Шум — случайные колебания¶
Шум — случайные (стохастические) колебания какой-либо физической величины, возникающие в системе и накладывающиеся на полезный сигнал. В широком смысле шумом называют любые нежелательные помехи: звуковые, электрические, оптические, механические. В акустике под шумом понимают совокупность звуков различной частоты, не образующих чёткого тона.
¶Основные характеристики
Шум описывается набором статистических параметров:
- Спектральная плотность — распределение энергии по частотам;
- Среднеквадратичное значение (для звукового давления — уровень в децибелах);
- Длительность и временной профиль — постоянный, импульсный, пульсирующий;
- Распределение амплитуд — гауссово (белый шум), равномерное, импульсное.
По спектральному составу различают:
| Тип | Характеристика |
|---|---|
| Белый шум | Равномерная плотность на всех частотах |
| Розовый шум | Падение плотности примерно на 3 дБ на октаву |
| Коричневый шум | Падение на 6 дБ на октаву |
| Узкополосный | Сосредоточен в узком диапазоне частот |
¶Источники шума
¶В природе
Природные шумы существуют во всех средах. В атмосфере это ветер, грозы, шум прибоя, извержения. В океане — тектоническая активность, крики китов, дрейф льдов. В электронике фундаментальный шум обусловлен тепловым движением носителей заряда (джоунсов шум) и дискретностью электрического заряда (шоттки шум).
¶Техногенные
Основные источники техногенного шума:
- транспорт (автомобильный, железнодорожный, авиационный, морской);
- промышленное оборудование, станки, вентиляция;
- строительная техника;
- бытовые приборы;
- электронные устройства и линии связи.
В городах транспорт формирует до 70–80 % общего шумового фона.
¶Классификация по природе возникновения
Механический шум — результат трения, ударов, вибрации деталей. Примеры: стук колёс по стыкам рельсов, скрип тормозов.
Аэродинамический шум — возникает при турбулентном потоке газа. Доминирует в реактивных двигателях и вентиляционных системах.
Гидродинамический шум — аналогичный процесс в жидкостях: шум трубопроводов, насосов, кавитация винтов.
Электрический шум — случайные колебания напряжения или тока в цепях, обусловленные тепловым движением электронов, ионизацией, флуктуациями числа носителей.
Квантовый (фотоэлектрический) шум — дискретность прихода фотонов, ограничивающая чувствительность фотоприёмников.
¶Шум в акустике и медицине
Уровень звукового давления измеряется в децибелах (дБ). Порог слышимости — около 0 дБ, болевой порог — 120–130 дБ. Постоянное пребывание в условиях выше 70–85 дБ приводит к постепенной потере слуха (профессиональная тугоухость). Импульсные шумы (выстрел, взрыв) выше 140 дБ могут вызвать острую акустическую травму.
Санитарные нормы в России регламентируются документами Роспотребнадзора (СанПиН), устанавливающими допустимые уровни шума в жилых помещениях, на территории застройки и на рабочих местах. Норматив для спальной комнаты ночью — не более 30 дБ, для дневного времени — 40 дБ.
¶Шум в технике и информатике
В радиотехнике и вычислительной технике шум — главный ограничитель чувствительности приёмников и точности измерений. Сигнал принимается только если его мощность превышает шумовую (правило Шеннона: объём передаваемой информации ограничен соотношением сигнал/шум).
Методы борьбы с шумом:
- Экранирование — металлические корпуса, ферритовые кольца;
- Фильтрация — электронные и акустические фильтры;
- Виброизоляция — демпферы, упругие подвески;
- Звукоизоляция — глухие конструкции, поглощающие покрытия;
- Антишумовые технологии — активное шумоподавление (ANC), генерация противофазного сигнала.
Активное шумоподавление широко применяется в наушниках, автомобильных салонах и промышленной вентиляции.
¶Шум как полезный инструмент
Шум не всегда вреден. В вычислительной математике метод стохастического резонанса и добавление шума к сигналу позволяет обнаруживать слабые закономерности. В обработке изображений шум используется для дithering — сглаживания градиентов при малом числе цветов. В криптографии генераторы истинно случайных чисел основаны на измерении шума.
¶Нормирование и защита
В России охрана труда обязывает работодателей контролировать шум на рабочих местах (СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 и более новые редакции). При превышении нормативов применяются индивидуальные средства защиты (наушники, беруши), технические мероприятия (звукопоглощающие экраны, замена оборудования) и режимные меры (сокращение времени работы в шумном цехе).
Источники:
- Большая российская энциклопедия, статья «Шум»
- ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности»
- СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Шум на рабочих местах»
- Б.М. Гвоздева, Ю.Я. Борисов — «Шум и вибрация в помещениях жилых и общественных зданий»
- Л.А. Чернов — «Основы акустики»