Восприятие шума и звука

Человек способен воспринимать как звук колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. С возрастом чувствительность звукового анализатора уменьшается, и в преклонном возрасте колебания с частотой выше 13 000—15 000 Гц не вызывают слухового ощущения.

Субъективно частота, ее увеличение воспринимаются как повышение тона, высоты звука. Обычно основной тон сопровождается целым рядом дополнительных звуков (обертонов), возникающих благодаря колебанию отдельных частей звучащего тела. Количество и сила обертонов создают определенную окраску, или тембр, сложного звука, благодаря чему удается распознать звуки музыкальных инструментов или голоса людей.

Чтобы вызвать слуховое ощущение, звуки должны обладать определенной силой. Наименьшая сила звука, которая воспринимается человеком, называется порогом слышимости данного звука.

Пороги слышимости для звуков с различной частотой неодинаковы. Наименьшие пороги имеют звуки с частотой от 500 до 4000 Гц. За пределами этого диапазона пороги слышимости повышаются, что свидетельствует о снижении чувствительности.

Увеличение физической силы звука субъективно воспринимается как повышение громкости, однако это происходит до определенного предела, выше которого ощущается болезненное давление в ушах — порог болевого ощущения, или порог осязания. При постепенном усилении энергии звука от порога слышимости до болевого порога обнаруживаются особенности слухового восприятия: ощущение громкости звука увеличивается не пропорционально росту его звуковой энергии, а значительно медленнее. Так, чтобы ощутить едва заметное приращение громкости звука, необходимо увеличить его физическую силу на 26 %. По закону Вебера—Фехнера ощущение нарастает пропорционально не силе раздражения, а логарифму его силы.

Звуки разных частот при одной и той же физической их интенсивности ощущаются ухом не как одинаково громкие. Высокочастотные звуки ощущаются как более громкие, чем низкочастотные.

Для количественной оценки звуковой энергии предложена особая логарифмическая шкала уровней силы звука в белах или децибелах. В этой шкале за нуль, или исходный уровень, условно принята сила (10^-9 эрг/см² × сек, или 2 × 10^-5 Вт/см²/с), приблизительно равная порогу слышимости звука с частотой 1000 Гц, который в акустике принимается за стандартный звук. Каждая ступень такой шкалы, получившая название бел, соответствует изменению силы звука в 10 раз. Увеличение силы звука в 100 раз по логарифмической шкале обозначается как повышение уровня силы звука на 2 бела. Приращение уровня силы звука на 3 бела соответствует увеличению абсолютной силы его в 1000 раз и т. д.

Таким образом, чтобы определить уровень силы любого звука или шума в белах, следует разделить его абсолютную силу на силу звука, принятую за уровень сравнения, и вычислить десятичный логарифм этого соотношения.

***бел = lg х I₁/I₀,

где I₁ — абсолютная сила;

I₀ — сила звука уровня сравнения.

Если выразить в белах громадный диапазон силы звука с частотой 1000 Гц от порога слышимости и (нулевой уровень) до болевого порога, то весь диапазон по логарифмической шкале составит 14 бел.

В связи с тем, что орган слуха способен различать прирост звука в 0,1 бел, то на практике при измерении звуков применяется децибел (дБ), т. е. единица в 10 раз меньшая, чем бел.

В связи с особенностью восприятия слухового анализатора звук одинаковой громкости будет восприниматься человеком от источников шума с различными физическими параметрами. Так, звук силой в 50 дБ и частотой 100 Гц будет восприниматься как одинаково громкий со звуком с силой 20 дБ и частотой 1000 Гц.

Чтобы иметь возможность сравнивать между собой различные по частотному составу звуки различной силы в отношении их громкости, введена специальная единица громкости, называемая «фон». При этом за единицу сравнения принят звук в 1000 Гц, который считается стандартным. В нашем примере звук в 50 дБ и частотой 100 Гц будет равен 20 фонам, поскольку соответствует звуку с силой 20 дБ и частотой 1000 Гц.

Уровень шума, не вызывающий вредных последствий для уха работающих, или так называемый нормальный предел громкости при частоте 1000 Гц, соответствует 75—80 фонам. При повышении частоты колебаний звука по сравнению со стандартным предел громкости должен быть снижен, так как вредное воздействие на орган слуха увеличивается с повышением частоты колебаний.

Если тоны, составляющие шум, располагаются непрерывно в широком диапазоне частот, то такие шумы называют непрерывными, или сплошными. Если при этом сила звуков, составляющих шум, примерно одинакова, такой шум называют белым по аналогии с «белым светом», характеризующимся сплошным спектром.

Определение и нормирование шумов проводятся обычно в частотной полосе, равной октаве, полуоктаве или трети октавы. За октаву принимают диапазон частот, в которой верхняя граница частоты вдвое больше нижней (например, 40—80, 80—160 и т. д.). Для обозначения октавы обычно указывают не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты. Так, для октавы 40—80 Гц среднегеометрическая частота — 62 Гц, для октавы 80—160 Гц — 125 Гц и т. д.

По спектральному составу все шумы делят на 3 класса.

Класс 1. Низкочастотные (шумы тихоходных агрегатов неударного действия, шумы, проникающие сквозь звукоизолирующие преграды). Наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 300 Гц, за ним следует понижение (не менее чем на 5 дБ на октаву).

Класс 2. Среднечастотные шумы (шумы большинства машин, станков и агрегатов неударного действия). Наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 800 Гц, и далее опять понижение не менее чем на 5 дБ на октаву.

Класс 3. Высокочастотные шумы (звенящие, шипящие, свистящие шумы, характерные для агрегатов ударного действия, потоков воздуха и газа, агрегатов, действующих с большими скоростями). Наименьший уровень шума в спектре расположен выше 800 Гц.

Различают шумы:

1) широкополосные с непрерывным спектром более 1 октавы;

2) тональные, когда интенсивность шума в узком диапазоне частот резко преобладает над остальными частотами.

По распределению звуковой энергии во времени шумы подразделяются:

1) постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяются во времени не более чем на 5 дБ;

2) непостоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяются более чем на 5 дБ.

Непостоянные шумы подразделяются на:

1) колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;

2) прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяются (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов с постоянным уровнем составляет 1 с и более;

3) импульсные, состоящие из одного или нескольких сигналов длительностью менее 1 с каждый, при этом уровень звука изменяется не менее чем на 7 дБ.

Если после воздействия шума того или иного тона чувствительность к нему понижается (порог восприятия повышается) не более чем на 10—15 дБ, и восстановление ее происходит не более чем за 2—3 мин, следует думать об адаптации. Если изменение порогов значительно, и длительность восстановления затягивается, это свидетельствует о наступлении утомления. Основной формой профессиональной патологии, вызываемой интенсивным шумом, является стойкое понижение чувствительности к различным тонам и шепотной речи (профессиональная тугоухость и глухота).