MONITORING-CONTROL OF NOISE HAZARD OF THE ENVIRONMENT

Full Text

Введение Крайнее проявление звука, - шум, особенно высоких энергий, - оказывает негативное воздействие на окружающую среду и самого человека, приводя к стрессам, расстройству психики, болезням, потери ощущения звука вплоть до полной глухоты, разрушению структур организма [1]. Энергетическое воздействие звука в физиологии и психофизике слуха оценивается как громкость тонов. Она является психоакустическим коррелятом восприятия слухом энергии/мощности/интенсивности и давления звука. Физиологическая оценка ощущения звукового раздражения заключается в определении уровня громкости того тона, при котором под действием звуков не наблюдалось бы дисфункции слуха и деструкции структур уха. Энергетическое состояние звукового поля можно представить как акустический пейзаж окружающей среды, а спектральный состав звуков, образующих это звуковое поле, - как его рельеф, непрерывно меняющийся во времени. Непрерывный или дискретный мониторинг состояния звукового поля и измерение его параметров (особенно в спектральной части) продемонстрирует динамику воздействия звука и наличие или отсутствие шумовой опасности для человека. Возникает проблема: можно ли количественно определить параметры тех звуков, которые превышают (или, наоборот, не превышают) установленную громкость? Решение проблемы будет способствовать разработке экологических мер по защите человека и окружающей среды от разрушающего влияния звука и шума. ■ 1. теоретическое обоснование метода Биофизической основой психофизических механизмов морфофункциональной природы звуковых эффектов является закон Вебера [2]. На его основе устанавливается Вебера-Овчинникова [3, 4], который позволяет определить громкость тонов произвольных частот и интенсивностей как связь между реальной силой раздражителя, - уровнем интенсивности звука L=log(I/Io), БА, интенсивности I произвольной частоты f, Гц (или ее аналога - уровня частоты F=log(f/fmo), бел частоты, BF), относительно пороговой интенсивности 1о=10-12Дж (m2/c) на стандартной частоте fc =1кГц (или ее аналоге - уровне частоты Fc-log(fc /fmo), бел частоты, BF), и ее субъективным ощущением, - громкостью воспринимаемого тона Е, декафон. При предельной толерантной интенсивности Imo=10,fl^(m2/c), для которой Lmo=log(Imo Д0 )=13БЛ[1], имеем (рисунок 1а: с представлением реперных плоскостей) E(L,F)=L-Lm)^(E(F), декафон. (1) Поверхность уровней громкости звуков произвольных частот и интенсивностей, представляемая функцией (1), строится по типу гиперболического параболоида (рисунок 1б). В уравнении (1) - частотная функция [3, 4], устанавливающая отношение энергии, приходящейся на рецептор, возбуждаемый звуком частотой F, БЕ, по отношению к энергии звука стандартной частоты F. Она определяет долю потерь энергии на уровне интенсивности L при преобразовании звуковой энергии в слуховое ощущение и играет роль параметрической переменной величины от частоты F. Напомним [3, 4], что уравнение (1) можно представить его инвариантом. Полагая, что Е = L = E(L,F) - искомая громкость с уровнем громкости Emo=Lmo на стандартной частоте, и E(LF)-Emo^(E(F)=L-Lmo^(E(F), получаем функцию, обратную (1) в виде I lgf -LmoCE(F) E-EmoE(F) _ (2) L (EL)= 1-CE(F) 1-CE(F) Она дает возможность решить обратную задачу: по заранее заданному уровню громкости звука, не вызывающего опасности, рассчитывать уровень интенсивности звука, не способного к деструкции структур уха. 3D поверхность функции (2) симметрична относительно биссектральной плоскости E(L,F)=L (рисунок 1в). Однако в акустике измерению подвергаются только частота и звуковое давление (уровень звукового давления). Соответственно этому замечанию выполним некоторые преобразования в уравнении (2). По определению, между уровнем интенсивности звука L и звуковым давлением существует связь L=2dog(Ap/Apo), БЛ, относительно порогового значения звукового давления Apo=210-5 Па на стандартной частоте F. Тогда уравнение (2) переходит к виду Ap 2'lg A Apo -LmoOE(F) . (3) E(Ap,F)= 1-OE(F) Уравнение (3) позволяет поставить и решить новую задачу по определению давления звука заданной частоты, которая может реализовать установленную громкость тона. Это открывает возможность решения многих других практических задач в разных сферах деятельности человека. Легко показать, что для (3) существует обратная функция , Ap lg Ap = I/2[E+(Emo-E) OE (F)] . (4) или L(Ap,F) =1/2 [E+(Emo-E) OE (F)] . (5) Уравнения (4) и (5) - инварианты обратного закона Вебера - Овчинникова, - инварианты для давления Рисунок 1а . - поверхность Вебера с реперными плоскостями; б - поверхность Вебера с дополнительной биссектральной плоскостью; в - графическое представление обратного закона Вебера - Овчинникова для звукового давления; г - графическое представление уравнения (5); д - расчет звуковых давлений со звуковыми изобарами; е - то же для всего диапазона звуковых давлений. звука (уровней давления звука). Их био- и психофизический смысл заключается в том, что они определяют то звуковое давление (уровень звукового давления) заданной частоты, которому соответствует достигнутая громкость установленного тона. 3D поверхность функции (5) в сравнении с (1) представлена на рисунке 1в. Полная графическая картина функции (5) показана на