Децибелы и кондиционеры

Современный человек живет в мире различных технических устройств. Работа большинства из них  не вызывает дискомфорта. Но практически любое оборудование, при функционировании которого используются движущиеся механизмы, генерирует целый спектр звуков различной частоты и интенсивности, слышимых или неслышимых, но оказывающих  физиологическое воздействие.

Подписаться на статьи можно на главной странице сайта.

Когда потребитель выбирает то или иное бытовое оборудование, например кондиционер, в числе прочих параметров он обращает внимание на уровень шумового воздействия, измеряемый в децибелах (дБ). При этом считается очевидным, что чем меньше децибел продуцирует кондиционер, тем он менее воздействует на человека и тем выше уровень комфортности прибора.  В идеале желательно, чтобы шум был на уровне или даже ниже естественного  фона – звука ветра, шелеста листвы и т.п.

Блоки шумят по-разному

Производители бытовой техники также часто указывают как конкурентное преимущество низкий уровень генерируемого ею шума. Современные сплит-системы, работающие в ночном режиме, обычно не превышают уровень звука, допустимый для жилых помещений. Но это условие иногда выполняется только для внутренних блоков кондиционера. Внешние блоки с компрессором и вентилятором, размещаемые снаружи помещений, шумят намного сильнее. И у соседей, окна которых выходят на ту же сторону стены многоэтажного дома,  это может вызывать дискомфорт.

Компании, выпускающие кондиционеры, постоянно снижают уровни шума: преодолев порог 40 дБ,  уже доводят его для ночного режима до 30 и даже 20 дБ (рис. 1). При этом в  технических характеристиках рядом с обозначение единицы измерения (дБ) в скобках ставится литера (А).

Рис. 1. Внешний блок инверторной сплит-системы SRC25/35ZMP-S компании Mitsubishi Heavy Industries

Обычно серьезные производители приводят и дополнительные технические данные. Например, это могут быть те или иные гигиенические сертификаты. Одним из генераторов шума являются движущиеся части вентиляторов, поэтому акцентирование внимания на конструктивной проработке этих деталей не только в целях снижения энергозатрат, но и уменьшения шумового воздействия также  может послужить дополнительной гарантией комфортности. Большое значение имеют тип, мощность компрессора, локализация и корректность монтажа содержащего его блока.

Выбор сплит-системы может быть затруднен из-за  того, что производитель указывает уровень звукового давления внутреннего блока при минимальной производительности вентилятора. Уровень шума кондиционера при различных режимах можно иногда узнать из каталога.

При сравнении уровней шума приборов разных производителей нужно использовать данные  для низкой скорости вентилятора. Производитель  также измеряет уровень шума в  камере, стены которой покрыты звукопоглощающим материалом. В квартире же звук от внутреннего блока будет усиливаться  из-за многократного отражения от мебели, стен и потолка. Выбор техники по шумовым параметрам затруднен еще по одной причине:   в каталогах производители указывают уровень шума как в дБ, так и в дБА. И хотя первые и вторые показатели находятся в определенной связи друг с другом, это совсем не одно и то же.  Часто потенциальный пользователь конечного продукта не знает об этом. А ведь неучет такой «мелочи» может легко свести конкурентные преимущества не только к нулю, но и превратить формально комфортный прибор в такой, который вызывает дискомфорт и даже наносит ущерб здоровью. 

Разница уровня шума наружных блоков кондиционеров верхней и нижней ценовых групп существенно выше разницы уровня шума внутренних блоков. Шум наружных блоков, так же как и внутренних, зависит от производительности кондиционера. Как правило, шум наружного блока качественного исправного бытового кондиционера никогда не превышает разрешенного для жилой зоны уровня. Но в некоторых бюджетных сплит-системах производительностью более 3,5 кВт уровень звука наружных блоков уже превышает максимальный уровень.  Эта проблема очень актуальна для нежилых помещений в жилых домах.

