ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ШУМ: МЕХАНИЗМ ЯВЛЕНИЯ, НОРМИРОВАНИЕ И МЕТОДЫ ЗАЩИТЫ

Лекция 7

Всякий (любой) нежелательный для человека звук является шумом. Интенсивное шумовое воздействие на организм человека неблагоприятно влияет на протекание нервных процессов, способствует развитию утомления, изменениям в сердечно-сосудистой системе и появлению шумовой патологии, среди многообразных проявлений которой ведущим клиническим признаком является медленно прогрессирующее снижение слуха.

Обычные промышленные шумы характеризуются хаотическим сочетанием различных звуков. В производственных условиях источниками шума являются работающие станки и механизмы, ручные, механизированные и пневмоинструменты, электрические машины, компрессоры, кузнечно-прессовое, подъемно-транспортное, вспомогательное оборудование (вентиляционные установки, кондиционеры) и т.д.

В качестве звука человек воспринимает упругие колебания, распространяющиеся в виде волн в твердой, жидкой или газообразной средах. Звуковые колебания характеризуются скоростью их распространения с и частотой f. Скорость звука связана с длиной волны и частотой:

c = λ×f, м/с, (1)

где с - скорость звука, м/с;

λ - длина волны, м;

^f - частота, Гц (с^-1).

Например, скорость распространения звуковых волн составляет в воде 1410 м/с; стекле и стали 5000 м/с; резине 40-50 м/с; воздухе 343 м/с.

Человеческое ухо воспринимает как слышимые звуковые колебания с частотой f = 16(20)-20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16(20) Гц (инфразвук) и выше 20000 Гц (ультразвук) не воспринимаются (не слышатся) органами слуха, хотя и оказывают вредное влияние на организм человека. Наиболее чувствительно ухо к колебаниям в диапазоне частот от 50 до 5000 Гц, что в основном соответствует диапазону человеческого голоса.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке - I, Вт/м². Колебательные движения упругой среды создают колебания давления, которые ухо воспринимает как звук. Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью

I = Р²/ρс, (2)

где ρ - плотность среды (газа);

с - скорость распространения звука (волны);

Р - звуковое давление;

ρс - удельное акустическое сопротивление среды, равное для воздуха 41, для воды - 1,5х10⁵, для стали - 4,8х10⁶ МПа с/м.

Человеческое ухо воспринимает шум со звуковым давлением Р₀ = 2x10^-5 Па при f = 1000 Гц - порог слышимости, Р = 2x10² Па - порог болевого ощущения. Интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, при f = 1000 Гц составляет I₀ = 10^-12 Вт/м², а соответствующая порогу болевого ощущения I = 10² Вт/м².

Для характеристики акустических явлений принята специальная измерительная система интенсивности звука и звукового давления, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием, а именно шкала логарифмических единиц - децибелов (дБ), в которых измеряют уровни I и Р.

Уровень интенсивности звука определяется как

, дБ, (3)

а уровень звукового давления по формуле

, дБ. (4)

Подставив значения порога слышимости и порога болевого ощущения в эти формулы, получим, что изменение I и Р составляет всего 140 дБ.

Шум, являющийся сложным звуком, можно разложить на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром. Спектр шума может быть различным. По характеру спектра шумы подразделяются на широкополосные и тональные. По величине интервалов между составляющими его звуками различают шум дискретный (линейчатый) с большими интервалами, сплошной с бесконечно малыми интервалами и смешанный, характеризующийся отдельными пиковыми дискретными составляющими на фоне сплошного спектра (рис. 1). Производственные шумы чаще всего имеют смешанный спектр [1].

Рис. 1 - Типы шумовых спектров: a - дискретный (линейчатый); б - сплошной, в – смешанный

По частоте шумы подразделяются на низкочастотные, если максимальные уровни звукового давления лежат в области низких частот (до 350 Гц), среднечастотные (максимум в диапазоне частот 350...800 Гц) и высокочастотные (максимум выше 800 Гц).

По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. К постоянным относятся шумы, уровни звука которых за восьмичасовой рабочий день изменяются во времени не более чем на 5 дБА (уровень звука измеряется шумомером по шкале А). Непостоянные шумы делятся на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные. К колеблющимся шумам относятся такие, уровни звука которых непрерывно меняются во времени. К прерывистым относятся шумы, уровни звука которых меняются ступенчато на 5 дБ и более. К импульсным относятся шумы, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из которых имеет длительность менее 1 с. Наибольшую опасность для человека представляют тональные высокочастотные непостоянные шумы.

Любой источник шума характеризуется звуковой мощностью, которая определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в окружающее пространство за единицу времени. Мощность звука связана с интенсивностью следующей зависимостью:

, Вт, (5)

где S - поверхность сферы, в центре которой находится источник шума.

Уровень акустической мощности источника шума равен:

, (6)

где w₀ - условный порог акустической мощности (w₀ =10^-12 Вт).

Если в производственном помещении находится n одинаковых источников шума, равноудаленных от расчетной точки и обладающих одинаковым уровнем шума L, то общий уровень (в дБ) будет определяться как

, (7)

где L₁ - уровень шума одного источника, дБ.

Из формулы 7 видно, что два одинаковых источника создадут суммарный уровень всего на 3 дБ больший, чем каждый из них (т.к. 10lg2 = 10x0,3 = 3); 10 источников - на 10 дБ; 100 источников на 20 дБ. На производстве такое условие часто невыполнимо, поскольку износ технологического оборудования неодинаков (например, цикличность подачи сжатого воздуха для продувки секций рукавных фильтров различна), поэтому расчет L2 ведут по другой формуле (в дБ):

, (8)

где L₁, L₂, L_n - уровни звукового давления, создаваемого источниками в расчетной точке.

При измерении и анализе шумов, а также при проведении акустических расчетов спектры (рис. 1) оценивают в октавных или третьеоктавных диапазонах. Полоса частоты, в которой верхняя граничная частота f₂ в 2 раза больше нижней f₁ называется октавной, т.е. f₂/f₁ = 2. Для третьеоктавной полосы f₂/f₁ = = 1,26. В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая полоса . Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы и составляют 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничных частотах 45-90; 90-180; 180-355; 355-710; 710-1400; 1400-2800; 2800-5600 и 5600-11200. Нормирование допустимых уровней звукового давления производится для каждой октавной полосы частот в соответствии с рекомендациями. Этот стандарт предусматривает дифференцированный подход с учетом характера производственной деятельности в условиях шума (умственный труд, нервно-эмоциональные нагрузки, физический труд и т.д.). Учитывается и характер действующего шума (тональный, импульсный, постоянный и др.) и длительность воздействия шумового фактора при расчете эквивалентных уровней для непостоянных шумов.

Совокупность восьми нормативных уровней звукового давления на разных среднегеометрических частотах называется предельным спектром (ПС). Каждый из спектров имеет свой индекс ПС (например ПС-80, где цифра 80 - нормативный уровень звукового давления (в дБ) в октавной полосе с f = 1000 Гц). Некоторые нормированные ГОСТом параметры для широкополосного шума приведены в табл. 1. Для ориентировочной оценки допускается за характеристику постоянного шума на рабочем месте принимать уровень звука (дБА), измеряемой по шкале А шумомера. Самые жесткие нормы шума в настоящее время действуют на территории стран СНГ, а наиболее мягкие в США (табл. 2). Чтобы осознать эти значения, необходимо помнить, что звук березовой рощи и пение птиц составляет 35-45 дБА.

Таблица 1 - Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для широкополосного шума

Таблица 2 - Нормы шума на рабочих местах

Для шума, создаваемого в помещениях установками кондиционирования воздуха, вентиляции и воздушного отопления, а также в случае тонального или импульсного шума допустимые уровни на рабочих местах следует принимать на 5 дБ ниже значений, указанных в табл. 1. Уровень звука в дБА связан с ПС зависимостью

дБА = ПС + 5 дБ. (9)

Кроме характера выполняемых работ учитывают и длительность воздействия шума. В этом случае при воздействии широкополосного шума от 0,25 до 4 ч допустимые уровни могут быть увеличены на 20 дБ, а при воздействии тонального или импульсного (0,25-1,5 ч) - на 15 дБ.

Методы защиты от шума:

1. Уменьшение шума в источнике возникновения:

- замена ударных механизмов безударными;

- замена возвратно-поступательных движений вращательными;

- замена подшипников качения на подшипники скольжения;

- совершенствование кинематических схем;

- применение пластмассовых деталей;

- использование глушителей из звукопоглощающего материала;

- виброизоляция шумных узлов и частей машин;

- покрытие издающих шум поверхностей вибродемпфирующим материалом;

- статическая и динамическая балансировка.

2. Уменьшение шума методами:

- звукопоглощения. Метод основан на поглощении звуковой энергии волн, распространяющихся по воздуху звукопоглощающими материалами, которые трансформируют ее в тепловую. Звукопоглощающие материалы и конструкции подразделяются на:

- волокнисто-пористые поглотители (войлок, минеральная вата, фетр, акустическая штукатурка и др.);

- мембранные поглотители (пленка, фанера, закрепленные на деревянные обрешетки);

- резонаторные поглотители (классический резонатор Гельмгольца);

- комбинированные поглотители.

Звукопоглощающие свойства материалов определяются коэффициентом звукопоглощения α, равным отношению количества поглощенной звуковой энергии Е_погл. к общему количеству падающей энергии Е_пад..

,

причем при α = 0 вся звуковая энергия отражается без поглощения; при α = 1 вся энергия поглощается (рис. 2 и табл. 2).

Таблица 8.2 - Звукопоглощение конструкционными материалами (элементами)

Рис. 2 - Схема поглощения (отражения) звуковой энергии в листовом конструкционном материале

Звукопоглощение в помещении определяется по формуле:

, дБ, (10)

где А₁ - полное звукопоглощение в помещении до установки облицовки, м² (А₁ = α_необл. × S_пов., м²; принимается α_необл. = 0,1);

А₂ - эквивалентная площадь поглощения после установки облицовки, м² (А₂ = A₁ + Δ А, где Δ А - добавочное поглощение, вносимое облицовкой).

Тогда величина снижения шума составит

, дБ (11)

- звукоизоляции. Метод основан на отражении звуковой волны, падающей на ограждение (экран).

На рис. 3а показаны пути проникновения шума (воздушного и структурного) при нахождении его источников как снаружи, так и внутри здания, а на рис. 3б - пути проникновения шумов из шумного помещения в тихое помещение. От наружного или внутреннего источника воздушный шум проникает через окна и стены, а вибрации передаются по грунту, трубопроводам и строительным конструкциям, колебания которых вызывают появление структурного шума.

а б

Рис. 3 - Пути проникновения шумов а) 1 - источник шума, 2- источник вибраций; I - воздушный шум; II - структурный шум. б) 1,2 - звуки, распространяющиеся по воздуху (воздушные звуки или шумы); 3 - энергия упругих колебаний распространяется по строительным конструкциям и излучается в виде шума (структурные или ударные звуки, шумы); I - шумное помещение; II - тихое помещение

Звукоизолирующие свойства ограждения (экрана) характеризуются коэффициентом звукопроницаемости τ, представляющим собой отношение звуковой мощности Р_прош. к падающей Р_пад.

τ = Р_прош. / Р_пад. (12)

Звукоизолирующая способность конструкции выражается величиной

, дБ. (13)

3. Увеличение расстояния от машин (аппаратов), производящих сильный шум. Суммарный уровень шума от источника на расстоянии r в свободном пространстве

, дБ, (14)

где r - расстояние от источника звука, м;

L₀ - уровень шума источника, дБ.

4. Индивидуальные средства защиты.

Суммарный уровень шума можно снизить на 5-20 дБ за счет использования различных противовоздушных вкладышей для ушных раковин человека - беруши, вата, губка и др. При уровне шума выше 120 дБ применяются наушники (антифоны) и специальные шлемы. Существуют шумопоглощающие кабины, и внедряется дистанционное управление сверхшумными процессами или испытаниями.

Вышеизложенное позволяет прогнозировать дальнейшее снижение шума на производственных площадках и, соответственно, в населенных пунктах. При достижении определенных минимальных уровней шума отмечено, что дальнейшее его снижение дается с большим трудом, а затраты на каждый последующий снижаемый децибел могут быть сравнимы с затратами на 5-10 дБ предыдущих. Борьба с акустическими загрязнением биосферы определяется в первую очередь экономическими затратами.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: