/ср = /Ж (7.10)
Частота /1 называется нижней граничной частотой полосы спектра, а /2 — верхней граничной частотой.
В практике измерения шумов и проведения акустических расчетов принято представлять спектры в полосах частот определенной ширины. Полоса частот, у которой отношение /2/А = 32, называется октавой. Если /2//1 = ^Т = 1,26, то ширина полосы равна 1/3 октавы. Чаще всего используются спектры шума в октавных полосах частот. На рис. 7.4 показан спектр шума в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Часто бывает необходимо сложить уровни звукового давления двух или более источников звука или найти средние уровни звукового давления. Такое сложение уровней может быть осуществлено с помощью номограммы, представленной на рис. 7.5.
Уровни шума различных источников суммируются последовательно. По разности уровней шума L\ и Ьг двух источников с помощью номограммы определяется величина Л в децибелах, которая добавляется к большему уровню L{ у в результате чего получается суммарный уровень шума двух источников. Считая полученный уровень уровнем шума некоторого эквивалентного источника, его суммируют с уровнем шума третьего источника. Находят уровень шума источника, эквивалентного первым трем, и так далее до тех пор, пока не будет определен общий уровень шума всех источников.
7.2. Звук и слух
Человек воспринимает звук чаще всего посредством органа слуха. Органы слуха, т. е. ухо и следующие за ним органы обработки сигнала на пути к мозгу, позволяют человеку воспринимать звуковой процесс в обширной области изменений звукового давления и частоты и различать его по силе, высоте тона и окраске, а также узнавать направление его прихода. Чувствительность этого органа превосходит во многих отношениях свойства лучшей электроакустической аппаратуры.
292 Часть III. Архитектурная акустика
Порог слышимости, например, лежит так низко, что дальнейшее незначительное его снижение привело бы к восприятию шумов, сопровождающих пищеварение, тепловое движение молекул, а также шумов в системе кровообращения.
Ухо человека состоит из трех основных частей: наружного уха, среднего и внутреннего (рис. 7.6). Наружное ухо согласовывает импеданс (сопротивление) барабанных перепонок с импедансом воздуха; согласование очень хорошее при частоте колебаний 800 Гц, оставаясь достаточно хорошим и при частотах выше 800 Гц. И только при частотах ниже 400 Гц согласование несколько хуже.
Колебания барабанной перепонки механическим путем через среднее ухо передаются внутреннему уху. Так как внутреннее ухо заполнено лимфой, при этом происходит дальнейшее "согласование" импеданса. Колебания барабанной перепонки преобразуются в колебания со значительно меньшей амплитудой, но более высоким давлением во внутреннем ухе. Наконец, восприятие звука нервными окончаниями происходит вдоль основной мембраны улитки внутреннего уха. Здесь же осуществляется в некотором роде частотный анализ
Звука. *
Весь процесс восприятия звука можно разделить на ряд отдельных процессов, которые сами по себе очень сложны, поэтому не существует простого и однозначного соотношения между физически
СЛУХОвЫЕ косточки
ПОЛУОКРУЖНОЙ КАНАЛ
УЛИТКА
НЕРВНЫЕ ВОЛОКНА
ВНУТРЕННЕЕ УХО
Внешнее УХО
Рис. 7.6. Устройство уха человека
Глава 7, Звуковая среда в городах и зданиях 293
Рис — 7.7. Кривые равной громкости для чистых тонов
1 — минимально слышимое поле при обычном бинауралъ — ном восприятии
20 30 *t0 6080100 200 300400600 1000 frГц 2 3 4 6 8 10 15 f7кГц
ЧАСТОТА
Измеренным уровнем звукового давления и восприятием звука человеком. Например, громкость некоторого чистого тона может отличаться от громкости другого чистого тона или от их комбинации, даже если во всех случаях уровень звукового давления один и тот же.
Ряд исследователей в течение последних десятилетий изучали восприятие человеком громкости чистых тонов на различных частотах и предложили большое число "диаграмм равной громкости". Эти кривые явились результатом проведения целого ряда психоакустических экспериментов, поэтому, естественно, они имеют смысл только при выполнении некоторых условий проведения эксперимента. Например, слушатель должен быть обращен лицом к источнику и находиться вместе с источником в акустически свободном поле, а также быть в "нормальном" физическом и психологическом состоянии. Кроме того, он не должен "видеть то, что делает" и тем самым влиять на результаты измерений и т. д.
Система кривых равной громкости, принятая в качестве стандартной в международном масштабе, приведена на рис. 7.7, где показано изменение уровня громкости чистых тонов с частотой при постоянном уровне звукового давления.
Шкала уровней звукового давления в децибелах отложена по оси ординат. Эта шкала введена на основании фундаментального психофизического закона Вебера—Фехнера, который утверждает, что изменение чувствительности при изменении возбуждения обратно пропорционально значению абсолютного возбуждения, имевшему место до начала изменения. Кроме того, эта шкала удобна при большом динамическом диапазоне звуков, воспринимаемых человеком
(1:1 ООО ООО).
Следует отметить, что если интенсивность звука увеличить так, что слушателю он покажется в 2 раза громче, то повышение уровня звукового давления не будет соответствовать удвоению. В большей части слышимого диапазона в этом случае наблюдается повышение уровня звукового давления примерно на 10 дБ.
Воспринимаемую человеком громкость измеряют в сонах, и, как уже было сказано, двукратное изменение
УРОВЕНЬ ГРОМКОСТИ, ФОНЫ
Рис. 7.8. Соотношения сти (в сонах) и уровня —
Между значениями громко — ми громкости (в фонах)
Громкости эквивалентно изменению уровня громкости звука на 10 дБ (фон). Эта связь (рис. 7.8) принята в качестве международного стандарта.
294 Часть III. Архитектурная акустика
На рис. 7.9 для наглядности показана частотная область восприятия звука ухом человека.
Большинство шумов содержит звуки почти всех частот слухового диапазона, но они имеют разное распределение уровней звукового давления по частотам, а также характеризуется изменением их во времени. По характеру спектра шумы подразделяются на широкополосные и тональные. По распределению уровней по частотам шумы могут быть разбиты на низкочастотные — шумы с максимальными уровнями звукового давления в области частот ниже 300 Гц, сред нечастотные — шумы с максимальными уровнями звукового давления в области частот 300—800 Гц и высокочастотные — шумы с максимумом звукового давления в области частот выше
800 Гц.
По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых изменяется во времени не более чем на 5 дБА, и непостоянные, уровень звука которых изменяется во времени более чем на 5 дБА.
К постоянным шумам можно отнести шум постоянно работающих насосных или вентиляционных устано-
Болевой порог
120
LЫ 4
100
Слышимый диапазон
?
Ш
С
TЩ <
Ci О
80
60
О ?
00 п
МО
Ш њ
О о.
20
Музыка;
Слуховой порог
1
I
1
I
J——— 1——— 1—— i—j
50 100 200 500
20
170J 2-103 5-10Z 7010 2010
Частота, гц
J
Рис. 7.9. Области слухового восприятия
Глава 7. Звуковая среда в городах и зданиях 295
Таблица 7.1. Относительная частотная характеристика коррекции А
Частота, Гц |
63 |
125 |
250 |
|^500 |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 |
-1,1
+ 1,2 +1,0
О
Относительная частотная харак теристика, дБ
— 26,2 -16,1 -8,6 -3,2
Вок, а также шум постоянно работающего оборудования промышленных предприятий (воздуходувки, компрессорные установки, различные испытательные стенды).
Непостоянные шумы в свою очередь можно подразделить на следующие: колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется; прерывистые, уровень звука которых резко падает до уровня фонового шума несколько раз за время наблюдения, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более; импульсные, состоящие из одного или нескольких следующих друг за другом ударов длительностью менее 1 с. К непостоянному, колеблющемуся во времени относится шум транспортного движения.
Прерывистые шумы — это шумы от работы лебедки лифтовой установки, периодически включающихся агрегатов холодильных установок, шумы некоторых непостоянно работающих установок промышленных предприятий или мастерских.
К импульсным шумам относятся шум ударов пневматического молотка, кузнечно-прессового оборудования, поэтажного лифтового переключателя, хлопанье дверьми и др.
Методы оценки шума зависят в первую очередь от его характера. Постоянный шум оценивается по уровням звукового давления в децибелах (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125,
250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
Этот метод оценки постоянного шума является основным.
Для оценки непостоянных шумов, а также для ориентировочной оценки постоянных используют "уровень звука" — общий уровень звукового давления, измеряемый шумомером на частотной коррекции А, характеризующей приближенно частотную характеристику восприятия шума человеческим ухом. Относительная частотная характеристика коррекции А (шкала А) показывает, на сколько децибел на каждой частоте чувствительность уха человека отличается от его чувствительности на частоте 1000 Гц. При проведении измерений на частотной коррекции А (шкала А) уровни на низких частотах уменьшаются по аналогии с уменьшением относительной чувствительности органа слуха, у которого на низких частотах слуховая чувствительность ниже, чем на средних и высоких. Так, при звуке с частотой 63 Гц измеренный уровень по шкале "Лин" с прямолинейной частотной характеристикой будет отличаться от уровня, измеренного по шкале А, на 26,2 дБ. Относительная частотная характеристика коррекции А шумоме — ра приведена в табл. 7.1.
Сопоставление уровней звука по шкалам А и "Лин" имеет практическое значение при отсутствии прибора для измерения спектра шума. В этом случае по разности уровней можно ориентировочно определить характер шума. Так, если эта разность мала, то шум преимущественно высокочастотный; если же она значительна — шум низкочастотный. Например, для транспортного шума разность может составлять 10—15 дБ, что свидетельствует о его низкочастотном характере.
О во О ас
<Г)
1Д
В »
Ос
1 80
Ш «
Л
X Ш
О 8:
10
50
100
7000
5000
70000
500 ЧАСТОТА, Гц
Рис. 710. Распределение различных источников и/у — ма но уровням звукового давления и частотам
Глава 7. Звуковая среда в городах и зданиях 297
Таблица 7.2. Шкалы звуковой мощности, уровни звуковой мощности и звуковая мощность источников шума
Звуко |
Уровень |
Источник шума |
Звуко |
Вая |
Звуко |
Вая мощ |
|
Мощ |
Вой |
Ность ис |
|
Ность, |
Мощ |
Точника |
|
Вт |
Ности, |
Шума, Вт |
|
ДБ |
|||
10* |
200 |
Ракета Сатурн |
5 • 107 |
106 |
180 |
||
Самолет с 4 реак |
5 -104 |
||
Тивными двига |
|||
104 |
160 |
Телями |
|
100 |
140 |
Большой оркестр |
10 |
1 |
120 |
Клепальный моло |
1 |
Ток |
|||
0,01 |
100 |
||
10~4 |
80 |
Громкий крик |
10~3 |
10-6 |
6(i |
||
10-5 |
40 |
Обычная беседа |
20 -1СГ6 |
10-ю |
20 |
Шепот |
10-9 |
10-12 |
0 |
Непостоянные шумы принято оценивать эквивалентными (по энергии) уровнями звука. Эквивалентный уровень звука Ьа экв, дБА, данного непостоянного шума — это уровень звука постоянного широкополосного не-
Рис. 7.11. Распространение сферических волновых фронтов от точечного источника
Импульсного шума, связанный с изменяющимся уровнем звука непостоянного шума ЬАу дБА, соотношением
Т
Ьа экв=Ю а/Т) 5 10ОЛЬ ли (7.11)
О
Где Т — время наблюдения; ^ — текущее время, которое соответствует Ьа —
Для наглядности на рис. 7.10 показаны распределения различных источников шума по уровням и частотам, а в табл. 7.2 приведены данные о звуковой мощности и уровнях звуковой мощности различных источников шума.
7,3, Основные закономерн ост и распространение звука и шума
Распространение шума в открытом пространстве (свободное звуковое поле) и над поверхностью земли. Источник звука можно рассматривать как точечный, если его размеры малы по сравнению с расстоянием до приемника звука. К точечным относят многие встречающиеся в практике источники шума, включая промышленные предприятия, самолеты, дорожные экипажи. Такие источники чаще всего излучают сферические звуковые волны (рис. 7.11).
Как показано на рис. 7.12, в свободном звуковом поле звуковая энергия расходится во всех направлениях, и чем дальше от источника шума, тем больше сферическая поверхность, по которой она распределена. Если предположить, что затухание в среде отсутствует, излучаемая источником энергия распределяется по поверхности сферы радиусом г. Поэтому интенсивность звука равна звуковой мощности источника Р, деленной на площадь сферы:
(7.12)
I « Р/4 г2.
298 Часть 111. Архитектурная акустика
Рис. 7.72. Снижение шума в свободном звуковом поле
I — точечный источник мощностью Р
Г |
2 г |
||
Зг |
|||
Г
Рис. 7.13. Снижение звука от точечного источника
Г2 = 2 г, расстояние от источника звука
Легко видеть, что интенсивность обратно пропорциональна квадрату расстояния между источником шума и приемником (точкой наблюдения); таким образом, снижение уровня звукового давления составляет 6 дБ при удвоении расстояния от источника (рис. 7.13).
Протяженный в одном направлении источник шума, который имеет непрерывное излучение звука, например, трубопровод с турбулентным потоком, или источник шума, который может состоять из большого числа точечных источников шума, расположенных в ряд, например, транспортный
Поток достаточно большой интенсивности, железнодорожный состав или расположенное в ряд технологическое оборудование в цехе, называется линейным источником. Такие источники обычно излучают цилиндрические звуковые волны.
На рис. 7.14 показано распространение цилиндрических волновых фронтов от линейного источника, который имеет постоянную звуковую мощность на единицу длины. Энергия, излучаемая линейным источником, распределяется по цилиндрической поверхности (или полу цилиндрической поверхности в случае расположения источника на поверхности земли) радиусом г. Интенсивность звука на расстоянии г равна мощности источника на единичной длине Р% деленной на площадь единичной цилиндрической поверхности: