Защита от шума

III. ЗАЩИТА ОТ ШУМА

 

1. Звук. Основные характеристики  звукового поля. Распространение  звука 

 

Понятие  звук, как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями  упругой среды, которые представляют собой  механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой  среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания  среды воспринимаются как звук только в определенной области частот (16 Гц  -  20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

 

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона  слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми. Они не имеют отношения к слуховым ощущениям человека и воспринимаются как физические воздействия среды.

 

А. Параметры звуковой волны

 

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный  характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис 3.1, а).  

 

Рис.3.1.   Колебания частиц воздуха.

 

Простейший процесс описывается  синусоидой (рис. 3.1, б)

 

,

 

где amax - амплитуда колебаний; w = 2p f - угловая частота; f - частота колебаний.

 

Гармонические колебания  с амплитудой amax и частотой f  называются тоном.

 

Сложные колебания характеризуются  эффективным значением на временном  периоде Т   

 

.

 

Для синусоидального процесса  справедливо соотношение 

 

.

 

 Для кривых другой  формы отношение эффективного  значения к максимальному составляет от 0 до 1.

 

В зависимости от способа  возбуждения колебаний различают:

 

· плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

 

· цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

 

· сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний  типа пульсирующий шар.  

 

Основными параметрами, характеризующими звуковую  волну, являются: 

 

·       звуковое давление  pзв, Па;

 

·       интенсивность  звука I, Вт/м2.

 

·       длина  звуковой волны l, м;

 

·       скорость распространения волны с, м/с;

 

·       частота  колебаний f, Гц.

 

Если в сплошной среде  возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются  колебания волн на воде. При этом следует различать скорость распространения механических колебаний  u (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с (продольные акустические колебания).

 

С физической точки зрения распространение колебаний состоит  в передаче импульса движения от одной  молекулы к другой. Благодаря упругим  межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению  к движению молекул в зоне возбуждения  колебаний. Таким образом, колебания  распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.

 

Длина волны l равна длине пути, проходимого звуковой волной за один период Т:

где  с - скорость звука, Т = 1/f.

 

Звуковые колебания в  воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в  областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в  возмущенной среде pср в данный момент, и атмосферным давлением pатм, называется звуковым давлением (рис.3.3). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

 

pзв = pср -  pатм.                   (3.1)

 

 

Рис.3.3.  Звуковое давление 

 

Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением zA, которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м2*с) и представляет собой отношение звукового давления pзв к колебательной скорости частиц среды u 

 

zA = pзв/u = r*с,        (3.2)          

 

где  с - скорость звука, м; r - плотность среды, кг/м3.

 

Для различных сред  значения zA различны.  

 

Звуковая волна является носителем энергии в направлении  своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м2, перпендикулярное   направлению движения, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м2 :

  (3.3)

 

Для сферической волны  от источника звука с мощностью W, Вт интенсивность звука на поверхности  сферы радиуса r равна

 

I = W / (4p r2),                                                       

то есть интенсивность  сферической волны убывает с  увеличением расстояния от источника  звука. В случае плоской волны  интенсивность звука не зависит  от расстояния.

В. Акустическое поле и его  характеристики

 

Поверхность тела, совершающая  колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает  акустическое поле.

 

Акустическим полем называют область упругой среды, которая  является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

 

·        звуковым давлением pзв, Па;

 

·        акустическим сопротивлением   zА, Па*с/м.

 

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

 

·      интенсивность  I, Вт/м2;

 

·      мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

 

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

 

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

 

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое  поле  называют свободным акустическим полем.

 

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении)  распространение звуковых волн зависит  от геометрии и акустических свойств  поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

 

Процесс формирования звукового  поля в помещении связан с явлениями  реверберации и диффузии.

 

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в  первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

 

Звуковое поле, в котором  возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в  результате чего удельная плотность  звуковой энергии одинакова по всему  полю, называется диффузным полем.

 

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность  звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически  считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 106 раз от уровня, существующего  в момент его выключения. Любое  звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой  затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

2. Производственный шум,  его источники и характеристики 

Понятие "шум" весьма субъективно. Всякий нежелательный в данный момент звук (или звуки) человек воспринимает как шум. Одни и те же звуки разными  людьми могут восприниматься по-разному.

 

Физиологи и гигиенисты определяют шум как звук, оцениваемый негативно  и наносящий вред здоровью.

 

Машины и механизмы, используемые на производстве, являются источниками  звуков различной частоты и интенсивности, изменяющихся во времени. Поэтому производственный шум рассматривают как совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения.

А. Характеристики и виды производственных шумов

 

Производственный шум  характеризуется спектром, который  состоит из звуковых волн разных частот.

 

При исследовании шумов обычно слышимый диапазон 16 Гц - 20 кГц  разбивают  на полосы частот и определяют звуковое давление, интенсивность или звуковую мощность, приходящиеся на каждую полосу.

 

Как правило, спектр шума характеризуется  уровнями названных величин, распределенными  по октавным полосам частот.

 

 

Полоса частот, верхняя  граница которой превышает нижнюю в два раза, т.е.  f2 = 2 f1 , называется октавой.

 

Для более детального исследования шумов иногда используются третьеоктавные полосы частот, для которых

 

f2 = 21/3 f1 = 1,26 f1 .

 

Октавная или третьеоктавная полоса обычно задается среднегеометрической частотой:

 

 

Существует стандартный  ряд среднегеометрических частот октавных полос, в которых рассматриваются  спектры шумов (fсг мин = 31,5 Гц,  fсг макс = 8000 Гц).

 

 По частотной характеристике  различают шумы:

 

низкочастотные ( fсг < 250);

 

cреднечастотные (250 < fсг <= 500);

 

высокочастотные (500 < fсг <= 8000).

 

Производственные шумы имеют  различные  спектральные и временные  характеристики, которые определяют  степень их воздействия на человека. По этим признакам шумы подразделяют на несколько видов.

Классификация шумов

 

 

По природе возникновения  шумы машин или агрегатов делятся  на:

 

·   механические,

 

·   аэродинамические и   гидродинамические,

 

·   электромагнитные.

 

При работе различных механизмов, агрегатов, оборудования одновременно могут возникать шумы различной  природы.

 

Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью. 

 

Звуковая мощность источника W, Вт – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в  окружающее пространство.

 

Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью S, то звуковая мощность источника 

 

 

где I(S), P(S) – законы распределения  интенсивности звука и звукового  давления по поверхности S.  

 

Для характеристики источника  шума используется также уровень  звуковой мощности   LW, дБ

 

        LW  = 10 lg (W/W0),    

 

где W0 =I0 * S0 =  P02 * S0/r c  = 10-12Вт – пороговая звуковая мощность на частоте 1000  Гц, I0 =10-12Вт/м2, S0 = 1 м2.

 

Для определения уровня звуковой мощности источника на некотором  одинаковом от него расстоянии  r  в n точках измеряют уровень звукового давления PI   и вычисляют

 

                                              (3.9)

 

где   S  - площадь сферы  радиусом r (если источник расположен на полу помещения, то площадь полусферы),

 

Поскольку источники производственного  шума, как правило, излучают звуки  различной частоты и интенсивности, то полную шумовую характеристику  источника дает шумовой спектр - распределение звуковой мощности (или  уровня звуковой мощности) по октавным полосам частот.

 

Источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по направлениям. Эта неравномерность излучения  характеризуется коэффициентом  Ф(j) - фактором направленности.

 

Фактор направленности  Ф(j) показывает отношение интенсивности звука I(j), создаваемого источником в направлении с угловой координатой j  к интенсивности Iср, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук во все стороны равномерно        

 

                                               Ф(j) = I(j) /Iср = p2(j)/p2ср,                         

 

где  рср - звуковое давление (усредненное по всем направлениям на постоянном расстоянии от источника); p (j ) - звуковое давление в угловом направлении j, измеренное на том же расстоянии от источника.  

 

Характеристику направленности излучения можно описать через  соответствующие уровни в дБ:

 

                           G(j) = 10 lg Ф(j) = 10 lg (I(j) /Iср) = 20 lg (p(j)/pср) = L - Lср.           (3.10)