4785 (Захист від шуму, інфразвуку, ультразвуку)

Захист від шуму, інфразвуку, ультразвуку

1. Характеристика шуму

Людина живе в світі звуків від самого народження протягом всього життя. На лекції про освітлення ми говорили, що до 90% інформації про навколишнє середовище людина одержує від органів зору. З тих, що залишилися 5% - 10% доводиться на органи слуху. В нашій лекції траплятимуться два поняття: звук і шум. Вони, в принципі, рівнозначні, але поняття „звук" більш широке. Це музика, шелестіння листя, шум прибою. Крім того, це жива мова, яка відводить людині особливе місце в природі. Поняття шум трохи вужче. Існує два визначення шуму:

Шум - це неритмічне звукоутворення, безладна мішанина звуків.

Шум - це будь-який звук, що заважає людині.

Статистика стверджує, що останніми роками шум як в побуті, так і на робочих місцях постійно збільшується десь на 1-3 дБ в рік.

Як приклад збільшення шумності в побуті можна пригадати майже всі побутові пристрої, прилади і пристосування: пральні машини, пилососи, мопеди, електродрилі та інший електроінструмент.

Тому на даний час поряд з терміном „забруднення навколишнього середовища”, де мається на увазі в основному хімічне і механічне забруднення все частіше використовується поняття "шумове забруднення". Ученими ще не доведено, що небезпечніше: дихати повітрям, що містить шкідливі домішки, або цілодобово знаходиться під впливом сильного шуму. Абсолютна тиша - теж зло (космонавти, підводники і т.п.).

З історії боротьби з шумом. В деяких містах стародавньої Греції з метою боротьби з шумом заборонялося тримати в господарстві півнів. В Англії в XVII столітті був ухвалений закон, який забороняв сваритися з дружинами або чоловіками з 9 годин вечора до 6 ранку, щоб шум не заважав оточуючим.

Шум - це зло. У зв'язку з тим, що тиша на планеті стала дефіцитною, боротьба за тишу стала актуальним завданням.

З фізичної точки зору шум - це механічний коливальний рух частинок пружного (газового, рідкого або твердого) середовища, який має, як правило, хаотичний, випадковий характер і який хвилеподібно розповсюджується.

Частинки середовища, які безпосередньо примикають до джерела коливання залучаються до коливального процесу і зміщуються, приходячи в стан ритмічного згущення та розрідження. Цей процес через пружність середовища послідовно розповсюджується на суміжні частинки у вигляді звукових хвиль.

Джерелами шуму можуть бути:

1 Коливання тіл або їх поверхонь - викликає механічний шум (ефект використовується в театрі, наприклад, для імітації грому за допомогою коливання листа жерсті).

2 Нестаціонарні процеси в рідині або газі, що супроводжуються виникненням звукових хвиль - аерогідродинамічний шум, наприклад, шум несправних водорозбірних кранів у ванних кімнатах або кухнях.

3 Змінні магнітні сили, які приводять до коливань робочі органи електричних машин і апаратів, - електромагнітний шум, наприклад шум, який супроводжує роботу трансформаторів напруги електричного струму.

Основними параметрами, які характеризують шум, є:

1. Амплітуда коливання - максимальне відхилення від початкового положення частинок середовища, що проводить звук, в результаті залучення їх в коливальний процес джерелом коливання (наприклад, ніжками камертона).

2. Звуковий тиск - це змінний тиск, що виникає додатково до атмосферного тиску, в тому середовищі, через яке поширюються звукові хвилі. Він вимірюється в ньютонах на квадратний метр, Н/м², або динах на квадратний сантиметр, дин/см². У фазі стиснення звуковий тиск позитивний, у фазі розрідження - негативний. Позначається буквою р (малою).

3. Швидкість звуку - це відстань, на яку за одну секунду може поширитися хвильовий процес. В повітрі при t = 20 ^оС і нормальному атмосферному тиску вона дорівнює 334 м/с, при підвищенні температури швидкість звуку збільшується приблизно на 0,71 м/с на кожний градус. Для порівняння:

в сталі - 5000 м/с

в гумі - 40-60 м/с.

4. Довжина хвилі - це відстань між двома сусідніми згущеннями або розрідженнями в звуковій хвилі:

=С/f, (1)

де C - швидкість звуку, м/с;

f - частота, герц.

5. Сила звуку (інтенсивність) - це кількість енергії, що проходить в результаті поширення звуку через площу 1м², розміщену перпендикулярно до напряму поширення звукової хвилі за одиницю часу. Інтенсивність звуку, Вт/м², пов'язана із звуковим тиском залежністю

, (2)

де p - звуковий тиск, Н/м^2;

ρ - густина середовища, Н/м³;

c - швидкість поширення звуку, м/с.

Декілька слів про наочність сили звуку:

1. За старих часів була страта "під дзвоном".

2. Літакам забороняється переходити звуковий бар'єр над населеними пунктами. Чому? Можуть бути серйозні руйнування і пошкодження скла вікон.

3. У США велике значення надається рекламі. З цією метою над 10 добровольцями на висоті 10-20м пролетів на надзвуковій швидкості літак. Сила звуку була такою, що 6 чоловік загинули на місці, 4 - померли в шпиталі.

6. Частотний склад шуму - це сукупність частот звуків, що входять до нього. За широтою спектра шуми поділяються на:

а) вузькочастотні - такі, що складаються з обмеженої кількості суміжних частот;

б) широкочастотні - включають майже всі частоти звукового діапазону.

За частотою звуків, що переважають, шум поділяється на:

низькочастотний - до 400 Гц;

средньочастотний - від 400 до 1000 Гц;

високочастотний - понад 1000 Гц.

У процесі еволюції людина звикла до звуків середньої частоти, оскільки ці частоти в природі найпоширеніші (спів птахів, шум лісу і моря). Тому на людину шум такої частоти діє більш сприятливо, ніж такої самої сили, але більш високої частоти. Цю обставину потрібно враховувати при проектуванні нових машин при виборі кількості оборотів або частоти коливань робочих органів (вібросита,, ущільнення формувальних сумішей і т.п.).

За величиною інтервалів між складовими звуками розрізняють:

а) дискретний (лінійний) шум - з інтервалами;

б) суцільний шум - без інтервалів;

в) змішаний шум.

За характером зміни загальної інтенсивності в часі розрізняють:

а) стабільні звуки - енергія звуку в часі змінюється не на багато;

б) переривчасті звуки - швидке періодичне наростання і спад енергії з паузами (ткацькі, швейні цехи).

При вимірюванні виробничих шумів спектр визначається в діапазоні від 22,5 до 11200 Гц.

Цей інтервал розбитий на смуги, які назвали октавами.

Октава - це така смуга звукового спектра, в якій верхня гранична частота відрізняється від нижньої граничної частоти в 2 рази. Тоді весь спектр набуде вигляду:

22,5-45 (31,5), 45-90 (63), 90-180 (125), 180-355 (250), 355-710 (500), 710-1400 (1000), 1400-2800 (2000), 2800-5600 (4000), 5600-11200 (8000).

В дужках зазначені середньогеометричні частоти дев’яти октав, за якими здійснюється нормування шуму.

Поширення звукових хвиль супроводжується появою ряду акустичних явищ.

Накладення звукових хвиль однакової частоти називається інтерференцією.

Процес огинання звуковою хвилею перешкод кінцевих розмірів називається дифракцією.

Виникаючі всередині замкнутих приміщень звукові хвилі, поширюючись від джерела, багато разів відбиваються від будівельних конструкцій, створюють умови для появи відлуння. Цей процес називається реверберацією.

Якщо звукова частота збігається з власною частотою коливання будь якої системи, амплітуда різко зростає. Це явище називається резонансом.

У понятті „шум” в акустиці наявне не тільки фізичне, але і фізіологічне значення.

З фізіологічної точки зору не кожний коливальний рух середовища, що проводить звук, сприймається організмом людини як звукове роздратування. Вухо людини здатне уловлювати механічні коливальні рухи середовища з частотою від 20 до 20000 Гц. Нижче 20 Гц і вище 20 тис. Гц знаходяться відповідно області нечутних людиною інфразвуків і ультразвуків.

У частотному діапазоні, що чує людина (20-20000 Гц), виділяють дві межі звукової енергії, яку сприймає людина як звук.

Мінімальна величина звукової енергії, що сприймає людина як звук, називається слуховим порогом (поріг чутності). Поріг чутності складає I_о = 10^-12 Вт/м². Звуковий тиск, що відповідає цій величині, дорівнює Р_о = 2*10^-5 Н/м².

Звукова енергія, при якій звук викликає вже больові відчуття називається больовим порогом, вона відповідає силі I = 10² Вт/м² і звуковому тиску більше Р = 20 Н/м².

Діапазон великий: за силою (інтенсивності) - 10¹⁴;

за тиском - 10⁶.

Оперувати такими цифрами незручно, крім того, вухо людини здатне реагувати на відносні зміни інтенсивності в часі, а не на абсолютне значення параметра.

Для органів слуху важливий не сам параметр звуку, а зміна фактичного параметра звуку відносно попереднього значення, або умовно взятого за граничний відлік. Тому в акустиці введено поняття рівень параметра як відношення фактичного значення параметра до граничного значення.

Міжнародною угодою за граничний відлік прийнятий звуковий тиск Р=2*10^-5 Н/м² (це поріг чутності). Тоді рівень параметра за звуковим тиском (рівень звукового тиску L_p) можна подати у вигляді

L_р= lg (р_фак /р_гр), (3)

де р_фак - фактичне значення звукового тиску;

р_гр - граничне значення звукового тиску;

lg - символ, який введений для того, щоб не оперувати великими числами: lg10¹⁴ = 14.

Логарифм відношення фактичного параметра звуку над прийнятим граничним значенням в акустиці називається белом (Б).

Але користуватися показником "Б" незручно, оскільки діапазон дуже малий, тому користуються величиною в 10 разів меншою - децибел (дБ). Тоді весь діапазон від слухового порогу до больового укладається в 14 Б або 140 дБ.

Декілька цифр для порівняння: вибух атомної бомби 200 дБ - смертельний поріг, хід годинника - 30 дБ, тиха розмова - 30 дБ, для наших навчальних приміщень нормальні умови роботи - 60 дБ, гучна музика - 110 дБ, токарний верстат до 100 дБ.

7. Гучність.

Звуки однієї інтенсивності на різних частотах суб'єктивно людина сприймає по-різному (з різною гучністю). Тому вводиться поняття „гучність звуку", „шуму". Одиниця гучності - фон.

Тільки на частотах 1000 Гц одиниці у фонах і дБ збігаються.

8. Звукова потужність.

Звукова потужність джерела звуку Р - це загальна кількість звукової енергії, що випромінюється джерелом шуму в навколишнє середовище за одиницю часу, Вт:

, (4)

де i_н - нормальна до поверхні інтенсивність звуку, Вт/м²;

S - площа замкнутої поверхні, на яку розповсюджується звук, м².

Рівень звукової потужності, дБ, визначається за формулою

’ (5)

де P_фак - фактична звукова потужність джерела, Вт;

P_гр - гранична звукова потужність, яка береться такою, що дорівнює 10^-12 Вт.

Акустичний розрахунок.

Його проводять для оцінки очікуваних рівнів звукового тиску, які будуть в розрахункових точках на робочих місцях при проектуванні нових цехів.

До завдань акустичного розрахунку відносять:

1. Визначення рівнів звукового тиску в розрахунковій точці за відомим джерелом шуму і його шумовою характеристикою.

Для кожної машини в технічній документації зазначаються:

а) рівень звукової потужності джерела в октавних смугах частот;

б) характеристика спрямованості шуму, випромінюваного машиною.

2. Визначення необхідного зниження шуму.

3. Розроблення заходів щодо зниження шуму до допустимих величин.

Очікуваний рівень звукового тиску, створюваний в розрахунковій точці джерелом шуму відомої звукової потужності, залежить від того, де розміщена розрахункова точка: на відкритому просторі або в замкнутому приміщенні, рис.1 або рис.2.

Для відкритого простору:

Рисунок 1 - Схема акустичного розрахунку для джерела, розміщеного на відкритому просторі.

Рисунок 2 - Схема акустичного розрахунку для джерела, розміщеного в приміщенні.

Очікуваний рівень звукового тиску, дБ, можна визначити за формулою

L_p = L_Р + 10 lgФ - 10 lgS - ΔL_p, (6)

де L_P - рівень звукової потужності джерела, дБ;

Ф - фактор спрямованості, визначається за формулою

Ф = I_н/I_нн, (7)

де I_н - інтенсивність звуку, створювана направленим джерелом у розрахунковій точці;

I_нн - інтенсивність, яку створило б не направлене джерело тієї самої звукової потужності;

S - площа поверхні, на яку поширюється звук (береться S = 2 r² (площа півсфери), м²;

r - відстань між джерелом і розрахунковою точкою, м;

ΔL_p - втрати звукової потужності на шляху розповсюдження шуму від джерела до розрахункової точки. За відсутності перешкод для шуму на невеликих (до 50 м) відстанях ΔL_p = 0. При відстанях більше ніж до 50 м при поширенні звукових хвиль в повітрі спостерігається їх затухання через густину повітря та молекулярне затухання орієнтовно за такою залежністю: при збільшенні відстані від джерела шуму до розрахункової точки в два рази рівень шуму зменшиться на 6 дБ. Тобто, якщо припустити, що при відстані 50м ΔL_p = 0, то при відстані 100м ΔL_p = 6 дБ, при відстані 200м ΔL_p = 12 дБ.