В какъв диапазон се променя честотата на звуковите вълни? Звукова вълна: формула, свойства. Източници на звукови вълни. Протокол за измерване на звук или шум

В статията ще научите какъв е звукът, какво е това смъртоносно нивообем, както и скорост във въздуха и други среди. Ще говорим също за честота, кодиране и качество на звука.

Ще разгледаме също семплирането, форматите и звуковата мощност. Но първо, нека дефинираме музиката като подреден звук – обратното на неподредения, хаотичен звук, който възприемаме като шум.

- Това са звукови вълни, които се образуват в резултат на вибрации и промени в атмосферата, както и на обектите около нас.

Дори когато говорите, вие чувате събеседника си, защото той влияе на въздуха. Също така, когато свирите на музикален инструмент, независимо дали биете барабан или късате струна, вие произвеждате вибрации с определена честота, която произвежда звукови вълни в околния въздух.

Има звукови вълни поръчанИ хаотичен. Когато те са подредени и периодични (повтарящи се след определен период от време), чуваме определена честота или височина на звука.

Това означава, че можем да дефинираме честотата като броя на случванията на дадено събитие за даден период от време. Така, когато звуковите вълни са хаотични, ние ги възприемаме като шум.

Но когато вълните са подредени и се повтарят периодично, тогава можем да ги измерим чрез броя на повтарящите се цикли в секунда.

Честота на аудио дискретизация

Честотата на аудио дискретизация е броят измервания на нивото на сигнала за секунда. Херц (Hz) или херц (Hz) е научна мерна единица, която определя броя на случванията на събитие в секунда. Това е единицата, която ще използваме!

Честота на аудио дискретизация

Вероятно много често сте срещали това съкращение - Hz или Hz. Например в приставки за еквалайзер. Техните мерни единици са херц и килохерц (т.е. 1000 Hz).

Обикновено човек чува звукови вълни от 20 Hz до 20 000 Hz (или 20 kHz). Всичко под 20 Hz е инфразвук. Всичко над 20 kHz е ултразвук.

Нека отворя приставката за еквалайзер и да ви покажа как изглежда. Вероятно сте запознати с тези числа.


Звукови честоти

С еквалайзера можете да намалите или увеличите определени честоти в обхвата, който човек чува.

Малък пример!

Тук имам запис на звукова вълна, генерирана при честота 1000 Hz (или 1 kHz). Ако увеличим мащаба и погледнем формата му, ще видим, че е правилен и повтарящ се (периодичен).

Повтаряща се (периодична) звукова вълна

За една секунда тук се случват хиляда повтарящи се цикъла. За сравнение, нека разгледаме звукова вълна, която възприемаме като шум.


Неподреден звук

Тук няма конкретна честота на повтаряне. Също така няма специфичен тон или височина. Звуковата вълна не е подредена. Ако погледнем формата на тази вълна, можем да видим, че в нея няма нищо повтарящо се или периодично.

Да преминем към по-богатата част от вълната. Увеличаваме и виждаме, че не е константа.


Неподредена вълна при мащабиране

Поради липсата на цикличност не можем да чуем конкретна честота в тази вълна. Затова го възприемаме като шум.

Смъртоносно ниво на звука

Бих искал да спомена малко за смъртоносното ниво на звука за хората. Произхожда от 180 dBи по-високи.

Струва си да се каже веднага, че според регулаторните стандарти безопасното ниво на шум се счита за не повече от 55 dB (децибела) през деня и 40 dB през нощта. Дори при продължително излагане на слуха, това ниво няма да причини вреда.

Нива на звука
(dB) Определение Източник
0 Изобщо не е шумно
5 Почти не се чува
10 Почти не се чува Тихо шумолене на листа
15 Едва чуто шумолящи листа
20 — 25 Едва чуто Шепот на човек на разстояние 1 метър
30 Тихо отметка стенен часовник (допустим максимум според стандартите за жилищни помещения през нощта от 23 до 7 часа)
35 Доста чуваем Приглушен разговор
40 Доста чуваем Обикновена реч ( норма за жилищни помещения през деня от 7 до 23 часа)
45 Доста чуваем Говоря
50 Ясно се чува Пишеща машина
55 Ясно се чува Говоря ( Европейски стандарт за клас А офис помещения)
60 (норма за офиси)
65 Силен разговор (1 м)
70 Силни разговори (1 м)
75 Вик и смях (1м)
80 Много шумен Вик, мотоциклет с ауспух
85 Много шумен Силен писък, мотоциклет с ауспух
90 Много шумен Силни писъци, товарен вагон (7 м)
95 Много шумен Вагон на метрото (7 метра извън или вътре в вагона)
100 Изключително шумен Оркестър, гръм ( според европейските стандарти това е максимално допустимото звуково налягане за слушалки)
105 Изключително шумен На стари самолети
110 Изключително шумен Хеликоптер
115 Изключително шумен Пясъкоструйна машина (1м)
120-125 Почти непоносимо Въздушен чук
130 Праг на болка Самолет в началото
135 — 140 Контузия Излитане на реактивен самолет
145 Контузия Изстрелване на ракета
150 — 155 Сътресение, наранявания
160 Шок, травма Ударна вълна от свръхзвуков самолет
165+ Разкъсване на тъпанчета и бели дробове
180+ Смърт

Скорост на звука в км в час и метри в секунда

Скоростта на звука е скоростта, с която вълните се разпространяват в среда. По-долу давам таблица със скоростите на разпространение в различни среди.

Скоростта на звука във въздуха е много по-малка, отколкото в твърди среди. А скоростта на звука във водата е много по-висока от тази във въздуха. Тя е 1430 m/s. В резултат на това разпространението е по-бързо и чуваемостта е много по-далеч.

Звуковата мощност е енергията, която се предава от звукова вълна през разглежданата повърхност за единица време. Измерено в (W). Има моментна стойност и средна (за определен период от време).

Да продължим да работим с дефинициите от раздела по теория на музиката!

Тон и нота

Височинае музикален термин, който означава почти същото като честота. Изключението е, че няма мерна единица. Вместо да определяме звука чрез броя на циклите в секунда в диапазона 20 - 20 000 Hz, ние обозначаваме определени честотни стойности с латински букви.

Музикалните инструменти произвеждат редовни, периодични звукови вълни, които наричаме тонове или ноти.

Това е, с други думи, Забележкае вид моментна снимка на периодична звукова вълна с определена честота. Височината на тази нота ни казва колко високо или ниско звучи нотата. В този случай по-ниските ноти имат по-дълги дължини на вълната. А високите са по-ниски.

Нека да разгледаме звукова вълна от 1 kHz. Сега ще увелича мащаба и ще видите разстоянието между бримките.

Звукова вълна при 1 kHz

Сега нека разгледаме вълна от 500 Hz. Тук честотата е 2 пъти по-малка и разстоянието между циклите е по-голямо.

Звукова вълна при 500 Hz

Сега да вземем вълна от 80 Hz. Тук ще бъде още по-широко и височината ще бъде много по-ниска.

Звук на 80 Hz

Виждаме връзката между височината на звука и неговата форма на вълната.

Всяка музикална нота се основава на една основна честота (основен тон). Но освен тон, музиката се състои и от допълнителни резонансни честоти или обертонове.

Нека ви покажа друг пример!

По-долу има вълна с честота 440 Hz. Това е стандартът в света на музиката за настройка на инструменти. Съответства на бележка А.

Чиста звукова вълна при 440 Hz

Чуваме само основния тон (чиста звукова вълна). Ако увеличим мащаба, ще видим, че е периодичен.

Сега нека разгледаме вълна със същата честота, но изсвирена на пиано.

Прекъснат звук на пиано

Вижте, също е периодично. Но има малки допълнения и нюанси. Всички те заедно ни дават представа как звучи едно пиано. Но освен това, обертоновете също определят факта, че някои ноти ще имат по-голям афинитет към дадена нота, отколкото други.

Например, можете да изсвирите същата нота, но една октава по-висока. Ще звучи съвсем различно. Това обаче ще бъде свързано с предишната бележка. Тоест, това е същата нота, само изсвирена с октава по-високо.

Тази връзка между две ноти в различни октави се дължи на наличието на обертонове. Те присъстват постоянно и определят колко тясно или отдалечено са свързани помежду си определени ноти.

В традиционната нотация височината на нотата определя нейното местоположение върху петолинието или петолинието.

Звуковите вълни във въздуха са редуващи се области на компресия и разреждане.

Звуковите вълни могат да служат като пример за колебателен процес. Всяко колебание е свързано с нарушаване на равновесното състояние на системата и се изразява в отклонението на нейните характеристики от равновесните стойности с последващо връщане към първоначалната стойност. За звуковите вибрации тази характеристика е налягането в точка на средата, а нейното отклонение е звуковото налягане.

Ако направите рязко изместване на частици от еластична среда на едно място, например с помощта на бутало, тогава налягането на това място ще се увеличи. Благодарение на еластичните връзки на частиците, налягането се предава на съседните частици, които от своя страна действат върху следващите, а зоната на повишено налягане изглежда се движи в еластична среда. Зоната на високо налягане е последвана от зона ниско кръвно наляганеи по този начин се образуват серия от редуващи се области на компресия и разреждане, разпространяващи се в средата под формата на вълна. Всяка частица от еластичната среда в този случай ще извършва осцилаторни движения.

