Занятие 4 Шум

1

Лекция 4. Виброакустика.

Защита от шума, инфразвука, ультразвука

Акустические колебания воздействуют на человека в окружающей среде и на производстве.

Физическая природа АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИЙ - это упругие колебания воздушной среды, распространяющиеся волнообразно и создающие в пространстве звуковое поле.

Характеристиками звукового поля, в котором распространяются звуковые волны, являются:

звуковое давление р (Па), интенсивность звука I (Вт/м2).

ЗВУКОВОЕ ДАВЛЕНИЕ р - разность между мгновенным значением ПОЛНОГО давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗВУКА I - средний поток энергии в какой либо точке среды, переносимой звуковой волной в единицу времени, отнесенный к единице площади поверхности, нормальной к направлению распространения волны.

Зависимость звукового давления от ВРЕМЕНИ можно представить в виде

СУММЫ конечного или бесконечного числа СИНУСОИДАЛЬНЫХ (гармонических) колебаний этой величины. Каждая такая синусоидальная составляющая характеризуется АМПЛИТУДОЙ ( например, звукового давления) и периодом колебаний Т.

Число колебаний в секунду называется ЧАСТОТОЙ колебаний f, измеряемой в герцах, Гц,

f = 1/T Гц, 1000 Гц = 1 кГц.

Акустические колебания в зависимости от восприятия человека с

НОРМАЛЬНЫМ слухом подразделяются на:

-слышимые - ЗВУКОВЫЕ - в диапазоне часто 16 Гц - 20 кГц;

-неслышимые (не вызывающие слуховых ощущений):

-ИНФРАЗВУКОВЫЕ - ниже частоты 20 Гц,

-УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ - ВЫШЕ 20 кГц.

Обычно принято использовать СРЕДНЕКВАДРАТИЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ звукового давления, которое воспринимает наш орган слуха – ухо.

Зависимость среднеквадратичных значений звукового давления (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

В диапазоне слышимого человеческим ухом звука, изменение абсолютных значений звукового давления , (Па), происходит в диапазоне от 2.10 -5 до 2.10 2 Па (7-8 порядков), а интенсивности звука - 10-12...102 Вт/м 2 при частоте 1000 Гц.

Для упрощения операций со столь большими числами (а также для учета ЛОГАРИФМИЧЕСКОЙ зависимости между интенсивностью звука и слуховым восприятием /закон Вебера-Фехнера/) используют величину ЛОГАРИФМИЧЕСКОГО

УРОВНЯ в ДЕЦИБЕЛАХ.

Величина уровня звукового давления (дБ)

L = 10 lg (р СК2 / p0 2 ) = 20 lg (р СК / p 0 ),

где р СК - среднеквадратичная величина звукового давления, Па,

p 0 = 2 .10-5 Па — пороговое звуковое давление МИНИМАЛЬНО РАЗЛИЧИМОЕ

УХОМ ЧЕЛОВЕКА на частоте 1000 Гц.

Диапазоны акустических уровней в дБ: 0 - 140 дБ.

3

П о с т о я н н о д е й с т ву ю щ и й ш у м и з - зАаД АП ТА Ц И И о р г а н и зм а воспринимается более БЛАГОПРИЯТНО, чем прерывистый шум.

Менее БЛАГОПРИЯТЕН (и более опасен) ДИСКРЕТНЫЙ шум.

Уровень до 30-35 дБА - комфортное самочувствие, шум привычен и не

беспокоит человека до 50 дБА - не влияют на здоровье человека,

до 70дБА - в условиях среды обитания создают значительную нагрузку на

•Шелест листвы 15-20

•Разговор: 40—45

•Офис: 50—60

•Улица: 70—80

•Фабрика (тяжелая промышленность): 70—110

•Фрезерный станок ( на рабочем месте) - 90 -95

•Цепная пила: 100

•Отбойный молоток –до 115

•Старт реактивного самолёта: 120

•Вувузела: 130

Гигиеническое нормирование шума осуществляется по:

