Характеристика шума и методика акустического расчета

Лабораторная работа №11

Измерение звуковой мощности источника шума

Цель работы

Изучить аппаратуру для измерения уровня шума, провести измерение фонового уровня шума в помещении, провести измерения уровня шума при включенном электромеханическом или электронном устройствах, определить его звуковую мощность, рассчитать уровень шума в расчетной точке.

Содержание работы

- Изучить принципы нормирования уровня шума в производственном помещении;

- Измерить шумовые характеристики помещения учебной лаборатории и сравнить их с требованиями санитарных норм;

- Измерить дополнительные шумы вносимые электромеханическим или электронным устройством и определить шумовую характеристику этого устройства;

- Рассчитать дополнительные шумы, вносимые в рабочую точку источниками дополнительных шумов.

Характеристика шума и методика акустического расчета

Шумом называют всякий нежелательный (мешающий) для человека звук.

Защита человека от шума является одной из актуальных проблем по ослаблению действия вредного фактора на его здоровье. Шум действует на центральную нервную систему, оказывая неблагоприятное влияние на организм человека. Центральная нервная система является информационной системой организма и требует для своего функционирования достаточно много энергии. Если поток информации стационарен, то происходит привыкание (аккомодация) к стационарным условиям и затраты на поддержание функционирования центральной нервной системы резко снижаются. Шум не является стационарным процессом, он контрастирует с полезным звуковым информационным полем и потому происходит дополнительная перегрузка деятельности центральной нервной системы. Лишние траты энергии организма на реакцию организма на шум приводят к утомляемости, результатом чего становится увеличение числа ошибок в работе, возникновению травм, прогрессирующая потеря слуха при длительных шумовых воздействиях.

С позиций физики шум (звук) - это акустические продольные волны в диапазоне слышимых частот 20Гц …20кГц, характеризующиеся перепадом давления Dp относительно атмосферного p_атм = 101 кПа.

Звуковое давление Dp (Па) – разность между мгновенным значением полного давления в воздухе и средним статическим давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля (атмосферным - в обычных условиях). В фазе сжатия звуковое давление положительно, а в фазе разряжения – отрицательно. Измерительный датчик звукового давления в шумомере – микрофон.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Поток звуковой энергии E (Дж) в единицу времени t (с), отнесенный к поверхности S (м²), нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука I (Вт/м²). Для звуковой волны, распространяющейся в виде плоского фронта, имеем следующие соотношения:

I = E/tS = Dp²/rc, (1)

где r - плотность среды, кг/м³.

с - скорость звука в среде, м/с.

Для воздуха при температуре 20^оС: r = 1,20 кг/м³, с = 344 м/с;

rc - удельное сопротивление среды, для воздуха при нормальных атмосферных условиях rc = 410 Па×с / м.

С физиологической стороны шум (звук) представляет собой ощущение продольных деформаций упругой среды (сжатия и разряжения среды) в виде звуковых образов. Зависимость звукового ощущения L от интенсивности звука I сформулирована Фехнером:

L = С lg (I/I0),

здесь I0 - порог слышимости, определяемый минимальным значением интенсивности звука, при которой она ощущается звуком, С - некоторая постоянная.

Источник шума характеризуется мощностью W (Вт), т.е. количеством звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени (Дж/с). Звуковая мощность источника шума W (Вт) связана с интенсивностью шума I (Вт/м²) следующим соотношением:

где S - поверхность, через которую проходит поток звуковой энергии.

Если источник шума принять за точечный, что допустимо при расстояниях r от источника много больших геометрических размеров самого источника, то при его расположении на полу (т.е. при излучении в полусферу) звуковая мощность равна:

W = Iср S = Iср 2pr2, (2)

где Iср - интенсивность звука, усредненная по измерениям звукового давления по нескольким точкам на измерительной поверхности S в виде полусферы радиусом r.

Как физиологическое явление звук ощущается органами слуха в диапазоне частот 20Гц …20кГц. Вне этих пределов находятся неслышимые человеком инфра - и ультразвуки.

При нормировании шума используют октавные полосы частот. Полоса частот, в которой верхняя граничная частота fверх в два раза больше нижней fнижн, называется октавной. Среднегеометрическая частота fср октавной полосы выражается соотношением fср = . Измерения, акустические расчеты, нормирование производятся в полосах со среднегеометрическими частотами 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Степень восприятия зависит от амплитуды звукового колебания. Так на частоте 1000 Гц ощущение звука начинается с перепадов давления с амплитудой Dpо = 2 10-5 Па. Величину Dpо называют порогом слышимости. Тогда интенсивность звука (1), соответствующая порогу слышимости, равна Io = 10-12 Вт/м2.

Для объективной оценки характеристики шума были введены логарифмические величины :уровень интенсивности LI, уровень звукового давления Lp, что соответствует закону Фехнера,

LI = 10×lg(Iср/Io), Io = 10-12 Вт/м2 (3a)

Lp= 10×lg (Dp/Dpo)2, Dpо = 2×10-5 Па (3b)

Для характеристики звуковой мощности источника шума используется уровень мощности шума LW

LW= 10×lg (W/Wo), Wo = 10-12 Вт (3c)

При нормальных атмосферных условиях LI = Lp = L. Поэтому для краткости используют термин уровень шума L, опуская индексы I, p. Уровень шума характеризует степень ощущения или степень информационного воздействия энергии шума на человека.

Приборы, измеряющие уровень шума, основаны на измерении звукового давления Dp в определенной точке. Чувствительным элементом, реагирующим на изменение давления Dp, является микрофон. Измеряемое звуковое давление зависит от мощности источника шума и от расстояния от этого источника.

Уровень мощности шума источника LW характеризует мощностные шумовые свойства источника и является величиной, независимой от расстояния, так как W и Wo постоянные величины.

Характеристиками источника шума, которые указываются в технической документации на изделие, являются:

Рис.1

Уровни мощности шума LW в октавных полосах частот.

Характеристики направленности излучения источника шума.

В основе расчетной формулы для определения LW лежит выражение (2) Для точечного источника шума значение LW определяют по результатам нескольких измерений уровня шума Lср на поверхности S, в качестве которой обычно применяют площадь полусферы радиусом R (рис.1)

LW = Lср+ 10×lg(S/S_o) = Lср+ 10×lg(2pR²), (4)

где Lср - средний уровень измеренного звукового давления по ряду точек на измерительной поверхности S (м²), S₀ = 1м².

При проектировании и эксплуатации промышленных помещений рассчитывают ожидаемые уровни шума Lp, которые будут на рабочих местах (в расчетных точках) с тем, чтобы сравнить их с нормами допустимого уровня шума и в случае необходимости принять меры к тому, чтобы этот шум не превышал допустимого. Акустический расчет проводится в каждой из восьми октавных полос с точностью до десятых долей децибел. Результат округляется до целого числа.

Для помещений с источником шума расчет включает:

а) выявление n-ого количества источников шума и значений L_Wi их уровней шумовой мощности в октавных полосах частот;

б) выбор расчетных точек и определение расстояний ri от i-того источника шума до расчетной точки (рабочего места);

в) вычисление или определение по справочным данным постоянной B анализируемого помещения для каждой октавной полосы.

г) расчет уровня шума Lp в расчетной точке.

Звуковые волны от источника шума в помещениях многократно отражаются от стен, потолка и различных предметов. Отражения обычно увеличивают шум по сравнению с шумом того же источника на открытом воздухе. Интенсивность шума I в расчетной точке помещения складывается из интенсивности прямой звуковой волны от источника Iпр и интенсивности отраженного звука Iотр:

I = I_пр + I_отр = + ,

где В - постоянная помещения (см. Прилож. 2).

Для помещения, в котором установлено несколько источников (n) шума с одинаковой звуковой мощностью W, интенсивность в расчетной точке равна:

(5)

где ri - расстояние от акустического центра i-того источника шума до расчетной точки. Акустический центр источника шума определяется координатами проекции геометрического центра источника на горизонтальную плоскость.

Значение уровня шума L в расчетной точке получим, разделив выражение (5) на Io = W₀S₀ (S₀ = 1м²) и логарифмируя:

L = 10×lg = LW + 10×lg( + ), (6)

При наличии акустических волн от n некоррелированных источников шума, которые создают в расчетной точке среднеквадратическое давление Dp равное сумме парциальных давлений Dpi (i = 1,2,...,n)

Dp2 =

Уровень звукового давления для нескольких источников равен:

Lp = 10 lg(Dp/Dpo)² = 10 lg( ) = 10 lg( )

где Lpi уровень звукового давления от i-того источника в расчетной точке.