В течни и газообразни среди, където няма значителни колебания в плътността, акустичните вълни са надлъжни по природа, т.е. посоката на вибрациите на частиците съвпада с посоката на движение на вълната. В твърдите тела, в допълнение към надлъжните деформации, възникват и еластични деформации на срязване, предизвикващи възбуждане на напречни (срязващи) вълни; в този случай частиците осцилират перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната. Скоростта на разпространение на надлъжните вълни е много по-голяма от скоростта на разпространение на срязващите вълни.

Физически параметри на звука

Генериране на звук

Обикновено за генериране на звук се използват трептящи тела от различно естество, предизвикващи вибрации в околния въздух. Пример за такова генериране е използването на гласни струни, високоговорители или камертон. Повечето музикални инструменти се основават на същия принцип. Изключение правят духовите инструменти, при които звукът се генерира от взаимодействието на въздушния поток с нееднородностите в инструмента. За създаване на кохерентен звук се използват така наречените звукови или фононни лазери.

Ултразвукова диагностика

Ултразвук- еластични звукови вибрации с висока честота. Човешкото ухо възприема еластични вълни, разпространяващи се в средата с честота приблизително до 16 Hz-20 kHz; Вибрациите с по-висока честота са ултразвук (извън границата на чуваемост).

Разпространение на ултразвук

Разпространението на ултразвук е процесът на движение в пространството и времето на смущенията, възникващи в звукова вълна.

Звуковата вълна се разпространява в вещество в газообразно, течно или твърдо състояние в същата посока, в която се изместват частиците на това вещество, т.е. причинява деформация на средата. Деформацията се състои в това, че се получава последователно изхвърляне и компресиране на определени обеми от средата, като разстоянието между две съседни зони съответства на дължината на ултразвуковата вълна. Колкото по-голямо е специфичното акустично съпротивление на средата, толкова по-голяма е степента на компресия и разреждане на средата при дадена амплитуда на вибрациите.

Частиците на средата, участващи в преноса на вълновата енергия, осцилират около своето равновесно положение. Скоростта, с която частиците осцилират около средното равновесно положение, се нарича осцилаторна скорост. Вибрационната скорост на частиците се променя според уравнението:

,

където V е големината на скоростта на колебание;

  • U е амплитудата на трептящата скорост;
  • f - ултразвукова честота;
  • t - време;
  • G е фазовата разлика между вибрационната скорост на частиците и променливото акустично налягане.

Амплитудата на колебателната скорост характеризира максималната скорост, с която частиците на средата се движат по време на процеса на колебание, и се определя от честотата на колебанията и амплитудата на изместване на частиците на средата.

,

Дифракция, интерференция

При разпространение на ултра звукови вълниВъзможни са явления на дифракция, интерференция и отражение.

Дифракция (вълни, огъващи се около препятствия) възниква, когато дължината на ултразвуковата вълна е сравнима (или по-голяма) с размера на препятствието по пътя. Ако препятствието е голямо в сравнение с дължината на акустичната вълна, тогава няма феномен на дифракция.

При едновременно движение в среда от няколко ултразвукови вълниВъв всяка конкретна точка на средата възниква суперпозиция (наслагване) на тези вълни. Наслагването на вълни с еднаква честота една върху друга се нарича интерференция. Ако ултразвуковите вълни се пресичат, докато преминават през обект, тогава в определени точки на средата се наблюдава увеличаване или намаляване на вибрациите. В този случай състоянието на точката в средата, където възниква взаимодействието, зависи от съотношението на фазите на ултразвуковите вибрации в тази точка. Ако ултразвуковите вълни достигнат определена област от средата в същите фази (във фаза), тогава преместванията на частиците имат същите знаци и намесата при такива условия води до увеличаване на амплитудата на трептенията. Ако вълните пристигнат в точка от средата в противофаза, тогава изместването на частиците ще бъде в различни посоки, което води до намаляване на амплитудата на трептенията.

Абсорбция на ултразвукови вълни

Ако средата, в която се разпространява ултразвукът, има вискозитет и топлопроводимост или в нея има други процеси на вътрешно триене, тогава поглъщането на звука възниква, когато вълната се разпространява, т.е. когато се отдалечава от източника, амплитудата на ултразвуковите вибрации става по-малка, както и енергията, която носят. Средата, в която се разпространява ултразвукът, взаимодейства с преминаващата през нея енергия и поглъща част от нея. Преобладаващата част от погълнатата енергия се превръща в топлина, по-малката част предизвиква необратими структурни изменения в предаващото вещество. Абсорбцията е резултат от триенето на частиците една срещу друга, тя е различна в различните среди. Абсорбцията също зависи от честотата на ултразвуковите вибрации. Теоретично абсорбцията е пропорционална на квадрата на честотата.

Степента на абсорбция може да се характеризира с коефициента на абсорбция, който показва как се променя интензитетът на ултразвука в облъчената среда. Увеличава се с нарастваща честота. Интензитетът на ултразвуковите вибрации в средата намалява експоненциално. Този процес се дължи на вътрешното триене, топлопроводимостта на абсорбиращата среда и нейната структура. Грубо се характеризира с размера на полупоглъщащия слой, който показва на каква дълбочина интензитетът на вибрациите намалява наполовина (по-точно 2,718 пъти или с 63%). Според Pahlman при честота 0,8 MHz средните стойности на полуабсорбиращия слой за някои тъкани са както следва: мастна тъкан - 6,8 cm; мускулест - 3,6 см; мастна и мускулна тъкан заедно - 4,9 см. С увеличаване на ултразвуковата честота размерът на полуабсорбиращия слой намалява. И така, при честота от 2,4 MHz, интензитетът на ултразвука, преминаващ през мастната и мускулната тъкан, намалява наполовина на дълбочина от 1,5 cm.

Освен това е възможно ненормално поглъщане на енергията на ултразвуковите вибрации в някои честотни диапазони - това зависи от характеристиките на молекулярната структура на дадена тъкан. Известно е, че 2/3 от ултразвуковата енергия се отслабва на молекулярно ниво и 1/3 на ниво микроскопични тъканни структури.

Дълбочина на проникване на ултразвукови вълни

Дълбочината на проникване на ултразвук се отнася до дълбочината, при която интензитетът е намален наполовина. Тази стойност е обратно пропорционална на абсорбцията: колкото по-силно средата абсорбира ултразвук, толкова по-късо е разстоянието, на което ултразвуковият интензитет намалява наполовина.

Разсейване на ултразвукови вълни

Ако има нехомогенности в средата, тогава възниква разсейване на звука, което може значително да промени простия модел на разпространение на ултразвука и в крайна сметка също да доведе до отслабване на вълната в първоначалната посока на разпространение.

Пречупване на ултразвукови вълни

Тъй като акустичното съпротивление на човешките меки тъкани не се различава много от съпротивлението на водата, може да се предположи, че пречупването на ултразвуковите вълни ще се наблюдава на границата между медиите (епидермис - дерма - фасция - мускул).

Отражение на ултразвукови вълни

Въз основа на феномена на отражението ултразвукова диагностика. Отражението възниква в граничните зони на кожата и мазнините, мазнините и мускулите, мускулите и костите. Ако ултразвукът, докато се разпространява, срещне препятствие, тогава възниква отражение; ако препятствието е малко, тогава ултразвукът изглежда обтича около него. Хетерогенностите на тялото не причиняват значителни отклонения, тъй като в сравнение с дължината на вълната (2 mm) техните размери (0,1-0,2 mm) могат да бъдат пренебрегнати. Ако ултразвукът по пътя си срещне органи, чиито размери са по-големи от дължината на вълната, тогава възниква пречупване и отразяване на ултразвука. Най-силно отражение се наблюдава на границите кост - околна тъкан и тъкан - въздух. Въздухът има ниска плътност и се наблюдава почти пълно отразяване на ултразвука. Отражението на ултразвуковите вълни се наблюдава на границата мускул - надкостница - кост, на повърхността на кухите органи.

Пътуващи и стоящи ултразвукови вълни

Ако, когато ултразвуковите вълни се разпространяват в среда, те не се отразяват, се образуват пътуващи вълни. В резултат на загубите на енергия осцилаторните движения на частиците на средата постепенно отслабват и колкото по-далеч са разположени частиците от излъчващата повърхност, толкова по-малка е амплитудата на техните трептения. Ако по пътя на разпространение на ултразвукови вълни има тъкани с различни специфични акустични съпротивления, тогава в една или друга степен ултразвуковите вълни се отразяват от граничната повърхност. Суперпозицията на падащи и отразени ултразвукови вълни може да доведе до стоящи вълни. За да възникнат стоящи вълни, разстоянието от повърхността на емитера до отразяващата повърхност трябва да бъде кратно на половината от дължината на вълната.

Инфразвук

Генерираният в морето инфразвук се нарича един от възможни причиниоткриване на кораби, изоставени от екипажа

Експерименти и демонстрации

Тромпетът на Рубенс се използва за демонстриране на стоящи звукови вълни.

Разликата в скоростта на разпространение на звука е ясна: когато вдишат хелий вместо въздух и кажат нещо, докато издишват с него, гласът става по-висок. Ако газът е серен хексафлуорид SF 6, тогава гласът звучи по-ниско. Това се дължи на факта, че газовете са приблизително еднакво добре компресирани, следователно в хелия, който има много ниска плътност в сравнение с въздуха, скоростта на звука се увеличава и намалява в серен хексафлуорид, който има много висока плътност за газове, докато размерите на човешкия орален резонатор остават непроменени, в резултат на това резонансната честота се променя, тъй като колкото по-висока е скоростта на звука, толкова по-висока е резонансната честота, като другите условия остават непроменени.

Скоростта на звука във вода може да бъде получена визуално в експеримента за дифракция на светлината от ултразвук във вода. Във водата, в сравнение с въздуха, скоростта на звука е по-висока, тъй като дори при значително по-висока плътност на водата (което би трябвало да доведе до спад в скоростта на звука), водата е толкова слабо компресируема, че в резултат на това скоростта на звукът в него все още е няколко пъти по-висок.

Бележки

Литература

  • // Енциклопедичен речник на Брокхаус и Ефрон: В 86 тома (82 тома и 4 допълнителни). - Санкт Петербург. , 1890-1907.
  • Радзишевски Александър Юриевич.Основи на аналоговото и цифровото аудио. - М.: Уилямс, 2006. - С. 288. -

Звуксе наричат ​​механични вибрации на частици от еластична среда (въздух, вода, метал и др.), субективно възприемани от органа на слуха. Звуковите усещания се причиняват от вибрации на средата, възникващи в честотния диапазон от 16 до 20 000 Hz. Звуците с честоти под този диапазон се наричат ​​инфразвук, а тези по-високи се наричат ​​ултразвук.

Звуково налягане- променливо налягане в среда поради разпространението на звукови вълни в нея. Големината на звуковото налягане се оценява чрез силата на звуковата вълна на единица площ и се изразява в нютони на квадратен метър (1 n/м2 = 10 бара).

Ниво на звуково налягане- отношението на стойността на звуковото налягане към нулевото ниво, което се приема за звуково налягане n/квадратен метър:

Скорост на звуказависи от физичните свойства на средата, в която се разпространяват механичните трептения. Така скоростта на звука във въздуха е 344 м/сек при Т=20°С, във вода 1481 м/сек (при Т=21,5°С), в дърво 3320 м/сек и в стомана 5000 м/сек сек.

Звукова мощност (или интензитет)- количеството звукова енергия, преминаваща за единица време през единица площ; измерено във ватове на квадратен метър (W/m2).

Трябва да се отбележи, че звуковото налягане и интензитетът на звука са свързани помежду си чрез квадратична връзка, т.е. с увеличаване на звуковото налягане 2 пъти, интензитетът на звука се увеличава 4 пъти.

Ниво на звука- отношението на силата на даден звук към нулевото (стандартно) ниво, за което силата на звука се приема във ватове/m2, изразена в децибели:

Нивата на звуково налягане и интензитетът на звука, изразени в децибели, са еднакви по големина.

Праг на чуване- най-тихият звук, който човек все още може да чуе при честота от 1000 Hz, което съответства на звуково налягане n/m2.

Сила на звука- интензитетът на звуковото усещане, предизвикано от даден звук при човек с нормален слух Силата на звука зависи от силата на звука и неговата честота, варира пропорционално на логаритъма на интензитета на звука и се изразява с броя децибели от който даденият звук превишава по интензитет звука, приет за праг на чуваемост. Единицата за сила на звука е фон.

Праг болка - звуково налягане или интензитет на звука, възприеман като болезнено усещане. Прагът на болката зависи малко от честотата и се появява при звуково налягане от около 50 n/m2.

Динамичен диапазон- обхватът на силата на звука или разликата в нивата на звуково налягане между най-силния и най-силния тихи звуци, изразено в децибели.

Дифракция- отклонение от праволинейното разпространение на звуковите вълни.

Пречупване- промяна в посоката на разпространение на звуковите вълни, причинена от разликите в скоростта по различни участъци от пътя.

Намеса- добавяне на вълни с еднаква дължина, пристигащи в дадена точка в пространството по няколко по различни начини, в резултат на което амплитудата на възникващата вълна в различни точки се оказва различна, като максимумите и минимумите на тази амплитуда се редуват един с друг.

Битове- интерференция на две звукови вибрации, които се различават малко по честота. Амплитудата на получените трептения периодично нараства или намалява във времето с честота, равна на разликата между интерфериращите трептения.

Реверберация- остатъчен “следзвук” в затворени пространства. Образува се поради многократно отражение от повърхности и едновременно поглъщане на звукови вълни. Реверберацията се характеризира с период от време (в секунди), през който интензитетът на звука намалява с 60 dB.

Тон- синусоидална звукова вибрация. Височината на тона се определя от честотата на звуковите вибрации и нараства с увеличаване на честотата.

Основен тон- най-ниският тон, създаден от източник на звук.

Обертонове- всички тонове, без основния, създадени от източника на звук. Ако честотите на обертоновете са цял брой пъти по-големи от честотата на основния тон, тогава те се наричат ​​хармонични обертонове (хармоници).

Тембър- „цвят“ на звука, който се определя от броя, честотата и интензивността на обертоновете.

Комбинирани тонове- допълнителни тонове, възникващи поради нелинейността на амплитудните характеристики на усилвателите и източниците на звук. Комбинирани тонове се появяват, когато системата е изложена на две или Повече ▼колебания с различни честоти. Честотата на комбинираните тонове е равна на сбора и разликата на честотите на основните тонове и техните хармоници.

Интервал- съотношението на честотите на двата сравнявани звука. Най-малкият различим интервал между два съседни по честота музикални звука (всеки музикален звук има строго определена честота) се нарича полутон, а честотен интервал със съотношение 2:1 се нарича октава (музикалната октава се състои от 12 полутона); интервал със съотношение 10:1 се нарича декада.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Звук- това са тези, които се разпространяват в еластична среда (газ, течност, твърдо вещество) и имат честотен диапазон, които човешкото ухо може да възприеме (от 16 Hz до 20 kHz).

Наричат ​​се вибрации на частици, които причиняват появата на механични вълни с такава честота акустичени клонът на физиката, който изучава свойствата на звука и характеристиките на неговото разпространение - акустика.

Разпространението на звука във въздуха започва с въздушни вибрации на повърхността на трептящото тяло. Тяло, което създава смущение в плътността на средата, се нарича източник на звук. Източници на звук могат да бъдат твърди тела (струна от музикален инструмент, гласни струни, земна кора, листа на дървета), течности (водна струя или вълни на повърхността на водата) и газове (въздушни струи в музикални инструменти, вятър). Колебанията в плътността на въздуха водят до изместване на молекулите в съседните слоеве, което от своя страна засяга техните съседи. Ето как първоначалното смущение се предава от една точка на средата в друга. Звуковата вълна предизвиква принудителни вибрации тъпанчечовешкото ухо, които се регистрират от мозъка.

Звукови характеристики

Звукът идва от края. Скоростта на звука зависи от средата на разпространение и нейното състояние. Например скоростта на звука във въздуха при температура е 330 m/s, а във водата при същата температура – ​​1500 m/s.

Произвежданият звук се нарича музикален тон. Шумът е хаотична смесица от музикални тонове.

Сила на звукаопределя се от амплитудата на вибрациите в звуковата вълна.

Стъпказависи от - колкото по-висока е честотата, толкова по-висок е звукът.

Примери за решаване на проблеми

ПРИМЕР 1

Упражнение Голям леден блок се откъсна от върха на айсберга и падна във водата. Инструментите, инсталирани на кораба и получаващи звук под водата, записаха пръскането на падащия блок 10 секунди по-рано, отколкото се чу звукът от падането, достигащ във въздуха. На какво разстояние беше айсбергът от кораба?
Решение В хомогенна среда звукът се разпространява с постоянна скорост, така че разстоянието, изминато от фронта на звукова вълна във въздуха, е:

и разстоянието, изминато от фронта на звуковата вълна във вода:

Интервалът от време между записа на звук от инструменти и пръскането на падащ блок:

така че можем да напишем:

къде е разстоянието от айсберга до кораба:

Използвайки таблиците, определяме скоростта на звука във въздуха при m/s и скоростта на звука във водата при същата температура, m/s.

Нека изчислим:
Отговор Айсбергът се намираше на 4491 м от кораба.

ПРИМЕР 2

Упражнение Падна камък в мината. Човекът чу звука от падането си 6 s след началото на падането. Намерете дълбочината на мината. Скорост на звука 332 m/s.
Решение Нека завършим чертежа, като насочим координатната ос в посоката на движение на камъка.

Камъкът пада от. Дълбочината на падане на камъка (неговата координата) се променя във времето според закона:

В момента, в който камъкът падне на дъното на шахтата, дълбочината на камъка ще бъде равна на дълбочината на шахтата, така че можем да напишем:

къде е времето, когато падна камъкът:

Предната част на звуковата вълна се движи равномерно, така че времето, необходимо на звука да достигне до човек, е:

Времето, след което човек е чул звука, е равно на сумата от времето, през което камъкът е паднал, и движението на фронта на звуковата вълна:

От това уравнение определяме дълбочината на шахтата.

Нека пренапишем уравнението, изолирайки квадратния корен:

Нека повдигнем на квадрат двете страни на уравнението:

Нека пренапишем уравнението като:

умножете двете страни на уравнението по:

Тази брошура отговаря на повечето от основните въпроси, свързани с измерванията на звук и шум и свързаното с тях оборудване.
Брошурата прави накратко преглед и очертава следния материал:

Тази брошура отговаря на повечето от основните въпроси, свързани с измерванията на звук и шум и свързаното с тях оборудване. Брошурата прави накратко преглед и очертава следния материал:

  • Причини и цели на измерванията на звука Физическа дефиниция и основни свойства на звука,
  • Акустични единиции dB скала,
  • Субективни ценностизвук
  • Оборудване за измерване на шум
  • Вериги за честотна корекция и динамични характеристики на шумомера
  • Честотен анализ
  • Разпространение на звукови вълни
  • Акустични параметри на специални камери и нормални помещения
  • Ефект на звукоотразяващи предмети
  • Фонов шум
  • Влияния на условията на околната среда
  • Акустични препоръки и стандарти
  • Протокол за измерване
  • Графично представяне на звукови и шумови полета
  • Криви на индекса на шума
  • Доза шум

Звук и човек

Звукът е толкова обичайна част от ежедневието модерен човекче почти не познава всички негови видове и функции. Звукът носи удоволствие на човек, например, когато слуша музика или пеене на птици. Звукът улеснява вербалната комуникация между членове на семейството и приятели. Звукът предупреждава човек и сигнализира за аларма, като например звънене на телефон, почукване на врата или вой на сирена. Звукът дава възможност на човек да оцени качеството и да постави диагноза, например тракане на клапани на двигателя на автомобила, скърцане на колело или сърдечен шум. Звукът в съвременното общество обаче често е неприятен и досаден.

Неприятните и досадни звуци се наричат ​​шумове. И все пак степента на неприятност и раздразнителност зависи не само от параметрите на самия шум, но и от психологическата нагласа на човека към шума, който го въздейства. Шумът на реактивен самолет, например, може да изглежда като приятна музика за неговия дизайнер, докато за живеещите в близост до летището и техния слух може да бъде истински мъчител. Дори звуци и шумове с ниска интензивност могат да бъдат неприятни и досадни. Скърцащ под, надраскана плоча или капене кран за водаможе да предизвика същото раздразнение като силен гръм. Най-лошото е, че звукът може да бъде и вреден и разрушителен. Звуков удар, например, може да унищожи стъклото на прозорците и мазилката по стените. Най-опасното и вредно обаче е, че звукът може да навреди на най-деликатното и чувствително устройство за неговото възприятие – човешкия слух.

Причини и цели на звуковите измервания

Измерванията на звука са ефективни и полезни по много причини: въз основа на техните резултати се подобряват акустичните параметри на строителните конструкции и високоговорителите и следователно е възможно да се подобри качеството на възприемане на музика не само в концертни зали, но и в нормален живот пространства.

  • Акустичните измервания позволяват точен и научен анализ и оценка на дразнещи и вредни звуци и шумове. Трябва да се подчертае, че въз основа на резултатите от измерването е възможно обективно да се оценят и сравнят различни звуци и шумове дори в различни условия, но поради физиологични и психологически характеристикина човешкото тяло е невъзможно точно и недвусмислено да се определи степента на субективна неприятност или раздразнителност на различни звуци по отношение на индивидите.
  • Акустичните измервания също дават ясна и недвусмислена индикация за степента на опасност и вредност на звуците и шумовете и следователно улесняват ранното приемане на подходящи контрамерки. Въз основа на аудиометрични изследвания и измервания може да се оцени чувствителността и остротата на слуха на хората. Следователно измерванията на звука са основен инструмент за защита на слуха и следователно за защита на здравето.
  • И накрая, измерванията и анализите на звука са ефективни диагностичен метод, използвани при решаване на проблеми с контрола на шума в летища, промишленост, сгради, жилищни помещения, радиостудия и др. Като цяло акустичните измервания са ефективни средстваподобряване на качеството на живот на хората.

Физическо определение и основни свойства на звука

Възприемаемите се наричат ​​звук човешки слухпромени в налягането (във въздух, вода или друга среда). Най-разпространеният и добре известен уред за измерване на промените в атмосферното налягане е барометърът.
Въпреки това промените в налягането, причинени от промените във времето, се случват толкова бавно, че не се усещат от човешкия слух и следователно не отговарят на горното определение за звук.
Настъпващи по-бързо, т.е. най-малко 20 пъти в секунда, промените във въздушното налягане вече се регистрират от човешкия слух и затова се наричат ​​звук. Имайте предвид, че барометърът не реагира достатъчно бързо и не регистрира бързи промени в налягането, така че не може да се използва за измерване на звук.

Броят на промените в налягането за секунда се нарича честота на звука и се изразява в единици Hz (херц). Диапазонът на звуковите честоти се простира от 20 Hz до 20 000 Hz (20 kHz)

Имайте предвид, че честотният диапазон, покриван от пианото, има граници от 27,5 Hz и 4186 Hz.
Хората имат добра представа за скоростта на звука във въздуха въз основа на експериментален методопределяне на разстоянието между наблюдателя и мълнията: от момента на наблюдение на мълнията до възприемането на бученето на интервали от 3 секунди. съответстват на интервали на разстояние от 1 км. При преизчисление тези стойности съответстват на скоростта на разпространение на звука от 1224 км/ч. Въпреки това, в областта на акустиката и акустичните измервания се дава предпочитание на изразяването на скоростта на звука в m/s, т.е. 340 m/s.
Въз основа на скоростта на разпространение и честотата на звука може да се определи неговата дължина на вълната, т.е. физическото разстояние между два съседни максимума или минимума на неговата амплитуда. Дължината на вълната е равна на скоростта на звука, разделена на честотата. Следователно дължината на вълната на звука с честота 20 Hz е 17 m, докато дължината на вълната на звука с честота 20 kHz е само 17 mm.

dB скала

Най-слабият звук, който се долавя от нормалния слух при здрав човек, има амплитуда, равна на 20 милионни от основната единица за налягане (паскал), т.е. 20 µPa (20 микропаскала). Това е еквивалентно на нормално атмосферно налягане, разделено на 5000000000 (1 atm е равен на 1 kg/cm2, т.е. 10t/m2). Промяна в налягането от 20 μPa е толкова малка, че съответства на движение на тъпанчето на разстояние, по-малко от диаметъра на един атом.
Удивително е, че човешкото ухо може да възприема звуци, които причиняват промени в налягането повече от милион пъти над минималната стойност, описана по-горе. Следователно използването на основни единици за налягане, т.е. Па, в акустичната практика би било придружено от необходимостта да се използват големи и неясни числа. За да се избегне този недостатък в акустиката, използването на логаритмична скала и съответната единица dB (децибел) е обичайна.
Референтната точка на dB скалата е прагът на чуване, т.е. налягане 20 µPa. Тъй като тази точка е началната точка на скалата, тя съответства на ниво от 0 dB.
Линейно увеличение на звуковото налягане с 10 пъти съответства в логаритмична скала на увеличение на нивото от 20 dB. Следователно, звуково налягане от 200 μPa съответства на ниво от 20 dB rel. 20 µPa, налягане 2000 µPa, ниво 40 dB и др. По този начин използването на логаритмична скала прави възможно компресирането на диапазон 1:1 000 000 в широк диапазон от 120 dB.
Фигурата показва стойностите на звуковото налягане и нивото на звуковото налягане (SPL) в съответните единици, т.е. съответно Pa и dB, добре познати и често срещани звуци. Предимствата и недостатъците на логаритмичната dB скала включват и факта, че тя отговаря по-точно от линейната Pa скала на субективното възприемане на относителната сила на звука. Това се дължи на факта, че слухът реагира на процентни промени в интензитета на звука (налягане) и, следователно, на промени в нивото му. 1 dB е най-малката слухово забележима промяна в нивото на звука, която представлява идентична относителна промяна във всяка точка на логаритмична скала за ниво.

Субективни звукови стойности

Факторите, които определят субективната сила на звука, са толкова сложни, че все още се извършват важни изследвания, теоретична и експериментална работа в съответната област на акустиката.

Един от тези фактори е честотната зависимост на чувствителността на човешкия слух (максимална чувствителност в областта на 2 - 5 kHz и минимуми при високи и ниски честоти). Усложняващото е, че честотната зависимост на слуховата чувствителност, описана по-горе, е по-изразена в района на ниски нива на звуково налягане и намалява с увеличаване на SPL.

Горното е илюстрирано от кривите на еднаква сила на звука, показани на фигурата, от които е възможно да се определят нивата на звуково налягане при различни честоти, което води до субективна сила на звука, идентична на чист тон с честота от 1000 Hz.

Например, нивото на тон от 50 Hz трябва да бъде с 15 dB по-високо от нивото на тон от 1000 Hz и 70 dB SPL, за да имат и двете идентични субективни гръмкости.
Сравнително проста задача в електрониката и инструментите за измерване на звук е да се конструира специална електронна схема, чиято чувствителност варира с честота според честотните промени в чувствителността на човешкия слух. В момента, дефинирани международни препоръкии стандарти за вериги за изравняване на честотите, означени с "A", "B" и "C". Характеристиката на коригиращата верига “A” съответства на равни криви на гръмкост в областта на ниски нива на звуково налягане, верига “B” е приближение в областта на средни нива на звуково налягане, а параметрите на верига “C” съответстват на равни криви на силата на звука в областта на високи нива на звуково налягане. Въпреки това, в повечето практически области схемата за корекция на честотата "A" е предпочитана поради относително слабата корелация между резултатите от субективни експерименти и обективни измервания от инструменти с схеми за корекция на честотата "B" и "C". Трябва да се отбележи, че В момента е налична допълнителна схема за корекция на честотата "B". D", определена от международни препоръки и стандарти и предназначена за измерване на шума от самолети.

Една от причините за не много добрите резултати от използването на вериги за честотна корекция “B” и “C” е самият метод за определяне на кривите на еднаква сила на звука.
Факт е, че тези криви се отнасят до чисти тонове и условия на свободно звуково поле, докато повечето звуци, срещани в акустичната практика, се различават от чистите тонове и имат сложен или дори случаен характер.

В случаите, когато е необходимо повече Подробно описаниесложен акустичен сигнал, областта на звуковите честоти, т.е. Диапазонът 20 Hz - 20 kHz е за предпочитане разделен на редица съседни тесни честотни ленти, например широки една октава или една трета октава. За тази цел са предвидени електронни филтри, които пропускат компоненти с честоти в определена честотна лента и почти напълно блокират компоненти с честоти извън тази лента.
Например октавен филтър с централна честота 1 kHz пропуска честотната лента от 707 до 1410 Hz.

Процесът на изолиране на честотните компоненти на сигнала и обработка на отделни честотни ленти се нарича честотен анализ. Резултатът от честотния анализ е честотен спектър и спектрограма в графично представяне.

Кратки звуци, т.е. звуците с продължителност по-малка от 1 s се наричат ​​импулсни. Примери за такива импулсни звуци включват шумът, генериран от пишеща машина, и звукът от удар на чук. Импулсните звуци правят оценката на субективната сила още по-трудна и сложна, тъй като с намаляването на продължителността на звука намалява и чувствителността на слуха, който го възприема. Учените и изследователите на акустиката като цяло са съгласни с правилото, че субективната сила на звука намалява с намаляване на продължителността на импулсните звуци до общо 70 ms.
В съответствие с това правило е разработена и приета в международен план специална електронна схема, чиято чувствителност намалява с намаляване на продължителността на краткотрайния звук. Характеристиката на тази верига се нарича "импулс".

Звукомер

Шумомерът е електронен измервателен уред, който реагира на звука по начин, подобен на човешкия слух, и осигурява обективно и повторяемо измерване на нивата на звука или звуковото налягане.

Звукът, получен от шумомера, се преобразува от неговия микрофон в пропорционален електрически сигнал. Тъй като амплитудата на този сигнал е много малка, е необходимо подходящо усилване, дори преди да бъде изпратен към циферблат или цифров индикатор. Електрическият сигнал, усилен от етапа на усилване, осигурен на входа на шумомера, може да бъде подложен на честотна корекция в блок, съдържащ стандартни коригиращи вериги. A, B, C и/или D или филтриране с външни лентови (например октавни или една трета октавни) филтри. Електрическият сигнал, усилен от подходящо усилващо стъпало, след това се подава към детекторния блок и от неговия изход към циферблатен индикатор или след преобразуване в цифров индикатор. Детекторният блок на стандартен шумомер съдържа RMS детектор, но може да бъде оборудван и с пиков детектор. Манометър със стрелка или цифров индикатор показва нивата на звука или нивата на звуково налягане в dB.

Средноквадратичната стойност (RMS) е математически точно определена специална средна стойност, свързана с енергията на процеса, който се изследва. Това е особено важно в акустиката, тъй като RMS стойността е пропорционална на количеството енергия на звука или шума, измерено от шумомера. Пиковият детектор осигурява възможност за измерване на пиковата стойност на преходни и импулсни звуци, докато използването на устройство с памет (задържаща верига) помага да се запише максималната пикова или ефективна стойност, измерена в импулсен режим на шумомера.

Предпочитаният метод за калибриране на шумомери е акустичният метод, който разчита на използването на прецизен и евентуално преносим акустичен калибратор. По същество звуковият калибратор е комбинация от прецизен осцилатор и високоговорител, които произвеждат звук на точно определено ниво.) Тъй като шумомерът е прецизен измервателен уред, той е проектиран да бъде повторно калибриран и проверен, за да осигури много точно и надеждно измерване резултати.

Динамични характеристики на шумомера

При измерване на звук с различни нива е необходимо стрелката да се отклонява измерващ инструментшумомерът точно съответстваше на тези промени.
Твърде бързите промени в нивото на измерения звук обаче могат да доведат до толкова бързо колебание на стрелката на измервателния уред, че отчитането да стане трудно или дори невъзможно. Поради тази причина международните препоръки и стандарти установяват две основни динамични характеристики на шумомери; „бързо" е характеристика, която съответства на бързата реакция на уреда. При бързи колебания на стрелката на измервателния уред (вижте горната фигура), когато работите в режим „бърз" е по-добре да настроите шумомера на "бавен" режим.
Ако колебанията на стрелката на измервателното устройство за шумомер, работещо в „бавен“ режим, са твърде големи, е необходимо да се определи средната стойност на отклоненията на стрелката и да се отбележат максималните и минималните показания на измервателното устройство в съответния протокол.
При измерване на краткотрайни и импулсни звуци е необходим импулсен шумомер. Някои насоки и стандарти изискват измерване на пикови стойности, докато други изискват използването на динамичен импулсен режим. Имайте предвид, че възможността за записване на показанията на измервателно устройство или индикатор за измерване на нивото на звука е ефективна и удобна при измерване на всички видове краткотрайни звуци. При измерване на звук с променящи се нива е необходимо отклонението на стрелката на шумомера да съответства точно на тези промени. Твърде бързите промени в нивото на измерения звук обаче могат да доведат до толкова бързо колебание на стрелката на измервателния уред, че отчитането да стане трудно или дори невъзможно. Поради тази причина международните препоръки и стандарти установяват две основни динамични характеристики на шумомери; „бърз" е характеристика, съответстваща на бързата реакция на уреда. Ако стрелката на измервателния уред (виж горната фигура) се колебае бързо при работа в режим „бърз", по-добре е шумомерът да се настрои на "бавен" режим. Ако стрелката на измервателното устройство на работещия шумомер е твърде голяма. в "бавен" режим е необходимо да се определи средната стойност на отклоненията на стрелката и да се отбележи в съответния протокол максималната и минимални показания на измервателния уред.При измерване на краткотрайни и импулсни звуци е необходим импулсен шумомер.Някои препоръки и стандарти изискват измерване на пикови стойности, докато други определят необходимостта от използване на режим с динамична характеристика " импулс.“ Обърнете внимание, че възможността за записване на показанията на измервателно устройство или индикатор на шумомер е ефективна и удобна при измерване на всички видове краткотрайни звуци.

Разпространение на звукови вълни

Разпространението на звуковите вълни във въздуха е подобно на разпространението на вълните във водата. Звуковите вълни се разпространяват равномерно във всички посоки и амплитудата им намалява с увеличаване на разстоянието от източника. Удвояването на разстоянието във въздуха съответства на намаляване наполовина на амплитудата на звуковата вълна, т.е. намаляване на нивото с 6 dB. Следователно, чрез удвояване на разстоянието между източника на звук и наблюдателя, нивото на звуковото налягане, възприемано от последния, ще намалее с 6 dB. Увеличаване на разстоянието с 4, 8 и т.н. пъти съответства на намаляване на нивото съответно с 12 dB, 18 dB и т.н.
Горното обаче е валидно само при липса на обекти, които отразяват или поглъщат звука. Такива идеални условия се наричат ​​условия на свободно звуково поле. Обектите, разположени в звуковото поле, повече или по-малко отразяват, абсорбират и предават звукови вълни.
Количеството отразена, погълната и предадена звукова енергия се определя от физическите свойства на отделните обекти, по-специално от коефициента на поглъщане и размера и дължината на вълната на звука. По принцип само обекти, по-големи от дължината на вълната на звука, сериозно нарушават звуковото поле. Например, дължината на вълната на 10 kHz звук е само 34 mm, така че дори малки обекти (като измервателен микрофон) ще нарушат звуковото поле. Напротив, звукоизолация и абсорбция в района високи честотиса относително прости задачи. Точно обратното е вярно в областта на ниските честоти (дължината на вълната на звука с честота 100 Hz е 3,4 m), където звукоизолацията става сложен проблемприложна акустика.
Горното може да се потвърди от музиката, която се разнася от съседната стая - басовите тонове трудно могат да бъдат забавени.

