, например, произведено измерение уровня громкости звука по шкале А, то его значение будет выражаться в дБ с пометкой А (дБ«А», дБ(А) или дБА).

Для выявления доли звучания отдельных источников в общем шумообразовании двигателя обычно применяют метод последовательного исключения источников шума при одновременном измерении частотных спектров. Благодаря этому удаётся оценивать как количественные, так и качественные акустические особенности источников шума. Результаты исследования этим методом карбюраторного двигателя ЗИЛ-130 и дизеля ЯМЗ-236 приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Частотное распределение акустического излучения систем и механизмов двигателей ЯМЗ-236 и ЗИЛ-130

Для оценки характера шума введена их классификация по спектральным и временным характеристикам [1].

По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и тональные. Под широкополосными шумами понимают шумы, имеющие непрерывный спектр шириной более октавы (рисунок 3, а).

а – непрерывный спектр; б – тональный спектр; в – колеблющийся во времени спектр; г – импульсный спектр; д – прерывистый спектр

Рисунок 3 – Разновидности шумового спектра

В технике приняты октавные полосы со среднегеометрическими частотами, например, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Характерным примером широкополосного шума является шум турбореактивного двигателя.

Тональный шум характеризуется тем, что в спектре присутствуют отдельные слышимые дискретные тона (рисунок 3, б). Тональность шума определяют в процессе измерений уровня звукового давления L_p в третьоктавных полосах частот при превышении уровня в одной полосе над соседними более чем на 10 дБ. Пример тонального шума – шум осевого вентилятора.

По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. Постоянные шумы в процессе измерения на временной характеристике шумомера «медленно» не изменяют уровень сигнала более чем на 5 дБА. В случае непостоянных шумов это изменение может быть более 5 дБА.

В свою очередь, непостоянные шумы делятся на импульсные, прерывистые и колеблющиеся во времени.

Импульсные шумы, состоящие из одного или нескольких звуковых импульсов, каждый длительностью менее 1 с и уровнями звука (L_p или L_J) отличающимися более чем на 7 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «импульс» и «медленно» (рисунок 3, г). Тяжёлый молот при ударе о наковальню издаёт импульсный шум.

Прерывистые шумы отличаются от импульсных тем, что уровень звука таких шумов изменяется на 5 дБА и более, несколько раз за время измерения, причём длительность импульса составляет 1 с и более и в момент действия импульса его амплитуда остаётся постоянной, превышающей фон (рисунок 3, д). Прерывистый шум образуется при сбрасывании воздуха из систем высокого давления.

Шумы, колеблющиеся во времени, отличаются от импульсных и прерывистых тем, что уровень таких шумов непрерывно меняется во времени (рисунок 3, в). К таким шумам относится, например, шум транспортного потока.

Для оценки степени шумового загрязнения окружающей среды необходимо знать как реальный шумовой фон, так и допустимый уровень шума, устанавливаемый санитарными нормами № 3077-84. В соответствии с этими нормами суммарный, фактический шум, создаваемый различными техногенными источниками, не должен превышать допустимого уровня шума.

Для нормирования постоянного шума выбраны следующие параметры:

- уровень звукового давления L_p, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц;

- уровень интенсивности звука L_J, дБА.

В случае непостоянного шума нормируемыми параметрами являются:

- эквивалентный уровень звука L_Jэкв, дБА;

- максимальный уровень звука L_Jmax, дБА.

Под эквивалентным (по звуковой энергии) уровнем звука L_Jэкв непостоянного шума понимается уровень звука постоянного широкополосного шума, значение звукового давления которого совпадает со значением среднеквадратичного звукового давления непостоянного шума за определённый временной интервал. Для оценки L_Jэкв уровни звука разбивают на диапазоны по 5 дБА. Каждый диапазон характеризуется средним значением . Тогда L_Jэкв определяется по следующей формуле, дБа:

(1)

где – среднее значение уровеня звука диапазона i, дБА;

n – число диапазонов;

t_i - относительное время действия шума диапазона i (в процентах от времени измерения), %.

За максимальный уровень интенсивности звука L_Jmax принят уровень интенсивности звука, соответствующий максимальному показанию шумомера, в течение 1 % времени измерения.