Пример: Расчитать уровень шума Lp в расчетной точке, который создается шумовым фоном Lф = 50 дБ и шумом от источника L = 57,2 дБ.

Lp = 10 lg(100,1 Lф+100,1 L) = 10 lg(100,1×50 + 100,1×57,2) = 58 дБ. (7)

Указания по технике безопасности

1. Не включать стенд без проверки преподавателем.

2. При обнаружении неисправности в работе источника шума или шумомера прекратить работу и сообщить об этом преподавателю.

Описание лабораторной установки и приборов

На лабораторном стенде установлен источник шума (электродвигатель, принтер, электровентилятор или другой тип источника). На расстоянии 1,1 м от источника шума находится микрофон, укрепленный на металлической штанге. Вращением штанги изменяют положение микрофона по одной из траекторий сферы вокруг источника шума.

Измеритель уровня шума ВШВ в лабораторной работе предназначен для измерения действующих значений уровня звукового давления в октавных полосах частот. Инструкция для работы с шумомером находится при стенде.

Порядок проведения работы

1. Ознакомиться с инструкцией по использованию шумомера (приложение №3). Включить шумомер и убедиться в его работоспособности. Произвести начальную установку переключателей и кнопок на передней панели прибора:

ü Для сглаживания шумовых всплесков в лаборатории, рекомендуется установить переключатель Род работы в положение S.

ü Переключатель ФЛТ,Hzустановить в положении ОКТ.

ü Все кнопки в нижнем ряду должны быть отжаты.

ü При нажатой кнопке выбора частотного диапазона включаются фильтры среднегеометрических частот в «Гц», при отжатой кнопке – в к Гц.

2. Измерить уровень шума (шумовой фон) L_ф в октавных полосах частот при отключенном источнике шума в лабораторной работе. Пользуясь инструкцией по использованию шумомера произвести измерение уровня шумового фона L_ф для октавных полос при вертикальном положении штанги с микрофоном. Результаты занести в табл. 1.

3. Включить источник шума и измерить уровни шума Lpj (j = 1,2,...) при различных (не менее трех) положениях микрофона относительно источника шума. Результаты занести в табл. 1. Вычислить средний уровень шума Lср для октавных полос.

4. По значениям Lср и Lф вычислить уровень шума Lp=Lср-Lф, создаваемого источником в каждой октавной полосе частот по формуле (7). Результаты занести в табл.1.

5. Для каждой октавной полосы рассчитать уровень мощности шума источника LW по формуле (4). Результаты занести в табл.1.

Таблица 1

Измеренные и расчетные параметры	Среднегеометрические частоты октавных частотных полос, Гц
Lф, дБ
Lp1, дБ
Lp2, дБ
Lp3, дБ
Lср, дБ
Lp=Lср-Lф, дБ
LW, дБ

6. Вычислить уровень шума L от n источников шума (с характеристиками аналогичными источнику шума на стенде лабораторной работы) в расчетной точке (на рабочем месте), находящейся на расстояниях ri. При расчетах воспользоваться выражением (6) и данными о характеристике помещения лаборатории в таблице ПРИЛОЖЕНИЯ 2. Данные о количестве источников n и расстояниях ri взять из табл.3 согласно номеру бригады исполнителей лабораторной работы. Результаты расчета занести в табл.2.

7. Учесть уровень фона Lф из табл.1 и по формуле (7) рассчитать реальный уровень звукового давления Lp в расчетной точке. Результаты расчета занести в табл.2.

8. Из таблицы приложения 1 взять допустимые значения шума на рабочем месте Lдоп, соответствующие помещению учебной лаборатории, занести их в табл.2.

9. По оси абсцисс нанести значения частоты и по оси ординат - значения шума в дБ – построить графики Lp(f) и Lдоп(f). Для этого рассчитать границы октавных частотных полос и нанести их равномерно на ось частот f. В каждой октавной полосе обозначить в виде горизонтальной полосы соответствующее значение Lp или Lдоп.

10. Сравнить полученные расчетным путем уровни шума с допустимым уровнем шумов по ГОСТ 12.1.003.83.

11. Сделать выводы.

Таблица 2

Расчетные параметры	Среднегеометрические частоты октавных частотных полос, Гц
Lw,дБ
В, м2
L, дБ
Lф, дБ
Lр, дБ
Lдоп, дБ
Lр - Lдоп,дБ

Таблица 3

Задание для выполнения акустического расчета (n – количество источников шума в помещении объемом V = 288 м³, r_i – расстояния от источника шума до расчетной точки.)

N бригады	n	r1, м	r2, м	r3, м	r4, м	Хар-ка. Помеще- ния. (табл. 5)
		3,0	5,0	7,0	9,0
		3,2	3,2	5,5	5,5
		3,1	3,1	7,8	7,8
		3,0	5,5	6,5	-
		3,5	4,8	4,8	-
		4,0	6,4	8,0	-
		4,0	8,0	-	-

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Результаты измерения спектров шума (табл. 1).

2. Вычисления среднего уровня звукового давления в каждой октавной полосе по результатам измерений шума в 3-х точках (табл. 1).

3. Сравнение полученных средних уровней звукового давления с уровнем шумового фона в каждой октавной полосе. Для дальнейшего расчета уровня звуковой мощности выделить средние уровни звукового давления шума электровентилятора, превышающие уровни звукового давления шумового фона на 3 дБ.

4. Вычисления уровней звуковой мощности в каждой октавной полосе для выделенных уровней (см. п. 3). Эти данные занести в табл.1.

5. Графическую зависимость уровня звуковой мощности от среднегеометрической частоты октавных полос.

6. Результаты акустического расчета и соответствующие графики.

Контрольные вопросы

1. Дать определение акустического шума. Действие шума на организм человека.

2. Дать определение среднегеометрической частоты и октавных полос. Почему используется такой частотный масштаб?

3. Что называют спектром шума при его нормировании?

4. Что такое звуковое давление, интенсивность шума, пороговые значения звукового давления и интенсивности?

5. Как определяются и что определяют уровни звукового давления и интенсивности шума, уровень мощности источника шума?

6. В чем заключается расчет шумовых характеристик помещения с источниками шума?

7. Что такое шумовая характеристика источника шума и как она определяется?

8. Как изменится уровень шума от одного и того же источника в открытом пространстве и в помещении?

9. Какой акустический параметр измеряет шумомер?

Литература

1. В.Т.Медведев, А.В. Каралюнец, В.В. Корочков, В.С.Малышев, А.К.Макаров. Методы и средства защиты от шума (учебное пособие). М.: Изд-во МЭИ, 1997.

2. Инженерная экология. В.Т. Медведев. М.: Гардарики, 2002.с. 96-190.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Нормативным документом, регламентирующим уровни шума для различных категорий рабочих мест служебных помещений является ГОСТ 12.1.003 - 83 "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности" (табл. 1).

Таблица 4

Нормативные значения уровней шума (ГОСТ 12.1.003.83)

	Уровень звукового давления в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц	Эквивалент. уров. шума
Рабочее место									дБА
Помещения КБ, расчетчиков, программистов вычислительных машин, лабораторий для теоретических работ и обработки экспериментальных данных, приема больных здравпунктов
Помещения управлений (рабочие комнаты)
Кабины наблюдений и дистанционного управления без речевой связи по телефону
Кабины наблюдений и дистанционного управления с речевой связью по телефону
Помещения и участки точной сборки, маш. бюро
Помещения лабораторий для проведения экспериментальных работ, помещения для размещения шумных агрегатов вычислительных машин
Постоянные рабочие места и рабочие зоны в производственных помещениях и на территории предприятий, рабочие места водителя и обслуживающего персонала грузового автотранспорта, тракторов и др. аналогичных машин

Примечание 1. Нормирование общего уровня шума, измеренного по шкале А (дБА) шумомера используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума.

Примечание 2. Для тонального и импульсного шума допустимые уровни должны приниматься на 5 дБ меньше значений, указанных в табл. 1. Уровни шума для территорий жилой и производственной застройки, а также для различных видов помещений, регламентируются Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-96 Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Значения постоянной помещения В (м²) для объема помещения V = 288 м³ (длина l = 12м, ширина b = 6м, высота h =4 м)

Таблица 5

Характеристика помещения	Среднегеометрические частоты октавных частотных полос, Гц
1. Без мебели с небольшим количеством людей (металлообрабатывающие цехи, испытательные стенды)	9,4	8,9	9,2	10,8	14,4	21,6	34,6	60,4
2. С большим количеством людей и мягкой мебели (учебные лаборатории, конструкторские залы, библиотеки)	31,2	29,8	30,7
3. Со звукопоглощающей облицовкой потолка и части стен

ПРИЛОЖЕНИЕ 3