Защита от ионизирующих излучений 1 страница

Л

затухания звуковой энергии в объеме Н равна 1= 4 V/ Si.

Таблица 6.9 Коэффициент поглощения а в производственных помещениях

Тип помещения	Среднегеометрическая частота, f, Гц
Машинные за-	0,07	0,08	0,08	0,08	0,08	0,08	0,09	0,09
лы, испытатель-
ные стенды
Механические	0,10	0.10	0.10	0,11	0,12	0.12	0,12	0,12
и металлообраба-
тывающие цехи;
цехи агрегатной
сборки в авиа- и
Судостроительной
Промышленности
Цехи деревооб-	0,11	0,11	0,12	0,13	0,14	0,14	0,14	0,14
работки, посты
управления, ла-
боратории, кон
структорские
бюро

Некоторые ориентировочные значения коэффициента поглощения даны в табл. 6.9. Если стенки изолированного объема изготовлены из п разных материалов, то в выражении (6.43) а есть среднее значение коэффициента звукопоглощения:

где Wf – усредненный за период поток энергии, падающий на поверхность /-стенки, площадь и коэффициент поглощения которой соответственно равны *У/ и a/; Sa == ^ а/*У/ – эквивалентная площадь i - внутренней поверхности изолированного объема (i = 1, п).

Из уравнения (6.32) следует, что степень диффузного поля может быть охарактеризована отношением 41д//= ^с. Пространство, где ^ < 1 (т. е. вблизи источников шума), называют зоной прямого звука, а пространство, где ^ > 1 (т. е. вдали от источников, вблизи стенок изолированных объемов),– зоной отраженного звука. Условие % = 1 позволяет^задать границу между этими зонами в виде радиуса г, = = ^Вф/(16пг¹) (см. рис. 6.41) и при г» г^ записать выражение (6.43) в виде (^а=0):

lj (г, В) - L(В) = Z.+ ioig(4.y / В). (6.44)

Звукопоглощение. Для уменьшения отраженного звука применяют защитные устройства, обладающие большими значениями коэффициента поглощения, к ним относятся, например, пористые и резонансные поглотители.

Звуковые волны, падающие на пористый материал, приводят воздух в порах и скелет материала в колебательные движения, при которых возникает вязкое трение и переход звуковой энергии в теплоту. Коэффициент звукопоглощения а будет зависеть как от угла падения звуковых волн, так и от частоты. Для пористого поглотителя, находящегося на жесткой стенке, частотная характеристика коэффициента а имеет вид, показанный на рис. 6.42, д. Для усиления звукопоглощения на низких частотах между пористым слоем и стенкой делают воздушную прослойку (рис. 6.42, б). Пористые поглотители изготовляют из органических и минеральных волокон (древесной массы, кокса, шерсти), из стекловолокна, а также из пенопласта с открытыми порами. Для защиты материала от механических повреждений и высыпаний используют ткани, сетки, пленки, а также перфорированные экраны. Последние существенно изменяют характер поглощения звука защитным устройством (рис. 6.42, в).

Резонансные поглотители имеют воздушную полость, соединенную отверстием с окружающей средой. Воздух в резонаторе выполняет роль механической колебательной системы, состоящей из элементов массы, упругости и демпфирования. Если пренебречь рассеиванием звуковой энергии, то импеданс резонатора, равный механическому импедансу (см. формулу (6.18), отнесенному к единице площади, будет равен нулю на частоте со. При импедансе резонатора ^ = 0 коэффициент отражения звукового давления R = –1. Таким образом, снижение шума происходит за счет взаимного погашения падающих и отраженных волн.

Рис. 6.42. Частотные характеристики коэффициента поглощения:

а –для пористого поглотителя на жесткой стенке; б– для пористого поглотителя с воздушной прослойкой; в – при наличии перфорированного экрана; г –для резонансного поглотителя, образованного перфорированным экраном

Резонансным поглотителем является также перфорированный экран с отверстиями, затянутыми тканью или мелкой сеткой (рис 6.42, г), который существенно меняет характер поглощения. Пористые и резонансные поглотители крепят к стенкам изолированных объемов.

Кроме того, звукопоглощение может производиться путем внесения в изолированные объемы штучных звукопоглотителей, изготовленных, например, в виде куба, которые в производственных помещениях чаще всего подвешивают к потолку.

К хорошим звукопоглощающим материалам относят те, которые на среднегеометрических частотах октавных полос 250, 500, 1000, 2000 Гц имеют коэффициент а, равный или превышающий соответственно значения: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.

Обозначив постоянную изолированного объема до установки поглощающих материалов через Д== (х-5/(1–а), а после установки – В == аД(1 –а) и записав коэффициент защиты в виде: kw = In(r, B)/In{r, В), найдем эффективность звукопоглощения:. /

е = lOlgA^ = L^ (г. В) – Zi„(r, В), (6.45)

где уровни Z/„ (r,B) и L^ (r, В) оп^юделяют по формуле (6.43).

Для вычисления постоянной В имеет смысл коэффициент а выразить через площадь 5», на которой предполагается разместить защитные

устройства со средним коэффициентом звукопоглощения, равным о». Эквивалентная площадь внутренней поверхности изолированного объема до установки защитных устройств Дх == а*У== а'(*У–А)4- + a"S^ где а' и а" – средние коэффициенты звукопоглощения поверхностей площадью (S– iS») и S^ эквивалентная площадь после установки защитных устройств Sa ^dS^a^S–S^) + а^. Из этих уравнений находим а == а– (а" – a^S^/Su в тех случаях, когда можно принять aS a"S^ имеем а = Sa(*)/S, где *Уа(*) = = а^ – эквивалентная площадь звукопоглощающих устройств. При внесении в изолированные объемы штучных звукопоглотителей &(*)= ос^ + ^ Sa.(i)fii, где Sa(i} I – экивалентная площадь /-то звукопоглотителя, а/г/ – их число. И < выражений (6.44) и (6.45) видно, что эффективность е в зоне отраженного звука удобно вычислять по формуле:

e=lOig£/R

Требуемая эффективность звукопоглощения определяется по формуле (6.43), исходя из условия безопасности: L//r, В) ^ L». Однако следует учитывать, что практическая реализация звукопоглощения позволяет снижать шум обычно не более чем на б... 8 дБ (в зоне отраженного звука –на 10... 12 дБ).

Звукоизоляция. Звукоизоляция– уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность. Обычно роль защитных устройств выполняют глушители шума, экраны или стенки изолированных объемов. Например, защитным устройством является кожух, которым закрывают машины и механизмы, или кабина, в которой находится оператор, управляющий рабочим процессом. Стенки кожухов и кабин изготовляют из листового проката и покрывают изнутри звукопоглощающим материалом. Эффективность звукоизоляции с помощью стенки толщиной h можно определить по формуле (6.39). Если пренебречь затуханием звука в материале, т. е. положить в формуле (6.39) коэффициент распространения А» равным jka, где kz = со/Сз – волновое число, то эффективность

е = 1 Olg[cos²^ 4- 0,25feAi + Zi/^ )²sm²^2A], (6.46)

где Zi ⁼⁼ pi^i – импеданс воздуха; ^ = рзСз – импеданс материала защитного устройства.

Из выражения (6.46) следует, что эффективность звукоизоляции равна нулю при толщине стенки А==/г^2/2, т. е. кратной половине длины волны (п= 0, 1, 2...), а максимальная эффективность будет иметь место, если толщина стенки h = (2п + 1)Х2/4.

Так как для защитного устройства, находящегося в воздухе, всегда выполняется неравенство piCi «рдОг, то для тонкой стенки (h^ « ^2/271) из выражения (6.46) находим

^=101g[l+(wo)/2pici)²], (6.47)

где т == рзА – поверхностная плотность (масса защитного устройства, отнесенная к единице площади).

При достаточно больших частотах единицей в правой части формулы (6.47) можно пренебречь:

е = 20 Ig-^ = 20 lg(w/)–const. ^(6M) 2piCi

Как видно из формулы (6.48), единственным свойством защитного устройства, определяющим эффективность звукоизоляции при принятых допущениях, является поверхностная плотность т. Эффективность звукоизоляции растет с увеличением плотности т и частоты / Константу, входящую в выражение (6.48), определяют, осредняя коэффициент передачи т по углам падения. Если т и / выражены соответственно в кг/м² и Гц, то константа равна 47,5 дБ.

Найдем требуемую эффективность звукоизоляции. По определению

<?= 10 lgl/т == 10 IgW^/y = Lw^–Lw. (6.49)

Будем обозначать параметры, относящиеся к изолированному объему, в котором установлен источник шума мощностью W, индексом 1, а параметры, относящиеся к изолированному объему, где расположен приемник, индексом 2. Суммарная плотность потока энергии t звука, падающего на ограждающие стенки изолированного объема 1, в общем случае складывается из интенсивности W/[S\(r)} прямого звука и плотности потока энергии ^ = wib\ диффузного поля

Обозначая через S^ площадь поверхности тех стенок изолированного объема 1, через которые звук излучается в изолированный объем 2, находим падающий поток энергии W^ = -/У и с учетом выражения (6.50) имеем:

Допустимый уровень Lw"– потока энергии, переданного в изолированный объем, находим из выражения (6.43), полагая 1^(г, В) ^ L^ (e^O)

| Lw ^ zh–io ^[фА/ад + 45^]. (6.52)

Подставив соотношения (6.49) и (6.51) в формулу (6.52), получим значение требуемой эффективности звукоизоляции:

Для точечного источника шума, находящегося в изолированном объеме 7, образованным стенками кожуха (рис. 6.43, а), и излучающего шум в изолированный объем 2 (например помещение), можно в первом приближении принять S^ = 5'i(r)= 5p Тогда из выражения (6.53) требуемая эффективность

На рис. 6.43, б показано помещение 7, в котором установлен источник шума, отделенное от помещения 2 где расположены рабочие места, стенкой, площадь которой равна 5. Принимая, что в помещении 2 уровень шума во всех точках примерно одинаков (т. е. 2?2/(452(г)) «1), из выражения (6.53) находим

где радиус г равен минимальному расстоянию от акустического центра источника шума до стенки площадью *У\ На рис. 6.43, в показана кабина, защищающая оператора от шума, создаваемого источником в помещении 7. Если кабина расположена на большом расстоянии от источника, то она находится в зоне отраженного звука. Для этого источника из выражения (6.53) находим, что требуемая эффективность

Р и с. 6.43. Схемы снижения шума:

а –изолирующим кожухом; б– звукоизолирующей перегородкой; в –с помощью звукоизолирующей кабины

Рис. 6.44. Схема снижения шума экраном

При установке экрана между источником и приемником (рис. 6.44) за экраном образуется звуковая тень. Уровень шума в теневой зоне от точечного источника может быть рассчитан на основе законов дифракции. Эффективность звукоизоляции при защите экраном

где N– число Френеля; N=£2(a^-b–d)/'k (формула применима при условии N >: – 0,2). Кроме того, формулу не рекомендуется применять при малых теневых углах 0. Если не вы полняется указанное неравенство, то е = 0. Расстояние (а + А) складывается из расстояния а от источника до верхней кромки экрана и расстояния Ь от верхней кромки экрана до приемника. Число вберется со знаком минус, если экран расположен ниже визирной линии (расстояние по визирной линии между источником и приемником равно d). Экраны, установленные в производственных помещениях, обычно покрывают с одной или двух сторон поглощающим материалом.

Кожухи и кабины, рассмотренные выше, имеют технологические отверстия (например, отверстия или проходы для воздуха в целях вентиляции), через которые может проникать шум. Во время рабочего цикла ряда установок (компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, турбин и др.) через специальные отверстия происходит истечение отработавших газов в атмосферу и (или) всасывание воздуха из атмосферы, при этом генерируется сильный шум. В этих случаях для снижения шума используют глушители.

Система глушения шума включает источник шума, обладающий некоторым внутренним импедансом ^и; источник соединен с помощью трубопровода длиной 1\ с глушителем шума, а трубопроводом длиной /2 – с приемником шума, который характеризуется импедансом излучения ^п. Эффективность глушения определяют по формуле (6.49), полагая, что W^ – усредненная во времени звуковая мощность на входе в глушитель, а IV –на выходе. Конструктивно глушители состоят из активных и реактивных шумоглушащих элементов. Простейшим активным элементом является любой канал, стенки которого покрыты изнутри звукопоглощающим материалом.

Если звуковая мощность в сечении площадью S (рис. 6.45, а) равна W, то плотность потока энергии, падающего на поверхность стенки канала, по формуле (6.31) равна /ц = W/^S. Таким образом, на повер-" хности канала площадью Pdl (где Р – периметр) поглощающая звуковая мощность dW= –oL^PdIn эффективность активного элемента е «1,09аЖУ.

Рис. 6.45. Применение в глушителе поглощающих материалов:

а – схема активного элемента глушителя; б –схема снижения шума при повороте трубопровода,покрытого изнутри звукопоглощающим материалом

Трубопроводы всегда имеют повороты, которые будут снижать шум, если их покрыть звукопоглощающим материалом. Как видно из рис. 6.45, б, на участке АВ существуют преимущественно волны, направленные вдоль оси канала (другие волны будут поглощаться). Изгиб канала будет поглощать или отражать осевые волны назад к источнику. Таким образом, после изгиба останутся преимущественно дифрагиро-ванные волны, которые в значительной мере подавляются на участке CD, так что в конце этого участка останутся ослабленные волны в направлении оси канала.

Реактивный камерный элемент (рис. 6.46) представляет собой участок канала (трубы), на котором внезапно меняется площадь сечения от S\ до So, и образуется камера длиной /. При изменении площади сечения звук отражается. Эффективность камерного элемента можно определить по формуле (6.46), заменив отношение импедансов на отношение площадей [см. формулу (6.34)] и толщину h на длину / камеры (h = k = о/с):

На очень низких частотах, когда kl -> 0 или когда длина глушителя равна V2, X,, ЗХ/2 и т. д., образуются стоячие волны, которые увеличивают давление на концах камерной полости. В результате импеданс трубопровода с поперечным сечением Sh. также увеличивается от значения pc/Sz до значения wpc/&, которое в точности равно импе-дансам входного и выходного трубопроводов, т. е. равно рс/Д. Таким образом, на этих резонансных частотах взаимодействие волн приводит к рассогласованию импедансов и отражению звуковой энергии к источнику шума. На более высоких частотах, когда длина волны \ равна или меньше поперечного размера камеры, эффективность будет зависеть от других параметров (теоретически максимум эффективности достигается при разности диаметров dz–d\ = V2, 3V2, 5V2 и т. д.).

Рис. 6.46. Реактивный камерный элемент глушителя: а – схема элемента; б – зависимость эффективности камерного глушителя от длины камеры и отношения площадей

Эффективность е растет с увеличением числа камер и длины соединяющей трубы. Однако уже добавление третьей камеры создает незначительный эффект по сравнению с двумя предыдущими (рис. 6.47).

На рис. 6.48 для сравнения показаны эффективность глушителя, состоящего из двух последовательных камер и эффективность глушителя из двух камер, но со входом или выходом, введенным в полости камер, и оканчивающимися на середине их длины. Эффективность последнего глушителя выше. Изменяя длину входа и выхода, можно варьировать эффективность и частотный диапазон.

Если в спектре шума присутствуют дисперсные составляющие высокого уровня, то эффективность камерных элементов может оказаться недостаточной. В этом случае применяют реактивные элементы резонаторного типа: кольцевые и ответвления (рис. 6.49). Такой глушитель отличается от предыдущих тем, что поток газа через камеру не протекает и она подсоединяется к основному трубопроводу через одно или некоторое количество небольших отверстий или трубок. Этот тип глушителя называют объемным резонатором или глушителем Гельм-гольца. Резонансные частоты определяются размерами отверстий и подсоединенным объемом. Предполагается, что линейные размеры подсоединенного объема меньше 1/10 длины волны на всех рассматриваемых частотах. Если это условие нарушается, то надо принимать во внимание движение волн в резонаторе. Ситуация становится похожей на глушитель, рассмотренный выше. Эффективность объемного глушителя.

Рис. 6.47. Зависимость эффективности глушителя от числа камер и длины соединительной трубы

натора; (3 = s\c/it^v– безразмерное реактивное сопротивление резонатора; *Si и sq –соответственно площадь трубопровода и суммарная площадь отверстий;^ –резонансная частота; V– объем резонатора. При резонансе (f^fo) эффективность зависит только от величины ос и может быть записана в виде

e=20lg[(α+0,5)/α]

При а < 0,25 и при частотах намного больших или меньших частоты fо

На рис. 6.50 показана эффективность глушителя рассматриваемого типа при а = 0,5р.

Эффективность глушителя, синтезированного из типовых элементов, может быть определена по формуле:

– эффективность i-го шумоглушащего элемента.

Рис. 6.49. Схемы глушителей резонаторного типа: а –кольцевые; б –ответвления

Рис. 6.50. Эффективность резонаторного глушителя при α = 0,5р

Экранирование электромагнитных полей*. Электромагнитное поле имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучателей (диполей) в воздух определяются соответственно неравенствами:

Обычно считают, что на расстоянии от источника, не большем длины волны – зона индукции. Например, для частот 10⁹ и 10⁶ Гц расстояние, которое определяет зону индукции, меньше 0,3 м и 300 м.

Для антенн зону излучения обозначают неравенствами: r > e² / λ и r > 3/λ, где l – размер антенны. В зоне излучения поле практически принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, составляющие которой равны:

е«

где ε*=ε-jς/ω – комплексная диэлектрическая проницаемость среды; ε иμ. –абсолютные проницаемости соответственно диэлектрическая и магнитная;ς–удельная проводимость среды; комплексное волновое число k*= ω√με*.

Сравнивая выражения (6.24) и (6.54), видим, что импеданс среды электромагнитному полю z = √με*. С учетом формулы (6.54) найдем, что для непроводящей среды ς = 0)

для проводящей среды (ε = 0)

Здесь термин «изоляция» заменен термином «экранирование»,который обычно используется в специальной литературе.

В табл. 6.10 приведены ориентировочные значения волнового числа и импеданса

для металлов. Для вакуума импеданс равен Z0 = √μ∕ε120π,Ом, где μо и εo – so соответственно электрическая и магнитная постоянные: ε = 1/(36π∙10^-9)=8,85 • 10^-12 ф/м μ о = 4л •10'⁷ Гн/м. В зоне индукции импеданс среды зависит от источника.

Таблица 6.10. Характеристика металлов, применяемых для экранирования ЭМП

Металл	Электрическая проводимость	Магнитная проницаемость μ/μо	Коэффициент распространения	Импеданс
	ς • 10^6. См/м		│К*│=√ωμς, мм'^1	│Z│=√ω∕μς
Медь	57,1		21,2•10'^З7√f	0,372 • 10'^6 √f
Алюминий	34.5		16,4.10'^3 √f	0,478 • 10"^6 √f
Сталь	7,2		75,4. 10'^3 √f	10,47 • 10'^6 √f
Свинец	4,8		6,2 • 10'^3 √f	1.28 • 10'^6 √f

При определении электромагнитного поля сложных источников их разбивают на элементарные, а затем используют принцип суперпозиции полей. Импеданс среды для поля элементарного электрического излучателя

Z=Z0(1+jkr+1/jkr)(1+jkr), (6.57)

Импеданс среды для поля элементарного магнитного излучателя

Z=Z0(1+1/jkr)/(1+jkr+1/jkr), (6.58)

Из выражений (6.57) и (6.58) видно, что вблизи источника, т. е. в зоне индукции ( kr « 1), импеданс среды преимущественно электрическому полю

Z=ZE≈Z/jkr (6.59)

импеданс среды преимущественно магнитному полю

Z=ZH≈jk/Z0 (6.60)

С увеличением расстояния от источника импеданс ZE уменьшается, а импеданс ZHувеличивается (рис. 6.51). Оба импеданса будут стремиться к одному значению, которое они достигают в зоне излучения Z=Z^EH=Z0.

Различают экранирование магнитного, электрического и электромагнитного (плоская волна) полей. В большинстве случаев с двух сторон от экрана находится одна и та же диэлектрическая среда – воздух, и эффективность экранирования, пользуясь формулой (6.39), можно записать в виде

E=20lg│ch_k*h│+20lg│1+0,5(Z2/Z1+Z1/Z2)thk*h│

Чтобы произвести расчет по этой формуле, кроме толщины экрана h необходимо знать коэффициент распространения k* и импедансы Z1 и Z2. Так как экран обычно изготовляют из металла, то с учетом зависимостей (6.27) и (6.56) коэффициент распространения k* и импеданс Z2 будут равны: k* = √jwμ2ς2. Более сложно определяется импеданс Z1. В зоне излучения импеданс диэлектрической

Дата добавления: 2014-11-25