Каков диапазон воспринимаемых человеком звуковых давлений

Звуковое давление или что такое громкость

Звук – разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны.

Интенсивность звука – сила звука, средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени.

Громкость звука – субъективная величина слухового ощущения, которая зависит от интенсивности звука и его частоты. При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением интенсивности. При одинаковой интенсивности наибольшей громкостью обладают звуки в диапазоне частот 700-6000 Гц. Ну- левой уровень громкости звука соответствует звуковому давлению 20 мкПа и силе звука 10-12 Вт/м2 при частоте 1 кГц.

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Децибел – логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений, безразмерная носительная характеристика, позволяющая сравнивать между собой нужные величины:

Величина в децибелах = 10 lg (вычисляемая величина/опорная (базисная) величина).
Элементарные сведения о звуке

В звуке можно выделить следующие определяющие элементы: высота (высокий/низкий), интенсивность (слабый/сильный), тембр (мягкий, ясный и т.д.). Тембр определяемый гармониками, формирует слуховые ощущения, то есть, позволяет отличать один музыкальный инструмент или голос от другого. Скорость, с которой распространяется звук, строго связана с характером (природой) упругих сред. Далее мы будем рассматривать прохождение звука только через воздух. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с и меняется с изменением температуры. Для расчета скорости звука при различных температурах, используется следующая формула:

V – скорость звука в м/с
°C – температура воздуха в градусах Цельсия

Если частота звуковых колебаний находится между 20 и 20000 раз в секунду (Гц), то данные вибрации производят у человека слуховое ощущение. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, но практически слышимый диапазон находится в пределах от 100 Гц до 10 кГц (низкий мужской голос 400Гц, женское сопрано 9 кГц). Отношение скорости звука к его частоте есть расстояние, пройденное звуковой волной за один период, по другому называется длиной звуковой волны:

где
λ – длина волны
V – скорость звука, м/с
f – частота, Гц

Полный период колебания волны (звукового давления) состоит из полупериода сжатия (повышения давления) и последующего полупериода разряжения молекул воздуха (понижения давления). Звуки с большей амплитудой (громкие) вызывают более сильное сжатие и разряжение молекул воздуха, чем звуки с меньшей амплитудой (тихие).

В зависимости от контекста существует множество различных определений звука:

Звук – это упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Чтобы понять, как распространяются данные волны, дополним это определение:
Звук – это процесс последовательной передачи колебательного состояния в упругой среде.

В современной физике утвердился взгляд, при котором многие процессы отождествляют с энергией.

Звук – это разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны. Звук распространяется по волновым законам, следовательно, к нему применимы такие общие физические понятия, как интерференция и дифракция. Результатом интерференции может быть как усиление, так и уменьшение уровня звука, например, при сложении одного и того же сигнала, но с различной фазировкой. При расчете параметров звукового поля на открытых пространствах следует учитывать множество различных факторов, например, влажность, ветер, температуру, например, при высокой температуре звук распространяется вверх, а при низкой температуре – вниз.

Частотный и динамический диапазоны

На рис. 2.3 приведены частотные и динамические диапазоны различных звуковых источников. Из рисунка видно, что динамический диапазон человеческой речи лежит в пределах от 30 до 100 дБ. Уровень 30 дБ соответствует тихому разговору, 100 дБ сильному крику. Под порогом слышимости подразумевают минимальные значения звукового давления, при которых звук еще воспринимается человеком. Принято считать, что человек слышит сигналы от 1 до 130 дБ. Уровень 1 дБ называется порогом слышимости, 130 дБ – это болевой порог.

Рис. 2.3 Частотный и динамический диапазоны
различных звуковых источников
Уровень шума

Одним из наиболее важных параметров при расчете уровня звукового давления является уровень шума. Установлено, что человек способен (слышать) улавливать звуки с уровнем 1 дБ (20 мкПа, 10-12 Вт/м2), который называется порогом слышимости. Но это возможно только при хорошем слухе и в отсутствии шума. Так как в реальных условиях, шум всегда присутствует, то различить полезную (звуковую) информацию на фоне шума можно при условии, что уровень звука превышает уровень шума, как минимум на 3 дБ (в 2 раза). Для хорошей разборчивости данная разница должна состав-лять минимум 6 дБ (в 4 раза). В нормативной же документации данный запас составляет 15 дБ.

Рис. 2.4 Уровни шума для различных пространств
Анализ окружающей среды

Окружающая среда, в которой функционирует СОУЭ, должна рассматриваться как компонент системы. Тщательный анализ этой среды, является определяющим фактором в выборе элементов формируемой цепи. Для анализа окружающей среды наиболее часто используются два инструмента: измеритель уровня звука, которым оценивается окружающий уровень шума, и измеритель нелинейности, который показывает уровень искажения и деградации, которой подвергнут звуковой сигнал. Последний имеет передатчик и приемник, работающие с шифрованными сигналами (RASTI метод) для обеспечения величины разборчивости за несколько секунд с учетом реверберации окружающей среды. Данная величина характеризуется «индексом разборчивости» (между 0 и 1). Для объектов, специфика которых не критична с точки зрения акустики (торговые центры, офисы, дома) необходимость в применении более сложных измерителях отсутствует.

Реверберация

В акустике присутствует множество различных факторов, которые необходимо учитывать при выборе и расстановке звукового оборудования и микшерного пульта. Одним из таких факторов является реверберация. Звук в закрытых или открытых пространствах распространяется по разному. Стены комнаты отражают звуковые волны, тогда как на открытой площадке волны проходят практически без столкновений с какими-либо препятствиями. В закрытом пространстве за счет отражений уровень звука выше. В открытом пространстве звук распространяется практически по прямой. Прямой звук идентичен оригиналу по качеству и форме. Отраженный звук, наоборот, сильно зависит от отражающей способности места (после неопределенного числа отражений, достигает слушателя со всех сторон, и слушатель не может точно установить точку его происхождения). Распространение звука в этом случае происходит через первичные и вторичные отражения исходного звука от горизонтальных и вертикальных поверхностей помещения. Уровень отражения в большой степени зависит от характера стен, типа материала, из которого они сделаны, их гладкости, поглощающих свойств и изменения поглощения на раз-личных частотах. Мебель также может играть решающую роль в распространении звука – в зависимости от ее расстановки и поглощающей способности. Слушателю приходится воспринимать как прямой, так и отраженный звук. Время, с момента, в который звуковой источник прекращает излучать до момента, в который звук больше не воспринимается, определяется как время реверберации. Замечено, что любая среда характеризуется собственной «музыкальной окраской», связанной с распространением отраженных звуков и временем реверберации, которое и характеризует эту среду. Единственной переменной в уже существующей структуре остается мебель. Наилучшие результаты могут быть получены, когда принимается во внимание конструкция мебели, материал, из которого она сделана и ее расстановка в помещении.

Реверберация – это явление, которое возникает, когда слышен не прямой звук от источника, а отраженный от встречающихся на пути звуковой волны препятствий или помех различного характера. Для предотвращения нежелательного воздействия отраженного звука на прямой необходимо, чтобы последний, при задержке более чем на 50 мс, достигал слушателя уменьшенным не более чем на 10 дБ. Время реверберации пропорционально объему окружающего пространства и обратно пропорционально суммарному поглощению поверхностей, составляющих ее. Отраженный звук, который достигает уха слушателя через 40-50 мс после прямого, расценивается как усиление, окраска первоначального звука. Отраженные звуки, которые доходят с задержкой 50-80 мс, наоборот, искажают первоначальный сигнал и могут стать причиной потери разборчивости.

Общие сведения о звуковом давлении

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) – значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению Рspl = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. SPL измеряется в децибелах (дБ). Децибелы, в отличие от паскалей, чаще применяются на практике из-за большего удобства. Считается, что человек слышит в диапазоне 0-120 дБ (20 — 20000000 мкПа). В таблице 2.2 приведена зависимость между звуковым давлением в мкПа и уров-нем звука в дБ.

Звуковое давление (мкПа)	Уровень звука (дБ)
20	0
60	10
200	20
600	30
2.000	40
6.000	50
20.000	60
60.000	70
200.000	80
600.000	90
2.000.000	100
6.000.000	110
20.000.000	120

Зависимость уровня звукового давления от подводимой мощности

Слух, как и другие человеческие ощущения, воспринимает воздействие по логарифмическому закону (см. рис. 2.6). Для того чтобы удвоить звуковое давление, не достаточно удваивать число источников звука или электрическую мощность громкоговорителей, а необходимо удесятерять. Увеличение акустического давления может быть получено установкой нескольких громкоговорителей, расположенных близко друг к другу и ориентированных в одном направлении или при каждом удвоении мощности громкоговорителей, в любом случае, увеличение (или уменьшение) акустического давления будет ±3 дБ (в дальнейшем мы сформируем более точное правило). Для построения зависимости уровня звукового давления от подводимой мощности обратимся к теории. Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, называемое интенсивностью звука.

Интенсивность – это поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, прошедший через единицу поверхности (1 м2), являющейся нормалью к направлению распространения звуковой волны (измеряется в Вт/м2). Интенсивность иначе называют силой звука. Интенсивность определяет громкость звука, которую мы слышим. Мы не можем померить ее непосредственно (особенно в закрытых помещениях), поэтому на практике данную величину связывают с мощностью источника логарифмическим соотношением:

где
I – уровень интенсивности звука (дБ)
J – интенсивность исследуемого звука (Вт/м2)

Слуховой аппарат и многие измерительные приборы чувствительны не к самой интенсивности звука, а к среднему квадрату звукового давления, поэтому на практике используется не интенсивность, а величина называемая уровень звукового давления (SPL), которую принято связывать с мощностью источника звука в ваттах.

P д Б = 10 lg (Pвт / Pоп)
где
РдБ – зависимость уровня звукового давления (дБ), от мощности источника звука (Вт)
Рвт – мощность источника звука (Вт)
Роп – опорное значение мощности (Вт)

На практике значение Роп принимают равным 1 Вт, следовательно, формулу можно представить следующим образом:

PдБ = 10 lg (Pвт)

Данная формула очень актуальна и на техническом сленге называется пересчет ватт в децибелы. Графически данная зависимость представлена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 Зависимость изменения звукового давления от мощности

Интерпретацию данной зависимости называют правилом трех децибел: каждое удвоение мощности источника звука увеличивает его звуковое давление на 3 дБ .

