Физические характеристики звука и звуковые ощущения. Физические и физиологические характеристики звука. Защита от шума

Студент должен знать : что называется звуком, природу звука, источники звука; физические характеристики звука (частота, амплитуда, скорость, интенсивность, уровень интенсивности, давление, акустический спектр); физиологические характеристики звука (высота, громкость, тембр, минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости, порог болевого ощущения) их связь с физическими характеристиками звука; слуховой аппарат человека, теории восприятия звука; коэффициент звукоизоляции; акустический импеданс, поглощение и отражение звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых волн, реверберация; физические основы звуковых методов исследования в клинике, понятие об аудиометрии.

Студент должен уметь: с помощью звукового генератора снимать зависимость порога слышимости от частоты; определять минимальную и максимальную, воспринимаемые Вами частоты колебаний, снимать аудиограмму с помощью аудиометра.

Краткая теория Звук. Физические характеристики звука

Звуком называются механические волны с частотой колебаний частиц упругой среды от 20 Гц до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом.

Физическими называют те характеристики звука, которые существуют объективно. Они не связаны с особенностями ощущения человеком звуковых колебаний. К физическим характеристикам звука относятся частота, амплитуда колебаний, интенсивность, уровень интенсивности, скорость распространения звуковых колебаний, звуковое давление, акустический спектр звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых колебаний и др. Кратко рассмотрим их.

Частота колебаний . Частотой звуковых колебаний называется число колебаний частиц упругой среды (в которой распространяются звуковые колебания) в единицу времени. Частота звуковых колебаний лежит в пределах 20 - 20000 Гц. Каждый конкретный человек воспринимает определенный диапазон частот (обычно несколько выше 20 Гц и ниже 20000 Гц).

Амплитудой звукового колебания называется наибольшее отклонение колеблющихся частиц среды (в которой распространяется звуковое колебание) от положения равновесия.

Интенсивностью звуковой волны (или силой звука ) называется физическая величина, численно равная отношению энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно вектору скорости звуковой волны, то есть:

где W - энергия волны, t - время переноса энергии через площадку площадью S .

Единица интенсивности: [I ] = 1Дж/(м 2 с) = 1Вт/м 2 .

Обратим внимание на то, что энергия и соответственно интенсивность звуковой волны прямо пропорциональны квадрату амплитуды «А » и частоты «ω » звуковых колебаний:

W ~ A 2 иI ~ A 2 ;W ~ ω 2 иI ~ ω 2 .

4. Скоростью звука называется скорость распространения энергии звукового колебания. Для плоской гармонической волны фазовая скорость (скорость распространения фазы колебания (фронта волны), например, максимума или минимума, т.е. сгустка или разряжения среды) равна скорости волны. Для сложного колебания (по теореме Фурье можно представить в виде суммы гармонических колебаний) вводится понятие групповой скорости – скорость распространения группы волн, с которой переносится энергия данной волной.

Скорость звука в любой среде можно найти по формуле:

, (2)

где Е - модуль упругости среды (модуль Юнга),  - плотность среды.

С увеличением плотности среды (например, в 2 раза) модуль упругости Е возрастает в большей степени (более чем в 2 раза), поэтому с увеличением плотности среды скорость звука возрастает. Например, скорость звука в воде равна ≈ 1500 м/с, в стали - 8000 м/с.

Для газов формулу (2) можно преобразовать и получить в следующем виде:

(3)

где  = С Р / С V - отношение молярных или удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении (С Р ) и при постоянном объеме (С V ).

R - универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К );

Т - абсолютная температура по шкале Кельвина (T=t o C+273 );

М - молярная масса газа (для нормальной смеси газов воздуха

М=29  10 -3 кг/моль ).

Для воздуха при Т=273К и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна υ=331,5  332 м/с . Следует заметить, что интенсивность волны (векторная величина) часто выражают через скорость волны:

или
, (4)

где S  l - объем, u=W/ S  l - объемная плотность энергии. Вектор в уравнении (4) называютвектором Умова .

5. Звуковым давлением называется физическая величина, численно равная отношению модуля силы давления F колеблющихся частиц среды, в которой распространяется звук, к площади S перпендикулярно ориентированной площадки по отношению к вектору силы давления.

