Техническая акустика и защита от шума


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ




В.В. ЛАРИЧКИН, К.П. ГУСЕВ





                ТЕХНИЧЕСКАЯ АКУСТИКА И ЗАЩИТА ОТ ШУМА




Учебно-методическое пособие












НОВОСИБИРСК
2011

УДК 534.833(075.8) Л 253



Рецензенты:



д-р хим. наук, профессор В.А. Полубояров; канд. хим. наук, доцент В.Ю. Александров



        Ларичкин В.В.

Л 253 Техническая акустика и защита от шума : учеб.-метод. пособие /

       В.В. Ларичкин, К.П. Гусев. - Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2011. -60 с.

          ISBN 978-5-7782-1556-6


           В естественных природных условиях, а также в практической деятельности людей часто возникают звуковые колебания, выходящие за рамки звукового комфорта, называемые шумом. В учебно-методическом пособии излагаются природа шума и вибраций, их влияние на человека и окружающую среду, нормирование их величины, практические способы измерения шумов и вибраций, методы защиты от них средствами строительной акустики - звукоизоляцией и звукопоглощением.
           Пособие предназначено для студентов экологических и технических специальностей высших учебных заведений.



Работа подготовлена на кафедре «Инженерные проблемы экологии» и рекомендована Редакционно-издательским советом университета в качестве учебно-методического пособия для студентов Ill курса экологических и технических специальностей всех форм обучения








УДК 534.833(075.8)


ISBN 978-5-7782-1556-6

                    © Ларичкин В.В., Гусев К.П., 2011
© Новосибирский государственный технический университет, 2011

        ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение....................................................4
1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ......................................6
  1.1. Звуковые волны.......................................6
  1.2. Природа шума и вибраций.............................11
  1.3. Влияние шума и вибраций на людей и окружающую среду.19
  1.4. Нормирование величины шума и вибрации...............21
  1.5. Методы и средства защиты от шума и вибрации.........27
2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ......................................31
  Лабораторная работа № 1. Измерение эквивалентного уровня шума на рабочих местах...................................31
  Лабораторная работа № 2. Измерение шумовой характеристики источника шума в разных полосах октавных частот..........38
  Лабораторная работа № 3. Определение постоянной общей и локальной вибраций.....................................41
  Лабораторная работа № 4. Звукоизоляция и звукопоглощение.50
Библиографический список...................................59

        ВВЕДЕНИЕ

   Одним из основных абиотических факторов окружающей природной среды являются физические (энергетические) поля, заполняющие среду обитания и воздействующие на живую и неживую природу. К энергетическим загрязнениям относятся акустические и вибрационные воздействия, электромагнитные поля и излучения, ионизирующее излучение радиоактивных веществ, тепловое излучение, ультрафиолетовое и видимое излучение. По своей природе энергетические загрязнения условно разделяют на три группы: механические, электростатические и электромагнитные. В учебно-методическом пособии рассматривается первая группа энергетических загрязнений, представляющих собой колебательно-волновое движение частиц упругой среды газовой, жидкой, твердых фаз: различные шумы и вибрации.
   Широкое внедрение в промышленность автоматизированных технологий с применением большого количества шумного оборудования, повсеместное использование многочисленных средств автомобильного, железнодорожного, воздушного и водного транспорта, электрификация бытового оборудования приводят к тому, что где бы человек ни был - на работе, дома, на отдыхе, в дороге он подвергается многократному воздействию вредного шума и вибрации. Основными источниками производственного шума являются зоны около технологического оборудования ударного действия, мостовые краны, энергетические машины, устройства для испытания газов, вентиляционные системы, газотурбокомпрессоры и др. Источниками общих вибраций производственной среды являются: виброплощадки, транспортные средства, строительные машины; локальных вибраций - виброинструмент, рычаги управления транспортных машин и др.
   При воздействии на человека шумов имеют значение их уровень, спектральный состав и продолжительность действия. Производственный и бытовой шум вызывает усталость, раздражение, снижает трудо

4

способность, сосредоточенность. При длительном воздействии интенсивных шумов могут возникнуть расстройства нервной и эндокринной систем, желудочно-кишечного тракта, нарушения вестибулярного аппарата, тугоухость и др.
   Для правильного выбора методов защиты от шумов и вибраций различных промышленных установок необходимо знать их технические характеристики.
   Пособие предназначено для выработки у студентов компетенций в области мониторинга загрязнений от шума и вибраций и целенаправленного выбора методов защиты от них.

            1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ


   Среда называется упругой, если между ее частицами существуют силы взаимодействия, препятствующие какой-либо деформации этой среды. Например, давление газов на стенки сосуда обеспечивает способность газов сопротивляться изменению их объема (объемная упругость газов). Газы и жидкости беспрепятственно изменяют свою форму, т. е. не обладают упругостью формы. Твердые тела обладают как объемной упругостью, так и упругостью формы. Если какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и заставляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется, и в ней возникают упругие силы, которые действуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение.

        1.1. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ

   Волнами называются всякие возмущения состояния вещества или поля, распространяющиеся в пространстве с течением времени.
   Звуковыми, или акустическими, волнами называются распространяющиеся колебания частиц упругой среды - газа, жидкости или твердого тела.
   Звуковые волны в газах и жидкостях представляют собой колебания давления, распространяющиеся в этих средах. Отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц состоит в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды из одного места в другое на большие расстояния. Однако наличие упругой среды не является необходимым условием распространения любых колебаний. Например, электромагнитные колебания могут распространяться в вакууме.
   Волновой поверхностью (иначе - фронтом волны) называется геометрическое место точек среды, колеблющихся в одинаковых фазах.


6

На волновой поверхности фазы колебаний различных точек в рассматриваемый момент времени имеют одно и то же значение.
   Лучом называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением распространения волны.
   Различают плоские, цилиндрические, сферические, поперечные и продольные волны. В плоской волне волновыми поверхностями являются плоскости, перпендикулярные к направлению распространения волны, лучами - параллельные прямые, совпадающие с направлением скорости распространения волны (рис. 1.1). В сферической волне волновые поверхности являются сферами. Такие волны возникают, если источник волн является точечным. Лучи в сферической волне направлены вдоль радиусов сфер от центра, где расположен источник волны. Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Волна называется продольной, если колебания частиц среды происходят в направлении распространения волны. В газах и жидкостях распространяются только продольные волны. Поскольку газы и жидкости не обладают упругостью формы, распространение в них поперечных волн невозможно. В твердых телах возможно распространение как продольных, так и поперечных волн.


Рис. 1. Фронты и лучи:

а - плоской волны; б - сферической волны
   Раздел физики, в котором рассматриваются свойства звуковых волн, закономерности их возбуждения, распространения и действия на встречные препятствия, называется акустикой.
   Физическое понятие звука - колебания частиц упругой среды в диапазоне частот условно от 0 до 10¹³ Гц. Колебания с частотами ниже 16 Гц называются инфразвуком, в диапазоне частот 16...20 000 Гц 
7

слышимым звуком, от 2-10⁴ до 10⁹ Гц-ультразвуком, от 10⁹ до 10¹³ Гц -гиперзвуком.
   Естественными источниками инфразвука могут быть землетрясения, ураганы, морские штормы и др. Антропогенными источниками инфразвука является работающее оборудование промышленных предприятий: компрессоры, дизельные двигатели, системы кондиционирования воздуха, а также наземные средства транспорта и др.
   Источниками ультразвука служат шум ветра, моря, некоторые животные - летучие мыши, насекомые, рыбы и другие, но в большей степени производственное оборудование, в котором генерируется ультразвук для выполнения технологических процессов, контроля и измерений, медицинское ультразвуковое оборудование и др.
   Биологическое понятие звука - колебания частиц упругой среды, которые воспринимаются органами слуха человека, в направлении их распространения. Инфразвуковые и ультразвуковые волны, хотя и не воспринимаются (не слышатся) органами слуха, но могут вредно влиять на организм человека.
   Инфразвуковые колебания высокой интенсивности, которые наблюдаются в зоне жилой и промышленной застройки, негативно влияют на работоспособность, сердечно-сосудистую, эндокринную и другие системы.
   При действии ультразвука на человека в органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, может возникать разность давлений от 0,01 до 0,1 Па. При небольших интенсивностях ультразвука механические колебания способствуют лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой, что используется в медицине для лечебных целей. Повышение интенсивности ультразвука может привести к возникновению акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей. Контактное воздействие ультразвука на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, снижению болевой чувствительности.
   Длина волны - расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах. Длина волны обозначается греческой буквой X. Измеряется в единицах расстояния (метры, сантиметры и т. п.). Волновым числом называется величина, обратная длине волны:

, 2л к = —.
X

8

   Длина волны соответствует пространственному периоду волны, т. е. расстоянию, которое точка с постоянной фазой проходит за время, равное периоду колебаний X = а - Т = а /f где а - скорость звука, м/с; Т— период колебаний, с; f- частота, Гц - с⁻¹.
   Период колебании - наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (т. е. возвращается в то же состояние, в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно).
   Качественная характеристика звука определяется его частотой.
   Частота - физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершенных за единицу времени f= 1/ Т.
   Основным интервалом в музыке и в технической акустике является октава.
   Октава (от лат. octava - восьмая) - звуковой интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный звуковой интервал. Два последовательных звука, отстоящих на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте.
   Звуковое давление Р - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па.
   Порог слышимости - шум со звуковым давлением Ро = 2-10⁻⁵ Па, который воспринимает человеческое ухо при частоте f = 1000 Гц.
   Порог болевого ощущения при частоте f = 1000 Гц составляет Рб = 200 Па.
   Интенсивностью звука в данной точке среды называется средний поток энергии в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны:
1 = Р²/(р-«), Вт/м²,
где Р - звуковое давление; р - плотность среды; а - скорость распространения звука; (р ■ а) - удельное акустическое сопротивление. Интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, составляет 10 = 10⁻¹² Вт/м².
   Интенсивность звука, соответствующая порогу болевого ощущения, составляет Гб = 100 Вт/м².
   Бел (сокращение: Б) - безразмерная единица измерения отношения (разности уровней) некоторых величин (например, энергетических 
9

мощности и энергии или силовых - напряжения и силы тока) по логарифмической шкале. Отношение двух величин Е₁ и Е₂, выраженное в белах, определяется как десятичный логарифм отношения этих величин:

Б = 1g (Е]/Е₂).


   Единица бел названа в честь изобретателя телефона Александра Грэма Белла (Alexander Graham Bell) в 1923 г. В акустике 1 бел фактически принят за единицу громкости звука. Уровень акустической мощности источника шума LW =1g (W / W₀) есть логарифм отношения мощности звука W к некоторой условной мощности W₀ = 10⁻¹² Вт, в качестве которой взята интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха 1₀.
   Звуковая мощность определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в окружающее пространство за единицу времени. Мощность звука связана с интенсивностью зависимостью W = jLdS, где S - поверхность сферы, в центре которой находится источник шума интенсивностью L.
   На практике вместо 1 бела применяется величина, равная 0,1 бела, - децибел (дБ).
   Применение децибел в акустике оказывается очень удобным, так как слуховое восприятие и оценка интенсивностей звуков взаимосвязаны.
   Уровень интенсивности (силы) звука рассчитывается по формуле
L = 101g(I/1о), дБ,

где I - интенсивность звука, Вт/м²; 1₀ = 10⁻¹² Вт/м².
   Уровень звукового давления
LP = 101g (Р² /Рог) = 201g (Р/Ро), дБ,


где Ра - измеренное звуковое давление, Н/м²; Р₀ = 2-10⁻⁵ Па.
   Звуковые колебания, как и всякое волновое движение, подчиняются законам интерференции и дифракции.
   Интерференцией называется процесс наложения друг на друга нескольких звуковых волн. Если два колебания одинаковой частоты и

10

амплитуды складываются в одной фазе, то наблюдается усиление колебаний. Если фазы противоположны, то колебания прекращаются.
   Явление дифракции заключается в том, что звуковые волны огибают преграды, линейные размеры которых меньше длины волны. Короткие волны отражаются от таких препятствий, образуя за ними звуковую тень (рис. 1.2). На этом принципе основывается применение шумозащитных экранов, геометрические размеры которых определяются частотой звука, а также рас
Pwc. 2. Дифракция звуковых волн вокруг препятствия, линейные размеры которого больше длины волны:

стоянием до источника шума.              у _ фронт волны; 2 _ экран;
   Когда размер неоднородностей и пре-   ₃ _ область звуковой тени
пятствий в среде распространения значительно превосходит длину волны звука, наблюдаются явления прелом

ления и отражения звуковой волны.
   Свободным акустическим полем называется пространство, в котором звуковые волны свободно распространяются, не встречая отражающих поверхностей.
   Следует отметить, что все виды волн по мере удаления от источника приближаются к плоским.
   Стоячая волна _ состояние среды, при котором расположение максимумов и минимумов перемещений колеблющихся точек среды не меняется во времени. Стоячую волну можно рассматривать как результат наложения двух одинаковых бегущих волн, распространяющихся навстречу одна другой.


        1.2. ПРИРОДА ШУМА И ВИБРАЦИЙ Классификация шумов

   Шум _ наложение различных по частоте и силе звуков от разных источников.
   Шумы могут иметь естественное и техногенное происхождение. Шум в виде естественных звуков существует в виде дождя, водопада, раскатов грома, пения птиц, шороха листьев, морского прибоя и др. Источниками антропогенного шума являются промышленность, транспорт, бытовая техника. Шум в основном возникает в результате совершения работы или движения.

11