При каком уровне звукового давления
Содержание статьи
Звуковое давление и его уровни (spl)
В настоящее статье поговорим о том, что такое звуковое давление, рассмотрим понятие (импеданс) — удельное акустическое сопротивление среды. Также поговорим об уровнях звукового давления и интенсивности звука.
Чтобы лучше понимать о чём сегодня пойдёт речь, советую прочитать предыдущую статью по этой теме (звуковые волны, виды, длина волны и скорость звука).
Звуковое давление
Звуковая волна, как мы уже рассматривали в прошлой статье, распространяется в среде в виде волн сжатия и разряжения плотности.
В газах (в том числе и воздухе) плотность и давление связаны между собой:
p = RTp
T — температура среды, R — газовая постоянная среды, p — плотность.
А поскольку у волны имеются области сжатия и разряжения, то в первой области давление будут выше статического атмосферного. А в случае разряжения – ниже.
Вот как это выглядит:
Разность между мгновенным значением давления в данной точке среды и атмосферным давлением называется звуковым давлением.
Звуковое давление измеряется в паскалях (Па): 1 Па = 1 Н/м².
Наша слуховая система может определять очень большой диапазон разностей между мгновенным значением звукового давления и атмосферным.
На рисунке ниже представлено, различное звуковое давление от звуковых источников в децибелах (про децибелы подробнее читай далее):
Импеданс
Рассматривая звук, в прошлой статье (читать) мы выяснили, что звуковая волна зависит от частоты и амплитуды звукового давления. Если тело оказывает большое сопротивление приложенному звуковому давлению, то частицы приобретают малую скорость.
Поэтому импеданс – это удельное акустическое сопротивление среды. Представляет из себя отношение звукового давления к скорости колебаний частиц среды:
Z = p/v
Измеряется в (Па · с)/м или кг/(с · м²).
Удельное акустическое сопротивление для воздуха составляет (при температуре 20 С°) 413 кг/(с · м²). В металле, к примеру, оно составляет 47,7 × 10 кг/(с · м²). Так как в воздухе импеданс достаточно мал, то и излучаемая полезная энергия также мала.
Если рассматривать КПД (коэффициент полезного действия) музыкальных инструментов, голосового аппарата, громкоговорителей и т. п., то оно в воздухе находится в пределах 0,2-1%.
Энергетические параметры
Звуковая волна переносит энергию механических колебаний, значит она имеет энергетические параметры. Среди которых: акустическая энергия P (Дж); мощность W – энергия, переносимая в единицу времени (Вт); интенсивность I – количество энергии, проходящее в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны (Вт/м²); плотность – количество звуковой энергии в единице объёма (Дж/м²).
Уровни звукового давления (анг. SPL, sound pressure level)
Восприятие громкости человеком происходит не по линейному закону, пропорционально амплитуде колебаний, а по логарифмическому. Поэтому для определения параметров звука применяют логарифмические шкалы.
Человек различает огромный диапазон изменения звукового давления от тихого 2 × 10 ⁻⁵ Па до очень громкого 20 Па. Разница составляет 10⁶.
Использовать такую школу очень неудобно. Поэтому в измерительных приборах пользуются логарифмическими единицами – децибелами (дБ). Эта единица происходит от другой – бел, который равен десятикратному изменению интенсивности звука. Однако бел – единица крупная и неудобная для измерений. Поэтому применяется её десятая часть – децибел.
Уровень звукового давления определяется как:
L = 20 lg p/p₀
Например, если звуковое давление p = 2 Па, то уровень звукового давления равен: L = 20 lg (2 Па/(2 × 10 ⁻⁵) Па) = 20 lg (1 × 10⁺⁵) = 20 × 5 = 100 дБ.
Один децибел – примерно та наименьшая разница в громкости, которую человеческое ухо может почувствовать.
Полезно запомнить следующее. Изменение громкости в 3 дБ равно отношению 2:1. Поэтому если мы берем два одинаковых источника звука, т. е. удваиваем мощность, то громкость увеличиться на 3 дБ. Например, если к голосу присоединяется ещё один, равный по громкости, то уровень звука увеличится на 3 дБ. Если нужно ещё увеличить на 3 дБ, потребуется вдвое увеличить имеющийся состав.
