belov_s_v_red_bezopasnost_zhiznedeyatelnosti

где значение коэффициента влияния диффузного поля в точке R на ограждающей поверхности равно Ф' = S(R)/B.

Звукопоглощение. Для уменьшения отраженного звука применяют защитные устройства, обладающие большими значениями коэффициента поглощения, к ним относятся, например, пористые и резонансные поглотители.

Звуковые волны, падающие на пористый материал, приводят воздух в порах и скелет материала в колебательные движения, при которых возникает вязкое трение и переход звуковой энергии в теплоту.

Будем определять коэффициент отражения защитных устройств по формуле (11.72), аналогичной защитному устройству бесконечной толщины. Для защитного устройства бесконечной толщины коэффициент передачи т равен нулю и, следовательно, а = 1 — р. Так как при нормальном падении звуковых волн на поверхность защитного устройства энергетический и амплитудный коэффициенты отражения

где Z\ — импеданс воздуха. Входной импеданс определяется по формуле (11.73). Для пористого поглотителя, находящегося на акустически жесткой стенке, импеданс z3 = °° и, следовательно,

zBX = z2cihk*h .

Этому случаю соответствует частотная характеристика коэффициента а, показанная на рис. 11.47, а. Для усиления звукопоглощения на низких частотах между пористым слоем и стенкой делают воздуш-

411

Рис. 11.47. Частотные характеристики коэффициента поглощения:

а — для пористого поглотителя на жесткой стенке; б — для пористого поглотителя с воздушной прослойкой; в — при наличии перфорированного экрана; г — для резонансного поглотителя, образованного перфорированным экраном

ную прослойку (см. рис. 11.47, б). Входной импеданс защитного устройства, расположенного на «мягком» основании (z3 = 0), равен

£ в х =z2thLh.

Пористые поглотители изготовляют из органических и минеральных волокон (древесной массы, кокса, шерсти), из стекловолокна, а также из пенопласта с открытыми порами. Для защиты материала от механических повреждений и высыпаний используют ткани, сетки, пленки, а также перфорированные экраны. Последние существенно изменяют характер поглощения звука защитным устройством (см. рис. 11.47, в).

Резонансные поглотители имеют воздушную полость, соединенную отверстием с окружающей средой. Воздух в резонаторе выполняет роль механической колебательной системы, состоящей из элементов массы, упругости и демпфирования. Если пренебречь рассеиванием звуковой энергии, то импеданс резонатора гъ равный механическому импедансу (см. формулу (11.48)), отнесенному к единице площади, будет равен нулю на частоте со = со0 s <JG / М . При импедансе резонатора Zi = 0 коэффициент отражения звукового давления

412

R = — 1. Таким образом, снижение шума происходит за счет взаимного погашения падающих и отраженных волн.

Резонансным поглотителем является также перфорированный экран с отверстиями, затянутыми тканью или мелкой сеткой (см. рис. 11.47, г), который существенно меняет характер поглощения. Пористые и резонансные поглотители крепят к стенкам изолированных объемов.

Кроме того, звукопоглощение может производиться путем внесения в изолированные объемы штучных звукопоглотителей, изготовленных, например, в виде куба, которые в производственных помещениях чаще всего подвешивают к потолку.

К хорошим звукопоглощающим материалам относят те, которые на среднегеометрических частотах октавных полос 250, 500, 1000, 2000 Гц имеют коэффициент а, равный или превышающий соответственно значения: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.

Обозначив параметры после установки поглощающих материалов значком А над буквой, запишем новое значение интенсивности звука в виде

Так как постоянная изолированного объема В > В, то в произвольной точке г изолированношобъема коэффициент Ф' < Ф' и новое значение интенсивности звука /п будет меньше значения / п . Разделив соответственно левые и правые части друг на друга, найдем

мальная эффективность, которую можно достичь звукопоглощением, равна

В это выражение не входит ни один показатель изолированного объема, который характеризовал бы его новые звукопоглощающие свойства. Максимальная эффективность определяется значением параметров изолированного объема до его акустической обработки.

413

Из принципа непрерывности звукового давления следует, что интенсивность не может претерпевать разрывов и, следовательно, коэффициент Ф' должен изменяться монотонно на отрезке 0 < г < R или О < г/R < 1, где R — расстояние от источника до произвольной точки на ограждающей поверхности, т. е. Ф' = Ф'(r/R).

В точке г = R на ограждающей поверхности Ф'(1) = S(R)/B. Учитывая соотношение (11.83), можно из точки (1, Ф' (1)) провести параболу, сопряженную с параболой Ф'(r/R) = 4(г/7?)2Ф'(1), и представить коэффициент влияния диффузного поля выражением

Г\[\-Mr/R-\)2/ 3]Ф'(1), если 0,25 <r/R< 1.

Рассмотрим пример. Для простоты допустим, что изолированный объем имеет форму сферы, источник расположен в центре сферы: Ф = 1, коэффициент звукопоглощения до проведения акустической обработки равен а = 0,07.

е = 11,09 дБ. Если формулу (11.89) представить в виде двух слагаемых: е = 10 lg В/В + 101g[(l + Ф/Ф')/0 + Ф/Ф')], то получим в = = 20,78 — 9,69 = 11,09 дБ, т. е. величиной второго слагаемого пренебрегать нельзя.

Используя выражение (11.91), найдем, что в точках r/R = 0,1; 0,2; 0,4; 0,6; 0,8 значения етах соответственно равны 1,85; 4,95; 8,98; 10,59; 11,32, и при a = 0,9 реальные значения е будут отличаться незначительно: 1,83; 4,88; 8,74; 10,24; 10,91.

Звукоизоляция. Звукоизоляция — уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность. Обычно роль защитных устройств выполняют глушители шума, экраны или стенки изолированных объемов. Например, защитным устройством является кожух, которым закрывают машины и механизмы, или кабина, в которой находится оператор, управляющий рабочим процессом. Стенки кожухов и кабин изготов-

414

ляют из листового проката и покрывают изнутри звукопоглощающим материалом. Эффективность звукоизоляции с помощью стенки толщиной h можно определить по формуле (11.76). Если пренебречь затуханием звука в материале, т. е. положить в формуле (11.76) коэффициент распространения к*, равным jk2, где к2 = со/с2 — волновое число, то эффективность

где Z\ = Р\СХ — импеданс воздуха; z2 — р2с2 — импеданс материала защитного устройства.

Из выражения (11.92) следует, что эффективность звукоизоляции равна нулю при толщине стенки h = пк2/1, т. е. кратной половине длины волны (п = 0, 1,2, ...), а максимальная эффективность будет

где т = p2h — поверхностная плотность (масса защитного устройства, отнесенная к единице площади).

При достаточно больших частотах единицей в правой части формулы (11.93) можно пренебречь:

Как видно из формулы (11.94), единственным свойством защитного устройства, определяющим эффективность звукоизоляции при принятых допущениях, является поверхностная плотность т. Эффективность звукоизоляции растет с увеличением плотности т и частоты / Константу, входящую в выражение (11.94), определяют, осредняя коэффициент передачи т по углам падения. Если т и/выражены соответственно в кг/м2 и Гц, то константа равна 47,5 дБ.

Найдем требуемую эффективность звукоизоляции. По определению

415

где И/Г+, W ~ — соответственно падающий на поверхность площадью S+ и прошедший через эту поверхность поток энергии. Если эффективность звукоизоляции рассчитывается по формуле (11.94), то 10~°'1е = (2р1с1/тсо)2. Плотность потока энергии, падающего на ограждающие стенки и другие поверхности, находящиеся в изолированном объеме, в точке R рассматриваемой поверхности равна

где /н = W/Anf? — интенсивность источника ненаправленного действия.

Определим сначала вклад прямого звука в поток W*. Пусть под малым телесным углом dQ! из точки О, в которой расположен источник, видны элемент сферической поверхности площадью dS0 и элемент несферической поверхности площадью dS+, которые ввиду их малости можно считать плоскими с углом между ними, равным (N, R), где N-нормаль к площадке dS+ (рис. 11.48). На элементарные площадки dS0 и dS+ падает одинаковый поток энергии, равный IHd$o = 7hCOS(N, R)dS+. При характеристике направленности излучения D = 1 вклад прямого звука составит

где Q' — телесный угол, под которым из точки О видна поверхность площадью S+, на которую падает прямой звук; Q — телесный угол, в который источник мощностью W излучает звук.

Определим теперь вклад отраженного звука. Согласно определению диффузного поля, плотность потока энергии /д одинакова во всех направлениях. Поэтому вклад отраженного звука в поток W+ составит

s*

416

Q = Q' = 4я и S+ = S. По формуле (11.101) определяем прошедший через поверхность S+ поток энергии: W~ = W\QT0,le/a\. Рассматривая эту поверхность в качестве источника шума, находим, что интенсивность звука в точке г помещения 2 равна

Переход к уровням с учетом неравенства (11.78) позволяет записать

LIm = Lw- 10 lgoii + 10 lg(<P2 + Ф'2) + 10 lgSe/S2(r) - e < Lmn.

