Акустическое загрязнение

Среди глобальных проблем современной экологии (парниковый эффект, разрушение озонового слоя, загрязнение воды и атмосферы, радиоактивные отходы и др.) акустическое загрязнение - одно из наиболее тревожных, поскольку влияет на людей не меньше, чем, например, разрушение озонового слоя или кислотные дожди. Широкое внедрение в промышленность новых интенсивных технологий, рост мощности и быстроходности оборудования, широкое использование многочисленных средств наземного, воздушного и водного транспорта, повсеместное применение разнообразного электрифицированного бытового оборудования - все это привело к тому, что человек на работе, в быту, на отдыхе, при передвижении подвергается многократному воздействию вредного шума.

Основные источники акустического загрязнения окружающей среды - транспорт, строительство, промышленные предприятия. Удельный вклад этих источников варьируется в определенных пределах для различных городов и населенных пунктов, но основным остается автомобильный транспорт. Население большинства крупных городов (не менее 60%) живет в условиях акустического загрязнения, параметры которого существенно превышают допустимые нормы.

Звук - волнообразно распространяющиеся колебания частиц упругой среды: твердого тела, жидкости, газа. Периодически и достаточно часто чередующиеся избыточные по сравнению с атмосферными давления создают звуки. Звук имеет частоту колебаний, определяющую субъективное восприятие высоты, амплитуду колебаний, обусловливающую громкость тона и ряд гармонических колебаний, сопутствующих основному тону, которые создают тембр или окраску звука. Кроме того, звук (или шум) характеризуется своей продолжительностью во времени.

Различают биологическое и физическое понятия звука. К биологическому понятию звука относят колебания и волны, которые воспринимаются человеческим органом слуха. Ощущение звука проявляется только в том случае, когда частота колебаний и их интенсивность лежат в определенных пределах. Для человеческого уха спектр слышимых звуковых колебаний лежит в диапазоне от 15...20 Гц до 20 кГц.

Физическое понятие о звуке объединяет как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред (условно от 0 до 1013 Гц). Колебания с частотами ниже 20 Гц называются инфразвуком. Нижний предел частот инфразвука не ограничен. В окружающей нас природной среде встречаются инфразвуковые колебания с частотами в тысячные доли Гц.

Колебания упругих сред с частотами более 20 кГц называют ультразвуком, который тоже не вызывает слуховых ощущений. Ультразвук широко применяют в современной технологии (дефектоскопии, ультразвуковой технологии обработки материалов и т.п.), медицине (диагностике, хирургии и т.п.), радиотехнике и многих других областях науки и техники.

В диапазоне частот 109...1013 Гц находятся колебания упругих сред, называемые гиперзвуком. Верхний предел частот гиперзвука в газах ограничен частотой 10 Гц, а в твердых телах и жидкости - 1012...1013 Гц.

Источники звука можно разделить на следующие основные типы:

колебательные или автоколебательные системы, в которых под действием локального источника энергии возникают либо собственные затухающие колебания, либо незатухающие автоколебания (все музыкальные инструменты, человеческий голос, паровые и пневматические свистки и т.п.);

вращательные системы, в которых периодические изменения давления и скорости среды вызываются от вращающихся тел (винт самолета или корабля; ротор электромеханического устройства; турбины; сирены, создающие звук в результате периодических изменений скорости газовой струи, и т.п.);

электроакустические преобразователи (телефоны, громкоговорители, эталонные источники звука - термофоны и т.п.).

Для описания колебательных процессов упругой среды в акустике приняты следующие объективные характеристики и понятия.

Звуковая энергия W_ЗВ, Дж, состоит из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации.

Плотность звуковой энергии W_ЗВ, Дж/м³, определяет звуковую энергию, отнесенную к единице объема упругой среды.

Поток звуковой энергии (звуковая мощность) Φ_ЗΒ, Вт, определяет энергию, переносимую в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения.

Звуковое давление р_а, Па, в упругой среде при наличии звуковых колебаний складывается из давления в невозмущенной среде и переменного дополнительного давления, возникающего в каждой точке среды в данный момент времени. При этом звуковое давление в течение периода колебаний изменяет свою величину и знак между положительными и отрицательными амплитудными значениями.

Интенсивность звука (сила звука) У, Вт/м², определяется средней по времени энергией, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны:

J = W_ЗВ/(tS). (5.1)

Сила звука является одной из основных энергетических характеристик.

Качественная характеристика звука определяется его частотой. Основным интервалом в музыке и технической акустике является октава. Величина этого интервала определяется граничными частотами, отношение которых равно двум. Разные звуки воспринимаются человеческим ухом как равноотстоящие по высоте, если отношения их частот равны.

Звуковые колебания, как и всякое волновое движение, подчиняются законам интерференции и дифракции. Процесс наложения друг на друга нескольких звуковых волн называется интерференцией. Если два колебания одинаковой частоты и амплитуды складываются в одной фазе, то наблюдается усиление колебаний. Если фазы противоположны, то колебания аннигилируются, т.е. прекращаются. На рис. 5.2, а показана интерференция волн, в результате которой происходит увеличение амплитуды смещения, а на рис. 5.2, б - ее уменьшение.

Рис. 5.2. Наложение (интерференция) звуковых волн

Явление дифракции заключается в том, что звуковые волны огибают преграды, линейные размеры которых меньше длины волны. Короткие волны отражаются от таких препятствий, образуя за ними звуковую тень (рис. 5.3). На этом принципе основывается применение шумозащитных экранов, геометрические размеры которых определяются частотой звука, а также расстоянием до источника шума. Кроме того, благодаря дифракции звуковые волны легко проникают в малые по сравнению с длиной волны отверстия, что сильно снижает звукоизоляцию ограждений.

Когда размер неоднородностей и препятствий в среде распространения значительно превосходит длину волны звука, наблюдаются явления преломления и отражения звуковой волны.

Непрерывная упругая поверхность, все точки которой находятся одновременно в одинаковой фазе колебательной скорости, называется фронтом волны. В зависимости от вида фронта различают сферические (шаровые), цилиндрические и плоские волны.

Следует отметить, что все виды волн по мере удаления от источника приближаются к плоским.

Рис. 5.3. Дифракция звуковых волн вокруг препятствия, линейные размеры которого больше длины волны: l - фронт волны: 2- экран; 3 - область звуковой тени

Рис. 5.4. Излучение звука в пространство (а) и в полупространство (б):

1 - источник шума; 2- поверхность

По мере удаления от источника звук затухает в пространстве, причем в результате расширения площади фронта волны S( м²) звуковое давление сферической волны изменяется обратно пропорционально расстоянию r:

S = Ωr² (5.2)

где Ω - пространственный угол излучения звука (Ω = 4π при излучении в пространство, Ω = 2π при излучении в полупространство) (рис. 5.4).

Пространство, в котором звуковые волны свободно распространяются, не встречая отражающих поверхностей, называется свободным акустическим полем.

Если источником звука является пульсирующая сфера или полусфера, то интенсивность звука в свободном поле убывает пропорционально квадрату расстояния от источника.

При цилиндрических (или полуцилиндрических) волнах интенсивность звука уменьшается пропорционально первой степени расстояния. Примером этого случая является прохождение звука через щель.