Теоретические основы виброакустики

Теоретические основы виброакустики

Краткие сведения из акустики

Шум - один из видов звука. В промышленной акустике термином шум обозначают любой нежелательный в данных условиях звуковой процесс. Всякий меняющийся и раздражающий звук является шумом. Физическая природа шума обусловлена колебательными движениями частиц упругой среды, распространяющимися в виде волн. Как физиологическое явление, шум определяется ощущением, воспринимаемым органом слуха при воздействии звуковых волн в диапазоне от 16 до 20000 Гц. Колебания ниже 16 Гц (инфразвуки) и выше 20000 Гц (ультразвуки) не воспринимаются органом слуха человека, но могут быть зарегистрированы приборами. Колебательные возмущения, распространяющиеся от источника звука в окружающей среде, называются звуковыми волнами, а пространство, в котором они наблюдаются - звуковым полем. Звуковая волна характеризуется звуковым давлением, длиной волны, частотой и законами распространения. Звуковое давление - разность между средним статическим давлением среды (при отсутствии звуковых волн) и мгновенным значением давления, которое возникает при наличии звуковых волн. Единица измерения звукового давления - паскаль (Па). Длиной волны называют расстояние, измеренное вдоль направления распространения волны между ближайшими точками звукового поля, в которых фазы колебаний одинаковые. Число колебаний в единицу времени называется частотой f (Гц), а время, в течение которого совершается полное колебание - периодом Т (с). Период и частота взаимосвязаны соотношением Т*f=1. Скорость звука связана с длиной волны и частотой следующей зависимостью: c=l*f, где c - скорость звука, м/с; l - длина волны, м; f - частота колебаний, Гц. Скорость звука определяется свойствами среды: упругостью и плотностью. Звуковые колебания, как и всякое волновое движение, подчиняются законам интерференции и дифракции. Процесс наложения друг на друга нескольких звуковых волн называется интерференцией. Если два колебания одинаковой частоты и амплитуды складываются в одной фазе, то амплитуда колебаний возрастает, если фазы противоположны, то уменьшается. Отклонение от прямолинейного распространения звуковых волн, огибание волнами препятствий называется дифракцией. Явление дифракции наблюдается в случае, когда размеры преграды или щели меньше длины волны. Если размеры преграды больше длины волны, то за ней образуется зона звуковой тени. Пространство, в котором звуковые волны свободно распространяются, не встречая отражающих поверхностей, называется свободным звуковым полем. Звуковое поле можно считать свободным, если между давлением и расстоянием от источника звука существует обратно пропорциональная зависимость, т.е. при каждом удвоении расстояния звуковое давление уменьшается наполовину. В производственных или городских условиях свободные звуковые поля встречаются очень редко. Область слухового восприятия шума в зависимости от значения звукового давления находится между порогом слышимости и порогом болевого ощущения. Порог слышимости - минимальное звуковое давление Р₀, которое вызывает едва заметное ощущение звука, равно Р₀=2*10-5 Па на частоте 1000 Гц. Порог болевого ощущения - максимальное звуковое давление Pmax, выше которого ухо не воспринимает звук, а ощущает только боль, равно примерно 2*102 Па. Для удобства вычислений принято оценивать звуковое давление не в абсолютных, а в относительных единицах (белах- Б, децибелах- дБ) по отношению к пороговым значениям. Измеренные таким образом величины называются уровнями. Уровень L звукового давления выражается зависимостью L=20lgP/P₀, где P₀ - пороговое значение звукового давления (P₀=2*10-5 Па). Диапазон изменений звукового давления составляет 0-107 Па, а диапазон соответствующего ему изменения уровней звукового давления - от 0 до 140 дБ. Уровень звуковой мощности источника Lp=10lgW/W₀, где W₀ - пороговое значение звуковой мощности (W0=10-12 Вт). Характеристики некоторых источников шума представлены в таблице 1: Таблица 1. Характеристики некоторых источников шума

