Основы ФАп. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности

• Название: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности
• Дата: 19.04.2022
• Размер: 7.93 Mb.
• Имя файла: Основы ФАп.doc
• Тип: Учебное пособие; #485368
• страница: 24 из 28

1. Приведите общие сведения о воспроизведение звука.

2. Дайте классификацию и основные параметры громкоговорителей.

3. Приведите схему системной модели громкоговорителя

4. Как работает электродинамические громкоговорители ?

5. Как работает электростатические громкоговорители ?

6. Как работает электродинамическиерупорные громкоговорители ?

7. Какие типы акустических оформлений Вы знаете?

8.Что такое рупорные системы?

9. В чём заключается специализация головок?

10. В чём заключается специализация АС?

11. Для чего нужны фильтры и корректирующие цепи?

12. Какие характеристики и искажения в громкоговорителях Вы знаете?

13. Для чего нужны сабвуферы?

14. Расскажите устройство проигрывателя грампластинок.

15. Расскажите устройство проигрыватели компакт-кассет.

16. Расскажите устройство проигрыватели компакт-дисков.

17. Что такое моно и стерео воспроизведение звука.

ГЛАВА 8. АКУСТИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
8.1. Общие сведения

Большое место в оценке акустических свойств помещений и открытых пространств принадлежит акустическим измерениям. Они, в конечном счете, подтверждают правильность проектных и расчетных решений. Объектами измерений служат студии звукозаписи, звукового и телевизионного вещания, театральные и концертные залы, учебные аудитории, производственные помещения. В последние годы объектами измерений стали помещения культового назначения - храмы различных конфессий. Кроме того, для оценки шумового режима в жилой застройке, квартирах, на улицах применяется акустический мониторинг (контроль)[1,12,14].

Методов измерения параметров и оценки акустических качеств помещений, которые однозначно и сравнительно просто характеризовали бы акустические качества помещений, пока не существует. Поэтому акустические свойства помещений определяют различными способами. В их число входят:

• 
  измерения времени реверберации в зависимости от частоты «по точкам» или с непрерывной записью измеренных данных в виде графиков:
  
• 
  регистрация пространственного распределения поля отраженных волн, приходящих в исследуемую точку помещения с различных направлений;
  
• 
  регистрация коротких импульсных сигналов прямого звука и запаздывающих сигналов, приходящих в рассматриваемую точку помещения после отражений от стен, пола и потолка помещения;
  
• 
  запись собственного спектра резонансных частот помещения, особенно в области нижних частот, в которой частоты расположены относительно редко;
  

Предложены и используются и другие методы оценки акустических качеств помещений, а также салонов автомобилей.

Основными показателями, характеризующими акустические свойства помещений, являются время реверберации, его частотный ход, спектр собственных частот как функция формы и линейных размеров помещения, временная структура запаздывающих сигналов, степень диффузности звукового поля, уровень проникающих шумов. От этих объективных показателей зависят субъективные качества звучания музыки и речи. Время реверберации - функция звукопоглощающих свойств материалов, покрывающих преграды помещения, и материалов, из которых изготовлены предметы, находящиеся в помещении.
Основные понятия и определения изложены в первой части пособия. Интенсивность звука - это энергия, переносимая звуковой волной за одну секунду через поверхность в один квадратный метр, перпендикулярную направлению распространения звуковой волны. За единицу интенсивности звука принимают Вт/м².

В интервале звуковых частот наименьшая интенсивность звука, при которой возникает слуховое ощущение, называется пороговой. Эта величина зависит от частоты и имеет минимальное значение в области частот 1-3кГц. При этой частоте порог слышимости по интенсивности составляет I₀= 10^-12 Вт/м². Интенсивность звука в 10Вт/м² вызывает болевое ощущение в ушах человека и называется порогом болевого ощущения. Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления и определяется по формуле [13, 29,32]:

 (8.1)

где р - звуковое давление, Па;- плотность среды, кг/м³; с - скорость распространения звука, м/с. Так как, ухо человека воспринимает звуки в очень большом диапазоне интенсивностей от 10^-12 до 10 Вт/м² и реагирует на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное, то пользоваться для оценки интенсивности звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления неудобно. Поэтому принято измерять не абсолютные значения интенсивности и звукового давления, а относительные их уровни по отношению к пороговым значениям: I_о= 10^-12 Вт/м² и р_о = 2·10 ^-5Па.

Уровень интенсивности звука можно определить в децибелах

 (8.2)

Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то можно записать, также в дБ

 (8.3)

где: р - величина звукового давления в точке измерения, Па; р₀ = 2·10^-5 Па - пороговая величина звукового давления. Наконец, можно оценивать мощность звука в ваттах. Тогда запишем:

 , (8.4)

где: p- звуковая мощность, Вт; =10^-12 Вт - пороговое значение мощности звука.

Диапазон уровней слышимых звуков составляет примерно 120 дБ. Изменения уровня звукового давления меньше 1 дБ практически на слух не воспринимаются. Наряду с объективными параметрами - уровнями интенсивности звука в акустике используются субъективные параметры - уровни громкости, являющиеся мерой слухового ощущения:

 (8.5)

где I₁₀₀₀ - интенсивность тона частоты 1000 Гц, равногромкого данному звуку. В отличие от уровня интенсивности звука уровни громкости отсчитываются от порога слышимости на данной рассматриваемой частоте, а не от порога слышимости на частоте 1000 Гц. По этой причине числовые значения уровней громкости, как правило, ниже числовых значений уровней интенсивности звука. Чтобы отличить эти два понятия, уровни громкости выражают не в децибелах, в иных величинах - фонах. В некоторых руководствах для выражения уровня громкости используются обозначения дБА. Этот символ обозначает, что уровни громкости измеряются шумомерами, в которых для имитации частотных свойств слуха используется фильтр типа А, который имитирует свойства слуха при тихих звуках с уровнем громкости L =40 фон. Его применяют при измерении звуков, в том числе шумов с уровнями громкости от 20 до 55 фон. Следует указать на некорректность использования фильтра типа Апри измерении больших шумов. Фильтр типа В используют при уровнях громкости от 55 до 85 фон. При больших громкостях (L> 85 фон) необходимо применять фильтр типа С,с практически горизонтальной амплитудно-частотной характеристикой. При оценке интенсивности шумов пользуются понятием предельного спектра(ПС). Уровни громкости акустических шумов сравнивают с нормами, выраженными номером предельного спектра. В этом понятии выражена интенсивность звука и спектральное распределение её мощности. Номер предельного спектра численно равен уровню звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц. Предельные спектры даны в Санитарных нормах. Общий или корректированный уровень громкости шума измеряется по частотной характеристике шумомера типа А и обозначается L_А, дБА. Для ориентировочной оценки в качестве характеристики постоянного шума на рабочих местах уровень шума выражают в дБА. Для оценки непостоянного шума используется относительная доза шума (ГОСТ 12.1.003 - 83) или эквивалентный уровень громкости Lа_экв. Величина Lа_экв определяется (рассчитывается) на основании измерения уровней громкости в дБА в течение наиболее шумного получаса. Эквивалентный уровень громкости рассчитывается по формуле (ГОСТ 20444-75) Потоки транспортные в населенных пунктах. (Метод определения шумовой характеристики):

 (8.6)

где: L_i - средний уровень громкости звука класса i в дБА, измеряемый шумомером; f_i- время воздействия шума класса I в процентах от общего времени измерения.
8.2. Измерение времени реверберации

Время реверберации - один из основных показателей, характеризующих акустические свойства помещения. Это время, за которое звуковая энергия Е в помещении после прекращения действия источника звука уменьшится в 10⁶ раз, звуковое давление р в 10³ раз, а уровень интенсивности звука N - на 60 дБ. Метод измерений основан на оценке характера спадания звуковой энергии в помещении после выключения источника звука. В упрощенном виде этот спад изображен на (рис.8.1). Известны несколько способов измерения времени реверберации в помещениях [1,12,14]:

1. 
   Возбуждение звукового поля в помещении полосками "белого" шума (октавными, полуоктавными, третьоктавными), регистрация спада уровней после выключения источника звука с помощью светодиодного табло, экрана осциллографической трубки, самописца уровней.
   
2. 
   Возбуждение звукового поля импульсом, создаваемым выстрелом из спортивного (стартового) пистолета, или разрядом конденсатора и регистрацией вышеописанными способами.
   
3. 
   Возбуждение звуковым импульсом и запись процесса спада уровней на магнитную ленту или в память персональной ЭВМ и последующий анализ (расшифровка) записи в лабораторных условиях.
   
4. 
   Возбуждения звукового поля полосками «белого» шума, создаваемого генератором шума, и запись спада уровней вышеуказанными способами.
   
5. 
   Возбуждения поля выстрелом из стартового пистолета или разрядом конденсатора, записью вышеуказанными способами и последующая расшифровка в лаборатории с помощью анализатора спектра или с помощью персональной ЭВМ, снабженной программой, имитирующей действие анализатора спектра.
   
6. 
   Пользуются субъективным методом – оценивают время реверберации «на слух». Тренированные эксперты совершают ошибку оценки времени реверберации в пределах от 0,5 до 2,0сек, с погрешностью не более 0,1сек. Но в этом случае невозможно определить изменение времени реверберации по диапазону частот.
   

Статистические понятия архитектурной акустики опираются на представление о диффузности звукового поля. Из этого понятия следует принцип энергетического сложения сигналов, отраженных от преград помещения. Поэтому синусоидальные измерительные сигналы не пригодны для архитектурно - акустических измерений. При измерениях в закрытых помещениях применяют измерительные сигналы с широкополосным спектром. Результат измерений относят к средней частоте этой полосы. Чаще всего употребляют следующие сигналы:

• 
  напряжения с меняющейся частотой, т.н. «воющие» тоны;
  
• 
  полосы белого (статистического) шума с шириной полосы в пределах октавы, полуоктавы и третьоктавы;
  
• 
  короткие импульсные сигналы с очень широким спектром, возбуждаемые, например, выстрелом из спортивного стартового пистолета или искровым разрядом конденсатора большой емкости.
  
• 
  
  

Рисунок 8.1. Идеализированные графики спада интенсивности звука в

процессе реверберации: а) - в линейном масштабе (экспонента), б) - в полулогарифмическом масштабе (прямая).
Структурная схема установки изображена на (рис.8.2). В качестве источника измерительного напряжения чаще всего используют генератор белого шума ПИ. Чтобы было возможно определять время реверберации в различных областях звуковых частот, в структурную схему установки включают перестраиваемый полосовой фильтр ПФ.



Рисунок 8.2. Структурная схема установка для измерения времени реверберации.
Вместо генератора шума и перестраиваемых полосовых фильтров иногда применяют готовую фонограмму, содержащую шумовые полосы в различных областях частот. Тогда в передающей части применяют магнитофон и усилитель мощности УМ. Для фиксации спада уровней в процессе реверберации используют табло со светодиодами или осциллографическое устройство на трубке с длительным послесвечением.

В приёмную часть измерительной установки входят микрофон и световое табло на светодиодах или осциллографическое устройство на трубке с длительным послесвечением. Коммутатор (К), управляемый времязадающим устройством (ВЗУ), через определённые промежутки времени подаёт на светодиоды или на устройство, управляющее свечением луча электронно-лучевой трубки, напряжение, снимаемое с микрофона. В результате на табло или на экране осциллографа высвечиваются точки, высота которых характеризует спад интенсивности звукового поля в помещении. Поскольку в цепь микрофона включен лога-рифматорLog, положение светящихся точек пропорционально уровню N.В качестве приемной части тракта использован персональный компьютер (ПК).

Отнесем перепад уровней ∆N к длительности процесса отзвука ∆t(рис.3.3). Ввиду наличия в обследуемом помещении акустических шумов зафиксировать спад уровней на 60дБ не всегда удаётся. Поэтому время реверберации T находят из пропорции:

 (8.7)

Отсюда Т = 60· / (8.8)

Время реверберации определяют на полосках шума со средними частотами 125, 250, 500, 1000, 2000 и 4000 Гц. Выше 4000 Гц измерять Т не имеет смысла, так в процессе реверберации в этом случае решающую роль приобретает затухание звуковой энергии в воздухе. На частотах менее 125 Гц наблюдается большой разброс экспериментальных данных, так как оказывают заметное влияние собственные резонансы (моды)помещения.

Магнитную ленту с фонограммой склеивают в кольцо и многократно воспроизводят, поочерёдно включая полосовые фильтры, настроенные на разные полоски частот. В настоящее время процесс магнитной записи заменяют фиксированием процесса реверберации в памяти персональной ЭВМ и многократным последующим анализом по уровню и частоте. Данные измерения можно производить без магнитофона, используя персональный компьютер (ПК), снабженный звуковой картой.

Для упрощения и ускорения измерения используют автоматические устройства – реверберометры.Действие одного из видов реверберометров основано на накоплении (интегрировании) заряда на конденсаторе за время спада уровня звукового давления на 60 дБ и преобразования значения заряда в числовое значение времени реверберации. Структурная схема реверберометра изображена на (рис.8.5).

Источником звука служит генератор белого шума. Из его спектра перестраиваемым полосовым фильтром ПФ вырезаются узкие полоски - октавные, полуоктавные или третьоктавные. Измерительный сигнал подается на громкоговоритель, устанавливаемый в контролируемом помещении.


Рисунок 8.3. Графические построения для определения времени

реверберации.

Рисунок 8.4. Структурная схема установки с записью на магнитную ленту (или персональный компьютер) для определения времени реверберации (приемная часть).
Собственно реверберометр содержит измерительный микрофон (М), микрофонный усилитель, выпрямитель (В), накопительный конденсатор (С), вычислительный устройство (ВУ) и измерительный прибор, шкала которого проградуирована в значениях времени реверберации.

В момент выключения громкоговорителя автоматически включается микрофон, и начинается заряд конденсатора (С). Из-за наличия акустических шумов помещения и электрических шумов аппаратуры зарегистрировать спад уровня на 60 дБ затруднительно. Поэтому ограничиваются тем, что устройство фиксирует длительность спада уровня за время на меньшее число децибел ∆N, например, на 30, а вычислительное устройство пересчитывает это значение в спад уровня на 60 дБ и определяет соответствующее ему время реверберации:


Рисунок 8.5. Структурная схема установки с реверберометром.

.  (8.9)

Момент подключения конденсатора к выпрямителю определяется установлением в помещении стационарного поля, а момент переключения конденсатора на вычислительное устройство - спадом уровня на заданное значение уровня. Вычислительное устройство преобразует заряд (О) в числовое значение времени реверберации.

Время реверберации измеряют не только на частоте 500 Гц, которая является опорной для всех акустических измерений, но и на других частотах в диапазоне от 125 до 4000 Гц. Это делают с целью выявления степени несоответствия измеренной частотной характеристики времени реверберации с рекомендованной. Но в отношении рекомендаций, разброс суждений велик — от горизонтальной, в указанном диапазоне частот, до характеристики с подъёмами на границах этого диапазона на 30-50 %.
8.3. Измерение коэффициента звукопоглощения материалов

Коэффициент звукопоглощения (далее - коэффициент поглощения) - это отношение энергии, поглощённой материалом, к энергии волны, падающей на поверхность материала [1,12,14]:

(8.10)

Для его определения пользуются реверберационной («гулкой») камерой и трубой (акустическим волноводом). Камера, в которой измеряют коэффициент звукопоглощения, обычно имеет объем не менее 100м³. Время реверберации на нижних частотах составляет 10-15 сек. Оно уменьшается с ростом частоты.

Коэффициент поглощения материала измеряют в условиях диффузного поля. Время реверберации измеряют дважды: до внесения в камеру исследуемого материала и после внесения образца материала. Образцы исследуемого материала могут нарушить диффузность поля. Чтобы этого не случилось, образцы располагают так, чтобы они образовывали рассеивающую конструкцию, например, трехгранной формы. Чтобы не считаться с явлениями дифракции, площадь образцов должна быть не менее нескольких квадратных метров.

Обозначим площадь образца Sм, объем камеры V, время реверберации пустой камеры Т_0, время реверберации после внесения образцов Тм, тогда коэффициент поглощения образца материала.

. (8.11)

Полученное значение характеризует свойства материала в диффузном поле, что соответствует реальным условиям применения материала. Однако воспользоваться реверберационной камерой не всегда возможно. Более простой способ измерения — измерения в акустическом волноводе (трубе). Схема установки изображена на (рис.8.6).



Рисунок 8.6. Схема установки для измерения коэффициента звукопоглощения в акустическом волноводе (трубе).
В одном конце трубы помещается источник звука громкоговоритель Гр, в другом — образец исследуемого материала Обр. Падающая на образец волна частично отражается. Взаимодействие падающей и отраженной волн приводит к образованию стоячих волн с максимумами (пучностями) звукового давления р_max и минимумами (узлами) звукового давления p_min . Расстояние между ними составляет λ/4. Пучности и узлы отыскивают с помощью измерительного прибора (И), соединенного с измерительным микрофоном М, перемещаемым внутри трубы. Звуковое давление в пучности:p_max = p_пр+ p_отр= p_отрp_пр

причем р _отр - отражения по звуковому давлению.Соответственно, коэффициент отражения по интенсивности звука будет равен:

, (8.12)

а коэффициент поглощения по интенсивности:

(8.13)

На (рис.8.7) приведены графики изменения в зависимости от частоты, полученные на установке с трубой Лаборатории акустики МТУСИ.


Рисунок 8.7. Примеры экспериментально полученных частотных характеристик коэффициента звукопоглощения перфорированной, конструкции (1) и минерального войлока (2).
Полученные таким образом коэффициенты поглощения будут характеризовать материал при нормальном (перпендикулярном) падении волн и будут отличаться от значений коэффициента поглощения, полученных измерениями в реверберационной камере.

Заметим попутно, что формула Сэбина для расчета времени реверберации была выведена в предположении любых направлений падения волн на преграды, т.е. в предположении диффузного поля, а формула Эйринга была выведена в предположении, что волны падают на преграды под углами близкими к нормали. Поэтому, строго говоря, в формулу Сэбина следовало бы подставлять значения коэффициента поглощения, полученные реверберационным методом, а в формулу Эйринга - измеренные в поле плоских волн при нормальном падении, т.е. полученные методом стоячих волн, в трубе.

Однако, учитывая приближённый характер расчетов времени реверберации, этими тонкостями обычно пренебрегают, и их не оговаривают.


8.4. Измерение звукоизоляции

Словом «звукоизоляция» обозначают меры по защите помещения от проникновения в него звуков извне. Звуки проникают в помещение сквозь преграды, окружающие помещение (стены, пол, потолок), по конструкциям перекрытий (балкам, железобетонным конструкциям) и воздушным путём — по вентиляционным каналам системы кондиционирования воздуха. Числовой мерой звукоизоляции служит разность уровней шума вне и внутри помещения. Исследования звукоизоляции включают в себя две задачи [1,12,14]:

1. 
   оценку звукоизоляции отдельных строительных конструкций;
   
2. 
   определение уровня проникающих шумов в готовое помещение.
   

По мере развития знаний о звукоизоляции отдельных строительных конструкций и накопления статистических данных о них объём необходимых исследований уменьшается, а накопленные знания сводятся воедино в виде рекомендаций и таблиц.

Задача проектировщика сводится в этом случае к выбору конструкций, обеспечивающих заданное значение звукоизоляции. Всё большее значение приобретают контрольные измерения уровня проникающих шумов в готовых помещениях с целью проверки их соответствия нормам.

Несмотря на видимую простоту определения звукоизоляции, в решении этой задачи имеются сложности. При измерении звукоизоляции отдельных строительных конструкций, например, плит перекрытий, панелей стен, конструкций дверей, нужно быть уверенным в том, что звук действительно проходит сквозь данную конструкцию, а не каким-то окольным путем - сквозь щели, части преград самих звукомерных камер. Необходимо также убедиться в том, что стоячие волны, возникающие в звукомерных камерах и приводящие к возбуждению резонансных колебаний, не искажают результаты измерений, а следовательно, и числовую оценку звукоизоляции.

Помещение, в котором при измерениях находится источник звука, должно быть тщательно изолировано от вторичного помещения, в котором находится приёмная аппаратура, прежде всего, измерительный микрофон шумомера. Акустический измерительный комплекс (рис.8.8) включает две реверберационных («гулкие») камеры 1 и 2, соединенные проемом, и аппаратную 5, в которой находятся источник измерительного сигнала и измерительная аппаратура 6. В проеме с помощью герметизирующих и виброизолирующих прокладок 3 укрепляют исследуемый образец преграды 4. Прокладки служат для того, чтобы звуковая энергия не проникала сквозь щели и зазоры между образцом и стеной камеры из камеры 1 в камеру 2, а вибрации образца не передавались стене между камерами.

Улучшению диффузности поля способствует непараллельность противоположных преград камер. В качестве источника измерительного сигнала используют третьоктавный генератор шума, или генератор качающейся частоты. «Размытость» спектра измерительного сигнала способствует уменьшению влияния стоячих волн, которые могли бы возникать в реверберационных камерах. Уровни измерительных сигналов в камерах определяют с помощью микрофонов М₁ и М₂.


Рисунок 8.8. План акустического измерительного комплекса для измерения звукоизоляции образцов стен и перекрытий.
Численное значение звукоизоляции преграды находят по формуле,

3И = N₁ – N₂ – 10lg (A/S), (8.14)

в которой N₁ – N₂ - разность уровней вне и внутри преграды, т.е. звукоизоляция помещения, поправка 10lg (A/S) учитывает дополнительное уменьшение уровня в реверберационной камере 2, вызванное поглощением звуковой энергии, прошедшей извне в камеру 2, обусловленное поглощением энергии преградами камеры 2, А - количество единиц поглощения, создаваемого преградами с площадью S.

A = S

Строго рассуждая, следовало бы учитывать поглощение энергии преградами камеры 2, но коэффициенты поглощения преград камеры малы, и ими можно пренебречь. Поэтому учитывают только поглощение звуковой энергии поверхностью исследуемого образца с площадью S_обр.

Количество единиц поглощения (А), присутствующее в выражении для собственной звукоизоляции образца, находят по формуле Сэбина, преобразованной в отношении (А):

А = V/6T,

причем V - объем камеры 2, (Т)- измеренное время реверберации в ней.

Для уменьшения погрешности измерений, вызываемой неравномерностью поля в камерах, измерения уровней проводят при различных ориентациях микрофонов М₁ и М₂. Положением микрофонов управляют дистанционно из аппаратной 5, в которой находится измерительная аппаратура 6.

Проверку звукоизоляции помещений (концертных и театральных залов, залов кинотеатров, акустических лабораторий и т.д.) проводят, измеряя уровни шума вне и внутри помещения. Числовое значение звукоизоляции помещения.
8.5. Измерение уровня акустического шума

Для измерения шумов выпускается много шумомеров (Рис.8.9). С их помощью осуществляется контроль за следующими параметрами шума [12,14,22,29,30]:

• 
  Контроль мгновенного уровня шума.
  
• 
  Контроль среднего уровня шума.
  
• 
  Оценка импульсивности.
  
• 
  Обнаружение чистого тона.
  
• 
  Измерение мощности звука.
  
• 
  Определение местоположения источника.
  
• 
  Время реверберации.
  
• 
  Строительная акустика.
  
• 
  Воздействие шума на человека.
  
• 
  Выбор защиты слуха.
  
• 
  Изменение шума дорожного движения.
  
• 
  Вклад промышленного шума.
  
• 
  Постоянный мониторинг шума.
  

• 
  Предельно допустимый уровень шума, (ПДУШ), дБ (А).
  
• 
  Допустимый уровень шума (допустимый уровень звукового давления) (ДУШ), дБ (А).
  
• 
  Допустимый уровень ультразвука (ДУУ), дБ.
  
• 
  Предельно допустимый уровень инфразвука (ПДУИ), дБ.
  
• 
  Предельно допустимая шумовая характеристика машин и механизмов (ПДШХ).
  
• 
  Технически достижимая шумовая характеристика машин и механизмов (ТДШХ).
  

. Общие требования к методам измерения изложены в следующей литературе:

• 
  ГОСТ 23 33 7-78 «Шум. Методы измерения на селитебной территории и в помещениях жилых и общественных зданий», М., Стандарт, 1978 г.;
  
• 
  Санитарных норм СН 2.2.4./21.8.562-96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки»;
  
• 
  ГОСТ 20444-85 «Шум транспортных потоков. Методы измеренияшумовой характеристики», М. Стандарт, 1985г.;
  
• 
  ГОСТ 23941—79 (СТ СЭВ 541—77);
  
• 
  ИСО 2204 «Акустика. Руководящие указания для международных стандартов по измерению воздушного акустического шума и оценке его влияния на людей».
  

Методы измерений делят на: ориентировочный, контрольный и специальный. По ИСО 2204, соответственно, ориентировочный, технический и точный.

ГОСТ 23337—78 (СТ СЭВ 2600—80) устанавливает методы измерения шумовых характеристик мест нахождения людей. За шумовые характеристики приняты октавные Уровни звукового давления, уровень звука, эквивалентный уровень звука, а также максимальный уровень звука.

В соответствии со стандартом постоянный шум оценивается уровнем звука. допускается оценка постоянного Шума уровнем звукового давления в октавных полосах в диапазоне среднегеометрических частот от 63 до 8000 Гц. Непостоянный (колеблющийся во времени, прерывистый и импульсный) шум оценивается эквивалентным уровнем звука. Непостоянный шум на селитебной территории, а также шум в жилых и общественных помещениях от источников шума, находящихся в них (например, инженерного, санитарно-технического оборудования и т.д.) дополнительно оценивается максимальным уровнем звука.

Шум измеряют в помещениях, оборудованных в соответствии со своим назначением. Если шум измеряют в необорудованных помещениях, в измеренные уровни шума необходимо внести поправку на степень звукопоглощения.

Измерения в помещениях зданий проводят не менее, чем в трех точках, равномерно распределенных по помещению, не ближе 1 м от стен и не больше 1,5 м от окон помещения на высоте (1,2—1,5) м. При этом, если источники шума находятся внутри зданий, окна и двери должны быть закрыты, а если вне зданий, то окна и двери должны быть закрыты, а форточки и фрамуги открыты.

Время t шума следует принимать днем непрерывно в течение 8 часов, ночью (в наиболее шумный период) в течение 0,5 часа Продолжительность измерения шума (t_m) устанавливается в зависимости от характера шума. Продолжительность измерения постоянного шума должна составлять не менее З мин. В каждой точке проводят не менее трех отсчетов. Измерения непостоянного шума проводятся в периоды времени (t) оценки шума, которые охватывают все типичные изменения шумового режима в точке оценки. Продолжительность каждого измерения (t_m) непостоянного шума должна быть не менее 30 мин.

Прерывистые шумы, уровни звука которых остаются постоянными в интервалах 30 мин и более, следует измерять в течение полного цикла характерного действия прерывистых шумов в дневное или ночное время. Уровни звука прерывистых шумов, которые остаются постоянными в интервалах менее чем 0,5 мин, а также колеблющихся во времени и импульсных, необходимо отсчитывать с интервалами от 5 до 6 сек. В каждой точке за период измерений должно быть проведено 360 отсчетов уровней звука. Уровни звука прерывистых шумов, которые остаются постоянными в интервалах 0,5 мин и более, следует отсчитывать в каждом из этих интервалов, а также в паузах между ними. Длительность интервалов, в течение которых уровни звука прерывистых шумов остаются постоянными, и пауз между ними должны хронометрировать с точностью до 0,1 мин.

Микрофон при измерениях должен быть направлен в сторону основного источника шума и удален не менее чем на 0,5 м от оператора, проводящего измерения. Переключатель частотной характеристики измерительной аппаратуры, при проведении измерений октавных уровней звукового давления, следует устанавливать в соответствии с инструкцией, прилагаемой к приборам, а при измерении уровня звука — в Положение А. Переключатель временной характеристики шумомера, спектрометра, измерительного усилителя или дозиметра шума должен быть установлен в положение - 8 («медленно») при измерении постоянных и прерывистых шумов, в положение - F («быстро») при измерении колеблющихся во времени шумов и в положение / («импульс») при измерении импульсных шумов.

Значения октавных уровней звукового давления и уровней звука постоянных и прерывистых шумов следует принимать по средним показаниям при колебаниях стрелки прибора. Значения уровней звука, колеблющихся во времени, и импульсных шумов следует принимать по показаниям прибора в момент отсчета. Значения октавных уровней звукового давления и уровней звука следует считывать со шкалы прибора с точностью до 1дБ.

В случае постоянных шумов определяют среднее значение октавных уровней звукового давления и уровней звука в каждой точке и для данной площадки или помещения в целом. Эквивалентные уровни звука прерывистых шумов, уровни звука которых остаются постоянными в интервалах менее чем 0,5мин, а также колеблющихся во времени и импульсных шумов в каждой точке рассчитывают соответствии с ГОСТ 23337-78.

В настоящее время для измерения уровней шума, особенно непостоянного, широко используются персональные компьютеры. Основным документом по определению общих технических требований к шумомерам, является ГОСТ 17187 — 81 Шумомеры. Общие технические требования и методы испытаний.

Шумомеры изготовляют в соответствии с требованиями этого стандарта и технических условий на конкретный шумомер.

Шумомер состоит из измерительного микрофона, электрической цепи с корректирующими фильтрами и измерительного прибора с заданными временными характеристиками (рис.8.9). Для защиты микрофона от ветра применяют ветрозащитные устройства, для выравнивания частотной характеристики микрофона по диффузному полю применяют корректирующие устройства.


Рисунок 8.9 Структурная схема шумомера: А, В, С - фильтры (контуры), имитирующие частотные характеристики слуха при разных громкостях ; , — интегрирующие цепи. РЧ - регулятор чувствительности, УЗЧ — усилитель звуковых частот. Д — детектор. Log - функциональный преобразователь. УПТ - усилитель постоянного тока. ПП — показывающий прибор.
Показания шумомеров выражают в фонах (с учетом слухового восприятия) или в децибелах относительно опорного звукового давления 20 мкПа. Шумомер обычно имеет фильтр с частотной характеристикой типа А. Другие шумомеры дополнительно могут .иметь фильтры с частотными характеристиками типа В, С, D согласно (рис.8.10).

Фильтры с характеристиками типа (А, В, С) имитируют частотные характеристики слуха при разной интенсивности звука.

Фильтр типа (А) применяют при измерениях уровня шума от 20 до 55фон. Фильтр (В) при уровнях от 55 до 85фон. Фильтр типа (С) (практически горизонтальная АЧХ) при уровнях свыше 85фон.

Фильтр с характеристикой типа (D) применяется при измерении тональных шумов.

Шумомеры могут иметь временные характеристики:

• 
  F (быстро),
  
• 
  S(медленно),
  
• 
  / (импульс)
  

Для измерения пикового значения импульсных шумов применяют шумомеры с характеристикой Пик. Микрофон шумомера является ненаправленным приемником звукового давления нулевого порядка.

Интегрирующие шумомерыпредназначены для измерения уровня звука, усредненного за сравнительно большой промежуток времени от нескольких секунд до десятков часов, измеряемая величина называется «эквивалентным уровнем звука» или «эквивалентным постоянным уровнем громкости звука» (Lэкв). Ее выражают в фонах или в децибелах с указанием вида коррекции например дБА.

Интегрирующий шумомер может измерять также величину, называемую «уровнем воздействующего звука» (Nэкв), выражаемую также в децибелах с указанием вида коррекции. Фильтры полосовые, октавные или третьоктавные, предназначены для выделения из спектра шума звуковой энергии в диапазонах частот, определяемых полосой пропускания фильтра. Комплект фильтров состоит из набора фильтров. Граничные частоты двух смежных фильтров в комплекте совпадают, средние геометрические частоты подчиняются закономерности f_m=1000 10^n/10, где n — целое положительное или отрицательное число ряда натуральных чисел, либо нуль; 1000 - основная частота ряда в Гц. Ряд предпочтительных частот получен путем округления значений, вычисленных по формуле для f_m.



Рисунок 8.10 Частотные характеристики фильтров шумомеров.
Подготовка аппаратуры. Перед началом измерений надлежит проверить работоспособность всех приборов, проследить, чтобы вся аппаратура была электрически правильно соединена, а также постараться исключить влияние внешних электрических полей. Затем с помощью эталонного источника звука, например пистонфона, необходимо провести акустическую калибровку микрофона.

Учет уровня помех. При необходимости проведения замеров в сложных условиях (сильные посторонние шумы, низкие значения измеряемых уровней, влияние ветра, сотрясений, внешних полей) существует опасность соизмеримости замеряемых уровней с уровнями помех. Поэтому необходимо провести измерения уровней помех. Эти замеры должны осуществляться на том же самом месте, с той же аппаратурой при отключенном исследуемом источнике шума и вибрации. Если при отключенном источнике звука и вибрации уровень помех меньше полезного сигнала на 10дБ, то воздействием помех можно пренебречь. Если разница между полезным сигналом и уровнем помех меньше указанного значения, то необходима корректировка измеренных значений, осуществляемая путем вычитания корректирующих поправок из измеренного уровня. Так, при разнице между измеренными значениями и уровнем помех от 6 до 9дБ и от 4 до 5дБ корректирующая поправка будет соответственно 1 и 2дБ.

Измерение воздушного шума. Сначала измеряемый уровень шума субъективно оценивается на слух, после чего выбирается подходящая измерительная аппаратура. Частотные и временные параметры должны при этом удовлетворять требованиям действующих норм и руководств.

Чтобы избежать погрешности в измерениях, оператор должен находиться на определенном расстоянии от микрофона. Погрешность особенно велика, если в спектре шума выделяются отдельные тона. Точные измерения должны в таких случаях проводиться на расстоянии не менее 2м. При широкополосных шумах и диффузных полях достаточна дистанция в 1м. Ручные шумомеры должны находиться на расстоянии не менее 30см от оператора.

Если в зоне измерения находятся люди, то замеры осуществляются с помощью шумомеров, откалиброванных в свободном звуковом поле.

При определении степени глушения звука шагов следует использовать чувствительность в диффузном звуковом поле. Соответствующие поправки рассчитываются из замеров в свободном звуковом поле под различными углами или вычисляются в реверберационной камере.

Определение излучаемой звуковой мощности. Важной задачей в акустических измерениях является определение мощности источника звука. Если такие измерения проводятся в открытом пространстве или в очень большом заглушенном помещении в пределах зоны прямого излучения, то следует определить в дальнем поле соответствующего источника уровень звукового давления N_j во многих точках полусферы и, исходя из этого, рассчитывать средний уровень звукового давления N_ср. На практике часто приходится проводить замеры на расстояниях значительно меньших, чем соответствующие уравнению. Тем не менее можно получить довольно точные значения мощности ( 1,5дБ).

Для воздушного звука уровень мощности N _p определяется из среднего уровня звукового давления N_ср по следующей формуле
N_p = N_ср + 10 Lg (S_H/S₀) дБ (8.15)
где S_H — площадь ограждения, м² ; S ₀ - приведенная площадь, 1м²

Мощность, излучаемая в реверберационную камеру, вычисляется из среднего уровня звука:

Р = (8.16)

Уровень звуковой мощности при замерах в воздухе

N_p = N_ср + 10 LgA дБ – 6дБ, (8.17)

где А = 0,16V/Т—эквивалентная площадь поглощения, м² (V—объем, м³ Т — время реверберации, с) Обычно N_ср — это средний уровень интенсивности звука в определенной полосе частот и соответственно N_p - уровень мощности в этой же полосе частот. Если N_ср - уровень в дБА, то уровень мощности N_pА также выражается в дБА.

Звуковая мощность Р_i падающая на участок площади S, например, на стенку, рассчитывается по формуле

P_i = (8.18)

Тем самым можно установить зависимость мощности Р₁, падающей на стенку, и мощности Р_2, прошедшей через стенку, которая создает в соседнем помещении давление p₂ и уровень N₂, и получить значение звукоизоляции:

R = 10lg P₁/P₂ = N₁- N₂ + 10lg S/A, дБ (8.19)

8.6. Некоторые варианты построения сети акустического мониторинга в условиях мегаполиса.

Устройства непрерывного мониторинга шума устанавливаются вблизи крупных промышленных предприятий, автострад, железнодорожных путей. Эти устройства могут работать в автономном режиме в течение многих часов, суток, недель. Современные приборы позволяют производить измерение и периодическую запись в память большого количества акустических параметров: текущих, эквивалентных, максимальных, пиковых и процентных уровней звука. Таким образом, отслеживается вся история изменения уровней шума, а полученные результаты обладают наилучшей статистической достоверностью и объективностью.

Широкое распространение получает применение статистических параметров: например процентных уровней. Статистические параметры позволяют легко выделить и отбросить случайные «всплески» уровней звука, которые могли быть вызваны посторонними явлениями, точно определить уровень фонового шума и т.д.

При построении системы акустического мониторинга городской среды следует иметь в виду, что он может быть периодическим, постоянным и комбинированным. Основные этапы мониторинга включают в себя:

1)систему контроля и оценки шумового режима;

2)планирование наблюдений;

3)режим наблюдений (постоянный или периодический);

4)сбор информации об акустическом загрязнении (текущая или нормативная);

5)обновление базы данных;

6)подсистемы оценки шумового загрязнения.

После оценки шумового загрязнения происходит воз вращение к новому планированию наблюдений и т,д. При периодическом мониторинге может быть использован комплект шумоизмерительной аппаратуры, состоящий из шумомера, анализатора шума, измерительных записывающих устройств и др.

Аппаратура может быть портативной или размещаться в подвижной акустической лаборатории, созданной на базе автомобиля. При этом в контрольных точках производят многократные измерения в соответствии с требованиями ГОСТов и санитарных норм, или производят запись шума на соответствующий носитель с последующим анализом в лабораторных условиях с помощью персонального компьютера.

Преимуществом этого метода является выбор времени измерения и точек измерения. Недостатком метода являются: отсутствие оперативной информации о шумовом режиме в городе; необходимость содержать определенное количество шумоизмерительной аппаратуры; необходимость иметь штат обученных работников и др.

Постоянные методы контроля более перспективны и надежны. Трудности осуществления постоянного контроля за шумами заключаются:

1)в выборе точек измерения;

2)в выборе измерительных микрофонов и аппаратуры, которые бы выдерживали агрессивную окружающую среду;

3)в выборе системы передачи информации о шумовом режиме в центр обработки информации.

Имеется ряд и других трудностей. Однако такая система постоянного контроля за шумовым режимом имеет и большие преимущества по сравнению с периодическим контролем, а именно, она дает:

1)оперативность;

2)надежность;

3)информацию о состояние шумового режима одновременно во всем городе или на важнейших улицах и перекрестках.

Существующие системы контроля за параметрами воздушного бассейна в г.Москве не могут быть использованы для контроля шумового режима из-за ограниченности точек измерения. Их количество очень мало и они не всегда размещены там, где это необходимо и поэтому не соответствует требованиям, предъявляемым к системам контроля за шумовым режимом. Системы видеонаблюдения за транспортными потоками можно было бы использовать и для контроля шумового режима, если бы число таких точек наблюдения соответствовало требованиям соответствующих санитарных норм. Существующие сети уличного освещения подходят для размещения на них контрольных пунктов акустического мониторинга с установкой микрофонов и соответствующей аппаратуры на столбах во всех районах города и на всех магистралях и перекрестках. Полученную от датчиков информацию о шумовом режиме можно передавать по проводам уличной осветительной сети. Это особенно удобно днем, когда с этой сети снято силовое напряжение, и она может быть полностью задействована для целей акустического мониторинга. При этом можно использовать частотное или временное уплотнение. В ночное время, когда на осветительную сеть подается напряжение, оно может быть использовано, например, для подзарядки аккумуляторов в пунктах акустического мониторинга. Необходимо создание ряда дополнительных устройств и оборудования. Данная система контроля требует дальнейших разработок. На (рис.8.11) приведена структурная схема мониторинга на основе использования радиоканала, служащего для передачи информации о шумовом режиме в городе.



Рисунок 8.11. Структурная схема акустического мониторинга с использованием радиоканала передачи информации.
В этом случае, кроме шумоизмерительной аппаратуры необходимо иметь радиопередатчик и радиоприемник. Эта система постоянного контроля имеет ряд недостатков:

1) требуется достаточно дорогое оборудование (радиопередатчик и радиоприемник);

2) необходимо выделение диапазона радиочастот для передачи данного вида информации, что в условиях загруженности всего радиочастотного диапазона такое выделение представляется довольно проблематичным.

В качестве радиоканалов, на быть использованы радио-микрофоны, каналы радиотелефонной и сотовой связи.



Рисунок 8.12. Структурная схема акустического мониторинга с передачей информации в центр обработки информации с использованием проводного и радиоканала.



Рисунок 8.13. Приведена структурная схема построения сети акустического мониторинга в мегаполисе на основе использования сетей проводного вещания и массового оповещения.
На (рис.8.12), приведена структурная схема построения сети постоянного контроля за шумовым режимом с использованием комбинированных проводных и радиоканалов. Данная система мониторинга обладает достоинствами и недостатками сетей с использованием, как радио, так и проводных каналов.

На (рис.8.13) приведена структурная схема построения сети акустического мониторинга в мегаполисе на основе использования сетей проводного вещания и массового оповещения. Эта система контроля обладает рядом преимуществ по сравнению с другими системами контроля:

1) Уличная сеть проводного вещания и массового оповещения существует реально на основных магистралях города;

2) В этой системе можно вместо измерительных микрофонов использовать уличные громкоговорители.

Контрольные вопросы к главе 8

1. 
   Что такое интенсивность звука?
   
2. 
   Как определяется уровень интенсивности звука (шума)?
   
3. 
   Что такое эквивалентный уровень звука (шума)?
   
4. 
   Как шум классифицируется по характеру спектра
   
5. 
   Как шум классифицируется по временным характеристикам?
   
6. 
   Какие единицы измерения звука вы знаете?
   
7. 
   Дайте определение интенсивности звука.
   
8. 
   Чему равен порог слышимости по интенсивности?
   
9. 
   Чему равен порог слышимости по звуковому давлению?
   
10. 
    Как определяется эквивалентный уровень звука?
    
11. 
    На какие группы могут быть подразделены источники шума в населенных пунктах?
    
12. 
    Перечислите основные виды акустических измерений в помещениях. Каковы их практические цели?
    
13. 
    Что понимают под коэффициентом звукопоглощения материала?
    
14. 
    Как измеряют коэффициент звукопоглощения в реверберационной камере и в акустическом волноводе (трубе)?
    
15. 
    Как определить звукопоглощение не материала, обладающего определенной площадью, а предмета, например, стула, стола, шкафа?
    
16. 
    Почему для определения коэффициента поглощения материала он должен обладать достаточно большой площадью в несколько квадратных метров.
    
17. 
    Из чего состоит акустический измерительный комплекс?
    
18. 
    По какой формуле находят численное значение звукоизоляции преграды?
    
19. 
    Почему звукоизоляция преград увеличивается с ростом частоты?
    
20. 
    Почему измерения звукоизоляции необходимо проводить в диффузном поле?
    
21. 
    Какие параметры акустического шума можно контролировать шумомерами ?
    
22. 
    Каковы общие требования к методам измерения шума?
    
23. 
    Как делятся методы измерения шума?
    
24. 
    Какие методы измерения шума вы знаете?
    
25. 
    В чем заключается методика измерения шума?
    
26. 
    Приведите структурную схему шумомера?
    
27. 
    Как классифицируются шумомеры?
    
28. 
    Какие частотные и временные характеристики шумомера вы знаете?
    
29. 
    Для чего нужны фильтры в шумомере?
    
30. 
    Приведите частотную характеристику шумомера.
    
31. 
    Приведите частотную характеристику полосового фильтра.
    
32. 
    Каков порядок проведения измерений?
    
33. 
    Как определяется излучаемая эквивалентная мощность?
    
34. 
    Что такое акустический мониторинг?
    
35. 
    Приведите структурную схему акустического мониторинга с использованием радиоканала.
    
36. 
    Приведите структурную схему акустического мониторинга с использованием комбинированного канала.
    
37. 
    Приведите структурную схему акустического мониторинга с использованием сетей проводного вещания и массового оповещения.