какие виды шума выделяются по частотным характеристикам
Звук. Шум. Классификация шума.
Шум можно разделить на 4 основные группы, имеющие деление на подгруппы.
1. По механизму возникновения:
1.1 механический шум (работа машин и механизмов) – создается упругими колебаниями твердой и жидкой поверхности;
1.2 аэро- и гидродинамический шум, который возникает при появлении турбулентности в газовой или жидкой среде;
1.3 электродинамический шум слышим при появлении электрической дуги, коронного разряда.
2. По частоте различают следующие виды шума:
2.1 низкочастотный менее трехсот герц;
2.2 среднечастотный от трехсот до восьмисот герц;
2.3 высокочастотный выше восьмисот герц.
3. По спектру шумового действия:
3.1 широкополосный (более одной октавы);
3.2 тональный (неравномерное распределение энергии звука со значительным перевесом в пределах произвольной октавы).
4. По времени воздействия шум разделяется на:
4.1 постоянный, при котором уровень звукового давления в течение определенного временного промежутка постоянен в пределах 5 дБ,
4.2 непостоянный, шум, при котором интенсивность изменяется в любую произвольную сторону более чем на 5 дБ, он бывает трех видов:
4.2.1 колеблющийся – происходит плавное колебание уровня шума от минимального до максимального значения в течение определенного времени,
4.2.2 прерывистый – происходит пошаговое изменение уровня шума более чем на 5 дБ, при этом шаг имеет длительность свыше 1 секунды,
4.2.3 импульсный – шум, созданный одним звуком или комбинацией упругих колебаний с длительностью менее 1 секунды.
Классификация шума по спектру, частоте, природе возникновения. Защита от шума
Шумом принято называть звуки разной частоты и интенсивности, которые воспринимаются органами слуха человека. Обычно это понятие затрагивает производственную сферу, поскольку работа на предприятиях происходит с разной степенью громкости. Существует классификация шума по различным параметрам.
Физические характеристики
Нередко выполняется замер шума, позволяющий определить степень его воздействия на человека. К физическим характеристикам этого относят:
Характеристики шума учитываются при изоляции помещений, при установке оборудования. Только допустимые показатели могут быть комфортными для человека. Классификация шума позволяет распределить звуки по нескольким параметрам.
По спектру
Шум по этому признаку делится на:
Первый вид имеет постоянные средние параметры: интенсивность и автокорреляционное действие. Такие звуки проявляются от независимых источников, например, от массового скопления людей, моря, производственного оборудования, воздушного вихря.
Нестационарный шум длится недолго. Это может быть звук проезжающего транспорта, стуки на производстве, помехи в технике.
По характеру спектра
Классификация шума делит звуки на:
По частоте
Измерение шума позволяет определить его частоту:
По времени
Если рассмотреть временные характеристики, то шум может быть:
Второй вид звуков бывает колеблющимся, прерывистым, импульсным.
По природе возникновения
Классификация шума распределяет его на:
Измерение шума
Показатели измерений позволяют определить шумовое влияние на работающего человека. Существуют нормы шума, необходимые для производственных и бытовых условий. Свои правила действуют и в многоквартирных домах, по которым определено, что этот показатель не должен быть больше 30 дБ.
Когда соседи проводят ремонт, то уровень шума может быть больше допустимого значения. Тем более что некоторые проводят такие работы и ночью, что незаконно. Тогда необходимо правильно измерить его, чтобы привлечь нарушителей к ответственности.
Измерение уровня шума выполняется профессионалами, которые имеют специальное устройство. У прибора есть чувствительный микрофон, с помощью которого происходит запись звуков, после чего они переносятся на монитор. Этот метод позволяет определить уровень в децибелах.
Чтобы самостоятельно выполнить замер шума, нужно использовать компьютер, планшет, айфон и другую технику. Потребуется установить специальное приложение. Оно может быть платным и бесплатным. Поскольку знать точные показатели необязательно, то выполненный замер позволит определить примерные характеристики.
Измерение уровня шума требуется и на рабочих местах в производственном помещении. При выполнении этой операции должно быть включено оборудовании вентиляции, кондиционирования воздуха и другие приборы.
Нормы
Допустимый уровень шума в различных зданиях прописан в ГОСТе. Это касается общественных зданий, жилых застроек, рабочих мест. Установка нормы определяется 2 способами:
Шум влияет не только на слуховой анализатор. Он имеет воздействие на ЦНС и вегетативную НС, из-за чего происходят изменения в органах. Допустимый уровень шума для человека равен 55 дБ днем, и 40 дБ ночью. Такие показатели не наносят вред здоровью.
От любого вида шума есть защита. Помещение нуждается в качественной изоляции, и тогда находиться в нем будет комфортно. Выполнить эту работу получится с помощью специальных материалов.
Специфическое действие шума
Громкие звуки наносят вред слуховой функции в висках, анализатору по причине длительного спазма сосудов. Из-за этого начинают появляться дегенеративные изменения нервных окончаний. «Шумовая болезнь» делится на 3 стадии:
Последняя стадия считается неизлечимой, поэтому необходимо диагностировать шумовую болезнь при слуховом утомлении и защитить человека от воздействия громких звуков.
Неспецифическое действие шума
Под воздействием шума наблюдается возбуждение коры головного мозга, гипоталамуса и спинного мозга, интенсивно развивается запредельное торможение. Нервные процессы теряют уровновешенность, после чего будет истощение нервных клеток. К симптомам такого состояния относят раздражительность, эмоциональную нестабильность, ухудшение внимания.
Когда возбуждение переходит в гипофиз и корковое вещество надпочечников, то это является стрессом для организма. Это считается причиной изменений в работе сердца, сосудов и ЖКТ. Шумовая болезнь поражает слух, нервную систему.
Как защититься от шума?
Чтобы не появилась «шумовая болезнь», необходима качественная защита от шума. Для этого применяются коллективные средства:
Для защиты от шума применяются средства звукоизоляции, установка глушителей, включая акустическую обработку поверхностей помещения. К самому эффективному средству устранения звуков относят борьбу с источником.
Снижение механического шума происходит при ремонте оборудования, замене ударных процессов на безударные. Необходимо смазывать трущиеся поверхности, использовать балансировку вращающихся деталей. Уменьшить аэродинамический звук получится благодаря снижению скорости газового потока, восстановление аэродинамики, звукоизоляции.
Сейчас активно применяются способы уменьшения шума по пути его распространения с помощью установки звукоизолирующих средств. К ним относят экраны, перегородки, кожухи, кабины. Прекрасно звукопоглощающее действие имеют пористые материалы, например, минеральный войлок, стекловата, поролон.
Любое помещение сейчас можно оборудовать со звукоизоляцией, поскольку для этого есть множество материалов. Причем всю работу выполняют как при строительстве, так и во время ремонта. Можно поставить защиту от громких звуков на все поверхности жилища.
Если не допускать отрицательного воздействия шума на слух, то неблагоприятных последствий не будет. Ушам следует предоставлять отдых: часто быть в тишине, не слушать громко музыку, не находиться долго около мощного оборудования. Если больше времени проводить в спокойной обстановке, то это позволит не допустить нагрузку на слух.
Защита от шума может выполняться следующими способами:
Защита от воздействия шума важна для человека, ведь это напрямую связано со здоровьем. Поэтому помещения для работы и отдыха должны быть оборудованы по требуемым стандартам. Если эти нормы не соблюдены, то следует вовремя устранять такие ситуации.
Виды шумов отношение сигнал/шум
Случайный процесс колеблется вокруг какого-то среднего значения, и значение это называется математическим ожиданием. Насколько сильно значение случайного процесса могут отличаться от мат. ожидания описывает параметр дисперсия — мера разброса случайной величины. Также в качестве меры разброса употребляется среднеквадратичное отклонение, также именуемое стандартным отклонением, значение его квадратный корень из дисперсии.
На рисунке представлены нормальные распределения четырех случайных процессов с разными значениями математического ожидания и дисперсии. В случае большего значения дисперсии, колокол Гауссовского распределения более широкий и низкий, что говорит о большей вероятности выпадения экстремальных значений и меньшей вероятности значений близких к мат. ожиданию.
В качестве меры скорости изменения случайного процесса может использоваться автокорреляционная функция, или просто корреляционная функция. Она описывает зависимость взаимосвязи сигнала с его сдвинутой во времени копией от величины временного сдвига.
В случае нулевого сдвига, сигналы полностью совпадают и значение автокорреляционной функции максимально. При увеличении расхождения это значение уменьшается. Причем для слабо изменяющихся во времени сигналов спад функции происходит медленнее чем для быстро изменяющихся.
Математическое ожидание, дисперсия, автокорреляционная функция это примеры численных характеристик, которыми можно описать случайный процесс. Законы изменения реальных физических величин весьма сложны, и для того чтобы мы могли описывать их доступным нам математическим аппаратом, нам часто приходится делать определенные допущения.
При описании сигналов случайными процессами, мы часто оговариваем свойства стационарности и эргодичности. Стационарным называется процесс в том случае, когда его плотность вероятности не зависит от временного сечения, то есть его статистические характеристики, мат ожидания, дисперсия, корреляционная функция не будут зависеть от времени. Стационарный процесс считается эргодическим, если для определения его характеристик вместо усреднения по ансамблю реализации, мы можем использовать усреднение по времени одной реализации, на практике нам обычно доступна только одна реализация случайного процесса.
Спектральная плотность мощности
Спектральная плотность мощности по определению это распределение мощности сигнала в зависимости от частоты, то есть мощность приходящаяся на единичный интервал частоты. Мы можем рассматривать спектральную плотность мощности как еще одну меру скорости изменения случайного процесса, она связана с корреляционной функции случайного процесса, теоремы Винера — Хинчина — Колмагорова.
Рассмотрим два синусоидальных сигнала разной частоты. Частотные области этих сигналов будут представлены двумя линиями. Положение линии на оси x говорит о величине частоты синусоиды, а длина линии, о ее мощности или амплитуде. Случайные процессы мы также можем рассматривать, как кусочки и отрезки различных синусоид, разной амплитуды и фазы, меняющейся быстро или медленно.
Спектр медленно изменяющегося случайного процесса содержит больше синусоид или спектральных компонент в левой части оси f, то есть в зоне низких частот. В то время как спектр быстро меняющегося процесса содержит больше компонент, большей амплитуды в правой части частотной оси.
Белый шум
Случайный процесс у которого область частот заполнено равномерно называется белым шумом.
Белый шум это стационарный случайный процесс, с равномерно распределенной спектральной плотностью мощности.
В таком процессе присутствуют компоненты изменяющиеся быстро, медленно, средне и ни одна из них не преобладает над другими.
Белый шум получил свое название по аналогии со спектром белого света. Известно, что белый цвет получается в результате сложения всех других цветов видимого диапазона.
Если в качестве аналогии и далее использовать видимый диапазон длин волн, то определенным цветом можно обозначить преобладание в спектре сигнала определенных компонент.
Если наложить красный светофильтр, то мы пропустим только более длинные волны, или более низкие частоты.
Если наложим синий фильтр, получим сигнал с относительно высокими частотами в спектре.
Цветовое обозначение частотного состава используется для описания так называемых цветных шумов, они никак не привязаны к какому-либо конкретному частотному диапазону и различаются только видом их спектральной плотности мощности. Цветные шумы, в том числе и белый шум это модели шумов, приближающие некоторые физические явления.
К примеру, процессы генерации и рекомбинации носителей заряда в цепях постоянного тока приводят к фликкер-шуму, который достаточно успешно описывается моделью розового шума. Красный шум описывает броуновское движение, модель серого шума используется в псих акустике и так далее.
Аддитивный белый гауссовский шум
Аддитивный белый гауссовский шум:
На системы беспроводной связи и обработки сигналов воздействует множество разнообразных широкополосных шумов, не связанных друг с другом. По центральной предельной теореме, распределение их суммарного воздействия будет близко к нормальному, именно поэтому данная модель наиболее распространена в системах ЦОС и системах связи, и используется как модель канала передачи данных.
Отношение сигнал/шум
Шум в подобных системах конечно же является нежелательным явлением. Одной из мер качества системы является отношение сигнал-шум. Это безразмерная величина равная отношению мощности полезного сигнала к мощности шума.
Отношение сигнал-шум часто измеряется в децибелах, для разных систем приемлемые значения этого отношения могут сильно отличаться, но в любом случае, чем выше этот показатель, тем лучше. Одна из задач цифровой обработки сигналов повышение отношения сигнал-шум, существуют разные способы повышения это фильтрация и усреднение.
Усреднение или когерентное накопление
Если мы сложим два одинаковых сигнала по фазе, то амплитуда результирующего сигнала будет вдвое больше. Положительные отсчёты сложатся с положительными, отрицательные с отрицательными.
Но сложить две реализации случайного процесса в фазе не получится, в каких-то точках произойдет усиление, каких-то ослабление шума. Проще говоря, при усреднении амплитуда шума не растет.
Накопление сигнала с шумом в matlab
Динамический диапазон и чувствительность
Динамический диапазон это характеристика системы, представляющая логарифм отношения максимального и минимального возможных значений величины входного параметра. Сверху этот диапазон обычно ограничен порогом искажений, а снизу так называемым шумовым дном, или чувствительностью.
Чувствительность это численный параметр равный уровню сигнала различимого системы над шумами, если у системы хорошая чувствительность, значит она меньше восприимчива к внешним помехам, имеет меньший уровень собственных шумов, и за счет этого способны различать сигналы малой энергетики.
Что такое шум. Виды шума. Источники шума
Что такое шум?
Для любого физика шум – это колебательный процесс. Его возможно изобразить на бумаге, как чередование волн плотности: волны сгущения меняются местами с волнами разрежения. Этот процесс возможен лишь в упругой среде: звуковые колебания в вакууме, к примеру, не распространяются. Если тела совершают свои вибрации не в установленном порядке, человеческий слух воспринимает данные звуки как шум.
Что такое соотношение сигнал/шум?
Как мы говорили ранее, высокочастотные звуки отрицательно влияют не только на организм человека, но и на электронные приборы. Мало кому известно, но высокие звуковые волны могут стать причиной плохой телефонной связи или интернета. Чтобы понять, почему это происходит, давайте разберем, что такое соотношение сигнал/шум, более подробно.
Соответствие сигнал/шум (его зачастую обозначают как S/N или SNR) устанавливает мощность сигнала передачи данных. В случае, если степень звука на канале достаточно высока, это может стать причиной уменьшения быстроты интернета или качества связи.
Мало кому известно, почему в самолете запрещают пользоваться мобильными телефонами. Это связано именно с взаимодействием звука и сигнала. Работающий мобильный телефон может образовать лишнее количество шума, который спровоцирует неработоспособность самолета. Средство связи может стать причиной авиакатастрофы. Рекомендуем всегда выключать гаджеты на борту самолета, чтобы не ставить под угрозу свою жизнь.
Параметры шума
У всех звуков имеется собственный, уникальный набор параметров, благодаря которому мы можем их опознать. Звуковые колебания можно измерить по:
Для звука вообще и для шума в частности ученые создали собственный параметр измерения – «бел». Эта единица была названа в честь Александра Белла – известного изобретателя телефонной связи.
Разновидности шума. Ударные звуки
Мало кому известно, какие виды звуков существуют и что такое воздушный шум. Однако это важно знать каждому, чтобы понимать, как именно справляться с тем или иным видом. Известно три вида шума:
Ударный шум возникает в следствии механического влияния. Он доходит до наших ушей с помощью перекрытия. Например, от пола до стены и от стены до слухового аппарата. Таким шумом могут быть шаги соседа этажом выше или прыжки его ребенка.
Слух и шум
Для человеческого уха все источники шума лежат в диапазоне от 45 до 11 000 Гц. Если использовать музыкальный термин, то все разнообразие звуков (в том числе и шума) вошло в девять октавных полос.
Наши органы слуха не в состоянии отличить различить весь диапазон звуковых колебаний – слишком он велик. Но эволюцией предусмотрена инстинктивная реакция не на сам шум, а на его изменение. Именно поэтому человеческое ухо научилось различать кратность изменения звуковой волны.
Чтобы классификация шумов была адекватной и поддавалась научной оценке, изменение звукового давления выражаются в логарифмических единицах. Так гораздо удобнее изображать звуковые процессы графически. Обычно используется единица измерения шума – децибел, которая составляет одну десятую бела. Диапазон изменения звукового давления от порога слышимости до болевых ощущений, которые вызывает шум, составляет миллионы дБ.
Физические характеристики
Нередко выполняется замер шума, позволяющий определить степень его воздействия на человека. К физическим характеристикам этого относят:
Характеристики шума учитываются при изоляции помещений, при установке оборудования. Только допустимые показатели могут быть комфортными для человека. Классификация шума позволяет распределить звуки по нескольким параметрам.
Виды шума
Для технических описаний все шумы можно разделить по временным и спектральным параметрам. По характеру спектральных полос шум различают:
Классификация шумов может происходить и по временным характеристикам. Постоянный шум меняет свою частоту не более чем на 5 дБА. Непостоянные звуковые колебания обладают большей амплитудой изменений и подразделяются на:
Замер уровня шума измеряется специальными приборами — шумомерами.
Измерение шума
Показатели измерений позволяют определить шумовое влияние на работающего человека. Существуют нормы шума, необходимые для производственных и бытовых условий. Свои правила действуют и в многоквартирных домах, по которым определено, что этот показатель не должен быть больше 30 дБ.
Когда соседи проводят ремонт, то уровень шума может быть больше допустимого значения. Тем более что некоторые проводят такие работы и ночью, что незаконно. Тогда необходимо правильно измерить его, чтобы привлечь нарушителей к ответственности.
Измерение уровня шума выполняется профессионалами, которые имеют специальное устройство. У прибора есть чувствительный микрофон, с помощью которого происходит запись звуков, после чего они переносятся на монитор. Этот метод позволяет определить уровень в децибелах.
Чтобы самостоятельно выполнить замер шума, нужно использовать компьютер, планшет, айфон и другую технику. Потребуется установить специальное приложение. Оно может быть платным и бесплатным. Поскольку знать точные показатели необязательно, то выполненный замер позволит определить примерные характеристики.
Измерение уровня шума требуется и на рабочих местах в производственном помещении. При выполнении этой операции должно быть включено оборудовании вентиляции, кондиционирования воздуха и другие приборы.
Как работает шумомер
Прибор для измерения шума имеет достаточно простое устройство: к небольшому микрофону подключен вольтметр, отградуированный в децибелах, и электрические фильтры. Звуковой сигнал воспринимается микрофоном и переводится им в электрический импульс, равный по силе и частоте исходной волне. Прирост электрического поля фиксируется вольтметром и отображается на дисплее. По своим характеристикам прибор для измерения шума должен быть «на одной звуковой волне» с человеческим слухом. Такое простое устройство служит надежным индикатором шумовой загрязненности в домашних условиях или на производстве.
Источники шума и сравнительные уровни шума
Современный технологичный мир содержит множество источников шума. Это: различные виды транспорта, звуки работы каких либо устройств или оборудования, звуковая аппаратура и так далее.
Все звуки, услышанные нами за день, сливаются в какофонию, которую мы и воспринимаем как шум. В домашних условиях шум в разы меньше, чем на производстве (даже если ваш сосед – поклонник неудобоваримых громких звуков, которые он называет песнями). Промышленные источники на сегодняшний день являются главными «виновниками»» шумового засорения земли. Среди основных «злодеев» – металлургическая, горноперерабатывающая, угольная, нефтехимическая, оборонная промышленность. Меньше всего звуков слышат работники, обслуживающие пищевую промышленность.
Некоторые технологические процессы на производстве, например на предприятиях, производящих железобетонные конструкции, испытательных полигонах или стрельбищах, космодромах, могут являться источниками шума, доходящего до 120 дБА.
Допустимый уровень шума определяется стандартами ГОСТ 12.1.003-83. ССБТ. Нормирование шумового загрязнения проводится по допустимому спектру уровней шума и дБа. Данный метод помогает установить предельно допустимый уровень шумового воздействия в девяти октавных полосах.
Специфическое действие шума
Громкие звуки наносят вред слуховой функции в висках, анализатору по причине длительного спазма сосудов. Из-за этого начинают появляться дегенеративные изменения нервных окончаний. «Шумовая болезнь» делится на 3 стадии:
Последняя стадия считается неизлечимой, поэтому необходимо диагностировать шумовую болезнь при слуховом утомлении и защитить человека от воздействия громких звуков.
Какие бывают шумы
Ученые не могли пройти мимо всего разнообразия звуковых раздражителей и придумали различные классификации того, что такое шум. Физика изучает эти звуковые явления и классифицирует их для удобства изучения. С некоторыми видами шума мы уже ознакомились ранее. Вот еще несколько вариантов ранжировки различных звуковых явлений по природе возникновения:
В отдельную категорию можно выделить «цветную» классификацию шума. Так, «белым» шумом техники называют стационарный звуковой поток, у которого спектральные составляющие равномерно распределены по всему диапазону. Остальные шумы техники относят к цветным. Такая аналогия возникла при сопоставлении спектра звуковых волн со спектральными полосами видимого света. Так, «розовый» шум часто присутствует в сердечном ритме, в излучении космоса, в электронных или механических устройствах. «Оранжевый» шум соответствует частотам музыкальных нот. «Красный шум» – это мелодия различных естественных водоемов Земли. Ну а «зеленые» шумы издаются всеми зелеными растениями нашей планеты.
Шумы вокруг нас
Каждый день все люди, способные различать звуки, сталкиваются с различными видами звуковых колебаний. Навскидку можно определить силу звука, который издают различные источники шума, окружающие нас в повседневной жизни.
Человеческий организм довольно быстро приспосабливается к шуму. Достаточно сказать, что тот звуковой фон, который для нас стал привычным, наши предки расценили бы как нестерпимую звуковую какофонию. Но и выдерживать постоянную шумовую нагрузку человеческий организм не в состоянии. Шумы звукового диапазона притупляют реакцию человека на поступающие извне сигналы. Это приводит к снижению скорости адекватного реагирования и увеличению ошибок при выполнении определенных видов работ.
Шум – это причина угнетения центральной нервной системы. Постоянный звуковой поток вызывает заметные изменения частоты пульса и дыхания, нарушает обмен веществ. Шумовое воздействие приводит к возникновению целого ряда сердечнососудистых заболеваний, гипертонии и язвы желудка. При воздействии «высоких» шумов громкостью выше 140 дБ возможна контузия, разрыв барабанной перепонки. Шум громкостью выше 160 дБ вызывает кровоизлияние в мозг со смертельным исходом.
Неспецифическое действие шума
Под воздействием шума наблюдается возбуждение коры головного мозга, гипоталамуса и спинного мозга, интенсивно развивается запредельное торможение. Нервные процессы теряют уровновешенность, после чего будет истощение нервных клеток. К симптомам такого состояния относят раздражительность, эмоциональную нестабильность, ухудшение внимания.
Когда возбуждение переходит в гипофиз и корковое вещество надпочечников, то это является стрессом для организма. Это считается причиной изменений в работе сердца, сосудов и ЖКТ. Шумовая болезнь поражает слух, нервную систему.
Шум и природа
Шумовое загрязнение представляет опасность не только для человека. Научные исследования подтверждают, что мощные двигатели современных кораблей и подводных лодок дезориентируют водных обитателей, которые пользуются гидролокационным способом для поиска пищи и общения. Особенно страдают от постоянных колебаний звукового фона океана дельфины и некоторые виды китовых. Возможно, что достоверные, но необъяснимые случаи коллективного суицида китов как-то связаны с нарушением их ориентационных навыков. В ряде случаев массовое выбрасывание китов на берег было зафиксировано рядом с местами, где проходили военные учения, а значит – шумовые загрязнения в этом регионе были чрезвычайно высокими.
Шум и космос
Как было сказано ранее, шум не может возникнуть в неупругой среде. А космический вакуум — самая неупругая среда из всех возможных. Тем не менее, в 2006 году исследователи НАСА обнаружили эффект, названный впоследствии «космическим шумом». Разумеется, обнаруженный эффект – не шум в обычном понимании этого слова. Так были названы таинственные радиоволны, пронизывающие все пространство Вселенной. Их частота, сила и амплитуда колебания настолько совпадали с известными источниками звуков, что ученые, не колеблясь, записали радиоволны в разряд шумов.
Космический шум – это радиоволны, излучаемые звездами, отдаленными от нас миллиардами световых лет. Альтернативными источниками шумового явления могут стать вспышки сверхновых волн, турбулентность газовых туманностей и прочее. Любой космический процесс сопровождается выделением в вакуум радиоволн, которые можно изучить и классифицировать. Благодаря явлению космического шума мы можем узнать, как образовывались звезды и какая судьба, в конце концов, ожидает нашу Вселенную.