Также можно обратиться к следующей таблице (в ней показано на сколько дБ нужно убавить, чтобы получить звучание в 2 раза тише, в 3 и т. д.):
| 1% | 10% | 25% | 33% | 50% | 100% |
| 1/100 (в 100 раз тише) | 1/10 (в 10 раз тише) | 1/4 (в 4 раза тише) | 1/3 (в 3 раза тише) | 1/2 (в 2 раза тише) | 1/1 |
| -40дБ | -20дБ | -12 дБ | -10 дБ | — 6 дБ | 0 дБ |
Для определения суммарного уровня давления нескольких инструментов их никогда не складывают. Вначале необходимо рассчитать значение звукового давления каждого инструмента. Допустим играют две скрипки. Одна с уровнем 80 дБ, другая 86 дБ. У первой звуковое давление равно — 0,2 Па, второй — 0,4 Па.
Рассчитывается так: L = 20 lg p/p₀, значит 80 дБ = 20 lg p / (2 × 10 ⁻⁵), далее lg p / (2 × 10 ⁻⁵) = 4. Следовательно 10⁴ = p / (2 × 10 ⁻⁵), отсюда значение звукового давления будет p = 0,2 Па.
После этого определяется суммарное звуковое давление
В нашем случае суммарное давление равно p = 0, 447 Па. Затем определяется суммарный уровень звукового давления. Который равен 86,98 дБ.
Уровень интенсивности звука
Уровень интенсивности звука также измеряется в децибелах по формуле:
L₁ = 10 lg I/I₀
I₀ – нулевой уровень, равный 10⁻¹² Вт/м².
Мощность, напряжение, ток
Перечисленные электрические характеристики также часто приводятся в децибелах и имеют свои специальные обозначения. Приведём несколько примеров:
L dBm = 10 lg WВт/ 1мВт – уровень мощности отнесённый к 1 мВт
L dBv = 20 lg UB/1B – уровень напряжения, отнесённый к 1 В (Америка)
L dBv = 20 lg UB/0,775 B – уровень напряжения, отнесённый к 0,775 В (Европа)
Спасибо, что читаете New Style Sound (подписаться на новости)
Источник
Звуковое давление или что такое громкость (Часть 2)
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.
Таблица 2.2.
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:
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.
PдБ = 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.
рис. 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 !!!
Источник: https://art-complex.ru/
Источник
Расчет уровней звукового давления
Звуковое давление
Звуковое давление – меняющееся избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Уровень звукового давления – измеренное значение звукового давления, относительно опорного давления Рspl = 20 мкПа и соответствующему порогу слышимости звуковой волны частотой 1 кГц. Повышенный уровень звукового давления – причина возникновения шумового загрязнения. Для того, чтобы определить уровень звукового давления и определить мероприятия по его снижению производят специальный расчет:
- выявляют источник (источники) шума и его шумовые характеристики;
- выбирают расчетные точки, определяют допустимый уровень звукового давления в них;
- рассчитывают ожидаемые уровни звукового давления в расчетных точках;
- подсчитывают необходимое снижение шума;
- разрабатывают акустические и архитектурно-строительные меры, обеспечивающие снижение шума.
Уровень звукового давления определяют в расчетных точках, выбираемых или на рабочих местах, или в зонах с постоянным пребыванием людей на высоте 1,5 м от пола. Причем в помещении с одним или несколькими одинаковыми источниками две точки, одну – на рабочем месте в зоне прямого звука, вторую – в зоне отраженного звука и в месте постоянного пребывания людей. Если в помещении имеется несколько источников, уровни звуковой мощности которых отличаются на 10 дБ и более, точки выбирают на рабочих местах у источников с максимальными и минимальными уровнями.
Исходные данные для расчета:
- план и разрез помещения с расположением всех типов производственного оборудования и указанием расчетных точек;
- характеристики ограждающих строительных конструкций (материал, толщина, плотность и другие);
- шумовые характеристики и габариты источников шума.
Шумовые характеристики оборудования приведены заводом-изготовителем в документации. Это могут быть: октавные Lw, корректированные LwА, эквивалентные LwАэкв или максимальные LwАмакс корректированные уровни звуковой мощности. Допускаются характеристики в виде октавных уровней звукового давления L или уровней звука на рабочем месте Lд (на определенном расстоянии).
Октавные уровни звукового давления L, дБ, в расчетных точках помещений (с отношением наибольшего к наименьшему размеру не более 5) при работе одного источника шума следует определять по формуле (1) L = Lw +10 lg ((χ Ф)/( Ω r²) + 4/kB), где Lw — октавный уровень звуковой мощности, дБ;
χ — коэффициент, учитывающий влияние ближнего поля в тех случаях, когда расстояние r меньше удвоенного максимального габарита источника (r<2lмакс) (табличные данные);
Ф — фактор направленности источника шума (для источников с равномерным излучением Ф = 1);
Ω — пространственный угол излучения источника, радиан (табличные данные);
r — размер от акустического центра источника шума до расчетной точки, м;
k — коэффициент искажения звукового поля в помещении (табличные данные, в зависимости от среднего коэффициента звукопоглощения αср);
B — акустическая константа помещения, м², определяемая по формуле (2) B = A /(1- αcp),
А — эквивалентная площадь звукопоглощения, м², определяемая по формуле:
Si -площадь i-й поверхности, м²;
Аj — эквивалентная площадь звукопоглощения j-го искуственного поглотителя, м²;
nj — количество j-ых искуственных поглотителей, шт.;
αcp — средний коэффициент звукопоглощения, определяемый по формуле (4) αcp = A /Sогр,
Sогр — суммарная площадь ограждающих поверхностей помещения, м².
Граничный радиус rгр, м, в помещении с одним источником шума — расстояние от акустического центра источника, на котором плотность энергии прямого звука равна плотности энергии отраженного звука, определяют по формуле (5) rгр =√(B /4 Ω )
Если источник расположен на полу помещения, граничный радиус определяют по формуле (6) rгр=√В/8π =√В/25,12
Расчетные точки на расстоянии до 0,5 rгр считают находящимися в зоне прямого звука. В этом случае октавные уровни звукового давления следует определять по формуле (7) L = Lw +10 lg Ф + 10 lg χ – 20 lg r – 10 lg Ω.
Расчетные точки на расстоянии более 2 rгр считают находящимися в зоне отраженного звука. В этом случае октавные уровни звукового давления следует определять по формуле (8) L = Lw — 10 lg B – 10 lg k + 6.
Октавные уровни звукового давления L, дБ, в расчетных точках помещения с несколькими источниками шума следует определять по формуле:
где Lwi — октавный уровень звуковой мощности i-го источника, дБ;
χi, Фi, ri -то же, что и в формулах (1) и (6), но для i-го источника;
m — число источников шума, ближайших к расчетной точке (находящихся на расстоянии ri ≤ 5 rмин, где rмин — расстояние от расчетной точки до акустического центра ближайшего источника шума);
n — общее число источников шума в помещении;
k и В — то же, что и в формулах (1) и (8).
Если все n источников имеют одинаковую звуковую мощность Lwi, то
Если источник шума и расчетная точка расположены в одном помещении, расстояние между ними больше удвоенного максимального размера источника шума и между ними нет препятствий, экранирующих или отражающих шум в направлении расчетной точки, то октавные уровни звукового давления L, дБ, в расчетных точках следует определять: при точечном источнике шума (отдельная установка на территории, трансформатор и т.п.) — по формуле (11)
L = Lw – 20 lg r + 10 lg Ф — βa r/1000 — 10 lg Ω;
при протяженном источнике ограниченного размера (стена производственного здания, цепочка шахт вентиляционных систем на крыше производственного здания, трансформаторная подстанция с большим количеством открыто расположенных трансформаторов) — по формуле (12)
L = Lw – 15 lg r + 10 lg Ф — βa r/1000 — 10 lg Ω;
где Lw, r, Ф, Ω — то же, что и в формулах (1) и (7);
βа — затухание звука в атмосфере, дБ/км (табличные данные).
При расстоянии r ≤ 50 м затухание звука в атмосфере не учитывают.
Октавные уровни звукового давления L, дБ, в расчетных точках в изолируемом помещении, проникающие через ограждающую конструкцию из соседнего помещения с источником (источниками) шума или с территории, следует определять по формуле (13)
L = Lш – R + 10 lg S – 10 lg Bи – 10 lg k,
где Lш — октавный уровень звукового давления в помещении с источником шума на расстоянии 2 м от разделяющего помещения ограждения, дБ, определяют по формулам (1), (8) или (9); при шуме, проникающем в изолируемое помещение с территории, октавный уровень звукового давления Lш снаружи на расстоянии 2 м от ограждающей конструкции определяют по формулам (11) или (12);
R — изоляция воздушного шума ограждающей конструкцией, через которую проникает шум, дБ;
S — площадь ограждающей конструкции, м²;
Ви — акустическая постоянная изолируемого помещения, м²;
k — то же, что и в формуле (1).
Если ограждающая конструкция состоит из нескольких частей с различной звукоизоляцией (например, стена с окном и дверью), R определяют по формуле:
где Si — площадь i-й части, м²;
Ri — изоляция воздушного шума i-й частью, дБ.
Если ограждающая конструкция состоит из двух частей с различной звукоизоляцией (R1>R2), R определяют по формуле:
При R1>>R2 и определенном соотношении S1/S2 допускается вместо звукоизоляции ограждающей конструкции R при расчетах по формуле (13) вводить звукоизоляцию слабой части составного ограждения R2 и ее площадь S2.
Эквивалентный и максимальный уровни звука LA, дБ, создаваемого внешним транспортом и проникающего в помещения через наружную стену с окном (окнами), следует определять по формуле (16) L = LA2м – RАтран.о + 10 lg So – 10 lg Bи – 10 lg k,
Где LA2м — эквивалентный (максимальный) уровень звука снаружи на расстоянии 2 м от ограждения, дБ;
RАтран.о — изоляция внешнего транспортного шума окном, дБ;
So — площадь окна (окон), м²;
Bи — акустическая постоянная помещения, м² (в октавной полосе 500 Гц);
k — то же, что и в формуле (1).
Для жилых и административных помещений, гостиниц, общежитий площадью до 25 м² LA, дБ, определяют по формуле (17) LA = LA2м – RАтран.о – 5.
Октавные уровни звукового давления в защищаемом от шума помещении в тех случаях, когда источники шума находятся в другом здании, следует определять в несколько этапов:
1) определяют октавные уровни звуковой мощности шума Lwпр, дБ, прошедшего через наружное ограждение (или несколько ограждений) на территорию, по формуле:
где Lwi — октавный уровень звуковой мощности i-го источника, дБ;
Bш — акустическая константа помещения с источниками шума, м2;
S — площадь ограждения, м²;
R — изоляция воздушного шума ограждением, дБ;
2) определяют октавные уровни звукового давления для вспомогательной расчетной точки на расстоянии 2 м от наружного ограждения защищаемого от шума помещения по формулам (10) или (11) от каждого из источников шума. При расчете надо учесть, что для расчетных точек в пределах 10° от плоскости стены здания вводится поправка на направленность излучения 10 lg Ф = — 5 дБ;
3) определяют суммарные октавные уровни звукового давления Lсум, дБ, во вспомогательной расчетной точке (на расстоянии 2 м от наружного ограждения защищаемого от шума помещения) от всех источников шума по формуле:
где Li — уровень звукового давления от i-го источника, дБ;
4) определяют октавные уровни звукового давления L, дБ, в защищаемом от шума помещении по формуле (13), заменив в ней Lш на Lсум.
При непостоянном шуме октавные уровни звукового давления Lj, дБ, в расчетной точке следует определять по формулам (1), (7), (8), (9), (11), (12) или (13) для каждого отрезка времени τJ, мин., в течение которого уровень остается постоянным, заменяя в указанных формулах L на Lj.
Эквивалентные октавные уровни звукового давления Lэкв, дБ, за общее время воздействия T, мин., следует определять по формуле:
где τJ — время воздействия уровня Lj, мин.;
Lj — октавный уровень за время τJ, дБ.
За общее время воздействия шума T принимают: в производственных и служебных помещениях — продолжительность рабочей смены; в жилых и других помещениях, а также на территориях, где нормы установлены отдельно для дня и ночи, — продолжительность дня 7.00 — 23.00, ночи 23.00 — 7.00 ч.
Допускается в последнем случае принимать за время воздействия T днем — четырехчасовой период с наибольшими уровнями, ночью — одночасовой период с наибольшими уровнями.
Эквивалентные уровни звука непостоянного шума LAэкв, дБ, следует определять по формуле (20), заменяя Lэкв на LAэкв и Lj на LAj.
Также рекомендуем Вам следующий материал:
Сопутствующее оборудование
Источник