Шум	Интенсивность I, Вт/м2	Звуковое давление Р, Па	Уровни Ly, дБ
Порог слышимости:	10-12	2*10-5	0
Шорох листвы	10-11	6, 3*10-5	10
Тиканье карманных часов	10-10	2*10-4	20
Шепот	10-9	6, 3*10-4	30
Разговор:
тихий	10-8	2*10-3	40
обычный	10-7	6, 3*10-3	50
Тихая музыка	10-6	2*10-2	60
Звук работающего пылесоса	10-5	6, 3*10-2	70
Звон будильника	10-4	2*10-1	80
Звук при работе:
вентиляторной установки	10-3	6, 3*10-1	90
турбокомпрессора	10-2	2, 0	100
авиационного двигателя	10-1	6, 3	110
пневматической дрели	1	2*10	120
Взлет реактивного самолета	10	6, 3*10	130
Болевой порог:	102	2*102	140
Взлет ракеты	103	6, 3*102	150

Уровни звукового давления нельзя складывать и вычитать как обычные числа. Для определения суммарного уровня звукового давления (далее УЗД) от нескольких источников шума в одной точке нужно учитывать их логарифмическую зависимость. Для сложения необходимо от УЗД перейти к абсолютным значениям интенсивности звука. Затем, просуммировав их, выполнить обратный переход к суммарному уровню интенсивности звука. Как сложный звук шум может быть разделен на простые составляющие его тоны с указанием их интенсивности и частоты. Графическое изображение состава шума называется спектром и является важнейшей его характеристикой. В зависимости от характера шума его спектр может быть линейчатым или дискретным, непрерывным или сплошным, смешанным или дискретно-непрерывным. По характеру спектра шум может быть широкополосным или тональным (в спектре которого имеются выраженные дискретные тона). В зависимости от частоты характер шума может быть низко-, средне- и высокочастотным. Низкочастотный шум имеет спектр с максимумом ЗД в области частот ниже 300 Гц, среднечастотный - 300-800 Гц и высокочастотный - выше 800 Гц. Шум, имеющий сплошной спектр и равные амплитуды всех составляющих в широкой области частот, называют белым шумом. При проведении акустических расчетов и измерениях шумов чаще всего используют октавные полосы частот. Октавной полосой частот называется полоса частот, у которой отношение граничных частот f2/f1=2, например, для звуковых частот: 32.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Если f2/f1=1, 26, то ширина полосы равна 1/3 октавы: 31.5, 40, 50, 63, 80, 100, 125, 160, 200, 250, 315, 400, 500, 630, 800, 1000 и т.д., до 8000 Гц. Уровни P или W, отнесенные к октавным полосам частот, называют октавными уровнями, а уровни, отнесенные ко всем полосам частот - общими уровнями. Для оценки шума одним числом, учитывающим субъективную оценку (физиологическое восприятие) его человеком, в настоящее время широко используется " уровень звука в дБА" - общий уровень звукового давления, измеряемый шумомером на кривой частотной коррекции А, характеризующую приближенно частотную характеристику восприятия шума человеческим ухом. Эта кривая коррекции А соответствует кривой равной громкости с уровнем звукового давления 40 дБ на частоте 1000 Гц. [1]

Распространение звуковых волн

Звуковые волны распространяются во всех направлениях. Такой процесс распространения удобно характеризовать волновым фронтом. Волновой фронт – это поверхность в пространстве, во всех точках которой колебания происходят в одной фазе.

Виды звуковых волн

Плоские волны. Волновой фронт простейшего вида – плоский. Плоская волна распространяется только в одном направлении и представляет собой идеализацию, которая лишь приблизительно реализуется на практике. Звуковую волну в трубе можно считать приблизительно плоской, как и сферическую волну на большом расстоянии от источника. Сферические волны. К простым типам волн можно отнести и волну со сферическим фронтом, исходящую из точки и распространяющуюся во всех направлениях. Такую волну можно возбудить с помощью малой пульсирующей сферы. Источник, возбуждающий сферическую волну, называется точечным. Интенсивность такой волны убывает по мере ее распространения, поскольку энергия распределяется по сфере все большего радиуса. Принцип Гюйгенса. Он позволяет определять форму волнового фронта на протяжении всего процесса распространения. Из него следует также, что волны, как плоские, так и сферические, сохраняют свою геометрию в процессе распространения при условии, что среда однородна. Дифракция звука. Дифракцией называется огибание волнами препятствия. Дифракция анализируется с помощью принципа Гюйгенса. Степень такого огибания зависит от соотношения между длиной волны и размером препятствия или отверстия. Если размеры препятствия намного больше длины волны, то звук отражается, а позади препятствия формируется зона акустической тени. Когда размеры препятствия сравнимы с длиной волны или меньше ее, звук дифрагирует в какой-то мере во всех направлениях. Это учитывается в архитектурной акустике. В нем это явление называется диффузией звука.