Теория

Акустическая мощность (Вт) – это величина, равная отношению количества звуковой энергии dW, переносимой упругой средой через заданную поверхность, к интервалу времени dt.  При распространении акустических волн каждый элемент объема среды приобретает за счет колебательного движения частиц добавочную энергию. Энергия акустической волны единицы объема среды (плотность энергии) это сумма двух слагаемых:

 E=rn2/ 2+bp2/2,  Дж/м3,

где rn2/ 2 и bp2/2 – плотности кинетической и потенциальной энергий; r – плотность среды; n – колебательная скорость частиц; b = 1/rc2 – сжимаемость среды; с – скорость звука; p – звуковое давление.

Для плоской бегущей волны потенциальная энергия равна кинетической. В произвольной волне такое же выражение имеет место для среднего по времени значения плотности полной энергии.  В стоячей волне, в отличие от бегущей, средние по времени значения кинетической и потенциальной энергий не равны друг другу в каждой точке.

 При наличии в среде нескольких гармонических волн разных частот плотности энергий складываются. А для волн одинаковой частоты, когда амплитуды во всех точках среды удваиваются, плотность энергии учетверяется.

Интенсивность звука в любой точке можно измерить, например, Вт/м2. Но  запись в таких единицах интенсивности обычных шумов неудобна: интенсивность наиболее тихого звука, доступного восприятию человека  0,000 000 000 001 Вт/м2 (10−12 Вт/м2), а шум реактивного самолета, пролетающего на расстоянии порядка 50 м, – 10 Вт/м2.

Более удобно выражение интенсивностей звука в виде отношения к эталонной интенсивности. Например, шум реактивного самолета в 1013 раз превышает эталон. Причем любое число можно представить как 10 в какой-то степени – десятичный логарифм( lg):

In = 10 lg Iизм/Iэт , дБ,

где In, Iизм, Iэт – соответственно, нормированный, измеренный, эталонный уровни интенсивности (коэффициент 10 введен для удобства применения).

Децибелы не единицы измерения, аналогичные, например, метрам, когда 2 + 2 = 4. При удвоении звукового давления энергия звуковой волны должна увеличиться в четыре раза, тогда, соответственно, увеличится скорость частиц среды (табл. 1).

Табл. 1. Интенсивность, звуковое давление и уровень звука*

* – в воздухе при комнатной температуре и нормальном давлении на уровне моря

Так, звуковое давление самого слабого из слышимых звуков равно примерно 0,00002 Н/м2, а у дизельного грузовика оно составляет 2 Н/м2. Увеличение интенсивности звука вдвое прибавляет 3 дБ. Например, шум 39 дБ имеет интенсивность вдвое ниже, чем  42 дБ (lg 10 = 1, а lg 20 = lg 2 + lg 10 = 1,3 Б, при переходе к общепринятым дБ надо еще умножить на коэффициент 10). Поэтому снижение шума на каждые 3 дБ означает уменьшение звукового давления вдвое.

Многоликий шум

Диапазон частот, воспринимаемых человеческим ухом, в среднем – 0,02–20 кГц (разброс значений от 0,012–0,024 до 18-24 кГц). Причем молодые люди лучше слышат звуки соответствующие 3 кГц, а пожилые – 1кГц.

Воспринимаемый на слух звуковой диапазон сужается, уменьшаясь каждые десять лет  примерно на 1кГц – для высокочастных звуков и  увеличиваясь «вниз»  от 20 Гц  – для низкочастотных.

Чувствительность слуха во время сна увеличивается на 10–14 дБ (до первых децибел по шкале (А), причем звук с большими скачками громкости может легко разбудить спящих людей. При отсутствии  звукопоглощающих материалов на внутренней поверхности ограждающих конструкций уровень шума увеличивается на 4–6 дБ  из-за многократного отражения (табл. 2).

Табл. 2. Уровни звука (дБ)

Временно допустимые уровни звука  больше постоянных  на 15 дБ. Так, для жилых комнат квартир допустимый уровень звука в дневное время – 40 дБ, а временный – 55. При постоянно работающем инженерном оборудовании учитывается поправка – минус 5 дБ.

На рабочих местах предельно допустимые эквивалентные уровни звука для прерывистого шума – 110 дБ(А), а для импульсного – 125 дБ(А). И запрещено пребывание в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе.

Шум, издаваемый компьютером, принтером и факсом в комнате без звукопоглощающих материалов, может превышать уровень 70 дБ. На производстве для снижения уровня шума применяют шумопоглощающие материалы, ушные вкладыши, наушники. Последние обеспечивают максимальную защиту, закрывая не только ушной проход, но и кости черепа.

Скорость звука в среде зависит от многих факторов – ее плотности, температуры и частотных параметров звука. Так, для частоты 1–2 кГц в воздухе она составляет 344,4 м/с  (при температуре 21 °С) и  только 332 м/с – при  0 °С; при 20 °С в пресной воде скорость звука – 1484м/с (при 17 °С – 1430 м/с), в морской – 1490 м/с  (для льда – 2900–4100  м/с) .

В древесине твердых пород скорость звука различна  по направлениям – достигает 5000 м/с  (вдоль волокон) и примерно 3500 м/с – в поперечном направлении.  Интересно, что скорость звука в металлах, составляя в среднем 2000–6000 м/с, различна: доходя в легированной стали до 6000 м/с, она в чугуне на 25 % ниже,  в алюминии – на 5 % выше. В полимерных материалах скорость звука находится примерно в тех же пределах. При повышении температуры и давления скорость звука в воздухе увеличивается, а в жидкостях с ростом температуры она уменьшается. 

Снижают дальность распространения звука вдоль поверхности земли высокие преграды (горы, здания и строения), противоположное направление ветра и его скорость, а так же другие факторы (пониженное атмосферное давление, повышенная температура и влажность воздуха).

Интенсивность затухания (коэффициент поглощения) звука средних частот (порядка 1–8 кГц) при нормальном атмосферном давлении и температуре над землей  находится в диапазоне 10–20/100 дБ /м, причем поглощение пропорционально квадрату частоты акустических волн.

Достоверность измерения

Физическая характеристика громкости звука – уровень звукового давления в дБ. Звуки с низкой и высокой частотой кажутся тише, чем среднечастотные той же интенсивности. Неравномерную чувствительность человеческого уха к звукам разных частот модулируют за счет электронного частотного фильтра (А), получая так называемый эквивалентный уровень звука – дБ(А).

Национальные стандарты стран-участников Международной электротехнической комиссии МЭК идентичны или адаптированы по отношению к международным стандартам ИСО, например, ГОСТ Р 52797.1-2007 «Акустика. Рекомендуемые методы проектирования малошумных рабочих мест производственных помещений».

Рис. 2. Измеритель шума и вибрации SVAN-958

 Бытовые приборы-шуметры (SL, «Октава», Svan) обычно имеют диапазоны измерения 30–130 дБ, 31,5 Гц – 8 кГц (рис. 2) и снабжены акустическими фильтрами А и С (промышленные интегрирующие). Однако для измерений не воспринимаемых на слух   шумов нужны широкодиапазонные приборы. Поддиапазоны спектра звуковых частот, на которые настроены фильтры двух- или трехполосных шумомеров – низкочастотный – до 0,4 кГц; среднечастотный – 0,4–5 кГц и высокочастотный – 5–20 кГц.

При измерении шума звуковое давление преобразуется в электрическое напряжение, усиливается, выпрямляется и подается на откалиброванный вольтметр. При этом измеряются усредненные среднеквадратичные значения сигнала. Обычным вольтметром нельзя охватить огромный диапазон звуковых давлений, и поэтому в той части устройства, где происходит усиление сигнала, имеется несколько цепей, различающихся по усилению на 10 дБ, которые можно включать последовательно одну за другой.

Однако часто возникает единичный, опасный для слуха импульс давления с  затухающими его колебаниями. Чтобы измерить реальное шумовое воздействие, являющееся неаддитивной результирующей шумов различных характеристик, еще недостаточно  громкости и частоты звука.

Существуют два общепринятых метода учета флуктуации уровня шума. В первом методе  используют так называемый анализатор статистического распределения. Это устройство регистрирует относительную долю времени, в течение которого измеряемый уровень шума находится в пределах каждой из ступеней шкалы, например, через каждые 5 дБ. При втором методе используется нормировочный индекс шума. Его шкалу используют для характеристики среднемаксимальных уровней шума самолетов, выраженных в PN дБ (воспринимаемый уровень звука). Шкала начинается от уровня 80 PN дБ (около 67 дБА), значение 80 вычитается из величины среднемаксимального уровня. Если за время измерения пролетает  один самолет, то величина этого индекса будет равняться среднемаксимальному уровню в PN дБ минус 80. При каждом удвоении числа самолетов следует прибавлять к этому числу 4,5 единицы. И только если отдельные пиковые уровни шума самолетов различаются всего на несколько дБ, усредненную величину можно вычислить арифметически.

В мире существует много других методик, шкал и индексов для измерения шума. Например, в Англии для измерения промышленного шума применяется так называемый исправленный уровень шума, существуют свои особенности  и в США.

Чувствительность человеческого уха для различных частот различна, и для того, например, чтобы звуки с частотой 20 Гц и в сорок раз более высокие воспринимались одинаково громко, уровень звукового давления первого из них должен быть на 50 дБ выше, чем второго. Поэтому современные приборы имеют корректирующие контуры. Обычно их три – А, В и С, причем последний используется лишь при определенных профессиональных измерениях, например, в аэропортах.

В настоящее время почти повсеместно уровень шума принимают равным уровню, измеренному в дБ с помощью шумомера с коррекцией А, и выражают его в единицах дБ(А). Впрочем, звуковые уровни, выраженные в дБ(А), также в точности не соответствуют физиологической реакции. При измерении громкости в дБ(А) недооценивается  реакция на звуки низкой частоты  и не учитывается повышенная чувствительность уха к громкости чистых тонов.

Такая шкала также недооценивает роль частотного состава шума, поэтому результаты измерений, проведенных с помощью стандартного шумомера, приходится дополнять данными, полученными при использовании других приборов. Звукоанализирующая аппаратура громоздка и поэтому применяется в лабораториях.

Коварный инфразвук

Акустические волны с частотой ниже 16 Гц, не воспринимаемой человеческим ухом, лежат в области инфразвука. Причем с расстоянием быстрее гасятся высокие частоты и остаются низкие, и дальность  распространения длинноволновых звуков может достигать сотен километров.

В течение последних десятилетий резко возросло количество разного рода машин и других источников шума и инфразвуковых колебаний. Установлено, что у жителей районов, расположенных рядом с крупными международными аэропортами, являющимися сильными инфразвуковыми загрязнителями, заболеваемость гипертонией значительно выше, чем у живущих в более тихом районе того же города. Предполагают, что многие болезни в современном обществе связаны с неслышимым звуком.

 В промышленности инфразвуки излучаются заводскими вентиляторами и воздушными компрессорами, моторами. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100–110 дБ.

Волны, лежащие в инфразвуковой области, характеризуются значительно большей проникающей способностью, чем ультразвуковые колебания.

Так как длина инфразвуковой волны велика, она глубоко проникает в ткани тела. Действуя за счет резонанса, инфразвуковые колебания по частоте могут также совпадать со многими процессами, происходящими в организме. А при этом часто может возникать резонанс, приводящий к расстройству работы органа и даже его травме.

