8. Нормування шуму і вібрацій
8.1. Основні акустичні поняття
8.1.1. Шум.
На практиці під шумом розуміють всякі небажані звуки. Звукові хвилі виникають в пружному середовищі під впливом якої-небудь сили, що збурює це середовище.
Період Т - тривалість одного повного коливання, оборотньо пропорційна частоті f: T=1/f.
Повітряним називають звук, що розповсюджується в повітрі.
Структурним називають звук, що розповсюджується в твердих тілах - будівельних конструкціях, вузлах машин.
Швидкість звуку залежить від властивостей середовища. В повітрі при температурі 20°с і тиску 760 мм рт.ст. вона складає 344 м/с. У більшій частці будівельних і конструкційних матеріалів швидкість звуку лежить в межах 3500 - 5200 м/с.
Довжина звукової хвилі зв'язана із швидкістю звуку с і частотою коливань f співвідношенням
(8.1)
Звуковим полем називається область простору, в якій розповсюджуються звукові хвилі. У будь-якій точці звукового поля тиск і швидкість коливального руху часток середовища змінюються в часі.
Звуковим тиском називається різниця між миттєвим значенням повного тиску і середньостатистичним тиском, спостережуваним в незбуреному середовищі. На слух людини діє середньоквадратичний звуковий тиск. Звуковий тиск визначається амплітудою коливань. Чим більше амплітуда, тим вище звуковий тиск і тим голосніше сприйманий звук. Вимірюється звуковий тиск в паскалях.
Розповсюдження звукової хвилі супроводжується перенесенням енергії. Інтенсивністю або силою звуку називається середній потік енергії в якій-небудь точці середовища в одиницю часу у розрахунку на одиницю поверхні, нормальний до напряму розповсюдження хвилі. Інтенсивність звуку І (Вт/м2) пропорційна квадрату амплітуди коливань і пов'язана із звуковим тиском р залежністю
(8.2)
де ra = с– питомий акустичний опір середовища (Н·с/м3);
- густина середовища; с – швидкість звуку в цьому середовищі.
Чим більше акустичний опір середовища, тим менша кількість звукової енергії втрачається при розповсюдженні в ньому звуку. Питомий акустичний опір повітря – 410 Н·с/м3, сталі – 4,8107 Н·с/м3.
Звуковий тиск і інтенсивність звуку можуть змінюватися в широких межах. Наприклад, звуковий тиск ледве чутного звуку (порогу чутності) складає 2·10-5 Па, а тиск поблизу працюючого двигуна літака більше 200 Па. Граничні значення інтенсивності звуку можуть розрізнятися в 1016 разів. Вухо людини реагує не на абсолютну, а на відносну зміну інтенсивності. Збільшення сили звуку в 10 разів сприймається на слух, як збільшення гучності в 2 рази. Тому на практиці для оцінки звукового тиску і інтенсивності звуку використовують десяткові логарифмічні шкали. Такі відносні одиниці, в яких оцінюються р і І, називаються їх рівнями, і виражаються в децибелах (дб).
Рівень звукового тиску визначається по співвідношенню
(8.3)
де р – середньоквадратичний звуковий тиск у точці вимірювання, Па; р0 – порогів звуковий тиск (210-5 Па).
Рівень інтенсивності звуку визначається по співвідношенню
(8.4)
де І0 = 10-12 Вт/м2 на частоті 1000 Гц – інтенсивність звуку, відповідна порогу чутності.
Рівні інтенсивності і звукового тиску зв'язані між собою
(8.5)
де 0 и с0 – відповідно густина середовища і швидкість звуку за нормальних умов.
При попаданні в розрахункову точку шуму від n однакових джерел, розташованих близько один від одного, з рівнем звукового тиску кожного, рівним L, сумарний рівень звукового тиску складе
(8.6)
З останнього співвідношення видно, що два однакові джерела шуму спільно створять рівень на 3 дб більший, ніж кожен з них окремо.
При спільній дії декількох різних по інтенсивності джерел при різниці рівнів більше 6-8 дб рівнем шуму слабкішого джерела можна нехтувати. При великому числі більш менш однакових джерел шуму заглушення лише декілька з них практично не понизить сумарний шум. Для досягнення відчутних результатів насамперед слід знижувати рівень шуму найбільш потужних джерел, що досягається тим або іншим шляхом зменшення шуму і також оцінюється в децибелах:
(8.7)
Так. згідно співвідношенню (8.7), в разі зниження інтенсивності шуму, що створюється яким-небудь джерелом, в 100 разів рівень інтенсивності зменшиться на 20 дб.
Для найбільш об'єктивної оцінки джерела звуку існує поняття звукової потужності, під яким розуміється спільна кількість звукової енергії, що випромінюється джерелом звуку в навколишній простір за одиницю часу. Рівень звукової потужності Lp визначається за шкалою децибел по співвідношенню
(8.8)
де Р – звукова потужність, Вт; Р0 = 10-12 Вт – порогова звукова потужність.
Характер шуму залежить від виду його джерела. Розрізняють шуми механічного, аеро- або гідродинамічного і електромагнітного походження.
Механічні шуми виникають при тиску, зіткненні, терті деталей машин, механізмів, при ударних процесах. Основними джерелами механічного шуму, походження якого не пов'язане з технологічними процесами, є такі елементи устаткування як підшипники кочення, зубчасті передачі; видаваний ними шум тим більше, чим вище швидкість обертання.
Аеро- і гідродинамічні шуми виникають при русі з великою швидкістю газу, пари або рідини в результаті пульсації тиску із-за турбулентних процесів у вільних струменях або біля границь обтічного тіла. У гідравлічних механізмах джерелами шуму можуть бути також процеси кавітацій.
Електромагнітні шуми виникають в електричних машинах і устаткуванні в результаті взаємодії феромагнітних мас під впливом змінних магнітних полів.
Звукова енергія може випромінюватися джерелом нерівномірно по різних напрямах. Чинник спрямованості Ф (дб), що характеризує в таких випадках джерело звуку і що дозволяє виявити основний напрям розповсюдження шуму, визначається як різниця рівнів звукового тиску у різних напрямах і його середнім значенням
. (8.9)
Велику частку шумів можна віднести до випадкових процесів, що не мають чітко вираженого періоду. Шуми характеризуються або середньою випромінюваною звуковою потужністю, або розподілом її в певних вибраних інтервалах звукових частот.
Спектром шуму називається частотний склад шуму, що представляється у вигляді таблиці (таблиця. 8.1) або графіка (рис. 8.1). Для побудови спектру досліджуваний діапазон частот ділиться на лаву смуг, найчастіше на октави. Октавою називається така смуга частот, верхня частота якої fв в два рази більше нижньою fн. Середня частота (Гц) октавної смуги визначається як середньогеометричне із значень граничних частот: fср= fН fВ= 1,41 fН.
В деяких випадках використовують третєоктавні спектри із смугами частот, рівними третині октави (за логарифмічною шкалою).
По характеру спектру шуми діляться на широкосмугові (з безперервним спектром шириною більш за одну октаву) і тональні, в спектрі яких прослухуються окремі чисті тони (наприклад, шум дискової пили). Тональні шуми особливо неприємні для слуху.
По спектральному складу розрізняють шуми нізько-, середньо-, і високочастотні з переважанням коливань з частотою, відповідно до 300, від 300 до 800 і вище 800 Гц. На слух шуми різних частот сприймаються по різному. Найбільш дратівливими є високочастотні шуми. До низькочастотних людина найменш чутлива.
Таблиця 8.1. Стандартні граничні і середньогеометричні частоти октавних смуг.
Граничні частоти октавних смуг, Гц |
45-90 |
90-180 |
180-355 |
355-710 |
Середньогеометричні частоти октавних смуг, Гц |
63 |
125 |
250 |
500 |
Граничні частоти октавних смуг |
710-1400 |
1400-2800 |
2800-5600 |
5600-11200 |
Середньогеометричні частоти октавних смуг, Гц |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 |
По часових характеристиках шуми підрозділяють на постійні і непостійні. Для оцінки непостійних шумів, що коливаються в часі, а також орієнтовної оцінки постійних шумів використовують показник, званий рівнем звуку. Це сумарний рівень звукового тиску, вимірюваний за шкалою А шумоміра в дба. Характеристика А близька до суб'єктивного сприйняття складних звуків органами слуху людини.
За постійні вважаються шуми, рівень звуку яких змінюється в часі не більше ніж на 5дба. Непостійні шуми діляться на тих, що коливаються, рівень звуку яких безперервно змінюється в часі; переривисті, рівень звуку яких різко падає до рівня фонового шуму кілька разів за час спостереження, причому тривалість інтервалів, протягом яких рівень залишається постійним і перевищує фоновий, складає 1 сік.; імпульсні, що складаються з одного або декількох, наступних один за одним ударів, тривалістю менше 1 сек.
Звукові коливання підкоряються законам інтерференції і дифракції. Інтерференцією називається процес накладення друг на друга декількох звукових хвиль. При складанні двох звукових хвиль однакової частоти, співпадаючих по фазі, відбувається посилення коливань, амплітуда збільшується. Якщо фази протилежні, коливання ослабляються, а при рівності амплітуд хвиль, що інтерферують, припиняються. Явище дифракції полягає в тому, що звукові хвилі огинають перешкоди, розміри яких менше довжини хвилі. Тому інтенсивність високочастотного шуму, що створюється тим або іншим джерелом, можна істотно понизити екраном або обгороджуванням, що створює звукову тінь (рис. 8.2). Проти низькочастотних шумів цей спосіб малоефективний.
Рівень
звукового
тиску, дБ
110
1
90
2
70
63 125 250 500 1000 2000 4000 Гц
Середньогеометрична частота
Рисунок 8.1. Спектри шуму, зміряні в октавних (1) і
третєоктавних (2) смугах частот
а б
Рисунок 8.2. Розповсюдження звукових хвиль високих (а) і низьких (б) частот