Ниво на звука: определение в децибели

Замърсяването с шум, нежеланите или прекомерните нива на звука могат да имат вредно въздействие върху човешкото здраве и качество на околната среда. Обикновено се среща в много промишлени обекти и на някои други работни места. Шумовото замърсяване е свързано и с пътния, железопътния и въздушния трафик и работата на открито.

Измерване и възприемане на обема

Звуковите вълни са вибрации на молекулите на въздуха, които се разпространяват от източника на шум до ухото. Обикновено се описва като сила на звука (амплитуда) и височина на звука (честота). Нивото на звуковото налягане или SPL се измерва в логаритмични единици, наречени децибели (dB). Нормалното човешко ухо може да разпознае тон между 0 dB (праг на чуване) и 140 dB. Звуци между 120 dB и 140 dB причиняват болка.

Какво е нивото на звука в библиотеката, например? Той е около 35 dB, а в движещ се автобус или влак е около 85 dB. Строителните работи по сграда могат да предизвикат SPL до 105 dB при източника. SPL намалява с разстоянието до обекта.

Скорост на предаване звукова енергия, се нарича интензитет, пропорционален на квадрата на SPL. Поради логаритмичния характер на децибелната скала увеличение с 10 точки представлява 10-кратно увеличение на интензивността на звука. При 20 предава повече от 100 пъти. A при 30 dB представлява увеличение на интензитета 1000 пъти.

И от друга страна, когато интензивността се удвои, SPL се увеличава само с 3 точки. Например, ако една строителна бормашина произвежда 90 dB шум, два идентични инструмента, работещи един до друг, ще произвеждат 93 dB. А когато се комбинират два звука, различаващи се с повече от 15 точки по SPL, слабите тонове се маскират (или заглушават) от силния звук. Например, ако на строителна площадка работи бормашина с 80 dB и булдозер с 95 dB, комбинираното ниво на налягане на двата източника ще бъде измерено като 95. По-слабо интензивният тон от компресора няма да се забележи.

Честотата на звуковата вълна се изразява в цикли в секунда, но по-често се използва в херцове (1 cps = 1 Hz). Човешкото тъпанче е много чувствителен орган с голям динамичен обхват, способен да разпознава звуци с честота между 20 Hz (нисък тон) и приблизително 20 000 Hz (високо ниво на звука). Тонът на човешкия глас при нормален разговор е с честота между 250 Hz и 2000 Hz.

Точното измерване на нивото на звука и научното описание се различават от повечето субективни човешки възприятия и мнения за него. Индивидуалните реакции на човека към шума зависят както от височината, така и от силата на звука. Хората с нормален слух са склонни да възприемат високочестотните звуци по-силно от нискочестотните със същата амплитуда. Поради тази причина електронните измерватели на нивото на шума отчитат промените във възприеманата сила на звука като функция на височината на тона.

Честотните филтри в измервателните уреди се използват, за да се съобрази чувствителността на човешкото ухо към относителната сила на различните звуци. Филтърът с тегло А, например, обикновено се използва за диагностициране на заобикалящата общност. Измерванията на SPL, направени с този филтър, се изразяват в А-претеглени децибели или dBA.

Повечето хора възприемат и описват увеличаването на SPL с 6 до 10 dBA като удвояване на "силата на звука". Друга система, С-скала (dBA), която понякога се използва за нивата на ударен шум, например при стрелба, и обикновено е по-точна от dBA за възприеманата сила на звуци с нискочестотни компоненти.

Нивата на шума обикновено се променят с течение на времето, така че тези измервания са представени като средни стойности, за да се изразят общите нива на шума. Има няколко начина да го направите. Например резултатите от поредица многократни измервания на нивото на звука могат да бъдат представени като L 90 = 75 dBA, което означава, че стойностите са били равни или по-големи от 75 dBA през 90 % от времето.

Друга единица, наречена еквивалентни звукови градуси (L eq), може да се използва за изразяване на средната стойност на SPL за произволен период от време, например за осем часа делничен ден. (L eq е логаритмичен, а не аритметичен, така че общият резултат е доминиран от силни събития.)

Единица за нивото на звука, наречена шумова характеристика "ден-нощ" (DNL или L eq) отчита факта, че хората са по-чувствителни към тона през нощта. Така че към стойностите на SPL, измерени между 10 и 7 часа сутринта, се добавят 10dBA. Например измерванията на DNL са много полезни за описание на цялостната шумова експозиция на въздухоплавателните средства.

