Защита от шума и вибрации

Шум - это сочетание звуков различной интенсивности и частоты, мешающий, нежелательный звук. Повышенный уровень шума (звука) и вибрации вредно воздействуют не только на слуховой аппарат, но и на нервную систему, сердце и другие органы живых организмов, а также на растительность и окружающую среду в целом.

Степень вредности шума на человека зависит от интенсивности, спектрального состава и времени воздействия шума, а также местонахождения, работы и индивидуальных особенностей человека. Шум 40 дБА в ночное время является серьезным беспокоящим фактором. Шум 60 дБА создает ощутимую нагрузку на нервную систему человека, занимающегося умственной деятельностью. Шум выше 70 дБА вызывает физиологические воздействия, а при 90 дБА может привести к ухудшению слуха. Шум 120 дБА является болевым порогом, выше которой приведет к разрушению слухового органа. Шум 180 дБ может создать трещины в металлах.

На людей так же вредно действует инфразвук и ультразвук. Инфразвук вредно воздействует на сердечно-сосудистую систему, вызывает чувство страха и потерю ориентировки в пространстве.

Звук - это акустические колебания частотой 16-20000 Гц, распространяющийся в упругой среде, вызванные каким либо источником и воспринимающее слуховым аппаратом человека. Инфразвук - колебания с частотой ниже 16 Гц, ультразвук - выше 20000 Гц (выше 10⁹ Гц - гиперзвук).

Звук характеризуется звуковым давлением Р, скоростью распространения ʋ, длиной волны λ, частотой f, интенсивностью I. При t=20°C скорость звука в воздухе ʋ=344 м/с. Между ʋ, λ, f существует соотношение, используемое в практике борьбы с шумом:

ʋ=λf, м/с (24.1)

Например, при частоте f =1000 Гц длина волны X в воздухе составляет около 0,3 м, при f = 250 Гц — около 1,2 м, при f = 4000 Гц — около 0,07 м, т.е. чем больше частота звука, тем меньше длина звуковой волны и наоборот. Длина волны весьма значима в таком явлении как дифракция звуковых волн, связанном с проектированием акустических экранов.

Интенсивностью звука называется средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности.

I=W/S, Вт/м² (24.2)

где W - звуковая мощность, Вт.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию (возрастанию давления) и разрежению (понижению давления). Разность между давлением среды Р_ср в данный момент, и атмосферным давлением Р_атм, называется звуковым давлением:

Р_з=Р_ср- Р_атм

Орган слуха человека различает не разность, а кратность изменения давления, поэтому шум оценивают не абсолютной величиной - звуковым давлением, а его уровнем. Уровнем звукового давления (УЗД) называют двадцатикратный логарифм отношения звукового давления Р₃ к пороговому значению Р_о:

L=20 lg(P₃/P₀), ДБ (24.4)

где Ро=2 10^-5 Па - давления, соответствующее порогу чувствительности уха на частоте 1000 Гц (порог слышимости). Для интегральной оценки шума используется уровень шума (звука):

L_A=20 lg(P_A/P₀), _ДБА (24.5)

где Р_А - среднеквадратичное звуковое давление, измеренное с учетом корректировки частотной характеристикой шумомера (шкала А), отражающий частотную чувствительность человеческого уха (рис. 24.1).

Шумомер измеряет шумовое давление в диапазоне 2 10-⁵ - 200 Па, что соответствует диапазону 0-130 дБ: 0 - нулевой порог; 130 дБ - болевой порог.

Источниками шума являются процессы механического (соударения, скольжения и трения деталей), аэродинамического (истечения газов) и гидродинамического (истечение жидкостей) происхождения. Основными источниками шума в городах являются автотранспорт, трамваи, железнодорожные поезда. Некоторые источники шума (звука) представлены на табл. 24.1. Источник акустического излучения характеризуется спектром и диаграммой направленности. Спектр - это зависимость УЗД от частоты. На практике шум принято измерять и рассчитывать в октавных полосах частот со стандартными среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц. Спектр также может дать представление о превышении шума в данной измерительной точке над нормами в зависимости от полос октавных частот.

Таблица 24.1

Некоторые источники шума (звук), которые нас окружают

Источник шума, его месторасположение	УЗ, дБА	Расстояние от источника, м
Шепот листвы при полном безветрии		—
Тихая сельская местность	25-30	—
Шепот		0,3
Обычный разговор в комнате		1,0
Салон комфортабельного автомобиля	65	—
Легковой малошумный автомобиль		7,5
Скоростной поезд	15
Звон будильника	70-80	1,0
Оживленная магистраль	80-85	7,5
Механический цех	85-90	—
Отбойный молоток		1,0
Симфонический оркестр
Обитаемое отделение танка	110-115	—
Взлет реактивного самолета	120-125
Взлет ракеты	160-170

Если звуковая волна встречает преграду, имеющую иную, чем среда, волновое сопротивление, то часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся часть проникает сквозь преграду (рис. 24.2). На этом основано некоторые направления шумозащиты. Основные направления шумозащиты:

- архитектурно-планировочные решения;

- замена шумных источников на малошумные;

- изменения направленности излучения;

- применение акустических экранов;

- применение комплекс средств защиты в отдельных источниках;

- активная шумозащита.

К пассивным средствам относятся те, в которых не используется дополнительный источник энергии, например, звукоизолирующие капоты, акустические экраны и глушители.

Для уменьшения шума газовых потоков применяют реактивные и комбинированные (с резонансными элементами) глушители. Конструкции подбирают экспериментально. Эффективность глушителя пропорциональна объему, число камер и поворотов (рис. 24.3а). Глушители устанавливаются в газоходах, воздухозаборах, дымовых трубах, выхлопной патрубке автомобилей.

Для снижения шума отдельных источников применяют звукоизолирующие капоты (рис. 24.36), которые выполняются в виде оболочки 1, закрывающий источник шума 2, установленный на выброизоляторах 3. Стенка капота может состоять из нескольких слоев: перфорированный лист 4, звукопоглощающий материал 5, выбродемпферирующее покрытые 6, металлическая стенка 7. Наличие проемов, щелей (для теплообмена или массообмена) ухудшает эффективность капотов. В этих случаях на выходе устанавливают экраны или глушители.

Различают глушители с отсутствием и наличием газового потока, проходящего через нее. В первом случае, как правило, применяются абсорбционные, а во втором - реактивные, с резонансными элементами и

комбинированные глушители. Упрощенный расчет абсорбционного глушителя можно произвести по формуле:

∆L=(4,4F(a)l_гл)/d_гл

где 1_гл и d_{гл гл} -длина и диаметр глушителя соответственно, м; F(α) -коэффициент, зависящий от коэффициента звукопоглощения а (табл. 24.2).

разнообразны (рис. 17.1.4), и их эффективность возрастает с увеличением объема глушителя, числа его камер, поворотов газового потока в глушителе, элементов с перфорацией. В некоторых конструкциях она достигает 40 дБА.

Таблица 24.2

Значения коэффициента Ffa) для расчета абсорбционных глушителей

α	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5	0,6	0,7	0,8
F(α)	0,1	0,2	0,35	0,5	0,65	0,9	1,2	1,6

Акустические экраны АЭ (рис. 24.5) представляют собой преграду между источником шума ИШ и расчетной точкой РТ. За экраном создается звуковой тень. АЭ для защиты от шума автодорог состоит из плоских асбоцементных плит 1, минеральной звукопоглощающей ваты 2, элемент покрытия из оцинкованной стали 3, металлической стойки 4 и фундамента 5.

Упрощенный расчет АЭ выполняется по формуле:

∆L=20lgN-10lgn, dБ (24.7)

Где N=2δ/λ, - число Френеля; n- число свободных ребер (для обычного АЭ n=3; для Г - образного - 2; для П - образного - 1); δ=A+B-r₀-r_i, м; А, - длина волны.

При распространении цилиндрической звуковой волны (от линейных источников шума) в открытом пространстве интенсивность звука изменяется обратно пропорционально расстоянию:

L=L₀-10lg(r/r₀), dБ (24.8)

т.е. при каждом удвоении расстояния уровень снижается на 3 дБ. К линейным источникам относятся поезда, трамваи и потоки автотранспорта.

Активная шумозащита основана на хорошо известном явлении наложения (интерференция) звуковых волн с одинаковой частотой и амплитудой в противофазе (рис. 24.6). Такое явление приводит к ослаблению амплитуды результирующей волны. Если колебания происходят по синусоидальному закону, то амплитуда результирующей волны:

где А₁, и А₂ - амплитуды складывающихся волн; φ - разность фаз между ними в рассматриваемой точке; А = 0 при А₁= А₂ и

Звуковая волна (рис. 24.7) излучается динамиком (вторичным источником) в противофазе к первичному источнику звука. При наложении звуковых волн от источников 1 и 2 в пространстве наблюдается зона снижения шума.

Устройства активной шумозащиты находят применение для снижения шума ряда транспортных средств (самолетов, автомобилей), систем вентиляции. Актив­ная шумозащита особенно эффективна на низких и средних частотах (до 500 Гц), где УЗД снижается на 10-15дБ и другие методы мало результативны.

Вибрация и шум сопровождают друг друга. Вибрация - это распространения колебания системы в окружающей среде. Машины, механизмы и другие объекты являются сложными колебательными системами. Основными источниками вибраций в машинах и механизмах являются подшипниковые узлы и неуравновешенность вращающихся частей. Оценка воздействия вибраций на окружающую среду проводится с помощью таких характеристик, как вибросмещение S, виброскорость ʋ=dS/dt=ωS и виброускорение а= dʋ/dt=ωʋ=ω²S.

Соответственно определяющими характеристиками являются амплитуда смещения, уровень виброскорости:

L_ʋ=20 lg(ʋ/ʋ₀)=20 lg(P/P₀), ДБ, (24.9)

где ʋ₀ =5 10 ^-5 м/с - опорное значение скорости, и уровень виброускорения:

L_a=20lg (а/а₀), дБ, (24.10)

где а₀ =3 10^-4м/с - опорное (условно нулевое) значение ускорения.

Живые организмы в одних случаях используют вибрационные процессы, например, как информационное поле, однако в других случаях вибрация угнетает живой организм. В живых организмах происходят собственные колебательные процессы. Например, резонансная частота сердца составляет 7 Гц. Колебания той же частоты и интенсивности могут разрывать артерии или (противоположной фазы) остановить сердце. Для измерения параметров вибрации (вибросмещение, виброскорость, виброускорение и др.) применяют пьезоэлектрический датчик (акселерометр), преобразующий механическое колебание в электрический сигнал. Для защиты от вибрации применяют амортизаторы и антивибраторы. Машины и механизмы устанавливают на амортизирующие устройства, позволяющие устранить непосредственный контакт механизмов с окружающими конструкциями. Антивибраторы представляют собой стержни с грузами, перемещением которых достигают настройки на нужную частоту.