Защита окружающей среды от механических и акустических коле-

Баний

Вибрация и шум являются упругими колебаниями твердых тел, газов и жидкостей.

Вибрация представляет собой механические колебательные движения гармонического вида в механической системе. Причиной вибрации являются возникающие при работе машин и механизмов неуравновешенные силовые воздействия.

Основными параметрами вибрации являются: частота (Гц); амплитуда смещения (м или см); виброскорость (м/с); виброускорение (м/с²); период колебаний (с).

В практике виброакустики весь диапазон частот вибрации разбивается на октавные диапазоны. В каждом октавном диапазоне верхняя граничная частота в два раза выше нижней, а средняя частота диапазона равна квадратному корню из произведения верхней и нижней частот. Средние геометрические частоты октавных диапазонов нормированы и находятся в интервале от 1 до 2000 Гц (всего 12 среднечастотных диапазонов).

По способу передачи принято различать локальную вибрацию, передаваемую через руки, и общую вибрацию, передаваемую через опорные поверхности сидящего или стоящего человека.

Наиболее опасны для человека частоты колебаний 6…9 Гц, так как они совпадают с собственной частотой колебаний внутренних органов человека.

Различают гигиеническое и техническое нормирование производственных вибраций. При гигиеническом нормировании вибрации по ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4/2.1.8.556-96 производится ограничение параметров производственной вибрации рабочих мест и поверхностей контакта виброопасных механизмов с руками работающего, исходя из физиологических требований; во втором случае осуществляется ограничение уровня вибраций с учетом технически достижимого уровня защиты от вибраций.

Нормируемые параметры локальной и общей вибраций – средние квадратичные значения виброскорости и виброускорения. Общая вибрация нормируется с учетом свойств источников ее возникновения и делится на транспортную, транспортно-технологическую и технологическую вибрации.

Вибрационные системы состоят из элементов массы, упругости и демпфирования. В такой системе действуют силы инерции, трения, упругости и вынуждающие.

Сила инерции равна произведению массы M на ее ускорение dv/dt:

F_M = - M dv/dt (7.4)

где v – виброскорость.

Сила F_M направлена в сторону, противоположную ускорению.

Сила действия упругого элемента, т.е. восстанавливающая сила, будет направлена в противоположную сторону и равна

F_G = G ∙x (7.5)

где G – коэффициент жесткости упругого элемента, Н/м; x = (x₁ – x₀) – смещение конца упругого элемента, м.

При вибрации упругих систем происходит рассеяние энергии в окружающую среду, а также в материале упругих элементов и в местах соединений деталей конструкции. Эти потери вызываются силами трения (диссипативными силами), на преодоление которых необратимо рассеивается энергия источника вибрации.

Если рассеяние энергии происходит в элементе демпфирования, т.е. в среде с вязким сопротивлением, то диссипативная демпфирующая сила FS прямо пропорциональна виброскорости v:

F_S = S v (7.6)

где S – импеданс (сопротивление) элемента демпфирования, Н.м/с.

Импеданс вибросистемы складывается из импедансов элемента демпфирования, массы и упругости. Импеданс вибросистемы имеет минимальное значение в резонансной области, где он определяется импедансом элемента демпфирования. Вне резонансной области импедансом S можно пренебречь. В диапазоне высоких частот движение определяется вибрирующей массой, M а в диапазоне низких частот – жесткостью системы G.

Коэффициент потерь энергии с учетом импеданса составит

η = ω ∙S/G (7.7)

Защита от вибрации в промышленности осуществляется воздействием на источник вибрации, путем снижения вибрации на пути ее распространения с использованием следующих методов:

1) Снижение вибрации путем уменьшения или ликвидации возмущающих сил. Это достигается путем исключения возможных ударов и резких ускорений.

2) Изменение частоты собственных колебаний источника (машины или установки) для исключение резонанса с частотой возмущающей силы.

3) Вибропоглощение (вибродемфирование) путем превращения энергии колебаний системы в тепловую энергию (использование материалов с большим внутренним трением: дерево, резина, пластмассы).

4) Виброгашение путем введения в колебательную систему дополнительных масс или увеличения жесткости системы путем установки агрегатов на фундамент.

5) Метод виброизоляции путем ввода в систему дополнительной упругой связи (пружинных виброизоляторов) для ослабления передачи вибрации объекту защиты (смежному элементу конструкции или рабочему месту).

К основным характеристикам виброзащитных систем относятся собственная частота системы, механический импеданс и коэффициенты, определяющие процессы затухания вибраций и рассеяния энергии.

Свободная вибрация (Ft = 0) в отсутствии сил трения (FS = 0) с течением времени не затухает.

При условии FM + FG = 0 определяется cобственная частота колебаний вибросистемы:

ω₀ = (G/M) (7.8)

При наличии сил трения (FS ≠ 0) свободная вибрация (Ft = 0) затухает. Амплитуда виброскорости при этом с течением времени убывает.

Отношение потока энергии на входе в защитное устройство (ЗУ) и на выходе из него W+/W- называют силовым коэффициентом защиты при виброизоляции:

k_F = W^*/W (7.9)

Степень защиты также динамическим коэффициентом защиты kΧ, равным отношению амплитуды смещения источника к амплитуде смещения приемника.

В общем случае энергетический коэффициент защиты можно выразить в виде

k_W = k_F ∙ k_Χ (7.10)

В общем случае эффективность виброизоляции

e=10 ∙lg k_W=10 ∙lg[η²+(ω²/ω₀² - 1)²]–10 ∙lg(1+ η²) (7.11)

Если потери в защитном устройстве отсутствуют (η = 0), то эффектив-

ность

e = 20 ∙lg(ω²/ω₀² - 1) (7.12)

Шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах.

По природе возникновения шумы делятся на механические, аэродинамические, гидродинамические, электромагнитные.

Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, распространяющимися в газообразной, жидкой или твердой среде и воздействующими на органы слуха человека.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующим в среде Рср в данный момент, и атмосферным давлением Ратм, называется звуковым давлением:

Р_зв = Р_ср – Р_атм (7.13)

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через пространство с площадью сечения 1 м², перпендикулярному направлению движения, называется интенсивностью звука (Вт/м²)

I = P_зв²/z_A (7.14)

где z_A - акустическое сопротивление среды, кг/(м².с).

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется звуковым давлением Р_зв и акустическим сопротивлением z_A. Энергетическими характеристиками акустического поля являются: интенсивность энергии I, мощность излучения W - количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность, Вт.

Если звуковая волна встречает преграду с иным, чем акустическая среда, волновым сопротивлением, то часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся часть проникает сквозь преграду.

Свойства самой преграды и материала, покрывающего эту преграду, определяются следующими показателями:

1) Коэффициент звукопоглощения

α = I_погл/I_пад (7.15)

где Iпогл - поглощенная материалом или преградой звуковая энергия; Iпад - падающая на преграду звуковая энергия.

2) Коэффициент отражения

β = I_отр/I_пад (7.16)

где Iотр - отраженная от преграды звуковая энергия.

3) Коэффициент звукоизоляции

γ = I_пад/I_отр (7.17)

4) Коэффициент прохождения (проницаемости или проникновения)

τ = I_пр/I_пад (7.18)

где Iпр - прошедшая сквозь преграду звуковая энергия.

5) Коэффициент рассеяния от поверхности преграды

δ = (I_пад - I_погл - I_пр)/I_пад (7.19)

Величины коэффициентов α, β, δ, τ зависят от частоты звуковой волны.

Используя эти формулы, можно записать следующие соотношения:

α = 1 - β; β + δ + τ = 1 (7.20)

Для оценки и сравнения звукового давления Р(Па), интенсивности I (Вт/м²) и звуковой мощности W(Вт) различных источников приняты характеристики их уровней Li, выраженные в безразмерных единицах (дБ) - децибелах:

L_p = 10 lg (P/P₀)² (7.21)

L_I = 10 lg (I/I₀) (7.22)

L_W = 10 lg (W/W₀) (7.23)

где P0 = 2∙10^-5 Па - стандартное звуковое давление, соответствующее порогу слышимости; I₀ = 10^-12 Вт/м² - интенсивность звука при пороге слышимости; W₀ = 10^-12 Вт - опорная звуковая мощность.

Увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует одному белу (Б): 1Б = 10дБ.

Методы борьбы с шумом подразделяют на методы по снижению шума в источнике его образования и методы по снижению шума на пути его распространения от источника.

Звукоизоляция – уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность.

Основными характеристиками звукоизоляции при использовании плотных преград являются масса преграды и частота звука. Акустические свойства конструкции, не имеющей отверстий и щелей, определяются, в основном, коэффициентами α и β, коэффициент τ имеет значение в десятки раз меньше по сравнению с α и β.

Эффективность звукоизоляции оценивается в децибелах:

E = 10 ∙lg(1/τ) = 10 ∙lg(W⁺/W^-) =10 ∙lg(I_пад/I_пр) (7.24)

При наличии отдельных участков с более низкой звукоизоляцией, чем у основной конструкции, акустические свойства конструкции определяются коэффициентом прохождения τ.

При достаточно большой собственной звукоизоляции пластины общая звукоизоляция преграды со сквозным отверстием равна:

E = 10 lg (S₀/S) (7.25)

где S0, S - площадь отверстия и площадь пластины соответственно, м².

Одним из эффективных средств снижения шума является применение в конструкциях звукопоглощающих материалов. Эффективность звукопоглощающих материалов по уменьшению шума определяется их коэффициентом звукопоглощения α. Для мягких пористых материалов значение коэффициента α находится в пределах 0,2..0,9. Для плотных твердых материалов (кирпич, дерево) α составляет сотые доли единицы.

Единицей звукопоглощения является сэбин (сб), а полное звукопоглощение материала:

A = α ∙S, сб (7.26)

где S - площадь данного материала, м².

Ослабление шума в помещении при увеличении звукопоглощения стен:

ΔL=10 lg(A₂/A₁)=10 lg(α₂/α₁)=10 lg(I_погл.2/I_погл.1) (7.27)

где A1 и A2 - полное звукопоглощение помещения до внесения звукопоглощающих материалов и после их внесения; α1 и α2 - коэффициенты звукопоглощения помещения до внесения звукопоглощающих материалов и после их внесения.

Уровни звукового давления в расчетных точках не должны превосходить уровней, допустимых по нормам во всех октавных полосах. Требуемое снижение уровней звукового давления (дБА) определяется по формуле:

ΔL_p,тр = L_p – L_p.доп (7.28)

где Lp - измеренный уровень звукового давления в рабочей точке; Lp.доп - допустимые уровни звукового давления согласно действующим нормативам.