Работа с ефекти

Шумът е нещо повече от неудобство. При определени нива и продължителност на експозиция той може да причини физическо увреждане на тъпанчето и чувствителните власинки във вътрешното ухо и да доведе до временна или постоянна загуба на слуха.

Обикновено не се появява при нива на SPL под 80 dBA (най-добре е осемчасовите нива на експозиция да не надвишават 85). Но повечето хора, които са изложени на въздействието на повече от 105 dBA, ще имат някаква степен на трайна загуба на слуха. Освен това прекомерната експозиция на шум може да повиши кръвното налягане и пулса, да предизвика раздразнителност, безпокойство и умствена умора, както и също така уврежда сън, почивка и лично взаимодействие.

Контрол на шумовото замърсяване

Ето защо е важно да се спазва максимална тишина на работното място и в общността. Местните, регионалните и националните наредби и закони за контрол на шума могат да бъдат ефективни за намаляване на отрицателните ефекти от шумовото замърсяване.

Шумът в околната среда и промишлеността се регулира от Закона за здравето и безопасността при работа и Закона за безопасността и здравето при работа. По силата на тези актове Администрацията за безопасност и здраве при работа установява критерии за промишления шум, за да постави ограничения върху интензивността на звука Излагане на въздействието и продължителността, за която може да се понесе тази интензивност.

Ако едно лице е изложено на различни нива на шум през различни интервали от време през деня, общото въздействие или дозата (D) на шума се получава от съотношението,

където C е действителното време, а T е допустимото време на всяко ниво. При използване на тази формула най-високата възможна дневна доза шум ще бъде 1, а всяка експозиция над нея ще бъде неприемлива.

Максимално ниво на звука

Критериите за шум в помещенията са обобщени в три комплекта спецификации, които са получени чрез събиране на субективни оценки от голяма извадка от хора в различни специфични ситуации. Те се превърнаха в критерии за шум (NC) и предпочитани тонални криви (PNC), които определят границите на нивата, внасяни в околна среда. Разработените през 1957 г. NC криви имат за цел да осигурят комфортна работна или жилищна среда, като определят максимално допустимите нива на звука в октавови диапазони в целия звуков спектър.

Пълният набор от 11 криви определя критериите за шум за широк диапазон от. Разработените през 1971 г. диаграми PNC добавят ограничения за нискочестотните шумове и високочестотните съскания. Следователно те са за предпочитане пред по-стария стандарт NC. Обобщени на криви, тези критерии осигуряват проектни цели за нивата на шума за различни идеи. Част от спецификацията на изпълнението или местообитание е съответната крива на PNC. Когато нивата надвишават границите на PNC, в околната среда могат да бъдат въведени звукопоглъщащи материали като необходимостта от съответствие стандарти.

Ниските нива на шум могат да бъдат преодолени с допълнителен поглъщащ материал, като например тежки драперии или плочки в затворени помещения. Когато ниските нива на разпознаваем шум могат да отвличат вниманието или когато поверителността на разговорите в съседните офиси и приемни зони е важна, нежеланите звуци могат да бъдат маскирани. Малък източник на бял шум, например статичен, поставен в стая, може да прикрие разговорите от близките офиси, без да е смъртоносен за ушите на работещите наблизо.

Този тип устройства често се използват в кабинетите на лекари и други специалисти. Друг метод за намаляване на шума е използването на защита на слуха, която се носи на ушите по същия начин, както слушалките. С помощта на наличните в търговската мрежа защитни устройства може да се постигне намаляване на нивата на височина на звука, обикновено между 10 dB за честоти над 100 Hz и над 30 dB за честоти над 1000 Hz. Hz.

Определяне на нивата на звука

Ограниченията на външния шум също са важни за комфорта на хората. Строежът на сграда ще осигури известна защита срещу външния шум, ако къщата отговаря на минималните стандарти и ако нивата на шума са в приемливи граници.

Тези граници обикновено се определят за определени периоди от денонощието, напр. през светлата част на деня, през вечерните часове и през нощта по време на сън. Поради атмосферната рефракция, причинена от нощната температурна инверсия, относително силни шумове могат да се излъчват от доста отдалечени магистрали, летища или железопътни линии.

