Файл: Диплом БЖД (Звук).docx

1 Звук и звуковые волны.

Понятие «звук», как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, которые представляют механические колебания, распространяющиеся в газовой, жидкой или твёрдой среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания среды воспринимаются как звук только в определённой области частот (16 Гц … 20кГц) и при звуковом давлении, превышающем порог слышимости человека.

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный характер и могут быть представлены в виде функции времени a=a(t). Простейший процесс описывается синусоидой (1).

(1)

Где а_мах – амплитуда колебаний; ω=2πf – угловая частота; f- частота колебаний.

Гармонические колебания с амплитудой а_мах и частотой f называются тоном. Сложные колебания характеризую эффективным значением на временном периоде Т.

(2)

Для синусоидального процесса справедливо соотношение

(3)

Если в сплошной среде возбудить колебания, то они распространяются во все стороны. Наглядным примером этого являются колебания волн на воде. Следует различать скорость распространения механических колебаний υ (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с (продольные акустические колебания).

С физической точки зрения распространение колебаний состоит в передаче импульса движения от одной молекулы к другой. Благодаря упругим межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определённой затраты времени , в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению к движению молекул в зоне возбуждения колебаний. Таким образом, колебания распространяются с определённой скоростью. Скорость распространения звуковой волны – это физическое свойство среды.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают несколько видов волн:

-плоскую, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

-цилиндрическую, создаваемую радиально-колеблющейся боковой поверхности цилиндра;

-сферическую, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующего шара.

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются: длина звуковой волны λ,м; скорость распространения волны с м/с; частота колебания f , Гц; звуковое давление p , Па; интенсивность звука I, Вт/м²

λ =сT (4)

T=1/f (5)

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и расширению. В области сжатия давление воздуха возрастает, а в области разряжения понижается. Разница между давление р_ср существующем в среде в данный момент, и атмосферного давления p_атм называется звуковым давлением р.

(6)

Среда, в которой распространяется звук, обладает акустическим сопротивлением z_a,которое определяется отношением звукового давления к колебательной скорости частиц среды u

(7)

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии , переносимой звуковой волной за 1 секунду через пространство с площадью сечения 1м² ,перпендикулярное направление движения, называется интенсивностью звука I

(8)

Для оценки и сравнения звукового давления р, Па, интенсивности I , Вт/м² , и звуковой мощности W , Вт , различных источников , учитывающих психофизическое восприятие звука человеком ,приняты их уровни L (соответствующим индексом) , выраженные в децибелах (дБ).

, (9)

, (10 )

. (11)

2 Распространение шума (звука).

Поверхность тела, совершающая колебания , является излучателем (источником) звуковой энергии , который создаёт акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Важную роль при расчёте акустического поля играет направленность звукового распространения, т.е угловое пространственное распределение образующегося вокруг него звукового давления.

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и практически бесконечно, то такое поле называют свободным акустическим полем. В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении) распространение звуковых волн зависит от геометрии и акустических свойств поверхностей, расположенных на пути распространения волн. Если звуковые волны встречают преграду, имеющую иное, чем акустическая среда, волновое сопротивление, то часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в неё и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся часть проникает сквозь преграду. Свойства преграды и материала, покрывающего эту преграду, определяются следующими показателями;

Коэффициент звукопоглощения:

(12)

где I_полг – поглощённая материалом или преградой звуковая энергия; I_пад – падающая на преграду звуковая энергия.

Коэффициент отражения

(13)

где I_отр – отражённая материалом или преградой звуковая энергия; I_пад – падающая на преграду звуковая энергия.

Коэффициент звукоизоляции

(14)

Коэффициент прохождения ( используются так же термины «коэффициент проницаемости» и «коэффициент проникновения» ):

(!5)

Из определения коэффициента прохождения следует, что чем меньше значение τ , тем больше ослабление звука преградой , т.е. лучше её звукоизолирующие свойства.

Коэффициент рассеивания от поверхности преграды:

(16)

Звукоизоляция R оценивается в децибелах

R=10lg(1/τ ) (17)

Процесс формирования звукового поля в помещении связан с явлением реверберации и диффузии. Если в помещении начинает действовать источник звука , то в первый момент времени имеем только прямой звук. По достижению волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отражённых волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо , чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

Звуковое поле , в котором возникает большое количество отражённых волн с различными направлениями , в результате чего удельная плотность звуковой энергии одинакова по всему полю , называется диффузным полем.

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время.

Практически считается, что звук полностью затухает , когда его интенсивность падает в 10⁶ раз от уровня, существующего в момент его выключения , что соответствует снижению акустического давления на 60 дБ. Таким образом, любое звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой затухания звук – реверберацией( «послезвучие»). [1]

3 Влияние на человека.

Среди основных чувств человека слух и зрение играют важнейшую роль – они позволяют человеку владеть звуковыми и зрительными информационными полями.

Насыщение окружающего пространства шумами повышенной интенсивности может привести к искажению звуковой информации нарушению слуховой активности человека.

В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы воздействие звуковых колебаний воздушной среды на чувствительные окончания слуховых волокон нервной системы. В значительно меньшей степени исследованы процессы преобразования физических колебаний в звуковые образы или ощущения в нервной системе. Известно, что в ней акустический сигнал преобразуется в электрический. и в результате сложного взаимодействия в сфере нервной деятельности создается звуковой образ, адекватный реальному. Орган слуха, преобразующий колебания воздушной среды в электрические сигналы нервной системы человека, функционально состоит из трех частей: наружнего, среднего и внутреннего уха (рис. 1 ).

Рис 1 Строение органа слуха (а) , основная мембрана (б)

Ушная раковина наружнего уха направляет принимаемые акустические колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. Ушная. раковина благодаря своей форме согласовывает процесс перехода звуковой волны из свободного пространства в ухо. В слуховом проходе, как в звуковом резонаторе, настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит примерно трехкратное усиление звукового давления, воздействующего далее на барабанную перепонку 3. Она образует границу с областью среднего уха н здесь соединена с костно-мышечным рычажным механизмом в виде молоточка 4 наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха — мембрану овального окна 6 внутреннего уха 7. Рычажная система «молоточек-наковаленка» выполняет роль трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране овального окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с внешней средой через носоглотку S, в область внутреннего уха 7, заполненную несжимающейся жидкостью - лимфой. Процесс получения звуковой информации из окружающей среды, ее преобразования по цепи энергия акустической волны» -> механическая энергия -4 энергия нервных импульсов» завершается но внутреннем ухе. Структура внутреннего уха представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде грех колец 9. Для пояснения основных механизмов звукопередачи все это показано схематически, и улитка дана в развернутом виде. Мембрана круглого окна 11 выполняет вспомогательную функцию согласовании внутреннего уха со средним. Весь рассматриваемый слуховой лабиринт ограничен костной перегородкой 10. [1]