Кончаков Е.И. Техническая диагностика судовых энергетических установок
Подождите немного. Документ загружается.
ваемый ими общий уровень звукового давления будет только на 3 Дб больше,
чем уровень звукового давления одного отдельно взятого тона.
Приведенную выше процедуру можно обобщить на любое количество
чистых тонов, у каждого из которых частота отличается от остальных. Резуль-
тирующий уровень звукового давления n составляющих с различными часто-
тами имеет следующий вид:
.10...101010
...10L
1,0
2
1,0
1,0
2
0
2
2
0
2
2
2
0
2
1
общ p
1
⎟
⎠
⎞
⎜
⎝
⎛
+++=
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+++=
Lpn
Lp
Lp
n
g
P
P
P
P
P
P
g
λ
λ
Сочетание двух и более звуковых волн различных частот не зависит от
соотношения фаз звукового давления в этих волнах.
Но сочетание двух звуковых волн одной и той же частоты зависит от со-
отношения фаз. Рассмотрим случай двух звуковых волн одной и той же частоты
в звуковом поле шума.
Общее среднеквадратическое значение
звукового давления в данной точ-
ке поля в соответствии с правилами сложения двух сигналов одной частоты с
разностью фаз
θ
(
)
,cos2
2/1
21
2
2
2
1
θPPPPP
общ
++=
где Р
1
и Р
2
– среднеквадратические значения звуковых давлений двух звуковых
волн.
– фазовый угол между двумя звуковыми волнами в данной точке. Если
Р
θ
1
= Р
2
и две звуковые волны находятся в противофазе в некоторой точке, т.е.
=180 º, тогда результирующее звуковое давление становится в этой точке рав-
ным нулю. С другой стороны, если две звуковые волны находятся в “фазе” друг
с другом в некоторой точке, т.е.
θ
θ
= 0, тогда общее звуковое давление в этой
точке удваивается, т.е. уровень звукового давления возрастает на 6 дБ.
71
4.2. Уровни звукового давления в октавных
и третьеоктавных полосах частот
Шумоизмерительные приборы обычно имеют в своем составе ряд поло-
совых фильтров, и оконечные показывающие приборы позволяют производить
0
3
Относи 10 В
тельная
частотная 20
характеристика
30
f
1
/2 f
0
/2 f
1
/f
0
f
2
2f
0
частота
Рис. 31. Частотная характеристика октавного фильтра: f
1
– нижняя частота среза,
f
0
– центральная частота, f
2
– верхняя частота среза, В – полоса пропускания
отсчет общего уровня звукового давления в некоторой полосе частот. Частот-
ная характеристика типичного октавного полосового фильтра дана на рис. 31.
Основное соотношение между верхней f
2
и нижней f
1
частотами среза
фильтра имеет вид f
2
=2
a
f
1
, где а – произвольная постоянная.
Для большинства фильтров, обычно применяемых в шумоизмерительной
аппаратуре, а = 1, или а =1/3. Когда а = 1, фильтр называется октавным, а когда
а = 1/3 – третьеоктавным. Полоса пропускания – область между двумя точка-
ми с затуханием 3 дБ; В = f
2
-
f
1
.
Центральная частота f
0
фильтра определена как
210
fff ⋅=
. Центральная
частота и полоса частот каждого из принятых в международных стандартах ок-
тавных и третьеоктавных фильтров показаны в табл. 7.
В дополнение к октавным и третьеоктавным фильтрам некоторые анализаторы
шума, используя для индентификации доминирующих частотных компонент
шума, оборудованы узкополосными фильтрами. Ширина полосы пропускания
72
узкополосных фильтров выражается либо в процентах – постоянном процент-
ном отношении к установленной средней частоте, либо как постоянное значе-
ние в герцах, независимо от значения установленной частоты. Их соответст-
венно называют фильтрами с постоянной относительной полосой и с посто-
янной полосой.
Таблица 7
Полосы частот
Октавные фильтры, Гц Третьеоктавные фильтры, Гц
f
0
f
1
f
2
f
0
f
1
f
2
16 11 22 16 14,1 17,8
31,5 22 44 20 17,8 22,4
63 44 88 25 22,4 28,4
125 88 177 31,5 28,2 35,5
250 177 355 40 35,5 44,7
500 355 710 - - -
1000 710 1420 8000 7079 8913
2000 1420 2840 10000 8913 11220
4000 2840 6580 12500 11220 14130
8000 6580 11360 16000 14130 17780
16000 11360 22720 20000 17780 22390
Октавные и третьеоктавные фильтры являются фильтрами с постоянными
относительными полосами – 71 и 23 % соответственно.
Если известны уровни звукового давления в узких полосах для всех важ-
ных частотных компонент внутри третьеоктавной полосы пропускания, то уро-
вень звукового давления в третьеоктавной полосе можно найти, используя
уравнение
(
)
.10...1010lg10
1,021,011,0 LpnLpLp
pооб
L +++=
Подобным образом уровни звукового давления в третьеоктавных полосах
можно преобразовать в уровни звукового давления в октавных полосах.
73
4.3. Уровень звука. Характеристики А, Б, С
Исходя из большого числа исследований людей с нормальным слухом в
возрастной группе от 18 до 25 лет было установлено семейство кривых равной
громкости, как показано на рис. 32.
Уровень дБ
звукового 100
давления 80
60
40
20
100 1000 2000 f, Гц
Рис. 32. Кривые равной громкости
Эти кривые показывают, что чувствительность уха зависит от частоты и
уровня звукового давления. Международная электротехническая комиссия ут-
вердила в качестве стандартной частотную характеристику, названную харак-
теристикой А, приближающуюся к частотной характеристике чувстви-
тельности человеческого уха рис. 33.
Относительная дБ
частотная 20
характеристика 0
-20
-40 С В А
-60
10
0
10
1
10
2
10
3
10
4
10
5
, f, Гц
Рис. 33. Характеристики А, В, С
В частности, в характеристике А частота 1000 Гц принята за опорную и
даны поправки на всех других частотах таким образом, чтобы соответствовать
74
кривой из семейства кривых равной громкости, проходящей через 30 дБ на час-
тоте 1000 Гц. Например, она дает приблизительно затухание 19 дБ на 100 Гц,
т.е. человеческое ухо воспринимает чистый тон частотой 100 Гц, имеющий
уровень звукового давления 29 дБ, как равный по громкости чистому тону
частотой 1000 Гц с уровнем звукового давления 10 дБ (рис. 33).
Показания шумомера
, полученные с использованием характеристики А,
называют уровнем звука с единицей измерения ∂Б (А) (или просто ∂БА). Уро-
вень звука представляет собой результирующий уровень звукового давления во
всём слышимом диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц с поправками в соответст-
вии с характеристикой А. Уровень звука
L
А
= 10 lg
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
2
0
2
P
P
A
= 10 lg
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+++
2
0
2
2
0
2
2
2
0
2
1
...
P
P
P
P
P
P
mAАА
=10 lg ,
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
∑
=
m
i
L
PIA
1
1,0
10
где сумма берётся по всем m важным компонентам шума и индекс А соответст-
вует введению коррекции А, т.е. значению, откорректированному по характе-
ристике А. Кривые В и С вначале применяли для более громких звуков, для ко-
торых изменения чувствительности среднестатистического нормального уха в
слышимом диапазоне частот меньше. Характеристика А в
настоящее время ис-
пользуется значительно чаще их. В таблице 8 приведены поправки для харак-
теристик.
Используя данные таблицы 9, можно найти уровень звука для данного
конкретного случая
L
А
= 10 lg (10
7,69
+ 10
7,52
+ 10
7,72
+ 10
8,0
+ 10
7,9
+ 10
9,13
) = 92,2 ∂Б (А).
75
Таблица 8
Поправки для характеристик
Приведённый пример показывает, что вклад максимальной компоненты с
частотой 100 Гц в уровень звука очень мал, поскольку на этой частоте характе-
ристика А даёт затухание 19,1 ∂Б. Если изменения шума проводятся в октавных
и третьоктавных полосах частот, уровни звукового давления в них можно пере-
считать в уровень звука
подобным путём.
Значения характеристик, ∂Б
Номинальная
частота
А В С
10 -70,4 -38,2 -14,3
12,5 -63,4 -33,2 -11,2
16 -56,7 -28,5 -8,5
20 -50,5 -24,2 -6,2
31,5 -44,7 -20,4 -4,4
63 -26,2 -9,3 -0,8
125 -16,1 -4,2 -0,2
250 -8,6 -1,3 0,0
500 -3,2 -0,3 0
1000 0 0 0
2000 +1,2 -0,1 -0,2
4000 +1,0 -0,7 -0,8
8000 -1,1 -2,9 -3,0
16000 -6,6 -8,4 -8,5
20000 -9,3 -11,1 -11,2
76
Таблица 9
Уровни звукового давления доминирующих компонент шума
с учётом поправок
Частота, Гц
Уровень звукового
давления в полосе
при относительной
ширине полосы 1%
α
P
, ∂Б
Поправки по ха-
рактеристике А,
∂Б
Уровни звукового
давления с учётом
поправок по ха-
рактеристике
А α
PA
, ∂Б
100 96 -19,1 76,9
400 80 -4,8 75,2
800 78 -0,8 77,2
1000 80 0 80,0
1600 78 +1,0 79,0
2500 90 +1,3 91,3
4.4. Корректированный уровень звуковой мощности
Допустимое значение уровня шума в технических требованиях на неко-
торые машины указывается иногда в виде корректированного уровня звуковой
мощности на рассматриваемых частотах. Корректированный уровень звуковой
мощности можно выразить в виде
L
WA
= 10 lg 10
∑
=
m
i 1
Lwia
,
где сумма берётся по всем m важным компонентам шума, а индекс А означает
коррекцию по А.
П р и м е р
. Как получить корректированный уровень звуковой мощности
исходя из уровней звуковой мощности в октавных полосах частот? В табл. 10
приведены октавные уровни звуковой мощности машины.
Вычислим корректированный уровень звуковой мощности:
L
WA
= 10 lg (10
0,43
+10
0,96
+10
1,52
+10
2,38
+10
2,3
+10
3,06
+10
2,64
+10
2,28
) = 33,5 ∂Б(А).
77
Таблица 10
Октавные уровни звуковой мощности
Центральная
частота октав-
ной полосы, Гц
Уровень звуковой
мощности в ок-
тавной полосе L
w
,
∂Б
Поправки по ха-
рактеристике
А, ∂Б
Уровень звуковой
мощности в октав-
ной полосе с учё-
том поправки по
характеристике А
L
WA
, ∂Б
63 30,5 -26,2 4,3
125 25,7 -16,1 9,6
250 23,8 -8,6 15,2
500 27,0 -3,2 23,8
1000 23,0 0 23,0
2000 29,4 +1,2 30,6
4000 25,4 +1,0 26,4
8000 23,9 -1,1 22,8
4.5. Измерения звуковой мощности
Звуковое поле вокруг машины меняется в зависимости от направления,
времени, акустического окружения, условий работы и установки, а также
вследствие того, что поверхность машины обычно имеет неправильную форму.
Кроме того, шум имеет несколько источников – аэродинамический, электро-
магнитный, механический. Различные источники излучают шум в различных
направлениях и, вызывая
колебания поверхности с различными модами вибра-
ции, производят сложную шумовую картину. Звуковое поле машины ещё более
усложняется, если вблизи имеется одна или несколько звукоотражающих по-
верхностей. Отражённые от поверхности звуковые волны будут взаимодейст-
вовать с прямыми звуковыми волнами. Если прямая и отражённая звуковые
волны находятся в некоторых точках в фазе,
тогда звуковое давление в этих
78
точках увеличивается. Если прямая и отражённая волны находятся в противо-
фазе, то звуковое давление уменьшается. Влияние отражающей поверхности на
звуковое поле зависит главным образом от длины звуковой волны и расстояния
между источником шума и отражающей поверхностью.
Шум, производимый машинами, также меняется в зависимости от усло-
вий работы, например в зависимости от
нагрузки.
То, как установлена машина, будет влиять на собственные частоты её
вибрации и на излучение структурного шума. Это становится особенно важ-
ным, если машина через крепежные детали связана с тонкослойной конструк-
цией (судно). Часть вибрации машины будет передаваться данной конструкции,
которая в свою очередь будет излучать дополнительный шум, особенно когда
частоты вибраций машины лежат близко к собственным частотам конструкции.
Поэтому из-за сложного характера звукового поля вокруг машины изме-
рение уровня звукового давления в одной точке не позволяет должным образом
описать шум, излучаемый машиной, а также делает практически не имеющими
значения результаты измерения шумовых характеристик без указания условий
измерения, условий работы
и установки машины.
4.6. Измерение в свободном поле
Значения уровня звукового давления вокруг машины меняются от точки к
точке случайным образом. Однако если измерение уровня звукового давления
проводят в нескольких точках на поверхности, заключающей в себе машину,
есть возможность найти единственное значение для звуковой мощности в каж-
дой полосе
частот, производимой машиной при определённых условиях
работы и установки.
79
4.7. Измерение на сферической и полусферической поверхностях
Когда требуется определить точное значение звуковой мощности, её сле-
дует поместить в центр заглушённой (безэховой) камеры или подвесить на
большом открытом пространстве и провести измерение уровня звукового дав-
ления в большом числе точек на сферической поверхности, заключающей в се-
бе машину.
В соответствии
с рекомендацией – международной организации по стан-
дартизации (ISO), радиус измерительной сферической поверхности должен
быть равен или больше удвоенного наибольшего размера источника, но не
больше 1м.
Измерение на полусферической поверхности
Измерения звуковой мощности часто проводятся, когда машина установ-
лена на фундаменте, на открытом воздухе или в частично заглушённой камере с
твёрдым (
звукоотражающим) полом. Измерения уровня звукового давления мо-
гут проводиться на полусферической поверхности радиуса r, заключающей в
себе машину, r >> удвоенного наибольшего размера источника или учетверён-
ного среднего расстояния источника от звукоотражающего поля, в зависимости
от того, что больше, но не менее 1м.
На рис. 34 показано относительное расположение точек размещения ми-
крофона. Когда
источник излучает доминирующие чистые тона, при рас-
положении микрофона на одной и той же высоте над отражаю-
щей поверхностью на результат может сильно повлиять интерференция. В этом
случае микрофоны устанавливают на разной высоте (табл. 11).
Предполагая, что звуковая мощность не передаётся через землю и не по-
глощается ей, а также пренебрегая
влиянием отражения от земли, уровень зву-
ковой мощности можно выразить формулой
L
W
= + 10 lg 2πR
P
L
__
2
,
80