ô nhiễm tiếng ồn
3.1.2. Một số đặc tính vật lý chủ yếu của âm thanh
Âm thanh là một loại sóng cơ lan truyền trong môi tr−ờng đàn hồi (không khí, các vật liệu rắn, môi tr−ờng n−ớc)
1. Tần số âm thanh
Là số dao động của âm thanh trong một đơn vị thời gian, ký hiệu là f, đơn vị đo trong hệ SI là Hec (Hz).
Mỗi âm thanh đ−ợc đặc tr−ng bởi một tần số dao động của sóng âm. Âm thanh mà tai ng−ời nghe đ−ợc nằm trong phạm vi tần số từ 16 Hz đến 20000 Hz.
- Những âm thanh có f < 16 Hz là hạ âm
- Những âm thanh có f > 20000 Hz là siêu âm, tai ng−ời không nghe đ−ợc. Trong dải tần số âm thanh mà tai ng−ời nghe đ−ợc, ng−ời ta còn chia ra: - Những âm thanh có f < 300 Hz là âm hạ tần
- Những âm thanh có f = 300 ữ 1000 Hz là âm trung tần - Những âm thanh có f > 1000 Hz là âm cao tần.
Tiếng nói bình th−ờng của con ng−ời có dải tần từ 300 Hz đến 2000 Hz; nghe rõ nhất là các âm có f = 1000 Hz
2. C−ờng độ âm thanh
Ký hiệu I, đơn vị trong hệ SI là W/m2
Mỗi âm thanh đều có một năng l−ợng W xác định, năng l−ợng đó tỷ lệ với biên độ a của sóng âm theo biểu thức:
2. . 2 1 a k W = (3.1)
Sự truyền âm xảy ra đồng thời với sự truyền năng l−ợng theo ph−ơng lan truyền của âm.
C−ờng độ âm thanh là thông l−ợng âm Φ gửi qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với ph−ơng truyền sóng trong một đơn vị thời gian.
SI φ I φ = , 2 m W (3.2) Trong đó: t W =
φ - thông l−ợng âm thanh (3.3)
3. áp suất âm
Ký hiệu P có đơn vị là N/m2, Pascal,…
Không gian trong đó có sóng âm lan truyền gọi là tr−ờng âm. Trong quá trình truyền âmm môi tr−ờng bị nén và d6n liên tục, vì vậy trong tr−ờng âm xuất hiện một áp suất d− (phần thêm vào áp suất khí quyển tĩnh), gọi là áp suất âm. áp suất âm thanh trong tr−ờng hợp một sóng âm hình sin có ph−ơng trình biểu diễn
)2 2 sin( ) sin( max max ω +ϕ = π +ϕ = t T P t P P (3.4)
Trong đó áp suất âm cực đại Pmax tính theo công thức:
v a k
Pmax = .ρ. .ω. (3.5) Trong đó:
a - biên độ dao động của phần tử môi tr−ờng. ω - vận tốc góc
v - vận tốc truyền sóng âm
k - hệ số phụ thuộc vào đơn vị dùng
Công thức liên hệ gữa áp suất âm và c−ờng độ âm nh− sau:
CP P I ρ 2 = (3.6) Trong đó :
ρ- khối l−ợng riêng của môi trừơng, kg/ m3. C - vận tốc truyền âm trong môi tr−ờng, m/s .
4. Các dải tần số âm thanh
Để tiện cho nghiên cứu, trong âm học ng−ời ta chia phạm vi tần số âm nghe đ−ợc thành các dải tần số. Mỗi dải tần số đ−ợc đặc tr−ng bởi các tần số giới hạn f và f
f1 tần số giới hạn d−ới của dảị f2 tần số giới hạn trên của dảị ∆f = f2 - f1 bề rộng của dảị
21f 1f f
fλb = tần số trung bình của dải Theo quy −ớc:
- Nếu f2/ f1= 2 gọi là dải 1 ốcta - Nếu f2/ f1= 3 2 gọi là dải 1/3 ốcta - Nếu f2/ f1= 2 gọi là dải 1/2 ốcta
Trong ba dải tần số trên thì dải l ôcta là phổ biến nhất, đ−ợc sử dụng nhiều trong kỹ thuật, còn các dải 1/3 ôcta và 1/2 ốcta ít đ−ợc sử dụng.
Trong ba dải tần số trên thì dải 1 ôcta là phổ biến nhất, đ−ợc sử dụng nhiều trong kỹ thuật, còn các dải 1/3 ôcât và 1/2 ôcta ít đ−ợc sử dụng.
Theo h−ớng dẫn của tổ chức Quốc tế về Tiêu chuẩn (ISO), các dải 1 ôcta đ−ợc mô tả trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Tần số giới hạn và tần số trung bình của một dải ôcta
Tần số giới hạn với dải 1 ôcta (Hz)
Tần số trung bình với dải 1 ôcta (Hz)
f1 f2 11 22 16 22.5 45 31.5 45 90 63 90 180 125 180 355 250 355 710 500 710 1400 1000 1400 2800 2000 2800 5600 4000 5600 11200 8000 11200 22400 16000
5. Mức c−ờng độ âm và mức áp suất âm
Thính giác của con ng−ời có đặc tính là cảm thụ c−ờng độ âm thanh theo hàm logarit. Ví dụ, c−ờng độ âm thanh tăng 100 lần nh−ng ta chỉ cảm thấy to lơn hai lần, hay c−ờng độ âm thanh tăng gấp 1000 lần nh−ng ta chỉ nghe to gấp ba lần…
Vì vậy, có thể dùng nhièu hệ thống đơn vị vật lý khác nhau để đo mức c−ờng độ âm thanh, nh−ng đ−ợc dùng phổ biến nhất là đơn vị đexiben (dB). Đó là hệ thống th−ớc đo đ−ợc chia độ theo hàm số logarit, do Alfred Bell thiết lập
nên. Bội số 10 của đêxiben (dB) là Bel. T−ơng ứng với c−ờng độ âm thanh yếu nhất mà con ng−ời có thể nghe đ−ợc là 1 dB.
Ng−ời ta có thể cảm thụ một khoảng mức c−ờng độ âm thanh rất rộng 0 ữ 180 dB. Ng−ời ta gọi âm thanh 0 dB là ng−ỡng bắt đầu nghe thấy, còn mức cao nhất mà tai ngời có thể chịu đựng đ−ợc (khi nghe bị chói tai) đ−ợc gọi là ng−ỡng chói tai, thông th−ờng ng−ỡng chói tai là 140 dB. Tuy vậy có một số ng−ời cảm thấy khó chịu khi âm thanh mới có mức âm 85 dB, một số ng−ời cảm thấy khó chịu khi âm thanh mới có mức âm 115 dB. Tiếng nói chuyện thông th−ờng hay tranh luận với nhau có mức âm biến thiên theo các tần số là 30 ữ 60 dB, trong khi đó tiếng ồn ào do máy bay lúc cất cánh đạt tới 160 dB. Tác dụng của tiếng ồn đối với con ng−ời phụ thuộc vào tần số hay các xung của âm thanh. Mức áp suất âm thanh gây ra do âm thanh tần số cao mạnh hơn âm có tần số thấp.
Th−ớc đo c−ờng độ âm thanh.
Tổ chức quốc tế về tiêu chuẩn hoá (ISO) xác định mức c−ờng độ âm nh− sau: 0 lg 10 I I LI = , (dB) (3.7) và mức áp suất âm: 0 lg 20 P P Lp = , (dB) (3.8)
Trong đó: P - áp suất âm thanh, N/m2; I - C−ờng độ âm thanh, W/m2 P0 - áp suất âm thanh nhỏ nhất mà tai ng−ời có thể nghe đ−ợc, N/m2 I0 - c−ờng độ âm thanh nhỏ nhất mà tai ng−ời có thể nghe đ−ợc, W/m2
Khả năng nghe thấy tự nhiên có thể khác nhau giữa ng−ời này và ng−ời kiạ Để thống nhất tiêu chuẩn hoá, ng−ời ta thừa nhận trị số P0 = 2.105 N/m2 và I0 = 1012 W/m2, nghĩa là khi âm thanh có áp suất bằng 2.105 N/m2 hay c−ờng độ 1012 thì nó có mức âm bằng 0 dB.
Quan hệ giữa áp suất âm, c−ờng độ âm và mức âm nh− bảng 3.2
Bảng 3.2. Quan hệ giữa áp suất âm, c−ờng độ âm và mức âm
áp suất âm (N/m2) C−ờng độ âm (W/m2) Mức c−ờng độ âm (dB)
2.10-5 10-12 0 2.10-4 10-10 20 2.10-2 10-8 40 2.10-1 10-6 60 2.(2.100) 10-4 80 20.(2.101) 1.(100) 100 200.(2.102) 100.(102) 120
6. Một số khái niệm về mức âm
Trong kỹ thuật, dựa theo cảm thụ của tai ng−ời, ng−ời ta phân ra các thang âm nh− sau:
Tháng A, ứng với các âm tần số thấp, gần giống với cảm thụ của tai ng−ờị Thang B, ứng với các âm trung bình
Thang C, ứng với các âm caọ
Để thuận lợi, trong kỹ thuật ng−ời ta th−ờng dùng thang Ạ
ạ Mức áp suất âm theo thang A
0 lg 20 P P L A PA = , (dBA) (3.9)
b. Mức âm phần trăm (mức âm phân vị)
Mức áp suất theo thang A đo đ−ợc trong một khoảng thời gian ∆t khi v−ợt x% của mức áp suất tâm đó trong khoảng thời gian đo đạc (cho tới giá trị cực đại).
L−u ý rằng, mức âm phần trăm đ−ợc xác định trong một khoảng thời gian nào đó, nói chung không thể ngoại suy cho các khoảng thời gian khác.
c. Tiếng ồn ổn định và tiếng ồn không ổn định
Tiếng ồn gọi là ổn định trong khoảng thời gian nào đó nếu mức ồn không thay đổi quá 5 dB trong khoảng thời gian đó. Ví dụ, tiếng ồn của các động cơ, của các máy móc thiết bị khi làm việc phát ra tiếng ồn đều đềụ
Tiếng ồn gọi là không ổn định nếu mức ồn thay đổi quá 5 dB trong khoảng thời gian đó. Ví dụ, tiếng ồn giao thông trên đ−ờng phố có các ô tô, xe máy qua lại gây rạ
d. Mức âm t−ơng đ−ơng
Đối với tiếng ồn không ổn định, đặc biệt là tiếng ồn giao thông, tiếng ồn từ các công trình xây dựng, các sân khấu,… có thể thay đổi trongmột phạm vi rất rộng, vì vậy mức ồn tức thời không có ý nghĩa, không đại diện đ−ợc cho đặc tr−ng của loại tiếng ồn nàỵ Ng−ời ta đ−a ra một loại mức ồn chung, đực tr−ng cho tất cả các loại tiếng ồn trong một khoảng thời gian nào đó, gọi là mức ồn t−ơng đ−ơng. Thực chất mức ồn t−ơng đ−ơng của các tiếng ồn không ổn định trong một khoảng thời gian nào đó là một mức ổn định, cùng gây ảnh h−ởng tới con ng−ời nh− các tiếng ồn không ổn định.
ẹ Mức âm t−ơng đ−ơng liên tục theo thang A
Ký hiệu LAld, T hoặc LAeq. T, đơn vị đo là dBA. Theo TCVN 5964 - 1995 và ISO 1996/1 - 1982 thì ở giai đoạn công nghệ hiện nay, ng−ời ta thừa nhận mức
âm t−ơng đ−ơng liên tục theo thang A là một đại l−ợng chính dùng để đánh giá chất l−ợng môi tr−ờng tiếng ồn. Các kết quả đ−ợc biểu thị theo đại l−ợng này ngay cả khi cần hiệu chỉnh, bổ sung hoặc cách mô tả khác, trong một số tr−ờng hợp vẫn đ−ợc coi là thích hợp.
f. Mức to và độ to
Một số ng−ời có thể nghe đ−ợc âm thanh có tần số này, nh−ng cũng tần số đó một số ng−ời khác lại không thể nghe đ−ợc. Rất nhiều động vật có thể nghe đ−ợc siêu âm mà con ng−ời không thể nghe đ−ợc. Cũng vì vậy, độ nhạy cảm âm thanh của tai phụ thuộc vào tần số âm thanh. Hai âm thanh cùng có mức c−ờng độ âm đêxiben giống nhau, nh−ng chúng có tần số khác nhau thì tai ta sẽ nghe thấy độ to khác nhaụ Vì vậy, trong thực tế còn có đơn vị đo l−ờng âm thanh thứ hai là mức to, đơn vị là fôn. Theo ISO/R 226 - 1961, fôn là đơn vị quốc tế đo độ to của âm thanh. Mức to của âm thanh đ−ợc xác định theo ph−ơng pháp dùng tai ng−ời đánh giá (so sánh chủ quan) độ to của âm cần đo với âm chuẩn với điều kiện qui −ớc mức to của âm chuẩn đúng bằng mức âm của nó. Theo qui định quốc tế, âm chuẩn là âm dao động hình sin sóng phẳng và có tần số là 1000 Hz. Ví dụ, âm A có tần số 100 Hz, có mức âm là 50 dB thì ta nói mức to của âm A là 50 fôn. Bằng ph−ơng pháp so sánh này D.Robinson và R.Dadson đ6 thiết lập đ−ợc biểu đồ các đ−ờng đồng mức to cho các âm có tần số 20 - 15000 Hz và mức âm 0 - 140 dB. Bảng 3.3 thống kê t−ơng đ−ơng mức âm đo bằng đêxiben và độ to âm đo bằng sôn của một số nguồn âm trong thực tế.
Bảng 3.3. Mức c−ờng độ âm (dB) và độ to âm thanh (sôn) của một số tiếng ồn th−ờng gặp
Môi tr−ờng tiếng ồn Mức âm ở tần số
1000Hz, dB
Độ to, sôn
V−ờn yên tĩnh 30 0.5
Phòng trong nhà lúc nửa đêm 32 0.6
Tiếng nói thầm nhẹ, xì xào cách 1m 35 0.8
Khu nhà ở không có đ−ờng vận chuyển 40 1.0
Phòng trong nhà ở vào giờ ban ngày 45 1.6
Vùng nông thôn trong khoảng 3m cách các kênh suối yên tĩnh
50 2.0
Trong các cửa hàng nhỏ 55 3.3
Trong các cửa hàng tự động lớn 60 4.0
Trong phòng đánh máy khoảng 10 máy làm việc 65 6.5 Trong ô tô nhỏ chạy với vận tốc tiết kiệm xăng nhất 70 8
Cách chuông điện thoại 2m 75 13
Chuông đồng hồ báo thức kêu ở khoảng cách 0.6m 80 16
Trong phòng hoà nhạc khi biểu diễn 80 16
Trong phòng in báo 85 26
Trong máy bay phản lực 85 26
ở khoảng cách 8m đến búa đập dùng hơi 85 26
ở khoảng cách 8m đến ô tô vận tải hạng nặng chạy bằng dầu diezen
90 32
ở khoảng cách 1 km đến chỗ máy bay Boing 707 khi cất cánh
90 32
Cách xe ngựa đang chạy 8m 95 52
Cách xe ngựa đang chạy 5m 100 64
Bên trong máy bay hành khách của máy bay cách quạt khi cất cách
100 64
Trong phân x−ởng đúc 100 64
Trong x−ởng dệt 105 104
Trong x−ởng nồi hơi 128
Trong máy bay loại nhỏ (máy bay thể thao) 110 128
Cách búa hơi 1m 120 256
Cách động cơ máy bay phản lực 10m 130 512
Cách động cơ máy bay phản lực 3m 140 1024
Nói chung, tai ng−ời ta có thể nhạy cảm nhất với âm thanh có tần số âm 1000 ữ 5000 Hz, vì vậy âm thanh có tần số thấp hơn 1000 Hz và cao hơn 5000 Hz sẽ có mức to nhỏ hơn âm 1000 Hz, tuy chúng có cùng một mức c−ờng độ âm nh− nhaụ
Độ to của âm còn đ−ợc đánh giá bằng đơn vị đo l−ờng là sôn. Một sôn là độ to của âm thanh có tần số là 1000 Hz, có mức âm là 40 dB. Âm 5000 Hz có mức âm cũng là 40 dB nh−ng tai ta nghe thấy to gấp đôi âm trên thì nó đ−ợc đánh giá là âm có độ to 2 sôn.
Trị số "sôn" của âm thanh là cơ sở thực tế để so sánh đánh giá độ to của tiếng ồn đ−ợc nhận thức thực tế, trong khi đó trị số "fôn" là mức ồn biểu thị bằng đêxiben đ6 đ−ợc hiệu chỉnh với mức ồn của âm tần số 1000 Hz.
Đối với âm thanh có tần số 250 ữ 8000 Hz thì sự khác nhau giữa mức c−ờng độ âm đo bằng đêxiben và mức to âm đo bằng fôn rất ít. Chỉ có tần số âm thanh thấp hơn 250 Hz và cao hơn 8000 Hz thì sự khác nhau trên mới đáng kể.
3.2. Tác hại của tiếng ồn.