рисунке 1г. Последнее выражение, как трансцендентная функция от (1), открывает доступ к расчету давления (как амплитудного, так и эффективного значения) для указанных условий. Несмотря на такую возможность (рисунок 1д, с линиями уровней равных давлений - звуковыми изобарами), из-за крайне большого диапазона воспринимаемых человеком величин давлений, его использование малопродуктивно (рисунок 1е). Поверхности, описываемые уравнениями (1) и (5), для неразрушающих давлений [1] (LAp<75дБ^ вместе с картами равных уровней, - изофонами и звуковыми изобарами, - представлены на рисунках 2а, б. Отдельно показана поверхность уровней давлений со звуковыми в г Рисунок 2а - поверхности, соответствующие прямому и обратному законам Вебера - Овчинникова для неразрушающих давлений (LAp<75 дБАр); б -карты равных уровней для этих поверхностей (красные линии - изофоны, синие - изобары); в - поверхность уровней давлений со звуковыми изобарами; г - звуковые изобары как кривые поправок для расчета критических давлений. изобарами (рисунок 2в). Если звуковые изобары свести к нулевой (рисунок 2г), то можно получить кривые поправок, которые используются при расчетах критических давлений [5]. ■ 2. НА ПУТИ К ПРАКТИКЕ Смысл активного мониторинга акустического пейзажа звукового поля заключается в измерении его параметров в произвольный момент времени: частоты имеющихся в нем звуков (с помощью частотомера) и их давления (с помощью измерительного микрофона). Мониторинг приобретает фактологическое значение лишь в сравнении с критическими параметрами звука, при которых не наблюдаются неблагоприятные ситуации для человека, состояния его самочувствия и здоровья. Расчетные звуковые изобары (рисунок 3а) очевидно должны совпадать с уровнями белых шумов соответствующих уровней давлений. При наложении на них (рисунок 3б) некоторых дополнительных ограничений получается картина, которая не просто отражает существующее состояние звукового поля окружающей человека среды: мониторинг акустического пейзажа в этом случае указывает, что реальное звуковое поле не будет превосходить физиологическую (комфортную) конфигурацию [1] (LAp<25 дБ): его параметры будут распола- В Г Рисунок 3а - расчетные звуковые изобары, б - с наложением дополнительных ограничений; в - поверхность Вебера с изофонами; г - с дополнительными ограничениями. гаться в 3D-пространстве, не выходя за пределы темного участка внизу диаграммы. Светлый участок диаграммы покрывает параметры поля толерантных величин, для которых 25<LAp<38.5 дБ. Если звуковое поле представлено давлениями больших величин, то оно становится опасным для здоровья человека. В этом случае параметры звукового поля оказываются в пределах красной области диаграммы. Звуки с уровнями давления LAp>75 дБ, способные вызвать дисфункцию слухового органа и привести к разрушению его структур, располагаются в черной области вверху диаграммы [6]. a 6 Эффектно будет представляться рельеф звукового поля: визуальная картина дополнительного наложения на предложенную диаграмму спектральных линий давлений наблюдаемого звукового поля. В этом случае диаграмма может установить не только превышение давления звукового поля (если оно существует), но и те частоты, на которых это превышение давления обнаружено. Реализация этого направления видится нам весьма перспективной. ■ 3. АЛЬТЕРНАТИВНОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ Следует заметить, что для подобных целей обоснованно использование функции (1), отражающей характер воспринимаемой человеком громкости звуков по измеренным значениям давления поля (рисунок 3в, с линиями равных громкостей - изофонами). Однако при этом проведение мониторинга звукового поля будет сопряжено с дополнительными расчетами звуковых давлений по формуле (4) или (5), поскольку измерениям подвергается именно звуковое давление. При наложении на расчетную карту изофонов дополнительных ограничений (рисунок 3г) получается диаграмма, которая отражает существующее состояние звукового поля. Мониторинг акустического пейзажа в этом случае будет указывать, что звуковое поле с подпо-роговыми давлениями располагается на 3D-диаграмме в красной области внизу диаграммы. Если уровни давления поля не превосходят физиологическую (комфортную) конфигурацию, то его параметры располагаются на 3D-диаграмме, не выходя за пределы темного участка внизу диаграммы. Светлый участок диаграммы покрывает параметры поля толерантных величин. Если звуковое поле представлено давлениями больших вели- чин, то его параметры оказываются в пределах красной области диаграммы, а если они способны к деструкции структур внутреннего уха, то в темной области вверху диаграммы. ■ выводы Мы показали, что закон Вебера-Овчинникова как в форме (1), так и в форме (5) может служить для анализа акустического пейзажа звукового поля среды обитания человека. Его можно использовать в качестве мониторинг-контроля шумового рельефа застроек любого типа, автотрасс, в быту. Его использование продуктивно для расчета параметров звукового поля при проектировании и строительстве гражданских и промышленных объектов.

About the authors

EL L Ovchinnikov

Samara State Medical University

SS S Yashin

Samara State Medical University

TI I Minaeva

Samara State Medical University

References

Supplementary files