Защита от шума.
Физические характеристики шума.
Борьба с шумом имеет большое значение особенно в машиностроении, транспорте и энергетике т.к. шум наносит большой ущерб здоровью человека.
Шумом является всякий нежелательный для человека звук, представляющий упругие колебания, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной среде. В каждой точке звукового поля, давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением Р. Единица измерения звукового давления Паскаль (Па).
При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке за единицу времени, отнесенный к единице поверхности называется интенсивностью звука
I
=p /ρc; (1)
Где p – средний квадрат звукового давления; ρc – удельное акустическое сопротивление среды, которое для воздуха равно 410 Па∙с/м.
Поскольку звуковое давление и интенсивность звука могут изменяться в широких пределах, то удобнее пользоваться логарифмическими величинами. Интенсивность звука в дБ определяется
L1 = 10 lg I/I0; (2)
Где I0 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (I0 = 10-12 Вт/м2 ) на частоте 1000Гц. Величина звукового давления дБ равна
L2 = 20 lg P/P0; (3)
Где P0 – порог звукового давления, который при нормальных условиях на частоте 1000 Гц равен Р0 = 2∙10-5 Па.
Интенсивность звука применяют при акустических расчетах, а звуковое давление для измерения шума и оценки воздействия его на человека. Ухо человека может воспринимать слышимые колебания, которые находятся в диапазоне от 20 Гц до 200 кГц. Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума от частоты называется частотным спектром шума. В практике борьбы с шумом и вибрациями широкое распространение получили октавные фильтры с постоянной полосой пропускания.
Шумы принято классифицировать согласно ГОСТ 12.1.003-76 по их спектральным и временным характеристикам. В зависимости от характера спектра шумы бывают тональные, в спектре которых имеются дискретные тона и широкополосные - с непрерывным спектром.
Характеристики источников шума.
Любой источник шума характеризуется звуковой мощностью. Звуковая мощность - это общее количество звуковой энергии, излучаемая точечным источником шума в окружающее пространство за единицу времени. На практике источник шума излучает энергию неравномерно по всем направлениям. Эта неравномерность излучения характеризуется фактором направленности Ф, который показывает отношение интенсивности звука, создаваемой направленным источником I к интенсивности Iср, которая создавалась бы ненаправленным источником, имеющим ту же звуковую мощность
Ф = I/Iср
В соответствии со стандартами, шумовыми характеристиками машин являются:
– уровни звуковой мощности шума Lр в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
– характеристики направленности излучения шума.
Кроме этих двух основных характеристик, дополнительными шумовыми характеристиками являются октавные уровни звукового давления. Установлены следующие методы определения шумовых характеристик машин:
– свободного поля; применяется в заглушенных камерах с жестким полом и в помещениях с большим звукопоглощением;
– отраженного звукового поля; используется в реверберационных камерах или гулких помещениях;
– образцового источника шума; применяется в обычных помещениях, цехах.
– измерение шумовых характеристик на расстоянии 1м от наружного контура машин; используется в заглушенных камерах, помещениях с большим звукопоглощением.
Действие шума на человека. Нормирование шума.
Область слышимых звуков ограничивается не только диапазоном частот 20-20000 Гц, но и определенными значениями звуковых давлений.
На рис.1 показаны предельные значения уровней звукового давления в виде двух кривых. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Пороговое звуковое давление минимально только на частоте 1000 Гц и принято считать стандартной частотой в акустике L = 0дБ. Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения L = 120-130дБ. Звуки, превышающие по своему уровню этот порог, могут вызвать боли или повреждение слухового аппарата. Область, лежащая между этими кривыми называется областью слухового восприятия. В зависимости от уровня и характера шума, его продолжительности, а также индивидуальных особенностей человека, шум может оказывать различное воздействие. Даже небольшой шум (50-60дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему человека. Причиной тому могут быть: возраст, состояние здоровья, вид труда. Уровень шума до 70дБ может оказать серьезные физиологические изменения, а шум 85-90 дБа снижает слуховую чувствительность в области высоких частот. Шум, воздействуя на кору головного мозга, оказывает раздражающее действие, ускоряет процесс утомления, замедляет реакции. Звуковые колебания могут восприниматься не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (костная проводимость). При действии шума свыше 140 дБа возможен разрыв барабанной перепонки.
При нормировании шума используют два метода: нормирование по предельному спектру; нормирование уровня звука по дБа.
Первый метод используется для постоянных шумов. Здесь уровни звуковых частот давлений нормируются в восьмиоктавных частотах. Второй метод нормирования шума, измеренного шумомером, используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, т.к. в этом случае спектр шума неизвестен.
Способы и средства защиты от шума.
Снижать шум можно следующими методами: уменьшение шума в источнике его возникновения, изменение направленности излучения, рациональная планировка предприятия, акустическая обработка помещений, уменьшение шума на пути его распространения.
Шум возникает вследствие упругих колебаний, как машины в целом, так и отдельных ее деталей. Причины возникновения этих колебаний - механические, аэродинамические, гидродинамические и электрические явления. В связи с этим различают шумы механические, аэродинамические, гидродинамические и электромагнитного происхождения.
Механические шумы возникают вследствие движения механизмов с переменным ускорением, соударения деталей в сочленениях из-за наличия зазоров, наличия ударных процессов (ковка, штамповка).
Основными источниками шума являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные, вращающиеся части машин. Частота колебания, а следовательно и шума, создаваемая неуравновешенностью, равна n/60 (n-частота вращения об/м). Звуковая мощность Р зависит от скорости вращения деталей машин Р h 7/3. Увеличение частоты вращения подшипников качения c n1 до n2 оборотов в минуту приводит к возрастанию шума на величину (дБ)
▲L = 23.3 lg (n2/n1); (1)
Основными причинами возникновения шума в зубчатых передачах является деформация сопрягаемых зубьев под действием, передаваемой нагрузки и динамических процессов зацепления. Уменьшение механического шума может быть достигнуто путем совершенствования технологических процессов. Внедрение, например, автоматической сварки вместо ручной устраняет образование брызг на металле. Применение фрезерной обработки кромок металла под сварку вместо пневмозубил делает этот процесс менее шумным. Для уменьшения механического шума необходимо: заменять ударные процессы и механизмы на безударные, заменять штамповку прессованием, клейку - сваркой, обрубку резкой, заменять возвратно-поступательные движения деталей равномерным вращением, применять вместо прямозубых шестерен косозубые, уменьшать шероховатость поверхности шестерен, по возможности, заменять зубчатые цепные передачи клиноременными, заменять подшипники качения подшипниками скольжения, по возможности, заменять подшипники, шестерни стальные на капроновые, использовать пластмассы при изготовлении корпусов, применять принудительное смазывание не трущихся поверхностей и сочленений.
Аэродинамические шумы вызваны движением жидкости, газа. Они являются главной составляющей шума вентиляторов, воздуховодов, компрессоров, газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания. При движении тела в воздушной или газовой среде образуются вихри в области повышенного и пониженного давления, в результате чего появляется звуковая волна. Такой звук называется вихревым. Для уменьшения вихревого шума необходимо уменьшать скорость обтекания и улучшать аэродинамические свойства тела. Для машин с вращающимися рабочими частями (вентиляторы, турбины) имеет место шум от неоднородного потока, возникающего из-за плохой обтекаемости деталей конструкций. Борьбу с шумом от неоднородности ведут по пути улучшения аэродинамических характеристик машин. В двигателях внутреннего сгорания интенсивность шума зависит от числа и продолжительности выхлопов. В настоящее время большое распространение получили газотурбинные энергетические установки (ГТУ), имеющие аэродинамические, газодинамические и механические источники шума. Основным источником шума является компрессор, при работе которого шум достигает 135-140 дБ. Аэродинамический шум в ГТУ может быть снижен увеличением зазора между лопаточными венцами подбором оптимального соотношения числа направляющих и рабочих лопаток, улучшением аэродинамических характеристик компрессоров и турбин. В большинстве случаев меры по ослаблению аэродинамических шумов источников оказываются недостаточными и поэтому часто основное снижение шума достигается путем звукоизоляции источника и путем использования глушителя. Гидродинамические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях. Меры борьбы – это улучшение гидродинамических характеристик насосов и выбор оптимальных режимов работ.
Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании за счет взаимодействия ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей. Снижение электромагнитного шума осуществляется путем конструктивных изменений в электрических машинах. Например, путем изготовления скошенных пазов якоря ротора. В тех случаях, если коэффициент направленности достигает 10-15 дБ необходимо соответствующим образом ориентировать установку по отношению к рабочему месту.