Характеристика шума и методика акустического расчета

Лабораторная работа №11а

Определение 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 и сравнить его с допустимым, предложить методы защиты от шума.

Содержание работы

- Измерить уровни шума электромеханического или электронного устройства и рассчитать его звуковую мощность;

- Рассчитать уровни шума в заданной точке;

- Изучить принципы нормирования уровня шума в производственном помещении;

- Измерить шумовые характеристики рабочих мест в помещении учебной лаборатории и сравнить их с требованиями санитарных норм

Таблица 1.1

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

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

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

(5)

где r_i - 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 I_o = W_oS_o (S_o = 1м²) и логарифмируя:

L = 10×lg = L_W + 10×lg( + ), (6)

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

DP² =

Уровень звукового давления для нескольких источников равен:

L_p = 10 lg(Dp/Dp_o)² = 10 lg( ) = 10 lg( )

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

Пример: Раcсчитать уровень шума L_p в расчетной точке, который создается шумовым фоном L_ф = 50 дБ и шумом от источника L = 57,2 дБ.

L_p = 10 lg(10^{0,1 Lф}+10^{0,1 L}) = 10 lg(10^0,1×50 + 10^0,1×57,2) = 58 дБ. (7)

Расчет по формуле (11.6) предполагает определение уровня шума для восьми октавных полос и последующее сравнение результатов расчета с допустимыми значениями уровнями звукового давления (Приложение 1)

Способы защиты от шума

По отношению к источнику возбуждения шума коллективные средства защиты подразделяются на средства, снижающие шум в источнике его возникновения, и средства, снижающие шум на пути его распространения от источника до защищаемого объекта. Снижение шума в источнике осуществляется за счет улучшения конструкции машины или изменения технологического процесса.

Изменение направленности излучения шума. В ряде случаев величина показателя направленности G достигает 10 - 15 дБ, что необходимо учитывать при использовании установок с направленным излучением, ориентируя эти установки так, чтобы максимум излучаемого шума был направлен в противоположную сторону от рабочего места.

Рациональная планировка предприятий и производственных помещений позволяет снизить уровень шума на рабочих местах за счет увеличения расстояния до источников шума.

При планировке территории предприятий наиболее шумные помещения должны быть сконцентрированы в одном - двух местах. Расстояние между шумными и тихими помещениями должно обеспечивать необходимое снижение шума.

Акустическая обработка помещения – это облицовка части внутренних ограждающих поверхностей звукопоглощающими материалами, а также размещение в помещении штучных поглотителей, представляющих собой свободно подвешиваемые объемные поглощающие тела различной формы.

Звукоизоляция достигается созданием герметичной преграды на пути распространения воздушного шума в виде стен, кабин, кожухов, экранов.

Звукоизолирующие свойства ограждения, установленного на пути распространения звука, характеризуются величиной, называемой звукоизоляцией ограждения.

Эффективность снижение шума звукоизоляцией определяется звукоизолирующими свойствами материала преграды, площадью, толщиной и массой преграды, отсутствием отверстий и щелей, частотой изолируемого звука. Чем больше масса конструкции, тем лучше ее изолирующие свойства, и чем выше частота изолируемого звука, тем больше эффект звукоизоляции при той же массе конструкции.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) применяются в том случае, если другими способами обеспечить допустимый уровень шума на рабочем месте не удается. СИЗ включают в себя противошумные вкладыши (беруши), наушники, шлемы и каски, специальные костюмы.

Экспериментальная часть

Методика определения уровня звуковой мощности источника

Уровень звуковой мощности источника рассчитывается по результатам измерения уровня шума в заданных точках. Измерения проводятся на измерительной поверхности в виде полусферы, центр которой совпадает с геометрическим центром источника шума. Площадь полусферической поверхности определяется по формуле.

S=2pR²

где R – радиус измерительной поверхности, м.

При стандартизированных измерениях используют не менее 10 точек измерений, равномерно рассредоточенных на измерительной поверхности. На учебном стенде семь точек измерения находятся на дуге, имитирующей полусферическую измерительную поверхность.

Для непостоянных шумов измеряются эквивалентные уровни звука L_Аэкв, дБА по шкале шумомера ,,А”

При этом на шумомере должна быть установлена временная характеристика ,,S” (медленно).

При измерениях уровня шума в учебной лаборатории следует учитывать уровень шумового фона.

Поэтому измеряют:

- уровень фона (L_ф) при выключенном источнике шума;

- уровень шума при включенном источнике шума (L_ф+ист)

Затем рассчитывают уровень шума источника Lист. как разность уровней L_ф+ист и L_ф, помня, что это логарифмические величины и поэтому для вычислений следует использовать формулу 11.7

Средний уровень звука при равномерном распределении точек на измерительной поверхности вычисляется по формуле:

L_cр=10 lg( )

где L_i – уровень звука, дБА, в i-той точке измерения; n-количество точек измерения

Для оценки шумовых характеристик машин как источника шума используют уровень звуковой мощности в октавных полосах или корректированный уровень звуковой мощности L_WA в дБА.

В данной работе используется упрощенная методика определения корректированного уровня звуковой мощности по результатам измерения уровня звука по частотной характеристике «А» шумомера.

Корректированный уровень звуковой мощности L_WА, дБА, вычисляется по формуле

L_WA=L_СР+10 lg S/S₀

где S – площадь измерительной поверхности, м²,

S₀=1м².

Характеристики шумящего оборудования приводятся в технических характеристиках и позволяют рассчитать уровень шума на рабочих местах при проектировании производственных помещений.

Порядок проведения работы

1. Ознакомьтесь с описанием стенда и инструкцией по использованию шумомера приведенных выше.

2. Включите шумомер желтой кнопкой. Примечание: при разряженной батарее и отсутствии изображения на дисплее подключите блок питания к гнезду питания под заглушкой, расположенной справа и, соответственно, к электрической розетке.

3. Для сглаживания шумовых всплесков в лаборатории установить режим работы «S»

4. Включите частотный фильтр «А» нажатием на соответствующую кнопку.

5. Измерьте уровень шумового фона в точках 1-7 на дуге измерительной поверхности. При измерениях ось цилиндрического кожуха микрофона должна совпадать с радиусом, проходящим через источник шума. Результаты занесите в табл. 11.2

6. В соответствии с заданием (табл. 11.3) установите регулятор громкости в соответствующее положение и тумблером 4 включите источник шума.

7. Измерьте уровни шума в точках, направляя микрофон на источник шума. Результаты занесите в табл.11.2. Рассчитайте уровень шума источника в точках 1-7, т.е. Lист=Lф-ист – Lф и определите среднее значение уровня шума источника Lср

Примечание. Уровни звукового давления являются логарифмическими величинами и арифметические действия с ними проводятся по формулам 11.7 и 11.8

Таблица 11.2

Уровни шума и звуковой мощности (дБА)

Измеренные и рассчитанные параметры	Измерительные точки
Уровень фона Lф, дБА
Уровень шума при включенном источнике Lф+ист, дБА
Уровень шума источника Lист, дБА
Среднее значение уровня шума Lср, дБА	Lcр=10 lg( ) =
Уровень звуковой мощности LWA, дБА	LW = Lср+ 10×lg(S/So) =

Таблица 11.3

Задание к экспериментальной части лабораторной работы

Номер бригады	Положение метки уровня шума	Номер лабораторного стенда для оценки условий труда
	I II III IV V VI VII

8. Рассчитайте значение скорректированной звуковой мощности источника шума и занесите в табл.11.2

9. Измерьте уровень шума на рабочем месте лабораторного стенда в соответствии с заданием (табл. 11.3)

Для оценки параметров шума на постоянных рабочих местах производственных помещений измерения проводятся:

- на высоте 1,5 м над уровнем пола, если работа выполняется стоя,

- на высоте головы человека, если работа выполняется сидя.

Микрофон должен быть направлен в сторону источника шума и удален не менее чем на 0,5м от человека, производящего измерения.

Результаты сравните с допустимыми эквивалентными уровнями звука (Приложение 1).

Таблица 11.4

Исходные данные и результаты акустического расчета для рабочих мест производственных помещений

№ бригады	Тип помещения	LWA, дБА	V, м3	r, м	m	D0, дБА	LА, дБА	Lдоп, дБА	DLтр, дБА
	ВЦ со звукопоглощающей облицовкой
	Конструкторское бюро
	Помещение программистов
	Пост дистанционного управления
	Лаборатории для экспериментальных работ
	Лаборатории для теоретических работ
	Лекционные аудитории

Содержание отчета

Отчет должен содержать:

1. Цель работы.

2. Рисунок расположения точек измерения на измерительной поверхности

3. Измеренные уровни шума и расчет корректированной звуковой мощности (табл.11.2)

4. Результаты измерения уровня шума на заданном лабораторном стенде (табл.11.3) и сравнение с допустимым уровнем звука по шкале «А»

5. Акустический расчет в соответствии с заданием (табл.11.4)

6. Вывод и предложения по снижению уровня шума в помещении.

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: Учебник / Под ред. проф. В.Т. Медведева. - М.: Гардарики, 2002, с.96-190.

3. Каралюнец А.В., Корочков В.В. Методы и средства снижения шума на производстве. М.: Изд-во МЭИ, 1992,

4. Копылова Л.Н. Основы производственной санитарии. Часть 1. Виброакустика. М.: Издательский дом МЭИ, 2012

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. П1).

Таблица П1

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.

Лабораторная работа №11а

Определение 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 и сравнить его с допустимым, предложить методы защиты от шума.

Содержание работы

- Измерить уровни шума электромеханического или электронного устройства и рассчитать его звуковую мощность;

- Рассчитать уровни шума в заданной точке;

- Изучить принципы нормирования уровня шума в производственном помещении;

- Измерить шумовые характеристики рабочих мест в помещении учебной лаборатории и сравнить их с требованиями санитарных норм

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 Pатм = 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 = I_ср S = Iср 2pr², (2)

где I_ср - 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 f_верх в два раза больше нижней f_нижн, называется октавной. Среднегеометрическая частота f_ср октавной полосы выражается соотношением . 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 DP_о = 2 10-5 Па. Величину Dpо называют порогом слышимости. Тогда интенсивность звука (1), соответствующая порогу слышимости, равна I_o = 10-12 Вт/м².

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

L_I = 10×lg(I_ср/I₀), I₀ = 10-12 Вт/м² (3a)

L_P= 10×lg (DP/DP₀)², DP₀ = 2×10^-5 Па (3b)

Для характеристики звуковой мощности источника шума используется уровень мощности шума LW

L_W= 10×lg (W/W₀), W₀ = 10^-12 Вт (3c)

При нормальных атмосферных условиях L_I = L_P = 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 L_W характеризует мощностные шумовые свойства источника и является величиной, независимой от расстояния, так как W и W₀ постоянные величины.

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

Рис.1

1. Уровни мощности шума L_W в октавных полосах частот.

2. Характеристики направленности излучения источника шума.

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

L_W = L_ср+ 10×lg(S/S₀) = L_ср+ 10×lg(2pR²/S₀), (4)

где L_ср - 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 L_p, 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 r_i 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 L_P 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, м² (табл.1.1)

Таблица 1.1

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

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

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

(5)

где r_i - 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 I_o = W_oS_o (S_o = 1м²) и логарифмируя:

L = 10×lg = L_W + 10×lg( + ), (6)

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

DP² =

Уровень звукового давления для нескольких источников равен:

L_p = 10 lg(Dp/Dp_o)² = 10 lg( ) = 10 lg( )

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

Пример: Раcсчитать уровень шума L_p в расчетной точке, который создается шумовым фоном L_ф = 50 дБ и шумом от источника L = 57,2 дБ.

L_p = 10 lg(10^{0,1 Lф}+10^{0,1 L}) = 10 lg(10^0,1×50 + 10^0,1×57,2) = 58 дБ. (7)

Расчет по формуле (11.6) предполагает определение уровня шума для восьми октавных полос и последующее сравнение результатов расчета с допустимыми значениями уровнями звукового давления (Приложение 1)