Физическая природа шума

Звуковые колебания, воспринимаемые органами слуха человека, являются механическими колебаниями, распространяющимися в упругой среде (твердой, жидкой, газообразной). Основной признак механических колебаний – повторность процесса движения через определенный промежуток времени.

Максимальное отклонение материальной точки от положения равновесия называется амплитудой колебания.

Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называют периодом колебаний. Таким образом, период колебаний – это время одного цикла колебания.

Обратная величина период колебаний – это частота колебанийили число колебаний в единицу времени (обычно в секунду).

Эти величины связаны соотношением

Для характеристики колебаний использую также циклическую частоту , которая определяется как число колебаний, происходящих за секунд. Между обычной и циклической частотой существует следующая зависимость: .

Циклическая частота и период колебаний связаны следующим соотношением .

Колебания в упругой среде не ограничиваются центром возбуждения колебаний. Энергия от источника колебаний передается частицам среды. Колеблющиеся частицы среды передают свою энергию соседним частицам. Данный процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. Каждая из частиц среды при этом колеблется около положения устойчивого равновесия. По мере распространения волны частицы вовлекаются в колебательное движение с частотой, равной частоте источника колебаний, но с запаздыванием по фазе, зависящем от расстояния до источника и от скорости распространения волны.

Скорость распространения (колебаний) волны в пространстве определяется выражением . Здесь – длина волны.

Длиной волны называется кратчайшее расстояние между двумя точками, колеблющимися в одинаковой фазе. Длина волны – это путь пройденный волной за время, равное периоду колебаний.

Практически любой процесс механических колебаний можно свести к одному или нескольким гармоническим колебаниям.

Гармонические колебания описываются уравнением:

,

где – смещение тела от положения равновесия;

– циклическая частота колебаний;

– время;

– фаза колебаний в начальный момент времени .

Упругие волны с частотами от 16 до 20000 Гц в газах, жидкостях и твердых телах называют звуковыми волнами. Человеческое ухо воспринимает колебания такой частоты как слышимые. Так, скорость звука в воздухе при нормальных условия составляет порядка 330 м/с, в воде около 1400 м/с, в стали – 5000 м/с.

При восприятии человеком звуки различают по высоте и громкости. Высота звука определяется частотой колебаний, а громкость – амплитудой.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ШУМОВ

Шумы классифицируются по различным принципам и могут различаться по природе возникновения, по характеру, т. е. спектру и по временным характеристикам. На рис. 1 представлены такие классификации.

а)

Рис.1

a. классификация шумов по их характеру и природе возникновения;

b. классификация городских шумов.

Классификация шума по источникам возникновения

Механический шум. Механический шум обусловлен колебаниями деталей машин и их взаимным перемещением. Возбуждение механического шума обычно носит ударный характер, излучающие его конструкции и детали представляют собой системы с многочисленными резонансными частотами. Поэтому спектр механического шума занимает широкую область частот (рис.4). Наличие высоких частот делают шум особо неприятным.

Рис.4

Аэрогидродинамический шум. Аэрогидродинамические шумы возникают при движении газов и жидкостей, их взаимодействия с твердыми телами (шумы из-за периодического выпуска газа в атмосферу, например, сирена, шумы из-за образования вихрей, отрывных течений, турбулентные шумы из-за перемешивания потоков и т.п.).

Электромагнитный шум. Электромагнитный шум возникает в электрических машинах и оборудовании из-за взаимодействия ферромагнитных масс под влиянием переменных (во времени и в пространстве) магнитных полей, а также сил, возникающие при взаимодействии магнитных полей, создаваемых токами (т.н. пондеромоторные силы).

При работе электрических машин возникают все три вида шума: механический, аэродинамический и электромагнитный.

Классификация по характеру спектра и временным характеристикам

В зависимости от спектра выделяют так называемый широкополосной, или белый шум, т.е. шум с непрерывным спектром шириной более одной октавы и тональный шум, в спектре которого имеются дискретные тона шириной менее одной октавы.

Октавная полоса - полоса частот, в которой верхняя граничная частота f в равна удвоенной нижней частоте fн, т. е. fв/fн = 2. Например, если взять музыкальный звукоряд, то звук с частотой f = 262 Гц это «до» первой октавы. Звук с f = 262 x 2 = 524 Гц - «до» второй октавы. «Ля» первой октавы это 440 Гц, «Ля» второй - 880 Гц. Чаще всего применяется разбиение звукового диапазона именно на октавы, или октавные полосы. Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой При этом в качестве частоты, характеризующей октавную полосу целиком, берется среднегеометрическое значение частот (), которые стандартизованы и составляют 1;2;4;8;16;31,5;б3;125;250;500;1000;2000;4000;8000;16000 Гц.

В зависимости от изменения по времени различают постоянный шум, под которым понимается шум, при котором уровень звука за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ(А). Если это изменение составляет более 5 дБ(А), то шум считается непостоянным.

Непостоянные шумы в свою очередь делается на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные (см. рис.5).

3. ОСНОВНЫЕ АКУСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Звуковые волны переносят энергию. Средний поток энергии в какой-либо точке среды характеризуется интенсивностью звука (количеством энергии, переносимом звуковой волной за ед. времени через ед. площади поверхности нормальной к направлению распространения волны).

Интенсивность звука выражается

,

где звуковое давление, плотность среды, скорость звука в среде.

Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха и вызываемые ее ощущения зависят от звукового давления. Звуковое давление – дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости при нахождении там звуковой волны.

В реальных условиях величины звукового давления и интенсивности звука, генерируемые различными источниками шума, меняются в широких пределах: по давлению – до раз, по интенсивности – до раз. В соответствии с законом Вебера-Фехнера прирост силы ощущения слухового анализатора прямо пропорционален относительному приращению раздражителя.

Для характеристики уровня шума используют не непосредственно значения интенсивности звука и звукового давления, а их логарифмические значения. Они называются уровнем интенсивности звука и уровнем звукового давления.

Уровень интенсивности звука определяется выражением

,

где – уровень интенсивности ();

– интенсивность звука,;

– интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (на частоте ).

Человеческое ухо, а также многие акустические приборы реагируют не на интенсивность звука, а на звуковое давление, уровень которого определяется выражением

,

где – звуковое давление ();

– пороговое звуковое давление (на частоте ).

Характеристикой постоянного шума являются уровни звукового давления (L, дБ) в октавных полосах частот и среднегеометрическими частотами 63, 125, 500, 1000, 4000, 8000 Гц, определяемые по формуле

При ориентировочной оценке в качестве характеристики постоянного широкополосного шума допускается использовать общий уровень звука в дБА, определяемый по шкале А шумомера

,

где - среднеквадратическое значение звукового давления с учетом коррекции А шумомера.

Характеристикой непостоянного щума является интегральный по времени критерий - эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.

Определяется он в соответствии с формулой (4)

, (4)

где - время осреднения.

Допускается в качестве характеристики непостоянного шума использовать дозу шума или относительную дозу

(5)

Доза учитывает акустическую энергию воздействия на человека за определенный период времени.

Относительная доза определяется зависимостью

, (6)

где (7)

здесь - допустимый уровень звука,

- время рабочей смены.

Соотношение между эквивалентным уровнем звука и относительной дозой шума (при допустимом уровне звука 85 дБА) в зависимости от времени действия шума приведено в табл. 1.

Таблица 1

Относительная доза, %	Эквивалентные уровни звука, дБА
Время действия
8 ч	4 ч	2 ч	1 ч	30 мин	15 мин	7 мин
3,2

4. НОРМИРОВАНИЕ ШУМОВ

Для защиты человека от неблагоприятного воздействия шума необходимо регламентировать его интенсивность, спектральный состав, время воздействия. Эту цель преследует санитарно-гигиеническое нормирование.

Нормирование допустимых уровней шума производится для различных мест пребывания населения (производство, дом, места отдыха) и основывается на ряде документов:

ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Общие требования безопасности,

ГОСТ 12.1.036-81 ССБТ. Шум. Допустимые уровни в жилых и общественных зданиях.

СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

Санитарные нормы допустимого уровня шума на промышленных предприятиях и в жилых зданиях существенно различны, т. к. в цехе рабочие подвергаются воздействию шума в течение одной смены - 8 часов, а население крупных городов - почти круглосуточно. Кроме этого, необходимо учитывать во втором случае присутствие наиболее ранимой части населения - детей, пожилых, больных.

Допустимым считается уровень шума, который не оказывает на человека прямого или косвенного вредного и неприятного действия, не снижает его работоспособность, не влияет на его самочувствие и настроение.

Санитарные нормы допустимого шума в жилых помещениях разработаны Московским НИИ гигиены им. Ф.Ф. Эрисмана при участии НИИ строительной физики. Нормы устанавливают параметры шума для различных мест и условий пребывания людей (активный отдых, сон, учебный процесс, речевое общение, умственная работа, восстановление здоровья и т.д.).

В нормативные показатели исходя из характера шума и места расположения объектов можно вносить поправки, колеблющиеся от -5 до +10 дБА. Нормативные уровни с учетом соответствующих поправок называются допустимыми уровнями. С ними и сопоставляются фактические уровни звука в конкретной ситуации.

При нормировании шума используют два метода: нормирование по предельному спектру шума и нормирование уровня звука в дбА.

Нормирование по предельному спектру. Этот метод является основным для постоянных шумов. Здесь нормируются уровни звуковых давлений в 8 октавных полосах частот с fсг = 63, 125, 250...8000 Гц. Совокупность восьми допустимых уровней звукового давления и называется предельным спектром (ПС).

Для каждой категории рабочих мест (конструкторские бюро, лаборатории, цеха и т.п.) регламентирован свой предельный спектр шума. Допустимые уровни звукового давления на рабочих местах приведены в ГОСТ 12.1.003-76.

Из рисунка видно, что с ростом частоты (более неприятный шум) допустимые уровни уменьшаются. Каждый из спектров имеет свой индекс, например, ПС-80, где «80» - допустимый уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц.

Нормирование уровня звука в дБА. Этот метод используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, когда мы не знаем спектра шума.

Уровень звука (дБА) связан с предельным спектром зависимостью

L_A = ПС + 5

Для тонального и импульсного шумов допустимые уровни должны приниматься на 5 дБ меньше нормативных значений для постоянного шума.

Нормируемыми параметрами для постоянных шумов являются допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот (L, дБ) и уровни звука (L_А, дБА). Для непостоянных шумов – эквивалентные и максимальные уровни звука, а также дозы шума.

Допустимые уровни постоянного шума на рабочих местах в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 приводятся в виде предельных спектров (ПС) уровней звукового давления или допустимых уровней звука в зависимости от вида трудовой деятельности или рабочего места.

Для непостоянных шумов на производстве максимально допустимыми считаются эквивалентный уровень шума L_Аэкв = 80 дБА или доза D = 1 Па²_*час.

Допустимые эквивалентные и максимальные уровни звука для жилых и общественных зданий и их территорий следует принимать в соответствии с табл.3.

Допустимые уровни шума от внешних источников в помещениях устанавливаются при условии нормативной вентиляции помещений (при открытых форточках и фрамугах).

Уровни шума, создаваемого в помещениях и на территориях к ним прилегающих, системами кондиционирования, отопления и вентиляции следует принимать на 1 дБ ниже, указанных в табл.3, а допустимые уровни тональных и импульсных шумов на 5 дБ ниже приведенных в табл.2.

Таблица 3

Допустимые уровни звука

№ п/п	Назначение помещений или территорий	Время суток	LА, LАэкв, дБА	LАmax, дБА
	Палаты, кабинеты больниц	С 7 до 23 С 23 до 7
	Жилые комнаты, учебные аудитории	С 7 до 23 С 23 до 7
	Номера гостиниц и комнаты общежитий	С 7 до 23 С 23 до 7
	Залы магазинов, вокзалов, аэропортов, предприятий быт. обслуживания	С 7 до 23
	Площадки отдыха на территории больниц и санаториев	С 7 до 23
	Площадки отдыхов на территории микрорайонов, домов отдыха, детсадов и учебных заведений	С 7 до 23
	Территории, непосредственно прилегающие к жилым домам, детским и учебным заведениям	С 7 до 23 С 23 до 7
	Территории, прилегающие к зданиям гостиниц и общежитий	С 7 до 23 С 23 до 7

5. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИСТОЧНИКОВ ШУМА

Любой источник шума характеризуется:

Звуковой мощностью P, т.е. общим количеством звуковой энергии, излучаемой им в единицу времени [Вт]. Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью S, то звуковая мощность источника определится как

, (8)

где - нормальная к излучающей поверхности составляющая интенсивности звука, которая связана со звуковым давлением следующей зависимостью

В паспорте на устройство обычно приводится не сама звуковая мощность, а ее уровни, в октавных полосах частот.

, (10)

где Вт - пороговое значение звуковой мощности.

Второй характеристикой источника шума является направленность излучения, которая характеризуется фактором направленности

, (11)

где - интенсивность в данной точке.

В расчетных зависимостях часто используют показатель направленности G, который определяется зависимостью

(12).

Зная уровень звуковой мощности источника шума и его фактор направленности, можно определить ожидаемый уровень звука, генерируемый данным источником, в любой интересующей точке акустического пространства.

6. МЕТОДИКА АКУСТИЧЕСКОГО РАСЧЕТА

При проектировании жилых районов новых предприятий и цехов для обеспечения допустимых уровней звука необходимо провести акустический расчет, основными моментами которого являются:

1. определение уровней звукового давления в расчетной точке по известным характеристикам источников шума;

2. определение необходимости снижения шума сравнением полученных результатов с нормативными параметрами;

3. разработка мероприятий по снижению шума до допустимых пределов.

Акустический расчет проводится на основе зависимости, определяющей интенсивность шума J, возбуждаемого источником шума со звуковой мощностью P в расчетной точке:

, (13)

где - фактор направленности;

- площадь акустической сферы, проходящей через расчетную точку ;

- коэффициент, учитывающий затухания шума в воздухе.

Разделив обе части уравнения на , соответствующее порогу слышимости, и прологарифмировав их, можно получить расчетную зависимость для определения искомого уровня звукового давления в свободном звуковом поле

, (14)

здесь - уровень звуковой мощности источника шума;

- снижение уровня звуковой мощности на пути распространения звука (при отсутствии препятствий, при м, ), которое можно определить по зависимости

, (15)

где - затухание звука в атмосфере, зависит от частоты (см. табл. 4),

- расстояние от источника до расчетной точки в метрах.

Таблица 4

, Гц
, дБ/км	0,2	0,3	0,7	1,6	4,0	9,7	27,6

Расчет производится для каждой из восьми октавных полос.

Найденные значения уровней сравниваются с допустимыми () и определяется требуемое снижение шума в дБ.

.

При наличии источника шума в помещении звуковые волны многократно отражаются от стен, потолка и различных предметов, при этом увеличение шума достигает 10-15 дБ. В этом случае основная расчетная зависимость принимает вид суммы интенсивности прямого () и отраженного шума ():

, (16)

где - постоянная помещения, равная [м²];

- эквивалентная площадь поглощения, равная [м²];

- средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения.

Проделав ту же операцию, что и в предыдущем случае, получим выражение для проведения акустического расчета:

, (17)

Если источник шума и расчетная точка разделены препятствием (перегородка, кабина и т.п.), то в формуле нужно учесть снижение уровня звуковой мощности . Требуемое снижение шума определяется как и ранее.

Чтобы определить в расчетной точке уровень звукового давления, создаваемого несколькими источниками шума, необходимо воспользоваться соотношением:

при (18)

При нескольких источниках шума такое суммирование производится последовательно, начиная с наибольших интенсивностей.

В случае нескольких (n) одинаковых источников шума, можно воспользоваться зависимостью

(19)

7. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ОТ ШУМА

Методы и средства защиты от шума весьма разнообразно, их классификации приведены в ГОСТе 12.1.029-80. В обобщенном виде классификация указанных средств представлена на рис.4.

Наиболее радикальным и приоритетным направлением в борьбе с шумом является снижение шума в источнике его возникновения, которое реализуется на этапе проектирования оборудования приборов и устройств.

Для уменьшения механических шумов рекомендуется:

· применять подшипники скольжения вместо подшипников качения;

· замена в приводах прямозубых шестерен косозубыми (10-15 дБ), цепных передач - клиноременными (10-15 дБ);

· применение незвучных материалов - пластмассы, слоистые материалы;

· модификация инструмента (оптимальная форма режущего инструмента

· заостренная кромка пуансона, угла наклона и зазора между зубьями, радиальные прорези и уменьшение биений дисковых пил);

· применение методов борьбы с вибрацией (отстройка от резонанса, вибродемпфирование, динамическое гашение колебаний).

Уменьшения аэродинамических шумов, как правило, можно достичь за счет уменьшения скорости движения потока, улучшения аэродинамической формы обтекаемых поверхностей и каналов, изменением характера движения (турбулентного на ламинарный). Часто этих мер оказывается недостаточно, а в ряде случаев их невозможно осуществить, тогда основное снижение аэродинамического шума достигается звукоизоляцией и установкой глушителей.

Глушение шума

Глушители шума применяются в основном для уменьшения шума различных аэродинамических установок и устройств. Они устанавливаются на воздуховодах, каналах, соплах и подразделяются на абсорбционные (поглощающие звуковую энергию), реактивные (отражающие звуковую энергию обратно к источнику) и комбинированные.

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

Снижение уровня электромагнитных шумов осуществляется конструктивными изменениями в электрических машинах, в частности, для трансформаторов применяются более плотная прессовка пакетов и используются демпфирующие материалы.

Если исчерпаны возможности уменьшения шума в источнике его возникновения, используют средства защиты на пути распространения воздушного и (или) структурного шума. Распространение воздушного шума от источника уменьшают за счет звукоизоляции, а отраженный шум за счет звукопоглощения.

Звукоизоляция - осуществляется установкой ограждающих конструкций на пути распространения шума и выполняется в виде перегородок, кожухов, экранов, кабин. В основу звукоизоляции положен акустический эффект отражения звуковых волн от преграды. Звукоизолирующие свойства ограждения характеризуются коэффициентом звукопроницаемости, представляющим собой отношение звуковой мощности, прошедшей через преграду (Pпр) к падающей мощности ():

Звукоизолирующая способность ограждения выражается величиной:

При устройстве звукоизолирующих преград необходимо учитывать, что шум очень легко проникает через отверстия и щели, поэтому герметизация конструкций является одним из необходимых условий для создания хорошей изоляции. Звукоизоляция эффективна для средних и высоких звуковых частот.

Экранирование шума.

Экраны устанавливают между источником шума и рабочим местом. Эффект экранирования основан на образовании за ним области тени, куда звуковые волны проникают лишь частично. Эффективность экранирования зависит от соотношения между размерами экрана и длиной волны l: чем больше длина волны, тем меньше при данных размерах область тени за экраном, следовательно, тем меньше снижение шума. Поэтому экраны применяют в основном для защиты от средне- и высокочастотного шума. На низких частотах (l велика) экраны малоэффективны, так как за счет эффекта дифракции звук легко их огибает.

Эффективность экрана тем выше, чем меньше расстояние от экранируемого рабочего места до источника шума.

Экраны эффективны, когда отсутствуют огибающие его отраженные волны, т.е. либо на открытом воздухе, либо в облицованном помещении, т.е. помещении, подвергнутом акустической обработке.

Звукопоглощение - основано на том, что звуковые волны, падающие на преграды, в большей или меньшей степени поглощаются с переходом механической энергии в тепловую. Звукопоглощение может быть достигнуто внутри здания облицовкой стен и потолка звукопоглощающими материалами и установкой объемных звукопоглотителей, а для аэрогазодинамических агрегатов - установкой специальных глушителей (активного типа).

Эффективность звукопоглощения зависит от удельной доли отраженных шумов в помещении, которая в свою очередь определяется объемом, геометрией и типом (жесткостью) помещения.

Акустическая обработка помещений.

Этот метод основан на том факте, что интенсивность шума в помещениях зависит не только от прямого, но и от отраженного звука. В случаях, когда нет возможности уменьшить прямой звук, для снижения шума можно уменьшить энергию отражаемых волн. Это достигается увеличением эквивалентной площади звукопоглощения путем размещения на его внутренних поверхностях звукопоглощающих облицовок, а также установки в помещениях штучных звукопоглотителей.

Процесс поглощения звука происходит за счет перехода энергии колеблющихся частиц воздуха в теплоту за счет 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 быть незамкнутыми, чтобы не препятствовать проникновению звуковой волны в толщу материала.

Свойствами звукопоглощения обладают все строительные материалы. Однако звукопоглощающими материалами и конструкциями принято называть только те, у которых коэффициент звукопоглощения a на средних частотах больше 0,2. Это прежде всего такие материалы как ультратонкое стекловолокно, минеральная вата, древесноволокнистые плиты, пористый поливинилхлорид, различные пористые жесткие плиты на цементной вяжущей основе и др.

Рис. Штучные звукопоглотители Рис. Звукопоглощающая облицовка: 1 - защитный перфорированный слой, 2 - защитная стеклоткань, 3 - звукопоглощающий материал, 4 - воздушный промежуток.

У таких материалов как кирпич, бетон коэффициент звукопоглощение маn (a = 0,01 ¸ 0,05).

Звукопоглощающие облицовки снижают шум на 6-8 дБ в зоне отраженного звука (вдали от источника) и на 2-3 дБ вблизи источника. Но на высоких частотах облицовки эффективнее (8-10 дБ), таким образом, они позволяют сделать шум более глухим и, следовательно, менее раздражающим.

Разнообразны архитектурно-планировочные и организационно - технические методы защиты от шума.

Рациональная планировка производственных площадей с точки зрения уменьшения шума на рабочих местах включает следующие мероприятия:

· размещение производств, создающих шум с уровнем звукового давления более 90 дБ, в изолированных зданиях и помещениях, фундамент

· которых имеет акустические разрывы;

· наличие между "шумными цехами" свободных зон, которые обычно озеленяют;

· оборудование и станки объединяются по степени шумности и размещаются по возможности в отдельных помещениях, а если это невозможно, то устанавливают специальное ограждение (разделительное);

· расположение помещений с повышенной шумностью с наветренной стороны.

Разнообразны шумозащитные мероприятия в городской среде:

- оптимальная планировка микрорайонов;

- специальные полосы зеленых насаждений;

- проектирование шумозащитных зданий и сооружений;

- оптимизация транспортных потоков.

При недостаточной эффективности коллективных средств защиты используются средства индивидуальной защиты (СИЗ) от шума. Согласно ГОСТ 12.4.011-75 они подразделяются на вкладыши, наушники и шлемофоны.

Вкладыши - наиболее простое средство защиты, и бывают жесткие, в виде конуса из резины или пластмассы, или мягкие из различных сортов ваты, пропитанной маслом или воскообразной мастикой.

Наушники - наиболее распространены среди рабочих шумных профессий (клепальщики, жестянщики и т.д.), хорошо поглощают высокочастотный шум.

Шлемофоны - применяются при L > 120 дБ и предохраняют не только уши, но и всю черепную коробку (мозг).

При уровнях звука L ³ 135 дБА используются противошумные костюмы (типа жесткого скафандра).

Дата добавления: 2014-01-05