-Санитарным нормам СН 2.2.4/2.1.8.562-96 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки",

-ГОСТ 12.1.003-83 "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности". Нормируемыми параметрами ШУМА являются:

-спектры шума , в виде зависимостей уровней звукового давления L (в дБ) от среднегеометрической частоты в ДЕВЯТИ октавных полосах (Гц), от 31,5 до 8000 Гц;

- уровень звука LА в дБА, который является одночисловой интегральной по ЧАСТОТЕ характеристикой ПОСТОЯННОГО широкополосного шума, и измеряется с учетом коррекции "А" ( ∆LA).

Коррекция "А" ИМИТИРУЕТ специфику восприятия звука ухом человека и

представляет собой зеркальное отражение КРИВОЙ слухового восприятия шума человеческим ухом.

Коррекция "А" строится по отношению к чувствительности уха на 1000 Гц, принятой за базовую (нулевую), на низких частотах корректирующий коэффициент большой (из-за низкой чувствительности уха), а на частотах выше 1000 Гц коррекции практически нет (из-за практически постоянной чувствительности уха).

4

Частотная кривая A приблизительно соответствует амплитудно-частотной

характеристике слуха человека в условиях невысокого шума, B – среднего,

С – высокого уровней шума.

Коррекция С практически линейна в нормируемом диапазоне частот. Она дает одночисловую ИНТЕГРАЛЬНУЮ ПО ЧАСТОТЕ оценку ОБЩЕГО УРОВНЯ шума.

Частотные фильтры D имеют специфическое назначение – используются для оценки авиационного шума.

представляет собой одночисловую интегральную ПО ВРЕМЕНИ характеристику НЕПОСТОЯННОГО шума и равен уровню звука постоянного широкополосного шума, имеющего такое же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени, и определяемый по формуле:

Т- время действия шума, ч.

Классификация шумов- по характеру СПЕКТРА шум подразделяется на:

-широкополосный - с непрерывным спектром шириной более 1 октавы;

-тональный - в спектре которого имеются выраженные дискретные тоны

(линейчатый или смешанный спектр) /практически при измерении спектра в 1/3 октавных полосах частот имеется превышение уровней звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ./

-по ВРЕМЕННЫМ характеристикам шум подразделяется на:

-постоянный - уровень звука которого за 8-часовой рабочий день изменяется

во времени НЕ более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике

характеристике "медленно".

5

Непостоянный шум подразделяется на:

-колеблющийся, - уровень звука которого, непрерывно меняется во времени;

-прерывистый - уровень звука которого СТУПЕНЧАТО изменяется (на 5 дБА и

более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается ПОСТОЯННЫМ, составляет 1 с и более;

-импульсный - состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов,

каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках "импульс" и "медленно", отличаются не менее чем на 7 дБ.

Нормативы шума установлены в виде ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ УРОВНЕЙ

(ПДУ) для:

-постоянного - уровни звукового давления (УЗД) в 9 октавных по лосах в дБ и уровни звука в дБА;

-непостоянного - эквивалентные (по энергии) уровни звука в дБА.

Соотношение между величиной, дающей наименование ПС (ПС1000 - ПДУ в октаве 1000 Гц), и УРОВНЕМ ЗВУКА LА, в нормативах составляет:

LА = ПС1000 + 5 дБА.

эквивалентный уровень звука - 80 дБА.

ПДУ УЗД, УЗ и ЭУЗ установлен для таких видов работ, как:

-конструкторские и проектные работы, программирование, преподавание, обучение - ПС-45, 50 дБА;

-административно - управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в лабораториях - ПС-55, 60 дБА;

-работа, выполняемая с часто получаемыми указаниями и акустическими

сигналами, требующая постоянного слухового контроля, диспетчерская работа (в т.ч. участки точной сборки, в залах обработки информации на вычислительных машинах) - ПС-60, 65 дБА;

- работа, требующая сосредоточенности (в т.ч. в кабинах наблюдения без речевой связи по телефону) - ПС-70, 75 дБА.

