Основные теоретические положения

ТЕМА 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ШУМОВ В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ

ЦЕЛЬ.Провести измерение параметров шума. Дать оценку эффективности звукоизолирующих материалов. Определить изменение уровня звукового давления при использовании звукопоглощающего короба и звукоизолятора.

Основные теоретические положения

В настоящее время защита человека от шума стала одной из актуальных проблем. Даже беглый анализ системы «человек – машина – окружающая среда» дает основание считать одной из приоритетнейших проблем взаимодействия человека с окружающей средой, особенно на локальном уровне (цех, участок), проблему шумового загрязнения среды [1].

Это является следствием возрастания интенсивности шума в результате внедрения в промышленность новых технологических процессов, роста мощности оборудования и машин [1].

С физиологической точки зрения шум – это всякий неблагоприятно воспринимаемый звук, оказывающий влияние на весь организм человека. Шум с уровнем звукового давления до 30-35 дБ привычен для человека и не беспокоит его, повышение этого уровня до 40-70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, при длительном воздействии может стать причиной неврозов. Воздействие шума с уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха – профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, и при еще более высоких (более 160 дБ) смерть [1].

Длительное воздействие шума может привести к ухудшению слуха, а в отдельных случаях – к глухоте. Шумовое загрязнение среды на рабочем месте неблагоприятно воздействует на работающих: снижается внимание, увеличивается расход энергии при одинаковой физической нагрузке, замедляется скорость психических реакций и т.п. В результате снижается производительность труда и качество выполняемой работы [1].

Знание физических закономерностей процесса излучения и распространения шума позволяет принимать решения, направленные на снижение его негативного воздействия на человека.

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 воздействуют 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.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие наличия в ней какого-либо возмущающего воздействия. Скорость, с которой распространяется звуковая волна, называется скоростью звука. Скорость звука с (м/с) зависит только от характеристик среды распространения и может изменяться в очень широких пределах [3]:

, (1.1)

где ρ − плотность среды, кг/м³; К – модуль объемной упругости среды, Па.

В воздухе при температуре 20 °С скорость звука составляет 340 м/c.

Любое колебательное движение характеризуется частотой f и периодом колебаний T. Период колебаний T=1/f соответствует временнóму интервалу, через который в каждой точке пространства временнóе развитие колебаний будет повторяться. Этому временнóму интервалу будет соответствовать пространственный интервал повторения волновой картины, так называемая длина волны λ=c/f. В частотном диапазоне звуковых колебаний длины волн изменяются от нескольких десятков метров до нескольких сантиметров.

Область пространства, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением Р и измеряется в паскалях (Па). Так как звуковое давление есть функция времени, то для его оценки используется усредненная величина (средний квадрат звукового давления, получаемый усреднением мгновенных значений р² на некотором интервале времени Т₀) [3]. Такое усреднение осуществляется и в нашем слуховом аппарате со временем усреднения порядка нескольких миллисекунд.

В зависимости от способа возбуждения колебаний различают [1]:

- плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

- цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

- сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний типа пульсирующий шар.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии, который характеризуется интенсивностью звука I (Вт/м²). Интенсивность связана со звуковым давлением P соотношением [1, 3, 5]:

(1.2)

Для сферической волны от источника звука с мощностью W интенсивность звука на поверхности сферы радиуса r равна:

(1.3)

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

Выражение (1.3) предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечного источника, размеры которого малы по сравнению с излучаемыми им волнами. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т.е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность характеризуется коэффициентом Ф – фактором направленности, показывающим отношение интенсивности звука I, создаваемой направленным источником в данной точке, к интенсивности I_ср, которую развил бы в этой же точке источник, имеющий среднюю звуковую мощность W_ср и излучающий звук в атмосферу одинаково. Фактор направленности находят по формуле [3]:

, (1.4)

где I – интенсивность звука, создаваемая направленным источником в данной точке (Вт/м²); I_ср − интенсивность звука, которую развил бы в этой же точке источник, имеющий среднюю звуковую мощность (Вт/м²); W – звуковая мощность в данной точке (Вт); W_ср − средняя звуковая мощность (Вт).

Уровни звукового давления, создаваемые одной и той же машиной, могут существенно отличаться в зависимости от условий установки: в помещении, на открытом воздухе, звуковая мощность остается неизменной.

В практике акустических измерений звуковое давление и интенсивность звука могут меняться в очень широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Поскольку оперировать многозначными числами неудобно, а также вследствие способности уха человека оценивать не абсолютное, а относительное изменение звукового давления, введены понятия уровня звукового давления и интенсивности, которые выражается в децибелах (дБ) следующими зависимостями:

, (1.5)

где Р − среднеквадратичная величина звукового давления в точке измерения [Па]; Р₀ − исходное значение звукового давления в воздухе равное 2×10^-5 [Па].

, (1.6)

где I₀ − пороговая интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте f =1000 Гц (I₀= 2×10^-12 Вт/м²).

Восприятие звука человеческим ухом представляет собой сложный процесс. Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с разными частотами. На рисунке 1.1 представлены предельные значения уровней звукового давления, изображенные в виде двух кривых. Нижняя кривая соответствует порогу (началу) слышимости. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 800 Гц до 4000 Гц, где она практически постоянна [1]. Чтобы услышать низкий тон с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой 1000 Гц. Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения. Область, находящаяся между этими кривыми называется областью слухового восприятия.

Рис.1.1. Слуховое восприятие человека

Стандартным порогом слышимости называют эффективное значение звукового давления, создаваемого гармоническим колебанием с частотой 1 кГц, едва слышимым человеком со средней чувствительностью слуха. Стандартному порогу слышимости соответствует звуковое давление 2×10^-5 Па или интенсивность звука 1×10^-12 Вт/м². Верхний предел звуковых давлений, ощущаемых слуховым аппаратом человека, ограничивается болевым ощущением и принят равным 20 Па (интенсивность – 1 Вт/м²) [1].

Зависимость уровней звукового давления и интенсивности от частоты называется предельным спектром. При исследовании шумов обычно слышимый диапазон 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. Полоса частот, верхняя граница которой превышает нижнюю в два раза ( ), называется октавой. Для более детального исследования шумов иногда используются третьеоктавные полосы частот, для которых .

Октавная или третьеоктавная полоса обычно задается среднегеометрической частотой: .

Существует стандартный ряд среднегеометрических частот октавных полос, в которых рассматриваются спектры шумов.

Таблица 1.1