ИЗМЕРЕНИЕ И НОРМИРОВАНИЕ ШУМА
Основные акустические определения
Специфика терминологии, принятой в технике борьбы с шумом, в значительной степени обусловлена характером восприятия звука слуховым аппаратом человека, а также современным уровнем развития измерительной аппаратуры. Это касается повсеместного использования логарифмической шкалы для амплитудных характеристик звуковых волн и выражением интенсивности преимущественно через звуковое давление.
Единицей звукового давления является паскаль (1 Па = = 1 Н/м2). Наименьшее звуковое давление, улавливаемое человеком (порог слышимости), 2-10—5 Па, наибольшее, воспринимаемое безболезненно, 1 · 10~2 Па.
При изменении интенсивности звука человек в большей мере реагирует на отношение между новым и прежним значениями звукового давления, чем на абсолютную разность между ними. Поэтому при измерении шума пользуются относительной шкалой уровня звукового давления в децибелах (дБ). По рекомендациям Международной организации стандартов уровень звукового давления рассчитывается по формуле L — 20 \g(px/po), где рх — эффективное значение измеряемого звукового давления, Па, ро — эталонное звуковое давление, равное 2 -10~5 Па. Шкалы всех современных шумомеров градуированы непосредственно в децибелах.
Человек способен воспринимать диапазон частот 20— 20000 Гц при наибольшей чувствительности в диапазоне частот 1000—5000 Гц. Чувствительность человеческого уха зависит как от диапазона частот, так и от уровня давления звука.
На рис. 1-1 показано семейство кривых равной громкости для чистых тонов. Нижняя кривая — слуховой порог. Каждая из кривых — геометрическое место точек, изображающих равногромкие тона различных частот. Из графика видно, что человек значительно менее чувствителен к громкости звуков низких частот чем высоких. Уровни громкости и уровни звукового давления совпадают для частоты 1000 Гц. Для высоких уровней (100—140 дБ) кривые уровней громкости приближаются к уровням звукового давления.
В настоящее время, как правило, шумомеры снабжаются фильтрами для частотного анализа звуков, этот частотный анализ сводится к определению уровня звукового давления в октавных полосах (или в долях этих полос). Октавой называется полоса частот, в которой верхняя граничная частота в два раза больше нижней. Третьоктавная полоса (терция) — полоса частот, в которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 1,26. Уровень звукового давления в данной полосе обычно относится к так называемой среднегеометрической частоте, которая вычисляется из отношения
где fB — верхняя граничная частота, fK — нижняя граничная частота.
Рис. 1-1. Кривые равной громкости. Цифры над кривыми — уровень громкости в фонах
Таким образом, для октавы
Если анализируется октавный спектр в данной точке шумового поля, то в результате характеристикой этой точки явится некоторый вектор, имеющий обычно 8 компонент. Оперировать в каждой точке такими многокомпонентными величинами довольно затруднительно, хотя они и несут большой объем информации.
Для ориентировочной оценки допускается характеризовать шум одним числом — уровнем звука, измеряемым по корректировочной частотной характеристике А. Характеристика А приближенно воспроизводит кривую равной прочности в диапазоне 40—70 дБ. Вид этой частотной характеристики, а также используемых для решения некоторых специальных технических задач характеристик В, С и D представлен на рис. 1-2.
Современные шумомеры имеют встроенные схемы для измерения звука по частотным характеристикам А, В, С и D. Результаты измерения уровней звука при включении шкалы А шумомера выражаются в дБ Л, а уровни обозначают L1.
Звуковая мощность Р, измеряемая в ваттах (Вт), характеризует всякого рода машины и механизмы как источники звука. Используется также понятие «уровень звуковой мощности Lp~ 10 lg(P/P0), где Ро — 10~12 Вт — пороговая звуковая мощность, соответствующая пороговому уровню звукового давления, создаваемому точечным источником на поверхности сферы площадью 1 м2. LP измеряется в децибелах.
Рис. 1-2. Стандартные частотные характеристики шумомеров
Уровень звуковой мощности в какой-либо полосе частот может быть определен путем измерения звуковых давлений на контрольной поверхности, заключающей в себе источники звука. При этом октавный уровень звуковой мощности вычисляется по формуле LP = Lm + 10 lg(S/Si), где Lm— средний октавный уровень звукового давления на измерительной поверхности в данной октаве, дБ; S — площадь измерительной поверхности, м2; Si—1 м2. Эта формула справедлива при условии измерений в свободном звуковом поле или при определении звуковой мощности, излучаемой машиной в длинный трубопровод. В настоящее время проводятся многочисленные исследования с целью создания методов расчета ожидаемой звуковой мощности проектируемого оборудования по его конструктивным и рабочим параметрам. Такие расчеты можно выполнить достаточно точно. Зная уровни акустической мощности LP, можно рассчитать уровни звукового давления L. Например, в тех случаях, когда можно пренебречь отраженными звуками, L = LP + 10 IgS, где S = — 2nR2 для измерений на полусфере радиуса R. Эта формула справедлива для равномерного излучения по отдельным направлениям.
Существуют также методы расчета создаваемого среднего уровня звукового давления в условиях закрытых помещений.
Более подробно эти вопросы освещены в ГОСТ 8.055—73 «Машины. Методика выполнения измерений для определения шумовых характеристик».
