Автомобильная акустика

Автомобильная акустика

Акустика, это наука о звуке, изучающая физическую природу звука, а также проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Акустика является одним из направлений физики (механики), исследующих упругие колебания и волны от самых низких до высоких частот. Автомобильная акустика, это прежде всего, анализ шумов, возникающих в автомобиле, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции.

 

Общие понятия

 

(см. табл. 1 и DIN 1320)

Условные Обозначения

Звук

Механические колебания и волны, распро­страняющиеся в упругой среде, в слышимых областях частот (16-20 000 Гц).

Ультразвук

Механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом.

Звуковое давление

Звуковое давление р — периодически из­меняющееся давление, возникающее при прохождении в среде звуковой волны. В свободном звуковом поле:

p = v Z.

Обычно измеряется эффективное значение звукового давления.

Динамика порогов слышимости

Способность человеческого уха восприни­мать звуки от слухового до болевого порога. Это соответствует диапазону звуковых давле­ний до 1 :10 000 000.

Децибел (дБ)

Децибел — безразмерная единица, пред­назначенная для выражения в логарифми­ческом масштабе отношения измеряемой величины к исходной величине. Например, в акустике в дБ часто приводится уровень звукового давления:

Lр=20log10(p/pref).

Децибелы используются при измерении ве­личин, меняющихся в широком диапазоне.

Частота

Частота f равна числу колебаний в секунду. За единицу измерения частоты принят герц (Гц): 1 Гц = 1/с.

Длина волны

Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Длина волны выража­ется через частоту по формуле:

λ = c/f = 2πc / ω

Колебательная скорость

Колебательная скорость v — это скорость колебательного движения частиц среды. В свободном звуковом поле:

v = p/Z

Восприятие колебаний при низких частотах примерно пропорционально колебательной скорости.



Распространение звука

В общем случае, звуковые волны распростра­няются от точечного источника звука сфери­ческим фронтом. В свободном звуковом поле звуковое давление уменьшается с удалением от источника звука на 6 Дб при каждом удвое­нии расстояния.

Скорость звука

Скорость звука с — скорость распростране­ния звуковой волны в среде (табл.2 «Скорость звука и длина волны в различных материалах»).

Скорость звука и длина волны в различных материалах

Удельное акустическое сопротивление

Удельное акустическое сопротивление Z определяет передающие свойства среды при­менительно к звуковым волнам:

Z= p/v=ρ с (в Нс/м3).

где ρ — плотность среды

Звуковая мощность

Звуковая мощность Р — мощность, исходя­щая от источника звука в единицу времени. Звуковая мощность не зависит от акустических свойств помещения, в котором на­ходится источник звука, и расположения источника звука.

Интенсивность звука

Интенсивность звука I— отношение звуко­вой мощности, падающей на поверхность, к площади этой поверхности:

I = P/S

В свободном звуковом поле:

I = (p2/ρ)c = v2 ρ c

Эффект Допплера

Для движущихся источников звука: если источник звука приближается к приемнику, воспринимаемая высота звука повышается. По мере увеличения расстояния, восприни­маемая высота звука понижается.

Звуковой спектр

Всякий шум представляет собой набор ком­понентов с разными частотами и уровнями звукового давления. Зависимость уровня звукового давления (воздушного или струк­турного шума) от частоты отображается в звуковом спектре, который устанавливается посредством частотного анализа.

Октавный спектр

Уровень звукового давления определяется и отображается в полосах шириной с октаву. Октава (единица частотного интервала) опре­деляется отношением 1:2. Средняя частота октавы равна:

fmf1f2

Рекомендуемые средние частоты октав: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Третьоктавный спектр

Уровень звукового давления определяется и отображается в полосах шириной в треть октавы. Треть октавы как единица частотного интервала определяется отношением 1:21/3. При этом ширина полосы, как и ширина по­лосы октавного спектра, отнесенная к сред­ней частоте, является постоянной. Рекомендуемые средние частоты октав: 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 315; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 2500; 3150; 4000; 6300; 8000; 10 000; 12 500; 20 000 Гц.

Узкополосный спектр

В отличие от вышеупомянутых спектров, для оценки компонентов с узкополосным спек­тром частот можно использовать анализ Фурье. Этот анализ часто применяется при построении спектра в сложной, трехмер­ной форме. В качестве дополнительной оси используется время, что необходимо учи­тывать, например, при прогонке двигателя. Уровень звукового давления затем может отображаться в виде цветных графиков.

Звукоизоляция

Звукоизоляция достигается уменьшением воздействия звука за счет установки отра­жающей (поглощающей) стенки между источником звука и местом воздействия.

Звукопоглощение

В случае поглощения звука, звуковая энергия превращается в тепло при отражении звуко­вых волн, а также при их распространении в среде.