Безехови (звукопоглъщащи) камери

Ако имате нужда от измерване в свободно звуково поле, т.е. При липса на звукоотразяващи предмети, изследването или изпитването трябва да се извърши или на открито с микрофон в края на дълъг и тънък вертикален прът, или в безехова камера. Стените, таванът и подът на безеховата камера са покрити със звукопоглъщащ материал, чиито параметри и дизайн елиминират отразяването на звуковите вълни. Следователно в безехова камера е възможно да се измерва звукът, разпространяващ се във всяка посока от източника, без да се нарушава звуковото поле от обекти, отразяващи звукови вълни.

Реверберационни (отразяващи звука) камери

Реверберационната камера е противоположна на безеховата камера по отношение на свойства и дизайн. Всички повърхности на реверберационната камера са възможно най-твърди и гладки, като веригата осигурява възможно най-голямо отражение на звуковите вълни. За да се осигури желаното ъглово разпределение на звука, повърхностите на реверберационната камера не са успоредни една на друга. Звуковото поле, образувано в реверберационната камера, се нарича дифузно и се характеризира с равномерно разпределение на звуковата енергия във всички негови точки. Реверберационните камери могат да измерват силата на звука и шума, излъчван от различни източници, но опитът да се измерят нивата на звука или нивата на звуково налягане в определена посока спрямо източника води до грешни и практически безсмислени резултати поради отражения на звукови вълни. Имайте предвид, че поради по-ниската цена на реверберационните камери (в сравнение с безеховите камери), те се използват широко в техническата акустика, по-специално в изследванията на шума, генериран и излъчван от машини и оборудване.

Акустични параметри на нормални помещения

Повечето практически измервания на звука не се извършват нито в безехови, нито в реверберационни камери, а в помещения, чиито акустични параметри са някъде между тези на специалните камери, споменати по-горе.
При измерване на звука или шума, генерирани и излъчвани от определен източник, са възможни различни грешки. Малки промени в позицията на микрофона, разположен на малко разстояние от източника на звук
шумомерното оборудване може да бъде придружено от големи промени в нивата на звука или звуковото налягане. Тази ситуация не е изключена при разстояния, по-малки от по-голямата от следните две стойности: дължината на вълната на най-нискочестотния компонент на звука, генериран и излъчван от източника на звук, и два пъти максималния размер на източника на звук.
Дефинираното по този начин звуково поле се нарича близко поле. Имайте предвид, че поради причините, посочени по-горе, измерването на нивата на звука в близко поле или звуковото налягане не се препоръчва.
Дори при измерване на големи разстояния от източник на звук не могат да бъдат изключени определени грешки, по-специално грешки, дължащи се на отражения от стените на стаята и други звукоотразяващи обекти. Поле, в което интензитетът на отразения звук може да бъде почти равен на интензитета на звука, разпространяващ се директно от източника, се нарича ревербериращо. Някъде между полето на реверберация и близкото поле има свободно звуково поле, чиито граници могат да бъдат намерени според неговата дефиниция: удвояването на разстоянието в свободното поле трябва да съответства на намаляване на нивото с 6 dB. Акустичните измервания се препоръчват да се извършват в свободно звуково поле или условия, възможно най-близки до него.
В протокола от измерването е необходимо да се отбележи не само полученото ниво на звука или звуковото налягане, но и разстоянието между микрофона и източника на звук, посоката на микрофона и неговата височина.

Измервателен микрофон в звуково поле

Измервателният микрофон трябва да отговаря на редица строги изисквания.
На първо място, тя трябва да бъде висококачествена и надеждна. Освен това, той трябва да има плавен и равномерен честотен спектър, т.е. неговата чувствителност трябва да бъде еднаква или почти еднаква при всички честоти. Тя също трябва да бъде всепосочна, т.е. имат еднаква или почти еднаква чувствителност във всички посоки.
Brühl & Kjær произвежда и произвежда прецизни измервателни микрофони с оптимална производителност в свободно звуково поле, измерване на налягане и дифузно звуково поле. Микрофоните, предназначени за използване в свободно звуково поле, имат равна честотна характеристика по отношение на звука, който формира звуковото поле, преди микрофонът да бъде инсталиран в него. Трябва да се подчертае, че всеки микрофон нарушава звуковото поле, но че микрофоните със свободно поле са проектирани да компенсират автоматично присъствието си в звуковото поле. Микрофоните, приемащи налягане, са проектирани да постигнат равномерна честотна характеристика спрямо действителното звуково налягане, разбира се, с автоматична компенсация за прекъсване на звуковото поле поради наличието на микрофона. Конструкцията на микрофоните, предназначени за използване в дифузно звуково поле, гарантира тяхната всенасоченост, т.е. идентична или почти идентична чувствителност към звукови вълни, пристигащи едновременно от различни ъгли, какъвто е случаят при ревербериращи и дифузни звукови полета. За акустични измервания в свободно звуково поле микрофонът, предназначен за условия на свободно звуково поле, трябва да бъде насочен директно към източника на звук, докато микрофонът на приемника на налягането трябва да бъде под ъгъл от 90° спрямо посоката към източника на звук, т.е. тя трябва да бъде разположена така, че нейната мембрана да е успоредна на посоката на разпространение на звуковите вълни.

Измервателен микрофон в звуково поле

Когато се използва в дифузно или произволно звуково поле, микрофонът трябва да е всепосочен. Общо правилочовек може да приеме това, отколкото по-малки размеримикрофон, толкова по-добра е неговата характеристика на насоченост, т.е. толкова по-близо е до идеален многопосочен микрофон.
Въпреки това, чувствителността на малките микрофони е сравнително ниска, което може да попречи на използването им в относително тиха среда. Решението на този проблем е да се използва чувствителен микрофон с оптимална производителност в свободно звуково поле, т.е. едноинчов микрофон, оборудван със специално устройство, наречено дифузер, което му дава почти всепосочен отговор. Въпреки това, ако не е необходима високата чувствителност на едноинчов микрофон, се предпочита използването на по-малки микрофони, предназначени за използване в дифузно звуково поле, т.е. микрофони с диаметър 1/2 инча или по-малък.
Трябва да се подчертае, че присъствието на тялото на инструмента и оператора в дифузно звуково поле може да попречи на звуковите вълни да се разпространяват в определени посоки и следователно значително да влоши иначе добрия всепосочен отговор на микрофона. Ето защо се препоръчва микрофонът да бъде монтиран на удължителен прът или, когато използвате удължителен кабел за микрофон, на здрава опора, която е далеч от тялото на измервателния уред и оператора и не нарушава звуковото поле.

Екологичен шум

Досега тази брошура разглежда звука и шума, генерирани и излъчвани от един източник, като например машина, по-специално с верига за акустично характеризиране този източники определяне на параметрите на звука и тяхната зависимост от разстоянието. Съвсем различен вид акустично изследване е измерването, анализирането и оценката на звук или шум на определено място, като звуковото поле може да бъде създадено от различни източници и техните комбинации.

Шумът на работното място е пример за шум в околната среда. Измерването и анализът на такъв шум се извършва на нормално работно място, без да се взема предвид дали това място е в близкото или далечното звуково поле на съответното оборудване, дали звуковото поле се създава само от това оборудване или от определена комбинация и т.н.

Реални условия, индивидуални източници на шум и др. се вземат предвид на етапа на контрол на шума, но при измерване и оценка на дозата шум, въздействаща на човек, те не са значими.
Тъй като общият шум на външната среда в повечето случаи се формира от звукови вълни от различни източници и т.н., микрофонът на шумомера, използван при измерванията, трябва да бъде всепосочен. Следователно шумомерът с микрофон трябва да има еднаква чувствителност във всички посоки и неговите показания не трябва да зависят от местоположението на източниците, формиращи звуковото поле.
Други примери за шум в околната среда включват шум в жилищни райони, в близост до промишлени инсталации, в офиси, театри и др.

Ефект от присъствието на измервателен уред и оператор

Когато правите каквито и да било измервания на звук и шум, трябва да се внимава присъствието на оборудване за измерване на звука и операторът да не нарушават измереното звуково поле. Трябва да се има предвид, че корпусът на измервателния уред и тялото на оператора могат не само да предотвратят разпространението на звукови вълни в определени посоки, но и да причинят отражения на звукови вълни, които нарушават звуковото поле. На пръв поглед човешкото тяло не изглежда като обект, който отразява добре звуковите вълни. въпреки това експериментални изследванияпоказа, че при честоти около 400 Hz отраженията от човешкото тяло могат да причинят грешки от порядъка на 6 dB, когато се измерват на разстояние по-малко от 1 m от тялото на оператора.