В жидких средах коэффициент затухания волн существенно ниже, чем в газообразных. И мозг фактически оказывается целым органом, воспринимающим  инфразвуковой спектр. Картина взаимодействия мозга с инфразвуком сложна, поскольку частоты важнейших его ритмов лежат в диапазоне 0,5–30 Гц. Значительные психические эффекты характерны для частоты 7 Гц, соответствующей a- ритму.

Частоты  12 Гц при интенсивности 85–110 дБ могут вызывать головокружение, а  15–18 Гц той же интенсивности индуцируют беспокойство и  даже немотивированный, так называемый панический, страх, потребность вырваться из замкнутого пространства.

А частоты примерно 19 Гц  вызывают расстройство зрения.

При воздействии на человека инфразвука с частотами, близкими к 6 Гц, могут отличаться друг от друга картины, создаваемые левым и правым глазами, нарушается ориентация в пространстве. Подобные ощущения вызывают и пульсации света на частотах 4–8 Гц. Еще древнеегипетские жрецы, чтобы добиться признания у пленника, привязывали его и с помощью зеркала освещали глаза пульсирующим солнечным лучом. Через некоторое время возникали судороги, и психика пленника подавлялась.

Тайны «Летучего голландца»

На протяжении столетий легенды о Летучем голландце – корабле, брошенном по неизвестной причине командой и продолжающем бороздить просторы океана, – вызывают мистический интерес (рис. 3).

Рис. 3. «Летучий голландец»

Взаимодействие сильного ветра и морских волн создает сильные инфразвуковые волны, которые распространяются значительно быстрее  шторма или циклона. Как известно, многие животные могут предсказывать эти природные явления, но и некоторые люди улавливают «голос моря». Мощные инфразвуковые колебания воздуха, принесенные издалека, воспринимаются ими как болевые ощущения в ушах.

При зарождении подводного землетрясения, когда «тряской» охвачены сотни квадратных километров поверхности океана, поперечные звуковые волны передаются через толщу воды. Большинство из них доходит до ионосферы. Продолжительное воздействие инфразвука превращает корабль в резонатор, вторичный источник инфразвука, значительно увеличивающий его интенсивность и вызывающий инстинктивный страх, образно говоря, берущий управление на себя. Возможно, этим объясняется появление в открытом океане судов с явными признаками стремительного бегства с них людей. Встречались и суда, на которых вся команда и пассажиры оказывались мертвыми, каждый на том месте, где он находился, что также можно объяснить влиянием инфразвука.

Интересно, что в зависимости от интенсивности инфразвуковых колебаний, находящиеся на борту люди могут испытывать различные степени паники. Поэтому сознание человека будет подыскивать причину подобных явлений, пытаться их интерпретировать.

В 1959 г. группа студентов, которую возглавлял И. Дятлов, совершала лыжный поход, направляясь к пос. Вижай на севере Свердловской области. Однако к намеченному пункту никто из студентов так и не вышел. Впоследствии поисковая группа обнаружила разорванную изнутри палатку с одеждой, обувью и продуктами, а недалеко от палатки были найдены тела участников экспедиции с различными травмами. Официально причиной смерти студентов назвали стихийную силу, которую люди не смогли преодолеть.

Странные обстоятельства гибели членов экспедиции породили множество слухов и легенд, связанных с перевалом Дятлова. Причиной гибели девяти лыжников (рис. 4) могло быть такое явление, как вихревая дорожка Кармана, при котором сильный ветер преобразуется в серию торнадо. При этом возникают инфразвуковые волны. Студенты могли стать жертвой такого инфразвука, в панике бежав из палатки и замерзнув насмерть.

Рис. 4. Памятный знак с фотографиями погибших

Статья из журнала «Аква-Терм» май-июнь № 3 (85) 2015

вернуться назад

Читайте также:

Отвод продуктов сгорания от современного твердотопливного котла

Пример использования современных водоочистных технологий

Ультразвук в водоподготовке

Баромембранная водоподготовка