Глава 8

ЗАЩИТА ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШУМА, ИНФРАЗВУКА, УЛЬТРАЗВУКА И ВИБРАЦИИ

Проблема снижения шума на производстве, в том числе авиацион­ном, неразрывно связана, с решением двух основных задач. Это, во-пе­рвых, снижение шума на рабочих местах, территории предприятия к прилегающей к нему территории. И, во-вторых, уменьшение шума авиационной техники, являющейся основным видом выпускаемой продук­ции в рассматриваемой отрасли. При этом должны быть в обязательном порядке удовлетворены требования государственных нормативных докуме­нтов по ограничению шума, как на самом производстве, так и в образцах выпускаемой продукции.

8.1. Понятия и физические характеристики шума, инфразвука, ультразвука и вибрации

Звуком называются воспринимаемые человеком механические (аку­стические) колебания в упругих средах - твердых, жидких и газообраз­ных - в частотном диапазоне от 16 до 20000 герц (Гц). Этот диапазон принято называть звуковым диапазоном. Область среды, в которой рас­пространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

Шумом называется сочетание звуков, различных по интенсивности и частоте, оказывающих неблагоприятное воздействие на человека.

В зависимости от среды, в которой распространяется шум, разли­чают структурный (корпусной) или воздушный шум. Структурный шум возникает при непосредственном контакте колеблющегося тела с корпу­сом машины, фундаментом, строительными конструкциями и т.д. Колеблю­щиеся поверхности приводят в движение прилегающие частицы воздуха, генерируя звуковые волны. Если колеблющееся тело не связано с какой-либо конструкцией, то шум, излучаемый им в воздух, носит название воздушного шума.

Инфразвуком называется область акустических колебаний в диапазоне частот менее 20 герц. Инфразвук характерен для области колебаний, неслышимых человеком. Он, как правило, сочетается с низкочастотным шумом или вибрацией.

Ультразвуком называются механические (ультразвуковые) колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой и твердой средах в диапа­зоне частот от 12,5 кГц до 100 кГц.

Ультразвуковые колебания могут возникать при работе машин и ме­ханизмов как сопутствующие явления, при выполнении технологических операций, где генерируются ультразвуковые колебания, в процессе про­ведения контроля, основанном на проникающей способности ультразвука в различные среды.

Вибрацией называются колебания упругих ограниченных тел, прояв­ляющиеся в периодическом перемещении тел в пространстве относительно положения равновесия и (или) периодическом изменении формы тел отно­сительно первоначального состояния.

В твердых однородных и изотропных телах могут возникать как про­дольные волны (волны сжатия и расширения), так и поперечные волны (волны сдвига). Кроме продольных волн, называемых симметричными, в пластинах возникают ассиметричные или изгибные волны.

Скорость распространения продольных волн в твердых однородных изотропных средах определяется зависимостью

, (8.1)

где Е - модуль Юнга;

 - коэффициент Пуассона;

 - плотность невозмущенной среды, кг/м³.

Изгибные волны распространяются значительно медленнее, чем про­дольные, а скорости их определяются зависимостью

, (8.2)

где  - угловая частота колебаний, равная 2f;

f - частота колебаний, Гц;

m₁ - масса на единицу поверхности;

- цилиндрическая жесткость пластины;

h - толщина пластины.

Изгибные волны распространяются, как правило, в двумерном пространстве.

В жидкостях и газах продольные волны распространяются от источ­ника во все стороны пространства. Передача колебательной (звуковой) энергии осуществляется путем упругих колебаний частиц среды около своего положения равновесия. При этом скорость распространения волн называется скоростью звука. Скорость звука измеряется в м/с и выра­жается зависимостью

, (8.3)

где - показатель адиабаты (для воздуха= 1,41);

Р_ст- ста­тическое давление среды (для воздуха - барометрическое давление).

Скорость звука в воздухе не зависит от частоты, но зависит от температуры, давления и относительной влажности воздуха.

Процесс колебания частиц среды сопровождается изменением дав­ления и скорости колебаний в каждый момент времени. Разность между мгновенным значением полного давления в данной точке среды и сред­ним давлением в невозмущенной среде называется звуковым давлением. Звуковое давление р измеряется в паскалях (Па). Скорость прохож­дения частиц среды через положение равновесия называется виброскоростью. Виброскорость v измеряется в м/с. Звуковое давление свя­зано с виброскоростью следующей зависимостью

(8.4)

Произведение называетсяволновым сопротивлением среды. Для воздуха при нормальных атмосферных условиях = 420 нс/м³.

Передача звуковой энергии осуществляется звуковым давлением, совершающим работу при перемещении частиц среды. Средний поток звуковой энергии в единицу времени, проходящий через единицу пло­щади, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука I измеряется в Вт/м² и определяется зависимостью

, (8.5)

где T - период усреднения; черточка указывает на усредненные па­раметры звукового давления и виброскорости (в дальнейшем черточка опускается).

Интенсивность звука является количественной оценкой звукового поля только для бегущей звуковой волны. При наличии стоячих волн звуковое поле следует характеризовать плотностью звуковой энергии в единице объема. Плотность звуковой энергии H измеряется в Вт с/м³ и связана с интенсивностью соотношением

(8.6)

Общее количество энергии, излучаемой источником звука в окру­жающее пространство за единицу времени, называется звуковой мощностью. Звуковая мощность W измеряется в Вт и определяется потоком интен­сивности звука через замкнутую поверхность площадью S, окружаю­щую источник звука, в следующем виде

, (8.7)

где I_n- нормальная к поверхности составляющая интенсивности.

Если размеры источника звука малы по сравнению с радиусом ус­ловной сферы, окружающей его, то такой источник можно считать точе­чным. Тогда средняя интенсивность звука на поверхности этой сферы определится как

, (8.8)

где r- радиус условной сферы (расстояние от источника до точки измерения).

Однако большинство реальных источников излучают звук неодина­ково в различных направлениях. Неравномерность излучения звука ис­точником определяется отношением интенсивности звука, создаваемого источником в свободном поле в данной точке сферы, в центре которой он находится, к средней интенсивности звука на поверхности той же сферы и характеризуется фактором (коэффициентом) направленности Ф, который определяется

(8.9)

Величина Ф определяется выражением

, (8.10)

где d - элемент телесного угла 4, в который излучается звук;

 - телесный угол излучения в стерадианах.

Направленность излучения характеризуют также отношением интен­сивности звука или звукового давления в данной точке пространства к интенсивности или звуковому давлению на оси излучателя на таком же расстоянии от него.

Интенсивность звука точечного источника, излучающего в свобод­ное пространство, определяется с помощью зависимости

(8.11)

Реальные источники шума представляются достаточно елейными для анализа. Однако большинство из них можно представить в виде совокупности простейших взаимосвязанных источников: монополей, диполей, квадруполей.

Гармоническим монополем называется источник звука, представляющий собой сферу, которая пульсирует (расширяется и сужается) гармоничес­ки во времени. Радиус этой сферы мал по сравнению с длиной звуковой волны на данной частоте. Звуковая мощность монополя W_м пропорци­ональна зависимости

(8.12)

Гармоническим диполем называется совокупность двух одинаковых противофазных монополей, расстояние между которыми мало по сравнению с длиной излучаемой волны. Звуковая мощность диполя пропорциональна зависимости

(8.13)

Гармоническим квадруполем называется совокупность одновременно работающих, близко расположенных диполей, различным образом ориенти­рованных друг относительно друга. Квадруполи могут быть продольными, поперечными и их комбинациями. Звуковая мощность квадруполя пропор­циональна зависимости

(8.14)

Из сравнения зависимостей мощностей различных видов источников шума можно заключить, что монопольные источники пропорциональны вто­рой степени, дипольные - четвертой степени, а квадрупольные - шестой степени от частоты.

На рис.8.1 показаны в сравнении моно­польные, дипольные и квадрупольные источники шума.

В зависимости от вида источника промышленные шумы и вибрации подразделяются на механические, магнитные и аэродинамические.

Механические шумы и вибрации возникают в результате взаимо­действия отдельных деталей и узлов машин и механизмов, особенно ме­ханизмов с вращающимися неуравновешенными массами. При этом опреде­ляющими факторами, влияющими на звуковую мощность, являются форма и размеры деталей, особенности конструкций и взаимосвязи элементов, применяемые материалы, их механические свойства и состояние взаимо­действующих поверхностей, число оборотов и скорости взаимного пере­мещения подвижных элементов. Исходя из теории размерностей, получе­на формула для приближенного определения звуковой мощности механи­ческого шума

, (8.15)

где к - критерий подобия;

D - характерные размеры деталей;

_м - плотность материала деталей;

v - скорость взаимного пере­мещения деталей.

Эта зависимость не учитывает внутренних потерь, которые замет­но влияют на уменьшение колебаний машин и, следовательно, снижение механического шума.

Магнитные шумы и вибрации возникают под действием магнитных сил и моментов, в результате которых происходят деформации сердеч­ников стартеров электрических машин, а также трансформаторов. Опре­деляющими факторами являются размеры воздушных зазоров, величины напряжения питания и другие. Формы колебаний зависят от порядков магнит­ных сил и моментов, причем каждой форме колебаний соответствует соб­ственная частота. При совпадении частоты возбуждения с собственной частотой возникают резонансные колебания, представляющие собой наибольшую опасность.

Приближенно звуковую мощность магнитного шума определяют по формуле

, (8.16)

где R² - средний радиус статорного кольца;

f - частота колебаний статора;

- амплитуда деформаций.

Аэродинамические шумы возникают вследствие стационарных или нестационарных процессов движения в газах. Аэродинамические шумы являются наиболее характерными для авиационной техники, т.к. связа­ны с работой воздушно-реактивных двигателей, обтеканием воздушными потоками фюзеляжей самолетов и т.д. Они также характерны для ряда технологических процессов, прежде всего связанных с использованием сжатых газов, работой пневмоинструмента, обеспечением вентиляцией производственных помещений и т.п. По природе образования эти шумы можно подразделить на шум вращения; вихревой шум и шум пограничного слоя; шум свободной газовой струи. [1]

Шум вращения является типичным при работе воздушных винтов, лопаточных колес, сирен и т.д. При этом в среду вносятся периодичес­кие возмущения, которые воспринимаются как звуковые колебания среды.

Акустическая мощность шума вращения пропорциональна зависимости

, (8.17)

где v - скорость набегающего воздушного потока;

D - характер­ный размер (длина лопасти);

- число Маха.

Шум вращения является характерным для монопольного источника.

Вихревой шум и шум пограничного слоя обусловлены периодическим вихреобразованием в аэродинамическом среде за телом. Частота и интен­сивность вихреобразования обусловлены формой и размерами тела, вели­чиной и направлением скорости потока относительно тела, а также вязкоупругими свойствами среды. Причем сами вихри распространяются вниз по потону со скоростью потока, а вносимые вихрями возмущения в среду распространяются в окружающее пространство со скоростью звука. Мощность вихревого шума определяется зависимостью

(8.18)

Вихревой шум и щум пограничного слоя характерны для дипольного излучателя.

Шум свободной газовой струи при дозвуковых скоростях истечения генерируется за счет турбулентного перемешивания свободно истекающей струи с неподвижной, газовой средой. Из отверстия с характерным разме­ром (диаметром D) истекает струя со скоростью v, которая образует конус постоянных скоростей, сужающийся по мере удаления от среза сопла. В процессе взаимодействия с окружающей средой образуется обратный ко­нус. Пространство, ограниченное прямым и обратным конусами, характе­ризуется турбулентным перемешиванием, связанным с вихреобразованием. Каждый из вихрей является локальным источником звука, в то время как совокупность вихревой системы образует аэродинамический шум. Звуковая мощность этого шума определяется с помощью зависимости:

(8.19)

Шум свободной газовой струи характерен для квадрупольного излу­чателя.

Кинетическая энергия потока пропорциональна . При этомакустическая эффективность излучателей определяется как отношение акус­тической энергии к энергии потока. Из сравнения зависимостей (8.17  8.19) видно, что при дозвуковых скоростях потоков (М>1) наиболее эффективными будут монопольные излучатели. Однако при М  1 наиболее интенсивными становятся квадрупольные излучатели, генерирующие шум реактивной струи.

Распространение акустической энергии от источника в пространстве с достаточной точностью можно описать так называемым волновым уравне­нием.

, (8.20)

где t -, время;

x, y, z - координаты пространства.

В практике борьбы с шумом достаточно знать амплитудные значе­ния величин давления. Тогда интенсивность звука в данной точке или средняя мощность периодического процесса определится зависимостью

, (8.21)

где T - период усреднения.

Зависимость (8.21) называют также средним квадратическим значе­нием звукового давления. С помощью среднего квадратического значе­ния звукового давления производится также оценка действия инфразву­ка и ультразвука.

Оценку вибрации производят аналогично с помощью понятия - сред­нее квадратичеекое значение виброскорости

(8.22)

Слуховой аппарат человека способен воспринимать и анализировать огромный диапазон значений звукового давления от 10^-5 до 10³ Па, т.е. охватывать интервал изменения амплитуд звукового давления, про­порциональный 10⁸ раз. Однако, с увеличением интенсивности звука начинает срабатывать защитный механизм, предохраняющий от поврежде­ния чувствительную барабанную перепонку. Причем снижение чувстви­тельности происходит примерно по логарифмическому закону. Поэтому оцениваются интенсивность звука и, следовательно, звуковое давление не в абсолютных, а в относительных единицах - белах или децибелах (дБ). При этом говорят не об интенсивности или звуковом давлении, а о соответствующих уровнях интенсивности ( L_I ) и звукового дав­ления (L_p)

, (8.23)

где I₀ - интенсивность звука на пороге слышимости 10^-12 Вт/мг на частоте 1000 Гц;

, (8.24)

где P₀ - звуковое давление на пороге слышимости 2 10^-5 Па на частоте 1000 Гц.

Аналогично определяется уровень звуковой мощности

, (8.25)

где W₀ - звуковая мощность на пороге слышимости 10^-12 Вт.

Также определяют уровень виброскорости

, (8.26)

где - пороговое значение виброскорости, 510^-8 м/с.

В непосредственной близости от источника шума между указанными уровнями существует равенство

, (8.27)

где L - уровень шума.

Таким образом, выражение для определения уровня интенсивности точечного источника, излучающего в свободное пространство, можно определить из зависимости (8.11) путем деления обеих частей равенства на пороговые значения входящих величин с последующим логарифмирова­нием

, (8.28)

где Ф₀= 1,₀ = 1,r₀ = 1 м - пороговые значения величин.

На практике результаты измерений оценивают с помощью уровней звукового давления и виброскорости, а расчеты ведут с использованием уровней мощности и интенсивности шума, инфразвука, ультразвука или вибрации.

Уровень шума, возникающий от нескольких источников, работающих одновременно, рассчитывается на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников

, (8.29)

где L_i - уровень звукового давления i-го источника шума;

n - ко­личество источников шума.

Зависимость среднеквадратических величин звукового давления, интенсивности, виброскорости или их уровней от частоты в заданном интервале частот называется амплитудно-частотным спектром или просто спектром. Спектры подразделяются на один из следующих типов (рис.8.2): линейчатый или тональный (рис.8.2а); непрерывный или широкополосный (рис.8.26); смешанный или линейчато-непрерывный (рис.8.2в).