P = F/S [P ]= 1Н/м 2 = 1Па (5)

Интенсивность звуковой волны прямо пропорциональна квадрату звукового давления:

I = Р 2 /(2  υ) , (7)

где Р - звуковое давление,  - плотность среды, υ - скорость звука в данной среде.

6.Уровень интенсивности . Уровнем интенсивности (уровнем силы звука) называется физическая величина, численно равная:

L=lg(I/I 0 ) , (8)

где I - интенсивность звука, I 0 =10 -12 Вт/м 2 - наименьшая интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом на частоте 1000 Гц.

Уровень интенсивности L , исходя из формулы (8), измеряют в белах (Б). L = 1 Б , если I=10I 0 .

Максимальная интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом I max =10 Вт/м 2 , т.е. I max / I 0 =10 13 или L max =13 Б.

Чаще уровень интенсивности измеряют в децибелах (дБ ):

L дБ =10 lg(I/I 0 ) ,L=1 дБ приI=1,26I 0 .

Уровень силы звука можно находить через звуковое давление.

Так как I ~ Р 2 , то L(дБ) = 10lg(I/I 0 ) = 10 lg(P/P 0 ) 2 = 20 lg(P/P 0 ) , где P 0 = 2  10 -5 Па (при I 0 =10 -12 Вт/м 2 ).

7.Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом (периодические колебания источника звука совершаются не обязательно по гармоническому закону). Если источник звука совершает гармоническое колебание x=ASinωt , то такой звук называют простым или чистым тоном. Негармоническому периодическому колебанию соответствует сложный тон, который можно по теореме Фурье представить в виде совокупности простых тонов с частотами  о (основной тон) и 2  о , 3  о и т.д., называемых обертонами с соответствующими амплитудами.

8.Акустическим спектром звука называется совокупность гармонических колебаний с соответствующими частотами и амплитудами колебаний, на которые можно разложить данный сложный тон. Спектр сложного тона линейчатый, т.е. частоты  о, 2  о и т.д.

9. Шумом (звуковым шумом) называют звук, который представляет собой сложные, неповторяющиеся во времени колебания частиц упругой среды. Шум представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума состоит практически из любых частот звукового диапазона, т.е. акустический спектр шума - сплошной.

Звук может быть и в виде звукового удара. Звуковой удар - это кратковременное (обычно интенсивное) звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т.п.).

10.Коэффициенты проникновения и отражения звуковой волны. Важной характеристикой среды, определяющей отражение и проникновение звука является волновое сопротивление (акустический импеданс) Z=  υ , где  - плотность среды, υ - скорость звука в среде.

Если плоская волна падает, например, нормально к границе раздела двух сред, то звук частично проходит во вторую среду, а часть звука отражается. Если падает звук интенсивностью I 1 , проходит - I 2 , отражается I 3 =I 1 - I 2 , то:

1) коэффициентом проникновения звуковой волны  называется  =I 2 /I 1 ;

2) коэффициентом отражения  называется:

= I 3 /I 1 =(I 1 -I 2 )/ I 1 =1-I 2 /I 1 =1-  .

Релей показал, что  =

Если υ 1  1 = υ 2  2 , то  =1 (максимальное значение), при этом  =0 , т.е. отраженная волна отсутствует.

Если Z 2 >>Z 1 или υ 2  2 >> υ 1  1 , то   4 υ 1  1 / υ 2  2 . Так, например, если звук падает из воздуха в воду, то  =4(440/1440000)=0,00122 или 0,122% интенсивности падающего звука проникает из воздуха в воду.

11. Понятие о реверберации . Что представляет собой реверберация? В закрытом помещении звук многократно отражается от потолка, стен, пола и т. п. с постепенно уменьшающейся интенсивностью. Поэтому после прекращения действия источника звука в течение некоторого времени слышен звук за счет многократного отражения (гул).

Реверберацией называется процесс постепенного затухания звука в закрытых помещениях после прекращения излучения источником звуковых волн. Временем реверберации называется время, в течение которого интенсивность звука при реверберации снижается в 10 6 раз. При проектировании учебных аудиторий, концертных залов и т.п. учитывают необходимость получения определенного времени (интервала времени) реверберации. Так, например, для Колонного зала Дома Союзов и Большого театра г. Москвы время реверберации для пустых помещений соответственно равно 4,55 с и 2,05 с, для заполненных – 1,70 с и 1,55 с.

Основными физическими параметрами, характеризующими шум в какой-либо точке пространства, с точки зрения охраны труда, является; звуковое давление P , интенсивность звукаI, частотаf , звуковая мощностьW, уровни звукового давленияL P , интенсивностиL I и мощностиL w .

Звуковое давление - это переменная составляющая давления воздуха, возникающая в результате колебания источника звука, накладывающаяся на атмосферное давление и вызывающая его флуктуацию (колебание). Таким образом, звуковое давление определяется как разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии источниказвука. Единица измерения – Па (н/м 2).

На слух действует квадрат звукового давления

где Т 0 – время осреднения, Т= 30-100 мс;

Р( t ) – мгновенное значение полного звукового давления.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Количество звуковой энергии, отнесенное к единице поверхности и проходящей в одну секунду в направлении распространения волн, называется интенсивностью звука.

Интенсивность J и звуковое давлениеР связаны между собой соотношением

, (2)

где Р - среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

 - плотность среды, кг/м 3 .

с – скорость распространения звука, м/с.

Звуковое давление и интенсивность звука являются характеристиками звукового поля в определенной зоне пространства и не характеризуют непосредственно источник шума. Характеристикой непосредственно источника шума является его звуковая мощность (W ). Эта величина характеризует определенное количество энергии, затрачиваемой источником звука в единицу времени на возбуждение звуковой волны. Звуковая мощность источника определяет интенсивность генерируемых волн. Чем выше интенсивность данной волны, тем выше громкость звука. В обычных условиях источник звука излучает энергию независимо от окружающей среды, так же как электрический камин излучает теплоту. Единицей измерения мощности источника звука является Ватт (Вт). В реальных условиях мощность источника звука изменяется в очень широких пределах: от 10 -12 до многих миллионов ватт (табл.1). В таких же широких пределах изменяется звуковое давление и интенсивность.

Ухо человека не может определять звуковое давление в абсолютных единицах, но может сравнивать давление различных источников звука. Именно поэтому, а также, учитывая большой диапазон используемого звукового давления для его определения, пользуются относительной логарифмической шкалой, которая позволяет резко сократить диапазон значений измеряемых величин. Каждому делению такой шкалы соответствует изменение интенсивности звука, звукового давления или другой величины не на определенное число единиц, а в определенное число раз.

Применение логарифмической шкалы оказалось возможным и удобным благодаря физиологической особенности нашего слуха – одинаково реагировать на относительно равные изменения интенсивности звука. Например, возрастания интенсивности звука в десять раз (от 0,1 до 1, от 1 до 10 или от 10 до 100 Вт/м 2) оцениваются как примерно одинаковые приросты громкости. При увеличении любого числа в одном и том же отношении его логарифм также возрастает на одно и то же число единиц (ℓ q 10 = 1, ℓ q 100 = 2 ;ℓq 1000 = 3 и т.д.), что и отражает вышеуказанную особенность слуха.

Десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука называют уровнем одной из них по отношению к другой L . Единицей измерения уровня является Бел (Б ), ей соответствует отношение уравниваемых интенсивностей, равное 10. Если они отличаются в 100, 1000, 10000paз, то уровни имеют разницу соответственно в 2, 3, 4 Бел - слишком большая величина, поэтому в практических измерениях пользуются десятыми долями бела - децибелами (дБ). Можно измерять в децибелах не только отношения, но и сами величины интенсивностей или звуковых давлений. В соответствии с требованиями международной организации по стандартизации (ИСО) условились за нулевой уровень звука принять интенсивность, равнуюJ= 10 -12 Вт/м 2 . Это нулевой (пороговый) уровень звука. Тогда интенсивность любого звука или шума можно записать:

а) уровень интенсивности звука,

где J o - пороговое значение интенсивности, равное 10 -12 Вт/м 2

б) уровень звукового давления

Таблица 1

Звуковая мощность различных источников

Уровни интенсивности звука и звуковогодавления связаны следующим образом

, (5)

где  о ис о - плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных

условиях;

 и с - плотность среды и скорость звука в воздухе при замерах.

Пороговые значения Jo подобраны так, что при нормальных атмосферных условиях ( =  о и с = с о ) уровень звукового давленияL равен уровню интенсивностиL y (L = L у )

в) уровень звуковой мощности

, (6)

где Р 0 - пороговое значение звуковой мощности, равное 10 -12 Вт.

Частотный спектр . Зависимость звукового давления или звуковой мощности как физических величин от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа простых синусоидальных колебаний этих величин. Зависимость среднеквадратичных значений этих синусоидальных составляющих (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называетсячастотным спектром или простоспектром .

Говоря о спектре, необходимо указывать ширину частотных полос, в которых производится определение спектра. Чаще всего применяются октавные и треть октавные полосы. Октавная полоса (октава) – такая полоса частот, в которой верхняя граничная частотаf гр.в в два раза больше нижнейf гр.н. В треть октавной полосе соотношение равно 1,26. Полоса частот определяется среднегеометрической частотой

. (7)

Значения среднегеометрических и граничных частот октавных полос, принятых для гигиенической оценки шума, приведены в табл.2.

Таблица 2

Среднегеометрические и граничные частоты октавных полос

В практике нормирования и оценки шума под спектром обычно понимают зависимость уровней звукового давления в октавных или треть октавных полосах частот от среднегеометрической частоты этих полос. Спектр представляется в виде таблиц или графиков.

Характер спектра, следовательно, и производственного шума, может быть низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным:

– низкочастотный - спектрс максимумом звукового давления в области частот до 300 Гц;

– среднечастотный - спектр с максимумом звукового давления в области частот 300 – 800 Гц;

– высокочастотный – спектр cмаксимумом звукового давления в области частот свыше 800 Гц.

Шумы также подразделяются на:

– широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы (шум подвижного состава, водопада);

– тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона (звон, свист, сирена и т.п.). Тональный характер шума устанавливается измерением в треть октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяются на постоянные, уровень которых за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ, и непостоянные уровни которых постоянно меняются более чем на 5 Дб..

Человек различает звуки по их частоте и громкости.. Высоту звука определяет его частота, а громкость – его интенсивность. Чем выше частота, тем более высоким воспринимается звук.

Физические характеристики акустических и, в частности, звуковых волн имеют объективный характер и могут быть измерены соответствующими приборами в стандартных единицах. Возникающее под действием звуковых волн слуховое ощущение субъективно, однако его особенности во многом определяются параметрами физического воздействия.

• 7. Акустика

Скорость акустических волн v определяется свойствами среды, в которой они распространяются - ее модулем упругости Е и плотностью р:

Скорость звука в воздухе составляет около 340 м/с и зависит от температуры (с изменением температуры изменяется плотность воздуха). В жидких средах и в мягких тканях организма эта скорость составляет около 1500 м/с, в твердых телах - 3000-6000 м/с.

В формулу (7.1), определяющую скорость распространения акустических волн, не входит их частота, поэтому звуковые волны различной частоты в одной и той же среде имеют практически одинаковую скорость. Исключение составляют волны таких частот, для которых характерно сильное поглощение в данной среде. Обычно эти частоты лежат за пределами звукового диапазона (ультразвук).

Если звуковые колебания представляют периодический

Рис. 7.1.

процесс, то такие звуки называются тонами или музыкальными звуками. Они имеют дискретный гармонический спектр, представляя набор гармоник с определенными частотами и амплитудами. Первая гармоника частоты со называется основным тоном, а гармоники более высоких порядков (с частотами 2со, Зсо, 4со и т.д.) - обертонами. Чистый (или простой) тон соответствует звуковым колебаниям, имеющим лишь одну частоту. На рис. 7.1 показан спектр сложного тона, в котором представлены четыре гармонических составляющих: 100, 200, 300 и 400 Гц. Величина амплитуды основного тона принята за 100%.

Непериодические звуки, называемые шумами, имеют сплошной акустический спектр (рис. 7.2). Они обусловлены процессами, в которых амплитуда и частота звуковых колебаний изменяются со временем (вибрация деталей машин, шорох и т.п.).

Рис. 7.2.

Интенсивность звука I, как уже отмечалось ранее, представляет собой энергию звуковой волны, приходящуюся на площадку единичной площади за единицу времени, и измеряется в Вт/м 2 .

Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения, который называется громкостью и является субъективным физиологическим параметром. Связь между интенсивностью и громкостью не является прямо пропорциональной. Пока отметим только, что с увеличением интенсивности возрастает и ощущение громкости. Количественную оценку громкости можно выполнить, сравнивая слуховые ощущения, обусловленные звуковыми волнами от источников с различной интенсивностью.

При распространении звука в среде возникает некоторое добавочное давление, перемещающееся от источника звука к приемнику. Величина этого звукового давления Р также представляет физическую характеристику звука и среды его распространения. Она связана с интенсивностью I соотношением

где р - плотность среды; и - скорость распространения звука в среде.

Величину Z - ри называют удельным акустическим сопротивлением или удельным акустическим импедансом.

Частота звуковых гармонических колебаний определяет ту сторону звукового ощущения, которую называют высотой звука. Если звуковые колебания периодичны, но не подчиняются гармоническому закону, то высота звука оценивается ухом по частоте основного тона (первая гармоническая составляющая в ряду Фурье), период которого совпадает с периодом сложного звукового воздействия.

Отметим, что возможность оценки высоты тона слуховым аппаратом человека связана с продолжительностью звучания. Если время звукового воздействия меньше 1/20 с, то ухо не способно оценить высоту тона.

Близкие по частоте звуковые колебания при одновременном звучании воспринимаются как звуки различной высоты в том случае, если относительная разница частот превышает 2-3 %. При меньшей разности частот возникает ощущение слитного звука средней высоты.

Спектральный состав звуковых колебаний (см. рис. 7.1) определяется числом гармонических составляющих и соотношением их амплитуд и характеризует тембр звука. Тембр, как физиологическая характеристика слухового ощущения, в некоторой степени зависит также от скорости нарастания и изменчивости звука.

Физиологическими характеристиками звука называют субъективные характеристики слухового ощущения звука слуховым аппаратом человека. К физиологическим характеристикам звука относится минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости и порог болевого ощущения, громкость, высота, тембр звука.

1. Минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком . Частоты звуковыхколебаний лежат в пределах 20-20000 Гц. Однако наименьшая воспринимаемая частота данным человеком обычно больше 20 Гц, а наибольшая - меньше 20000 Гц, что определяется индивидуальными особенностями строения слухового аппарата человека. Например: n мин =32 Гц, n макс =17900 Гц .

2. Порогом слышимости называется воспринимаемая человеческим ухом минимальная интенсивность I o . Считается, что I o =10 -12 Вт/м 2 при n=1000 Гц . Однако обычно для конкретного человека порог слышимости больше I o .

Порог слышимости зависит от частоты звукового колебания. На какой-то частоте (обычно 1000-3000 Гц) в зависимости от длины слухового канала слухового аппарата человека происходит резонансное усиление звука в человеческом ухе. При этом ощущение звука будет наилучшим, а порог слышимости будет минимальным. При уменьшении или увеличении частоты колебаний условие резонанса ухудшается (удаление по частоте от резонансной частоты) и порог слышимости соответственно повышается.

3. Порогом болевого ощущения называется испытываемое человеческим ухом болевое ощущение при интенсивностях звука выше некоторого значения I пор (звуковая волна при этом как звук не ощущается). Порог болевого ощущения I пор зависит от частоты (хотя и в меньшей степени, чем порог слышимости). На низких и высоких частотах порог болевого ощущения снижается, т.е. болевые ощущения наблюдаются при больших интенсивностях.

4. Громкостью звука называется уровень слухового ощущения человеком данного звука. Громкость зависит, прежде всего, от человека, воспринимающего звук. Например, при достаточной интенсивности на частоте 1000 Гц громкость может быть равна и нулю (для глухого человека).

