Прикладная акустика

Прикладная акустика 2.1. Восприятие звука 1. Особенности слухового аппарата человека Слуховой аппарат человека - весьма совершенный и сложный орган, состоящий из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо включает ушную раковину - концентратор звука и наружный слуховой канал сечением 0,5 см2, отделяемый от среднего уха барабанной перепонкой, толщина которой 0,1 мм. Колебания перепонки, соизмеримые с размерами атома, уже воспринимаются как звуковые. Колебания перепонки через систему косточек (молоточек, наковальня и стремечко) передаются во внутреннее ухо. В слуховой улитке внутреннего уха колебания воздействуют на нервные окончания, регулирующие на определенную частоту. 2.1. Восприятие звука 2. Восприятие звука человеком Звуком называется субъективное ощущение, возникающее в коре головного мозга при воздействии на слуховой аппарат механических колебаний частиц воздуха. Физической величиной, характеризующей звук, является звуковое давление, обозначаемое латинскими буквами P и p и измеряемое в единицах давления – Паскалях (Па). Все колебания в частотном диапазоне можно разделить на три группы: – от 0 Гц до 16-20 Гц область инфразвука, которая человеческим ухом не воспринимается; – от 16-20 Гц до 16-20 кГц область воспринимаемых (слышимых) звуков человеческим слуховым аппаратом. Нужно отметить, что эти цифры среднестатистические. Индивидуальные способности слышать звуки различны и зависят от состояния слухового аппарата и возраста человека; – выше 16-20 кГц область ультразвука, которая не воспринимается на слух. над порогом р0 = 2·10-5 Па 3. Область восприятия звука Звуки, создающие давление, превышающее порог болевого ощущения, могут вызвать повреждение или разрушение слухового аппарата. Величина пороговой слышимости звукового давления зависит от частоты звука. За ноль децибелов условно принято звуковое давление р0 = 2∙10-5 Па, что соответствует порогу слышимости на частоте 1000 Гц и пороговой интенсивности звука I0 = 10-12‚ Вт/м2. Децибелы могут принимать как положительные (выше порога слышимости), так и отрицательные (ниже порога слышимости) значения. Субъективный уровень громкости, выражается в сонах. Сон – единица уровня громкости равная громкости тона частотой 1кГц с уровнем в 40 фон или звуковым давление 2 ·10-3 Па. 2.1. Восприятие звука • 50-60 дБ воздействует на нервную систему; • 60-75 дБ влияет на сердечно-сосудистую систему и обменные процессы; • 75-90 дБ оказывает влияние на органы слуха, вызывает снижение слуховой чувствительности, влияет на ЦНС; • от 90 дБ и выше - быстрое утомление и нарушение памяти. Появление утомляемости приводит к снижению внимания, росту числа ошибок и повышению уровня травматизма. Нормативными документами предусмотрено 2 метода нормирования шума:  I метод - по предельному спектру. Используется для нормирования постоянных шумов. Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления L в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Предельный спектр - совокупность допустимых уровней звукового давления на среднегеометрических частотах в восьми октавных полосах.  II метод - по эквивалентному уровню звука. Слуховой анализатор человека не может точно определить частоту звука, поэтому на шумомере была введена шкала «А», которая копирует чувствительность человеческого уха. LA= LN+ 5 дБА, где LN - допустимый уровень звукового давления на частоте 1000 Гц. 3. Область восприятия звука Столь большой диапазон восприятия звуков объясняется тем, что для слухового аппарата человека важны не звуковые давления или интенсивность, а их логарифмы. Уровень интенсивности (силы) звука: L = A lg I, где А - коэффициент пропорциональности; p 2 - интенсивность звука, Вт/м2;  - плотность; с – скорость звука. I c Логарифмическая функция, соответствующая характеристике человеческого слуха При малых значениях аргумента крутизна подъема логарифмической кривой велика, по мере увеличения аргумента степень крутизны уменьшается. Соответственно этой зависимости ухо как бы увеличивает чувствительность для восприятия слабых колебаний и автоматически «загрубляется», т.е. хуже слышит мощные звуки. Это позволяет уху воспринимать без перегрузок и искажений громадные диапазоны звуковых давлений или интенсивностей. 2.1. Восприятие звука Пусть имеются два звука интенсивностью I1 и I2. Уровни интенсивностей этих звуков L1= A lg I1 и L2= A lg I2. Разность уровней интенсивности ΔL = L1 - L2 = A (lg I1 - lg I2) = A lg (I1 / I2). Под I1 обычно принимают либо измеренное, либо расчетное значение интенсивности звука, а под I2 - пороговое значение (I0 = 10-12‚ Вт/м2). Полагая А=1, получим разность уровней интенсивности ΔL в Белах. Обычно принято выражать А = 10 и тогда L в децибелах. Децибел, таким образом, в 10 раз  p12  p меньше Бела. L  10 lg I1 L  10 lg 2   20 lg 1 I 2 или p2  p2  Уровень звукового давления над порогом: L  20 lg p I  10 lg . p0 I0 В качестве примера рассмотрим, на сколько вырастет суммарный уровень шума, если к работающему источнику звука в помещении включить еще один источник с одинаковым уровнем шума I1 = I2. Суммарная интенсивность I = I1 + I2 = 2I1 . Повышение уровней шума в помещении I 2I1 I1 L  10 lg  10 lg  10 lg  10 lg 2  L1  3дБ I0 I0 I0 Таким образом, второй источник с одинаковым уровнем шума приводит к повышению суммарного уровня шума на 3 дБ. 2.1. Восприятие звука Суммарный уровень шума нескольких источников также можно рассчитать по формуле: 𝑛 100,1𝐿𝑖 , 𝐿сум = 10 ∙ 𝑙𝑔 𝑖=1 где 𝐿𝑖 – уровни шума, создаваемые каждым источником, дБ. Складывать значения в дБ нельзя, так как децибелы являются величинами логарифмическими. При сложении уровней, выраженных в децибелах, следует пользоваться следующим правилом: L1дБ + L2дБ= Lmax дБ + ΔдБ, где ΔдБ поправка в децибелах, которая зависит от разности суммируемых уровней и прибавляется к наибольшему уровню. Величина поправки приведена в таблице . Таблица Поправочные коэффициенты при сложении двух величин, выраженных в дБ L1-L2, дБ Δ, дБ 3 1 2 3 4 5 2,5 2,1 1,8 1,4 1,2 6 1 7 8 9 10 0,8 0,7 0,5 0,3 2.1. Восприятие звука Логарифмический масштаб при восприятии звука человеком справедлив не только для интенсивности I, но и для частоты f. Слух человека воспринимает, во сколько раз возросла частота звука, но не может оценить на сколько Герц. Ощущение высоты тона при изменении частоты со 100Гц до 200Гц такое же, как при увеличении частоты с 1000Гц до 2000Гц. Звуковые колебания воспринимаются не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (костная проводимость). Уровень воспринимаемого человеком шума при этом на 20-30 дБ меньше, чем воспринимаемый ухом. Костная проводимость более существенную роль играет при восприятии звуковой вибрации. 2.2. Восприятие вибрации Еще одним видом механических колебаний, постоянно сопровождающих человека, наряду со звуком, является вибрация. Вибрация – это колебательное движение тела относительно опорного положения равновесия. Для количественного описания параметров вибрации часто используются логарифмические уровни: – вибросмещения: L  20lg X , дБ X где x0 X – измеренная величина амплитуды вибросмещения, м; х0= 810-12 м – пороговое значение вибросмещения; – виброскорости: L  20lg V , дБ V v0 где V – измеренная величина амплитуды виброскорости, м/с; v0= 510-8 м/с – пороговое значение виброскорости; – виброускорения: L  20lg A , дБ A где a0 A – измеренная величина амплитуды виброускорения, м/с2 ; a0= 310-4 м/с2 – пороговое значение виброускорения. 2.2. Восприятие вибрации Вибрация не только является источником шума, но и сама оказывает неприятное физиологическое воздействие. Особо вредное влияние на человека оказывает низкочастотная вибрация, т.к. различные части и органы человека наиболее болезненно реагируют на вибрации с частотами собственных колебаний, значения которых приведены в таблице. Части тела Глаза Горло Грудная клетка Ноги, руки Голова Лицо, челюсти Поясничный отдел позвоночника Живот Частоты собственных колебаний, Гц 12 - 27 6 - 12 2 - 12 2-8 8 - 27 4 - 27 4 - 14 4 - 12 Негативным влиянием при длительном воздействии вибрации является профессиональные заболевания костно-мышечной системы и вибрационная болезнь. 2.2. Восприятие вибрации По способу передачи на человека различают: • общую вибрацию, передающуюся на тело сидящего или стоящего человека; • локальную вибрацию, передающуюся через руки человека. Нормируемый диапазон частот устанавливается:  для локальной вибрации в виде октавных полос со среднегеометрическими частотами: 8; 16; 31.5; 63; 125; 250; 500; 1000Гц  для общей вибрации в вид октавных или 1/3-октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 0.8; 1; 1.25; 1.6; 2.0; 2.5; 3.15; 4.0; 5.0; 8.0; 10.0; 12.5; 16; 20; 25; 31.5; 40; 50; 63; 80 Гц. При частотном (спектральном) анализе нормируемыми параметрами являются среднеквадратические значения виброскорости (v) и виброускорения (a) или их логарифмические уровни (Lv , La), измеряемые в октавных и 1/3-октавных полосах частот. 2.2. Восприятие вибрации Примеры передачи общей вибрации на тело человека 2.2. Восприятие вибрации Примеры локальной вибрации