Коэффициент звукопоглощения

Коэффициент звукопоглощения α определя­ется отношением поглощенной энергии звука к падающей. При полном отражении α = 0; при полном поглощении α = 1.

Низкошумные конструкции

Конструкции, структурно оптимизированные с применением акустического анализа, для того чтобы свести к минимуму воздействие звука. Для оптимизации акустических харак­теристик новых конструкций используются методы моделирования и расчета.

Снижение уровня шума

Предполагается системное снижение уровня шума, во-первых, за счет применения низ­кошумных конструкций, во-вторых, за счет снижения распространения звука путем ис­пользования теплоизоляционных, демпфи­рующих и поглощающих материалов.

 

Единицы измерения шума

 

Для звукового поля обычно определяются среднеквадратичные значения величин и указываются скорректированные характери­стики, зависящие от частоты звука. Это свя­зано с тем, что шумомеры снабжены коррек­тирующими контурами, подключая которые можно снизить чувствительность шумомера к низкочастотным и высокочастотным звукам, так чтобы приблизить частотные характери­стики прибора к свойствам человеческого уха. Наиболее распространенными являются шумомеры с коррекцией А — они применя­ются, например, в автомобилестроении, и с коррекцией С — они используются, напри­мер, в авиастроении. При этом в обозначении величин дополнительно присваивается соот­ветствующий индекс, например, дБ (А).

Уровень звуковой мощности

Мощность звука единичного источника звука оценивается уровнем звуковой мощности Lw. Он равен десятикратному десятичному лога­рифму отношения вычисленной мощности к эталонной мощности звука P0 = 10-12 Вт:

Lw=10log(P/P0).

Мощность звука не может быть опреде­лена непосредственно. Она вычисляется, ис­ходя из параметров звукового поля, которое образуется вокруг источника звука. Обычно для этого используются уровень звукового давления Lp или уровень интенсивности звука LI.

Уровень звукового давления

Уровень звукового давления Lp равен деся­тикратному десятичному логарифму отноше­ния среднеквадратичного значения звукового давления в квадрате к эталонному звуковому давлению p0 = 20 мкПа:

Lp = 10log (Peff2 /P02) или Lp=20log(Peff /P0)

Уровень звукового давления дается в деци­белах (дБ). Уровень звукового давления в A-скорректированном значении LρA, завися­щим от частоты звука, часто используется для характеристики источника звука на рас­стоянии d= 1 м.

Уровень интенсивности звука

Уровень интенсивности звука LI, равен де­сятикратному десятичному логарифму от­ношения интенсивности звука к эталонной интенсивности звука I0 = 10-12 Вт/м2:

LI = 10log (I/I0)

Интенсивность звука измеряется с помощью акустического зонда.

Совместное действие двух или большего числа источников звука

При наложении двух независимых звуковых полей суммируются интенсивности звука или квадраты звуковых давлений. Суммарный уровень звука, являющийся следствием на­ложения звуковых полей отдельных источ­ников звука, приведен в табл.3 «Суммарный уровень звука, получаемый при наложении звуковых полей отдельных источников звука».

Суммарный уровень звука, получаемый при наложении звуковых полей отдельных источников звука

Величины для оценки воздействия шума (защита от шума)

 

Избыточный шум

Избыточный шум, классифицируемый как нежелательный звуковой случай, зависит от следующих факторов:

  • от самого шума, оцениваемого физическими величинами (например, частотой, уровнем звукового давления или звуковой мощности);
  • от субъективного отношения пострадав­шего к шуму;
  • от состояния пострадавшего;
  • от конкретной ситуации, в которой слу­чился шум.

Защита от избыточного шума и, в частности, от шума окружающей среды приобретает все большее значение как экологическая про­блема. Учет и оценка воздействия шума соз­дают основу для эффективного его снижения.

Уровень звука

Воздействие шума на человека оценивается уровнем звука Lr (см. также DIN 45645-1). В настоящее время ведутся работы по созданию стандарта ISO). Он характеризу­ется средним значением воздействия шума в течение всего времени воздействия (например, восьми рабочих часов), а уровень звука измеряется либо непосредственно, с помощью интегрального измерительного прибора, либо рассчитывается, исходя из из­меренных звуковых давлений и относящихся к ним промежутков времени воздействия от­дельных звуковых источников (см. также DIN 45641). Параметры воздействия шума, такие как пульсация (короткие сильные от­клонения уровня звука от среднего уровня) и тональные шумы (преобладание одной или большего количества дискретных частот) мо­гут учитываться как уровни звуковых ударов.

Эквивалент непрерывного уровня звука LAeq

При шумах, переменных во времени, средний A-скорректированный уровень звукового дав­ления равен эквиваленту непрерывного уровня звука LAeq, описывающему среднее энерге­тическое воздействие в течение суммарного времени оценки (см. также DIN 45641).

В табл.4 «Ориентировочное значение допустимых шумовых воздействий в соответствии с технической инструкцией по шуму» представлены ориентировочные значения оценочных уровней шумов (Герма­ния, Техническая инструкция по шуму), измеренных вблизи жилых домов (на рас­стоянии 0,5 м от открытого окна).

Ориентировочное значение допустимых шумовых воздействий в соответствии с технической инструкцией по шуму

Эквивалент непрерывного уровня звука Lden

Эквивалент непрерывного уровня звука Lden является, в соответствии с новой Директивой ЕС 2002/49/ЕС, стандартным дескрипто­ром шума подобно описанному выше эквива­лентному уровню звука LAeq. Период оценки составляет один календарный год. Стандарт­ный дескриптор для оскорбления шума ана­логично вышеописанным.

Lden = 10log(1/24) ⋅ (12⋅10Ld/10+ 4⋅10(Le+5)/10 + 8⋅10(Ln+10)/10)

где Ld, Le и Ln — значения уровня звука, соот­ветственно, днем, вечером и ночью.

Уровень звуковой экспозиции

Уровень звуковой экспозиции (SEL) соответ­ствует значению уровня постоянного звука длительностью 1 с. Он используется для вы­явления избыточного шума для решении за­дач в области сохранения природы.

Воспринимаемые уровни шума

 

Скорректированные уровни звукового давления с учетом изменения чувствительности уха человека в зависимости от частотыУхо человека может различать примерно 300 уровней интенсивности звука и 3000-4000 различных частот (уровней основного тона) в быстрой временной последовательности и оце­нивать их в соответствии со сложными характе­ристиками. Таким образом, нет необходимости определять соответствие между субъективно воспринимаемыми уровнями шума и технически измеряемыми уровнями звука. Приблизи­тельная аппроксимация субъективного ощуще­ния уровня звукового давления обеспечивается А-, В— и С-скорректированными уровнями зву­кового давления, при которых принимается во внимание изменение чувствительности уха человека в зависимости от частоты (рис.1 «Скорректированные уровни звукового давления с учетом изменения чувствительности уха человека в зависимости от частоты» ).

Уровень громкости определяется в сонах. Измерение только уровней звукового дав­ления не является достаточным только для определения раздражающего воздействия, вызываемого шумом. Едва различимый по­стукивающий шум может восприниматься как крайне раздражающий даже в шумных условиях окружающей среды.

Уровень громкости звука

Уровень громкости Ls, измеряемый в фо­нах, является сравнительным показателем интенсивности субъективного восприятия звука. Уровень громкости единичного звука (чистого тона или шума) определяется путем субъективного сравнения со стандартным звуком. Стандартный звук — это единичная продольная звуковая волна частотой 1000 Гц, воздействующая спереди на голову наблю­дателя. Это понятие известно как «уровень громкости». Различие в уровне громкости от 8 до 10 фон воспринимается как удвоение громкости либо уменьшение в два раза.

Фон

В качестве единицы уровня громкости фон, как и децибел, не является единицей измере­ния, а представляет собой двадцатикратный десятичный логарифм звуковых давлений. Так как субъективное восприятие звука зави­сит от его частоты, то определенное значение тестируемого звука в дБ может не согласовы­ваться со значением в дБ стандартного звука (за исключением эталонной частоты 1000 Гц), однако уровни громкости в фонах могут при этом совпадать. На рис.2 «Распределение шумов» показаны кривые равных уровней громкости (кривые Флет- чера-Мэнсона).

Распределение шумов

Громкость в «сонах»

Громкость S-мера измерения субъективного ощущения уровней шума. Отправной точкой для определения сона служит представле­ние, насколько громче или тише предпола­гаемый уровень воспринимаемого шума от­носительно конкретного стандарта. Уровень громкости Ls = 40 фон, по определению, соответствует громкости S = 1 сон. Удвое­ние или уменьшение в два раза громкости дает различие в уровне громкости примерно в 10 фон.

Существует стандарт громкости DIN для расчета характеристик неподвижного источ­ника звука посредством использования тре­тичных уровней (метод Цвикера). Этот метод учитывает частоту и способ экраниро­вания в пределах слышимости.

Высота и частота тона

Спектр воспринимаемого звука может быть подразделен на 24 группы частот, в зави­симости от слухового восприятия. В соответствии с этими группами определяются воспринимаемые уровни высоты тона. Рас­пределение громкости/высоты тона может использоваться для количественного опреде­ления таких субъективных слуховых ощуще­ний, как например тональность шума.

В следующей статье я расскажу о технике автоматического регулирования.

 

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *