5. Методы борьбы с шумом.
Зная от чего зависит уровень шума в расчетной точке, для снижения уровня шума можно применять следующие методы: уменьшение шума в источнике; изменение направленности излучения; рациональная планировка предприятий цехов; акустическая обработка помещений, уменьшение шума на пути его распространения.
УМЕНЬШЕНИЕ ШУМА В ИСТОЧНИКЕ. Борьба с шумом посредством уменьшения его в источнике является наиболее рациональной. Шум возникает в следствии упругих колебаний как машины в целом, так и отдельных её частей. Причины возникновения этих колебаний – механические, аэродинамические, гидродинамические и электрические явления, определяемые конструкцией и характером работы машины, а также неточностями, допущенными при её изготовлении, и, наконец, условиями эксплуатации. В связи с этим различают шумы механического, аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения.
Для уменьшения механического шума необходимо:
-заменять ударные процессы и механизмы безударными, например, применять оборудование с гидроприводом вместо оборудования с кривошипными и эксцентриковыми приводами;
-штамповку – прессованием, клепку – сваркой, обрубку – резкой и т.д.;
-заменять возвратно-поступательное движение деталей равномерным вращательным движением;
-применять вместо прямозубых шестерен более малошумные (косозубые и шевронные), а также повышать класс точности обработки и уменьшать шероховатость поверхности шестерен (снижает шум на 5-10 дБ);
-по возможности заменять зубчатые и цепные передачи клиноременными и зубчато-ременными (снижает шумы на 10-15 дБ);
-заменять подшипники качания на подшипники скольжения (снижает шум на 10-15 дБ);
-по возможности заменять металлические детали на детали из пластмасс и других незвучных материалов (10-12 дБ);
-использование пластмассы при изготовлении деталей корпусов;
-при выборе металла для изготовления деталей необходимо уитывать, что внутреннее трение в различных металлах неодинаково, а, следовательно, различна звучность;
-более широко применять принудительное смазывание трущихся поверхностей и сочленений;
-применять балансировку вращающихся элементов машин;
-использовать прокладочные материалы, чтобы исключить или уменьшить передачи колебаний от одной детали к другой.
Аэродинамические шумы являются главной составляющей шума вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания и т.п. Ко всем источникам аэродинамического шума относятся: вихревые процессы в потоке рабочей среды; колебания среды, вызываемые вращением лопастных колес; колебания среды, вызываемые неоднородностью потока, поступающего на лопатки колес.
Аэродинамические шумы, например, в газотурбинных энергетических установках, могут быть снижены увеличением зазора между лопаточными венцами, подбором оптимального соотношения чисел направляющих и рабочих лопаток; улучшением аэродинамических характеристик проточной части компрессоров и турбин и т.п. Снижение шума струи в источнике возможно установкой насадок, действие которых основано на трансформации спектра шума (перевод спектра в высокочастотную область и даже в ультразвук) и это дает возможность снизить шумы на 8-19 дБ. В большинстве случаев меры по ослаблению аэродинамических шумов в источнике оказываются недостаточными, поэтому основное снижение шума достигается путем звукоизоляции и установки глушителей.
Гидродинамические шумы возникают в следствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулентность потока, гидравлические удары). Для борьбы с данными шумами используют улучшение гидродинамических характеристик насосов, выбор оптимального режима их работы, а также необходимо правильно проектировать и эксплуатировать гидросистемы.
Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании. Причиной этих шумов является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных магнитных полей. Снижение электромагнитного шума осуществляется путем конструктивных изменений в электрических машинах.
ИЗМЕНЕНИЕ НАПРАВЛЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ШУМА. В ряде случаев величина показателя направленности достигает 10-15 дБ, что необходимо учитывать при проектировании установок с направленным излучением, соответствующим образом ориентируя эти установки по отношению к рабочим местам.
РАЦИОНАЛЬНАЯ ПЛАНИРОВКА. Шум на рабочем месте может быть уменьшен увеличением площади S, что достигается увеличением расстояния от источника шума до расчетной точки. Поэтому при планировке предприятия наиболее шумные цеха должны быть сконцентрированы в одном-двух местах. Расстояние между шумными цехами и тихими помещениями должно обеспечивать необходимое снижение шума. Внутри здания тихие помещения необходимо располагать вдали от шумных так, чтобы их разделяло несколько других помещений или ограждение с хорошей звукоизоляцией.
АКУСТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОМЕЩЕНИЙ. Интенсивность шума в помещениях зависит не только от прямого, но и от отраженного звука. Поэтому если нет возможности уменьшить прямой звук, то для снижения шума нужно уменьшить энергию отраженных волн. Это можно достичь, увеличив эквивалентную площадь звукопоглощения помещения путем размещения на его внутренних поверхностях звукопоглощающих облицовок. Процесс поглощения звука происходит за счет перехода энергии колеблющихся частиц воздуха в теплоту в следствие потерь на трение в порах материала. Поэтому для эффективного звукопоглощения материал должен обладать пористой структурой, причем поры должны быть открыты со стороны падения звука и соединяться между собой, чтобы не препятствовать проникновению звуковой волны в толщу материала. В настоящее время применяют такие звукопоглощающие материалы, как стекловолокно, минеральная вата, древесноволокнистые плиты и др.
Звукопоглощающие свойства пористого материала зависит от толщины слоя, частоты звука, наличия воздушного промежутка между слоем и отражающей стенкой, на которой он установлен.
Практически толщина облицовок составляет 20-200 мм, при этом максимальное поглощение обеспечивается на средних и высоких частотах (здесь коэффициент звукопоглощения α = 0,6…0,9). Для увеличения поглощения на низких частотах между слоем и ограждением делается воздушный промежуток.
Величину снижения шума в помещении путем применения звукопоглощающей облицовки определяют по формуле
∆Lобл = 10 lg В2/В1
где В1 и В2 – постоянные помещения до и после проведения акустической обработки. Величину В определяют по СНиП в зависимости от вида помещения или рассчитывают по формуле В1 = А1/(1-α1), где А1- эквивалентная площадь звукопоглощения до проведения акустической звукообработки, определяемая по результатам измерения времени реверберации помещения; α1 – средний коэффициент звукопоглощения этого помещения, равный α1 = А1/Sп (Sп – площадь внутренних поверхностей помещения, м²)
Величина В2 = А2(1-α2), где А2 – эквивалентная площадь звукопоглощения помещения после акустической обработки, равная ∆А+А; здесь ∆А – добавочное поглощение вносимое при акустической обработке; α2 – средний коэффициент звукопоглощения помещения после акустической обработки, равный α2 = А2/Sп. При установке облицовок величина ∆А = α(обл)·Sобл, где α(обл) – коэффициент поглощения облицовки; Sобл – площадь, на которую она наносится. Поглощение поверхностями помещения А, не занятыми облицовкой, определяют по формуле А = α1(Sп-Sобл).
На эффективность звукопоглощающих облицовок влияет не только величина ∆А, но и высота расположения их над источником шума, а также конфигурация помещения. Облицовки более эффективны при относительно небольшой высоте помещения (до 4-6 м). Это объясняется тем, что в низких помещениях большой площади потолок и пол являются основным отражающими поверхностями, а применение облицовок основано на уменьшении отраженного звука. В таких помещениях закрыть пол поглощающим материалом обычно не представляется возможным, поэтому облицовывают только потолки; стены здесь почти не играют роли в отражении звука, и их не облицовывают.
Установка звукопоглощающих снижает шум на 6-8 дБ в зоне отраженного звука вдали от источника и на 2-3 дБ вблизи источника шума. Несмотря на такое относительно небольшое снижение шума, применение облицовок целесообразно по следующим причинам:
-спектр шума в помещении меняется за счет большой эффективности (8-10 дБ) облицовок на высоких частотах. Он делается более глухим и менее раздражающим.
-становится более заметным шум оборудования и появляе1тся возможность слухового контроля его работы, становится легче разговаривать, улучшается разборчивость речи.
УМЕНЬШЕНИЕ ШУМА НА ПУТИ ЕГО РАСПРОСТРАНЕНИЯ. Для уменьшения шума на пути его распространения применяют звукоизолирующие ограждения. Шум из помещения с источником шума проникает через звукоизолирующие ограждения в тихое помещение тремя путями:
-через ограждение, которое под действием переменного давления падающей на него волны излучает шум в тихое помещение;
-непосредственно по воздуху через различного рода щели и отверстия;
-посредством вибраций, возбуждаемых в строительных конструкциях механическим путем (вибрации машин, удары, хождения и т.п.).
Наиболее эффективное снижение шума можно достичь путем установки звукоизолирующих преград в виде стен и перегородок. Сущность звукоизоляции ограждения состоит в том, что падающая на него звуковая энергия отражается в гораздо большей степени, чем проникает за ограждение. Звукоизоляция однородной перегородки может быть определена по формуле
R = 20 lg(m0·f) – 47,5
Где m0 – масса 1 м² ограждения, кг; f- частота, Гц.
Из этой формулы можно сделать два важных вывода:
-звукоизоляция ограждения тем выше, чем оно тяжелее, она меняется по так называемому закону массы; так увеличение массы в 2 раза приводит к повышению звукоизоляции на 6 дБ;
-звукоизоляция одного и того же ограждения возрастает с увеличением частоты. Другими словами, на высоких частотах эффект от установки ограждения будет значительно выше, чем на низких частотах.
Необходимо отметить, что эта формула применима не во всех диапазонах частот, поскольку в ней не учитывается влияние жесткости и размеров ограждения. В действительности же в частной характеристике однослойного ограждения можно выделить три диапазона.
Звукоизоляция в 1 диапазоне определяется жесткостью ограждения и резонансными явлениями. Учитывая, что у большинства однослойных ограждений собственная частота колебаний лежит ниже нормируемого диапазона частот (ниже 45 Гц), расчет звукоизоляции в 1 диапазоне не проводится.
Во 2 диапазоне звукоизоляция подчиняется закону массы по вышеуказанной формуле.
В 3 диапазоне сначала наблюдается ухудшение звукоизоляции из-за возникновения явления волнового совпадения, при котором распространение давления в падающей звуковой волне вдоль ограждения точно соответствует распределению амплитуды смещения собственных изгибных колебаний ограждения, что приводит к своеобразному резонансу и интенсивному росту колебаний. Затем звукоизоляция, зависящая не только от массы, но и от жесткости ограждения, увеличивается с ростом частоты несколько быстрее ,чем во 2 диапазоне.
Рассмотренная величина звукоизолирующей способности ограждения показывает, насколько понижается уровень шума за перегородкой в предположении, что далее он распространяется беспрепятственно (например, шум через ограждение выходит на улицу). В случае же передачи шума из одного помещения в другое уровень шума, проникшего в помещение, зависит от многократных отражений от внутренних поверхностей. Чем больше гулкость помещения и больше площадь перегородки, тем больше уровень шума в таком помещении, а значит, тем хуже его фактическая звукоизоляция Rф (дБ):
Rф = R + 10 lgA/Sи
Где А – эквивалентная площадь звукопоглощения тихого помещения, м²; Sи – площадь изолирующей перегородки. м².
Тем не менее метод звукоизоляции (основной акустический эффект обусловлен отражением звука от конструкции) является более эффективным по сравнению с методом звукопоглощения. Звукоизолирующие конструкции ослабляют шум в соседних помещениях на 30-50 дБ, в то время как установка в помещении одних звукопоглотителей даже с высокими звукопоглощающими свойствами дает снижение звука всего на 6-8 дБ.
Другим методом уменьшения шума на пути его распространения является применение звукоизолирующих кожухов, экранов, кабин и т.д. Звукоизолирующими кожухами закрывают наиболее шумные машины и механизмы, локализуя таким образом источник шума. Кожухи изготовляют в основном из дерева, металла или пластмассы. Внутреннюю поверхность стенок кожуха обязательно облицовывают звукопоглощающим материалом. Эффективность установки кожуха (дБ) определяют по формуле
∆Lк = Rс + 10lgα(обл),
где Rс – звукоизоляция стенок кожуха, определяемая по формуле закона массы.
Устанавливаемый кожух не должен жестко соединяться с механизмом. В противном случае кожух становится дополнительным источником шума.
В тех случаях, когда невозможно изолировать шумные машины и при этом необходимо следить за рабочим процессом, пульт управления машин заключают в звукоизолирующую кабину со смотровым окном, при этом стены кабины акустически обрабатывают.
Для защиты работающих от непосредственного воздействия шума используют экраны, устанавливаемые между источником шума и рабочим местом. Акустический эффект экрана основан на образовании за ним области тени, куда звуковые волны проникают лишь частично. Степень проникновения зависит от соотношения между размерами экрана и длиной волны λ; чем больше длина волны, тем меньше при данных размерах область тени за экраном, а следовательно, меньше и снижение шума. По этой причине экраны применяют в основном для защиты от средне- и высокочастотного шума. На низких частотах экраны малоэффективны, так как за счет эффекта дифракции звук легко их огибает.
Для уменьшения шума на пути его распространения в различных аэродинамических установках применяют глушители шума. Конструкцию глушителя выбирают от конкретных условий каждой установки, спектра шума и требуемого глушения.
Глушители принято разделять на абсорбционные, реактивные и комбинированные. Принадлежность к тому или иному классу определяют по принципу работы: абсорбционные глушители, содержащие звукопоглощающий материал, поглощают поступившую в него звуковую энергию, а реактивные отражают её обратно к источнику. В комбинированных глушителях происходит как поглощение, так и отражение звука.