Нормативы на уровне ПС-75 - ПС-80 имеют ЦЕЛЬ - защитить человека от

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ЗАБОЛЕВАНИЯ (потери слуха). Более низкие ПС нацелены н а с н и ж е н и е У Т О М Л Я Ю Щ Е Г О д е й с т в и я ш у м а, с н и ж а ю щ е г о

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ.

Для тонального и импульсного шума ПДУ должны быть на 5 дБ МЕНЬШЕ.

Для шума, создаваемого ВЕНТИЛЯТОРАМИ, КОНДИЦИОНЕРАМИ И ВОЗДУШНОГО ОТОПЛЕНИЯ ПДУ должны быть на 5 дБ МЕНЬШЕ.

Для колеблющегося во времени и прерывистого шума МАКСИМАЛЬНЫЙ УРОВЕНЬ ЗВУКА не должен превышать 110 дБА, а для импульсного шума - 125 дБI.

Запрещается даже кратковременное пребывание в зонах - с УЗД свыше 135 дБ в любой октаве.(Максимальное значение УЗД для ПС-80 октаве 31,5 Гц - 107 дБ.)

В ГОСТ 12.1.003-83 для характеристики НЕПОСТОЯННОГО шума допускается использовать ДОЗУ шума Д, в Па2.ч.

Доза шума - интегральная величина, учитывающая акустическую энергию, воздействующую на человека, за определенный период времени, и определяемая по формуле:

Т

Д = ∫ PА2 (t) dt

0

-рА(t) - текущее значение уровня звука, Па;

-Т- время действия шума, ч.

Допустимая доза шума Ддоп за время рабочего дня (рабочей смены) Т р.д.

определяется по формуле: Ддоп = р2Адоп . Т р.д., Где:р Адоп - допустимое значение звукового давления, соответствующее

допустимому уровню звука,Па.

Допустимому уровню звука 80 дБА соответствует значение PАдоп = 0,2 Па. (В ГОСТ ошибочно указано PАдоп = 0,356 Па, что соответствует 85 дБ). При Тр.д = 8 ч Ддоп = 0,32 Па2.ч.

(В ГОСТ ошибочно указано Ддоп = 1 Па2.ч, что соответствует 85 дБ).

-спектральная характеристика в виде уровней звуковой МОЩНОСТИ

(УЗМ) Lw в дБ в тех же 9 октавных полосах частот;

-интегральная одночисловая характеристика в виде корректированного уровня звуковой МОЩНОСТИ (КУЗМ) LwА в дБА.

Звуковая мощность - это общее количество звуковой энергии , излучаемой источником шума в окружающее пространство в единицу времени.

(ЗМ определяется потоком интенсивности звука I через замкнутую поверхность площадью S, окружающую источник звука).

Уровень звуковой мощности определяется по формуле:

Lw = 10 lg (W/Wo),

где Wo = Io. So = 10-12 Вт - мощность, переносимая звуковой волной интенсивностью Io = 10-12 Вт/м2 через единичную площадку So = 1 м2).

В самом общем виде УЗМ Lw (и КУЗМ LwА) связаны с УЗД L (и соответственно Уровнем Звука LА) соотношением:

Lw = L + 10 lg (S/Sо)

Где: S - площадь условной измерительной поверхности ( сферы или полусферы), которая располагается на расстоянии 1 м от поверхности машины и на которой размещаются точки при измерении УЗД в октавных полосах частот,м2,

- Sо = 1 м2.

Методы и средства ЗАЩИТЫ

Основные методы и средства защиты от шума установлены в ГОСТ12.1.029-80 "ССБТ. Средства и методы защиты от шума. Классификация."

например: - электрофизические методы в металлообработке, - создание неразъемных соединений сваркой, склеиванием,

прессованием (вместо ударной клепки), - автоматизация формовки и зачистки в литейном производстве (вместо ручной выбивки и обрубки),

8

-литье под давлением,

-тонкое литье вместо ковки,

-применение гидроприводов вместо пневматических и др.;

-создание малошумных конструкций традиционных машин и оборудования за

результате воздействия на статор и ротор переменных сил магнитной индукции в воздушном зазоре).

Для снижения аэродинамического шума машин , использующих атмосферный воздух в качестве рабочего тела, - вентиляторов, воздуходувок, газотурбинных и дизельных установок, пневматических машин в том числе ручных и т.п. - весьма

ЭФФЕКТИВНО применение ГЛУШИТЕЛЕЙ.

Глушители делятся на:

- активные (абсорбционные, диссипативные) - основаны на превращении в

звукопоглощающих элементах глушителя звуковой энергии набегающих волн в

тепло;

-реактивные (отражающие, пассивные) - основаны на отражении внутри

глушителя набегающих на него волн;

-комбинированные, использующие и отражение и поглощение.

Активные глушители содержат звукопоглощающий материал (ЗПМ),

размещаемый на внутренних полостях глушителя.

Следующие конструктивные схемы АКТИВНЫХ ГЛУЩИТЕЛЕЙ с ЗПМ:

- трубчатые, в виде внутренней перфорированной трубы, на которой расположен герметичный кожух круглого или квадратного поперечного сечения, заполнены ЗПМ;

-экранные на каналах выхода (или входа) воздуха в атмосферу или его забора,

ввиде насадок (экранов) на трубу (канал), облицованных ЗПМ и, как правило,

ИЗМЕНЯЮЩИХ НАПРАВЛЕНИЕ звукового потока.

Эффективность экранных глушителей на высоких частотах может достигать 10-25 дБ. Для уменьшения НИЗКЧАСТОТНОГО шума необходимые

размеры ЗПМ становятся слишком большими и более эффективными становятся

РЕАКТИВНЫЕ ГЛУШИТЕЛИ.

Реактивные глушител и: а — камерный; б — резонансный; в — четверть-

волновой ; (г - глушитель шума выпуска мотоциклетного двигателя)

Звукоизоляция - способность ограждающей конструкции ОТРАЖАТЬ

большую часть падающей на нее звуковой мощности воздушного шума.

Характеризуется коэфициентом звукопроницаемости t, зависящим от частоты: t = (Рпр / Рп)2 = Iпр / Iп,

где Рпр и Iпр - соответственно звуковое давление и интенсивность ПАДАЮЩЕЙ на ограждение звуковой волны,

Рп и Iп - соответственно звуковое давление и интенсивность ПРОШЕДШЕЙ через ограждение звуковой волны.

Изоляция (звукоизоляция) ограждения R в дБ выражается величиной: R = 10 lg (1/t).

Эфективность звукоизолирующего ограждения тем ВЫШЕ, чем ВЫШЕ МАССА

его 1 м2.

Звукоизоляция однослойной (однородной) перегородки может быть определена по формуле:

R = 20 lg (mo. f) - 47,5,

Где: mo - масса 1м2 ограждения, кг; f - частота, Гц.

Из формулы следует, что - увеличение массы в 2 раза ведет к повышению изоляции на 6 дБ;

- на высоких частотах эффект от изолирующего ограждения ВЫШЕ. Резко снижают звукоизоляцию ОТВЕРСТИЯ и ЩЕЛИ в ограждениях. Эффективность изоляции ограждающих конструкций весьма велика:

- кирпичная кладка (толщина 280 мм - 1 кирпич) - 46 дБА,

Средством звукоизоляции являются ЭКРАНЫ, применение которых рационально только в том случае, если УЗД в РТ, создаваемый прямым звуком от экранируемого источника, значительно выше уровней отраженного звука в этой точке, а на открытой территории не менее чем на 10 дБ выше уровней, создаваемых другими источниками шума.

Эффективность ЭКРАНОВ тем выше, чем больше соотношение геометрических размеров экранов (высоты и ширины) с длиной звуковой волны L.