Основные понятия теории звука
Звук – это колебание давления (в воздухе, воде или в любой другой среде), которое может почувствовать человеческое ухо.
Шум
Все звуки, которые раздражающе воздействуют на слух в таких повседневных процессах как работа, отдых, развлечения и т.д, могут быть определены как шумы.
Частота
Число колебаний давления в единицу времени называется частотой звука, измеряется в Герцах (Гц).
Частота и реакция человеческого уха на шум
Человеческое ухо не может распознать весь диапазон частот. Слышимый диапазон частот для человека обычно варьируется от 20 Гц до 20,000 Гц (20 кГц)
Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам в диапазоне от 1,000 до 5,000 Гц, особенно в районе 4,000 Гц.
Уровень звукового давления (Lp)
Простыми словами, уровень звука в закрытом пространстве -это звуковое давление. Оно может быть измерено шумомером.
Уровень звуковой мощности (Lw)
Звуковая мощность, с другой стороны, не может быть измерена напрямую (кроме специальных средств измеряющих акустическую интенсивность) и является мерой акустической энергии, созданной источником.
Эта величина, как правило, определяется в специальных лабораториях и в определенных условиях.
У самого слабого звука, который может распознать человеческое ухо, амплитуда составляет одну двадцатимиллионную долю Паскаля (20 µПa) — это приблизительно в 5.000.000.000 раз меньше чем нормальное атмосферное давление .
Таким образом, если измерять звуковое давление в Паскалях, то придется оперировать с многозначными числа . Чтобы избежать этого, используют другую шкалу – децибел (дБ)
Децибел (дБ)
Децибел - это не абсолютная единица измерения. Это отношение между измеряемой величиной и установленной точкой отсчета.
Децибел (дБ) имеет логарифмическую шкалу и использует слуховой порог 20 µPa как точку отсчета для уровня звукового давления. Эта точка определена как 0 дБ.
Когда мы умножаем звуковое давление в Пa на 10, мы добавляем 20 дБ к точке отсчета дБ. Так 200 µПa соответствует 20 дБ, 2000 µПa = 40 дБ и т.д.
20 µПa = 0 дБ
20 x 10 = 200 µПa = 0 + 20 = 20 дБ
20 x 100 = 2000 µПa = 0 + 20 +20 = 40 дБ
Почему мы используем дБ вместо Ватт (Вт) для измерения уровня звуковой мощности?
Как и в случае звукового давления, если мы выразим мощность звука в Ваттах, то столкнемся с многозначными числами, так как единица мощности звука в Ваттах очень мала.
Значением для сравнения может служить пиковатт(10 в -12степени Ватт).
Lw = 10 log ( N / No) (1) где
Lw = Уровень звуковой мощности в децибелах (дБ)
N = звуковая мощность (Вт)
No = 10 в -12 степени – опорное значение звуковой мощности(Вт).
Звуковой спектр / октавная полоса
Большинство звуков являются сложными, т.е. состоящими из множества частот, каждая со своей амплитудой.
Взаимосвязь между уровнем звука и частотой необходима для комплексного анализа. График зависимости уровня звука от частоты называется звуковым спектром.
Слышимый диапазон человека обычно составляет от20Гц до 20 кГц, однако анализ данных по каждой частоте займет слишком много времени.
Поэтому были введены понятия октавного и третьоктавного диапазонов.
Одна октава - это диапазон частот, где верхнее значение в два раза превышает нижнее.
Например : 31.5Гц, 63Гц, 125Гц, 250Гц, 500Гц,1кГц, 2кГц, 4кГц, 8кГц и16кГц.
В третьоктавном диапазоне каждая октавная полоса разделена еще на 3 части.
Например : 20-25-31.5, 40-50-63 , 80-100-125 , 160-200-250 , 315-400-500 , 630-800-1000…
Октавные полосы
Третьоктавные полосы
Октавный диапазон
При анализе систем вентиляции и кондиционирования воздуха используют 8 октав. Эти 8 октав имеют следующие центральные частоты и диапазон:
Методы представления спектра одним числом
Иногда достаточно одного числового значения для описания звука, который имеет широкий спектр частот. Наиболее распространенные методы, применяемые для систем вентиляции и кондиционирования приведены ниже:
Шумовой критерий (NC)
Шумовой критерий (NC)- был разработан в Соединенных Штатах для определения уровня шума в помещении,в частности от кондиционеров.
Метод содержит ряд кривых в диапазоне от 63 до 8000 Гц. Кривые определяют предел для каждой октавной полосы, который не должен быть превышен. В этом случае кривая соответствует критерию шумности данного помещения.
Таблица 1 :Табличное представление NC графиков, дБ.
Оценка шумового критерия
Шумовой критерий NC, следующего спектра
62.5 Hz : 40 dB
125 Hz : 50 dB
250 Hz : 55 dB
500 Hz : 60 dB
1000 Hz : 50 dB
2000 Hz : 55 dB
4000 Hz : 45 dB
8000 Hz : 45 dB
может быть оценен как NC 57, как показано на диаграмме.
Шумовой критерий NR
Шумовой критерий(NR) наиболее часто используется в Европе и в странах СНГ и разработан Международной Организацией по Стандартизации (ISO) для определения приемлемого уровня звукового давления в помещении.
“A” / “B” / “C” - методы коррекции
A / B / C методы коррекции - Человеческое ухо более чувствительно к звукам в диапазоне частот от 1 кГц до 4кГц чем к звукам при более низких или более высоких частотах.Поэтому более высокий уровень звука может быть приемлемым в диапазоне выше 4кГц или ниже 1кГц.
Понимание этого привело к разработке следующих методов коррекции:
Ø Уровень шума по шкале A дБ(A)
Ø Уровень шума по шкале B дБ(B)
Ø Уровень шума по шкале C дБ(C)
Коррекция осуществляется путем вычитания (фильтрации) децибелов в диапазоне частот ниже1000Гц и добавления или вычитания при более высоких частотах. Это компенсирует недостаток чувствительности человеческого уха в указанном диапазоне частот.
Уровень шума по шкале “A”, дБ(A)
“А” – коррекция обычно используется в системах вентиляции и кондиционирования. Величины, добавляемые/вычитаемые из уровня шума по октавам, для реализации А – коррекции указаны в таблице ниже.
После применения фильтра для октавных полос результирующий уровень шума может быть получен логарифмическим суммированием отдельных проктавных уровней шума дБ(A).
В таблице представлен результирующий уровень шума в дБ(A) в соответствии с уровнем звукового давления db :
Интегральный уровень шума в дБ(А) может быть рассчитан как :
10*LOG(10^(33/10)+10^(35/10)+10^(35/10)+10^(30/10)+10^(21/10)+10^(16/10)+10^(19/10)) = 40 дБ(A)
Рекомендуемый уровень шума
Анализ шума вне помещения
Оборудование для наружной установки, такое как градирни и воздухоохлаждаемые чиллеры создаёт шум, который может раздражающе воздействовать на людей. Анализ обычно требуется для оценки уровня шума на границе раздела объектов частной собственности или в близко расположенном здании.
Анализ по модели открытого пространства
Анализ по данной гипотезе является наиболее распространенным -это основной тип оценки.
Рассмотрим чиллер с винтовым компрессором и воздушным охлаждением конденсатора , расположенный на крыше 4-х этажного здания. Чиллер установлен в 100 метрах по горизонтали от границы участка. Измеряющий приемник расположен на высоте 10 метров над землей.
Задача состоит в том, чтобы вычислить уровень звукового давления дБ(А) на границе участка, используя предоставленные данные по уровню звуковой мощности .
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ(Lp)ПО ЗВУКОВОЙ МОЩНОСТИ (Lw)
Уровень звукового давления может быть вычислен как функция расстояния следующим образом:
Lp = Lw+ 10Log(1/4πd²)
Где,
d – расстояние от источника до точки измерения в метрах
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ(Lp) ОТ УРОВНЯ МОЩНОСТИ (Lw)
Во-первых, вычислим расстояние от источника до приемника используя уравнения
d = (D²+(EQH-MH)²)½
Где,
d – расстояние от источника до приемника в футах (м)
D – расстояние по горизонтали от источника до приемника в футах или метрах
Часто D – расстояние до ближайшей
границы участка.
EQH –высота до источника в футах/м
MH – высота расположения приемника.
ВЫЧИСЛЕНИЕ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ(Lp)ОТ УРОВНЯ МОЩНОСТИ (Lw)
Уровень звуковой мощности обеспечивается работой чиллера:
Диапазон 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Lw 103 103 102 99 99 97 90 84
Используя уравнение 1, вычислим уровень звукового давления для каждой октавной полосы.
Например, диапазон частоты 63 Гц рассчитывается как :
Lp63 = 103 + 10Log(1/(2π108.5²)-108.5(0.1+ 0.4)/1000+10 = 64 dB
Соответственно, уровень звукового давления(Lp) во всех частотах вычислен как:
Диапозон 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Lp 64 63 60 60 58 51 44 39
coef A -26 -16 -9 -3 0 1 1 -1
dBA 38 47 51 57 58 52 45 38
Анализ шума в помещении
Канальные фанкойлы
Уровень звуковой мощности от фанкойловможно разделить на две составляющие – мощность на подаче и радиальную.
Радиальная звуковая мощность- это энергия звука, которая распространяется от фанкойла.
Мощность на подаче -это энергия звука, которая передается в воздуховод
Канальные фанкойлы– вычисления скорректированного по шкале А уровня звуковой мощности Lw дБ(A)
В случаях установки оборудования в помещении (фанкойлы) , уровень звукового давления (Lp) может быть определен путем вычитания эффектов затухания от “комнаты ” и “системы ” из звуковой мощности установки (Lw)
Основные компоненты, которые оказывают эффект шумоглушения:
ØЭффект от помещения: изменяется в зависимости от геометрии и размера помещения и используемой мебели.
В нашем случае, в принята средняя величина затухания в 4дБ.
ØФальшпотолки: эффект зависит от используемого материала, толщины материала и т.д.
В нашем случае, принята средняя величина затухания в 10дБ.
ØКонструкция воздуховодов: прямой/изгибающийся, тип закруглений, использование гибких вставок и т.д.
В нашем случае, был рассмотрен эффект затухания в стандартных воздуховодах для фанкойлов на 3 кВт
Затухания в потолочных пленумах
Фальшпотолококазывает значительное влияние на уровень шума в помещении.
-Поверхность способствует поглощению звуковой энергии.
-Есть возможность “запереть” шум в запотолочномпространстве.
ASHRAE провела серьезные исследования конструкций фальшпотолкови разработала следующую методику оценки эффекта шумоглушения:
Эффект от помещения:
Зависит от:
a)Поглощающей способности помещения- поглощение шума стенами, полом, людьми, шторами и т.д.
b)Объема помещения и точки измерения
c)Влияния количества источников шума