Классификация шума по спектру

Шум – беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. В быту под шумом понимают разного рода нежелательные акустические помехи при восприятии речи, музыки, а также любые звуки, мешающие отдыху, работе. Шум играет существенную роль во многих областях науки и техники: акустике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислительной технике, оптике, медицине и др. Шум, независимо от физической природы, отличается от периодических колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс. Часто шум представляет собой смесь случайных и периодических колебаний. Для описания шума применяют различные математические модели в соответствии с их временной, спектральной и пространственной структурой. Для количественной оценки шума пользуются усредненными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру шума в источнике и свойства среды, в которой шум распространяется.

Шумы подразделяются на статистически стационарные и нестационарные. Наиболее разработаны теория и методы измерения стационарного шума, классической моделью которого является белый шум. Стационарный шум характеризуется постоянством средних параметров – интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектральная плотность), автокорреляционной функции (среднее по времени от произведения мгновенных значений двух шумов, сдвинутых на время задержки). Практически наблюдаемый шум, возникающий в результате действия многих отдельных независимых источников (например, шум толпы людей, моря, производственных станков, шум вихревого воздушного потока, шум на выходе радиоприемника и др.), является квазистационарным. Шум, длящийся короткие промежутки времени (меньше, чем время усреднения в измерителях), называется нестационарным. К таким шумам относят, например, уличный шум проходящего транспорта, отдельные стуки в производственных условиях, редкие импульсные помехи в радиотехнике и т.п.

Исследование шума преследует разнообразные цели – изучение источников шума для уменьшения их вредного воздействия на человека и на различные системы; изыскание способов и средств наилучшего (оптимального) приема, обнаружения и измерения параметров разных сигналов в присутствии шума; повышение точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации и др. Для измерения характеристик шума применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др.

Источниками акустически слышимого и неслышимого шума могут служить любые колебания в твердых, жидких и газообразных средах. В технике основные источники шума – различные двигатели и механизмы. Повышенная шумность машин и механизмов часто является признаком наличия в них неисправностей или нерациональности конструкций. Точность изготовления деталей, их подгонка и динамическое уравновешивание всех движущихся частей приводят к ослаблению шума и, как правило, ведут к уменьшению износа деталей, к увеличению срока их службы и точности работы.

Радиоэлектронные шумы – случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникающие в результате неравномерной эмиссии электронов в электровакуумных приборах (дробовой шум, фликкер-шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых приборах, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум), теплового излучения Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, звезд, межзвездной среды и т.д. (шумы космоса). Шум ограничивает чувствительность радиоприемной аппаратуры.

В ряде случаев шум используется как источник информации. Например, в военно-морской технике по шуму, создаваемому на ходу подводными лодками и надводными кораблями, их обнаруживают и пеленгуют; в радиоастрономии по шумам в определенных диапазонах частот исследуется радиоизлучение звезд и других космических образований. Шумоподобные сигналы применяются в технике радио- и акустических измерений, например в архитектурной акустике. Некоторые звуки, используемые в музыке, по физическому существу шумовые или обладают шумовыми признаками. Встречающиеся в речи шумные согласные по своим свойствам также являются шумами. Глухие произносятся без голоса (т.е. связки не напряжены), звонкие, соответственно, – при топовом сопровождении. Почти все шумные звуки образуют пары: глухой – звонкий. Таким образом, основным отличием в работе органов артикуляции для каждой пары шумных согласных является степень напряжения голосовых связок.

Качественные особенности ощущения при восприятии акустического шума органами слуха и организма в целом зависят от его интенсивности и спектрального состава. Вредное действие шума на организм человека проявляется в специфическом поражении органа слуха и неспецифических изменениях других органов и систем. Имеют значение характер, уровень, частотный состав, продолжительность воздействия шума и индивидуальная чувствительность к нему. Продолжительное влияние интенсивного шума может вызвать значительные расстройства деятельности центральной нервной системы, сосудистого тонуса, функций органов желудочно-кишечного тракта, эндокринной системы, а также постепенно развивающуюся тугоухость, обусловленную невритом преддверноулиткового нерва. Для профессиональной тугоухости характерно первоначальное нарушение восприятия высоких частот (4000–8000 Гц). Неспецифическое действие шума может проявиться раньше, чем изменения слуха, и выражается в форме невротических реакций, астении, нарушениях функций вегетативной нервной системы. Под влиянием шума нарушается точность координации движений, снижается производительность труда. В связи с единой этиологией клинических нарушений в медицинской литературе появился термин "шумовая болезнь". Для предотвращения вредного действия акустических шумов на организм человека принимают ряд организационных, технических и медицинских мер. Устраняют или ослабляют на месте образования шума порождающие его причины; предотвращают его распространение от источников шума, используя местную звукоизоляцию шумящих узлов машин, амортизацию и звукопоглощение, или ослабляют это распространение за счет снижения отражений от ограждающих конструкций, облицовываемых звукопоглощающими пористыми материалами; уменьшают аэродинамический шум (выхлоп, шум в воздуховодах и т.д.), устраняя причины вихреобразования, звукоизолируя воздуховоды и применяя глушители. Важно рационально чередовать труд и отдых работающих в условиях шума, ограничивать длительность воздействия шума на них, систематически наблюдать за состоянием их здоровья. Борьба с уличным шумом ведется путем замены трамвайного транспорта троллейбусным и автобусным, ограничения пользования звуковыми сигналами и т.п. Зоны, где уровень шума достигает 85 дб, обозначают предупредительными знаками, а работающих в этих зонах снабжают индивидуальными звукоизолирующими наушниками. Кроме вредного воздействия на человека, известно благотворное, успокаивающее влияние на пего акустического шума, например шума морского прибоя, леса.

В соответствии с классификацией шумов, установленной ГОСТ 12.1.003–83, по характеру спектра шумы делятся на широкополосные, имеющие непрерывный спектр шириной более одной октавы, и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБА, и непостоянные, уровень звука которых за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не менее чем на 5 дБА. Непостоянные шумы в свою очередь делятся на прерывистые, колеблющиеся во времени и импульсные.

Прерывистый шум характеризуется резким падением уровня звука до уровня фонового шума, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более.

Колеблющийся во времени шум имеет уровень звука, непрерывно изменяющийся во времени.

Импульсный шум – это шумовой сигнал в виде отдельных импульсов продолжительностью от 1 до 200 мс, или импульсов, следующих один за другим в интервале более 10 мс (но менее 1 с) и воспринимаемый человеческим ухом как следующие один за другим удары.

Звуковая мощность является основной характеристикой любого источника шума. Она определяется как общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени. При одинаковой звуковой мощности машины могут создавать различные уровни звукового давления в зависимости от того, установлены ли они на открытой площадке или в закрытом помещении. Источники шума могут обладать определенной направленностью излучения (т.е. звуковая энергия излучается неравномерно во всех направлениях), характеризуемой специальным коэффициентом Ф – фактором направленности.

ГОСТ 8.055–73 "ГСИ. Машины. Методика выполнения измерений шумовых характеристик" предусматривает в прилагаемой к машине технической документации давать шумовые характеристики машины, указывая в них уровни звуковой мощности шума в стандартных октавных полосах частот и характеристики направленности звука. Уровни звуковой мощности (LP, дБ) установлены аналогичными с уровнем интенсивности звука:

(7.1)

где Р – звуковая мощность, Вт; РО – пороговая звуковая мощность, 10–12 Вт.

В документе также указаны октавные уровни звукового давления на определенном расстоянии от машины и уровни звука на расстоянии 1 м от наружного контура машины.

При проектировании новых предприятий и цехов для определения необходимых уровней звукового давления в расчетных точках на рабочих местах проводится акустический расчет. Задачей акустического расчета является:

1) определение уровня звукового давления в расчетной точке, когда известен источник шума и его шумовые характеристики;

2) определение необходимого снижения шума;

3) разработка мероприятий по снижению шума до предельно допустимых величин.

Акустический расчет проводится по следующим формулам:

(7.2)

(7.3)

где I – уровень звукового давления, дБ; L – уровень звуковой мощности источника шума, дБ; Ф – фактор направленности; г – расстояние от геометрического центра источника до расчетной точки, м; В – постоянная помещения, м2, В = А/ (1 – αср); А – эквивалентная площадь поглощения, м2; А = αср • S; αср – средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения; S – площадь, равная поверхности, принимающей излучаемую энергию; ALp – снижение уровня звуковой мощности на пути распространения (на пути до 50 м ΔLp = 0).

Звуки при своем возникновении и распространении, как всякие волновые движения, вызывают физические явления, которые также следует учитывать при борьбе с шумом.

К таким физическим явлениям относятся эхо, резонанс, интерференция, дифракция. Эхо – отражение звука от препятствий и возврат его к месту возникновения. Резонанс – усиление звука при совпадении частот его собственных колебаний с колебаниями упругой среды, в которой интерференция – наложение нескольких звуковых волн. Если два колебания одинаковой частоты и амплитуды складываются в одной фазе, то наблюдается усиление колебаний. Если фазы противоположны, то колебания прекращаются. Дифракция – способность звуковых волн огибать преграды, линейные размеры которых меньше длины волны. Короткие волны отражаются от таких препятствий, образуя за ними звуковую тень. На этом принципе основывается применение шумозащитных экранов, геометрические размеры которых определяются частотой звука, а также расстоянием до источника шума. Кроме того, явление дифракции позволяет звуковым волнам легко проникать в малые по сравнению с длиной волны отверстия, что сильно снижает звукоизоляцию ограждений.

Аэродинамические и гидравлические шумы возникают вследствие сильных завихрений или внезапных расширений потока воздуха, газа и жидкости, например при работе вентиляторов, пневматического инструмента, моечных машин, пескоструйных аппаратов, гидравлических устройств.

В условиях шумного производства может возникать маскирующий эффект от действия шумов, нарушающий слышимость. Заглушение может достигать величины, затрудняющей разборчивость речи, что мешает общению между работающими при выполнении ими технологического процесса, а также для обеспечения безопасности работ. К тому же неразборчивость речи оказывает отрицательное влияние на психику человека.

Если уровень помех составляет 20 дБ, то такой шум не мешает разборчивости речи. С повышением уровня помех до 70 дБ и выше речь становится неразборчивой.