Шум (физич.)

Шум, беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. В быту под Ш. понимают разного рода нежелательные акустические помехи при восприятии речи, музыки, а также любые звуки, мешающие отдыху, работе. Ш. играет существ. роль во многих областях науки и техники: акустике, радиотехнике, радиолокации, радиоастрономии, теории информации, вычислительной технике, оптике, медицине и др. Ш., независимо от физической природы, отличается от периодических колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс. Часто Ш. представляет собой смесь случайных и периодических колебаний. Для описания Ш. применяют различные математические модели в соответствии с их временной, спектральной и пространственной структурой. Для количественной оценки Ш. пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру Ш. в источнике и свойства среды, в которой Ш. распространяется.

Ш. подразделяются на статистически стационарные и нестационарные. Наиболее разработаны теория и методы измерения стационарного Ш., классической моделью которого является белый шум. Стационарный Ш. характеризуется постоянством средних параметров: интенсивности (мощности), распределения интенсивности по спектру (спектральная плотность), автокорреляционной функции (среднее по времени от произведения мгновенных значений двух Ш., сдвинутых на время задержки). Практически наблюдаемый Ш., возникающий в результате действия многих отдельных независимых источников (например, Ш. толпы людей, моря, производственных станков, Ш. вихревого воздушного потока, Ш. на выходе радиоприёмника и др.), является квазистационарным. Ш., длящийся короткие промежутки времени (меньше, чем время усреднения в измерителях), называется нестационарным. К таким Ш. относят, например, уличный шум проходящего транспорта, отдельные стуки в производственных условиях, редкие импульсные помехи в радиотехнике и т.п.

Исследование Ш. преследует разнообразные цели: изучение источников Ш. для уменьшения их вредного воздействия на человека и на различные системы; изыскание способов и средств наилучшего (оптимального) приёма, обнаружения и измерения параметров разных сигналов. в присутствии Ш.; повышение точности измерений в аналоговых и цифровых устройствах обработки информации и др. Для измерения характеристик Ш. применяются шумомеры, частотные анализаторы, коррелометры и др.

Источниками акустически слышимого и неслышимого Ш. могут служить любые колебания в твёрдых, жидких и газообразных средах; в технике основные источники Ш. ‒ различные двигатели и механизмы. Повышенная шумность машин и механизмов часто является признаком наличия в них неисправностей или нерациональности конструкций. Точность изготовления деталей, их подгонка и динамическое уравновешивание всех движущихся частей приводят к ослаблению Ш. и, как правило, ведут к уменьшению износа деталей, к увеличению срока их службы и точности работы.

Радиоэлектронные Ш. ‒ случайные колебания токов и напряжений в радиоэлектронных устройствах, возникают в результате неравномерной эмиссии электронов в электровакуумных приборах (дробовой шум, фликкер-шум), неравномерности процессов генерации и рекомбинации носителей заряда (электронов проводимости и дырок) в полупроводниковых приборах, теплового движения носителей тока в проводниках (тепловой шум, см. Флуктуации электрические), теплового излучения Земли и земной атмосферы, а также планет, Солнца, звёзд, межзвёздной среды и т.д. (шумы космоса). Ш. ограничивает чувствительность радиоприёмной аппаратуры (см. Шумы аппаратурные).

В ряде случаев Ш. используется как источник информации. Например, в военно-морской технике по Ш., создаваемому на ходу подводными лодками и надводными кораблями, их обнаруживают и пеленгуют; в радиоастрономии по Ш. в определённых диапазонах частот исследуется радиоизлучение звёзд и других космических образований. Шумоподобные сигналы применяются в технике радио- и акустических измерений, например в архитектурной акустике. Некоторые звуки, используемые в музыке, по физическому существу шумовые или обладают шумовыми признаками. Встречающиеся в речи шумные согласные по своим свойствам также являются шумами.

Качеств. особенности ощущения при восприятии акустического Ш. органами слуха и организма в целом зависят от его интенсивности (см. Громкость звука) и спектрального состава. Вредное действие Ш. на организм человека проявляется в специфическом поражении органа слуха и неспецифическими изменениях других органов и систем. Имеют значение характер, уровень, частотный состав, продолжительность воздействия Ш. и индивидуальная чувствительность к нему. Продолжит. влияние интенсивного Ш. может вызвать значительные расстройства деятельности центр. нервной системы, сосудистого тонуса, функций органов желудочно-кишечного тракта, эндокринной системы, а также постепенно развивающуюся тугоухость, обусловленную невритом преддверноулиткового нерва. Для профессиональной тугоухости характерно первоначальное нарушение восприятия высоких частот (4000‒ 8000 гц). Неспецифическое действие Ш. может проявиться раньше, чем изменения слуха, и выражается в форме невротических реакций, астении, нарушения функций вегетативной нервной системы. Под влиянием Ш. нарушается точность координации движений, снижается производительность труда. В связи с единой этиологией клинических нарушений в медицинской литературе появился термин «шумовая болезнь». Для предотвращения вредного действия акустических Ш. на организм человека принимают ряд организационных, технических и медицинских мер. Устраняют или ослабляют причины, порождающие Ш., на месте его образования; предотвращают его распространение от источников Ш., используя местную звукоизоляцию шумящих узлов машин, амортизацию и звукопоглощение, ослабляющее Ш. за счёт снижения отражений от ограждающих конструкций, облицовываемых звукопоглощающими пористыми материалами; уменьшают аэродинамический Ш. (выхлоп, Ш. в воздуховодах и т.д.), устраняя причины вихреобразования, звукоизолируя воздуховоды и применяя глушители. Важно рационально чередовать труд и отдых работающих в условиях Ш., ограничивать длительность воздействия Ш. на них, систематически наблюдать за состоянием их здоровья. Борьба с уличным Ш. ведётся путём замены трамвайного транспорта троллейбусным и автобусным, ограничения пользования звуковыми сигналами и т.п. Зоны, где уровень Ш. достигает 85 дб, обозначают предупредительными знаками, а работающих в этих зонах снабжают индивидуальными звукоизолирующими наушниками. Кроме вредного воздействия на человека, известно благотворное, успокаивающее влияние на него акустического Ш., например Ш. морского прибоя, Ш. леса.

Лит.: Горелик Г. С., Колебания и волны, 2 изд., М., 1959; Левин Б. Р., Теория случайных процессов и её применение в радиотехнике, 2 изд., М., 1960; Борьба с шумом, под ред. Е. Я. Юдина, М., 1964; Кириллов Н. Е., Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно изменяющимися параметрами, М., 1971; Акустика океана, под ред. Л. М. Бреховских, М., 1974; Гершман С. Г., Тужилкин Ю. И., Об интерференции широкополосных шумовых сигналов, «Акустический журнал», 1965, т. 11, в. 1, с. 42; Бокс Дж., Дженкинс Г., Анализ временных рядов. Прогноз и управление, [в. 1‒2], М., 1974; Рытов С. М., Введение в статистическую радиофизику, М., 1966: Белл А., Шум. Профессиональная вредность и общественное зло, пер. с англ., 1967; Шум и шумовая болезнь, Л., 1972; Суворов Г. А., Лихницкий А. М., Импульсный шум и его влияние на организм человека, Л., 1975.

С. Г. Гершман, Г. А. Суворов.