Поглощение звуковых волн

Интенсивность звуковых волн в процессе их распространения всегда уменьшается вследствие того, что определенная часть акустической энергии рассеивается. В силу процессов теплообмена, межмолекулярного взаимодействия и внутреннего трения звуковые волны поглощаются в любой среде. Интенсивность поглощения зависит от частоты звуковой волны и от других факторов, таких, как давление и температура среды. Поглощение волны в среде количественно характеризуется коэффициентом поглощения «a». Он показывает, насколько быстро уменьшается избыточное давление в зависимости от расстояния, проходимого распространяющейся волной. Поглощение в твердых телах. Механизм поглощения звука вследствие теплопроводности и вязкости, имеющий место в газах и жидкостях, сохраняется и в твердых телах. Однако здесь к нему добавляются новые механизмы поглощения. Они связаны с дефектами структуры твердых тел. Дело в том, что поликристаллические твердые материалы состоят из мелких кристаллитов; при прохождении звука в них возникают деформации, приводящие к поглощению звуковой энергии. Звук рассеивается и на границах кристаллитов. Кроме того, даже в монокристаллах имеются дефекты типа дислокаций, вносящие свой вклад в поглощение звука. Дислокации – это нарушения согласования атомных плоскостей. Когда звуковая волна вызывает колебания атомов, дислокации смещаются, а затем возвращаются в исходное положение, рассеивая энергию вследствие внутреннего трения. [1]

Таким образом, мы познакомились с теорией виброакустики. При измерении прибором SVAN 959 нам будет легче изучить и понять измеряемые характеристики, а так же рассчитать коэффициент звукоизоляции.

Методики расчета

Заключение

 

В наше время, когда главной ценностью является информация, особое внимание стоит уделять ее защите и конфиденциальности. На примере данной курсовой работы мы проанализировали акустическую защищенность помещения, обосновали актуальность данной проблемы и предложили способы ее решения.

Курсовая работа позволяет получить полное представление об акустических и виброакустических каналах утечки информации, технических средствах подслушивания и мерах по защите акустической информации.

Было произведено измерение акустической защищенности помещения на примере контрольной точки, расположенной на границе деканата и прилегающего помещения. В результате исследования мы вычислили коэффициент звукоизоляции, который не соответствовал ни одному нормативному значению, приведенному во временных методиках. Это обусловлено в первую очередь тем, что между полом и дверью существует огромная щель порядка полутора сантиметров, кроме того двери состоят из однородного неукрепленного материала.

Для улучшения звукоизолирующих свойств необходимо выполнить следующие рекомендации:

· материалы, из которых сделаны двери, должны быть слоистыми, с резко отличающимися акустическими характеристиками и массивными обвесами для уменьшения колебаний;

· двери желательно сделать двойными с воздушной прослойкой между ними;

· двери должны быть оснащены уплотняющими прокладками, что бы ликвидировать зазоры между дверью и дверным косяком.

 

Список литературы

 

1. Зайцев А.П., Шелупанов А.А., Технические средства и методы защиты информации. - М.: Машиностроение, 2009. – 507 с.

2. Осипова Г.Л., Юдина Е.Я., Снижение шума в зданиях и жилых районах – М.: Стройиздат, 1987.

3. Торокин А.А., Инженерно-техническая защита информации. – М.: Гелиос АРВ, 2005. – 960 с.

4. Хорев А.А., Защита информации от утечки по техническим каналам. Часть 1. Технические каналы утечки информации. – М.: Гостехкомиссия РФ, 1998. – 320 с.

5. Хорев А.А., Способы и средства защиты информации. Учебное пособие. – М.: МО РФ, 2000. – 316 с.

6. Временная методика оценки защищенности помещения от утечки речевой конфиденциальной информации по акустчиескому и биброакустическому каналам \ Утверждена первым заместителем Председателя Гостехкомисси России 8 ноября 2001.

7. Руководство по эксплуатации. Паспорт прибора svan 959 – анализатор шума и вибрации. – М.: ЗАО «Алгоритм-акустика», 2009. – 153 с.

 

Теоретические основы виброакустики

1234Следующая ⇒

Поделиться: