Условия и значения звуковой мощности в акустике

В качестве заключения

Мы рассмотрели только часть вопросов, касающихся акустических расчетов. Отдельного рассмотрения требуют вопросы расстановки громкоговорителей, определения времени реверберации помещения, расчета разборчивости. Приведем некоторые рекомендации, касающиеся повышения общей разборчивости речи .

Наибольшее влияние на разборчивость речи оказывают естественные шумы.
Существенное влияние на разборчивость речи оказывают реверберационные помехи, снижение которых достигается дополнительными (специальными) мероприятиями.
Хорошая разборчивость в реверберирующих помещениях с ограниченным звуковым трактом может быть достигнутапри разнице между звуковым давлением в РТ и уровнем шума не меньшей 6 дБ.
На разборчивость существенное влияние оказывает качество выбираемых громкоговорителей. При неравномерности АЧХ громкоговорителя приближающейся к 10 %, разборчивость ухудшается на 7 %.
Существенное повышение речевой разборчивости может быть достигнуто увеличением доли прямого звука в суммарной звуковой энергии внутри помещения, за счет:■ повышением локализации звуковых источников;■ грамотной расстановкой звуковых источников (громкоговорителей), учитывающей их направленности и расположение, при котором РТ-точка не сильно удалена от источника и не находится в тени.

ФЗ № 123, cвод правил СП 3.13130.2009. Требования пожарной безопасности к звуковому и речевому оповещению и управлению эвакуацией людей.
ФЗ № 123, свод правил СП 133.13330.2012 (Приложение А. Упрощенный расчет числа громкоговорителей в системах оповещения).
Кочнов О. В. Электроакустический расчет, выполняемый при проектировании СОУЭ // Материалы XV научно-практической конференции «Интеграция науки и практики как механизм развития современного общества». 8-9 апреля 2015.
СП 51.13330.2011 Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23-03-2003. М., 2011.
СНиП 23-03-2003. Защита от шума (Sound protection) от 2004-01-01.
Кочнов О. В. Расчет разборчивости речи // Материалы XVIII научно-практической конференции «Интеграция наукии практики как механизм развития современного общества». 28-29 декабря 2015.

Коэффициент нелинейных искажений (Distortion, Total Harmonic, THD)

Характеризует появление в процессе преобразования, отсутствовавших в исходном сигнале спектральных составляющих искажающих его структуру, то есть, в конечном счете, точность воспроизведения. Важный параметр, так как «взнос» АС в общий коэффициент нелинейных искажений всего звукового тракта как правило является максимальным. Например коэффициент нелинейных искажений современного усилителя составляет сотые доли процента, в то время как типичное значение этого параметра для акустики – единицы процентов. При увеличении мощности сигнала коэффициент нелинейных искажений возрастает.

Импеданс акустической системы #

Импеданс или сопротивление – полное электрическое сопротивление акустики по переменному току. Для акустических систем и динамиков обычно составляет 4, 6, 8 или 16 Ом. В целом, импеданс никак напрямую не связан с качеством звучания той или иной акустической системы. Однако именно этот параметр необходимо учитывать при подключении акустической системы к усилителю. Если значение сопротивления колонки ниже, чем выходное сопротивление усилителя, в звучании будут присутствовать некоторые (незначительные на слух) искажения, но при чрезмерно повышенной громкости такое подключение может привести к повреждению усилителя; если импеданс акустики выше, чем выходное сопротивление усилителя, то звук будет значительно тише.

Для активных акустических систем важными параметрами являются коэффициент гармоник, вызываемый нелинейными искажениями усилителя и соотношение между уровнем полезного сигнала и уровнем вносимого усилителем “шумового” сигнала.

Организационные мероприятия

Приведем некоторые рекомендации (организационные мероприятия), способствующие повышению достоверности восприятия речевой информации в производственных помещениях с высоким шумом .

Защита от шума строительно-акустическими методами должна обеспечиваться:

рациональным с акустической точки зрения решением генерального плана объекта, рациональным архитектурно-планировочным решением зданий;
применением ограждающих конструкций зданий с требуемой звукоизоляцией;
применением звукопоглощающих конструкций (звукопоглощающих облицовок, кулис, штучных поглотителей);
применением звукоизолирующих кабин наблюдения и дистанционного управления;
применением звукоизолирующих кожухов на шумных агрегатах;
применением акустических экранов;
применением глушителей шума в системах вентиляции, кондиционирования воздуха и в аэрогазодинамических установках;
виброизоляцией технологического оборудования.

В проектах должны быть предусмотрены мероприятия по защите от шума:

в разделе «Технологические решения» (для производственных предприятий) при выборе технологического оборудования следует отдавать предпочтение малошумному оборудованию;
размещение технологического оборудования должно осуществляться с учетом снижения шума на рабочих местах в помещениях и на территориях путем применения рациональных архитектурно-планировочных решений;
в разделе «Строительные решения» (для производственных предприятий) на основе акустического расчета ожидаемого шума на рабочих местах должны быть, в случае необходимости, рассчитаны и запроектированы строительно-акустические мероприятия по защите от шума;
шумовые характеристики технологического и инженерного оборудования должны содержаться в его технической
документации и прилагаться к разделу проекта «Защита от шума»;
следует учитывать зависимость шумовых характеристик от режима работы, выполняемой операции, обрабатываемого материала и т. п.;
возможные варианты шумовых характеристик должны быть отражены в технической документации оборудования.

4.3 Погрешность измерений

4.3.1 Максимальные
значения погрешностей определения уровней звуковой мощности в полосах частот
при обеспечении предписанных методом условий измерений, средств измерений и
обязательном выполнении требований к показателям поля F₁ – F₄ соответствуют приведенным в таблице .

(Измененная
ред., поправка).

Таблица 1 – Погрешности
определения уровней звуковой мощности

Центральные* частоты третьоктавных полос, Гц

Среднее квадратическое отклонение S**, дБ

63 – 125

50 – 160

3,0

250 – 500

200 – 630

2,0

1000 – 4000

800 – 5000

1,5

6300

2,5

* Центральная частота равна корню квадратному из
произведения граничных частот рассматриваемой полосы.

** Действительное значение уровня звуковой мощности
находится в доверительном интервале ±2S(доверительная вероятность 95 %).

Погрешность
определяется методикой измерений, а ее максимально допустимое значение
ограничивается значением показателя точности K= 10 дБ (см. ).
Эта погрешность не учитывает допуски на номинальные характеристики средств
измерения, влияние изменений в установке, креплении и условиях работы источника
шума.

4.3.2
(Исключен, поправка).

Неравномерность амплитудно-частотной характеристики (неравномерность характеристики звукового давления)

Идеальной для воспроизведения звука была бы акустика, имеющая АЧХ в виде прямой линии. К сожалению, АЧХ реальных АС представляют собой кривые имеющие множество пиков и провалов. Появление этой неравномерности, при воспроизведении звуков различной частоты, вызвано не идеальностью, как компонентов, так и акустической системы в целом, наличием различного рода паразитных резонансов, вибрации стенок корпуса и т. п. Чем равномернее АЧХ, тем более естественным будет воспроизведение.

Степень неравномерности АЧХ характеризуется отношением максимального значения звукового давления к минимальному, или по другой методике, отношением максимального (минимального) значения к среднему, в заданном диапазоне частот, выраженное в децибелах. В рекомендациях МЭК 581 – 7, определяющих минимальные требования к аппаратуре Hi – Fi, указывается, что неравномерность АЧХ не должна превышать ± 4 дБ в диапазоне 100 – 8000 Гц. В лучших моделях АС категории Hi – Fi достигнут уровень неравномерности ± 2 дБ.

Коэффициент гармоник акустической системы (THD) #

Коэффициент гармоник (англ. THD, total harmonic distortion) является основным показателем для оценки появляющихся после усиления нелинейных искажений сигнала. Физически искажения представляют собой вносимые в полезный сигнал паразитные синусоидальные сигналы (гармоники). Вычисляется THD как отношение мощности суммы гармоник к мощности сигнала. Измеряется THD в процентах, при подаче на вход усилителя сигнала определенной частоты (обычно 1 кГц). Естественно, чем этот параметр больше, тем ниже качество звука.

Вместе с тем необходимо отметить, весьма заметны нелинейные искажения только у транзисторных усилителей. Ламповые системы, имея гораздо более высокие коэффициенты гармоник, субъективно имеют весьма высокую верность звучания, за что и ценятся меломанами.

Соотношение сигнал/шум акустической системы #

Соотношение сигнал/шум (англ. SNRSignal–to–NoiseRatio) выражает отношение мощности полезного сигнала к имеющемуся на входе усилителя уровню собственного паразитного “шумового” сигнала, измеряется в децибелах. Чем больше этот параметр, тем меньше будет слышен шум в паузах и при пониженной громкости полезного сигнала.

Все вышеперечисленные параметры заметно упрощают выбор необходимой акустики. К сожалению, производители далеко не всегда позволяют объективно оценивать качество их изделий, прилагая минимальный набор параметров при максимуме рекламных заявлений. Вместе с тем, при покупке не стоит забывать об индивидуальных особенностях звукового восприятия, и обстоятельно прослушать и сравнить несколько типов акустики.

Математическое определение

Звуковая мощность, обозначаемая P , определяется как

пзнак равнож⋅vзнак равноАпты⋅vзнак равноАпv{\ Displaystyle P = \ mathbf {f} \ cdot \ mathbf {v} = Ap \, \ mathbf {u} \ cdot \ mathbf {v} = Apv}

где

f – звуковая сила единичного вектора u ;
v – скорость проекции частицы v вдоль u ;
А – площадь;
p – звуковое давление .

В среде звуковая мощность определяется выражением

пзнак равноАп2ρcпотому что⁡θ,{\ displaystyle P = {\ frac {Ap ^ {2}} {\ rho c}} \ cos \ theta,}

где

А – площадь поверхности;
ρ – массовая плотность ;
c – скорость звука ;
θ – угол между направлением распространения звука и нормалью к поверхности.
p – звуковое давление .

Например, звук при SPL = 85 дБ или p = 0,356 Па в воздухе ( ρ =1,2 кг⋅м −3 и c =343 м⋅с −1 ) через поверхность площадью A =1 м 2, перпендикулярный направлению распространения ( θ = 0 °), имеет поток звуковой энергии P =0,3 мВт .

Это параметр, который может заинтересовать при преобразовании шума обратно в полезную энергию, наряду с любыми потерями в устройстве захвата.

Уровень звуковой мощности

Уровень звуковой мощности (SWL) или уровень акустической мощности – это логарифмическая мера мощности звука относительно эталонного значения.
Уровень звуковой мощности, обозначенный L _W и измеренный в дБ , определяется как

LWзнак равно12пер(пп) Nпзнак равнобревно10(пп) Bзнак равно10бревно10(пп) dB,{\ displaystyle L_ {W} = {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {P} {P_ {0}}} \ right) \! ~ \ mathrm {Np} = \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {P} {P_ {0}}} \ right) \! ~ \ mathrm {B} = 10 \ log _ {10} \! \ left ({\ гидроразрыв {P} {P_ {0}}} \ right) \! ~ \ mathrm {dB},}

где

P – звуковая мощность;
P – эталонная звуковая мощность ;
1 Np = 1 – непер ;
1 В = 12ln 10 – пояс ;
1 дБ = 120ln 10 – децибел .

Обычно используется эталонная звуковая мощность в воздухе:

пзнак равно1 пW.{\ displaystyle P_ {0} = 1 ~ \ mathrm {pW}.}

Соответствующие обозначения для уровня звуковой мощности с использованием этого эталона: L _{W / (1 пВт)} или L _W ( относительно 1 пВт) , но суффиксные обозначения dB SWL , dB (SWL) , dBSWL или dB _SWL очень распространены, даже если они не принимаются СИ.

Эталонная звуковая мощность P определяется как звуковая мощность с эталонной интенсивностью звука I = 1 пВт / м 2, проходящая через поверхность площадью A = 1 м 2 :

пзнак равноАя,{\ displaystyle P_ {0} = A_ {0} I_ {0},}

следовательно, эталонное значение P = 1 пВт .

Связь с уровнем звукового давления

Общий расчет звуковой мощности по звуковому давлению выглядит следующим образом:

LWзнак равноLп+10бревно10(АSА) dB,{\ displaystyle L_ {W} = L_ {p} +10 \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {A_ {S}} {A_ {0}}} \ right) \! ~ \ mathrm { дБ},}

где:
определяет площадь поверхности, которая полностью охватывает источник. Эта поверхность может иметь любую форму, но она должна полностью закрывать источник.
АS{\ displaystyle {A_ {S}}}

В случае, если источник звука расположен в свободном поле и расположен над отражающей плоскостью (т. Е. Землей) в воздухе при температуре окружающей среды, уровень звуковой мощности на расстоянии r от источника звука приблизительно связан с уровнем звукового давления (SPL) следующим образом:

LWзнак равноLп+10бревно10(2πр2А) dB,{\ displaystyle L_ {W} = L_ {p} +10 \ log _ {10} \! \ left ({\ frac {2 \ pi r ^ {2}} {A_ {0}}} \ right) \! ~ \ mathrm {дБ},}

где

L _p – уровень звукового давления;
A = 1 м 2 ;
2πр2,{\ displaystyle {2 \ pi r ^ {2}},}определяет площадь поверхности полусферы; а также
r должно быть достаточно, чтобы полусфера полностью закрывала источник.

Вывод этого уравнения:

LWзнак равно12пер(пп)знак равно12пер(АяАя)знак равно12пер(яя)+12пер(АА).{\ displaystyle {\ begin {align} L_ {W} & = {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {P} {P_ {0}}} \ right) \\ & = {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {AI} {A_ {0} I_ {0}}} \ right) \\ & = {\ frac {1} { 2}} \ ln \! \ Left ({\ frac {I} {I_ {0}}} \ right) + {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ Left ({\ frac {A} {A_ {0}}} \ right) \!. \ End {align}}}

Для прогрессивной сферической волны

zзнак равнопv,{\ displaystyle z_ {0} = {\ frac {p} {v}},}

Азнак равно4πр2,{\ displaystyle A = 4 \ pi r ^ {2},} (площадь поверхности сферы)

где z – .

Вследствие этого,

язнак равнопvзнак равноп2z,{\ displaystyle I = pv = {\ frac {p ^ {2}} {z_ {0}}},}

и поскольку по определению I = p 2 / z , где p = 20 мкПа – эталонное звуковое давление,

LWзнак равно12пер(п2п2)+12пер(4πр2А)знак равнопер(пп)+12пер(4πр2А)знак равноLп+10бревно10(4πр2А) dB.{\ displaystyle {\ begin {align} L_ {W} & = {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {p ^ {2}} {p_ {0} ^ {2 }}} \ right) + {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {4 \ pi r ^ {2}} {A_ {0}}} \ right) \\ & = \ ln \! \ left ({\ frac {p} {p_ {0}}} \ right) + {\ frac {1} {2}} \ ln \! \ left ({\ frac {4 \ pi r ^ {2}} {A_ {0}}} \ right) \\ & = L_ {p} +10 \ log _ {10} \! \ Left ({\ frac {4 \ pi r ^ {2}} { A_ {0}}} \ right) \! ~ \ Mathrm {дБ}. \ End {align}}}

Расчетная звуковая мощность практически не зависит от расстояния. На звуковое давление, используемое в расчетах, может влиять расстояние из-за вязких эффектов при распространении звука, если это не учтено.

8.2 Предварительное испытание

Измерение
нормальной составляющей интенсивности звука проводят на исходной измерительной
поверхности. Если эта поверхность оказывается непригодной, ее изменяют в
соответствии с приложением .
Измерительная поверхность должна охватывать испытуемый источник.

Примечание – Предпочтительно выбирать поверхности простых
геометрических форм, представленных на рисунке .

1 – параллелепипед; 2 – полусфера; 3– цилиндр; 4 – полуцилиндр.

Рисунок 1 – Предпочтительные
исходные измерительные поверхности

Среднее
расстояние между измерительной поверхностью и поверхностью источника должно
быть более 0,5 м, за исключением участков, которые излучают незначительную
часть звуковой мощности, что доказывается испытанием. Выбранная поверхность
может иметь непоглощающие участки (коэффициент поглощения в диффузном поле
менее 0,06), такие, как бетонный пол или кирпичная стена. На этих участках не
следует проводить измерения интенсивности звука, и нельзя включать такие
участки в оценку звуковой мощности источника по формуле () (см. ).

Для оценки
стационарности звукового поля выбирают «типичную» точку измерения на исходной
измерительной поверхности и вычисляют показатель F₁для всех полос частот согласно приложения .

Если
нестационарность звукового поля превышает значение, указанное в таблице приложения , принимают соответствующие меры для ее уменьшения
(см. таблицу ).

Влияние
постороннего шума следует считать незначительным, если уровни звука А,
измеренные в пяти точках, распределенных равномерно по измерительной
поверхности, уменьшатся по меньшей мере на 10 дБ при выключении испытуемого
источника.

Примечание – Это условие не следует применять, если испытуемый
источник управляет источниками значительного постороннего шума, расположенными
вне измерительной поверхности.

Проводят
измерения уровней нормальной составляющей интенсивности звука и уровней
звукового давления в полосах частот, в которых должны быть определены уровни
звуковой мощности не менее чем в одной точке на 1 м2 и не менее чем
в 10 точках, по возможности равномерно распределенных на измерительной поверхности.

В случаях, когда
шум посторонних источников значителен и может потребоваться более 50 точек
измерения, допустимо уменьшить плотность точек до одной на 2 м2 при
условии, что обoее число точек измерения не
меньше 50. В случаях, когда посторонний шум незначителен и площадь
измерительной поверхности более 50 м2, распределяют 50 точек как
можно более равномерно (соответственно площади сегментов) по измерительной
поверхности.

Вычисляют
показатели поля F₂, F₃и F₄длявсех полос
частот согласно приложению и
вводят их в формулы, приведенные в
приложения .

Результат
вычислений позволяет определить соответствие точности измерений техническому
методу.

Если критерий 1
() не удовлетворяется во всех
полосах частот, то выполняют следующее:

а) в отчете
согласно указывают, что
погрешность определения уровня звуковой мощности в этих полосах частот
превышает погрешность, установленную в таблице для технического метода;

б) или принимают
меры согласно таблице , чтобы
увеличить (повысить) точность.

Если критерий 2
() не удовлетворяется во всех
полосах частот, принимают меры согласно .

Расчетная точка

Расчетная точка – место возможного (вероятного) нахождения людей наиболее критичное с точки зрения положения и удаления от звукового источника (громкоговорителя). РТ выбирается на расчетной плоскости – (мнимой) плоскости, проведенной параллельно полу на высоте 1,5 м, (1,2 м для сидячих мест) в месте с наихудшими условиями – точке наиболее удаленной от громкоговорителя или в точке с наибольшим УШ.

Согласно НД , РТ выбираются:

в зоне прямого звука;
в зоне отраженного звука;
в середине толпы (месте максимальной концентрации людей).

Данный выбор (способ) не подходит для ЭАР, кроме последнего пункта, и вот почему. Под зоной прямого звука в контексте имеется в виду расстояние, не превышающее двойного размера источника звука. В под источниками звука (шума) подразумеваются машины, турбины, агрегаты и т. д. При использовании в качестве звукового источника даже самого большого громкоговорителя это расстояние не превысит 1 м, что не актуально.

В зоне отраженного звука. Здесь имеется в виду точка, расположенная, во-первых, вблизи отражающей поверхности и, во-вторых, максимально удаленная от источника звука. Выбор РТ вблизи отражающей поверхности объясняется спецификой акустического расчета как расчета именно для шумовых источников, для которых учитывается как энергия прямого звука, так и диффузионная энергия. При удалении от источника шума на расстояние, вдвое превышающее его размеры, начинает резко превалировать влияние диффузионной составляющей, см. далее формулу (7). Электроакустический же расчет, по своей специфике, близок к акустическому расчету, выполняемому для кинотеатров, концертных залов, в которых характерной информацией является музыка или речь. Такие расчеты для обеспечения надлежащей разборчивости выполняются с использованием так называемой геометрически-лучевой теории, позволяющей учитывать отражения и определять уровни прямого звука, приходящего (поступающего) в РТ. Согласно данной теории, известной еще древним грекам, звуковая энергия отождествляется с тонким лучом (света). При попадании на предметы часть звуковой энергии поглощается, а часть отражается под тем же самым углом.

В акустике под прямым звуком подразумевается как прямой звук – звук, распространяющийся напрямую от источника до РТ, так и первичные отражения – звук, поступающий в РТ, отразившись от поверхностей (площадок) не более 1 раза.

Основы электроакустического расчета

Понятие «акустический расчет» (АР) само по себе является достаточно емким. В контексте обеспечения безопасности людей, находящихся внутри производственных помещений, выполняется так называемый электроакустический расчет (ЭАР), в процессе которого:

анализируется защищаемое помещение;
выбираются расчетные точки (РТ);
рассчитывается звуковое давление в РТ;
определяются уровни шума (УШ) в РТ, характерные для данного помещения;
выявляются дополнительные источники шума;
проверяются граничные условия расчета;
выбираются параметры громкоговорителей и определяются схемы их расстановки;
в случае невыполнения граничных условий разрабатываются организационные мероприятия, повышающие достоверность передачи информации.

Требования, предъявляемые к ЭАР, можно найти в , а методику – в Приложении А, к , однако, следует заметить, что имеющаяся в данном приложении методика для какого-либо серьезного расчета совершенно непригодна. Название расчета – электроакустический – обусловлено учетом электрических параметров звукового тракта, являющихся входными для акустического расчета

Следует заметить, что требования к расчету, изложенные в , не вполне достаточны, однако, являются необходимыми, поэтому основное внимание в данной статье будет уделено выполнению именно этих требований. Что касается специфики данного расчета, в частности высоких шумов, будем опираться на СНиП по Шуму , в котором достаточно подробно излагаются как расчетные, так и организационные мероприятия по расчету, учету и борьбе с высокими шумами

Рассмотрим основные понятия, необходимые для выполнения ЭАР.