Для данного конкретного человека, воспринимающего звук, громкость зависит от частоты, интенсивности звука. Как и для порога слышимости, громкость максимальна обычно на частоте 1-3 кГц, а с уменьшением или увеличением частоты громкость снижается.

Громкость звука зависит от интенсивности звука сложным образом. В соответствии с психофизическим законом Вебера-Фехнера громкость Е прямо пропорциональна уровню интенсивности:

E = k . lg(I/I 0), где k зависит от частоты и интенсивности звука.

Громкость звука измеряют в фонах . Считается, что громкость в фонах численно равна уровню интенсивности в децибелах на частоте 1000 Гц . Например, громкость звука Е=30 фон ; это означает, что данный человек по уровню восприятия ощущает указанный звук так же, как и звук, частотой 1000 Гц и уровнем силы звука 30 дБ . Графически (см. учебник) строят кривые равной громкости, которые индивидуальны для каждого конкретного человека.

С целью диагностики состояния слухового аппарата человека с помощью аудиометра снимают аудиограмму - зависимость порога слышимости от частоты.

5. Высотой звука называется ощущения человеком чистого тона. С повышением частоты увеличивается и высота тона. С повышением интенсивности высота тона незначительно снижается.

6. Тембром звука называется ощущение человеком данного сложного звукового колебания. Тембр звука - это окраска звука, по которой мы различаем голос того или иного человека. Тембр зависит от акустического спектра звука. Однако один и тот же акустический спектр воспринимается различными людьми по-разному. Так, если слуховой аппарат у двух человек поменять друг другу, а мозговой анализатор звука оставить тем же, то окраска звука от знакомых ему людей будет казаться другой, т.е. он может и не узнать голос знакомого человека или голос покажется измененным.

Задание по УИРС

1. Изучить по учебникам устройство слухового аппарата, теории восприятия звука и физические основы звуковых методов исследования в клинике.

2. Найти громкость звука в фонах, если дано звуковое колебание с частотой 50 Гц и уровнем силы звука 100 дБ.

Порядок выполнения работы

Упражнение №1. Определение максимально воспринимаемой Вами частоты звука

(Минимальную воспринимаемую частоту с помощью данного звукового генератора определить не удается из-за прохождения в телефоны наушников помех в основном из сети частотой 50 Гц.)

Поставьте переключатели в следующее положение:

-тумблер сеть - в положение "Выкл ";

-множитель частоты (слева внизу) в положение "100 ";

- "выходное сопротивление " в положение "50 ";

Переключатели десятки и единицы децибел в положение "0 ".

Включите вилку сетевого шнура генератора в сеть 220 В, тумблер "сеть " поставьте в положение "Вкл ": наушники подключить к выходу генератора.

Ручкой регулировки выходного напряжения "Рег. вых. " поставить на вольтметре 20 В.

Поставьте частоту 20 000 Гц (лимб частоты в положение

200 Гц и множитель частоты стоит в положении "100", т.е. 200 Гц×100 = 20 000 Гц).

Плавно уменьшая частоту, определите такое ее значение, при котором услышите звук. Запишите ее значение. Это и есть воспринимаемая Вами верхняя граничная частота (ν 1верхн ).

Для уточнения этой границы повышайте частоту от 10 000 Гц до исчезновения звука, определив второе значение верхней граничной частоты ν 2верхн .

Значение воспринимаемой Вами верхней граничной частоты найдите как среднее арифметическое полученных двух значений частот: ν верхн = (ν 1верхн + ν 2верхн) / 2 .

Упражнение №2 . Определение зависимости порога слышимости от частоты

Провести измерения на следующих частотах: 50, 100, 200, 400, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. За исходный уровень взять такую интенсивность звука на частоте 1000 Гц (при затухании 0 дБ), при которой громкость звука не вызывает у Вас неприятных ощущений.

Поставьте частоту 50 Гц, переключателем десятков децибел добиться исчезновения звука, затем уменьшить затухание на 10 дБ и ручкой единицы децибел ввести затухания до исчезновения звука. Запишите результат в таблицу 1.

Таблица 1

Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.