10.2. Перспективы борьбы с шумом

В ближайшем и обозримом будущем, вероятно, продолжится развитие всех направлений борьбы с шумом, о которых упоминалось выше. Следует ожидать самого широкого применения компьютерного проектирования шумозащиты, ещё более интенсивного использования активных методов борьбы с шумом, появления новых методов измерений. Большие перспективы у комбинированных активно-пассивных систем шумопоглощения. Станут реальностью банки данных по шуму, более активный мониторинг акустического загрязнения окружающей среды. Понятно, что чем большие требования предъявляются к обесшумливанию машин, механизмов, транспортных средств, тем шире должна быть законодательная поддержка.

Но вместе с тем ясно, что скорость снижения шума будет замедляться. Мы вступаем в такой период, когда каждый очередной децибел при ослаблении шума требует все больших затрат. Скорее всего, мы столкнемся с таким явлением, как минимально достижимый шум, который нельзя уменьшить без изменения принципа работы устройства или без очень больших расходов. В конечном счете все усилия по шумозащите будут определяться экономическими соображениями, т.е. теми затратами, на которые будет готово пойти общество.

Интересно проследить, как изменились со временем уровни шумового воздействия в ХХ в. и какой прогноз можно сделать для первых десятилетий ХХI в. На рис. 10.1 приведен график изменения шума для некоторых изделий с середины 1960-х гг. до начала ХХI в.

Отметим достаточно резкое (на 10-20 дБА) снижение шума в 1960-1980-е гг. после появления первых законов о шуме. Это объясняется известным всем акустикам «правилом первых децибел»: вначале снижения шума дается легко, но чем дальше, тем оно труднее из-за повышения затрат.

Рис. 10.1. Изменение шума во времени: 1 – реактивные пассажирские самолеты;

2 – легковые автомобили; 3 – строительно-дорожные машины

Если продлить кривые на рисунке, то видно, что для автомобилей, реактивных пассажирских самолетов, строительно-дорожных машин наметилась тенденция очень медленного уменьшения шума (от 1,5 до 3 дБА в течение каждых 7-10 лет), которая определяется принимаемыми, например в ЕС, документами по ограничению шума. Число источников шума будет неуклонно возрастать, и это позволяет утверждать, что в ближайшие два-три десятилетия резкого снижения шума ожидать не следует, а акустическое загрязнение окружающей среды станет все более заметным негативным фактором.

10.3. Основные понятия и определения

Звук – это упругие волны, колебательные движения частиц в упругой среде, вызванные каким-либо источником.

Звуковое поле – область среды, в которой распространяются звуковые волны. В звуковом поле возникают деформации разрежения и сжатия, что приводит к изменению давления в любой точке среды по сравнению с атмосферным; разность между этими давлениями называют звуковым давлением (p).

В зависимости от среды, в которой распространяются упругие волны, звук подразделяется на воздушный и структурный.

Воздушный звук – звуковое поле, обусловленное передачей звука от источника к точке наблюдения по воздуху или через ограждающие конструкции.

Структурный звук – составляющая звукового поля, обусловленная излучением шума вибрацией ограждающих конструкций.

Звук характеризуется скоростью распространения и направлением перемещения звуковых волн, звуковым давлением, создаваемым ими в среде, интенсивностью переноса звуковой энергии.

Скорость звука зависит от характеристик среды, в которой он распространяется, и является функцией ее плотности и упругости, а для газообразной среды – температуры.

Скорость звука в воздухе выражается следующим образом:

, (10.1)

где t_c – температура окружающей среды.

При температуре t_c = 20 °С скорость звука в воздухе равна 340 м/с, в воде 1490 м/с и в стали 5039-5177 м/с.

Источник гармонических (синусоидальных) колебаний с частотой f создает звуковую волну, имеющую скорость

, (10.2)

где λ – длина звуковой волны.

В практике борьбы с шумом часто используется это выражение в форме, устанавливающей связь между частотой и длиной волны:

, (10.3)

т.е. чем больше частота звука, тем меньше длина звуковой волны и наоборот. Например, если частота равна 1000 Гц, то длина волны в воздухе при комнатной температуре составляет 0,34 м, при 250 Гц – около 1,3 м, при 4000 Гц – 0,09 м.

В движущейся звуковой волне попеременно возникают разрежения и сжатия. Распространение звука характеризуется так же и такими совершено различными явлениями, как движение частиц среды в волне и перемещение самой звуковой волны в среде. Обычно колебательные скорости частиц среды в несколько раз меньше скорости звука.

Характеристиками звуковых волн, связанными с их распространением, являются звуковой луч и фронт волны.

Звуковым лучом называют линию распространения звуковых волн, а фронтом звуковой волны – поверхность, объединяющую точки с одинаковой фазой колебания (например, фазой разрежения). По форме фронта различают три типа звуковых волн: плоские (фронт в виде плоскости, нормальный к направлению распространения волны), сферические (сферический фронт) и цилиндрические (фронт в виде боковой поверхности цилиндра).

Поскольку тип звуковой волны влияет на ее затухание в пространстве, на практике важно определить вид волны хотя бы приближенно. Если плоский источник звука имеет большие размеры, то вблизи него возникают плоские волны и в этой плоскости звуковое давление постоянно. По мере удаления от источника плоская звуковая волна переходит в сферическую, распространяющуюся во всех направлениях. Фронт волны может определяться не только размерами источника звука, но и частотой (длиной звуковой волны). При низких частотах (большая длина волны) фронт, как правило, сферический, при высоких частотах и малой длине волны – плоский.

Характер распространения звуковых волн зависит также от некоторых особенностей окружающего пространства. На открытом пространстве в отсутствие препятствий распространяется бегущая волна, при наличии препятствия возникают отраженные звуковые волны.

В бегущей волне звуковое давление в среде (Р) прямо пропорционально скорости колебания частиц среды (v). Коэффициент пропорциональности называется удельным акустическим сопротивлением среды (рс):

, (10.4)

где ρ – плотность среды.

В поле сферической звуковой волны звуковое давление изменяется обратно пропорционально расстоянию (r) в результате расширения площади фронта волны (S):

, (10.5)

где Ω – пространственный угол излучения (Ω = 4π, если звук излучается во все пространство; Ω = 2π при излучении в полупространство и т.д.).

Распространение звука связано с переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука. Для плоской волны интенсивность имеет вид

. (10.6)

Интенсивность звука – вектор, поэтому в некоторых практических случаях используется скалярная величина – плотность звуковой энергии:

. (10.7)

Общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени, называется звуковой мощностью:

, (10.8)

Если звук излучают несколько (n) источников с произвольным распределением фаз, то суммарная звуковая мощность определяется так:

, (10.9)

где W_i – мощность i-го источника.