Зависимость звукового давления от расстояния

По мере удаления расчетной точки (слушателя) от звукового источника, звуковое давление в этой точке, уменьшается по логарифмическому закону.

P = 20 lg (L)
где
Р – звуковое давление (дБ)
L – расстояние от источника звука до расчетной точки (м)

Интерпретацию данной зависимости называют правилом шести децибел: при каждом удвоении удаления от источника звука звуковое давление уменьшается на 6 дБ .

Основные характеристики слуха человека

Порогом слуха человека называют минимальный уровень звука, который человек может воспринять. Эта характеристика является одной из основных.

От порога слуха зависит слуховая чувствительность: чем ниже порог слуха, тем выше слуховая чувствительность, и наоборот. Диапазон наибольшей чувствительности звука – от 1000 до 4000 Гц. Именно в этом промежутке находится информация о речевых сигналах. Пороги слуха на частоте 200 Гц выше на 35 дБ, а на 100 Гц — на 60 дБ, чем пороги слуха на частоте 1000 Гц.

Нормой считается порог слуха от -10 дБ до +10 дБ. В случаях нарушения слуха пороги могут быть разными – от 20 до 120 дБ.

Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева

Порог дискомфорта

Порогом дискомфорта называется уровень звука, вызывающий у человека неприятные ощущения. Нормой считается 100-110 дБ, и зависит она не только от состояния органа слуха, но и от возбудимости нервной системы в целом. У пациентов с нарушениями слуха порог дискомфорта, как правило, больше 110 дБ. Однако, у многих людей с сенсоневральной тугоухостью пороги дискомфорта такие же, как и у людей с нормальным слухом либо ниже – это явление называется рекруитмент, или «феномен усиленного нарастания громкости».

Болевой порог

Болевые ощущения в органе слуха, как правило, вызывает звук, составляющий 130-140 дБ. Кроме того, следует различать порог осязания и болевой порог – в первом случае человек чувствует только давление на барабанную перепонку (130 дБ), во втором – уже болевые ощущения (140 дБ). Порог дискомфорта людей с нарушениями слуха может отличаться от нормы, но болевой порог у всех всегда одинаковый.

Частотный диапазон слуха

Нормой для человека считается способность воспринимать звуки в частотном диапазоне от 20 до 20000 Гц. Звуки, частота которых выше 20000 Гц, называются ультразвуки, ниже 20 Гц – инфразвуки. Человек может воспринять ультразвук только если его источник приложить к костям черепа – это свойство иногда используется при диагностике нарушений слуха.

Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева

Подходя к исследованию слуха, звуковой частотный диапазон принято условно делить:

на низкие частоты — до 500 Гц;

на средние частоты — 500—3000 Гц;

на высокие частоты — 3000–8000 Гц;

на сверхвысокие частоты — выше 8000 Гц

Динамический диапазон слуха

Динамическим диапазоном слуха называется совокупность уровней звука, которые человек способен воспринимать, в норме это 130 дБ. Разница между самым тихим и самым громким звуком, воспринимаемым человеческим ухом (до осязаемых или болевых порогов), велика – последний выше примерно в 10 13 раз.

В аудиологии динамическим диапазоном слуха именуют диапазон от порога слуха человека до порога его дискомфорта.

Как динамический, так и частотный диапазон у людей с нарушениями слуха может отличаться от нормы.

Дифференциальный порог слуха

Минимальные различия по частоте, интенсивности или длительности звука, воспринимаемые человеческим слухом, называются дифференциальным порогом слуха.

Именно способность обнаруживать минимальные различия между звуками позволяет нам воспринимать речь. Интенсивность и частота дифференциального порога слуха зависит от длительности, уровня и частоты звука. Нормой для человека считается 1–1,5 дБ по интенсивности на частотах 500–4000 Гц при уровне звука 40 дБ.

Причина плохого восприятия речи людьми с нарушениями слуха кроется в увеличении у них дифференциального порога слуха – они просто перестают воспринимать мелкие различия между речевыми звуками.

Бинауральный слух

Способность человека воспринимать звук двумя ушами и обрабатывать поступившие сигналы в соответствующих симметричных слуховых центрах мозга называется бинауральным слухом. Данное свойство обеспечивает так называемый процесс бинаурального слияния – это когда различные по своим характеристикам звуки, поступающие в правое и левое уши человека, воспринимаются слуховой системой человека как единый и цельный слуховой образ. Кроме того, благодаря сравнению звуков, поступающих в правое и левое ухо, слуховая система определяет, где находится источник звука.

Именно бинауральный слух позволяет нам воспринимать речь в шумных условиях – происходит так называемый эффект «бинаурального освобождения от маскировки».

Источник: введение в аудиологию и слухопротезирование И.В. Королева

Слуховая адаптация

Как и остальные сенсорные системы организма человека, слуховая система способна адаптироваться ко внешним условиям. Это проявляется во временном понижении чувствительности за счёт повышения порогов слуха в случаях излишнего звукового воздействия. Благодаря этой способности слуховая система защищает себя от повреждений.

Порог слуха повышается от любого воздействия звука, превышающего этот порог на 10-20 дБ. В случаях кратковременного воздействия звука не выше 80-90 дБ и повышение порога будет кратковременным. При более интенсивном воздействии и повышение порогов слуха будет длиться дольше – до нескольких минут. После прекращения звукового воздействия пороги слуха постепенно возвращаются в исходное состояние.

Янмаева Ольга Анатольевна

Специалист по подбору и настройке цифровых слуховых аппаратов, специалист по слуху «Аудионика»

ФИЗИЧЕСКАЯ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ШУМА

В основе зарождения всякого звука лежит механическое колебание какого-либо упругого тела. Частицы воздуха в слое, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющегося тела, приходят в состояние ритмического сгущения и разряжения. Эти колебания вследствие упругости воздуха передаются соседним частицам. Так возникают звуковые волны, распространяющиеся в воздухе.

Под термином «шум» подразумевают всякое беспорядочное смещение звуков различной силы и высоты.

Шум принято характеризовать как с физической, так и с физиологической точки зрения.

К физической характеристике шума относятся уровни звукового давления и распределение их по частотам (спектр шума).

Цифры, в которых выражается весь огромный диапазон звуковых давлений, от едва слышимых до оглушительных звуков, колеблются в огромных пределах. Поэтому принято их выражать не в абсолютных, а в относительных единицах. Благодаря применению особой логарифмической шкалы уровней звукового давления все практически встречаемые в природе и в жизни человека шумы укладываются в 130-140 единиц этой шкалы. Шкала составлена таким образом, что переход с одного ее деления на другое соответствует изменению звукового давления не на число единиц, а в определенное число раз.

Логарифмическая единица отношений звуковых давлений (или каждая ступень такой логарифмической шкалы) соответствует изменению звукового давления в 10 раз. Она получила название бел. Было более удобно разделить бел на 10 равных частей, назвав их децибелами, которые и нашли широкое применение в практике.

За 0 дб шкалы принято пороговое звуковое давление. Звуковое давление 130-140 дб соответствует порогу болевого ощущения. Ухо способно различать усиление шума на 1 дб.

Таким образом, уровень звукового давления шума – особая логарифмическая единица, выражаемая в децибелах (дб). В качестве примера можно указать, что шепот на расстоянии 1 м равен 30 дб, разговор средней громкости – 60-70 дб, шум вблизи работающего авиамотора 130-140 дб.

Суммировать арифметически уровни звукового давления нельзя. При наличии большого числа источников с различными уровнями шума общий уровень шума в помещении будет в основном определяться источником, создающим наибольший уровень, а при резком повышении одного источника (на 15-20 дб) над другим общий уровень шума будет практически определяться этим источником.

Другой важнейшей физической характеристикой шума является распределение уровней звукового давления по частотам, которое характеризуется спектром шума.

Частота звука определяется числом колебаний в секунду и измеряется в герцах. Уличные шумы и шумы в жилых домах имеют обычно широкий спектр, т. е. уровни звукового давления распределяются в. диапазоне частот от 50 до 5000-10 000 гц. Диапазон слышимых частот лежит в пределах от 25-30 до 15 000-23 000 гц. В зависимости от частоты звуки разделяются на низкие 30–300–400 гц, средние –400–800–1000 гц, высокие свыше 1000-2000 гц. Шумы, имеющие в своем спектре преобладание по уровню звукового давления тех или иных частот, относятся соответственно к низкочастотным, среднечастотным или высокочастотным.

Существенное значение для характеристики шума имеет его продолжительность действия. Шумы или звуки, переменные по уровню или прерывающиеся по времени, называются нестационарными, или прерывистыми; постоянные по уровню в течение рабочего дня, в течение ночи и т. п. относятся к стационарным непрерывистым шумам.

Физиологическая характеристика шума определяется воздействием его на организм человека.

Звуковые раздражения воспринимаются слуховым анализатором, который обладает необычайной чувствительностью, так как способен воспринимать звуки в миллион раз по интенсивности меньшие, чем обычная человеческая речь.

Человек различает звуки по высоте (частоте), громкости, тембру, а также может определить направление и расстояние от источника звука.

Субъективное восприятие звука или шума зависит не только от уровня звукового давления, но также в значительной мере от частоты звука и от индивидуальных особенностей человека. Относительно более громкими и раздражающими звуками, шумами будут те, которые имеют в своем составе более высокую частоту при том же уровне звукового давления. Например, звук в 1000 гц при уровне 60 дб равен по громкости звуку в 50 гц и уровню 100 дб, а также звуку 5000 гц и уровню 50 дб.

МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ШУМА И ПРИБОРЫ

Для измерения уровней звукового давления и частотного состава шума используются шумомеры и анализаторы частот различных типов.

В настоящее время из отечественной аппаратуры для этой цели могут быть использованы: шумомер Ш-63 и присоединенный к нему октавный полосовой фильтр ПФ-1 или шумомер.с 7з октавным анализатором ЛИОТ и др.

Объективный шумомер состоит из микрофона-приемника звука, усилительного устройства, аттенюатора и регистрирующего прибора (рис. 8). Им можно измерять общие (суммарные) уровни шума в диапазоне 30-140 дб.

Рис. 8. Объективный прибор для измерения шума – шумомер Ш-63.

Для измерений спектрального состава шума применяются специальные приборы, называемые анализаторами звука. Чаще всего применяются октавные анализаторы, позволяющие измерять уровни звукового давления в октавных полосах 1 .

В табл. 52 приводится наиболее часто-применяемый ряд октавных полос.

Основной ряд октавных полос шума в гц

Для измерения постоянного (стационарного) шума производят замеры уровней шума шумомером в течение 5-10 минут, за это время берется несколько отсчетов показаний стрелки прибора.

В помещении шум измеряется посередине комнаты на уровне 1-1,5 м от пола при отсутствии посторонних людей отдельно при открытом и закрытом окне. Нестационарный шум (например, уличный) измеряется более длительное время несколько раз в сутки (утром, днем, вечером, ночью).

Из всех показаний находят минимальное, максимальное значения и вычисляют средний уровень шума. При характеристике источника шума ориентируются на максимальные значения. Полученные уровни шума выражаются в дб или в дбА (в зависимости от частотной коррекции, на которой производились замеры С или А). Замеры уличных, квартальных шумов производят на уровне 1-1,5 м на расстоянии 7 м от источника и не ближе 1,5–2 м от какого-либо препятствия (стены здания).

При проведении измерений шума необходимо следить по шумомеру, чтобы собственный шум в месте измерений обязательно был на 8-10 дб меньше измеряемого шума. Это достигается проведением измерений уровней звукового давления при выключенном и работающем источнике шума. Если разница между измеряемым шумом и собственным шумом (фоном) меньше 8-10 дб, в результаты должны вноситься поправки в соответствии с табл. 53.

Поправки, вносимые в результаты при наличии разницы
между измеряемым и собственным шумом

1 Октавная полоса – это полоса, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте (например. 75–150, 150–300 гц и т. д.).

ДЕЙСТВИЕ ШУМА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Действуя через орган слуха, шум оказывает влияние как непосредственно на слуховой анализатор, так и на другие органы и системы, в том числе на центральную нервную систему.

Исследованиями доказано, что высокочастотный производственный шум уровнем выше 80 дб неблагоприятно действует в первую очередь на центральную нервную систему, затем на орган слуха, на сердечно-сосудистую, пищеварительную и другие системы и органы человека, вызывая различные их заболевания. Шум снижает производительность труда, способствует развитию травматизма. Преодоление действия шума требует большого напряжения со стороны нервной системы, что приводит к переутомлению ее, истощению. У рабочих шумных профессий обнаруживаются выраженные расстройства со стороны нервной системы, что проявляется головной болью, раздражительностью, повышенной утомляемостью, подавленным настроением; объективно появляются неврозы, неврастенические и психастенические состояния.

Уличный и жилищно-бытовой шумы имеют более низкие уровни и другой спектральный состав. Но ввиду длительного постоянного характера действия он также небезразличен для здоровья населения.

Шум оказывает на человека как психологическое, так и чисто физическое воздействие. Психологическое раздражающее влияние шума малых и средних уровней связано с воздействием его на центральную нервную систему.

Влияние шума на людей может быть выявлено двумя способами:

1. субъективно: путем опроса об ощущении раздражающего действия шума;

2. объективно: физиологическими исследованиями действия шума на различные системы человека.

Изучение влияния уличного и жилищно-бытового шума в основном проводится путем опроса и анализа жалоб населения, при этом шум оценивается в той мере, в какой он мешает или вызывает раздражение. Реакция на шум – это восприятие шума, сопровождаемое известным к нему отношением или действием. Индивидуальная реакция на шум вполне определенна, гораздо труднее предсказать реакцию коллектива на тот или иной вид шума.

При возникновении жалоб уровень шума играет решающую роль. Однако имеет значение частотный состав шума, продолжительность шума, его прерывистость, превышение привычного шумового фона.

Шум служит источником внешнего торможения, оказывает отвлекающее’ действие, вызывает замедление скорости психических реакций, ухудшает память.

Шум в быту мешает отдыху, восстановлению функциональной деятельности организма. Особое значение при этом приобретает ночной покой.

Уровни городского шума достигают в настоящее время величин, представляющих опасность для здоровья населения. Установлена связь между возрастающим уровнем шума в городах и увеличением числа больных, страдающих расстройством нервной системы.

Есть сведения, указывающие на определенное значение городского шума в патогенезе развития гипертонической болезни.

ИСТОЧНИКИ ШУМА В ГОРОДЕ И В ЖИЛЫХ ДОМАХ

Уличный шум

Основным источником внешнего шума является наземный транспорт: легковые, пассажирские, грузовые автомашины, трамваи, железнодорожный транспорт и в ряде случаев воздушный транспорт – самолеты. Шум промышленных предприятий, а также встроенные предприятия, размещенные в жилых домах, являются серьезным источником шума. Каждый источник шума создает шум с разным уровнем звукового давления и с разной частотой и направленностью звука.

Уровень шума от любого источника, находящегося на открытом воздухе, убывает с увеличением расстояния от источника (на 3-6 дб при каждом удвоении расстояния). При наличии каких-либо препятствий на пути распространения звука к энергии прямой звуковой волны прибавляется энергия отраженных звуковых волн, увеличивая тем самым общий уровень шума. Между тем за препятствием, вследствие образования звуковой тени, будет значительно тише.

Населенный пункт представляет собой сложное препятствие для звуковых волн. Здесь звук распространяется главным образом вдоль улиц и среди свободных пространств жилых кварталов. Вся система застройки города способствует многократному отражению звуковых волн и тем самым увеличению интенсивности городского шума. Особенно это заметно на узких улицах, представляющих канал, застроенный по обеим сторонам высокими каменными домами.

Основной особенностью уличного шума является его нестационарный характер – величины шума сильно меняются как в течение суток, так и за короткие промежутки времени. Спектральный состав шума более постоянен. Уличный шум, как правило, имеет низкочастотный характер, т. е. максимум энергии приходится на область длинных частот от 50 до 250 гц. Такой шум за счет преобладания в спектре частот с большой длиной звуковых волн мало затухает с удалением от источника шума, способен распространяться на далекие расстояния, легко огибая любые препятствия на своем пути за счет явления дифракции (огибания).

Источником шума в жилом районе может служить промышленное предприятие, тогда шум будет стационарным, т. е. постоянным по силе и спектру, а спектр шума отличается от спектра уличного шума. Спектр может быть средне- и высокочастотным, что усугубляет его вреднее воздействие на население.

Уровни звукового давления на улицах зависят от назначения улицы, характера движения транспорта, профиля улицы, плотности и высоты застройки, элементов благоустройства.

Так, на московских городских магистральных улицах по средним данным шум достигает 80-85 дб в дневное время, максимальный уровень зарегистрирован в 115-117 дб. Ночью шум не падает ниже 72 дб.

На улицах районного значения шум также высок. Он колеблется в дневное время на различных проездах в среднем от 74 до 83 дб, ночью – от 60 до 70 дб. В ночное время общие уровни звукового давления в среднем на 10 дб меньше дневных.

На улицах местного движения уровни шума приближаются к величинам шума на территории жилого квартала и составляют около 60-70 дб. Таким образом, по шумности улицы большого города можно разделить на три группы (табл. 54).

Средний уровень звукового давления шумности улиц города

Основным источником городского шума служит транспорт. Наиболее шумными видами транспорта являются тяжелые дизельные грузовые автомашины типа ЯАЗ и МАЗ, затем следуют 3–4-тонные грузовые автомашины ЗИЛ-150, ГАЗ-51 и трамваи.

В табл. 55 приводятся средние уровни шума от отдельных видов городского транспорта, измеренные на расстоянии 7 м от оси движения при скорости движения 40–50 км/час.

Уровни звукового давления, производимого
отдельными видами городского транспорта

Транспортные шумы зависят от технического состояния и исправности отдельных частей и деталей машин. Установлено, что разница, в уровнях шумов для отдельных видов транспорта одного типа в зависимости от технического состояния достигает 10 дб.

Большое влияние на уровень уличного шума оказывает характер дорожных покрытий. Наиболее бесшумным видом покрытий является асфальт. Но во многих городах остались еще брусчатые, булыжные и другие виды мостовых. Так, брусчатое покрытие увеличивает шум до 10 дб, булыжное – до 15 дб.

Существенное значение в создании уличного шумового режима имеет ширина улицы. Увеличение ширины улицы с 20 до 40 м снижает общий уровень шума на 4-6 дб.

Оказывает некоторое влияние этажность и характер застройки. Так, увеличение этажности с 2-3 этажей до 5-7 повышает средний уровень уличного шума на 4-5 дб при прочих равных условиях. Сплошная застройка без разрывов способствует концентрации звуковой энергии – шум возрастает на 4 дб.

Одним из наиболее простых и экономичных решении, способствующих уменьшению шума от уличного движения, является правильное расположение зданий по отношению к улице.

Уличный шум уменьшается с удалением от проезжей части улицы. Так, при удалении от источника на 10 м шум снижается на 2-4 дб, на 20 м – на 4-6 дб, на 40 м – на 7-9 дб. Поэтому жилые дома необходимо относить от проезжей части не менее чем на 30 м.

Наличие зеленых насаждений перед зданиями способствует еще большему снижению шума.

Лиственная поверхность деревьев обладает большой звукоотражательной способностью. Зелень играет роль экрана. Кроны деревьев отражают до 74% падающей на них звуковой энергии. Кроме того, лиственный покров способен поглощать звуки, особенно густые кроны деревьев и кустарника. Зеленые полосы шириной 10–30 м снижают шум на 6–12 дб, причем необходимо отметить, что зеленые насаждения в первую очередь снижают высокочастотные компоненты шума, благодаря чему смягчают действие уличного шума.

Посадка деревьев в один ряд не дает существенного эффекта в ослаблении шума. Доказано, что наиболее эффективной в отношении снижения шума является полоса зеленых насаждений в 20–25 м. Защитные полосы целесообразно делать не сплошь, а расчленять разрывами.

Большое значение в борьбе с уличным шумом может иметь правильное расположение бульваров вдоль фронта жилых домов.

Квартальный шум

Возникнув на улице, шум через арки, разрывы между домами, обогнув здания, проникает в жилой квартал.

Планировка и застройка квартала, микрорайона тесно связана с шумовым режимом. От планировочного решения квартала, микрорайона зависит размещение тех или иных источников шума, характерных для селитебной зоны города (грузовые площадки магазинов, физкультурные и детские игровые площадки, мусоросборники, гаражи для индивидуальных автомашин, местные проезды и т. д.).

Расположение зданий в квартале, т. е. приемы застройки, оказывает существенное влияние на проникновение звуковых волн с улицы во дворы квартала, с участков коммунально-хозяйственного назначения, а также игровых площадок на территорию квартала и в жилые помещения.

Так, расположение зданий по периметру квартала служит экраном на пути распространения уличных звуковых волн. За зданиями шум уменьшается на 10 дб. За арками и разрывами уровни звукового давления повышаются, причем через разрывы проникает больше звуковой энергии.

Если рассматривать кварталы по типам планировки, то получим следующую картину.

Квартал со свободной застройкой имеет наиболее благоприятный шумовой фактор. Средний уровень шума за сутки равен 60 дб.

В квартале со строчной застройкой средний суточный уровень шума составляет 63 дб. В квартале с периметральной застройкой среднесуточный уровень выше – 66 дб. В кварталах с периметрально-замкнутой (блочной) застройкой создаются наихудшие с точки зрения шумового режима условия. Хотя со стороны улицы территория защищена экранирующими зданиями, внутри блока происходит повышение уровня звука за счет его многократного отражения от стен зданий. Средний уровень шума за сутки в блоке равен 69 дб.

Уровни звукового давления в кварталах резко колеблются в течение суток. Так, максимальные уровни достигают 80-90 дб, минимальные уровни в ночное время не падают ниже 50 дб.

Не менее важную роль в шумовом режиме квартала оказывает место расположения его в плане города. При размещении квартала на городских магистралях средние уровни шума в нем будут самые высокие – около 72 дб. В квартале, находящемся на магистрали районного значения, средний уровень шума равен 69 дб. В квартале, прилегающем к улице местного движения, уровень звукового давления самый низкий – 60 дб.

Собственный внутриквартальный шум, связанный с деятельностью населения, в среднем равен 60-65 дб. Однако отдельные источники шума дают более высокие уровни. Так, разгрузка товаров и погрузка тары у магазинов сопровождаются шумом до 84 дб, работа мусороуборочной машины – до 88 дб. Детские и спортивные площадки создают уровни шума до 95 дб (табл. 56).

Уровни внутриквартальных источников шума

Из табл. 56 видно, что внутриквартальные источники шума создают весьма высокие уровни шума. Желательно в квартале все обслуживающие учреждения выносить в отдельную хозяйственную зону и отграничивать ее от зоны жилых домов.

Большое значение имеет озеленение территории кварталов. Зеленые насаждения надо располагать в разрывах между зданиями, ограждать ими источники внутриквартального шума.

Квартирный шум

Наибольшее значение имеют уровни шума, создающиеся в жилых домах, так как в условиях дома человек проводит большую часть своего времени.

Шум жилых помещений складывается из проникающего уличного, квартального шума, шума санитарно-технического и инженерного оборудования, домового и собственного внутриквартирного шума. Преобладание того или иного вида шума в квартире зависит от места положения ее, планировки дома и квартиры, характера заселения, от звукоизоляции ограждающих конструкций, правильности установки оборудования и т. д.

Однако основным видом шума в большинстве домов является проникающий уличный шум, который достигает очень высоких уровней. В квартирах, обращенных окнами на улицу, при открытых окнах уровни шума находятся в пределах 56-90 дб. В квартирах, ориентированных окнами во двор, шум меньше только на 10 дб. Уровни шума внутриквартирных источников приводятся в табл. 57.

Уровни звукового давления внутриквартирных шумов

В жилых домах шумы передаются различными путями. Одним из возможных путей распространения звуков являются всякого рода неплотности, трещины, образующиеся в местах сопряжения сборных деталей современного жилого здания или в местах соединения различных элементов ограждающих конструкций (перегородок со стенами и междуэтажными перекрытиями, дверей с обвязками и полом и т. д.).

Чаще всего шумы проникают в жилые помещения через перегородки, междуэтажные перекрытия, окна из-за их небольшой звукоизоляции. Звукоизоляция тем меньше, чем легче ограждения.

Звуки низких частот передаются через ограждения менее ослабленными, чем высоких частот.

Не менее важным является передача звуков непосредственно по конструкциям. Интенсивность передачи звуков зависит от затухания звука в материалах, из которых эти конструкции сделаны. Чем плотнее материал, тем скорее и интенсивнее передаются по нему звуки.

Большой звукопроводностью обладает сталь и железобетонные конструкции, широко применяемые в современном строительстве.

Источниками шума могут быть установки кондиционирования воздуха, вентиляторные и насосные установки, водопроводные и канализационные сети, мусоропроводы, лифты и т.д.

Для примера можно привести средние значения уровней звукового давления от отдельных источников шума в жилых зданиях

Шумы от источников могут распространяться следующими путями: непосредственно по воздуху, по воздуховодам, через ограждения, отделяющие шумные помещения от менее шумных (через стенки воздуховодов, через ограждающие конструкции зданий и т.д.), по материалу конструкций, приводимых в колебания (стенки трубопроводов, ограждающие конструкции, и т.п.).

Соответственно путям распространения борьба с шумом должна проводиться разными способами: при передаче по воздуху – шумоглушением за счет применения звукопоглощающих облицовок воздуховодов или специальных глушителей шума; при передаче через ограждения – звукоизоляцией путем применения тяжелых и плотных материалов; при передаче по материалу – виброизоляцией или вибропоглощением упругими материалами с большим внутренним трением.

ОСНОВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО БОРЬБЕ С УЛИЧНЫМ
И ЖИЛИЩНО-БЫТОВЫМ ШУМОМ И НОРМАТИВНЫЕ ДОКУМЕНТЫ

Для оценки шумового режима в жилых квартирах необходимо пользоваться «Санитарными нормами допустимого шума в жилых домах и на территории жилой застройки» № 535-65.

Ввиду того что влияние шума на человека зависит как от уровней шума, так и от его частотного состава, нормы устанавливают допустимые уровни звукового давления для различных октавных полос со средними частотами в диапазоне 63-8000 гц. Уровни шума, проникающие в жилые помещения, не должны превышать предельных значений показанных на графике нормы (рис. 9).

В связи с тем что в ночное время собственный шумовой фон помещений значительно ниже дневного и население более чувствительно к превышению этого фона, в нормах для ночного времени устанавливаются более жесткие требования. Уровни проникающего шума в ночное время не должны превышать уровней предельного спектра ПС-25, в дневное время – ПС-35*.

Для шумов, проникающих в жилые помещения с улицы, нормы устанавливают более высокие значения. Это объясняется тем, что в настоящее время технически трудно бороться с транспортными шумами.

Шум, проникающий в жилые помещения, окна которых выходят на районную магистраль, не должен превышать уровней, соответствующих ПС-30 в ночное время и ПС-40 в дневное время. Для помещений, окна которых выходят на городскую магистраль, эти величины не должны превышать ПС-35 в ночное время и ПС-45 в дневное время.

* ПС обозначает предельный спектр с уровнем звукового давления 25 дб или 35 дб в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 гц.

Для характеристики уровней шума в квартире измеренные октавные уровни наносятся на график (рис. 9) и соединяются прямыми линиями. Оценкой шума является индекс соответствующего предельного спектра, расположенный над измеренными уровнями и не пересекающийся с измеренным спектром.

Рис. 9. Допустимые уровни шума в октавных полосах.

Учитывая, что в настоящее время приборов, позволяющих проводить анализ шума, имеется недостаточное количество, нормы

допускают производить ориентировочную оценку шума по суммарным уровням, измеренным на шкале А коррекции частотной характеристики шумомера в единицах «децибелы А».

Нормы устанавливают для ночного времени предельно допустимый уровень шума 30 дбА и для дневного времени 40 дбА. К этим величинам, в зависимости от расположения квартир домов по отношению к улицам, вводятся соответствующие поправки (5 дб прибавляется при ориентации жилого дома на районную магистраль и 10 дб – при ориентации на городскую магистраль).

Допустимые уровни шума на территории квартала вблизи жилых домов не должны превышать 50 дбА в дневное время.

Обеспечение допустимых уровней шума должно контролироваться санитарными органами в порядке предупредительного надзора при рассмотрении проектной документации строительства и реконструкции, при приемке и эксплуатации зданий, а также в порядке текущего санитарного надзора при плановых обследованиях и расследованиях жалоб населения.

Органы государственного санитарного надзора обязаны осуществлять контроль по выявлению источников с недопустимыми уровнями шумов. Контроль шумового режима должен проводиться на участках городской территории и в помещениях зданий, для которых установлены санитарные нормы допустимых уровней шума. Задачей санитарного контроля за шумовым режимом является установление случаев нарушения санитарных норм, предъявление требований по устранению этих нарушений и контроль за выполнением мероприятий, направленных на устранение высоких уровней шума.

Все мероприятия по борьбе с шумом могут быть разделены на технические, архитектурно-планировочные, административно-организационные и воспитательную работы среди населения.

Основные среди них следующие:

1. Наиболее действенными средствами борьбы с уличными и жилищно-бытовыми шумами является осуществление технических мероприятий в отношении снижения шума в самом источнике и планировочных мероприятий, направленных на уменьшение распространения шума.

2. Большое внимание должно быть уделено правильной организации системы городских дорог и улиц, четкому разделению транспортных магистралей – скоростных городских дорог, общегородских и районных магистральных улиц. Скоростные дороги, общегородские магистральные улицы должны ограниченно застраиваться жилыми зданиями и иметь профиль и благоустройство, способствующее снижению шума от транспорта, а именно: отступ жилой застройки, полосы зеленых насаждений; по улицам этого рода рекомендуется размещать экранирующие шум административно-вспомогательные учреждения.

На городских магистралях должны быть полосы зеленых насаждений шириной не менее 20 м между проезжей частью улицы и линией застройки или широкие бульвары.

Значительное место в снижении уличного шума должно занять осуществление технических и организационных мероприятий в отношении механического транспорта (введение эффективных глушителей шума на автомашинах, контроль за исправным состоянием автомашин и креплением предметов перевозки, запрещение звуковых сигналов и пр.).

3. Для застройки микрорайонов и кварталов наиболее целесообразна по условиям распространения звуковых волн свободная и строчная застройка.

Выделение обслуживающих и хозяйственных учреждений в отдельную зону и расположение ее на периферии квартала, с одной стороны, будет экранировать внешние уличные шумы, с другой – резко сократит количество виутриквартальных источников шума, что даст значительный противошумовой эффект.

Следует отказаться от встроенных в жилые дома учреждений, создающих шум и беспокоящих население.

Детские площадки должны быть изолированы от жилых домов и мест тихого отдыха взрослых зелеными насаждениями. Территория жилого квартала должна быть интенсивно озеленена не менее чем на 50%, а асфальтовые покрытия сведены до необходимого минимума.

4. Для снижения шума в квартирах должны осуществляться мероприятия планировочного и технического порядка.

а) Внутренняя планировка жилого дома должна обеспечивать группировку шумных помещений в один комплекс, удаленный от жилых комнат. Не должно допускаться примыкание кухонь, санузлов, лестничных клеток к жилым комнатам. Для жилых домов, стоящих фронтально на магистральных улицах, следует применять жилые секции с двусторонней ориентацией квартир, Тогда шумные обслуживающие и вспомогательные помещения могут быть обращены на улицу, а тихие жилые комнаты – ориентированы на дворовый фасад.

б) Технические мероприятия по борьбе с внутридомовыми шумами должны предусматривать применение малошумного санитарно- технического и инженерного оборудования и специальных звукоизоляционных устройств для лифтов, входных дверей, вентиляторов и т. д.

в) Хорошая звукоизоляция между помещениями зданий в первую очередь достигается правильным выбором типов ограждений помещений, обеспечивающих нормативную звукоизоляцию, согласно требованиям СНЙП П-В-6. 1962.

г) Важнейшую роль для обеспечения звукоизоляции играет качество производства строительных работ. Следует учитывать, что даже незначительные волосяные щели и неплотности в конструкциях резко снижают их звукоизоляцию.

В помощь санитарным работникам Госсанинспекцией СССР изданы в 1961 г. «Методические указания по применению санитарных норм допустимых уровней шума в жилых домах и по борьбе с бытовыми уличными шумами», а также «Методические указания по осуществлению государственного надзора за мероприятиями по борьбе с бытовыми шумами и вибрациями» в 1963 г. В этих указаниях более подробно разбираются вопросы по устранению шума от отдельных источников его возникновения.

«Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий» СН 245-63 дают рекомендации по допустимым уровням шума от промышленных предприятий в населенных местах.

При осуществлении предупредительного и текущего санитарного надзора рекомендуется руководствоваться следующими нормативными документами.

1. «Санитарные нормы допустимого шума в жилых домах и на территории жилой застройки» № 535-65 утверждены Госсанинспекцией СССР 26 июня 1965 г.

2. Строительные нормы и правила П-В-6. 1962.

3. «Технические условия проектирования лифтов и лифтовых установок» СН 45-59 утверждены Госстроем СССР 7 февраля 1959 г.

4. СНИП, глава: «Планировка и застройка населенных мест. Нормы проектирования». П-К.2-62. Утверждены Госстроем СССР 7 мая 1966 г.

5. «Временные санитарные нормы по ограничению шума на производстве» № 205-56 утверждены Госсанинспекцией СССР 9 февраля 1956 г,

6. «Санитарные нормы проектирования промышленных предприятий» СН 245-63 утверждены Госкомитетом по делам строительства СССР 5 июня 1963 г.

7. «Временные санитарные нормы и правила по ограничению шума на подвижном составе железнодорожного транспорта» № 276-1958 утверждены Госсанинспекцией СССР 20 декабря 1958 г.

8. «Методические указания по применению «Санитарных норм допустимых уровней шума в жилых домах» № 337-60 от 24 августа 1960 г. и по борьбе с бытовыми и уличными шумами № 379-61 утверждены Госсанинспекцией СССР 25 августа 1961 г.

9. «Методические указания по осуществлению государственного санитарного надзора за мероприятиями по борьбе с бытовыми шумами и вибрациями № 443-63 утверждены Госсанинспекцией СССР 20 июня 1963 г.

В отдельных случаях санитарные органы могут вносить на рассмотрение исполкомов городских, районных, поселковых Советов депутатов трудящихся вопросы по борьбе с различными видами шумов, по которым выносятся соответствующие постановления.

Так, например, были приняты решения исполкомов Московского городского Совета «По снижению уличных и бытовых шумов в г. Москве» от 15 октября 1954 г., «О порядке содержания жилых помещений и пользования ими» от 15 июля 1958 г. В последнем решении говорится о том, что все проживающие в квартирах жилых домов граждане должны соблюдать требования социалистического общежития и не нарушать покой в квартире. В период с 23 до 8 часов в квартирах должна быть полная тишина, пользование всякого рода приемниками ограничивается и т. д.

Отсюда большое значение приобретает санитарно-просветительная и воспитательная работа среди населения о вреде шума и мероприятиях по борьбе с ним.

Измерения звука и шума с помощью микрофонов

Как и в других статьях, мы начнем с основ, а затем перейдем к технологиям и оптимальным методам измерений.

Что такое звук?

Звук — это изменение давления, воспринимаемое ухом человека. Звуковые волны проходят через воздух, воду и даже твердые тела. Повседневные примеры звука — музыка, речь, гудение двигателя и пение птиц. Из-за способа образования звука его называют звуковым давлением.

Звук не распространяется без среды: он проходит через сжимаемую среду (например, воздух или воду) в виде продольных волн. Через твердые тела звук проходит в виде поперечных волн. Звуковые волны возникают в источнике звука (вибрирующей мембране или динамике). Источник звука создаёт вибрации в окружающей среде. По мере возникновения вибрации в среде она отдаляется от источника со скоростью звука и образует звуковую волну.

Уровень звукового давления (SPL) — это логарифмическая мера среднеквадратичного звукового давления или звука относительно опорного значения, которая измеряется в децибелах (дБ) выше стандартного опорного уровня. Стандартное опорное звуковое давление в воздухе и других газах равняется 20 мкПа. Считается, что это пороговое значение звука, воспринимаемого ухом человека (на частоте 1 кГц). Ниже представлено уравнение для вычисления уровня звукового давления (Lp) в децибел [дБ] из звукового давления (P) в паскаль [Па].

\[Lp = 10 \cdot log_<10>(\frac>^2>>^2>) = 20 \cdot log_<10>(\frac>>) \]

где Pref — опорное звуковое давление, а Prms — СКЗ измеряемого звукового давления.

Что такое шум?

Крайне важно измерять и анализировать не только «чистые» звуки, но и шумы, то есть «нежелательные звуки». Как и весь звук, шум измеряется в паскалях, однако чаще всего его переводят в децибелы из практических соображений.

В контексте измерений звука и шума распространена аббревиатура NVH (Noise, Vibration, Harshness), которая означает «шум, вибрацию, жёсткость». Такой метод испытания (NVH) подразумевает измерение нежелательных звуков с множества различных источников с целью сокращения или устранения таких звуков. Шум издают практически все машины: автомобили, воздуходувки, фены, миксеры и многие другие.

Измерения звука и шума нужны, чтобы проектировать машины, которые издают меньше шума или не издают его вовсе. При этом некоторые звуки не просто надоедают и раздражают — они могут вредить здоровью, в связи с чем их необходимо сокращать или устранять. Первым этапом этого процесса становятся точные измерения.

Как измеряется звук?

Основным датчиком для измерения звука является микрофон. Микрофоны применяются для измерения волн звукового давления на различных частотах, в том числе в полном диапазоне человеческого слуха и за его пределами. Большинство микрофонов предназначены для измерения звука, проходящего через воздух, однако существуют и другие типы: например, гидрофоны, которые применяются для измерения звука под водой, и сейсмические приборы, которые применяются для измерения звука в земле.

Что такое звуковое давление?

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па). Оно отражает, как звук воспринимается его «приёмником», например ухом человека. Особенности восприятия того или иного звука зависят от множества переменных, например отражающей способности помещения, его размера (при его наличии), расстояния от источника и многих других.

Подробнее:

Измерение уровня звука

Что такое акустическая мощность?

Акустическая мощность измеряется в ваттах (Вт). Звуковой мощности соответствует звуковая энергия, создаваемая источником. Мощность не связана с восприятием звука.

Производители практически всех видов оборудования обязаны измерять и обозначать его акустическую мощность в соответствии с различными директивами, например Директивой 2006/42/ЕС о безопасности машин и оборудования. К такому оборудованию относится очень много: от игрушек до принтеров, промышленных инструментов и строительного оборудования. Также измерения акустической мощности проводятся при решении проектировочных задач, например в звуковом дизайне.

Акустическая мощность описана в следующих стандартах:

• ISO 3741
• ISO 3743-1
• ISO 3743-2
• ISO 3744
• ISO 3745
• ISO 639-3
• ISO 639-4
• ISO 639-5
• ISO 639-6

Подытожим: звуковое давление — то, как слушатель воспринимает тот или иной звук в той или иной акустической среде, а акустическая мощность — энергия звука, которая не зависит от среды или особенностей восприятия звука. Эти понятия сильно отличаются друг от друга и не являются взаимозаменяемыми.

Говоря кратко: акустическая мощность — это причина, а звуковое давление — это воспринимаемый нами эффект.

Подробнее:

Измерение звуковой мощности

Измерение уровня звуковой мощности ноутбука Узнайте, как выполнить измерение уровня звуковой мощности в соответствии со стандартом ISO 3744 с помощью решения Dewesoft Sound Power в полубезэховой камере.

Что такое интенсивность звука?

Интенсивность звука отличается от звукового давления. Интенсивность звука — это мощность, переносимая звуковыми волнами по определенной области перпендикулярно ей. Интенсивность звука вычисляется путём умножения звукового давления (Pa) на скорость частиц (v).

\[I=P_a \cdot v\]

где Pa — звуковое давление в Паскалях, а v — скорость частицы в м/с.

Измерения интенсивности звука очень важны: фактически, они позволяют узнать усреднённый по времени поток энергии на единицу площади. В отличие от акустической мощности, измерить которую, как правило, можно только в особой среде (например, звукоизолирующей камере), измерить интенсивности звука можно где угодно.

Подробнее:

Измерение интенсивности звука

Что такое уровень звукового воздействия?

Уровень звукового воздействия (SEL) — это измерение уровня воспринятого звука и продолжительности такого воздействия. Продолжительность играет ключевую роль, поскольку люди могут выдерживать определенные частицы и амплитуды лишь непродолжительное время: более длительное воздействие приводит к повреждению органов слуха или потере слуха. Звуки от 90 дБ и выше считаются вредными для людей.

SEL — интеграл (зависимость от времени) звукового давления в квадрате. Уровень звукового давления вычисляется по следующей формуле:

\[SEL = Pa^2 \cdot s \] (Pascal squared second)

(паскаль в квадрате на секунду)

Что такое уровень звука?

Уровень звука — общий термин, который может включать один или несколько следующих параметров звука:

• уровень звукового давления;
• уровень интенсивности звука;
• уровень акустической мощности;
• уровень звукового воздействия.

Как правило, для измерения уровня звука используют шумомер. Более подробное описание перечисленных параметров представлено в соответствующих разделах.

Что такое качество звука?

Измерения качества звука проводятся для точной оценки восприятия звука машин ухом человека. На основе таких измерений специалисты могут улучшить и оптимизировать звук машин, чтобы выпускаемая продукция звучала более «приятно» для пользователя и окружающих.

И хотя восприятие звука субъективно, мы можем провести объективные измерения звука и применить к ним различные метрики качества звука. В их числе:

Громкость	Расчет согласно ISO 532-1 и 532-2: Акустика. Методы расчета громкости. Метод Цвиккера и метод Мура-Гласберга. Громкость звука измеряется в децибелах (дБ).
Резкость	Рассчитывается на основе удельной громкости, которая определяется в соответствии с ISO 532-1 и 532-2. Резкость — психоакустическая метрика, отражающая числовое восприятие, основанное на количестве частотных компонент звука. Единица измерения резкости — acum, то есть резкость широкополосного шума вокруг частоты 1 кГц шириной в 1 критическую полосу и уровнем 60 дБ.
Критерий шума (NC)	Метрика, используемая в США для оценки используемых в помещениях источников шума
Коэффициент шума (RC)	Метрика, используемая в Европе для оценки используемых в помещениях источников шума
Разборчивость речи	Метрика для оценки восприятия речи
Индекс артикуляции (расширенный)	Восприятие речи при наличии других звуков
Нормальные кривые равной громкости	Вычисление, проводимое по стандарту ISO 226
Отношение неровностей	Вычисление по стандарту ISO 7779 — измерение воздушного шума, излучаемого информационным и телекоммуникационным оборудованием.

Испытания качества звука важны для компаний, которым требуется оценить и оптимизировать звук, издаваемый их продукцией. Цель — сделать звук оборудования более приятным для пользователей путем его регулирования. Такие испытания проводятся в следующих сферах:

• шумы, вибрации, стуки автомобилей, проектирование автомобилей и их компонентов;
• аудиоустройства: динамики, микрофоны, усилители, наушники, музыкальные инструменты;
• домашние и садовые приборы: газонокосилки, посудомоечные машины, холодильники, компьютеры, ОВКВ.

Также их проводят в научно-исследовательских отделах для решения следующих задач:

• эталонных испытаний и оптимизации;
• определения целевых значений;
• моделирования и симуляции;
• прогнозирования;
• реактивного проектирования;
• испытаний и устранения неисправностей;
• оценки качества изделий.

Подробнее:

Измерение качества звука

Как измерить звуковую частоту?

Один из ключевых и наиболее эффективных способов измерения звуковых частот — быстрое преобразование Фурье (БПФ). БПФ — это набор алгоритмов для преобразования данных временной области в данные частотной области. Как правило, системы сбора данных записывают данные звука и шума, после чего ПО преобразует временную область в частотную. Преобразовать данные можно как в реальном времени, так и на этапе постобработки.

С помощью БПФ-анализа можно изучить различные характеристики каналов, при этом анализ в частотной области даёт гораздо более подробные сведения о них, чем анализ во временной области. В частотной области характеристики сигнала определяются независимыми частотными составляющими, а во временной области — одной формой сигнала, которая сочетает в себе все характеристики сразу.

На стандартном графике временной области вертикальная ось является амплитудой сигнала, а горизонтальная ось — временем. На таком графике видно, как амплитуда сигнала меняется с течением времени.

Графики временной области имеют тысячи применений, однако по ним нельзя проанализировать отдельные частоты комплексных сигналов. С помощью БПФ мы преобразовываем сигнал так, чтобы на вертикальной оси отражалась величина, а на горизонтальной — частота, а не время. Таким образом, мы получаем возможность работать с частотной областью.

На представленном ниже графике БПФ видно, что ось частоты масштабирована от 0 Гц до 10 кГц слева направо. На частоте 1200 Гц можно увидеть резкий скачок величины, а на частоте — 3750 Гц меньший скачок.

Стандартный график БПФ — широко распространенный инструмент измерения частоты. В большинстве систем сбора данных для измерений звука одну или обе оси можно масштабировать линейно (см. пример ниже) или логарифмически: в зависимости от типа измерения, тот или иной способ помогает получить важные сведения.

На стандартном графике БПФ не учитывается время, в связи с чем данные на нём отображаются только за конкретный момент времени. Что это за момент, и как долго он длится? По сути, БПФ-анализ подразумевает наличие временного среза (x проб при частоте дискретизации y), вычисление и отображение результатов. Такой срез называется временным промежутком: его, наряду с другими параметрами, регулирует инженер или оператор анализатора.

Многие системы сбора данных (в том числе системы Dewesoft) оснащены встроенными эффективными инструментами БПФ-анализа. С помощью курсоров (в том числе гармонических) на графике можно выбрать пики и скачки и ознакомиться с точными значениями в них. Также можно отобразить математические каналы: в них значения пиков отображаются автоматически.

Кроме того, на график БПФ можно добавить третью ось — ось времени. На полученном 3D-графике, который называют каскадным, отображаются частота, величина и время. При этом для удобства восприятия они обозначены цветом.

В БПФ-анализе учитывается множество различных аспектов, и в данной статье будут рассмотрены лишь некоторые из них. Среди них — спектральное разрешение, масштабирование по амплитуде, окна взвешивания по времени, усреднение, перекрытие и другие. Более подробные сведения о частотном БПФ-анализе представлены в следующих ресурсах:

Подробнее:

БПФ-анализатор спектра

Что такое микрофон?

Все знают, что микрофоны используют для культурно-развлекательных мероприятий и публичных речей, однако помимо этого все микрофоны являются полноценными датчиками, которые широко применяются для научных и промышленных измерений. Говоря просто, микрофон — это датчик или преобразователь, которые преобразовывает звук (акустическую энергию) в электрическую энергию, которую можно усилить, оцифровать, отобразить, записать и т.д.

Как и в случае с другими датчиками, микрофоны для измерения звука и шума делятся на различные типы. Разнообразие обусловлено широким набором применений и условий измерения. Они будут рассмотрены в данной статье. В ответ на спрос специалистов по измерению звука производители микрофонов создали широкий ряд различных микрофонов.

Микрофоны для научных и промышленных измерений звука называют микрофонными датчиками или микрофонными преобразователями.

Принцип работы микрофонов

Микрофон — это преобразователь звуковой энергии в электрическую. Различные типы микрофонов работают по различному принципу. Необходимо начать с классических динамических микрофонов, изобретённых более 100 лет назад.

1. Выполненные из тонкого материала (например, пластика) мембраны резонируют при поступлении волн звукового давления.
2. Закрепленная на мембране катушка движется назад и вперед
3. Постоянный магнит создает магнитное поле, которое вызывает напряжение катушки
4. Ток — это «аналоговая форма» звука. Вытекающий из катушки ток можно усилить, оцифровать, записать, отобразить, проанализировать и т.д.

Описанный выше тип микрофонного преобразователя называют динамическим микрофоном. При изменении направления преобразователя путем ввода электрического сигнала на выход катушка бы сдвинулась и привела в действие мембрану. Мембрана гораздо большего размера привела бы в движение воздух и издала звук. Поздравляем, у вас получился динамик, то есть направленный в обратную сторону микрофон!

Какие технологии микрофонов являются наиболее важными?

К трём основным типам микрофонов относятся:

• Динамические микрофоны. Такие микрофоны основаны на магнитной индукции; соединенная с мембраной и обмотанная вокруг постоянного магнита катушка преобразовывает звуковое давление в электрический сигнал. Одним из видов таких микрофонов являются ленточные микрофоны: в них в качестве мембраны и преобразователя используется тонкая металлическая лента. Наиболее широко динамические микрофоны применяются для записи музыки, развлекательных мероприятий, трансляций, а также публичных выступлений.
• Конденсаторные микрофоны. Такие микрофоны основаны на электрической ёмкости. За мембраной закреплена обкладка конденсатора; мембрана выводит электрический заряд при поступлении на неё волн звукового давления. Такие микрофоны применяются для промышленного и научного измерения звука.
• Пьезоэлектрические микрофоны. Такие микрофоны тоже основаны на электрической ёмкости, однако вместо обкладки конденсатора в них используется кристаллический материал. Такие микрофоны применяются для промышленного и научного измерения звука.

В данной статье мы сосредоточимся на конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонах.

Конденсаторные микрофоны

Чаще всего для измерения звука применяют конденсаторные микрофоны. В их основе — тонкая металлическая мембрана с металлической обкладкой. При воздействии на них звукового давления меняется электрическая ёмкость между мембраной и обкладкой. Такое изменение выводится в качестве сигнала переменного тока, который можно усилить, измерить, оцифровать и проанализировать.

Для создания заряда мембраны и обкладки на конденсаторный микрофон должна поступать энергия. В зависимости от типа микрофона, подать её можно двумя способами:

• Микрофонам с внешней поляризацией требуется сигнал 200 В, поступающий с внешнего источника питания микрофона. Как правило, для соединения используют 7-контактный разъём LEMO или его аналоги.
• Предварительно поляризованным микрофонам не требуется такой сигнал. Предварительно поляризованные микрофоны также называют электретными микрофонами: они постоянно поляризованы постоянно заряженным электроизоляционным материалом, который может выполнять функцию мембраны или находиться в капсюле. На такие микрофоны должен постоянно поступать ток (по такому же принципу работают стандартные IEPE-акселерометры), который называют фантомным питанием. Постоянный ток может проходить по сигнальной линии без помех, в связи с чем для подключения такого микрофона подходит 2-контактный разъём (как правило, BNC).

Конденсаторные микрофоны имеют различный диаметр: 1 дюйм, ½ дюйма, ¼ дюйма или ⅛ дюйма. В сравнении с микрофонами меньшего диаметра, крупные микрофоны более чувствительны, то есть подходят для измерения сигналов на меньших частотах.

Пьезоэлектрические микрофоны

Пьезоэлектрические микрофоны работают по принципу пьезоэлектрических акселерометров (IEPE). Лежащие в их основе кристаллические материалы (например, кварц) выводят переменный заряд при их механическом напряжении силой ускорения или, в нашем случае, при воздействии звукового давления. Небольшой встроенный усилитель преобразовывает сигнал заряда в более высокое напряжение, которое подается на IEPE-блок преобразования сигналов.

IEPE-блоки преобразования сигналов постоянно подают ток для питания небольших усилителей в пьезоэлектрических микрофонах.

Какой микрофон лучше: конденсаторный или пьезоэлектрический?

Конденсаторные и пьезоэлектрические микрофоны применяются для различных целей. Например, конденсаторные микрофоны имеют меньший порог шума, чем пьезоэлектрические микрофоны. При этом пьезоэлектрические микрофоны выдерживают более высокое давление, поэтому их можно применять для испытаний взрывом и других испытаний, подразумевающих высокоамплитудный звук и сильный шум. Нельзя сказать, какая микрофоны лучше: они применяются для различных целей.

Сравнение конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов

Конденсаторные микрофоны	Пьезоэлектрические микрофоны
Предварительно поляризованный	С внешней поляризацией
Динамический диапазон	Превосх.	Превосх.	Хор.
Высокоамплитудные испытания (ударные испытания, испытания взрывом)	Хор.	Хор.	Превосх.
Испытания в условиях высокой температуры	Хор.	Восх.	Хор.
Испытания в условиях высокой влажности	Восх.	Хор.	Хор.
Интеграция	IEPE двухпроводное соединение, BNC-разъем	семипроводное соединение, требуется внешнее питание 200 В, LEMO	IEPE двухпроводное соединение, BNC-разъем
Стоимость	Дешевле, чем микрофоны с внешней поляризацией	Дороже, чем предварительно поляризованные микрофоны	Аналогична предварительно поляризованным микрофонам

Особые виды микрофонов

Гидрофоны

Обычный микрофон нельзя опустить в воду: он выйдет из строя. Именно поэтому отдельные производители выпускают специальные микрофоны для применения в воде — гидрофоны. Такие микрофоны устойчивы к коррозии и подходят для погружения в воду. Их применяют в промышленном, научном, а также оборонном секторах.

Под водой волны звукового давления распространяются в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе. В связи с тем, что плотность воды выше плотности воздуха, отдельный звук оказывает в воде такое же давление, как в воздухе. Гидрофоны адаптированы для работы под водой.

Доступны как однонаправленные, так и всенаправленные модели гидрофонов. Также гидрофоны можно использовать в массивах: например, для формирования лучей — одного из методов пространственной фильтрации.

Давление под водой повышается по мере увеличения глубины, поэтому перед измерением необходимо убедиться, что гидрофон рассчитан на ту или иную глубину.

Микрофонные массивы

Как следует из названия, микрофонный массив — это массив микрофонов, расположенных определенным образом. Такие массивы применяются для трёхмерного измерения звука. Системы микрофонных массивов могут состоять из любого количества микрофонов: от 2 — для обнаружения утечек в слуховых аппаратах — до 100 — для формирования лучей и акустической голографии.

Микрофонные массивы имеют множество применений. Среди них:

• звуковой контроль ветроэлектростанций;
• измерение звука автомобилей и поездов;
• анализ излучения звука на производственных объектах;
• голография;
• измерение уровня звука в салонах автомобилей и самолетов;
• испытание шума двигателей;
• сопоставление звукового давления;
• формирование лучей;
• испытание шума медицинских приборов;
• испытание автомобилей, самолетов и т.д. в аэродинамической трубе.

Микрофоны MEMS

Читаете эту статью с ноутбука, планшета или телефона? Скорее всего, в нем есть микрофон MEMS. Преимущества технологии MEMS (micro-electromechanical system — «микроэлектромеханические системы»). Микрофоны MEMS могут быть меньше 3 × 2 × 1 мм в размере. Для англичан: около 1/8 дюйма в самой широкой точке.

Большинство микрофонов MEMS состоят из чувствительных к давлению мембран, вытравленных на кремний. Зачастую они оснащены встроенным предварительным усилителем, а также АЦП, который преобразовывает аналоговый звук в цифровой поток данных. Изначально микрофонами MEMS являлись конденсаторные микрофоны, однако сегодня доступны и пьезоэлектрические модели.

В сочетании с компьютерами, телефонами и планшетами микрофоны MEMS применяются в носимой электронике, дронах, устройствах Интернета вещей (IoT), элементах удаленного управления смарт-телевизорами и т.д.

Датчики интенсивности звука

Датчики интенсивности — это микрофоны для измерения интенсивности звука.

Большинство датчиков интенсивности звука — пара фазосогласованных микрофонов свободного поля, которые измеряют мгновенное значение давления и градиент давления звукового поля. Как правило, их устанавливают на стойки и направляют на источник звука. При перемещении системы можно проанализировать распространение интенсивности звука, измерить акустическую мощность, а также провести измерения по стандартам IEC 61043 и IS0 9614-1.

Как выбрать подходящий микрофон

Как и в случае с другими датчикам, выбор микрофона определяется его применением. Одним из ключевых факторов при выборе микрофона является среда измерений.

Зачастую такую среду называют полем отклика. Некоторые микрофоны называют микрофонами свободного поля, а некоторые — микрофонами поля давления. Такие названия и отражают поле отклика, в котором будет применен микрофон. Чуть ниже мы объясним, что это означает.

Помимо среды измерения при выборе микрофона необходимо учитывать диапазон измерения, а также максимальный уровень звукового давления (SPL).

При проведении измерений в условиях очень высокой или низкой температуры, или высокой влажности необходимо учитывать соответствующие расчетные значения микрофонов и встроенных в них блоков преобразования сигналов. Как правило, конденсаторные микрофоны более чувствительны к высоким температурам и влажности, однако ряд производителей выпускает конденсаторные микрофоны, предназначенные для таких условий.

Микрофоны свободного поля

Микрофоны свободного поля применяются в средах без отражений: например, вне помещений или в звукоизолирующих камерах. С их помощью можно измерить колебания звукового давления, беспрепятственно проходящего через воздух, при этом, как правило, звук исходит из одного источника. Чаще всего микрофоны свободного поля направляют прямо на источник звука.

Микрофоны свободного поля измеряют звуковое давление так, словно в поле отсутствует микрофон. Разумеется, на поле сказывается любой находящийся в нём объект: такое происходит, когда длины волн звуковых частот близки к размерам микрофона. В связи с этим производители добавляют в микрофоны корректирующие значения: они компенсируют колебания поля, вызванные микрофоном.

Микрофоны свободного поля применяют для:

• измерения звука проезжающих автомобилей и испытания шумов вне помещений;
• испытания динамиков;
• испытания бытовых приборов в соответствующих камерах: например, стиральных машин, посудомоечных машин, миксеров и т.д.;
• устранения неисправностей для предотвращения чрезмерных вибраций и шумов;
• мониторинга шумов вне помещений.

Микрофоны поля давления

Микрофоны поля давления измеряют звуковое давление на мембране микрофона. Такие микрофоны можно разместить на стене, соединителе или внутренней поверхности камеры или закрытого пространства и измерить звуковое давление стенки или поверхности. Такие микрофоны применяют при испытаниях с использованием имитаторов уха.

Как правило, микрофоны поля давления должны иметь очень плоскую частотную характеристику. Их используют для измерений в диффузном поле (см. ниже), где требуется плоская характеристика.

Микрофоны поля давления применяют для:

• испытаний с использованием имитатора уха;
• измерения звукового давления на корпусах самолетов;
• измерения звукового давления на стенках и в полостях;
• измерения звукового давления в трубках и других конструкциях.

Микрофоны диффузного поля

Всенаправленные микрофоны диффузного поля применяют в условиях, где звук может исходить со всех сторон. К ним относятся среды с высокой отражаемостью, реверберационные камеры и т.д. Отклик микрофонов диффузного поля одинаков на всё давление, поступающего сразу с нескольких сторон.

Микрофоны диффузного поля применяют для:

• анализа акустических характеристик помещений, залов, театров;
• испытания шумов в пассажирских салонах автомобилей;
• испытания шумов в пассажирских салонах самолётов;
• испытания бытовых электроприборов;
• испытания шумов окружающей среды;
• измерений в средне- и высокоамплитудных средах.

Основные характеристики микрофонов

Динамическая характеристика

Ухо человека воспринимает звук давлением до 20 милионных долей или 1 Па. Такая шкала не очень практична, а слух человека логарифмичен, в связи с чем большинство инженеров и учёных измеряют звук в децибелах (дБ)

Па	дБ
Порог слуха человека	0,00002 Па	0 дБ
Стандартный внешний шум в офисе	0,02 Па	60 дБ
Стандартный внешний шум на производстве	0,2 Па	80 дБ
Шум работающего пневматического молотка	2 Па	100 дБ
Шум при взлёте реактивного самолёта	20 Па	120 дБ
Порог болевого ощущения	200 Па	140 дБ

Децибелы названы в честь учёного шотландского происхождения Александра Грейама Белла — изобретателя телефона и аудиометра.

Микрофоны классифицируют по максимальному уровню давления, выдерживаемого микрофоном до соприкосновения мембраны с обкладкой или достижения общим коэффициентом гармонических искажений (THD) конкретного значения (например, 3%).

Зачастую производители указывают наименее тихий звук, который воспримет микрофон. Иногда такой звук называют тепловым шумом капсюля (CTN), то есть самым тихим звуком, воспринимаемым микрофоном и звучащим громче электрического шума схемы микрофона.

Чем больше мембрана микрофона, тем ниже тепловой шум капсюля.

Частотная характеристика

Диапазон — один из ключевых факторов при выборе любого датчика или преобразователя. Приемлемый диапазон (называемый частотной характеристикой) датчика звука (микрофона) — это диапазон от теплового шума капсюля до максимального расчётного уровня звукового давления. При выборе микрофона помимо самой частотной характеристики необходимо учитывать допуск. Как правило, допуск выражен в децибелах (например, «±2 дБ»).

Соотношение сигнал-шум

Соотношение функциональной звуковой энергии к нефункциональной (шумам) называют соотношением сигнал-шум (SNR). Для его выражения используются децибелы. Соотношение сигнал-шум свыше 1:1 означает, что в звуковой энергии больше сигналов, а не шумов.

SNR = Pсигнал / Pшум

P = средняя мощность

Диаграмма направленности

От диаграммы направленности микрофона зависит его чувствительность к звукам, поступающим с различных направлений относительно оси микрофона. Микрофоны имеют различные диаграммы направленности: например, какие-то микрофоны более чувствительны к звукам, поступающим спереди, и не воспринимают звуки, поступающие сзади или сбоку. Наиболее распространены микрофоны со следующими диаграммами направленности:

Всенаправленные микрофоны

Всенаправленные микрофоны одинаково воспринимают звук со всех сторон. На практике такое восприятие звука микрофоном невозможно, поскольку микрофон является частью звукового поля, однако всенаправленные микрофоны очень эффективны и дают наиболее точные результаты измерения звукового давления.

Однонаправленные микрофоны (кардиоидные микрофоны)

Название кардиоидных микрофонов связано с напоминающей форму сердца диаграммой: с помощью таких микрофонов можно измерить звук, поступающий спереди. Кардиоидные микрофоны делятся на подвиды: кардиоидный, гиперкардиоидный, суперкардиоидный и субкардиоидный. На изображениях ниже видно, что такие микрофоны измеряют звук с одного направления под разным градусом:

Имеются и другие диаграммы: например, двунаправленная («цифра 8»), которую применяют для измерения звука, поступающего спереди и сзади.

Виды измерений с помощью микрофонов

Микрофоны применяют для самых разных измерений звука и шума. Некоторые виды измерений получили широкое распространение в самых разных отраслях. Прежде всего, речь идёт о группе испытаний NVH — «шум, вибрация, жёсткость».

Для чего проводят испытания NVH («шум, вибрация, жёсткость»)

Испытания NVH применимы к самым разным машинам (от газонокосилок до бетономешалок), но наиболее часто их связывают с испытаниями транспортных средств. Если вам приходилось пересесть из автомобиля из среднего ценового диапазона в роскошный автомобиль, вам хороша знакома разница между ними. Когда закрываешь дверь роскошного автомобиля, весь шум остаётся снаружи, а мощный двигатель звучит тихо и даже приятно. Скрипы и трески раздаются очень редко (а иногда не раздаются вовсе).

Такие ощущения водителя и пассажиров — результат долгих испытаний, проектирования и повторных испытаний, проведённых инженерами-автомеханиками. Микрофоны и другие датчики применяют для измерения акустических характеристик и проводимой вибрации в салоне и на корпусе автомобиля как в реальных условиях, так и звукоизолирующих камерах. Затем инженеры-автомеханики применяют полученные данные для оптимизации конструкции автомобиля и материалов, чтобы они отвечали предъявляемым к уровню шума требованиям в различных условиях вождения.

Резкость звука — более субъективный параметр, который сложно выразить количественно, поскольку под ним понимается то, насколько сильно будет «раздражать» человека звук, вибрация или их сочетание.

Испытания NVH применимы к салонам и корпусам автомобилей и включают в себя:

• испытания шума торможения;
• анализ шума проезжающих автомобилей;
• испытания шума двигателей;
• испытания трансмиссии;
• измерения внешнего шума;
• испытания шума выхлопной системы;
• испытания электромобилей и гибридных ТС;
• испытания аэродинамического шума;
• испытания шумов типа «гул», «визг», «треск»;
• испытания шума в салоне автомобиля;
• испытания шума при движении автомобиля.

Шум рабочей и окружающей сред

Воздействие шума на рабочем месте — угроза здоровью, в связи с чем его регулируют в США, Европе и других странах. К измерениям звука и шума в таких условиях относятся:

• испытания городского шума;
• испытания шума на рабочем месте и производственных объектах;
• испытания акустических характеристик помещения;
• испытания шума в аэропортах;
• испытания уровня звука на концертах.

Электроакустические характеристики

• испытания шума телефонов: проводных, беспроводных, гарнитур;
• испытания слуховых аппаратов;
• испытания динамиков и умных колонок;
• испытания наушников: проводных и беспроводных.

Анализ машин

При прогнозировании неисправностей и диагностике машин говорят об измерении температуры и вибрации, однако шум — такой же ключевой индикатор состояния машины. Например, первым признаком несбалансированности машины является издаваемый ей шум. Если вам доводилось слышать, как cушильная машина для одежды «борется» с несбалансированной нагрузкой, вы хорошо понимаете, о чем идет речь.

• испытания вибрации машин;
• мониторинг состояния;
• диагностическое техническое обслуживание;
• обнаружение утечек воздуха и газа.

Определение источника шума

Иногда значения количества шума недостаточно: важно знать, откуда исходит этот шум. Какой компонент или какая система является источником шума и почему? В таких случаях применяют микрофонные массивы: они позволяют создать трёхмерное представление измеряемого пространства.

Представьте, как мимо микрофонного массива проезжает вагон метро. Его колеса или тормоза скрипят, движущаяся по третьему рельсу колодка шумит, а движущийся по несущему тросу пантограф гудит. ПО для формирования лучей помогает создать 3D-карту движения объектов с учётом изменений во времени.

Микрофонные массивы (который иногда называют акустическими камерами) можно применять на как микроуровне (например, для испытаний слуховых аппаратов), так и на макроуровне (например, для анализа крупных машин, генераторов, обрезных станков, поездов, автомобилей, самолётов и целых предприятий).

• анализ источника шума транспортных систем: аэропортов, метро, автовокзалов;
• испытания акустики в аэродинамических трубах (в авиакосмической и автомобилестроительной отраслях);
• акустическая голография;
• составление схем интенсивности звука;
• испытания шума двигателей;
• испытания шума в салонах ТС;
• обнаружение утечек газа в больницах;
• обнаружение утечек сжатого воздуха.

Модули измерения звука Dewesoft

Dewesoft предлагает широкий выбор передовых систем сбора данных, которые станут идеальным решением для измерения звука и вибрации. Рассмотрим их:

Системы сбора данных SIRIUS

Серия DualCoreADC

Системы SIRIUS® DualCoreADC® оснащены двумя 24-битными АЦП на канал и измеряют звук в широком динамическом диапазоне 160 дБ во временной и частотной областях. Частота дискретизации до 200 кГц на канал и встроенных антиалиасинговый фильтр дают безалиасинговую полосу пропускания более 70 кГц. Все каналы имеют гальваническую изоляцию, которая предотвращает наиболее распространённые трудности, связанные с модами, шумами и заземлением.

Серия High-Density

Системы SIRIUS HD имеют один 24-битный АЦП на канал и имеют превосходный динамический диапазон, а также вдвое больше каналов на слайс (16 вместо 8).

Серия High-Speed

Системы SIRIUS HS оснащены 16-битным АЦП последовательного приближения (SAR), имеют частоту дискретизации 1 МГц на канал, а также 8 каналов на слайс.

Серия Extra High-Speed

Системы SIRIUS XHS — новое поколение систем сбора данных Dewesoft. Частота дискретизации на каждом канале достигает 15 МГц. При частоте дискретизации до 1 МГц разрешение составляет 24 бита. При частоте дискретизации свыше 1 МГц — 16 бит. Более того, на каждом канале можно задать любую частоту дискретизации и режим измерения с их полной синхронизацией.

Усилители микрофонов и акселерометров SIRIUS ACC

Системы SIRIUS поддерживают большой набор усилителей и совместимы с любыми сигналами и датчиками, а значит подходят для измерения звука и вибрации, а также множества других измерений. Для измерения звука и вибрации применяются усилители ACC.

Они совместимы с IEPE-датчиками: акселерометрами, пьезоэлектрическими микрофонами, а также предварительно поляризованными конденсаторными микрофонами. Усилители ACC стабильно питают такие датчики током. Усилители ACC совместимыми со всеми конфигурациями SIRIUS:

Усилитель ACC	SIRIUS DualCoreADC	SIRIUS HD (High Density)	SIRIUS HS (High Speed)	SIRIUS XHS (eXtra HS)
Разъём	BNC	BNC	BNC	BNC
Макс. кол-во каналов наслайс	8	16	8	8
Макс. частота дискретизации	200 кГц на канал	200 кГц на канал	1 МГц на канал	15 МГц на канал
Разрешение	24 бит	24 бит	16 бит	24 бит до 1 МГц, 16 бит свыше 1 МГц
Динамический диапазон	–140 дБ(–160 дБ при использовании DualCore)	–137 дБ (при 10 кГц)	–89 дБ (±10 В при 100 кГц)	до 150 дБ при 1 МГц
Полоса пропускания	около 76 кГц	около 76 кГц	500 кГц	5 МГц
Диапазоны напряжения	от ±200 мВ до ±10 В
Развязка по входу	Пост. ток,перем. ток 0,1 Гц, 1 Гц	Пост. ток,перем. ток 0,1 Гц, 1 Гц	Пост. ток,перем. ток (1 Гц)	Пост. ток,перем. ток 0,1 Гц, 1 Гц
Питание IEPE-датчика	2, 4, 8, 12, 16 или 20 мА	4, 8 или 12 мА	4 мА	2, 4, 8, 12, 16 или 20 мА
Изоляция	1000 В
Поддержка счётчика	Да, совместим с энкодерами, тахометрами, импульсными датчиками и т.д. Идеальное решение для отслеживания порядков, анализа вибраций кручения и вращения и т.д.
Дополнительные функции	Интерфейс TEDS, встроенная база датчиковавтоматическое распознавание ошибок датчика
Совместимость с датчиками	Предварительно поляризованные конденсаторные микрофоны, пьезоэлектрические микрофоны, микрофоны внешней поляризации с внешним источником питанияIEPE-акселерометры

Усилители SIRIUS ACС совместимы с большинством типов микрофонов, в том числе имеют встроенную поддержку предварительно поляризованных конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов. При наличии внешнего источника питания можно использовать конденсаторные микрофоны без поляризации. Прямая поддержка конденсаторных микрофонов с внешней поляризацией имеется в устройстве SIRIUS MIC200 (см. ниже).

Подробнее: