Средь шумного бала
Руководство по выполнению измерений
нормируемых параметров шума (часть 2)
Ю.В.Куриленко,
генеральный директор ООО «ПКФ Цифровые приборы», к. ф.-м. н. (Москва)
На страницах журнала открывается цикл материалов о методах измерения шума, вибрации, электрических и магнитных полей и иных неионизирующих физических факторов.
Сначала автор рассматривает современные аспекты нормирования шума, воздействующего на человека, и подготовку к проведению измерений.
Санитарное нормирование шума
Так у нас сложилось, что гигиенической акустикой сегодня занимаются, как правило, люди без профессиональной подготовки в области физики звука. А между тем оценка воздействия шума на человека сопряжена с немалыми методическими сложностями, так как производится в реальных, а отнюдь не в специально создаваемых «комнатных» условиях, и вот поэтому специалист испытательной лаборатории чётко должен понимать:
— с каким физическим явлением он сталкивается;
— что должно стать результатом измерения;
— каковы показатели точности измерения.
Система гигиенических нормативов шума в нашей стране состоит из базовых документов, которыми устанавливаются безопасные уровни воздействия шума для — в идеале — любых источников, и «отраслевых» правил. Но, к сожалению, отраслевые нормативы не всегда являются прямым цитированием базовых норм: довольно часто мы находим в них существенные отличия, и в случае противоречий следует руководствоваться более поздним по времени документом.
На момент написания настоящей статьи базовыми санитарными нормами шума являются «СН 2.2.4/2.1.8.562–96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки», где охватываются все виды рабочих мест и установлены требования для коммунального шума (Ведется разработка нового документа, который должен объединить требования ко всем неионизирующим физическим факторам на РМ. Соответственно, действующие нормы будут отменены (в части производственного шума).) Примеры важнейших «отраслевых» нормативов собраны во врезке ниже. Если ограничиваться только слышимым звуком — или собственно «шумом», — то приведенные документы очень хорошо стыкуются с базовым, лишь несколько особняком стоит водный транспорт, где было введено понятие дозы.
Однако по другим виброакустическим факторам, например по общей вибрации или инфразвуку, практически все отраслевые нормативы имеют значительные отличия от базовых норм.
Нормируемыми параметрами слышимого шума являются:
— эквивалентные (средние по времени) и максимальные (на характеристике S — «медленно») уровни звука с частотной характеристикой А;
— уровни звукового давления в октавных полосах частот 31,5–8000 Гц;
— для водного транспорта: доза шума (определяется по измерениям эквивалентного уровня).
При необходимости определения характера шума может потребоваться измерение третьоктавных спектров уровней звукового давления (25–10 000 Гц) и уровней звука на характеристиках I («импульс») и F («быстро»).
Основные термины
Характеристика А
Эта частотная характеристика соответствует чувствительности «усредненного» человеческого уха к звуковому давлению на разных частотах в диапазоне от 10 Гц до 20 кГц.
Уровни звука с частотной характеристикой А должны измеряться специальным прибором (шумомером), соответствующим ГОСТ Р 53188.1 (МЭК 61672-1) и имеющим на входе специальный частотный фильтр «А» (рис. 1).
Октавы и третьоктавы
Это полосы частот, в которых проводится измерение звукового давления, виброускорения и пр. Октавной называют полосу частот, у которой верхняя граница fmax примерно в два раза больше нижней fmin: fmax / fmin = 2. Для третьоктавных частотных полос действует похожее соотношение: fmax / fmin = 21/3.
Уровни звукового давления в октавных (третьоктавных) полосах частот измеряются с помощью октавных (третьоктавных) фильтров: они должны соответствовать ГОСТ 17168 или МЭК 61260.
Временные характеристики S (медленно), F (быстро), I (импульс) Это разновидности среднеквадратичного усреднения по времени, принятые в середине XX века в аналоговой акустической измерительной технике. Последняя использовала среднеквадратичные детекторы, построенные на RC-цепочках. В современных стандартах требования к этим характеристикам переформулированы под условия цифровой обработки сигнала, а сами они называются «экспоненциальным усреднением».
Формула экспоненциального усреднения S («медленно»):
Ps(t), Па = [1/τs ∫ p2 (ζ) e– (t – ζ)/ τs d ζ]1/2,
где p — мгновенное значение звукового давления, τs — постоянная времени (одна секунда для характеристики S). Современные стандарты (ГОСТ Р 53188.1) называют уровни звука, измеренные с экспоненциальным усреднением, уровнями «с временным взвешиванием» (time-weighted levels).
Эквивалентный уровень По физическому смыслу это обычное среднеквадратическое значение:
Peq(T), Па = [1/T ∫ p2 (ζ) d ζ]1/2, Leq = 20 lg (Peq / 2 • 10–5 Па).
Однако в эпоху аналоговых приборов под среднеквадратичным было принято понимать уровень с экспоненциальным усреднением (см. выше), тогда и появился термин «эквивалентный уровень» — то есть уровень гипотетического постоянного сигнала, энергия которого совпадает с энергией измеряемого непостоянного сиг- нала. В современных стандартах постепенно происходит переход от термина «эквивалентный» к более естественному — «средний по времени» (time averaged level).
Методические документы
В настоящее время проблема методик выполнений измерений шума (далее — МВИ) для гигиенической оценки остается открытой.
Называя вещи своими именами, можно сказать проще: МВИ попросту отсутствуют.
Позиция многих официальных органов состоит в том, что МВИ не нужны и измерение шума, выполняемое сертифицированным шумомером, можно считать прямым измерением, для которого по
Закону (Федеральный закон ≪Об обеспечении единства измерений≫ № 102 от 26.06.2008, ст. 5) аттестация МВИ и не требуется.
По-видимому, кому-то эта казуистика помогает в юридических спорах, но не помогает практикующим специалистам ответить на вопрос: а где же поставить микрофон, как долго проводить измерения и как учитывать влияние погоды, окружающих объектов и пр. Некоторым подспорьем служат методические документы общего характера, предложенные к ознакомлению во врезке ниже.
Опытному специалисту эти документы помогут провести измерение грамотно, но следует иметь в виду, что ни один из них не является полноценной МВИ. Например, мало кто обращает внимание на то, что ГОСТ 12.1.050 распространяется только на рабочие места, расположенные в помещениях зданий и на территории. То есть из его поля зрения выпадают кабины, вагоны, локомотивы, салоны самолета, водный транспорт и пр. — для таких объектов данный стандарт может послужить лишь основой для разработки МВИ.
ГОСТ 31296.1 и ГОСТ 31296.2 — это совершенно новые стандарты, цель которых — ввести в оборот новые понятия в области экологической акустики и сформулировать принципиальные подходы к проведениям измерений шума на местности с учетом современной специфики. По сути, эти документы могут стать основой для будущих гигиенических нормативов и МВИ, но пока новые нормативы и методики не разработаны, данными стандартами можно пользоваться примерно так же, как и учебником физики: вроде бы всё написано, а задачи надо решать самому.
Большим подспорьем являются введенные в 2010 году методические рекомендации МР 4.3.0008–10: они дают юридическую основу для использования упрощенных схем оценки неопределенности измерения шума. Эти схемы аналогичны приведенным в ГОСТ 12.01.050, однако область применения последнего ограничена (см. выше), в то время как сфера действия МР 4.3.0008–10 распространяется практически на любые гигиенические замеры шума.
Приступаем к измерениям
В каждом конкретном случае следует четко представлять, каков же объект исследования, что является полезным сигналом, а где перед нами помеха. Например, если наша цель — провести оценку шума на конкретном рабочем месте и при известном технологическом процессе, то все акустические сигналы, типичные для данного РМ, следует считать полезными. К помехам будут отнесены случайные события: это может быть звонок мобильника или кашель, случайное падение молотка и пр. При суммарной оценке шума в жилом помещении помехой будут «бытовые» шумы, создаваемые обитателями квартиры и, конечно же, самим оператором, занятым замерами.
Но если наша цель не суммарная оценка, а определение шума конкретного источника, например системы отопления здания, то помехой будут все остальные акустические процессы. Подобные исследования наиболее сложны, так как уровень шума помех может быть сопоставим с уровнем исследуемого явления и для выделения последнего требуются специальные технологии.
