Шум ничего не доказывает. Курица, снесши яйцо, часто клохчет так, как будто она снесла небольшую планету. Марк Твен
Как уже было упомянуто ранее для существования человека в помещении необходимо организовать воздухообмен, наиболее эффективным способом организации является устройство систем приточно-вытяжной вентиляции. Но у подобных систем есть один большой недостаток – шум, который генерируется вентилятором. К шуму вентилятора добавляется аэродинамический шум, который появляется при движении воздуха по воздуховодам.
Прежде чем разбираться с тем, как с шумом бороться и какие именно факторы работы системы вентиляции его порождают и в каком объеме, необходимо разобраться с физикой возникновения и передачи шума.
Если у обывателя спросить про измерение шума, то сразу же получим ответ: децибел. Но что же такое «децибелл»? Давайте разбираться.
Децибел не только не единица измерения звука, он вообще не является единицей измерения, во всяком случае в том смысле, как, например, вольты, метры, граммы и т. д. Одна из измеримых характеристик звука — это количество заключенной в нем энергии, передаваемой посредством механических колебаний воздуха или другой достаточно плотной среды («в космосе ваш крик никто не услышит» (с)). Интенсивность звука (удельную звуковую мощность) в любой точке можно обозначить как поток энергии, приходящейся на единичную площадку, и выразить, например, в ваттах на квадратный метр (Вт/м²), см. рис.1:
На рис. 1, источник шума «P», вызывает колебания воздуха, передавая энергию, которая распределяется равномерно по полусфере. Соответственно, чем дальше от источника, тем по большей площади будет распределена генерируемая звуковая мощность, и тем меньше будет интенсивность шума.
При попытке записать в Вт/м² интенсивность обычных шумов сразу же возникают трудности, так как интенсивность наиболее тихого звука, доступного восприятию человека с самым острым слухом, равна приблизительно 0,000 000 000 001 Вт/м². Один из наиболее громких звуков, с которым мы сталкиваемся уже не без риска вредных последствий, — это шум реактивного самолета, пролетающего на расстоянии порядка 50 м. Его интенсивность составляет около 10 Вт/м². А на расстоянии 100 м от места запуска ракеты интенсивность звука заметно превышает 1000 Вт/м². Очевидно, что оперировать числами, выражающими интенсивности звука, лежащие в столь широком диапазоне, очень трудно, независимо от того, представляем ли мы их в единицах энергии или даже в виде отношений. Существует простой, хотя и не вполне очевидный выход из данного затруднения. Интенсивность самого слабого слышимого звука равна 0,000 000 000 001 Вт/м².
Математики предпочтут записать это число таким образом: 10¯¹² Вт/м². Если кому-либо такая запись непривычна, напомним, что 10² это 10 в квадрате, или 100, а 10³ это 10 в кубе, или 1000. Аналогично 10¯² означает 1/10², или 1/100, или 0,01, а 10¯³ это 1/103, или 0,001. Умножить любое число на 10x — значит х раз умножить его на 10 [1].
Пытаясь найти наиболее удобный способ выражения интенсивностей звука, попробуем представить их в виде отношений, приняв за эталонную интенсивность величину 10¯¹² Вт/м². При этом будем отмечать, сколько раз нужно умножить эталонную интенсивность на 10 для того, чтобы получить заданную интенсивность звука. Например, шум реактивного самолета в 10 000 000 000 000 (или в 10¹³) раз превышает наш эталон, то есть этот эталон необходимо 13 раз умножить на 10.
Такой способ выражения позволяет значительно уменьшить значения чисел, выражающих гигантский диапазон звуковых интенсивностей; если мы обозначим однократное увеличение в 10 раз как 1ьбел, то получим «единицу» для выражения отношений. Так, уровень шума реактивного самолета соответствует 13 белам. Бел оказывается слишком большой величиной; удобнее пользоваться более мелкими единицами, десятыми долями бела, которые и называют децибелами. Таким образом, интенсивность шума реактивного двигателя равна 130 децибелам (130 дБ), но во избежание путаницы с каким-либо другим эталоном интенсивности звука следует указать, что 130 дБ определяется относительно эталонного уровня 10¯¹² Вт/м².
Если отношение интенсивности данного звука к эталонной интенсивности выражается каким-нибудь менее круглым числом, например 8300, перевод в децибелы окажется не таким простым. Очевидно, число умножений на 10 будет больше 3 и меньше 4, но для точного определения этого числа необходимы длительные вычисления. Как обойти такое затруднение? Оказывается, весьма просто, поскольку все отношения, выраженные в единицах «десятикратных увеличений», давно вычислены — это логарифмы.
Любое число можно представить как 10 в какой-то степени: 100 это 10² и, следовательно, 2— это логарифм 100 при основании 10; 3 — логарифм 1000 при основании 10 и, что менее очевидно, 3,9191 — логарифм 8300. (Нет необходимости все время повторять «при основании 10», потому что 10 — самое распространенное основание логарифма, и если нет другого указания, то подразумевается именно это основание. В формулах эта величина записывается как lg.)
Пользуясь определением децибела, можем теперь записать уровень интенсивности звука в виде:
Например, при интенсивности звука в 0,26 (2,6×10¯¹) Вт/м² уровень интенсивности в дБ относительно эталона 10¯¹² Вт/м² равен
Но логарифм 2,6 равен 0,415; следовательно, окончательный ответ выглядит так: 10×11,415=114 дБ (с точностью до 1дБ).
Не следует забывать, что децибелы не являются единицами измерения в том смысле слова, как, например, вольты или омы, и что соответственно с ними приходится обращаться иначе. Если две аккумуляторные батареи по 6 В (вольт) соединить последовательно, то разность потенциалов на концах цепи составит 12 В. А что получится, если к шуму в 80 дБ добавить еще шум в 80 дБ? Шум общей интенсивностью в 160 дБ? Никак нет — ведь при удвоении числа его логарифм возрастает на 0,3 (с точностью до двух десятичных знаков). Тогда при удвоении интенсивности звука уровень интенсивности увеличивается на 0,3 бела, то есть на 3 дБ. Это справедливо для любого уровня интенсивности: удвоение интенсивности звука приводит к увеличению уровня интенсивности на 3 дБ.
Интенсивность звука величина, отражающая истинное звуковое восприятие в каждой точки пространства, но в технике, как правило оперируют понятием: звуковое давление. Звуковое давление, также измеряется в дБ и является десятичным логарифмом давления (измеряемого в Па), которое оказывают колебания воздуха, вызванные звуковой волной в конкретной точке пространства:
Где:
– величина звукового давления в точке пространства, Па;
– пороговое звуковое давление (граница восприятия человеческим ухом), ²·¹º¯⁵ Па.
Применение величины звукового давления для технических расчетов и нормирования [2], связано с тем, что в отличие от интенсивности звука или звуковой мощности, его можно измерить прямым измерением. Принцип измерения уровня звукового давления (УЗД) основан на изменении величины тока или напряжения (выходного электрического сигнала) в электрической цепи постоянного тока, при работе мембраны (мембрана изменяет геометрическую характеристику пространства, тем самым меняя сопротивление цепи, или внося изменения в магнитное поле, косвенно воздействующее на цепь). В зависимости от типа микрофона (шумомера), может быть разный состав электрической цепи (рис. 2 и рис. 3):
Таким образом в заключении:
1. Звуковая мощность: объективная характеристика источника шума, характеризующее совокупную (полную) энергию звуковой волны, создаваемой источником (осциллятором). Обозначается как Lw;
2. Интенсивность звука: характеристика, отражающая уровень шума в каждой точке пространства;
3. Звуковое давление: характеристика, отражающая уровень шума, измеренный в определенных условиях на заданном расстоянии от источника шума. Обозначается как Lp.
ВАЖНО:
- нельзя сравнивать величины Lw и Lp. При сравнении источников шума корректнее всего сравнивать уровни звуковой мощности Lw, так как эта величина объективна и не зависит от условий работы источника шума (вент. установки);
-при сравнении источников шума по звуковому давлению (Lp), необходимо удостоверится, что звуковое давление было измерено в одинаковых условиях (по одному нормативу, на одинаковом расстоянии).
Недобросовестные поставщики оборудования часто манипулируют этими величинами, чтобы ввести пользователя в заблуждение.
В следующих статьях мы поговорим о восприятии шума на разных частотах, разберемся, что такое частота шума и какие элементы системы вентиляции наиболее шумные и как с этим шумом бороться.
Статья подготовлена НИИ «ЭТМ» при консультации специалистов НИУ «МЭИ»
Литература:
1. Р. Тейлор. Шум. М.: Мир, 1978.
2. СП 51.13330.2011 «Защита от шума»