За да се сведат до минимум отраженията от тялото на звукоизмервателните инструменти, шумомерите на Bryup и Kjær са оборудвани със специална конусовидна фасада. Гъвкав удължителен прът може да се използва с повечето от тези шумомери, за да помогне за преместването на микрофона далеч от шумомера и следователно да намали общата грешка при измерване. Освен това е възможно да се използват удължителни кабели за микрофон в случаите, когато е необходимо напълно да се елиминира смущението на звуковото поле поради наличието на корпуса на устройството за измерване на звука.
Отразяването на звуковите вълни от тялото на оператора и тяхното влияние върху резултатите от измерването в повечето случаи могат да бъдат сведени до минимум чрез правилно инсталиране на шумомера. Шумомерът трябва да се държи на една ръка разстояние или, за предпочитане, да се монтира на статив или друга здрава опора, която не нарушава звуковото поле. Във всеки случай се препоръчва използването на гъвкав удължителен прът. Още по-усъвършенствано по отношение на намаляване на грешките поради присъствието на оператор е монтирането на микрофона на разстояние от шумомера и свързването им заедно с подходящ удължителен кабел за микрофон.

Фонов шум (нива на изваждане)

На другите важен фактор, влияещ върху общата грешка на резултатите от акустичните измервания, е фоновият шум, по-специално отношението на неговото ниво към нивата на измерения звук или шум. Ясно е, че нивото на фоновия шум не трябва да надвишава нивата на измервания процес.
На практика може да се използва правило, което определя дали нивото на фоновия шум трябва да надвишава измерените нива на звук или шум с 3dB или повече. Въпреки това, дори ако изискванията на това правило са изпълнени, трябва да се направят подходящи корекции, за да се постигнат правилни резултати с минимална грешка. Техниката за измерване и изчисляване на нивото на звука или шума, генериран от конкретен източник (например машина) при наличие на фонов шум на относително високо ниво, е както следва:

  • Измерете общо нивозвук или шум (Ls+m) при включен източник.
  • Измерете нивото на фоновия шум (Ln) след изключване на източника.
  • Изчислете разликата между резултатите от гореописаните измервания. Ако тази разлика е по-малка от 3 dB, фоновият шум трябва да се счита за прекалено силен и възпрепятстващ предоставянето на точни резултати. Ако разликата е между 3 и 10 dB, трябва да се направи подходяща корекция. Корекцията може да бъде пренебрегната, ако споменатата по-горе разлика надвишава 10 dB
  • Корекцията за фоновия шум се определя с помощта на номограмата, показана на фигурата вдясно. На хоризонталната ос на номограмата трябва да намерите точка, съответстваща на разликата в нивото, изчислена в стъпка 3. От тази точка начертайте вертикална линия нагоре, за да определите точката, в която тя пресича удебелената крива. От тази точка се начертава хоризонтална линия до вертикалната ос на номограмата. Пресечната точка определя стойността на Δ Ln в dB.
  • Извадете стойността Δ Ln, определена по вертикалната ос на номограмата (вижте точка 4 по-горе) от общото ниво на звук или шум, измерено в точка 1.
    Резултатът от тази операция е желаното ниво на звук или шум, генерирани и излъчвани от изследвания източник.

Пример:

  • Общо ниво на шум = 60 dB
  • Ниво на фонов шум - 53 dB
  • Разлика в нивата - 7 dB
  • Корекция, определена на базата на номограмата - 1 dB
  • Изисквано ниво на шума на източника = 60—1 = 59 dB

Добавяне на нива

Ако нивата на звук или шум, излъчвани от два източника, се измерват поотделно и е необходимо да се определи общото ниво на звук или шум, когато двата източника работят едновременно, е необходимо да се добавят съответните нива. Използването на логаритмична скала и dB обаче изключва възможността за директно добавяне на нива на звук или шум.

  • Добавянето се извършва чрез въвеждане на подходяща корекция, определена чрез изчисление или въз основа на номограма, например номограмата, показана на фигурата вдясно.
    Работната процедура е следната:
  • Измерете поотделно нивата на звука или шума на двата източника, например машини 1 и 2.
  • Изчислете разликата между резултатите от гореописаните измервания.
  • Намерете точката на хоризонталната ос на номограмата, която съответства на разликата в нивото, изчислена в стъпка 3. Начертайте вертикална линия от тази точка, така че да определите точката на нейното пресичане с дебелата крива. Хоризонтална линия от тази точка до вертикалната ос на номограмата определя новата пресечна точка и съответната стойност Δ L в dB.
  • Добавете стойността, определена по вертикалната ос на номограмата (вижте точка 3 по-горе) към по-голямото ниво, определено от стъпка 1. Резултатът от тази операция е желаното общо ниво, т.е. сумата от нивата, генерирани от два източника на звук или шум.

Пример:

  • Източник 1 - 85 dB Източник 2 = 82 dB
  • Разлика в нивата = 3 dB
  • Корекция на базата на номограма -1.7 dB
  • Желаното общо ниво е 85+ 1,7 = 86,7 dB

  • Вятър
    Наличието на вятър се възприема от микрофона на оборудването за измерване на звука като шум, подобен на шума, чуван от човешкото ухо, когато духа вятър. За намаляване на шума, генериран от вятъра, са проектирани специални ветроустойчиви капачки, които имат формата на топка, изработена от порест и пенлив полиуретан и също така предпазват микрофона от прах, мръсотия и други замърсявания. Трябва да се подчертае, че трябва да се използва ветроустойчива капачка, когато използвате микрофона на открито.
  • Влажност
    Влажността на околната среда има малък ефект върху висококачествените инструменти за измерване на звука и микрофони, така че влиянието на относителна влажност до 90% може да бъде практически пренебрегнато. Измервателното оборудване обаче трябва да бъде защитено от дъжд, сняг и др. При използване на открито е необходима ветроустойчива шапка. Имайте предвид, че грешката на измерване остава почти непроменена дори когато ветроустойчивата капачка, поставена върху микрофона, е силно навлажнена. Специални микрофони, дъждовни капаци и влагоуловители са предназначени за стационарна употреба при условия на висока относителна влажност.
  • температура
    Оборудването за измерване на звука, произведено и произведено от Brühl & Kjaer, е проектирано за много точна и надеждна работа в температурен диапазон от -10 до + 50 ° C. Трябва обаче да се обърне специално внимание на бързите температурни измервания, тъй като те могат да причинят кондензация на влага вътре в микрофоните.

Влияние на условията на околната среда

  • Статично налягане
    Промените в статичното (атмосферно) налягане в рамките на ±10% нямат почти никакъв ефект върху чувствителността на микрофоните (промени ±0,2 dB). Въпреки това, на твърде голяма надморска височина промените в чувствителността на микрофона, особено във високочестотния диапазон, стават забележими и трябва да се вземат предвид в съответствие със съответните инструкции за работа. Локалното атмосферно налягане също трябва да се вземе предвид при акустично калибриране на оборудването с бутален телефон.
  • Механични вибрации
    Въпреки че микрофоните и шумомерите са относително нечувствителни към механични вибрации, все пак се препоръчва те да бъдат надеждно изолирани срещу механични вибрации и удари с големи амплитуди. Ако е необходимо да се работи със звукоизмервателно оборудване при наличие на механични вибрации и удари, се препоръчва използването на еластични възглавници или уплътнения от порест каучук или друг подходящ материал.
  • Електромагнитни полета
    Влиянието на електростатичните и електромагнитните полета върху шумомерите може да бъде пренебрегнато.

Препоръки и стандарти, свързани с акустичните измервания

При планиране и подготовка на акустични измервания се препоръчва да се вземат предвид насоките на съответните международни и национални препоръки и стандарти. Тези препоръки и стандарти установяват както методите за измерване, така и техниките и изискванията към измервателното оборудване. Следователно насоките и стандартите осигуряват солидна основа за точни, надеждни и възпроизводими акустични измервания.

Препоръка на ISO 2204, озаглавена „Акустика – Ръководство за методи за измерване на акустичния шум и неговите ефекти върху хората“, е особено важна, особено за тези без достатъчно опит, тъй като съдържа дефиниции и обяснения на основните термини, описания на методите за измерване и списък на подходящи препоръки и стандарти.

Препоръки 123 и 179 на Международната електротехническа комисия IEC установяват изискванията за шумомери с различни класове на точност. Трябва да се отбележи, че оборудването за измерване на звука, произведено и произведено от Brühl и Kjaer, отговаря на изискванията на тези препоръки, а също и на други стандарти. В САЩ широко се използват националните стандарти (ANSI). Шумомерите на Brühl и Kjaer, оборудвани с гъвкав удължител, също отговарят на изискванията на съответните американски стандарти.
Преглед и списък с препоръки и стандарти, свързани с акустичните измервания, можете да получите от вашия местен представител на Bryp & Kjær.

Протокол за измерване на звук или шум

Важна част от акустичното измерване е създаването на прецизен измервателен протокол. Докладът за измерване на звука или шума трябва да съдържа следното:

  • Скица на мястото на измерване, посочваща съответните размери, местоположението на микрофона и обекта за измерване.
  • Тип и серийни номера на използваните измервателни уреди.
  • Описание на метода за калибриране на средствата за измерване.
  • Описание на честотната корекция и веригите за динамична реакция, използвани при измерванията.
  • Кратко описание на акустичния сигнал, който се измерва (импулсен звук, непрекъснат шум, чист тон и др.).
  • Ниво на фоновия шум.
  • Метеорологични данни и данни за време на измерване.
  • Основни данни за обекта, който ще се измерва (тип оборудване, работни параметри, натоварване, скорост и др.).
    Внимателно разработеният протокол за измерване гарантира, че акустичните измервания, направени в различно време и на различни места, могат да бъдат точно и надеждно сравнени и контрастирани.

Графично представяне на звукови или шумови полета

Една от първите стъпки при изпълнението на по-сложна програма за контрол на шума обикновено е графично представяне на съответното шумово поле, т.е. изготвяне на доста точна скица с посочване на местоположението и основните размери на отделни източници на шум (машини и др.) и други обекти, разположени в изследваната област. След това тази скица се запълва с нива на шум, измерени в различни точки в шумовото поле. Ясно е, че с увеличаване на броя на резултатите от измерванията се получава все по-точно представяне на изследваната област.

Чрез свързване на точки с еднакви нива на шум се изграждат криви, подобни на изохипсите в картографията и даващи графично представяне на разпределението на шумовата енергия. Графичното представяне на шумовото поле помага да се идентифицират най-шумните места и служи като първоначална платформа за планиране и подготовка на акустични мерки за защита на хората от шум. Новите измервания, извършени след прилагането на мерките, споменати по-горе, предоставят визуално представяне на техните резултати и илюстрация на постиженията по отношение на намаляването на шума и оптимизирането на шумовото поле. В горната скица можете да използвате червено, за да посочите зони, в които използването на лични предпазни средства е задължително, например тампони за уши, антифони и др.

Криви на индекса на шума

Повечето планове за намаляване на шума, особено в райони, където измерените dB(A) нива надвишават допустимите граници, изискват оценка на нивата на шума и вредните ефекти от шума.

В такива случаи е необходим честотен анализ на шума, като анализ на октава или една трета октава. Разни препоръкии стандартите установяват повече или по-малко сложни методи за оценка на шума и неговите ефекти. Най-простият метод се основава на прилагането на кривите на индекса на шума, показани на фигурата. Резултатите от честотния анализ се въвеждат в полето на кривите на индекса на шума, т.е. нива, съответстващи на отделните честотни ленти. Чрез сравнение се определя крива, която е в контакт с максимума на шумовия спектър и следователно на шума се присвоява шумов индекс NR, съответстващ на тази крива (в примера на фигурата този индекс е NR78). От формата на кривите на индекса на шума става ясно, че областта с висока честота се счита за по-важна и, по отношение на неблагоприятните шумови ефекти, по-тежка от областта с ниска честота.

Имайте предвид, че определенията и обясненията, свързани с кривите на индекса на шума, са дадени в препоръката на ISO от 1996 г. Подобни криви се използват в някои страни за определяне на максимално допустимото време на излагане на шум, засягащ хората, и за установяване на допустими граници на шум за машини, оборудване и др. Трябва да се отбележи, че когато се прилагат горните криви, между другото, честотната характеристика на човешкия слух автоматично се взема предвид.

Доза шум

Потенциалната опасност от определен шум, по-специално по отношение на увреждане и увреждане на слуха, се определя не само от неговото ниво, но и от неговата продължителност. Например, вредното въздействие на шум с определено ниво, въздействащ на човек в продължение на 60 минути, е много по-голямо от въздействието на шум с идентично ниво и продължителност само една минута. Поради това са необходими измервания на нивото и продължителността на шума, за да се оцени степента на опасност. Такива измервания не са напълно трудни в случай на стационарен шум с фиксирани нива, но стават по-сложни, когато шумът е нестационарен и когато неговите нива варират във времето.
Усложнението възниква от необходимостта от периодично измерване на нивата на шум през точно определени интервали от време. Въз основа на дискретни стойности на нивото на нестационарния шум, присвоени на отделни интервали от време, е възможно да се изчисли едноцифрен параметър, наречен еквивалентно ниво на шум (1_eq) - L eq е еквивалентното ниво на непрекъснат шум в dB (А), чиято степен на опасност за слуха е идентична със степента на опасност от шум с вариращи времеви нива. Ако изследваното ниво на шум се променя повече или по-малко дискретно, еквивалентното ниво може да се изчисли въз основа на резултатите от измерванията с помощта на шумомер и хронометър.
Еквивалентното ниво на шум с колебливо или произволно променящо се ниво не може да се изчисли на базата на няколко резултата от измерване.В такива случаи е необходимо да се използва дозиметър за шум, който автоматично измерва и изчислява еквивалентните нива на шум. Шумомерите могат да бъдат както стационарни устройства, така и преносими устройства с джобен размер.
Акустичните указания и стандарти установяват два метода за определяне и изчисляване на еквивалентни нива на шум. Един от тези методи е установен от препоръките от 1996 г. и 1999 г. на Международната организация по стандартизация, докато другият метод се определя от Политиката на САЩ за безопасност и здраве при работа (OSHA).

Основни методи за контрол на шума

Ако резултатите от акустичните измервания показват, че нивата на шум са твърде високи и надвишават допустимите граници, трябва да се вземат всички подходящи мерки за тяхното намаляване. Въпреки че методите и средствата за контрол на шума често са сложни, съответните основни мерки са описани накратко по-долу.

  • Намаляване на шума при неговия източник, например чрез използване на специални технологични процеси, модифициране на дизайна на оборудването, допълнителна акустична обработка на части, компоненти и повърхности на оборудването или използване на ново и по-малко шумно оборудване.
  • Блокиране на пътищата на звуковите вълни. Този метод
    въз основа на използването на допълнителни технически средства, се състои в оборудването на оборудването със звукоизолиращо покритие или акустични екрани и окачването му върху абсорбатори на вибрации. Шумът на работните места може да бъде намален чрез покриване на стени, тавани и подове с материали, които абсорбират звука и намаляват отразяването на звуковите вълни.
  • Използването на лични предпазни средства, когато други методи не са ефективни по една или друга причина. Използването на тези средства обаче трябва да се счита само за временно решение на проблема.
  • Спирането на работата на шумна техника е най-радикалният и краен метод, който се взема предвид в специални и сериозни случаи. Тук е необходимо да се подчертае възможността за намаляване на времето за работа на шумно оборудване, преместване на шумно оборудване на друго място, избор на рационален режим на работа и почивка и намаляване на времето, прекарано в шумни условия и др.

Основни правила за акустични измервания

Тази брошура завършва с преглед на основните правила за акустични измервания, направени с преносим шумомер.

  • Запознайте се с препоръките и стандартите, които установяват подходящи методи и налагат изисквания към използваното измервателно оборудване.
  • Проверете състоянието на вътрешното захранване на батерията на шумомера и подгответе резервен комплект висококачествени елементи. Имайте предвид, че когато съхранявате шумомера в склад, особено за дълго време, е необходимо да премахнете елементите, които обикновено се съдържат в източника на захранване на батерията.

  • Проверете шумомера и, ако е необходимо, го калибрирайте. Във всеки случай се препоръчва калибриране с акустичен калибратор на редовни интервали.
  • Определете схемата за корекция на честотата, подходяща за условията и целите на измерването. Имайте предвид, че в повечето нормални случаи се използва коригираща верига A.

  • Дори преди да започнете действителното измерване, се препоръчва да вземете няколко приблизителни показания от шумомера в изследваното звуково поле.
    Определете вида и основните параметри на звуковото поле, което ще се изследва, и точките на измерване, съответстващи на работните условия.
  • Оборудван с микрофон с оптимална реакция на свободно поле, шумомерът трябва да се държи на една ръка разстояние, като микрофонът е обърнат към източника на звука или шума.

  • При дифузни звукови полета и полета със случайно падане на звукови вълни е важно да се използва микрофон и метод на монтиране на устройството, който гарантира ненасочеността на шумомера, оборудван с микрофон.
  • Определете динамичните характеристики на шумомера, т.е. „бързо“ или „бавно“, съответстващи на условията на измерване и изключващи грешки при отчитане. Имайте предвид, че когато измервате импулсни звуци, ви е необходим специален измервател на нивото на импулсния звук

  • В случаите, когато е трудно да се определи източникът на звук, който определя показанията на циферблат или цифров индикатор на шумомер, слушалките, свързани към изхода на шумомера, могат да бъдат ценен помощник. Моля, обърнете внимание, че използването на слушалки е възможно само ако шумомерът е оборудван с подходящ изходен жак.
  • При измерване трябва да се вземе предвид следното:
    • достатъчно разстояние между микрофона на шумомера и звукоотразяващите обекти
    • разстояние между шумомера и измерения източник на звук или шум, съответстващо на условията на измерване и вида на звуковото поле
    • ниво на фоновия шум
    • наличието на предмети, способни да блокират разпространението на звукови вълни от източника до шумомера
    • необходимостта от използване на ветроустойчива шапка при работа на открито
    • необходимостта от изключване на резултатите от измерването, когато шумомерът или неговият индикатор са претоварени

  • Внимателно съставете подходящ протокол за измерване

Авторите на тази брошура се надяват, че тя предоставя практическо въведение в областта на измерването на звука и шума и отговаря на повечето въпроси. практически въпросии следователно, че ще намери приложение като удобен справочник. За съвет относно специални въпроси относно акустични измервания и свързано оборудване, моля, свържете се с представители на Brühl & Kjær или пишете директно на Brühl & Kjær 2850 Nærum Дания