Шумовое загрязнение, нежелательные или чрезмерные уровни звука могут оказывать вредное воздействие на здоровье человека и качество окружающей среды. Оно обычно возникает во многих промышленных объектах и на некоторых других рабочих местах. А также шумовое загрязнение связано с автомобильным, железнодорожным и воздушным движением и с работами на открытом воздухе.
Измерение и восприятие громкости
Звуковые волны — это колебания молекул воздуха, переносимые от источника шума к уху. Это обычно описывается, с точки зрения громкости (амплитуды) и высот (частоты) волны. Уровень звукового давления, или SPL, измеряется в логарифмических единицах, называемых децибел (дБ). Нормальное человеческое ухо может обнаруживать тон в диапазоне от 0 дБ (порог слуха) до 140 дБ. При этом звуки от 120 дБ до 140 дБ вызывают боль.
Какой уровень звука, например, в библиотеке? Он составляет около 35 дБ, а внутри движущегося автобуса или поезда метро — около 85. Строительные работы здания могут генерировать SPL до 105 дБ в источнике. SPL уменьшаются с удалением от предмета.
Скорость, с которой передается звуковая энергия, называется интенсивностью, пропорциональна квадрату УЗД. Из-за логарифмического характера шкалы децибел, увеличение на 10 пунктов представляет 10-кратное увеличение интенсивности звука. На 20 передает больше в 100 раз. А на 30 дБ представляет 1000-кратное увеличение интенсивности.
И с другой стороны, когда напряженность удваивается, уровень громкости звука усиливается только на 3 пункта. Например, если строительное сверло вызывает шум на 90 дБ, то два одинаковых инструмента, работающие рядом, создадут 93 дБ. А когда два звука, которые отличаются на SPL более чем на 15 пунктов, объединяются, слабые тона маскируются (или заглушаются) громким звучанием. Например, если на строительной площадке работает дрель на 80 дБ рядом с бульдозером на 95, совокупный уровень давления этих двух источников будет измеряться как 95. Менее интенсивный тон от компрессора не будет заметен.
Частота звуковой волны выражается в циклах в секунду, но чаще используется герц (1 cps = 1 Гц). Барабанная перепонка человека — это очень чувствительный орган с большим динамическим диапазоном, способный обнаруживать звуки на частотах от 20 Гц (низкая высота) до примерно 20000 Гц (высокий уровень звука). Тональность человеческого голоса в обычном разговоре происходит на частотах от 250 Гц до 2000 Гц.
Точное измерение уровня звука и научное описание отличаются от большинства субъективных человеческих представлений и мнений о нем. Индивидуальные реакции человека на шум зависят как от высоты, так и от громкости. Люди с нормальным слухом обычно воспринимают высокочастотные звуки громче, чем низкочастотные той же амплитуды. По этой причине электронные измерители уровня шума учитывают изменения воспринимаемой громкости в зависимости от высоты тона.
Частотные фильтры в измерителях служат для согласования показаний с чувствительностью человеческого уха и относительной громкостью различных звуков. Так называемый A-взвешенный фильтр, например, обычно используется для диагностирования окружающего сообщества. Измерения SPL, сделанные с помощью этого фильтра, выражаются в A-взвешенных децибелах или дБА.
Большинство людей воспринимают и описывают увеличение значения SPL на 6–10 дБА, как удвоение «громкости». Другая система, C-взвешенная (дБС) шкала, иногда используется для уровней ударного шума, таких как стрельба, и имеет тенденцию быть более точным, чем дБА, для воспринимаемой громкости звуков с низкочастотными компонентами.
Уровни шума, как правило, меняются со временем, поэтому данные измерения представляются в виде усредненных значений для выражения общих уровней звука. Есть несколько способов сделать это. Например, результаты серии повторных измерений уровня звука могут быть представлены как L 90 = 75 дБА, что означает, что величины были равны или выше 75 дБА в течение 90 процентов времени.
Еще один блок под названием эквивалентные степени звука (L eq) могут использоваться для выражения среднего SPL за любой интересующий период, например, восьмичасовой рабочий день. (L eq — это логарифмическое, а не арифметическое значение, поэтому в общем результате преобладают громкие события.)
Единица уровня звука, называемая величиной шума "день-ночь" (DNL или L дп) учитывает тот факт, что люди более чувствительны к тону в ночное время. Так что, 10-дБА добавляется к SPL значениям, измеренных в пределах от 10 часов до 7 утра. Например, измерения DNL очень полезны для описания общей подверженности шуму самолетов.
Работа с эффектами
Шум — это больше, чем просто неприятность. При определенных уровнях и продолжительности воздействия, это может вызвать физическое повреждение барабанной перепонки и чувствительных волосковых клеток внутреннего уха, и привести к временной или постоянной потере слуха.
Она обычно не возникает при SPL ниже 80 дБА (восьмичасовые уровни влияния лучше поддерживать не больше 85). Но у большинства людей, повторно подвергающихся воздействию более 105 дБА, в некоторой степени будет постоянная потеря слуха. В дополнение к ней чрезмерное влияние шума может также повысить артериальное давление и частоту пульса, вызвать раздражительность, беспокойство и умственную усталость, а также нарушить сон, отдых и личное общение.
Контроль шумового загрязнения
Поэтому важно на рабочем месте и в обществе сохранять предельную тишину. Постановления и законы по борьбе с шумом, принятые на местном, региональном и национальном уровнях, могут быть эффективными для смягчения негативных последствий шумового загрязнения.
Экологический и промышленный гул регулируется в соответствии с законом о безопасности и гигиене труда и законом о борьбе с ним. В соответствии с этими актами Администрация по безопасности и гигиене труда установила критерии промышленного шума, чтобы ввести ограничения на интенсивность звукового воздействия и продолжительность, в течение которой эта напряженность может быть разрешена.
Если человек подвергается воздействию различных уровней шума в разных временных интервалах в течение дня, общее влияние или доза (D) шума получается из соотношения,
где C - фактическое время, а T - допустимое на любом уровне. При использовании этой формулы наиболее возможная суточная доза шума будет равна 1, а любое воздействие свыше непозволительно.
Максимальный уровень звука
Критерии для шума в помещении обобщены в трех наборах спецификаций, которые были получены путем сбора субъективных суждений из большой выборки людей в различных конкретных ситуациях. Они превратились в критерии шума (NC) и кривые предпочтительных тонов (PNC), которые устанавливают пределы уровня, вносимого в окружающую среду. Кривые NC, разработанные в 1957 году, направлены на обеспечение комфортной рабочей или жилой сферы путем определения максимально допустимого уровня звука в октавных полосах по всему аудиоспектру.
Полный набор из 11 кривых определяет критерии шума для широкого объема ситуаций. Графики PNC, разработанные в 1971 году, добавляют ограничения на низкочастотный гул и высокочастотное шипение. Следовательно, они предпочтительнее более старого стандарта NC. Суммированные на кривых, эти критерии обеспечивают цели проектирования уровней шума для различных идей. Частью спецификации работы или среды обитания является соответствующая кривая PNC. В случае, если уровень превышает пределы PNC, звукопоглощающие материалы могут быть введены в окружающую среду по мере необходимости для соответствия стандартам.
Низкий уровень шума может быть преодолен с помощью дополнительного поглощающего материала, такого как тяжелые драпировки или плитки в закрытых помещениях. Где низкий уровень идентифицируемого шума может отвлекать или где конфиденциальность разговоров в смежных офисах и приемные могут быть важны, нежелательные звуки могут быть замаскированы. Небольшой источник белого шума, такой как статический воздух, размещенный в комнате, может маскировать разговор из соседних кабинетов, не будучи смертельным уровнем звука для ушей людей, работающих поблизости.
Этот тип устройства часто используется в кабинетах врачей и других специалистов. Иной метод снижения уровня шума — использование средств защиты органов слуха, которые надеваются на уши так же, как наушники. Применяя имеющиеся в продаже защитные приспособления, можно добиться снижения уровня тона в диапазоне обычно от 10 дБ при 100 Гц до более 30 дБ для частот выше 1 тыс. Гц.
Определить уровень звука
Ограничения наружного шума также важны для комфорта человека. Строительство здания обеспечит некоторую защиту от внешних звуков, если дом соответствует минимальным стандартам и если уровень шума находится в допустимых пределах.
Эти ограничения обычно указываются для определенных периодов дня, например, в светлое время суток, в вечерние часы и ночью во время сна. Из-за преломления в атмосфере, вызванного инверсией температуры в ночное время, относительно громкие звуки могут издаваться от довольно отдаленного шоссе, аэропорта или железной дороги.
Одним из интересных методов контроля шума является возведение шумовых барьеров вдоль трассы, отделяющих ее от прилегающих жилых районов. Эффективность таких сооружений ограничена дифракцией звука больше на низких частотах, которые преобладают на дорогах и присущи большим транспортным средствам. Чтобы быть эффективными, они должны находиться как можно ближе к источнику или наблюдателю шума, тем самым максимизируя дифракцию, необходимую для того, чтобы звук достиг наблюдателя. Другое требование для этого типа барьера состоит в том, что он также должен ограничивать количество уровней звука, чтобы добиться значительного снижения шума.
Определение и примеры
Децибел (дБ) используется для измерения уровня звука, но он также широко применяется в электронике, сигналах и связи. ДБ — логарифмический способ описания касательства. Отношение может проявляться, как мощность, звуковое давление, напряжение или интенсивность, или несколько других вещей. Позже мы связываем дБ с телефоном и звуком (в связи с громкостью). Но сначала, чтобы получить представление о логарифмических выражениях, давайте посмотрим на некоторые цифры.
Например, можно предположить, что есть два динамика, первый из которых воспроизводит звук с силой P 1, а другой — более громкую версию того же тона с мощностью P 2, но все остальное (как далеко, частота) остается неизменным.
Разница в децибелах между ними определяется как
10 log (P 2 / P 1) дБ, где log для базы 10.
Если второе производит в два раза больше энергии, чем первое, разница в дБ
10 log (P 2 / P 1) = 10 log 2 = 3 дБ,
как показано на графике, который отображает 10 log (P 2 / P 1) против P 2 / P 1. Для продолжения примера, если у второго в 10 раз больше мощности первого, разница в дБ будет:
10 log (P 2 / P 1) = 10 log 10 = 10 дБ.
Если второе имело такую же силу в миллион раз, разница в дБ была бы
10 log (P 2 / P 1) = 10 log 1 000 000 = 60 дБ.
В этом примере показана одна особенность шкал децибел, которая полезна при обсуждении звука. Они могут описывать очень большие отношения, используя числа скромного размера. Но необходимо обратить внимание, что децибел изображает соотношение. То есть не будет сказано, какую мощность излучает какой-либо из динамиков, только из разности. И также стоит обратить внимание на коэффициент 10 в определении, который обозначает деци в децибелах.
Акустическое давление и дБ
Частота обычно измеряется с помощью микрофонов, и они реагируют (приблизительно) пропорционально давлению, с. Теперь мощность звуковой волны при прочих одинаковых условиях равна квадрату напора. Точно так же, электрическая мощность в резисторе идет как перемноженное напряжение. Логарифм квадрата равен всего 2 log x, поэтому при преобразовании давления в децибелы вводится коэффициент 2. Следовательно, разница в степени акустического напора между двумя уровнями звуков с p 1 и p 2 составляет:
20 log (p 2 / p 1) дБ = 10 log (p 2 2 / p 1 2) дБ = 10 log (P 2 / P 1) дБ.
Что происходит, когда происходит уменьшение мощности звука вдвое?
Логарифм 2 равен 0,3, поэтому 1/2 - 0,3. Таким образом, если мощность будет уменьшена в 2 раза, то уровень звука сократится на 3 дБ. И если еще раз сделать такую операцию, то акустика еще на 3 дБ понизится.
Размер децибела
Выше можно заметить, что уменьшение мощности вдвое снижает давление на корень 2 и уровень громкости звука на 3 дБ.
Первый образец — это белый шум (смесь всех слышимых частот). Второй образец — это тот же тон с напряжением, уменьшенным на коэффициент корня квадратного из 2. Его обратное значение составляет примерно 0,7, поэтому 3 дБ соответствует снижению напряжения или давления до 70%. Зеленая линия показывает насадку, как функцию времени. Красная же очерчивает непрерывный экспоненциальный спад. Стоит обратить внимание, что напряжение падает на 50% для каждого второго образца.
Звуковые файлы и флеш-анимация Джона Танна и Джорджа Хацидимитриса.
Насколько велик децибел?
В следующих сериях последовательные выборки уменьшаются всего на один пункт.
Что делать, если разница меньше, чем децибел?
Уровни звука редко даются с десятичными знаками. Причина в том, что те, что отличаются менее чем на 1 дБ, трудно различить.
И также можно заметить, что последний пример тише первого, но трудно увидеть разницу между последовательными парами. 10 * log 10 (1,07) = 0,3. Поэтому для увеличения уровня звука на 0,3 дБ необходимо усилить мощность на 7% или напряжение на 3,5%.
