Читать книгу Общая и военная гигиена - Коллектив авторов - Страница 30

По физической сущности звук – это механические колебания частиц в упругих средах (газ, жидкость) и твердых телах, возникающие под воздействием какой-либо возмущающей силы – источника звука. Область пространства, в которой наблюдаются звуковые волны, составляет звуковое поле.

Звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, называют воздушным звуком. Колебания, распространяющиеся в достаточно протяженных твердых телах, – звуковой вибрацией, или структурным звуком.

Источник звука при своих колебаниях попеременно то сжимает слой упругой среды, прилегающей к его поверхности, то, наоборот, создает разрежение. Таким образом, распространение звука в среде начинается с колебаний ее плотности и давления у поверхности звучащего тела, а поскольку колебательное движение частиц среды происходит вдоль направления распространения звука, акустические волны относят к продольным.

Распространяясь в упругой среде в виде чередующихся участков пониженного и повышенного давления, звуковая волна оказывает воздействие на преграду, стоящую на пути ее распространения. Звуковым давлением называют переменную составляющую давления среды, возникающую в звуковом поле, которая накладывается на давление невозмущенной среды. Поскольку звуковое давление изменяется во времени от минимальной до максимальной величины, принято выражать его не мгновенной величиной, а среднеквадратичным значением за период колебания. Измеряют его в ньютонах на квадратный метр (Н/м²), или в паскалях (Па).

При распространении звуковой волны не происходит переноса вещества, а осуществляется перенос акустической энергии, количество которой и определяет силу звука.

Сила (интенсивность) звука – это количество звуковой энергии (джоуль), проходящее в единицу времени (секунду) через площадь поверхности (м²), расположенной перпендикулярно направлению распространения звуковой волны. Единицей измерения силы звука является Вт/м².

Сила звука и звуковое давление зависят от амплитуды звуковой волны, которая равна модулю максимального отклонения переменной составляющей давления среды, возникающей в звуковом поле, от давления невозмущенной среды. Чем она больше, тем больше сила звука и звуковое давление.

Полная интенсивность звука, генерируемая источником в окружающее пространство в единицу времени, определяется как акустическая мощность источника. Выражается в ваттах (Вт).

Помимо интенсивности, основными физическими характеристиками звуковых волн являются их частота, период и длина волны. Численное значение частоты равно количеству колебаний в одну секунду. Единица измерения – герц (Гц) – одно колебание в секунду. Время одного полного колебания, т. е. минимальный промежуток времени, через который происходит повторение процесса, называется периодом. Период (Т) и частота (ƒ) связаны соотношением:

Т = 1/ƒ.

Длина волны – расстояние между серединами двух соседних уплотнений (или разрежений) частиц среды. Как и в любом другом волновом процессе, в изотропных средах длина волны (λ) связана простой зависимостью с частотой (ƒ) и скоростью (с) звука:

λ = с/ƒ.

Установлено, что скорость звука зависит от плотности среды: чем она выше, тем быстрее распространяется звук.

Физическое понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред. Слышимый звук ограничен диапазоном частот от 16 Гц до 20 кГц. Колебания с частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, выше 20 кГц – ультразвуком. По своей физической природе инфразвук, слышимый звук и ультразвук одинаковы, разделение их искусственно и связано лишь с чувствительностью слухового анализатора человека. Поэтому физическое понятие «слышимый звук», по сути, близко к физиологическому понятию «звук» – специфическому ощущению, возникающему в результате воздействия колебания давления упругой среды на орган слуха. Следует помнить, что индивидуальные границы частотного восприятия акустических колебаний существенно зависят от возраста человека, состояния структур уха и других условий.

Звуковым волнам присущи определенные закономерности распространения во времени и пространстве. При распространении звуков любых частот имеют место обычные для всех типов волн явления отражения, преломления, поглощения, дифракции и интерференции.

Звук распространяется от звучащего тела в однородной среде равномерно во все стороны, если на его пути нет препятствий. Если размеры препятствия больше, чем длина волны, звук от него отражается по тому же закону, что и свет: угол падения равен углу отражения. Именно так образуется эхо. Часть звуковой энергии при этом естественно поглощается.

Многократное отражение звука от препятствий, в частности от ограждений и предметов внутри помещений, носит название реверберации. Время, затраченное на угасание звука преимущественно в результате поглощения, называется временем реверберации. Оно определяется как время, необходимое для снижения уровня шума в помещении на 60 дБ или в миллион раз (10^–6) от первоначальной интенсивности звука. В производственных помещениях время реверберации должно быть максимально низким.

Своеобразно переходит звук из одной среды в другую. Явление это довольно сложное, но оно подчиняется также общему правилу: звук не переходит из одной среды в другую, если их плотности резко отличны, например из воздуха в воду. Хорошие звукоизоляционные материалы – вата, ворсистые ковры, стены из пенобетона или пористой сухой штукатурки – как раз тем и отличаются, что в них очень много поверхностей раздела между воздухом и твердым материалом. Сталкиваясь с каждой из таких поверхностей, звук многократно отражается. Такая же ситуация свойственна туману, где звук рассеивают поверхности раздела между воздухом и капельками воды. Следовательно, один и тот же звук слышен лучше и дольше в однородной среде, чем разной по структуре.

Звук поглощает и сама среда, в которой он распространяется. Чем толще преграда и выше плотность ее структуры, тем интенсивнее идет поглощение акустических волн.

По-разному поглощаются звуковые волны различной частоты (длины волны). Сильнее поглощаются высокие звуки (коротковолновые), меньше – низкие (длинноволновые). Именно поэтому сигналы, издаваемые тепловозами, морскими и речными судами, имеют низкий звук (частота его, как правило, не более 50 Гц): низкий звук слышен на большем расстоянии. Еще меньше поглощаются инфразвуки. А вот ультразвук поглощается очень быстро: ультразвук с частотой 1 МГц ослабляется в воздухе вдвое уже на расстоянии 2 см.

Через тонкие преграды звук проходит (слышен), так как он заставляет их колебаться. Обратная сторона преграды воспроизводит искаженный, другой частоты и силы (преломленный) звук.

Если на пути распространения звуковая волна встречает препятствие меньше ее длины, она может огибать его. Это явление называется дифракцией. В случае низкочастотного источника звука большая часть его энергии вследствие дифракции распространится за пределы преграды. Высокочастотное излучение дает за преградой четкую акустическую тень.

При приходе в конкретную точку среды двух звуковых волн их амплитуды складываются. В точках, куда обе волны приходят в фазе, они усиливают друг друга; в точках, куда они попадают в противофазе, – ослабляют. Это явление называется интерференцией.

Закономерности распространения звуковых волн в окружающей среде и в помещениях должны учитываться гигиенистами, акустиками и строителями для обеспечения оптимального восприятия звуков или защиты от их негативного воздействия.

Слышимый звук. Область слышимых человеком звуков ограничена двумя порогами. Минимальная величина звукового давления, способная вызвать ощущение слышимого звука, называется порогом слышимости и для принятого в акустике стандартного тона частотой 1000 Гц составляет 2 · 10^–5 Па или (Н/м²), что соответствует силе звука 10^–12 Вт/м².

Верхняя граница порога восприятия соответствует таким значениям звукового давления, которые вызывают в органе слуха боль, называется порогом болевого ощущения. Она равна на той же частоте звуковому давлению 2 · 10² Па (Н/м²) или силе звука 10² Вт/м².

Приведенный диапазон восприятия органом слуха силы звука и его давления исключительно велик. Оперировать им на практике затруднительно. Однако было установлено, что человеческое ухо различает не разность, а кратность изменения абсолютных величин силы звука и его давления. Кроме того, слуховой анализатор воспринимает нарастание или снижение силы звука и его давления не в прямой, а логарифмической зависимости. Это позволило вместо шкалы абсолютных величин звукового давления построить относительную (логарифмическую) шкалу, соответствующую физиологической особенности восприятия, и выражать звуковое давление не абсолютной величиной, а ее уровнем, т. е. десятичным логарифмом отношения наличного звукового давления к исходному, принятому за единицу сравнения. Единицы, обозначающие эти уровни, названы белами (Б) в честь изобретателя телефона Г. Бела.

В качестве условного исходного уровня (единицы сравнения) приняты сила звука и его давление частотой 1000 Гц на пороге слышимости (I₀). Его величина в белах равна 0 (0 Б = 10^–12 Вт/м², или 2 · 10^–5 Па). При силе в 10^–11 Вт/м² (т. е. в 10 раз выше порога) субъективно звук воспринимается как в 2 раза более громкий, при этом сила (интенсивность) составляет 1 Б (lg 10^–11/10^–12 = lg 10 = 1). При дальнейшем увеличении силы звука в 10 раз, т. е. до величины, равной 10^–10 Вт/м², звук воспринимается как в 2 раза более громкий по отношению к предыдущему уровню и составляет уже 2 Б (lg 10^–10/10^–12 = lg 100 = 2). Иначе, сила звука в 100 раз больше пороговой величины составляет 2 Б, а в 1000 раз – 3 Б и т. д. Таким образом, вся шкала от порога слышимости до порога болевого ощущения составляет 14 Б (lg 10²/10^–12 = lg 10¹⁴ = = 14, или 2 · lg 10²/10^–5 = 2 · lg 10⁷ = 14).

Однако в связи с тем, что ухо способно улавливать изменения силы звука в 10 раз меньше, чем 1 Б, в практике пользуются единицами, равными 0,1 Б, или децибелами (дБ). Следовательно, вся шкала уровней интенсивности звука соответственно равна 140 дБ.

Рис. 4.1. Диапазон слышимых звуков

Уровень силы (интенсивности) звука в децибелах можно определить по формулам:

дБ =10 lg I/I₀,

где I – сила звука, Вт/м², которую необходимо перевести в дБ; I₀ – порог слуха – интенсивность, равная 10^–12 Вт/м², а также:

дБ = 20 lg Р/ Р₀,

где Р – звуковое давление (Па или Н/м ²), которое необходимо перевести в дБ; Р₀ – порог слуха – звуковое давление, равное 2 · 10^–5 Па.

Например: при шепоте сила звука составляет 7 · 10^–7 Вт/м², а при крике – 7 · 10^–5 Вт/м².

Уровни звука в дБ будут равны:

– при шепоте – 10 lg 7 · 10^–7/10^–12 = 10 · 5,903 = 59 дБ;

– при крике – 10 lg 7 · 10^–5/10^–12 = 10 · 7,9 = 79 дБ.

Абсолютная величина порога слышимости зависит от частоты звуковых колебаний. Наиболее чувствительно ухо к звукам с частотой колебания от 1000 до 4000 Гц. Чувствительность его постепенно снижается с изменением частоты от указанного интервала как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения. Особенно ухо менее чувствительно к звукам низкой частоты. Однако с ростом силы звука частотная восприимчивость органа слуха выравнивается, и оно реагирует приблизительно одинаково на звуки разных частот слышимого диапазона (рис. 4.1).

Сила звука субъективно воспринимается как его громкость, а частота – как его высота. Громкость – понятие физиологическое, характеризующее силу (величину) субъективного ощущения, испытываемого человеком в результате воздействия на его орган слуха того или иного звука. Из того, что чувствительность человеческого уха к звукам различной частоты, как отмечено выше, неодинакова, следует, что восприятие громкости, вызываемое звуками равной интенсивности, но разными по частоте, будет также неодинаково. Следовательно, выраженный в децибелах уровень силы звука не позволяет судить о физиологическом ощущении его громкости, поэтому, по аналогии с ним, введено понятие уровня громкости, единица измерения которого называется фон.

Рис. 4.2. Кривые равной громкости

Уровень громкости устанавливается субъективно, путем сравнения с громкостью звука частотой в 1000 Гц, для которого уровень силы звука (звукового давления) в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах. Таким образом, уровень громкости любого звука в фонах будет равен уровню интенсивности равногромкого с ним звука с частотой 1000 Гц (рис. 4.2)

Громкость звука какой-либо данной частоты определяется амплитудой колебаний. Увеличение частоты слышимых акустических колебаний воспринимается субъективно возрастанием высоты звука. Чем выше частота и, следовательно, чем короче период колебания, тем более высокий звук мы слышим.

Особенностью восприятия звука в зависимости от частоты является еще то, что орган слуха реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост его частоты. Так, увеличение частоты колебаний звука в 2 раза в любой части звукового спектра субъективно воспринимается как повышение его высоты на одну и ту же величину (октаву). Октава – это диапазон частот, у которого верхняя граница в 2 раза больше, чем нижняя. Октава является внесистемной безразмерной единицей частотного интервала. Воспринимаемый спектральный диапазон всех слышимых звуков разделен на 9 стандартных октав, однако практически наиболее важными являются 8 октавных полос от 45 до 11 200 Гц (табл. 4.1). Характеристикой каждой полосы частот является среднегеометрическая частота ƒ_сг, которая для каждой октавы вычисляется по формуле:

Таблица 4.1

Диапазоны основных октав

В зависимости от частотного состава, среди слышимых звуков физики выделяют музыкальные звуки (пение, свист, звучание струн, звон) и шумы (всевозможные трески, стуки, гром, шипение, скрип). К музыкальному относят звук, издаваемый источником, совершающим простые периодические (повторяющиеся) колебания, происходящие по закону косинуса или синуса (гармоническое колебание). Он состоит из одной-единственной частоты и носит название тон. Гармоническая звуковая волна по сути, представляет собой равномерное изменение во времени физических величин (давления, плотности) в упругой среде и поэтому при графическом изображении имеет вид синусоиды (рис. 4.3). На слух музыкальные тоны друг от друга отличаются высотой и громкостью.

Способность человека различать высоты последовательных слышимых тонов поразительно высока. В оптимальной области восприятия ухом звуков около 1000 Гц порог различения частот составляет 0,3 %, или около 3 Гц. Тем не менее интересно отметить, что для различения двух одновременно звучащих чистых тонов необходима значительно большая их разница по частоте, чем в случае, когда они следуют один за другим. Очевидно, что два стимулируемых одновременно участка внутреннего уха должны быть разделены определенным расстоянием, чтобы звуки можно было различить.

Встречаются люди с абсолютным слухом: они способны точно узнавать и обозначать любой звук даже при отсутствии звука сравнения.

К музыкальным звукам относятся также негармонические периодические колебания, спектр которых состоит из набора гармонических колебаний (гармоник). Они характеризуются не одной частотой, а набором частот с периодами, равными Т, Т/2, Т/3, Т/4 и т. д., с частотами n, 2n, 3n, 4n и т. д. Наиболее низкая частота (n) называется основной. Колебание с основной частотой называется первой гармоникой, или основным тоном. Колебания с частотами (2n, 3n, 4n и т. д.) называются высшими гармониками (второй, третьей, четвертой) или обертонами (первым, вторым, третьим и т. д.). Результирующее колебание в целом называют нотой (рис. 4.4).

Рис. 4.3. Графическое изображение тона:

А — амплитуда; Т – период; t – время; x — отклонение звукового (переменного) давления от давления невозмущенной среды

Рис. 4.4. Графическое изображение ноты

Каждое из таких колебаний имеет свой одинаковый период, но присущее ему изменение физических величин не соответствует синусоиде, поскольку обусловлено числом гармоник, входящих в его состав, и их амплитудами и фазами (сдвиг по времени). Стоит изменить амплитуду или фазу хотя бы одной гармоники, и форма результирующего колебания в какой-то мере изменится. На слух такие колебания, кроме высоты и громкости, имеют еще одно качество, а именно – специфический оттенок, называемый тембром. По особенностям тембра мы легко распознаем звук голоса, звучание струн рояля и скрипки, звук флейты и гармонии и др. По тембру же мы узнаем голоса разных людей.

Исследование этого вопроса показало, что для уха существенны только частота и амплитуды тонов, входящих в состав звука, т. е. тембр звука определяется его гармоническим спектром. Сдвиги отдельных тонов по времени, другими словами, изменение их фаз, никак не воспринимается на слух, хотя и могут очень сильно менять форму результирующего колебания. Таким образом, один и тот же звук может восприниматься при различных формах колебания. Важно только, чтобы сохранялся спектр, т. е. частоты и амплитуды тонов.

Музыкальное созвучие (мелодия) состоит из нескольких нот, причем их основные частоты относятся друг к другу как небольшие целые числа. Такие созвучия еще называют консонирующими – приятными для слуха. Консонанс получается при отношении периодов 2: 3 (это созвучие называется в теории музыки квинтой), при 3: 4 (кварта), 4: 5 (большая терция) и т. д. Длительность звучания нот в музыкальном созвучии обусловливает субъективное восприятие ритма.

Если же периоды относятся как большие числа, например 19: 23, то получается диссонанс – музыкальное, но неприятное, «режущее слух» созвучие. Чем больше в спектре созвучий будут встречаться разные частоты, тем больше они будут походить на шум. Звук совсем перестает быть музыкальным, и его называют шумом, если звуковое давление изменяется в среде беспорядочно. Итак, шум как физическое явление представляет собой звук, состоящий из сложных беспорядочных апериодических колебаний давления в упругой среде. В отличие от музыкальных звуков в шуме нет правильной числовой связи между отдельными тонами и нотами. Типичные шумы имеют спектры, в которых присутствует чрезвычайно много несвязанных звуков различных частот и амплитуд.

Таблица 4.2

Соответствие между физическими и физиологическими понятиями и характеристиками акустических колебаний

Кроме понятия «шум», как физического явления, существует одноименное физиологическое или гигиеническое понятие.

С гигиенических позиций шумом принято называть всякий нежелательный звук (не соответствующий времени, месту, потребности и состоянию человека), оказывающий неблагоприятное воздействие на его организм, мешающий какой-либо деятельности и отдыху.

Субъективное восприятие человеком шума зависит от его физической структуры, уровня громкости, насколько он превышает привычный уровень окружающего фона, времени воздействия, отношения к его источнику, от заключенной в нем информации, функционального состояния и психофизиологических особенностей человека.

Таким образом, физическим параметрам звука соответствуют определенные его физиологические характеристики (табл. 4.2).

Особенности инфразвука. Инфразвук как физическое явление подчиняется общим закономерностям, характерным для слышимых звуковых волн, однако обладает целым рядом особенностей, связанных с низкой частотой колебаний упругой среды:

– инфразвук имеет во много раз большие амплитуды колебаний, чем акустические волны при равных мощностях источников звука;

– инфразвук распространяется на большие расстояния от источника генерирования ввиду слабого поглощения его атмосферой;

– большая длина волны делает характерным для инфразвука явление дифракции. Благодаря этому инфразвуки легко проникают в помещения и обходят преграды, задерживающие слышимые звуки;

– инфразвуковые колебания способны вызывать вибрацию крупных объектов вследствие явлений резонанса.

Указанные особенности инфразвуковых волн затрудняют борьбу с ним, так как классические способы, применяемые для снижения шума (звукопоглощение и звукоизоляция), а также удаление от источника в данном случае малоэффективны.

Особенности ультразвука. Ультразвуковые колебания подчиняются тем же закономерностям, что и слышимые звуковые волны, однако более высокая частота придает им некоторые особенности:

– малая длина волны (менее 1,5 см) дает возможность получать направленный сфокусированный пучок большой энергии;

– ультразвуковые волны способны давать отчетливую акустическую тень, так как размеры экранов всегда будут соизмеримы или больше длины волн;

– проходя через границу раздела двух сред, ультразвуковые волны могут отражаться, преломляться или поглощаться;

– ультразвук, особенно высокочастотный, практически не распространяется в воздухе, так как звуковая волна, распространяясь в среде, теряет энергию пропорционально квадрату частоты колебаний.

В твердых и жидких средах ультразвук вызывает ряд механических и химических эффектов. К ним относится в первую очередь явление кавитации, возникающее в смешанной среде жидкость – газ. В зоне разрыва жидкости вследствие периодического сжатия и растяжения образуются пузырьки, наполненные парами жидкости или газа. Разрыв пузырьков сопровождается выделением большого количества энергии. Эффект усиливается с увеличением мощности ультразвука. Действие ультразвука на твердое или газообразное вещество вызывает вибрацию его частиц с ультразвуковой частотой.