Методы оценки и измерения шумового загрязнения

Использование логарифмических величин при анализе акустических, полей не позволяет складывать и вычитать уровни звуковой мощности и звукового давления как обычные числа. Поэтому для оценки суммарного воздействия двух и более источников звука на окружающую среду пользуются специальной методикой.

Рассмотрим случай, когда необходимо сложить уровни двух источников звука по 100 дБ каждый (источник А и источник Б). Если за уровень отсчета принять W₀ = 10^-12 Вт, то, согласно табл. 5.10, звуковая мощность каждого источника будет равна 0,01 Вт. Следовательно, суммарная звуковая мощность

W_Σ= 0,01 + 0,01 = 0,02 Вт,

а уровень звуковой мощности

L_w = 10 lg (2 + lglO¹⁰) = 10 (0,3 + 10) = 103 дБ:

Таблица 5.10

Таким образом, уровень 10³дБ соответствует звуковой мощности 0,02 Вт.

Таблица 5.1!

Сложение	Вычитание
Различие уровней	Поправочное значение, дБ	Различие уровней	Поправочное значение, дБ
0...1 2...3 4...9	3 2 1 0	>10 6...9 4...9 2	0 1 2

На практике при сложении или вычитании децибелов целесообразно пользоваться поправочными значениями (табл. 5.11).

• при сложении • при вычитании

Например, имеется два источника, уровни звуковой мощности которых соответственно равны: L_W1 = 62 дБ и L_W2 = 67дБ. В этом случае:

При определении общего уровня звуковой мощности, создаваемого з одинаковыми источниками, удобно пользоваться уравнением

Ь_ш = L_m + lOlgn,

где L_W1 -уровень одного из равных источников звука.

Например, если в помещении установлено четыре электродвигателя, шум каждого из которых составляет 60 дБ, то суммарный уровень шума в помещении

Аналогично производится расчет акустического дискомфорта от любого количества источников шума.

Шумовое действие на окружающую среду характеризуется Диапазоном частот и амплитуд акустических колебаний. Особый интерес представляют колебания в области звуковых частот v20...20 000 Гц) с уровнями звукового давления менее 100 дБ.

Все методы измерения шумов делятся на стандартные и нестандартные [5,6, 8, 9]. Стандартные измерения регламентируются соответствующими стандартами и обеспечиваются стандартизованны-ми средствами измерения. Величины, подлежащие измерению, также стандартизованы. Нестандартные методы применяются при научных исследованиях и при решении специальных задач.

Измерительные стенды, установки, приборы и звукоизмеритель-ные камеры подлежат метрологической аттестации в соответствующих службах с выдачей аттестационных документов, в которых указываются основные метрологические параметры, предельные значения измеряемых величин и погрешности измерений.

Стандартными характеристиками источника шума являются:

• уровень звукового давления L дБ, в октавной или третьоктав-
ной полосе частот в контрольных точках;

• уровень звука, L_A, дБА, измеряемый шумомером с частотной характеристикой типа А в контрольных точках;

. • уровень звуковой мощности L_w, дБ, в октавных или третьок-тавных полосах частот;

• корректированный уровень звуковой мощности L_WA, дБА;

• максимальный показатель направленности излучения шума G_max, дБ, в октавных или третьоктавных полосах частот;

• максимальный показатель направленности излучения шума G_max,дБА.

Для непостоянных шумов.используются эквивалентные уровни L _{p экв} или L_{А экв}. Единицей импульсного шума является дБ/, где / — характеристика шумоизмерительного прибора — шумомера в режиме «импульс».

Шумомеры состоят из датчика (микрофона), усилителя, частотных фильтров (анализатора частоты), регистрирующего прибора (самописец, магнитофон). Шумомеры снабжены блоком частотной коррекции (переключателями на А, В, С, D) и временных характеристик: F (fast - быстро), S (slow - медленно ), I (pik - импульс). Шкалы F, S, I применяют при измерениях постоянного (F), колеблющегося, прерывистого (S) и импульсного (I) шумов. Частотную характеристику D целесообразно использовать при измерении шумов самолетов.

Шумомеры делятся на четыре класса: 0, 1, 2 и 3. Шумомеры класса 0 используются как образцовые средства измерения; класса 1 — для лабораторных и натурных измерений; класса 2 — для технических измерений; класса 3 — для ориентировочных измерений. Каждому классу приборов соответствует диапазон измерений по частотам. Так, шумомеры классов 0 и 1 рассчитаны на диапазон частот от 20 Гц до 12,5 кГц, класса 2 — от 20 Гц до 8 кГц, класса 3 —-от 31,5 Гц до 8 кГц. В случае необходимости измерения эквивалентного уровня шума при усреднении за продолжительный период времени следует использовать интегрирующие шумомеры.

Рис. 5.13. Структурная схема шумомера: /— микрофон, 2 — предусилитель, 3 — аттенюатор, 4 — усилитель, 5 — цепи фильтров частотных характеристик, 6 — внешние фильтры, 7 — детектор и возведение в квадрат, 8 — блок усреднения:

режим F (постоянная времени 125 мс), режим S — постоянная времени 1с; 9 — индикатор параметров, выраженных в децибелах

Как правило, в шумомерах предусмотрена возможность подключения фильтров для октавного или третьоктавного анализа. Характеристики, которым должны соответствовать шумомеры, оговариваются ГОСТ 17187-81, Международным стандартом IEC R/179 (1973) и стандартом 651 Международной электротехнической комиссии. Наибольшее распространение в России получили шумомеры ИШВ-1, Ш-71, ШП-1, шумомеры датской фирмы «Брюль и Къер» 2226, 2230, 2232, 2603, 2604 и др.

Рис. 5.14. Схема цепи частотной коррекции характеристик А, В, С

На рис. 5.13 представлена структурная схема аналогового.шумомера. Шумомер состоит из датчика-микрофона, предусилителя, входных аттенюатора (переключателя пределов) и усилителя, цепей фильтров частотных характеристик, выходных аттенюатора (переключателя пределов) и усилителя и детектора-индикатора. Упрощенная схема цепей фильтров А, В, С приведена на рис. 5.14. Эти Цепи должны обеспечивать относительные частотные характеристики.

Детектор-индикатор шумомера имеет две различные характеристики F (быстро) и S (медленно). В соответствии с рекомендациями МЭК характеристики детектора-индикатора должны быть такими, чтобы при внезапном выключении сигнала показания уменьшались на 10 дБ за 0,5 с при характеристике F и за 3,0 с при характеристике S.

Характеристика S сглаживает показания шумомера и делает его пригодным для измерений стационарного шума машин и производственного шума. Характеристика F успевает отслеживать изменения шума небольшой продолжительности. Этот режим применяется для измерения нестационарного шума машин. Импульсные шумоме-ры имеют детектор-индикаторы с характеристикой I (импульс) для измерения импульсного шума, производимого, например, штампом. Импульсный шумомер характеризуется малой постоянной времени нарастания и очень большой постоянной времени спада. Постоянная времени нарастания для схемы усреднения импульсного шумомера составляет 35 мс в режиме работы «импульс», 125 мс в режиме «быстро» и 1 с в режиме «медленно». Все выпускаемые импульсные шу-момеры имеют также детекторы-индикаторы с характеристиками F и S. Приближенное выражение для определения значений этих характеристик при трех режимах работы имеет вид:

L,-L_F = 5,5 дБ; L_F - L_s = 9 дБ; L_I - L_s= 14,5 дБ,

где L _I, L_F, L_s —уровни шума, измеренные в режимах «импульс», «быстро» и «медленно» соответственно.

В последние годы широкое распространение получили цифровые шумомеры. Простейший цифровой шумомер состоит из обычного аналогового шумомера и цифрового индикатора. Более сложные цифровые шумомеры могут вычислять эквивалентный уровень звука за выбранный период времени. Такие приборы называются интегрирующими шумомерами. Цифровой сигнал с аналогово-цифрового преобразователя подается на счетное устройство, управляемое переключателем времени измерения. Время измерения выбирается в диапазоне от нескольких минут до нескольких часов и более. В течение выбранного времени счетное устройство срабатывает 1024 раза, и каждый раз текущее значение уровня заносится в память. В конце выбранного интервала времени 1024 отсчета поступают в процессор, в котором происходит вычисление эквивалентного непрерывного уровня звука в соответствии с уравнением

где L_A(t) — мгновенное значение уровня звука.

Рис. 5.15. Схема конденсаторного микрофона

Полученное значение L_{A ед} поступает в запоминающее устройство и отображается на цифровом табло или поступает на внешнее печатающее устройство. Микрофон является основным элементом преобразования звуковой энергии в электрическую с целью дальнейшего анализа. В настоящее время выпускаются и нашли широкое распространение конденсаторные, электретные и пьезоэлектрические микрофоны. Конденсаторные микрофоны служат для точных измерений шума. Пьезоэлектрические микрофоны, более дешевые и менее стабильные, применяют для обычных измерений. Электретный микрофон широко используется в непрофессиональных устройствах, например в кассетных магнитофонах, переговорных системах. Но в последние годы и этот вид микрофонов стал применяться в системах измерителей шума.

Схема конденсаторного микрофона приведена на рис. 5.15 и состоит из тонкой металлической диафрагмы t и жесткой задней пластины 2. Диафрагма и задняя пластина электрически изолированы друг от друга и связаны с источником стабилизированного поляризующего напряжения через резистор с достаточно большим сопротивлением, образуя заряженный конденсатор с параллельными пластинами. Когда на микрофон действует волна звукового давления 3, диафрагма движется относительно неподвижного электрода — жесткой пластины. Это движение вызывает переменное изменение электрической емкости между диафрагмой и задней пластиной, что производит электрический сигнал на выходе микрофона. Чувствительность конденсаторного микрофона зависит главным образом от напряжения поляризации, атмосферного давления, площади поверхности диафрагмы и натяжения диафрагмы. Значения динамического Диапазона составляют для конденсаторных микрофонов: 20...40 дБ для однодюймового (диаметр микрофона 25,4 мм), 25... 160 дБ для полудюймового, 42... 170 дБ для четвертьдюймового и 50... 178 дБ для микрофонов диаметром в одну восьмую дюйма.

С 1980-х гг. освоен выпуск электретных микрофонов, пригодных

как для точных, так и для технических измерений уровня шума.

лектрод представляет собой электрически поляризованный эле-

мент, который сохраняет свой заряд и поляризацию в течение про-

Д°лжительного времени. На рис. 5.16,а показана типовая конструк-

ция серийно выпускаемого электретного микрофона. Диафрагмой микрофона является металлизированная пластмассовая пленка, которая прошла специальную обработку и заряжена так, что имеется электрический потенциал между внутренней поверхностью пластмассовой пленки / и металлизированной внешней поверхностью 2. На рис. 5.16,6 показаны зафиксированный заряд на внутренней поверхности пленки и наведенный заряд на внешней металлизированной поверхности и на задней пластине. Фиксированный заряд и заряд на задней пластине формируют электрическое поле между пленкой и задней пластиной, подобное тому электрическому полю, которое образуется при подаче внешнего поляризующего напряжения на конденсаторный микрофон. Поэтому электретные микрофоны называют еще предварительно поляризованными конденсаторными микрофонами. Акустические характеристики электретных микрофонов приблизительно те же, что и у конденсаторных микрофонов. Однако по сравнению с конденсаторным электретный микрофон имеет следующие преимущества: не нуждается во внешнем источнике поляризующего напряжения, более прочен механически и практичнее в условиях повышенной влажности.

В отдельных случаях при проведении обычных измерений шума находят применение пьезоэлектрические микрофоны. На рис. 5.1' показано устройств пьезоэлектрического микрофона. Когда звуковое давление отклоняет диафрагму, ее движение вызывает деформацию пластины, при которой за счет пьезоэффекта вырабатывается электрический сигнал на выходных контактах. Наиболее часто в качестве пьезоэлектрического материала в микрофонах используют цирконат-титанат свинца, титанат бария и сегнетову соль. Пьезоэ-

лектрические материалы чувствительны к изменению температуры и влажности, поэтому имеют довольно ограниченные области применения. Однако пьезоэлектрические микрофоны, использующие цирконат-титанат свинца, можно применять в диапазоне температур от -10 до +50 °С при относительной влажности до 90%. Диапазон рабочих частот таких микрофонов обычно 32-8000 Гц.

Спектральный (частотный) состав шума оценивается с помощью частотного анализатора. В качестве анализатора спектра шума может быть использован шумомер путем добавления к нему набора фильтров, состоящих из октавных, третьоктавных, узкополосных фильтров с постоянной относительной шириной полосы пропускания или узкополосных с постоянной шириной полосы пропускания. Частотный анализатор, снабженный только октавными фильтрами, называется октавным анализатором.

Таблица 5.12

Тип шумо-мера	Тип и система микрофона	Диапазон частот, Гц	Диапазон уровней шума, дБ	Примечание
Ш63 ШЗМ СИ1 ААШ1 ИШВ1 2203 2107,2112, 2603,2604 PS101 PS201 '40ОЕ ВМ292Д	МД38Ш электродинамический МД59 электродинамический N М101 конденсаторный МД59 электродинамический М101 конденсаторный 4131 конденсаторный 4131-4136 конденсаторные ММ50 конденсаторный ММ50 конденсаторный Кристаллический Конденсаторный	40...10^4 40...10^4 2...45 • 10^3 50...10^4 3...20 • 10^3 20...18 • 10^3 20...20 • 10^3 20...20 • 10^2 20..20 • 10^2 32...8 • 10^332...8 • 10^3	35... 140 25... 130 50...130 25...180 30...130 22...134 До 180 30...135 30...135 24...140 44...130	Блок фильтров, индикаторов предела уровней, низкочастотные приставки Комбинированный прибор для измерения уровней и спектрального состава шума Снабжен октавным фильтром 1613 Снабжен октавным фильтром ОF10)

5"

На практике получили распространение анализаторы, в которых выходные сигналы с анализирующих фильтров передаются по очереди (последовательно) по мере их подключения. Такие анализаторы, хотя и позволяют автоматизировать процесс анализа, тем не менее требуют времени для проведения анализа, что затрудняет частотный анализ в случае быстроменяющегося акустического процесса.

Анализаторы в реальном масштабе времени (параллельные анализаторы) обладают возможностью параллельного ввода в считывающее устройство сигналов от различных фильтров, работающих одновременно. Мгновенное представление полного спектра шума на экране прибора позволяет визуально наблюдать весь спектральный состав шума и обнаруживать даже незначительные его изменения во времени.

Существует множество приборов, используемых для анализа шума. В табл. 5.12 приведены некоторые из них, достаточно распространенные в отечественной практике.

Дата добавления: 2015-06-28