На рис. 11.49, б показано помещение 7, из которого в помещение 2 может проникать шум, при этом через элемент поверхности площадью S+ поступает поток энергии, который определяется формулой (11.101). Рассматривая эту поверхность как источник шума в помещении 2 и используя формулы (11.101) и (11.102), находим требуемое условие для уровня интенсивности звука:

LIm = Lw+ 10 lg(Q'/Q + S+/B{) +

+ 10 1ё(Ф2 + Ф'2) + 10 lgSe/S2(r) - e < 1д о п ,

где при данном расположении источника Q = 2я, Q' — телесный угол, под которым из акустического центра источника шума виден элемент площадью S+.

На рис. 11.49, в показана кабина, защищающая оператора от шума, создаваемого источником в помещении I. Будем считать, что для точек г кабины, удаленных от ограждающей поверхности, вклад прямого и отраженного звука приблизительно один и тот же.

Тогда Ф2 = Ф2 = 4S2(r)/B2. Следовательно,

Цт = W + Ю lg(Q'/Q + S+/B{) + 10 lg8Se/B2 - e < 1д о п ,

где S+ и Q' — соответственно площадь поверхности кабины, через которую может проникать отраженный звук и телесный угол, под которым видна поверхность кабины, на которую падает прямой звук от источника.

При установке экрана между источником и приемником (рис. 11.50) за экраном образуется звуковая тень. Уровень шума в теневой зоне от точечного источника может быть рассчитан на основе законов дифракции. Эффективность звукоизоляции при защите экраном

е = 20 lg(V2^V7th y/2nN) + 5,

418

где N— число Френеля; N= ±2(а + b - d)/X (формула применима при условии N> - 0,2). Кроме того, формулу не рекомендуется применять при малых теневых углах 0. Если не выполняется указанное неравенство, то е = 0. Расстояние (а + Ь) складывается из расстояния а от источника до верхней кромки экрана и расстояния от верхней кромки экрана до приемника. Число Доберется со знаком минус, если экран расположен ниже визирной линии (расстояние по визирной линии между источником и приемником равно d). Экраны, установленные в производственных помещениях, обычно покрывают с одной или двух сторон поглощающим материалом.

Кожухи и кабины, рассмотренные выше, имеют технологические отверстия (например, отверстия или проходы для воздуха в целях вен-

м т щ т щ

W di W+dW

ЦТ

00

Рис. 11.51. Применение в глушителе поглощающих материалов:

а — схема активного элемента глушителя; б — схема снижения шума при повороте трубопровода, покрытого изнутри звукопоглощающим материалом

педансом источник соединен с помощью трубопровода длиной 1Х с глушителем шума, а трубопроводом длиной /2 — с приемником шума, который характеризуется импедансом излучения zn- Эффективность глушения определяют по формуле (11.95), полагая, что W* — усредненная во времени звуковая мощность на входе в глушитель, а W~ — на выходе. Конструктивно глушители состоят из активных и реактивных шумоглушащих элементов. Простейшим активным элементом является любой канал, стенки которого покрыты изнутри звукопоглощающим материалом.

Если звуковая мощность в сечении площадью S(рис. 11.51, а) равна Ж, то плотность потока энергии, падающего на поверхность стенки канала, по формуле (11.69) равна /д = W/4S. Таким образом, на поверхности канала площадью Pdl (где Р — периметр) поглощается звуковая мощность dJV= — а/дРс1/и эффективность активного элемента

1,09а PI/S.

Трубопроводы всегда имеют повороты, которые будут снижать шум, если их покрыть звукопоглощающим материалом. Как видно из рис. 11.51, б, на участке АВ существуют преимущественно волны, направленные вдоль оси канала (другие волны будут поглощаться). Изгиб канала будет поглощать или отражать осевые волны назад к источнику. Таким образом, после изгиба останутся преимущественно дифрагированные волны, которые в значительной мере подавляются на участке CD, так что в конце этого участка останутся ослабленные волны в направлении оси канала.

Реактивный камерный элемент (рис. 11.52) представляет собо# участок канала (трубы), на котором внезапно меняется площадь сече-

420