Воздействие шума

Введение

Звук является важной и ценной частью повседневной жизни. Но когда звук становится шумом, он может оказывать негативное влияние на наше психическое и физическое здоровье.  Урбанизация, рост промышленности, развитие технологий, увеличение транспортных потоков являются одними из движущих сил негативного воздействия шума на окружающую среду и здоровье человека. Информация, передаваемая шумом, очень часто более актуальна, чем уровень звука. 
Шум постепенно становится одним из самых крупных загрязнителей в современных мире, но существует тенденция игнорировать его, как фактор риска. Шум является источником потенциальных угроз здоровью и стимулом для центральной нервной системы, длительное воздействие на которую может стать причиной сердечно-сосудистых и цереброваскулярных заболеваний. Когда на человека начинает воздействовать фоновый шум, мозг начинает адаптироваться и не воспринимает его в качестве раздражающего фактора. Но, даже если человек не ощущает этого воздействия, шум, тем не менее, продолжает стимулировать нервную систему.
Основным источником шума в окружающей среде являются наземные и воздушные транспортные потоки: автомобильное движение, авиационный и железнодорожный транспорт. Выходной шум для отдельных транспортных средств достигает максимума в ночное время из-за увеличения средних скоростей движения по сравнению с дневными часами.
Экологические риски составляют 24% бремени медицинских заболеваний. Развитие дорог и увеличение количества автомобилей, усугубляет это бремя.

Характеристика звука, ультразвука, инфразвука
Акустика (от греч. ἀκούω — слышу) — наука о звуке, изучающая физическую природу звука и проблемы, связанные с его возникновением, распространением, восприятием и воздействием. Термин «акустика» был введён в 1701 году французским математиком и физиком Жозефом Совёром. Свойства акустики рассматривались уже в 6 веке до н.э., когда Пифагор описал математические свойства струнных инструментов, когда установил связь между высотой звука и длиной струны, издающей звук. В 1794 году итальянским физиком и натуралистом Ладзаро Спалланцани была открыта эхолокация летучих мышей.
Понятие “звук” может быть рассмотрено с двух принципиально разных позиций: как физическое явление и как физиологическое явление Звук, как физическое явление, представляет собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Характеристикой интенсивности звука являются децибелы (дБ). При физических измерениях за основу берется звуковое давление в 0,0002 микробара — самое слабое звуковое давление, определяемое острым слухом в условиях максимальной тишины. Из-за логарифмического характера шкалы децибел, увеличение на 10 дБ представляет 10-кратное увеличение интенсивности звука; увеличение на 20 дБ представляет 100-кратное увеличение интенсивности; увеличение на 30 дБ представляет 1000-кратное увеличение интенсивности. С другой стороны, когда интенсивность звука удваивается, уровень звукового давления увеличивается только на 3 дБ. Например, если строительное сверло вызывает уровень шума около 90 дБ, то два одинаковых сверла, работающие рядом, вызовут уровень шума 93 дБ. С другой стороны, когда два звука отличаются более чем на 15 дБ, они объединяются, более слабый звук поглощается более громким звуком. Например, если на строительной площадке работает дрель на 80 дБ рядом с бульдозером на 95 дБ, совокупный уровень звукового давления этих двух источников будет измеряться как 95 дБ; менее интенсивный звук от компрессора не будет заметен. Частота звуковой волны выражается в циклах в секунду (об/сек), но чаще используется герц (Гц) (1 об.сек = 1 Гц). 
Барабанная перепонка человека - это очень чувствительный орган с большим динамическим диапазоном, способный обнаруживать звуки на частотах от 20 Гц (очень низкая высота) до примерно 20000 Гц (очень высокая частота). Тональность человеческого голоса в обычном разговоре находится на частотах от 250 Гц до 2000 Гц. Разные люди по-разному реагируют на один и тот же тип шума. Уровень шума до 90 дБ не оказывает заметного влияния. При постоянном источнике шума свыше 115 дБ уши должны быть защищены.
Средние уровни привычных шумов (дБ) представлены в Таблице.
Непроизводственные шумы
(дБ) Производственные шумы
(дБ)
Шепот 20 Токарные станки 85-95
Тиканье часов на расстоянии 1 м 30 Листоштамповочный пресс 95-105
Речь 60 Дисковая пила (по дереву) 100-110
Уличные шумы 40-70 Пескоструйный аппарат 118
Душ 70 Пневматический молоток 120-130
Спортивный автомобиль 80-95 Клепка и рубка листовой стали 130

Ультразвук
Ультразвук — это звуковые волны с частотами выше верхнего предела восприятия человеческого слуха. Этот предел индивидуален для каждого человека и составляет примерно 20 килогерц (20000 герц). По своим физическим свойствам ультразвук не отличается от обычных звуковых волн, но имеет свои характерные особенности:
имеет большие амплитуды колебаний;
поглощение инфразвука атмосферой незначительно, вследствие чего инфразвук распространяется дальше, чем обычный звук;
благодаря большой длине волны для инфразвука характерно явление дифракции, вследствие чего он легко проникает в помещения и огибает преграды, задерживающие слышимые звуки;
инфразвук вызывает вибрацию крупных объектов, так как входит в резонанс с ними.
Первым технологическим применением ультразвука была попытка обнаружения подводных лодок с помощью высоких звуковых частот, которую разрабатывал французский физик Поль Ланжевен в 1917 году.
Природа наделила некоторых животных способностью генерировать ультразвуковое колебания. Летучие мыши хорошо ориентируются в пространстве, выпуская локационные сигналы в виде коротких ультразвуковых импульсов частотой от 20 до 120 кГц и продолжительностью от 0,2 до 100 мс. Зубатые киты и дельфины, используют ультразвук в своей навигационной системе (эхолокаторы). Морские свиньи имеют самый высокий верхний предел слуха на уровне около 160 кГц.
Ультразвуковые устройства работают с частотами от 20 кГц до нескольких гигагерц и используются для обнаружения объектов и измерения расстояний. Ультразвуковая визуализация или сонография используются в медицине. В промышленности ультразвук применяется для очистки, смешивания и ускорения химических процессов.
Инфразвук,
Инфразвук, иногда называемый низкочастотным звуком, — это звук, частота которого находится в диапазоне от 20 Гц до 0,1 Гц.
Одним из пионеров инфразвуковых исследований был французский ученый Владимир Гавро. Его интерес к инфразвуковым волнам впервые возник в 1960-х годах, когда он и его лаборанты заметили вибрацию оборудования, но лабораторные микрофоны не обнаруживали слышимый звук. Гавро пришел к выводу, что это был инфразвук, источником которого стала большая система вентиляторов и воздуховодов,
C уменьшением частоты человеческий cлух становится менее чувствительным, поэтому для восприятия человеком инфразвука звуковое давление должно быть достаточно высоким. Ухо является основным органом восприятия инфразвука, но при более высоких нагрузках можно чувствовать инфразвуковые колебания в различных частях тела

. Инфразвук также характеризуется способностью преодолевать препятствия с небольшим рассеиванием.
Инфразвук может быть получен как из естественных, так и из искусственных источников:
К природным источникам ультразвука относятся: морской прибой; подветренная волна; горная лавина; землетрясение, извержение вулканов; болиды; метеоры; водопады; айсберги; молнии и пр. Нелинейные взаимодействия океанских волн в океанских штормах вызывают распространенные инфразвуковые колебания около 0,2 Гц, известные как микробаромы.
В животном мире способностью создавать и использовать инфразвук обладают киты, слоны, бегемоты, носороги, жирафы, крокодилы. Инфразвук также может использоваться животными в качестве контактного способа на больших расстояниях. Особенно хорошо это развито у усатых китов и африканских слонов. Частота звуков усатого кита может варьироваться от 10 Гц до 31 кГц, что позволяет им отправлять сигналы максимально возможной дальности, на сотни или тысячи километров (для некоторых видов китов). Слоны также производят инфразвуковые волны, которые проходят через твердую поверхность почвы и используются в качестве акустических сигналов для координации движения стада.
Частота 20 Гц считается нормальным низкочастотным пределом слуха человека. Когда чистые синусоидальные волны воспроизводятся в идеальных условиях и при очень высокой громкости, человек сможет идентифицировать тоны до 12 Гц. Ниже 10 Гц органы слуха могут воспринимать отдельные циклы звука.
Низкочастотные волны генерируются промышленными механизмами, двигателями, ветряными турбинами и специально механическими преобразователями. Этот частотный диапазон используется для мониторинга землетрясений, картирования залежей горных пород и нефтяных пластов, а также в баллистокардиографии и сейсмокардиографии для изучения механики сердца.
В то время как звук – это форма энергии, шум – это нежелательный звук. С точки зрения физики, шум неотличим от звука, поскольку оба являются вибрациями в среде. Разница возникает, когда мозг получает и воспринимает звук. Несмотря на то, что не существует норматива предела децибел для определения, когда звук становится шумом, очевидно, что непрерывно высокий предел децибел будет представлять собой шумовое загрязнение.
Восприятие шума субъективно. Шумовое раздражение — это многофакторная конструкция.  определяемая сочетанием акустических параметров (например, уровень, тональные характеристики, динамика), личностными характеристиками (например, чувствительности к шуму) и социальными факторами, которые влияют на отношение к источникам шума.
Физика распространения шума
 Звук распространяется посредством волн и только в упругой среде, т.е. в среде, которая способна восстанавливать свою первоначальную форму, искаженную в результате кратковременного действия на нее возмущающей силы. Упругостью сжатия и растяжения обладают как твердые тела, так и жидкие и газообразные среды. Действие любых волн заключается в переносе энергии. Перенос звука принимает форму мельчайших перемещений на молекулярном уровне. Вибрирующее тело заставляет вибрировать среду (воду, воздух и т. д.) вокруг него. Колебания в воздухе называются продольными волнами, которые мы можем услышать. Звуковые волны состоят из областей высокого и низкого давления, называемых сжатиями и разрежениями, соответственно.  Длина волны и скорость волны определяют высоту звука или частоту звука. Длина волны, частота и скорость связаны соотношением:
скорость = частота x длина волны
Поскольку звук распространяется со скоростью 343 метра в секунду при стандартной температуре и давлении, скорость остается постоянной. Таким образом, частота определяется скоростью/длиной волны. Чем длиннее волна, тем ниже высота тона. «Высота» волны — это ее амплитуда. Амплитуда определяет, насколько громким будет звук. Большая амплитуда означает высокую громкость звука.
Трансформация шума в пространстве 
Вибрации, создаваемые шумом, могут быть преобразованы в электрическую энергию по принципу электромагнитной индукции. Полученный сигнал усиливается с помощью трансформатора.  Примером таких преобразований являются микрофон и динамик.
Звук, как и тепловая энергия, легко теряется. Превращение одной формы энергии в другую может сопровождаться потерями в форме звука и/или тепла.
Дорожный шум является слабым источником энергии. Звук движущегося грузовика в 100 мД генерирует лишь одну сотую ватта мощности на квадратный метр. Для сравнения, солнечный свет в более сконцентрирован и производит около 680 Вт на квадратный метр. Таким образом, можно использовать кинетическую энергию, создаваемую движением и дополнять ее солнечными батареями – вместе эти источники энергии генерировать энергию и, например, заряжать электромобили.
Потребность в альтернативном источнике энергии быстро растет. До сих пор большинство потребностей мира в энергии зависит от эксплуатации невозобновляемых ископаемых видов топлива. Однако, согласно последним оценкам, рост добычи нефти и угля будет продолжаться до 2030 года, после чего миру необходимо будет удовлетворить потребность за счет альтернативных ресурсов. Поиск возобновляемого источника энергии, который может удовлетворить наши постоянно растущие потребности, является потребностью часа. Солнечная и ветровая энергия уже широко используются в качестве возобновляемого источника энергии. Однако их работа зависит в первую очередь от погодных условий. В настоящее время звук рассматривается одним из доступных источников энергии. Звук как альтернативный источник энергии обладает огромным потенциалом, но остается в значительной степени недооцененным.
Звуковая характеристика автотрасс (звуковые диапазоны машин)
Частотные спектры автомобильных дорог оказывают сильное влияние на качество звука, распространяемого в окружающей среде. Звуковые частоты, возникающие в районе транспортных потоков, оказывают негативное влияние на городской звуковой ландшафт.
Модели прогнозирования шума дорожного движения должны учитывать частотные спектры для более точной оценки влияния транспортного потока на качество шума в городской среде.
На спектр шумов в районах автотрасс влияют следующие факторы:
характеристики транспортного потока: интенсивность, скорость, пропускная способность, класс и аэродинамические характеристики транспортного средства (грузовики, легковые автомобили);
мощность шума
уровень звукового давления.
микрометеорология
Самые низкие уровни шума возникают при плавном движении транспортных средств со скоростью 30–60 километров в час. Выше этого диапазона звуковая эмиссия удваивается каждые последующие восемь километров в час скорости. На самых низких скоростях преобладает тормозной шум и шум ускорения.
Шумоподавители (шумозащитные барьеры, дорожное покрытие) позволяют значительно ослаблять шумы высоких частот, но плохо справляются с низкими частотами. Кроме того, влияние формы шумовых барьеров на эффективность защитных функций также зависит от диапазона преобладающих частот на конкретном участке автотрассы. Защитные барьеры позволяют снизить уровень шума для смежных земель до десяти децибел.
Уровни звука (в дБ) имеют тенденцию уменьшаться с увеличением частоты