Параметры, характеризующие акустические колебания (шум)

Лекция № 14

Акустические колебания (шум).

Акустическими колебаниями называют колебания упругой среды. Понятие акустических колебаний охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания воздушной среды.

Акустические колебания в диапазоне частот 16 Гц...20 кГц. воспринимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуковыми, выше 20 кГц – ультразвуковыми. Область распространения акустических колебаний называют акустическим полeм. Часто акустические колебания называют звуком, а область их распространения – звуковым полем.

Шумом принято называть апериодические звуки различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум - это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук.

Источники шума. Источниками шума на производстве является транспорт, технологическое оборудование, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию, т.к. колебания твердых тел вызывают колебания воздушной среды. Шум является одним из наиболее существенных негативных факторов производственной среды. Источники шума формируют звуковые волны, возникающие в результате нарушения стационарного состояния воздушной среды.

Параметры, характеризующие акустические колебания (шум).

Колебательная скорость v (м/с) - скорость колебания частиц воздуха относительно положения равновесия.

Скорость распространения звука (скорость звука) с (м/с) - скорость распространения звуковой волны. При нормальных атмосферных условиях (температура 20°С, давление 1034 гПа) скорость распространения звука в воздухе равна 344м/с.

Звуковое давление р (Па) - разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде

р = v*с,

где р - плотность среды (кг/м³), рс - называют удельным акустическим сопротивлением (Па с/м), равное 410 Па с/м для воздуха, 1,5*10⁶ Па с/м - для воды, 4.8*10⁷ Па с/м - для стали.

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука.

Интенсивность звука I (Вт/м²) - это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади поверхности, через которую она распространяется.

I = р² / рс.

Как и для вибрации и по тем же самым причинам звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их логарифмическими значениями – уровнями звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления:

L_p = 10 lg(p²/p²₀) = 20 Ig (р/р₀),

где р - звуковое давление, Па; р₀- пороговое звуковое давление равное 2 10^-5 Па.

Уровень интенсивности звука:

L_i = 10 Ig (I/I₀),

где I - интенсивность звука. Па; I₀ - пороговая интенсивность звука, равная 10^-12 Вт/м².

В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звуковою давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Также как и для вибрации диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (f₁/f₂=2), характеризуемые их среднегеометрическими частотами f_сг. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос (Гц) приведены ниже:

Среднегеометрические значения октавных полос	Граничные частоты и диапазоны октавных полос
	45...90
	90...180
	180...355
	355...710
	710...1400
	1400...2800
	2800...5600
	-5600... 11200

Классификация производственного шума (рис.2.15). Шумы классифицируется по частоте, спектральным и временным характеристикам, природе его возникновения.

По частоте акустические колебания различаются на инфразвук (f <16Гц), звук (16 ≤ f ≤ 20 000 Гц), ультразвук (f > 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный) в спектре которого имеются выраженные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах). Примером широкополосного шум может являться шум реактивного самолета, непостоянного - шум дисковой пилы, с спектре шума которой имеется ярко выраженная частота с доминирующим уровнем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на постоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень которого в течение восьми часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ, непостоянным - если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на: колеблющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во времени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука остается постоянным не менее 1 с. (например, шум прерывисто сбрасываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с. (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме).

По природе возникновения шум можно разделить на: механический, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Механические шумы возникают по следующим причинам: наличие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникающих из-за движения деталей механизма с переменными ускорениями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбежных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения газа, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентиляторов. воздуходувок, компрессоров, газовых турбин. выпусков пара и газа в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания. Причинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и выпуске свободной струю газа, пульсации рабочей среды, вызываемые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин, колебания, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэродинамический шум - один из самых значительных по уровни звука.

Гидравлические шумы. Эти шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитации, турбулентности, гидравлических ударов). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхностей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудований, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также электрические (пондеромоторные) силы вызываемые взаимодействием электромагнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами.