ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ ШУМА 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
ИЗМЕРЕНИЕ УРОВНЕЙ ШУМА
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА
1. Звуковое давление P (Па). Звуковые волны возбуждают колебания
частиц воздушной среды, в результате чего изменяется атмосферное
давление. Разность между этим атмосферным давлением и давлением,
существующим в невозмущенной среде, и называют звуковым давлением.
Ухо человека усредняет действующее на него звуковое давление за
период Т = 30–100 мс. Следовательно, человек воспринимает не абсолютную
величину давления, а его среднеквадратичное значение:
1 t T 2
Pск 
 P (t)dt .
T t
(1)
2. Частота звука f (Гц). Частота звука определяется числом колебаний
звукового давления в секунду. По частоте звуковые колебания
подразделяются на три диапазона: инфразвуковые с частотой колебаний
менее 20 Гц, звуковые – от 20 до 20000 Гц и ультразвуковые – более 20 000
Гц. На практике весь диапазон частот разбивают на октавные полосы. В
каждой октавной полосе верхняя граничная частота fв вдвое больше нижней
fн, т. е. fв/fн = 2, а среднегеометрическая частота fсг, которая и характеризует
октавную полосу, рассчитывается как
f сг  f в  f н .
(2)
Среднегеометрические частоты fсг октавных полос слышимого звука
стандартизованы и равны: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1 000; 2 000; 4 000; 8 000
Гц.
3. Интенсивность звука I (Вт/м2). Интенсивность звука – это поток
энергии, переносимый звуковой волной в единицу времени, отнесенный к
единице площади поверхности, нормальной к направлению распространения
волны. Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью:
P2
,
I
ρc
(3)
где ρ – плотность среды, кг/м3; c – скорость распространения звука в среде, м/с.
I0 = 10-12 Вт/м2; Imax = 102 Вт/м2.
4. Уровень интенсивности LI, дБ. Уровень звукового давления LP, дБ.
Слуховые ощущения человека, возникающие при шуме, пропорциональны
логарифму количества энергии этого шума. Чтобы учесть ощущения человека,
а также для упрощения операций с большими числами, характеризующими
звук, на практике пользуются логарифмическим уровнем интенсивности LI:
L I  10  lg
I
,
I0
(4)
где I – текущее значение интенсивности звука; I0 = 10-12 Вт/м2 – порог
1
слышимости.
При переходе к значениям уровня звукового давления, учитывая (2.3),
получим
P2
P
L P  10 lg 2  20 lg ,
P0
P0
(5)
здесь P0 – звуковое давление на пороге слышимости (P0 = 2·10-5 Па).
5. Уровень звука LA, дБ(А). Это величина, которая определяется по
формуле
L A  20 lg
PA
,
P0
(6)
где PA – звуковое давление, измеренное по шкале «А» шумомера.
Характеристика «А» шумомера при помощи специального фильтра
обеспечивает имитацию чувствительности уха человека во всем
акустическом диапазоне частот.
6. Эквивалентный уровень (по энергии) звука LE, дБ (А). Это
интегральный параметр, применяемый для оценки непостоянного шума
или
1 n
L E  10 lg  t i 100,1LAi
T i 1
(7)
1 t T 0,1LA (t)
L E  10 lg 10
dt ,
T t
(8)
здесь Т – период времени усреднения уровней звука, с; ti – временной
интервал, в течение которого уровень звука LAi неизменен, с; n – количество
временных интервалов за период усреднения Δt.
7. Уровень звуковой мощности LW, дБ. Этот параметр применяют для
шумовой характеристики машин и определяют по формуле
L W  10 lg
W
,
W0
(9)
где W – звуковая мощность, Вт; W0 = 10-12 Вт – пороговая звуковая
мощность, соответствующая пороговому уровню звукового давления LP,
создаваемому точечным источником на поверхности сферы площадью 1 м2.
Октавные уровни звуковой мощности определяются опытным путем и
указываются в паспорте на оборудование.
2. СЛОЖЕНИЕ ШУМА ОТ НЕСКОЛЬКИХ ИСТОЧНИКОВ
При попадании в расчетную точку шума от нескольких источников
складывается их интенсивность. Уровень интенсивности при одновременной
работе этих источников определяют как
n
L Σ  10 lg( 100,1Li ) ,
i 1
2
(10)
где Li – уровень интенсивности (или звукового давления) i–го источника; n –
количество источников.
Если все источники шума имеют одинаковый уровень интенсивности, то
L   L i  10 lg n .
(11)
Для суммирования шума от двух источников можно применить
зависимость
L   max( L1 , L 2 )  L ,
(12)
где max(L1, L2) – максимальное значение уровня интенсивности из двух
источников, ΔL – добавка, определяется по табл. 1 в зависимости от модуля
разности уровней интенсивности L1 и L2.
Таблица 1
Определение добавки ΔL
|L1 –L2|
0
1
2
4
6
8
10
15
20
ΔL, дБ
3
2,5
2
1,5
1
0,6
0,4
0,2
0
2. ИЗМЕРЕНИЕ ШУМА НА РАБОЧИХ МЕСТАХ
Измерение шума производится шумомерами 1-го или 2-го классов
точности по ГОСТ 17187-81 «Шумомеры. Общие технические требования и
методы испытаний». При необходимости используются и вспомогательные
приборы: осциллограф, магнитофон, самописец уровня и др.
Современные приборы для характеристики шума имеют частотные
характеристики А, С, «линейно», которые характеризуются различным
ослаблением
низкочастотных
составляющих.
Для
гигиенических
исследований на производстве используются характеристики А (как наиболее
адекватная восприятию шума человеческим ухом) и С (являющаяся
прямолинейной и объективной физической характеристикой интенсивного
шума). Для усреднения непостоянного шума шумомеры имеют временные
показатели: «медленно», «быстро», «импульс», «пик», отличающиеся друг от
друга постоянной времени. Чаще всего применяется показатель «медленно»,
при измерении же импульсных шумов – показатель «импульс».
Микрофон следует располагать на высоте 1,5 м от пола или на уровне
головы, если работа выполняется сидя или в других положениях; он должен
быть направлен в сторону источника и удален не менее чем на 0,5 м от
оператора, проводящего измерения. Перед проведением исследований
осуществляется электрическая калибровка прибора.
При измерении постоянного шума в октавных уровнях звукового
давления
переключатель
шумомера
временной
характеристики
устанавливается в положение «медленно», частотной – в положение
«фильтр»; при измерении уровня звука в децибелах А – соответственно в
положение «медленно» и положение «А».
Измерение непостоянного (кроме импульсного) шума проводится путем
установки переключателя временной характеристики в положение
«медленно», а частотной – в положение «А»; при определении максимального
3
уровня звука – также в положение «медленно», но значение уровней звука
снимают в момент максимального отклонения стрелки.
При измерении импульсного шума дополнительно к измеренному
эквивалентному уровню звука в децибелах А определяется максимальный
уровень звука; для этого переключатель временной характеристики прибора
устанавливают в положение «импульс» и отсчитывают по максимальному
показанию стрелки.
Продолжительность измерения должна составлять: для прерывистого
шума – полный технологический цикл; для колеблющегося во времени – 30
мин, разбитых на 3 цикла по 10 мин; для импульсного – 30 мин при общем
числе отсчетов 360.
3. ШУМОМЕР-АНАЛИЗАТОР СПЕКТРОВ ОКТАВА-101А
Назначение. Шумомер-анализатор спектра ОКТАВА-101А предназначен
для измерения среднеквадратичных, эквивалентных и пиковых уровней
звука, уровней звукового давления (УЗД) в октавных и третьоктавных
полосах частот с целью оценки влияния звука и инфразвука на человека на
производстве и в жилых и общественных зданиях, определения акустических
характеристик механизмов и машин, а также научных исследований.
Комплектность. Шумомер имеет следующую комплектацию:
- Измерительно-индикаторный блок (ИИБ);
- предусилитель микрофонный КММ-400 с микрофонным капсюлем
ММК 221;
- блок питания – зарядное устройство;
- сумка;
- руководство по эксплуатации.
Технические характеристики прибора.
Класс точности 1 по ГОСТ 17187. Погрешность измерений шумомера в
нормальных условиях применения для плоской волны частотой 1000 Гц и
уровнем 94 дБ, распространяющейся в опорном направлении (ортогональном
плоскости мембраны микрофонного капсюля) в условиях свободного
акустического поля, на характеристике S не превышает 0,7 дБА.
Прибор одновременно измеряет:
- среднеквадратичные корректированные уровни звука с частотными
коррекциями А и С на временных характеристиках S, F, I, Leq
(эквивалентный) – индикация в режиме «ЗВУК»;
- среднеквадратичные уровни звукового давления с частотной
коррекцией Лин на временных характеристиках S, F, I, Leq (эквивалентный)
– индикация в режиме «ЗВУК»;
- пиковые уровни звукового давления Лиин и пиковые уровни звука с
коррекцией С – индикация в режиме «ЗВУК», «Спектр-НЕТ»;
- среднеквадратичные уровни звукового давления в октавных полосах
частот 31,5 Гц - 8000 Гц и в третьоктавных полосах частот 25-16000 Гц на
временных характеристиках S, F, I, Leq - индикация в режиме «ЗВУК»,
4
«Спектр-ДА»;
- среднеквадратичные уровни звукового давления в ненормированной
октавной полосе 16000 Гц на временных характеристиках S, F, I, Leq индикация в режиме «ЗВУК», «Спектр-ДА» и предназначен для
ориентировочных замеров ультразвука;
- среднеквадратичные уровни звукового давления в октавных полосах
частот 2 Гц - 16 Гц и в третьоктавных полосах частот 1,6-20 Гц на временных
характеристиках «1с», «30с», Leq – индикация в режиме «Инфразвук».
Прибор удерживает максимальные и минимальные значения
сроеднеквадратичных уровней за время измерений.
Диапазон частот 35-115 дБ.
Функциональная блок-схема прибора ОКТАВА-101А изображена на рис.
1.
Микрофон с
предусилителем
ИИБ
Блок
согласования
АЦП
Фильтры А,
С, Лин
1/1, 1/3 октавы
Пикдетектор
СКЗдетектор
Блок
индикации
Рис.1. Функциональная блок-схема прибора ОКТАВА-101А
Меры предосторожности при работе.
- Избегайте падений и ударов о твердые поверхности. Наиболее уязвимы
при этом микрофонный капсюль, место соединения между корпусом прибора
и предусилителем, а также стекло индикатора.
- За защитной решеткой микрофона находится тончайшая (около 5 мкм, в
10 раз тоньше волоса) мембрана, разрыв или трещина в которой делает
капсюль негодным. Разрыв мембраны может быть вызван даже касанием ее
5
рукой. Следует также иметь ввиду, что предметы, проникающие через щели
защитной крышки, также могут разрушить или загрязнить мембрану. К
аналогичным последствиям может привести образование на мембране льда
или попадание на капсюль струи жидкости или сжатого газа, подобные
ситуации должны быть исключены.
- Сборку прибора (индикаторный блок – предусилитель – микрофон)
следует проводить, обязательно отключив индикаторный блок от блока
питания и выключив питание клавишей ВЫКЛ. Сборку следует проводить в
следующем порядке: сначала на предусилитель КММ 400 наворачивается
капсюль микрофона, и лишь затем капсюль с предусилителем подключается
к прибору. После сборки включается питание.
- При необходимости сменить микрофон или предусилитель, необходимо
выключить прибор и подождать не менее 20-30 секунд, прежде чем
приступить к разборке прибора. Если этого не сделать, на микрофоне и в
цепях предусилителя останется заряд поляризующего напряжения, который
при последующей сборке может повредить предусилитель.
- Наворачивание или отворачивание микрофона при включенном питании
прибора или в течении 20-30 с после его выключения категорически
воспрещены. Запрещается также включение прибора, если к нему подключен
предусилитель, на который не навернут микрофонный капсюль или
электрический эквивалент микрофона.
- Прикосновение к центральному электроду предусилителя руками или
токопроводящими (например, металлическими) предметами не допускается.
Принцип преобразования
В приборе используется звуковых и механических колебаний
исследуемых объектов в пропорциональные им электрические сигналы,
которые затем усиливаются, преобразуются и измеряются измерительным
трактом. В качестве преобразователя звуковых колебаний в электрические
сигналы используется капсюль М101.
Упрощенная конструкция капсюля представлена на рис. 2.
2
1
5
3
4
Рис. 2. Устройство капсюля: 1 – корпус; 2 – мембрана; 3 – неподвижный
электрод; 4 – изолятор; 5 – отверстие для уравнивания статического давления под
мембраной
Корпус, изолятор и мембрана образуют замкнутую камеру, связанную с
окружающей средой специальным отверстием для уравнивания медленно
6
изменяющегося атмосферного давления.
Мембрана и неподвижный электрод электрически изолированы друг от
друга и являются обкладками конденсатора, емкость которого равна ≈ 60 пФ.
Чувствительным элементом к звуковому давлению является мембрана,
изготовленная из тонкой фольги.
При воздействии звукового давления на капсюль мембрана 2 прогибается,
электрическая емкость капсюля изменяется. При наличии поляризующего
напряжения, подаваемого на неподвижный электрод 3, изменение емкости
капсюля приводит к появлению переменного напряжения на обкладках
конденсатора, которым является капсюль.
Таким образом, механические колебания мембраны преобразуются в
переменное напряжение, пропорциональное воздействующему на капсюль
звуковому давлению.
Описание клавиш и реакции на их нажатие
Клавиша
Функция
ВКЛ
Включение питания
ВЫКЛ
Выключение питания
СТАРТ/СТОП
Запуск / остановка измерения
СБРОС
Обнуление блоков детекторов и индикации
ЗАПИСЬ
Запись измеренных данных в память
ПАМЯТЬ
Вход в режим работы с сохраненными в памяти
данными
РЕЖИМ/ВЫХОД
Выход в меню настройки / Откат из любого
меню, процедуры на один шаг назад
УСИЛЕНИЕ
Вход в режим регулирования диапазона
измерения
▲►▼◄
Клавиши перемещения по меню или дисплею
ДА
Подтверждение
изменений
или
выбора
параметра
НЕТ
Отказ от изменений или выбора параметра
Определение параметров, измеряемых прибором ОКТАВА-101А
1. Уровень звукового давления (5).
2. Экспоненциальное усреднение. Временные характеристики FAST,
SLOW, IMPULSE.
Экспоненциально усредненный по времени уровень звука с коррекцией А
определяется формулой
t



 1

L A t   10  lg   p A2  e 1  /  d / p02  ,



  

(13)
где  - временная константа, pА – звуковое давление с частотной коррекцией
А, p0 – опорный уровень (20 мкПа).
Аналогично определяются экспоненциально усредненные уровни звука
для частотных коррекций С и Лин.
Временной характеристике SLOW соответствует константа =1 c.
7
Временной характеристике FAST соответствует константа =0,125 c.
Более сложной является характеристика IMPULSE. Она получается
следующим образом: сначала сигнал обрабатывается детектором
экспоненциального усреднения с константой =35 мc (13), затем усредненный
сигнал поступает в сигнальный детектор, в котором данное значение затухает
по экспоненциальному закону до поступления нового более высокого
усредненного значения.
В режиме «Инфразвук» константа =30 c.
3. Непрерывный эквивалентный уровень звука или звукового давления
(Leq). Уровень звуковой экспозиции SEL.
Эквивалентный уровень звука с коррекцией A определяется формулой
t



 1 2

L A,Leq ,T t 2   10  lg   p A2 t dt  / p02  ,
T



 t1

(14)
где T=t1-t2 – время интегрирования (измерения), pА(t) – звуковое давление с
частотной коррекцией А, p0 – опорный уровень (20 мкПа).
Аналогично определяются эквивалентные уровни звука с частотной
коррекцией С и лиин и эквивалентные уровни звукового давления в октавных
и третьоктавных полосах частот.
С эквивалентным уровнем звука тесно связано понятие звуковой
экспозиции. Звуковая экспозиция измеряется в [Па2с] и определяется
формулой
t2
E A   p A2 t dt .
(15)
t1
Уровень звуковой экспозиции (SEL)
SEL=10lg(EA/E0)=LA,Leq,T+10lg(T/T0),
(16)
-10
2
где E0=410 Па с, T0=1 с, T=t2-t1.
4. Пиковый уровень звука с коррекцией С определяется формулой
PkC=10lg(pC,пик/p0)=20lg (pпик/p0),
(17)
где pC,пик-максимальное звуковое давление с коррекцией С за время
измерения. Аналогично определяются пиковый уровень с коррекцией Лиин
(PkU).
5. Прибор измеряет минимальные и максимальные уровни звука или
звукового давления за определенный промежуток времени.
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Стенд для выполнения лабораторной работы состоит из испытательной
камеры и шумомера ОКТАВА-101А.
Испытательная камера имитирует производственное помещение –
лабораторию с шумным оборудованием. В качестве источников шума в
камере используют два звонка, которые расположены в верхней откидной ее
части. Для измерения шума в нижней части камеры установлен микрофон,
соединенный с шумомером.
8
Быстросъемный звукоизолирующий кожух, позволяющий изолировать
источники шума от микрофона, выполнен из фанеры толщиной h = 6 мм,
облицован внутри поролоном толщиной 15 мм.
Лабораторная работа выполняется в следующем порядке.
1. Ознакомиться с работой шумомера.
2. В испытательной камере без изолирующего кожуха включить один из
звонков и провести замеры уровня звука сначала в дБ(А), затем в октавных
полосах частот. Результаты измерений занести в строку 1 табл. 2.
3. Одеть на звонок кожух и снова измерить уровни звука в дБ(А) и в
октавных полосах частот. Результаты занести в строку 2 табл. 2.
Таблица 2
Результаты измерений уровней шума
Уровни звукового давления (дБ) в октавных
Условия
Уровни
полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
измерения
звука
шума
дБ(А)
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1. Без
кожуха,
L1
2. С
кожухом,
L2
4. По результатам измерений построить спектры шума звонка до и после
установки кожуха.
5. Поочередно включая звонки, измерить уровни звука в дБ(А) каждого
звонка. Результаты измерения занести в табл. 3, графы 1 и 2.
6. Включить оба звонка одновременно и измерить суммарный уровень
звука, дБ(А), результат занести в табл. 3, графа 3.
7. Используя формулы (10), (12) и табл. 2.1, определить расчетным
путем суммарный уровень звука двух источников, заполняя при этом графы
4, 5, 6 табл. 3.
Таблица 3
Эксперимент
Расчет
Уровни звука, дБ(А)
LΣ1, дБ(А) (по
LΣ2, дБ(А) (по
L1 - L2,
ΔL
формуле (2.12)) формуле (2.10))
дБ(А)
L1
L2
LΣ
1
2
3
4
5
6
7
8. Сравнить результаты расчета и эксперимента.
9. Сделать выводы по работе.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите основные физические характеристики шума.
2. Зачем введены понятия уровня параметра (интенсивности, давления)?
9
3. Как сложить шум от нескольких источников шума?
4. На каком принципе основана работа шумомера?
5. Какой элемент является преобразователем звуковых сигналов в
шумомере? Опишите его работу.
6. Какие правила следует соблюдать при измерении уровней шума?
10