2. Характеристики шумов
Звуковой сигнал можно представить, как совокупность различных синусоидальных составляющих. Каждая составляющая характеризуется рядом параметров.
Высота звука - определяется частотой звуковой волны (или, периодом волны). Чем выше частота, тем выше звучание.
Высота звука измеряется в герцах (Гц, Hz) или килогерцах (КГц, KHz). 1 Гц = 1/С. То есть колебание в 1 Гц соответствует волне с периодом в 1 секунду.
Громкость звука - определяется амплитудой сигнала. Чем выше амплитуда звуковой волны, тем громче сигнал.
Громкость звука измеряется децибеллах и обозначается дБ. Белл определяется, как логарифм отношения электрических, акустических или других мощностей по формуле Бел = log(P1/P0).
Согласно закона Вебера-Фехнера, чувствительность уха к громкости звука носит логарифмической характер, поэтому их мощность, выраженная в децибелах, точнее отражает восприятие звуков человеком и животными.
Громкость — это уровень мощности, которая пропорциональна амплитуде звукового сигнала. Громкость определяют в дБm — относительно стандартного значения 1 мкПа. Тогда шкала приобретает абсолютное значение. Также, часто громкость определяют относительно порога слышимости человеческого уха 22 мкПа.
Субъективно ухо воспринимает не мощность, а звуковое давление на барабанную перепонку. Мощность звука — это совокупная звуковая энергия, которую излучает источник звука, например громкоговоритель. Звуковое давление — это звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, удаленную от источника звука на расстояние 1м.
Двухкратное увеличение звукового давления соответствует 6 дБ, а десятикратное — 20 дБ.
Звуки, которые различаются на 3 дБ, ухом воспринимаются одинаковыми по громкости. Звук, давление которого на 10 дБ выше, для уха будут звучать в два раза громче. Следует отметить, что громкость — субъективная характеристика, которая зависит от частоты. Лучше всего ухо человека воспринимает звук в диапазоне от 1 до 4 кГц. За 0 дБ принят уровень звукового давления, соответствующий порогу слышимости здорового молодого человека в этом диапазоне частот.
Стоит отметить, что ухо человека воспринимает одинаковую громкость на разных частотах, как звуки разной громкости.
Понятие "шум" весьма субъективно. Всякий нежелательный в данный момент звук (или звуки) человек воспринимает как шум. Одни и те же звуки разными людьми могут восприниматься по-разному. Физиологи и гигиенисты определяют шум как звук, оцениваемый негативно и наносящий вред здоровью. Машины и механизмы, используемые на производстве, являются источниками звуков различной частоты и интенсивности, изменяющихся во времени. Поэтому производственный шум рассматривают как совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения.
По частотным характеристикам акустические шумы подразделяются на инфразвуковые или сверхнизкочастотные с частотами ниже 20 Гц, низкочастотные (20-300 Гц), среднечастотные (300-800 Гц), высокочастотные (800-20000 Гц) и ультразвуковые или сверхвысокочастотные (20-150 кГц). По спектральным характеристикам разделяют широкополосные с непрерывным спектром шире 1 октавы и тональные шумы с ярко выраженными дискретными тонами. По временным характеристикам шумы делятся на постоянные, когда уровень шума меняется не более чем на 5 дБ, и непостоянные. Которые, в свою очередь подразделяются на колеблющиеся, когда уровень постоянно изменяется во времени; прерывистые, когда уровень шума меняется ступенчато не более чем на 5 дБ, с длительностью интервала более секунды; импульсные, состоящих из нескольких звуковых сигналов с интервалами менее секунды.
3. Воздействие различных шумов на ластоногих
Ластоногие способны воспринимать звуки в широком диапазоне. Нижним пределом является частоты 16-20 Гц, которые тюлени одинаково хорошо воспринимают как в воде, так и на суше. На суше параметры слуха у тюленей схожи с человеческими и звуки частотой выше 20 кГц тюлени воспринимают плохо. Но при погружении частотный диапазон расширяется до 55-60 кГц. Также смещается диапазон частот наилучшей восприимчивости, так у кольчатой нерпы он составляет 1-45 кГц, у обыкновенного тюленя 1-32 кГц, у гренландского тюленя 2-23 кГц (King, 1964). Именно на данных частотах, из-за короткой длины волны, возможно точное ориентирование на источник звука, которым может быть объект охоты, сородич, либо хищник или иная угроза. Поэтому для тюленей представляет опасность шумы именно на этих частотах. Однако доля звуков данных частот в техногенных шумах невелика, а также звуки на высоких и ультразвуковых частотах обладают значительно меньшей энергией, чем инфразвуки и звуки низких и средних частот, и поэтому распространяются на значительно меньшие расстояния.
Главными источниками высокочастотных и ультразвуковых сигналов являются сонары и гидролокаторы, их излучение характеризуется высокой мощностью, и вблизи источника представляет угрозу для любого организма. Особенно опасны звуки высокочастотных и ультразвуковых диапазонов для китообразных, которые используют эхолокацию. Данные акустические сигналы, во-первых, глушат животных, а во-вторых, создают помехи в работе эхолокационной системы, делая невозможным различать окружающие предметы. Однако, в отличие от китообразных, ластоногие обладают не столь чувствительным слухом, а также не пользуются активной эхолокацией (по крайней мере, эхолокация не доминирует над другими органами чувств у тюленей). Так существует мнение, что способность тюленей различать ультразвуки, является оборонительной адаптацией, против естественных врагов – касаток, которые активно используют эхолокацию (King, 1964).
Часть спектра высоких частот (от 800 до 9000 Гц) присутствует в шуме, создаваемом судами (без учета работы эхолотов и сонаров) и промышленными объектами. Реже в данном шуме присутствуют звуки с частотами выше 10 кГц. Данные звуки характеризуются низкой интенсивностью и распространяются на небольшие дистанции. Однако среднечастотные, низкочастотные и инфразвуковые составляющие подобных шумов высоки, особенно инфразвуковые и низкочастотные.
Уровни шума внутри судна и наведённые вибрации корпуса делают необходимым рассматривать его как достаточно мощный источник высокоинтенсивного акустического излучения в окружающую водную среду (ссылка).
Коммерческий флот является главным источником низкочастотных звуков (5 - 500 Гц) в мировом океане. Проходящие в отдалении суда увеличивают уровень фонового шума на больших площадях мирового океана. Звуки, издаваемые отдельными судами, часто невозможно различить ни во времени, ни в пространстве среди шумов, издаваемых в отдалении судами. Суда создают звуки при работе гребных винтов, энергетических установок и благодаря гидравлическим потокам воды, омывающей корпус корабля. В целом суда издают целый ряд шумов в частотах от 10 Гц до 10 кГц. Последние исследования уровней шумов, издаваемых малыми скоростными катерами, показывают, что уровни пиков их спектральной плотности находятся в диапазоне 350-1 200 Гц и 145-150 дБ на расстоянии 1 м (Bartlett and Wilson, 2002). Richardson et. al. (1995) указывают в своей работ результаты замера уровня шумов в 162 дБ на частоте 630 Гц (на расстоянии 1 м), производимых буксиром и баржей, двигающимся со скоростью 18 км/час, а также уровни шума, производимого большим танкером: около 177 дБ (на расстоянии 1 м) 1/3 октавной полосе с центральной частотой 100 Гц. Большие суда имеют более мощные двигательные установки и их моторы и гребные винты медленнее вращаются. Большая площадь корпуса судна более эффективно проводит шум от работы механизмов через обшивку в морскую среду. Поэтому практика показывает, что чем больше судно, тем выше уровень производимых шумов и тем ниже преобладающий диапазон частот звуков. К тому же при увеличении скорости движения уровень интенсивности производимых шумов на любом конкретном судне увеличивается.
Уровень шума среднеоборотных дизелей на частотах порядка 500 Гц достигает величины 100 дБ. По данным лаборатории «Noise» CIMAC, сотрудниками которой были проведены исследования 200 типов дизелей мощностью от 8 до 6000 кВт с частотой вращения коленчатого вала от 5 об/с до 50 об/с, из общего числа обследованных устройств, 70% имели максимальный уровень шума 95 − 105 дБ, а у отдельных образцов величина превышала болевой порог и составляла 110 дБ. Основными источниками шума и вибраций на судах всех типов являются их силовые установки, механические передачи и гребные винты. Каждый из этих источников помимо воздушных и гидродинамических шумов способствует возникновению вибраций судовых конструкций, которые в свою очередь превращаются во вторичные излучатели. Судовые шумы и вибрации возникают при действии на конструкции динамических сил. Среди многообразия типов динамических сил можно выделить несколько основных.
Первую группу составляют силы механического происхождения, возникновение которых вызвано неуравновешенностью вращающихся частей механизмов, асимметричностью жёсткости роторов, технологическими и сборочными дефектами механической обработки соприкасающихся деталей, а также возмущениями вследствие соударения деталей в поршневых и кривошипно-шатунных механизмах.
Во вторую группу целесообразно объединить силы электромагнитного происхождения, вызываемые нестационарными магнитными полями в электрических машинах. Переменные во времени магнитные поля вызывают колебания элементов электрических машин, в частности, вследствие магнитострикционного эффекта.
Третья группа сил обусловлена аэро- и гидродинамическими явлениями, наблюдающимися в насосах, турбинах, компрессорах, трубопроводах, запорной арматуре и т. п.
Все три типа сил, в конечном счете, по отношению к элементам конструкций, способных совершать колебания, являются внешними возмущающими. Колебания конструкций становятся возможными при наличии у них упругих свойств, которые формируют возвращающие силы. В общем случае элемент судовой конструкции обладает, как и всякое свободное твёрдое тело шестью степенями свободы. К таким системам относятся устройства, соединённые с палубой или переборками через виброизолирующие конструкции.