Использование звуковых волн в МЧС

Актуальность темы: подчеркнуть важность звуковой информации для эффективной работы служб МЧС в различных чрезвычайных ситуациях.
Цель работы: сформировать представление о звуке, изучить физические характеристики звука: высота, тембр, громкость, осмыслить практическую значимость, полезность приобретаемых знаний и умений и определить их значимость для повышения эффективности деятельности МЧС.

Задачи работы:
Рассмотреть основные физические характеристики звука.
Изучить особенности распространения звука в различных средах.
Проанализировать роль звуковой информации в работе служб МЧС (поиск пострадавших, связь и оповещение).
Исследовать существующие технологии и оборудование для работы со звуком в МЧС.
Предложить рекомендации по улучшению использования звуковой информации в деятельности МЧС.

Объект исследования: звуковые явления, используемые в работе служб МЧС.

Предмет исследования: характеристики звука и их влияние на эффективность работы служб МЧС.

Методы исследования: анализ литературы, обобщение, сравнение, классификация, экспертная оценка, эмпирические методы (наблюдение, эксперимент ).

Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы для разработки новых методик и оборудования для работы со звуком в МЧС, а также для обучения сотрудников.

Пытаются шептать клочки афиш,
Пытается кричать железо крыш,
И в трубах петь пытается вода
И так мычат бессильно провода.
Е.Евтушенко

Звук — это физическое явление, представляющее собой распространение механических колебаний (волн) в упругих средах, таких как воздух, вода или твердые тела. Эти волны возникают вследствие изменения давления или плотности среды и распространяются от источника колебаний во всех направлениях.

Основные характеристики звука:

Частота — количество колебаний в единицу времени, измеряется в герцах (Гц). Чем выше частота, тем выше звук.

Длина волны — расстояние между двумя соседними точками волны, находящимися в одинаковой фазе колебания.

Основные характеристики звука:

Амплитуда — максимальная величина отклонения частицы среды от положения равновесия, определяет громкость звука.

Скорость распространения — зависит от свойств среды и температуры. В воздухе при нормальных условиях скорость звука составляет около 340 м/с.

Субъективное восприятие звука человеком

1. Громкость
2. Высота тона
3. Тембр
4. Локализация звука
5. Эмоциональная реакция
6. Адаптация и утомляемость
7. Индивидуальные различия
8. Психоакустика

Субъективное восприятие звука человеком

1. Громкость
2. Высота тона
3. Тембр
4. Локализация звука
5. Эмоциональная реакция
6. Адаптация и утомляемость
7. Индивидуальные различия
8. Психоакустика

Порог слышимости и болевой порог.
Порог слышимости 
Частотная зависимость.
Возрастные изменения.
Болевой порог 
Диапазон значений:
Опасность повреждения слуха
.Индивидуальная вариация.

Возрастные изменения слуха

Потеря чувствительности к высоким частотам
Снижение остроты слуха:
Проблемы с распознаванием речи
Шумовое загрязнение
Химическое воздействие
Инфекции и травмы
Генетика
Хронические заболевания
Лекарства
Стресс и усталость
Производственный шум
Музыкальная индустрия
Использование наушников
Традиционные практики

Применение звука в системах оповещения МЧС.
Сигналы тревоги
Сирены
Ревун
.Голосовые сообщения
2. Эффективность и охват
3. Информативность
4. Интеграция с другими системами
5. Тренировки и тестирование к использованию в реальных ситуациях
6. Законодательство и стандарты

Использование звука при проведении
поисково-спасательных работ:
Определение местоположения
Крики о помощи
Технические устройства
2. Оценка состояния пострадавшего
Дыхание и пульс
Реакция на внешние раздражители
3. Мониторинг окружающей среды
Шумы природы
Техника и оборудование
4. Координация действий
Радиосвязь
Сигнальные ракеты и сирены
5. Обучение и подготовка
Тренировки по определению источников звука
Практические занятия по работе с оборудованием

Методы обнаружения пострадавших под завалами с помощью звука
1. Прослушивание
2. Акустические датчики
Чувствительные микрофоны
Геофизические микрофоны (геофоны)
3. Метод триангуляции
Триангуляция — это метод определения местоположения источника звука путем измерения углов или расстояний от нескольких известных точек
4. Временная задержка звука
Этот метод основывается на анализе разницы во времени прибытия звуковых сигналов к разным микрофонам.
5. Алгоритмы анализа звука
Корреляционный анализ: сравнение временных профилей звуковых сигналов, полученных от разных микрофонов, для выявления совпадений и расчета задержки.
Байесовский подход: использование предварительной информации о возможном положении пострадавшего для улучшения точности расчетов.
Машинное обучение: применение нейронных сетей и других методов машинного обучения для анализа большого количества данных и выявления скрытых закономерностей.
6. Применение специального оборудования
Портативные микрофонные системы с функцией усиления звука.
Приборы для анализа спектра звука, позволяющие выделить полезные сигналы из общего шумового фона.
Георадары и ультразвуковые сканеры, используемые для обнаружения пустот и предметов под землей.

Перспективы использования новых технологий,
основанных на характеристиках звука.
Разработка новых систем обнаружения и оповещения на основе анализа звуковых сигналов
Использование искусственного интеллекта для обработки и интерпретации звуковой информации
Применение беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с акустическими сенсорами для мониторинга чрезвычайных ситуаций

Задача 1 : Сирена пожарной машины включается каждые две секунды. С какой скоростью движется машина, если наблюдатель слышит звуки сирены с интервалом 1,8 с? Скорость звука в воздухе принять равной 340 м/с.  
Решение:
Если принять за первоначальное расстояние от наблюдателя до машины за s, то это расстояние будет пройдено первым сигналом за время

За промежуток между сигналами Т машина предет расстояние

Тогда второй сигнал придёт к наблюдателю в момент времени


Промежуток времени между слышимыми сигналами

Объединяя уравнения, можно найти скорость пожарной машины:


Ответ: 122 км/ч.

Задача 2: Пострадавший под завалом пытается подать сигналы, ударяя металлическим предметом о камень. Сигнал был зафиксирован спасателями через 0,75 секунды после удара. Если предположить, что звук прошёл через слой грунта толщиной 15 метров, определите скорость звука в грунте.
Решение:
Мы знаем, что скорость равна расстоянию деленному на время :









Подставляем известные значения:
v = 15 метров / 0,75 секунды
v = 20 м/с

Ответ:
Скорость звука в грунте составляет 20 м/с

Задача 3: Толщина слоя бетона, через который проходит звук, составляет 30 см. Известно, что бетон поглощает 60% звуковой энергии. Начальная интенсивность звука составляла 10 Вт/м². Найдите конечную интенсивность звука после прохождения через бетон.
Решение:
Если бетон поглощает 60% звуковой энергии, то через него проходит
100% - 60% = 40% энергии.
2. Конечная интенсивность звука равна начальной интенсивности, умноженной на процент прошедшей энергии:
Конечная интенсивность = 10 Вт/м² * 40% = 10 Вт/м² * 0.4 = 4 Вт/м²

Ответ: Конечная интенсивность звука после прохождения через бетон составит 4 Вт/м².

Задача 4: Определите резонансную частоту трубы длиной 2 метра, открытой с обоих концов, если скорость звука в воздухе составляет 340 м/с.
Решение:
Резонанс возникает, когда система колеблется с большей амплитудой на определенных частотах. В трубе это происходит, когда отраженные звуковые волны конструктивно интерферируют, создавая стоячие волны.
Труба, открытая с обоих концов: В трубе, открытой с обоих концов, на обоих концах есть пучности (области максимальной амплитуды).
Резонансные частоты трубы, открытой с обоих концов, определяются по формуле:
f = n * (v / (2L))
где:
f = частота
n = номер гармоники (1, 2, 3, …)
v = скорость звука
L = длина трубы
4. Чтобы найти основную частоту (первую гармонику, n = 1):
f = 1 * (340 м/с / (2 * 2 м)) = 85 Гц
Ответ:
Основная резонансная частота трубы длиной 2 метра, открытой с обоих концов, при скорости звука 340 м/с составляет 85 Гц.

Задача 5: Сирена расположена на пожарной станции. Её звуковая мощность составляет 100 Вт. Какова максимальная дальность, на которой ещё можно услышать сирену, если минимальный уровень звукового давления, который может услышать человек, равен 20 дБ?
Решение:
Предположим, что сирена излучает звук равномерно во все стороны. Тогда на сфере радиусом 1 метр от сирены интенсивность звука (I₁) будет равна мощности, деленной на площадь сферы:
I₁ = P / (4 * π * r²) = 100 Вт / (4 * π * (1 м)²) ≈ 7.96 Вт/м²
Используем формулу для уровня звукового давления (SPL):
SPL₁ = 10 * log₁₀(I₁ / I₀), где I₀ - порог слышимости (10⁻¹² Вт/м²)
SPL₁ = 10 * log₁₀(7.96 Вт/м² / 10⁻¹² Вт/м²) ≈ 139 дБ
Сирена должна быть слышна при уровне 20 дБ, а на расстоянии 1 метра уровень 139 дБ. Значит, допустимое снижение уровня:
ΔSPL = SPL₁ - SPLmin = 139 дБ - 20 дБ = 119 дБ
Уровень звукового давления уменьшается на 6 дБ при удвоении расстояния (это связано с тем, что интенсивность звука уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния). Используем это соотношение, чтобы найти максимальное расстояние:
ΔSPL = 20 * log₁₀(r₂ / r₁), где r₁ = 1 метр, r₂ - искомая дальность.
119 дБ = 20 * log₁₀(r₂ / 1 м)
log₁₀(r₂) = 119 / 20 = 5.95
r₂ = 10^(5.95) ≈ 89125 м
Ответ:
Максимальная дальность, на которой еще можно услышать сирену, составляет приблизительно 89 километров.

Заключение
Различные характеристики звука, включая скорость его распространения в разных средах, интенсивность, частоту и спектр играют ключевую роль в деятельности служб МЧС, особенно в контексте оповещения населения, поиска пострадавших и оценки обстановки во время чрезвычайных ситуаций. Звуковые сигналы используются для передачи важной информации, будь то сирены тревоги, голосовые команды или шумовые индикаторы опасности. Понимание характеристик звука помогает оптимизировать методы коммуникации и улучшить эффективность действий спасательных бригад. Кроме того, акустические технологии, такие как эхолокация и сейсмометрия, позволяют выявлять скрытые угрозы и определять местоположение пострадавших под завалами или в труднодоступных местах. Таким образом, знание физических свойств звука является важным инструментом для повышения оперативности и точности работы сотрудников МЧС. Дальнейшие исследования в этой области могут сосредоточиться на разработке новых методов использования звуковой информации в условиях экстремальных природных явлений и техногенных катастроф, а также на создании инновационных устройств для улучшения связи и мониторинга ситуации. В целом, данное исследование демонстрирует значительную практическую ценность для служб МЧС и способствует повышению уровня безопасности и защиты населения в условиях чрезвычайных ситуаций.