Большое значение имеет выбор измерительной точки и ориентации микрофона. В нормативных документах — ГОСТ 12.1.050, МУК 4.3.2194–07 и др., — как правило, всегда есть указания по месту и высоте расположения микрофона, но это может оказаться недостаточным. При акустических измерениях необходимо учитывать характер звукового поля.
Приближенно реальное звуковое поле можно разделить на несколько основных зон: ближнее поле, свободное и поле отраженного звука.
Ближнее поле — это область вокруг источника на расстоянии длины волны (для практических целей радиус ближнего поля определяют равным двум характерным размерам источника). Здесь звуковая волна еще не сформировалась и наблюдается сильная неоднородность звукового поля, поэтому даже небольшие изменения положения и ориентации микрофона могут приводить к значительным отклонениям показаний шумомера. При измерении шума на рабочих местах, расположенных в ближнем поле, необходимо проводить усреднение в пределах рабочей зоны, медленно перемещая микрофон в пространстве и немного изменяя его ориентацию.
Область свободного поля расположена на значительном удалении от источника и отражающих поверхностей. Здесь размеры источника не играют существенной роли. В идеальном свободном поле точечного источника уровни звука падают на 6 дБ при удвоении расстояния (в свободном поле линейного источника — на 3 дБ). В реальности такие условия соблюдаются редко. Считается, что если с удвоением расстояния от источника уровни звука падают на 4–5 дБ, то условия близки к условиям свободного поля. При измерениях в таких ситуациях достаточно зафиксировать микрофон в исследуемой точке и направить его ось чувствительности на источник (ось чувствительности свободного поля таких микрофонов, как ВМК-205, МК-265, МК-233, и аналогичных направлена ортогонально к поверхности мембраны).
Рядом с отражающими поверхностями прямой звук от источника складывается с отраженным звуком. Такие условия характерны при измерениях в небольших помещениях и на территории вблизи ограждений. В этом случае следует ориентировать микрофон так, чтобы получаемые значения уровней звука были максимальными. Если явного направления максимума выявить не удается, целесообразно ориентировать микрофон каким-то определенным способом, например вертикально вверх.
Калибровка
Все методические документы требуют проверить калибровку шумомера до и после измерения, для чего на микрофон надо подать акустический сигнал известной частоты с известным уровнем звукового давления и сопоставить показания прибора с этими образцовыми значениями. Для калибровки шумомеров в полевых условиях используют портативные акустические калибраторы, которые должны удовлетворять ГОСТ МЭК 60942 (класс 1 для приборов первого класса, см. рис. 3).
А для чего нужна калибровка? Дело в том, что чувствительность микрофона зависит от внешних условий: температуры, атмосферного давления и пр. Особенно большие погрешности могут возникать, если микрофон не находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой (например, если измерения на холоде проводятся прибором, который только что достали из теплой машины). Проверка калибровки до и после замера позволяет выявить и устранить такие погрешности.
Замечание: при проведении калибровки микрофон и калибратор должны находиться в состоянии термодинамического равновесия друг с другом и с окружающей средой.
Наградой для тех, кто пунктуально выполняет требования калибровки, является повышение точности измерений. Так, при использовании шумомеров первого класса по ГОСТ Р 53188.1 с соответствующими калибраторами неопределенность измерений, обусловленная применяемым прибором, считается пренебрежимо малой (ГОСТ 12.1.050, изм. № 1) или не превышающей 0,7 дБ (МУК 4.3.0008).
Характер шума В основе гигиенической оценки лежит сопоставление измеренных уровней шума и звукового давления с санитарной нормой. Показатели шума, используемые для определения гигиенических нормативов, могут быть разными для шумов разного вида, и в настоящее время в нашей стране актуальна такая классификация:
— по временным характеристикам: постоянный или непостоянный шум. Дополнительно следует еще различать импульсные непостоянные шумы, для которых предусмотрены более жесткие нормативы;
— по характеру спектра: широкополосный или тональный шум. Вопрос классификации шумов не так прост, как может показаться на первый взгляд. Для многих шумов даже по сей день нет полностью надежных инструментальных методов определения характера, и окончательное решение следует принимать, исходя из качественного понимания физики исследуемого процесса.
Подробное обсуждение вопросов классификации шумов мы оставляем для следующей публикации.