Интересен метод за контрол на шума е поставянето на шумозащитни бариери по протежение на магистрала, които я отделят от съседните жилищни райони. Ефективността на такива структури е ограничена от дифракцията на звука при ниски честоти, която преобладава при пътища и големи превозни средства. За да бъдат ефективни, те трябва да са възможно най-близо до източника или наблюдателя на шума, като по този начин се увеличава максимално дифракцията, необходима за достигане на звука до наблюдателя. Друго изискване за за този тип бариера е, че тя трябва да ограничи и броя на звуковите нива, за да се постигне значително намаляване на шума.

Определение и примери

Децибелът (dB) се използва за измерване на нивото на звука, но намира широко приложение и в електрониката, сигналите и комуникациите. dB е логаритмичен начин за описание на допирателната. Съотношението може да се прояви като мощност, звуково налягане, напрежение или интензивност, както и като няколко други неща. По-късно свързваме dB с телефон и звук (по отношение на силата на звука). Но първо, за да добием представа за логаритмичните изрази, нека разгледаме някои фигури.

Например можем да предположим, че има два високоговорителя, първият от които възпроизвежда звук с мощност P 1, а другият - по-силен вариант на същия тон с мощност P 2, но всичко останало (разстояние, честота) остава същото.

Разликата в децибелите между двата звука се определя като

10 log (P ₂ / P ₁) dB, където log за база 10.

Ако вторият произвежда два пъти повече енергия от първия, разликата в dB

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 2 = 3 dB,

както е показано на графиката, която показва 10 log (P ₂ / P ₁) спрямо P ₂ / P ₁. За да продължим примера, ако вторият има 10 пъти по-голяма мощност от първия, разликата в dB ще бъде:

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 10 = 10 dB.

Ако вторият има същата мощност от един милион пъти, разликата в dB ще бъде

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 1 000 000 = 60 dB.

Този пример показва една от характеристиките на децибелните скали, която е полезна при обсъждане на звука. Могат да описват много големи съотношения с помощта на числа със скромна големина. Но е необходимо бележка, която изобразява съотношението на децибелите. Така че не може да се каже каква мощност ще излъчва всеки от високоговорителите, а само от разликата в. Заслужава си да се обърне внимание и на коефициента 10 в определението, който показва нивото на децибелите.

Акустично налягане и dB

Честотата обикновено се измерва с микрофони, които реагират (приблизително) пропорционално на налягането, като. Мощността на звуковата вълна, при равни други условия, е равна на квадрата на главата. По същия начин електрическата мощност в резистор се получава като умножено напрежение. Логаритъмът на квадрата е само 2 log x, така че при преобразуване на налягането в децибели се използва коефициент 2. Следователно разликата в степента на акустичното налягане между двете нива на звука с p 1 и p 2 е

20 log (p ₂ / p ₁) dB = 10 log (p ₂² / p ₁²) dB = 10 log (P ₂ / P ₁) dB.

Какво се случва, когато силата на звука се намали наполовина?

Логаритъмът на 2 е 0,3, така че 1/2 е 0,3. Следователно, ако мощността се намали с коефициент 2, нивото на звука ще се намали с 3 dB. А ако повторим същата операция, акустиката ще бъде с още 3 dB по-ниска.

Размер на децибелите

Вижда се по-горе, че намаляването на мощността наполовина намалява налягането при корен 2 и нивото на звука с 3 dB.

Първата извадка е бял шум (смес от всички чуваеми честоти). Втората извадка е същият тон с напрежение, намалено с квадратен корен от 2. Обратната му стойност е приблизително 0,7, така че 3 dB съответстват на намаляване на напрежението или налягането с до 70%. Зелената линия показва дюзата като функция на времето. Червеното очертава непрекъснат експоненциален разпад. Обърнете внимание, че напрежението спада с 50% на всяка втора проба.

Звукови файлове и флаш анимация от Джон Тан и Джордж Хатзидимитрис.

Колко е един децибел?

В следващата серия последователните проби са намалени само с един децибел.

Какво да направите, ако разликата е по-малка от един децибел?

Нивата на звука рядко се посочват в десетични знаци. Причината е, че тези, които се различават с по-малко от 1 dB, са трудни за разграничаване.

Възможно е да забележите и, че последният примерът е по-тих от първия, но е трудно да се види разликата между последователните двойки. 10 * log 10 (1,07) = 0,3. Следователно, за да се увеличи нивото на звука с 0,3 dB, мощността трябва да се увеличи със 7% или напрежението с 3,5%.