Для удобства спектр слышимых частот разлелен на октавные полосы.

Октавная полоса характеризуется нижней граничной частотой f н, верхней граничной частотой f в, среднегеометрической частотой f ср.геом. =

По частоте шум подразделяется на:

1.Низкочастотный, когда максимум звукового давления приходится на область частот до 300Гц.

2.Среднечастотный, когда максимум звукового давления от 300 до 800Гц.

3.Высокочастотный, когда максимум звукового давления более 800Гц.

Шум также подразделяется на постоянный – когда уровень давления Р за 8часовой рабочий день изменяется на величину ≤5дБА и непостоянный – на величину ≥ 5 дБА

По спектральному составу Шум: - широкополосный с непрерывным спектром шириной более октавы. – Тональный, когда в спектре преобладают выраженные дискретные тона.

Нормирование осуществляется: 1) по предельному спектру шума т е по уровню Р в октавных полосах частот. 2) по эквивалентному уровню в дБА.

Действие шума на организм человека. Прибор для измерения уровня шума

Повышенный уровень шума оказывает влияние в первую очередь на сердечно-сосудистую, центральную нервную системы, зрительные анализаторы.

Длительная работа в области шума приводит к тугоухости, которая проявляется в частичной утрате слуха.

Шумоизмерительные приборы - шумомеры - состоят, как правило, из датчика (микрофона), усилителя, частотных фильтров (анализатора частоты), регистрирующего прибора (самописца или магнитофона) и индикатора, показывающего уровень измеряемой величины в дБ. Шумомеры снабжены блоками частотной коррекции с переключателями А, В, С, D и временных характеристик c переключателями F (fast) - быстро, S (slow) - медленно, I (pik) - импульс. Шкалу F применяют при измерениях постоянных шумов, S - колеблющихся и прерывистых, I - импульсных.

По точности шумомеры делятся на четыре класса 0, 1, 2 и 3. Шумомеры класса 0 используются как образцовые средства измерения; приборы класса 1 - для лабораторных и натурных измерений; 2 - для технических измерений; 3 - для ориентировочных измерений. Каждому классу приборов соответствует диапазон измерений по частотам: шумомеры классов 0 и 1 рассчитаны на диапазон частот от 20 Гц до 18 кГц, класса 2 - от 20 Гц до 8 кГц, класса 3 - от 31,5 Гц до 8 кГц.

Для измерения эквивалентного уровня шума при усреднении за длительный период времени применяются интегрирующие шумомеры.

Приборы для измерения шума строятся на основе частотных анализаторов, состоящих из набора полосовых фильтров и приборов, показывающих уровень звукового давления в определенной полосе частот.

В зависимости от вида частотных характеристик фильтров анализаторы подразделяются на октавные, третьеоктавные и узкополосные.

Частотная характеристика фильтра К(f ) =U вых /U вх представляет собой зависимость коэффициента передачи сигнала со входа фильтра U вх на его выход U вых от частоты сигнала f.

Частотная характеристика типового октавного полосового фильтра показана на рис.3.6. Полосовой фильтр характеризуется полосой пропускания B = f 2 - f 1 , т.е. областью частот между двумя частотами f 1 и f 2 , на которых частотная характеристика К(f ) имеет значение (затухание) не более 3 дБ.

Инфразвук. Действие на человека. Способы защиты.

Звуки, частотой менее <20 Гц – инфразвук и >20000 Гц – ультразвук. Инфразвук возникает при работе компрессоров, вентиляции, кондиционирования и других случаях. Кроме того, инфразвук сопровождается стихийными природными явлениями – землетрясения, цунами и т.д. Инфразвук характеризуется большой длиной волны и способностью распространяться набольшие расстояния, огибая препятствия. Он оказывает наибольшее воздействие на весь организм человека, приводит к снижению остроты зрения и слуха, нарушению работы вестибилюрного аппарата, головной боли, вызывает чувство страха и беспокойства.

Большая длина волны позволяет инфразвуку распространяться на большие расстояния его невозможно прекратить строительными помещениями

Меры борьбы необходимо применять к источнику его образования:

Увеличение числа вращающихся валов.

Повышение жесткости колебательной системы.

Устранение низкочастотной вибрации.

Защитные мероприятия(инфразвук – менее 16 Гц)

1. Снижение ин. звука в источнике возникновения.

2. Средства индивидуальной защиты.

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум – всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р мг – Р ст .

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

Время усреднения давления: Т о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии .

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

Интенсивность, Вт/м 2 , связана со звуковым давлением зависимостью

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению – до 10 8 раз, по интенсивности – до 10 16 раз. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

где Р о = 2×10 -5 Па – пороговое звуковое давление; Р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Уровень интенсивности звука, дБ:

где I – действующая интенсивность звука; I о = 10 -12 Вт/м 2 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (на частоте 1000 Гц).

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчётов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Интенсивность I max и величина звукового давления P max , соответствующие болевому порогу: I max = 10 2 Вт/м, P max = 2×10 2 Па.

Частотный спектр шума – зависимость уровня интенсивности (уровня звукового давления) от частоты: L = L(ƒ). Весь слышимый диапазон частот разбит на 9 октавных полос. Октавная полоса, или октава – это частотный диапазон, для которого выполняется условие

Различают следующие виды спектров:

- дискретный (линейчатый) – спектр, синусоидальные составляющие которого отделены друг от друга по частоте (рис. 6.1);

ХОРЕВ Анатолий Анатольевич, доктор технических наук, профессор

ТЕХНИЧЕСКИЕ КАНАЛЫ УТЕЧКИ АКУСТИЧЕСКОЙ (РЕЧЕВОЙ) ИНФОРМАЦИИ

Общая характеристика речевого сигнала

Под акустической информацией обычно понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой .

Первичными источниками акустических сигналов являются механические колебательные системы, например органы речи человека, а вторичными - преобразователи различного типа, например, громкоговорители.

Акустические сигналы представляют собой продольные механические волны. Они испускаются источником - колеблющимся телом - и распространяются в твердых телах, жидкостях и газах в виде акустических колебаний (волн), то есть колебательных движений частиц среды под действием различных возмущений. Пространство, в котором происходит распространение акустических колебаний, называют акустическим полем, направление распространения акустических колебаний - акустическим лучом , а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды - фронтом волны . В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но на практике, в зависимости от конкретной решаемой задачи, обычно ограничиваются рассмотрением трех видов фронтов: плоского, сферического и цилиндрического.

Характеристики акустического поля подразделяются на линейные и энергетические.

Линейными характеристиками акустического поля являются :

Акустическое давление p (Па) - разность между мгновенным значением давления p ам в точке среды при прохождении через нее акустической волны и статическим давлением p ас в той же точке (1 Па = 1 Н/м 2): p = p ам – p ас; (1)

Смещение u (м) - отклонение частиц среды от ее статического положения под действием проходящей акустической волны;

Скорость колебаний n (м/с) - скорость движения частиц среды под действием проходящей акустической волны: n = du/dt, (2), где u - смещение частиц среды, м; t - время, с;

Удельное акустическое сопротивление z (кг/м 2 с) - отношение звукового давления p к скорости колебаний частиц среды n : z = p/n .(3)

Энергетическими характеристиками акустического поля являются :

Интенсивность акустических колебаний I (Вт/м 2) - количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны;

Плотность энергии e (Дж/м 3) - количество энергии акустических колебаний, находящейся в единице объема. Плотность энергии связана с интенсивностью акустических колебаний I соотношением:
e = I/v зв (4), где v зв - скорость звука.

В газообразных средах скорость звука зависит от плотности среды r (плотность воздуха зависит от его температуры) и статического атмосферного давления p ас.

Для температуры воздуха 15 - 20° С и давления 101325 Па (760 мм рт. ст.) скорость звука составляет v зв = 340 – 343 м/с .

Для колебаний с периодом Т длина звуковой волны l , то есть расстояние между соседними фронтами волны с одинаковой фазой (например, между максимумами или минимумами колебаний), и частота колебаний f рассчитываются по формулам:

l = v зв T; (5)
f = 1/T. (6)

Частоты акустических колебаний в пределах 20 - 20000 Гц называют звуковыми (их может воспринимать человеческое ухо), ниже 20 Гц - инфразвуковыми, а выше 20000 Гц - ультразвуковыми.

В акустике в качестве уровней характеристик акустического поля принимают величины, пропорциональные логарифмам относительных значений (относительно нулевого значения) этих характеристик.

За условное (нормированное) значение нулевого уровня интенсивности акустических колебаний принята интенсивность, равная I 0 = 10 -12 Вт/м 2 , при этом относительный уровень интенсивности будет равен :

L I = 10lg(I/I 0), дБ. (7)

Уровень акустического давления для воздуха определяют относительно акустического давления, соответствующего нулевому значению уровня интенсивности для удельного акустического сопротивления, равного z = 400 кг/(м 2 с) :

L p = 20lg(p/p 0), дб, (8)

где p 0 = 2 10 -5 Па - условное значение нулевого уровня акустического давления.

Величины p 0 и I 0 примерно соответствуют порогу слухового восприятия (слышимости).

Единицей относительного уровня является децибел (дБ). Приращению уровня на 1 дб соответствует увеличение звукового давления на 12%, а интенсивности звука на 26% .

Акустическое поле в открытом пространстве при наличии единичного источника мощности характеризуется интенсивностью акустических колебаний, рассчитываемой по формуле :

(9)
где P W - мощность источника излучения, Вт;
c - коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля (для открытого пространства c » 1);
r - расстояние от источника до расчетной точки, м;
G - коэффициент направленности источника излучения;
W - пространственный угол излучения (при излучении в двухгранный угол W = p , при излучении в полупространство W = 2p , при излучении в пространство W = 4p ), рад.

Теоретически рассчитать уровень интенсивности акустических колебаний от реальных объектов довольно сложно. Поэтому наиболее часто уровень интенсивности акустических колебаний измеряют в определенном направлении на определенном расстоянии от объекта r 0 , а затем пересчитывают на любое другое расстояние r в том же направлении по формуле:

, дБ, (10)

где r 0 - расстояние, на котором производилось измерение уровня интенсивности акустических колебаний , (в большинстве случаев r 0 = 1 м).

Измеренный уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r 0 .

При r 0 = 1 м для открытого пространства уровень интенсивности акустических колебаний на расстоянии r от источника будет равен:

, дБ. (11)

При распространении акустического сигнала в помещениях необходимо учитывать их ослабление при прохождении через ограждающие конструкции:

ДБ, (12)
где Z ок - коэффициент затухания акустического сигнала в ограждающей конструкции (коэффициент звукоизоляции), дБ.

В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные сигналы. Тональный –это сигнал, вызываемый колебанием, совершающимся по синусоидальному закону. Сложный сигнал включает целый спектр гармонических составляющих. Речевой сигнал является сложным акустическим сигналом.

Речь может быть охарактеризована тремя группами характеристик :

Семантическая или смысловая сторона речи - характеризует смысл тех понятий, которые передаются при ее помощи;

Фонетические характеристики речи - данные, характеризующие речь с точки зрения ее звукового состава. Основной фонетической характеристикой звукового состава является частота встречаемости в речи различных звуков и их сочетаний;

Физические характеристики - величины и зависимости, характеризующие речь как акустический сигнал.

Помимо того, что звуки речи, объединяясь в определенные фонетические комбинации, образуют некоторые смысловые элементы, они также различаются и чисто физическими параметрами: мощностью, звуковым давлением, частотным спектром, длительностью звучания.

Частотный спектр звуков речи содержит большое число гармонических составляющих, амплитуды которых уменьшаются с ростом частоты. Высота основного тона (первой гармоники) этого ряда характеризует собой тип голоса говорящего: бас, баритон, тенор, альт, контральто, сопрано, но в большинстве случаев почти не играет роли для различения друг от друга звуков речи.

В русском языке сорок один звук речи (фонем) . По спектральному составу звуки речи различаются друг от друга числом формант и их расположением в частотном спектре. Следовательно, разборчивость передаваемой речи зависит, прежде всего, от того, какая часть формант дошла до уха слушающего без искажений и какая - исказилась, или по тем или иным причинам вообще не была услышана.

Форманта может характеризоваться либо занимаемой ею частотной полосой, либо средней частотой, соответствующей максимуму амплитуды или энергии составляющих в формантной полосе, и средним уровнем этой энергии.

Большинство звуков речи имеет одну или две форманты, что обусловлено участием в образовании этих звуков основных резонаторов голосового аппарата - полости глотки и носоглотки.

Максимально в отдельных звуках замечено до 6 усиленных частотных областей. Однако далеко не все они являются формантами. Некоторые из них никакого значения для распознавания звуков не имеют, хотя и несут в себе довольно значительную энергию.

Формантными являются одна или две частотные области. Исключение из передачи любой из этих областей вызывает искажение передаваемого звука, т. е. либо превращение его в другой звук, либо вообще потерю им признаков звука человеческой речи.

Форманты звуков речи расположены в широкой области частот приблизительно от 150 до 8600 Гц. Последний предел превышают лишь составляющие формантной полосы звука Ф , которые могут лежать в области до 12 000 Гц . Однако подавляющая часть формант звуков речи лежит в пределах от 300 до 3400 Гц, что и позволяет считать эту полосу частот вполне достаточной для обеспечения хорошей понятности передаваемой речи. Форманты расположены не только вплотную друг к другу, но даже с перекрытием.

Различным видам речи соответствуют типовые интегральные уровни речевых сигналов, измеренные на расстоянии 1 м от источника речи (говорящий человек, звуковоспроизводящее устройство): l s = 64 дБ - тихая речь; L s = 70 дБ - речь средней громкости; l s = 76 дБ - громкая речь; l s = 84 дБ - очень громкая речь, усиленная техническими средствами.

Как правило, уровни речевых сигналов измеряют в октавных или треть-октавных полосах речевого диапазона частот. Характеристики октавных и треть-октавных полос речевого диапазона частот и числовые значения типовых уровней речевого сигнала в них l s.i в зависимости от их интегрального уровня l s , представлены в табл. 1 и табл. 2 .

Таблица 1. Типовые уровни речевого сигнала в октавных полосах частотного диапазона речи L s.i

Таблица 2. Типовые уровни речевого сигнала в третьоктавных полосах частотного диапазона речи L s.i

Первая и седьмая октавные полосы являются малоинформативными, поэтому наиболее часто для оценки возможностей средств акустической разведки уровни речевого сигнала измеряют только в пяти (2 - 6) октавных полосах.

Спектральный состав речи в значительной степени зависит от пола, возраста и индивидуальных особенностей говорящего. Для различных людей отклонение уровней сигналов, измеренных в октавных полосах, от типовых уровней может составлять 6 дБ.

Перехват речевой информации средствами акустической разведки осуществляется на фоне естественных шумов (табл. 3). Процесс восприятия речи в шуме сопровождается потерями составных элементов речевого сообщения. Понятность речевого сообщения характеризуется количеством правильно принятых слов, отражающих качественную область понятности, которая выражена в категориях подробности справки о перехваченном разговоре, составляемой “противником” (лицом, осуществляющим перехват информации).

Таблица 3. Средний интегральный уровень акустических шумов

Для количественной оценки качества перехваченной речевой информации наиболее часто используют показатель – словесная разборчивость речи W , под которой понимается относительное количество (в процентах) правильно понятых слов.

Проведенный анализ показал возможность ранжирования понятности перехваченной речевой информации. Из практических соображений может быть установлена некоторая шкала оценок качества перехваченного разговора:

1. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное для составления подробной справки о содержании перехваченного разговора.

2. Перехваченная речевая информация содержит количество правильно понятых слов, достаточное только для составления краткой справки-аннотации, отражающей предмет, проблему, цель и общий смысл перехваченного разговора.

3. Перехваченная речевая информация содержит отдельные правильно понятые слова, позволяющие установить предмет разговора.

4. При прослушивании фонограммы перехваченного разговора нельзя установить предмет разговора.

Практический опыт показывает, что составление подробной справки о содержании перехваченного разговора невозможно при словесной разборчивости менее 60 – 70,%, а краткой справки-аннотации – при словесной разборчивости менее 40 – 60%. При словесной разборчивости менее 20 – 40% значительно затруднено установление даже предмета ведущегося разговора, а при словесной разборчивости менее 10 – 20% это практически невозможно даже при использовании современных методов шумоочистки.

Классификация технических каналов утечки акустической (речевой) информации

Для обсуждения информации ограниченного доступа (совещаний, обсуждений, конференций, переговоров и т.п.) используются специальные помещения (служебные кабинеты, актовые залы, конференц-залы и т.д.), которые называются выделенными помещениями (ВП) . Для предотвращения перехвата информации из данных помещений, как правило, используются специальные средства защиты, поэтому выделенные помещения в ряде случаев называют защищаемыми помещениями (ЗП) .

В выделенных помещениях, так же как и на объектах технических средств передачи, обработки, хранения и отображения информации (ТСПИ), устанавливаются вспомогательные технические средства и системы (ВТСС).

Выделенные помещения располагаются в пределах контролируемой зоны (КЗ) , под которой понимается пространство (территория, здание, часть здания), в котором исключено неконтролируемое пребывание сотрудников и посетителей организации, а также транспортных средств. Границей контролируемой зоны могут являться периметр охраняемой территории организации или ограждающие конструкции охраняемого здания или охраняемой части здания, если оно размещено на неохраняемой территории. В некоторых случаях границей контролируемой зоны могут быть ограждающие конструкции (стены, пол, потолок) выделенного помещения. В отдельных случаях на период проведения закрытого мероприятия контролируемая зона временно может устанавливаться большей, чем охраняемая территория предприятия. При этом должны приниматься организационно-режимные и технические меры, исключающие или существенно затрудняющие возможность перехвата информации в этой зоне.

Под техническим каналом утечки акустической (речевой) информации (ТКУ АИ) понимают совокупность объекта разведки (выделенного помещения), технического средства акустической (речевой) разведки (ТС АР), с помощью которого перехватывается речевая информация, и физической среды, в которой распространяется информационный сигнал.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды их распространения технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на прямые акустические (воздушные), виброакустические (вибрационные), акустооптические (лазерные), акустоэлектрические и акустоэлектромагнитные (параметрические).

Литература

1. Акустика: Справочник/Под ред. М.А. Сапожкова. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1989. 336 с.
2. ГОСТ Р 51275-99. Защита информации. Объект информатизации. Факторы, воздействующие на информацию. Общие положения. (Принят и введен в действие Постановлением Госстандарта России от 12 мая 1999 № 160).
3. Железняк, В.К., Макаров Ю.К., Хорев А.А. Некоторые методические подходы к оценке эффективности защиты речевой информации//Специальная техника, 2000, № 4, с. 39 – 45.
4. Покровский Н.Б. Расчет и измерение разборчивости речи. М.: Гос. Издательство литературы по вопросам связи и радио, 1962. 392 с.
5. Справочник по радиоэлектронным устройствам, в 2-х томах. Т. 2/Варламов Р.Г., Додик С.Д., Иванов-Циганов А.И. и др./Под ред. Д.П. Линде. М.: Энергия, 1978. 328 с.
6. Техническая акустика транспортных машин/ Под. Ред. Н.И.Иванова. С.Пб.: Политехника, 1992. 365 с.

Примеры интервалов частот звука, создаваемого человеческим голосовым аппаратом и воспринимаемого человеческим слуховым аппаратом, приведены в табл.4.

Примеры частотных диапазонов некоторых музыкальных инструментов приведены в таблице 5. Они охватывают не только звуковой диапазон, но и ультразвуковой.

Животные, птицы и насекомые создают и воспринимают звук других частотных диапазонов, нежели человек (табл. 6).

В музыке каждую синусоидальную звуковую волну называют простым тоном, или тоном. Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Основным тоном сложного музыкального звука называют тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам, называются обертонами . Если обертоны кратны частоте основного тона, то обертоны называются гармоническими . Обертон с наименьшей частотой называется первой гармоникой, со следующей - второй и т.л.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр зависит от состава обертонов, их частот и амплитуд, характера их нарастания в начале звучания и спада в конце.

Скорость звука

Для звука в различных средах справедливы общие формулы (1), (2), (3), (4):

Если волна распространяется в газах, то

. (2)

Если упругая волна распространяется в жидкости, то

, (3)

где K – модуль всестороннего сжатия жидкости. Его значение для разных жидкостей приводится в справочниках, единица измерения – паскаль :

.

Если упругая волна распространяется в твёрдых телах, то скорость продольной волны

, (4)

а скорость поперечной волны

, (5)

где E – модуль деформации растяжения или сжатия (модуль Юнга), G – модуль деформации сдвига. Их значения для разных материалов приводятся в справочниках, единица измерения – паскаль :

,

.

Следует учесть, что формула (1) или (2) применима в случае сухого атмосферного воздуха и с учётом числовых значений коэффициента Пуассона, молярной массы и универсальной газовой постоянной может быть записана в виде:

.

Однако, реальный атмосферный воздух всегда имеет влажность, которая влияет на скорость звука. Это обусловлено тем, что коэффициент Пуассона  зависит от отношения парциального давления водяного пара (p пар ) к атмосферному давлению (p ). Во влажном воздухе скорость звука определяют по формуле:

. (1*)

Из последнего уравнения видно, что скорость звука о влажном воздухе скорость звука немного больше, чем в сухом.

Численные оценки скорости звука, учитывающие влияние температур и влажности атмосферного воздуха, можно осуществлять по приближённой формуле:

Эти оценки показывают, что при распространении звука вдоль горизонтального направления (0 x ) с увеличением температуры на 1 0 C скорость звука возрастает на 0,6 м/с . Под влиянием водяного пара с парциальным давлением не более 10 Па скорость звука возрастает менее чем на 0,5 м/с . А в целом, при максимально возможном парциальном давлении водяного пара у поверхности Земли, скорость звука увеличивается не более чем 1 м/с .

Длина волны

Зная скорость и период волны, можно найти ещё одну характеристику – длину волны по формуле:

. (26)

Эта величина измеряется в метрах :

.

Физический смысл длины волны : длина волны равна расстоянию, которое волна проходит со скоростью  за время, равное периоду колебаний. Следовательно, частицы среды, между которыми расстояние , колеблются с одинаковой фазой. Итак, длина волны – это минимальное расстояние вдоль луча между частицами, которые колеблются синфазно (рис. 9).

Звуковое давление

При отсутствии звука атмосфера (воздух) является невозмущённой средой и имеет статическое атмосферное давление (
).

При распространении звуковых волн к этому статическому давлению добавляется дополнительное переменное давление, обусловленное сгущениями и разрежениями воздуха. В случае плоских волн можно записать:

где p зв, max – амплитуда звукового давления,  - циклическая частота звука, k – волновое число. Следовательно, атмосферное давление в фиксированной точке в данный момент времени становится равным сумме этих давлений:

Звуковое давление – это переменное давление, равное разности мгновенного фактического атмосферного давления в данной точке при прохождении звуковой волны и статического атмосферного давления при отсутствии звука :

Звуковое давление в течение периода колебаний меняет своё значение и знак.

Звуковое давление практически всегда намного меньше атмосферного

Оно становится велико и соизмеримо с атмосферным при возникновении ударных волн во время мощных взрывов или при прохождении реактивного самолета.

Единицами измерения звукового давления служат следующие:

- паскаль в СИ
,

- бар в СГС
,

- миллиметр ртутного столба ,

- атмосфера .

На практике приборы измеряют не мгновенное значение звукового давления, а так называемое эффективное (или действующее ) звуковое давление . Оно равно квадратному корню из среднего значения квадрата мгновенного звукового давления в данной точке пространства в данный момент времени

(44)

и поэтому называется также среднеквадратическим звуковым давлением . Подставляя выражение (39) в формулу (40), получим:

. (45)

Звуковое сопротивление

Звуковым (акустическим) сопротивлением называют отношение амплитуд звукового давления и колебательной скорости частиц среды:

. (46)

Физический смысл звукового сопротивления : оно численно равно звуковому давлению, вызывающему колебания частиц среды с единичной скоростью:

Единица измерения звукового сопротивления в СИ – паскаль-секунда на метр :

.

В случае плоской волны скорость колебаний частиц равна

.

Тогда формула (46) примет вид:

. (46*)

Существует также и другое определение звукового сопротивления, как произведение плотности среды и скорости звука в этой среде:

. (47)

Тогда его физический смысл состоит в том, что оно численно равно плотности среды, в которой распространяется упругая волна с единичной скоростью:

.

Кроме акустического сопротивления в акустике используется понятие механическое сопротивление (R м ). Механическое сопротивление представляет собой отношение амплитуд периодической силы и колебательной скорости частиц среды:

, (48)

где S – площадь поверхности излучателя звука. Механическое сопротивление измеряется в ньютон-секундах на метр :

.

Энергия и сила звука

Звуковая волна характеризуется теми же энергетическими величинами, что и упругая волна.

Каждый объем воздуха, в котором распространяются звуковые волны, обладает энергией, складывающейся из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды (см. формулу (29)).

Интенсивность звука принято называть силой звука . Она равна

. (49)

Поэтому физический смысл силы звука аналогичен смыслу плотности потока энергии: численно равна среднему значению энергии, которая переносится волной за единицу времени через поперечную поверхность единичной площади.

Единица измерения силы звука – ватт на квадратный метр:

.

Сила звука пропорциональна квадрату эффективного звукового давления и обратно пропорциональна звуковому (акустическому) давлению:

, (50)

или, учитывая выражения (45),

, (51)

где R ак – акустическое сопротивление.

Звук можно также характеризовать звуковой мощностью. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в течение определённого времени через замкнутую поверхность, окружающую источник звука :

, (52)

или, учитывая формулу (49),

. (52*)

Звуковая мощность, как и любая другая, измеряется в ваттах :

.

Субъективные характеристики звука. Спектральная чувствительность звука. Восприятие звука человеческим ухом*.

Субъективные характеристики звука

Субъективные характеристики звука определяются способностью органов слуха человека воспринимать звуковые колебания. Восприятие индивидуально.

Уровень силы звука

и разность уровней силы звука

Замечено, что ухо человека регистрирует изменение силы звука по логарифмическому закону. Это означает, что важно не абсолютное значение силы звука, а её логарифмическое значение. Величину lg (I ) , равную десятичному логарифму силы звука (интенсивности), называют логарифмическим уровнем силы звука .

Величину L , равную разности логарифмических уровней, называют разностью уровней силы звука

,

. (53)

Единица измерения уровня силы звука и разности уровней – бел :

,
.

Один бел – это разность уровней силы звука по шкале десятичных логарифмов, если сила звука увеличилась десятикратно :

.

Стократное увеличение силы звука соответствует двум белам

Тысячекратное увеличение равно трём белам

Минимальная разница уровней интенсивности звука, которую способно воспринять наше ухо, равна одному децибелу :

.

Поэтому на практике вместо формулы (53) применяют формулу:

. (54)

Замечание :

Если уровень звука определять не десятичным, а натуральным логарифмом

,

то единицей измерения служит непер :

.

Один непер – это разность уровней силы звука по шкале натуральных логарифмов, если отношение силы звука равно 10 :

.

Связь между белом и непером:

Воспринимаемый звук имеет нижний и верхний пределы, т. е. минимальную и максимальную интенсивность:

.

Минимальное значение интенсивности звука (силы звука), воспринимаемого ухом человека, называют порогом слышимости: .

Сила звука ниже порога слышимости

человеком не воспринимается.

Относительно порога слышимости разность уровней силы звука определяют по формулам:

, (55)

или
(56)

Если сила звука равна порогу слышимости, то

Эту величину L 0 называют нулевым (или пороговым ) уровнем громкости .

Пример : смысл выражения "уровень звука в колонках равен ста децибелам ".

Означает: Относительно порога слышимости разность уровней силы звука равна
.

Сравним с формулой (56):
.

Следовательно,

С другой стороны,
.

Поэтому
,

В результате, абсолютное значение силы звука равно:

.

Максимальное значение интенсивности звука, который воспринимает ухо человека, называют болевым порогом :

Сила звука выше болевого порога

человеком не воспринимается, но вызывает боль ушах.

Разница между уровнями болевого порога и порога слышимости называется динамическим диапазоном слуха и равна

. (57)

Если звук издаётся двумя и более источниками звука с уровнями силы звука L 1 , L 2 , … , L i , …, L N , то их суммарный уровень звука определяется по формуле:

(58)

Уровень громкости

и разность уровней громкости

В соответствии с выражением (51) сила звука пропорциональна квадрату амплитуды звукового давления:

.

Величину lg (p зв, max 2 ) , равную десятичному логарифму от квадрата амплитуды звукового давления, называют уровнем громкости .

Разностью уровней громкости называют величину L p , равную разности

. (59)

Единица измерения уровня громкости и разности уровней громкости – бел , а также дБ :

,
.

Следовательно,

. (61)

(62)

Минимальное звуковое давление (p 0 ) называют пороговым давлением . Относительно порогового давления разность уровней громкости (на стандартной частоте 1000 Гц ) равна

(63)

(64)

Спектральная чувствительность уха

Чувствительность человеческих органов слуха неодинакова для различных частотных диапазонов. Поэтому существует спектральная чувствительность уха: звуки одной и тоже интенсивности (силы) I , но разной частоты  ухо человека воспринимает по-разному.

Наглядно спектральную чувствительность изображают с помощьюкривых чувствительности – графиков зависимостей силы звука I ( ), уровня силы звука L I ( ) и давления звука p ( ) от частоты звука , представленных в логарифмическом масштабе (рис. 13).

Верхняя кривая соответствует механическим воздействиям на слух человека, граничащим с болевым восприятием интенсивности звуков соответствующей частоты. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости при указанных частотах. Видно, что чувствительность селективно меняется в зависимости от частоты звука в пределах от порога слышимости до порога болевого ощущения звука. Для каждой частоты существует определённые значения порога слышимости I 0 и болевого порога I Б .

1. Для звука частотой 100 Гц порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление составляют

,
,
,

а болевой порог, его уровень и максимальное звуковое давление –

,
,
;

на такой частоте равен

2. Частота звука 1000 Гц в физиологической акустике принимается как стандартная частота . Порог слышимости на стандартной частоте называют стандартным порогом слышимости . Стандартный порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление соответственно равны

,
,
.

Для звуков со стандартной частотой порог болевого ощущения , его уровень и максимальное звуковое давление имеют значения:

,
,
.

Динамический диапазоном слуха для стандартной частоты составляет

Примеры разности уровней силы звука стандартной частоты приведены в табл. 7.

Таблица 7.

При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение ушей. В целом желательно, чтобы рабочий диапазон уровня громкости, охватывающий все частоты, не превышал 100 - 110 дБ .

3. Чтобы услышать звук частотой 10 кГц потребуется источник звука, обеспечивающий порог слышимости, его уровень и минимальное звуковое давление:

,
,
,

Уши на этой частоте звука начнут болеть при значениях болевого порога, его уровня и максимальном звуковом давлении

,
,
.

Динамическим диапазоном слуха для такой частоты составляет

Замечание : Равным интервалам уровня громкости (звукового давления) соответствуют разные уровни силы звука (интенсивности). Поэтому для характеристики уровней громкости вводится единица – фон. Фон – разность уровней громкости двух звуков данной частоты, для которых звуки с частотой 1000 Гц , имеющие такую же громкость, отличаются по интенсивности на 10 дБ . Фоны отсчитываются от нуля, равного интенсивности порога слышимости. Для звуковых волн с частотой 1000 Гц уровень громкости звука совпадает с уровнем его интенсивности.

Более подробно кривые чувствительности I ( ) и L I ( ) даны на рис. 14.

Характеристики шума и его воздействие

Производственный шум характеризуется спектром, который состоит из звуковых волн разных частот.

При исследовании шумов обычно слышимый диапазон 16 Гц - 20 кГц разбивают на полосы частот и определяют звуковое давление, интенсивность или звуковую мощность, приходящиеся на каждую полосу.

Как правило, спектр шума характеризуется уровнями названных величин, распределенными по октавным полосам частот.

Полоса частот, верхняя граница которой превышает нижнюю в два раза, т.е. f2 = 2 f1 , называется октавой.

Для более детального исследования шумов иногда используются третьеоктавные полосы частот, для которых

f2 = 21/3 f1 = 1,26 f1 .

Основными параметрами, характеризующими звуковую волну, являются:

• · звуковое давление pзв, Па;
• · интенсивность звука I, Вт/м2.
• · длина звуковой волны l, м;
• · скорость распространения волны с, м/с;
• · частота колебаний f, Гц.

Октавная или третьеоктавная полоса обычно задается среднегеометрической частотой:

Проявление вредного воздействия шума на организм человека весьма разнообразно.

Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБА) на слух человека приводит к его частичной или полной потере. В зависимости от длительности и интенсивности воздействия шума происходит большее или меньшее снижение чувствительности органов слуха, выражающееся временным смещением порога слышимости, которое исчезает после окончания воздействия шума, а при большой длительности и (или) интенсивности шума происходят необратимые потери слуха (тугоухость), характеризуемые постоянным изменением порога слышимости.

Различают следующие степени потери слуха:

I степень (легкое снижение слуха) - потеря слуха в области речевых частот составляет 10 - 20 дБ, на частоте 4000 Гц - 20 - 60 дБ;

II степень (умеренное снижение слуха) - потеря слуха в области речевых частот составляет 21 - 30 дБ, на частоте 4000 Гц - 20 - 65 дБ;

III степень (значительное снижение слуха) - потеря слуха в области речевых частот составляет 31 дБ и более, на частоте 4000 Гц - 20 - 78 дБ.

Действие шума на организм человека не ограничивается воздействием на орган слуха. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения. Человек, подвергающийся воздействию интенсивного (более 80 дБ) шума, затрачивает в среднем на 10 - 20% больше физических и нервно-психических усилий, чтобы сохранить выработку, достигнутую им при уровне звука ниже 70 дБ(А). Установлено повышение на 10 - 15% общей заболеваемости рабочих шумных производств. Воздействие на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших уровнях звука (40 - 70 дБ(А). Из вегетативных реакций наиболее выраженным является нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышения артериального давления (при уровнях звука выше 85 дБА).

Воздействие шума на центральную нервную систему вызывает увеличение латентного (скрытого) периода зрительной моторной реакции, приводит к нарушению подвижности нервных процессов, изменению электроэнцефалографических показателей, нарушает биоэлектрическую активность головного мозга с проявлением общих функциональных изменений в организме (уже при шуме 50 - 60 дБА), существенно изменяет биопотенциалы мозга, их динамику, вызывает биохимические изменения в структурах головного мозга.

При импульсных и нерегулярных шумах степень воздействия шума повышается.

Изменения в функциональном состоянии центральной и вегетативной нервных систем наступают гораздо раньше и при меньших уровнях шума, чем снижение слуховой чувствительности.

В настоящее время "шумовая болезнь" характеризуется комплексом симптомов:

• -снижение слуховой чувствительности;
• -изменение функции пищеварения, выражающейся в понижении кислотности;
• -сердечно-сосудистая недостаточность;
• -нейроэндокринные расстройства.

Работающие в условиях длительного шумового воздействия испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение аппетита, боли в ушах и т.д. Воздействие шума может вызывать негативные изменения эмоционального состояния человека, вплоть до стрессовых. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Установлено, что при работах, требующих повышенного внимания, при увеличении уровня звука от 70 до 90 дБА производительность труда снижается на 20%.

Ультразвуки (свыше 20000 Гц) также являются причиной повреждения слуха, хотя человеческое ухо на них не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные клетки головного мозга и спинной мозг, вызывает жжение в наружном слуховом проходе и ощущение тошноты.

Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия акустических колебаний (менее 20 Гц). При достаточной интенсивности инфразвуки могут воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая слуховую восприимчивость и повышая усталость и раздражительность, и приводят к нарушению координации. Особую роль играют инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их совпадения с собственной частотой альфа - ритма головного мозга наблюдаются не только нарушения слуха, но и могут возникать внутренние кровотечения. Инфразвуки (6 - 8 Гц) могут привести к нарушению сердечной деятельности и кровообращения.