Защита от шума (Лекции)

КФ МГТУ им. Н.Э.Баумана

Практическое занятие по дисциплине «БЖД»

Тема занятия:

«ЗАЩИТА ОТ ШУМА»

Время: 2 часа.

Кафедра ФН2-КФ

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.

Основными параметрами, характеризующими звуковую  волну, являются: 

       звуковое давление  p_зв, Па;

       интенсивность звука I, Вт/м².

       длина звуковой волны , 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 (2) с - это физическое свойство среды.

Скорость звука в различных средах (2):

Длина волны  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 p_ср в данный момент, и атмосферным давлением p_атм, называется звуковым давлением (рис.3.3). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

p_зв = p_ср -  p_атм.                   (3.1)

Рис.3.3.  Звуковое давление 

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

z_A = p_зв/u = с,        (3.2)          

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

Для различных сред  значения z_A 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 / (4r²), (3.4)

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

Уровни акустических величин

Человек ощущает звук в широком диапазоне звуковых давлений p_зв (интенсивностей I ). 

Стандартным порогом слышимости  называют эффективное значение звукового давления (интенсивности), создаваемого гармоническим колебанием с частотой f = 1000 Гц, едва слышимым человеком со средней чувствительностью слуха.

Стандартному порогу слышимости соответствует звуковое давление p_o=210^-5 Па или интенсивность звука I_o=10^-12 Вт/м². Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых слуховым аппаратом человека, ограничивается болевым ощущением и принят равным p_max = 20 Па и I_max= 1 Вт/м².  

Величина слухового ощущения    при превышении звуковым давлением  p_зв стандартного порога слышимости определяется по закону психофизики Вебера - Фехнера:

 = q lg(p_зв/p_o),

где  q - некоторая постоянная, зависящая от условий проведения эксперимента.

С учетом  психофизического восприятия звука человеком  для характеристики значений звукового давления p_зв и интенсивности I  были введены логарифмические величины  – уровни  L  (с  соответствующим  индексом),  выраженные  в  безразмерных единицах – децибелах, дБ, названных в честь Грейма – Бела (увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует 1 Белу (Б) – 1Б = 10 дБ):  

L_p  = 10 lg (p/p₀)² = 20  lg (p/p₀),                      (3.5, а)

L_I   = 10 lg (I/I₀).                                              (3.5, б)

Следует отметить, что при нормальных атмосферных условиях L_p =L_I . 

По аналогии были введены также и уровни звуковой мощности

L_w  = 10 lg (W/W₀),                                         (3.5, в)

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

Безразмерные величины L_p, L_I, L_w достаточно просто измеряются приборами, поэтому их полезно использовать для определения абсолютных значений p, I, W по обратным к (3.5) зависимостям

                                     (3.6, а)

                                           (3.6, б)

                                             (3.6, в)

Уровень суммы нескольких величин определяется по их уровням   L_i, i = 1, 2, ..., n соотношением

                            (3.7)

где n - количество складываемых величин.

Если складываемые уровни одинаковы (L_i = L), то 

L_   = L+ 10 lg n.                                          (3.8)

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

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.