
- •Глава 8
- •8.1. Понятия и физические характеристики шума, инфразвука, ультразвука и вибрации
- •8.2. Физиологическое воздействие акустической энергии на организм человека
- •8.3. Нормирование действия шума, инфразвука, ультразвука и вибрации
- •8.4. Организационно-технические методы защиты от шума, инфразвука, ультразвука и вибрации. Классификация методов и средств снижения шума
- •Снижение шума в источнике
- •8.5. Снижение шума на испытательных станциях авиадвигателей
- •8.6. Приборы для акустических измерений
- •Вопросы для самопроверки
8.4. Организационно-технические методы защиты от шума, инфразвука, ультразвука и вибрации. Классификация методов и средств снижения шума
При разработке технологических процессов, проектировании и эксплуатации машин, производственных зданий и сооружений, а также при организации рабочего места следует принимать все необходимые меры по снижению шума. Методы и средства борьбы с шумом по отношению к защищаемому объекту подразделяются на методы и средства коллективной защиты и средства индивидуальной защиты. [3]
Средства коллективной защиты подразделяются на: средства, снижающие шум в источнике его возникновения и средства, снижающие шум на пути его распространения.
Средства, снижающие шум в источнике его возникновения, в зависимости от характера шумообразования, подразделяются на средства, снижающие шум магнитного и аэродинамического происхождения.
Средства, снижающие шум на пути его распространения, в зависимости от среды, подразделяются на средства, снижающие передачу воздушного и структурного шумов.
Методы защиты от шума подразделяются на пассивные, в которых не используются дополнительные источники энергии, и активные, в которых используются дополнительные источники энергии. [3]
Акустические средства защиты от шума в зависимости от принципа действия подразделяются на средства звукопоглощения, звукоизоляции, вибродемпфирования, виброизодяции и глушители аэродинамического шума.
Мероприятия по снижению шума как на стадии проектирования, так и на производстве определяются на основе предварительных расчетов и экспериментов. Для того, чтобы правильно выбрать метод снижения шума, необходимо: выявить источники шума и определить их спектральные характеристики; определить точки в рабочих помещениях или на территории предприятия, для которых проводится снижение шума (так называемые расчетные точки); определить допустимые уровни шума с учетом характера производства; определить пути прохождения шума до расчетной точки; рассчитать или измерить уровни шума в расчетных точках, до осуществления мероприятия по борьбе с шумом.
Снижение шума в источнике
Наиболее эффективным способом снижения шума является устранение или сведение к минимуму звуковой энергии, излучаемой источником. При этом необходимо прежде всего устранить причины, вызывающие акустические колебания корпуса машины или других конструкционных деталей.
Механический шум возможно снизить в результате уменьшения переменных во времени сил, возникающих в процессе работы механизмов. Это может быть достигнуто при устранении дисбаланса, возникающего в результате вращения или перемещения тела. При работе подшипниковых опор, шестерен, фрикционных тормозов и сцепления, зубчатых передач уровни шума могут быть снижены за счет уменьшения величины действующих переменных сил, уменьшением механического импеданса, сокращением поверхности излучения или увеличением внутреннего трения материала зубчатых колес и механизмов, установкой подшипников качения в упруго-демпферные опоры.
При работе прессового оборудования шум может быть уменьшен за счет плавного включения пресса, применения скошенных штампов, сокращения пути свободного перемещения деталей, замены металлических деталей пластмассовыми или облицовкой их вибродемпфирующими покрытиями.
Шум магнитного происхождения может быть уменьшен за счет осуществления нормального режима работы электрических машин, устранения перегрузки напряжения питания, дефектов в подшипниках, коллекторах и щеточной аппаратуре. При проектировании асинхронных двигателей для снижения магнитных шумов необходимо правильно выбирать соотношения числа пазов статора и ротора, следить за тем, чтобы частоты магнитных силовых волн значительно отличались от частот собственных колебаний. Кроме этого, для снижения магнитного шума следует уменьшить индукцию в воздушных зазорах, а также выбирать максимально возможные величины воздушных зазоров.
Аэродинамический шум, характерный для оконных, крышных, обдувающих вентиляторов, ротационных воздуходувок и др. агрегатов, являющихся источниками шума вращения и вихревого шума, в трактах которых образуются отрывные течения и наблюдаются неоднородность потоков, может быть уменьшен за счет увеличения диаметров лопаточных колес и снижения окружных скоростей при сохранении требуемой производительности. Это приводит к уменьшению доли средних и высоких частот в общем спектре. Снижение вихревого шума достигается за счет рационального профилирования лопаток с использованием теории пространственных решеток. Снижению шума способствует рациональный выбор геометрических параметров, таких, как относительный диаметр входа в колесо или диаметр втулки, количество и изгиб лопаток, угол установки, густота решеток и т.д.
Снижение шума на 6-10 дБ может быть достигнуто за счет облицовки корпуса вентиляторов звукопоглотителями.
Значительные уровни шума создают компрессорные установки различных типов как в машинных залах, так и на окружающей их территории. Основными источниками шума являются всасывающий тракт и система перепуска сжатого воздуха. Поэтому на всасывающих и выхлопных воздуховодах необходимо устанавливать аэродинамические глушители шума. Компрессорные станции целесообразно размещать отдельно на территории предприятия, предусматривая их повышенную звукоизоляцию. Для защиты обслуживающего персонала на станциях предусматриваются кабины наблюдения и дистанционного управления.
Звукопоглощение. Звукопоглощением называется способность материалов уменьшать интенсивность отраженных ими акустических волн за счет диссипации энергии падающей волны. Поглощение звуковой энергии может иметь различную природу. При этом происходит трансформация одного вида энергии в другой. Так, в пористых материалах рассеяние акустической энергии обусловлено вязкостным сопротивлением, вызывающим превращение звуковой энергии в тепловую. В волокнистых материалах происходит преобразование акустической энергии в механические колебания волокон.
Практически представляет интерес определить отраженную и поглощенную составляющие акустической энергии у поверхности звукопоглощающего материала, т.е. на границе раздела двух сред. [2]
Для оценки отражающих свойств материалов используется коэффициент отражения, который определяется отношением акустической энергии отраженной и падающей волн и выражается зависимостью
(8.31)
Для оценки поглощающих свойств материалов используется коэффициент поглощения, который определяется отношением акустической энергии, прошедшей в материал, к энергии падающей волны
(8.32)
Акустической характеристикой звукопоглощающего материала называется частотное распределение коэффициента звукопоглощения d(f), которое рассчитывается или определяется экспериментальным путем.
Эффективность звукопоглощающей облицовки помещения определяется с помощью среднего коэффициента звукопоглощения ограждающих помещение поверхностей со звукопоглощающими облицовками и конструкциями dср, который находится по формуле
,
(8.33)
где d0 - средний коэффициент звукопоглощения ограждающих помещение поверхностей до установки звукопоглощающих облицовок;
Sогр - общая площадь ограждающих помещение конструкций, м2;
Sобл - площадь, облицованная звукопоглотителем, м2;
А - величина звукопоглощения звукопоглощающей облицовки, м2;
dобл - коэффициент звукопоглощения облицовки;
Аобл - величина звукопоглощения, вносимого объемным элементом, м2;
nоб - число объемных элементов.
Величина звукопоглощения определяется по формуле
,
(8.34)
где di - коэффициент звукопоглощения в октавных полосах частот;
к - количество различных облицовочных материалов, покрывающих соответствующие i площади помещения.
В настоящее время широко применяются следующие методы снижения шума звукопоглощением [7]:
- периферийное звукопоглощение;
- подвесные звукопоглощающие потолки;
- кулисные звукопоглощающие конструкции;
- объемные звукопоглотители.
Периферийное звукопоглощение предусматривает облицовку потолка и стен звукопоглощающими материалами и конструкциями.
Наиболее простыми в изготовлении и облицовке поверхностей помещений являются пористые материалы, которые изготавливаются на месте в виде звукопоглощающих штукатурок и покрытий. Наряду с ними, промышленностью выпускаются пористые поглотители в виде штучных изделий (плиток, панелей, блоков, рулонов, матов и т.д.). Волокнистые плиты изготавливаются из минераловатного, стеклянного или асбестового волокна на феноло-формальдегидном, битумном или крахмальном связующем. Волокнисто-пористые материалы покрывают помещения, либо непосредственно укрепляя на потолке и стенах, либо с некоторым зазором между ограждающими помещение поверхностями. К таким материалам относят маты из минеральной ваты, супертонкого базальтового волокна, ультратонкого стекловолокна и др. Коэффициент звукопоглощения для таких материалов на средних и высоких частотах принимает значения d = 0,6-0,9.
Резонансные поглотители состоят из одиночных или многих резонаторов. Каждый резонатор является колебательной системой, имеющей собственную резонансную частоту. Максимальное поглощение достигается в узком диапазоне частот, находящихся вокруг его собственной частоты. Обычно одиночные резонаторы практически не применяются, а используются конструкции, состоящие из большого числа резонаторов, соединенных параллельно. Резонансные поглотители представляют собой перфорированную панель, со стороны крепления к стене подклеенную тканью.
Панельные поглотители (щитовые) представляют собой пленку, тонкие пластины фанеры, древесноволокнистых плит и др., расположенные на некотором расстоянии от стен или потолка. Инерционным элементом такой колебательной системы служит масса пленки или тонкой пластины, упругостью - упругость воздуха, находящегося между пленкой (пластиной) и стеной. Такие поглотители эффективны на низких частотах. [6]
Наряду со звукопоглощающими материалами в настоящее время широкое распространение получили звукопоглощающие конструкции. Такие конструкции отвечают основным требованиям, предъявляемым к строительным конструкциям. Они изготавливаются в несгораемом или трудносгораемом исполнении и представляют комбинацию различных типов поглотителей, гигиеничны, имеют привлекательный внешний вид. Для придания механической прочности и предотвращения разрушения волокнисто-пористого материала конструкции покрываются тонкими перфорированными металлическими листами. Схема размещения звукопоглощающей облицовки c перфорированным покрытием показана на рис. 8.7.
Подвесные потолки удобно использовать в помещениях с большой высотой, а также там, где на потолке установлены какие-либо коммуникации или расположены системы вентиляции и кондиционирования воздуха (рис.8.8).
Кулисные звукопоглощающие конструкции представляют собой совокупность множества элементов, у которых два размера значительно превосходят третий - его толщину. Определенным образом размещенные в пространстве помещения элементы образуют пространственную решетку, которую можно рассматривать как звукопоглощающую систему с разделенными параметрами. Элементы кулисной конструкции применяются как самостоятельно, так и в сочетании с другими средствами звукопоглощения. Они изготавливаются из полужестких и жестких минераловатных плит с декоративным покрытием из стеклоткани. Примеры кулисных звукопоглощающих конструкций показаны на рис.8.9.
Объемные звукопоглотители представляют собой геометрические тела, изготовленные из звукопоглощающих материалов, свободно подвешенные в помещениях. На их акустическую эффективность оказывает влияние достаточно большое количество факторов, таких как многообразие форм, конструкций, вариантов расположения в производственном помещении, количество и линейные размеры. Примеры объемных звукопоглотителей представлены на рис. 8.10.
Выбор поглощающих материалов и конструкций зависит от величины требуемого снижения уровня шума Lтр в заданном диапазоне частот, который определяется как разность между фактическими значениями L и предельно допустимыми значениями Lдоп уровней шума
(8.35)
Во всем нормируемом диапазоне частот необходимо обеспечить соблюдение условия Lтр Lобл, когда необходимое снижение уровня шума обеспечивается за счет звукопоглощающих облицовок Lобл определяется зависимостью
,
(8.36)
где В0 и В - постоянные помещения до и после установления звукопоглощающих материалов и конструкций.
Исходя
из того, что величины В0
и В
определяются
по формулам
и
,
где
-
величина звукопоглощения до установки
звукопоглощающих материалов и
конструкций, зависимость (8.36) можно
представить в следующем виде
,
(8.37)
Применение звукопоглощающих материалов и конструкций основано на уменьшении отраженной звуковой энергии. При этом в зоне отражения звука, вдали от источника, снижение уровня шума составляет 8-10 др. При приближении к источнику шума такое уменьшение может составить всего 2-ЗдБ.
Звукоизоляция. Звукоизоляцией называется способность ограждающих конструкций снижать акустическую энергию на пути ее распространения. Звукоизолирующее действие конструкций конечной толщины, установленных на пути распространения звуковых волн, состоит в том, что они отражают значительную долю энергии, падающей на преграду. При этом определенная доля падающей энергии приводит ограждающую конструкцию в колебательное движение. В результате чего сама конструкция становится источником звука, который она излучает в окружающее пространство. Однако излучаемая конструкцией звуковая энергия в сотни и тысячи раз меньше энергии падающих волн.
Оценку акустических свойств ограждающих конструкций производят с помощью коэффициента звукопроницаемости
(8.38)
Звукоизолирующая способность ограждения от воздушного шума определяется как десять десятичных логарифмов величины, обратной коэффициенту звукопроницаемости, и измеряется в децибелах
(8.39)
Требуемая звукоизоляция помещения должна обеспечивать снижение шума на рабочих местах до допустимых уровней. Для этого рассчитываются значения требуемой звукоизолирующей способности для каждого i-го типа ограждающей конструкции (остекление, часть стены и т.д.). Так, определение требуемых значений звукоизолирующей способности Rтр при передаче шума из помещения с источниками шума в смежное изолируемое помещение можно осуществить с помощью зависимости
,
(8.40)
где
- требуемая
звукоизоляция однотипными i-ми
ограждающими конструкциями в октавных
полосах частот,
дБ;
LW - суммарный уровень звуковой мощности всех источников, дБ;
Вш и В0 - постоянные соответственно шумного и изолируемого помещений, м2; В0 = 1 м2;
Si - общая площадь однотипных i-x ограждающих конструкций, м2;
S0 = 1 м2;
m - число разнотипных ограждающих конструкций.
Для обеспечения требуемой звукоизоляции используются звукоизолирующие конструкции. К таким конструкциям относятся:
1 - однослойные ограждения;
2 - многослойные ограждения;
3 - акустические экраны;
4 - кожухи.
1. Однослойные ограждения представляют собой конструкции, состоящие из однородного материала одной толщины, которые могут рассматриваться как шарнирно-опертые по краям пластины, совершающие изгибные колебания.
При воздействии на однослойное ограждение колебательной энергии падающих звуковых волн в широком диапазоне частот можно выделить различные характерные диапазоны, при которых ограждение будет вести себя по-разному. Общий вид частотной характеристики звукоизолирующей способности однослойного ограждения показан на рис. 8.11.
Первый диапазон характеризуется областью низких частот. При этом преграда рассматривается как пластина, имеющая бесконечное множество частот собственных изгибных колебаний, которые определяются с помощью зависимости
,
(8.41)
где h - толщина пластины;
Cn – скорость продольной волны в пластине;
a, b - размеры сторон пластины;
=
1,2,3... - целые числа, определяющие форму
колебаний пластины.
Числа
определяют
количество полуволн, укладывающихся в
пластине в двух перпендикулярных
направлениях, соответствующих сторонам
пластины. На низких частотах колебательное
движение пластины зависит, главным
образом, от жесткости. При совпадении
вынужденных колебаний воздушного шума
с собственными изгибными колебаниями
пластины
происходит усиление амплитуды колебаний
системы, которое носит название резонанс.
Поэтому первый диапазон, определяемый
собственными частотами ограждения,
носит название области
дискретных резонансов.
Второй диапазон характеризуется областью частот, в которой пластина рассматривается как система равномерно распределенных масс, не связанных между собой, каждая из которых независимо от других совершает колебательные движения под действием воздушного звука. Рассматриваемый диапазон носит название области, управляемой законом масс. В этой области влияние жесткости преграды сказывается весьма слабо. Звукоизолирующая способность в пределах данной области определяется зависимостью
,
(8.42)
где m1 - масса одного квадратного метра ограждения, кг/м2.
Третий диапазон характеризуется областью частот воздушного шума, при которых длина звуковой волны в воздухе меньше или равна длине волны изгиба в пластине. При этом колебания в пластине распространяются в виде вынужденной волны изгиба. Если она оказывается равной длине собственной изгибной волны в пластине при той же частоте, то наступает интенсивный рост колебаний, который способствует прохождению наибольшей звуковой энергии через преграду. Это явление носит название волновое совпадение. Наименьшая частота, при которой наступает волновое совпадение, называется граничной частотой, которая определяется с помощью зависимости
,
(8.43)
где с1 - скорость продольной волны в пластине.
Диапазон частот между fгр и 2fгр называется областью волнового совпадения.
Четвертый диапазон характеризуется областью, в котором заметное влияние начинает оказывать цилиндрическая жесткость пластины и внутреннее трение в материале, характеризуемое коэффициентом потерь. В этой области рост звукоизолирующей способности составляет 7,5 дБ при каждом удвоении частоты. Для четвертого диапазона характерным является интервал частот от 2 fгр до 4 fгр . В этом диапазоне звукоизолирующая способность ограждения определяется с помощью зависимости
,
(8.44)
где - коэффициент потерь в материале пластины.
2. Многослойные ограждения представляют собой конструкции, состоящие из нескольких жестких и упругих слоев, где упругим слоем может быть воздушная прослойка. В этом случае звукоизолирующая способность приближенно может быть определена суммой значений звукоизолирующей способности составляющих перегородок.
Частотную характеристику двухслойных пластин можно подразделить на две области.
Первая область характеризуется диапазоном низких частот до 300 Гц, когда действует закон масс и двухслойную преграду можно представить как однослойную пластину с поверхностной массой, равной сумме поверхностных масс двух пластин.
Вторая область, характерная для средних и высоких частот, когда суммируется звукоизолирующая способность каждой преграды.
3. Акустические экраны представляют собой пластины, жестко опертые не по всем краям. Использование акустических экранов целесообразно, когда в расчетной точке уровень звукового давления прямого звука от источника шума значительно выше, чем уровни звукового давления отраженного звука. Экраны изготавливают из стальных или алюминиевых листов толщиной 1,5-2 мм. При этом акустическую эффективность экранов можно существенно улучшить, если с одной или двух сторон облицевать звукопоглощающими материалами. Акустическая эффективность экранов заметно снижается при наличии поля отраженных звуковых волн от ограждающих поверхностей помещения при больших значениях коэффициентов отражения последних.
4. Разновидностью акустических экранов являются звукоизолирующие кожухи, которыми плотно закрывают шумные механизмы и машины, локализуя, таким образом, источник шума.
Снижение аэродинамического шума. Глушители аэродинамического шума предназначены для снижения до допустимых значений уровней шума в установках, использующих в качестве рабочего тела воздух либо другое газообразное тело. К таким установкам можно отнести вентиляторы, компрессоры, дизельные, газотурбинные установки, пневмоинструменты и т.д. Глушители, наряду со снижением уровней шума, должны обеспечить движение воздуха или другого газообразного тела с минимальными гидравлическими потерями.
Глушители аэродинамического шума по принципу действия подразделяются на камерные, активные, реактивные и др. [2]
Камерные глушители представляют собой камеры расширения, линейные размеры которых больше половины длины звуковой волны. Они выполнены в виде расширяющегося канала, переходящего в камеру. В камерных глушителях использован принцип поглощения звуковой энергии слоями звукопоглощающего материала, расположенного по периметру внутри глушителя.
Снижение уровня шума камерным глушителем Lk, дБ определяется зависимостью
,
(8.45)
где W1 и W2 - мощности источника и на выходе из камеры соответственно, Вт;
Ak - поглощение в камере, м2;
Sв - площадь выходного сечения канала, м2.
Глушители активного типа представляют собой каналы, облицованные звукопоглощающими материалами. Принцип действия состоит в том, что распространяющаяся звуковая энергия рассеивается на периферии канала глушителя за счет вязкостного трения в пористых звукопоглощающих материалах. Материалы облицовки выбираются в зависимости от характера спектра. К наиболее распространенным материалам облицовки следует отнести капроновое волокно, стеклянное волокно или шлаковую вату, строительный или керамзитовый гравий и др. По форме глушители могут быть прямоугольного и круглого сечений, а также пластинчатые.
Снижение уровня шума глушителями активного типа с каналами прямоугольного и круглого сечения, а также пластинчатыми можно определить по формулам
;
(8.46)
;
(8.47)
,
(8.48)
где П - периметр поперечного сечения канала;
l - длин
а канала;
S - площадь поперечного сечения канала;
d - диаметр канала;
a - расстояние между пластинами;
f() - условный коэффициент звукопоглощения облицовки глушителей, зависящий от коэффициента звукопоглощения материала (определяется в зависимости от коэффициента звукопоглощения материала по таблице 8.2).
Таблица 8.2
|
0,1 |
0,2 |
0,3 |
0,4 |
0,5 |
0,6 |
0,7 |
0,8 |
0,9 |
1,0 |
f() |
0,1 |
0,2 |
0,35 |
0,5 |
0,65 |
0,9 |
1,2 |
1,6 |
2,0 |
4,0 |
Схема глушителя активного типа представлена на рис.8.12. В качестве материалов используются звукопоглощающие материалы, рассмотренные ранее.
Глушители реактивного типа представляют собой камеры расширения, связанные с каналами. Такие глушители представляют собой акустические фильтры, которые способны пропускать одни частоты и существенно подавлять другие. В глушителях реактивного типа поглощение звука происходит вследствие инертности массы воздуха при резком изменении сечения каналов. Этот тип глушителей целесообразно применять при подавлении шума с ярко выраженными дискретными составляющими. Глушители могут содержать одну или несколько камер, соединенных между собой.
Снижение уровня шума однокамерными глушителями может быть определено по формуле
,
(8.49)
где F1 и F2 - площади сечения канала и камеры соответственно, м2;
к - волновое число;
lk - длина камеры расширения, м.
Схемы однокамерного и двухкамерного реактивных глушителей показаны на рис. 8^13.
Акустическая эффективность глушителей реактивного типа тем больше, чем больше число камер. Частотная характеристика такого глушителя определяется соотношением площадей F1 и F2, а также длиной камеры расширения lк.
Виброизоляция. Виброизоляцией называется способность виброизоляторов препятствовать распространению колебательной энергии от работающей машины к строительным конструкциям. Целью виброизоляции механизмов является создание на пути распространения колебательной энергии условий, которые позволяют увеличить необратимые потери энергии и таким путем уменьшить долю энергии, передаваемой на конструкцию. Виброизоляторы представляют собой акустические фильтры, которые способны пропускать колебательную энергию в узких полосах частот, задерживая при этом передачу энергии во всем остальном частотном диапазоне.
Колебательная энергия от работающих машин и механизмов передается сопрягаемым с ними строительным конструкциям, вызывая вибрацию последних. Если вибрирующая поверхность имеет размеры, соизмеримые с половиной длины волны, и вибрации ее происходят со звуковой частотой, то в воздухе возникает шум. Интенсивность шума при этом зависит от величины амплитуды и размера вибрирующих поверхностей. Для предотвращения или уменьшения вибрации, передаваемой от работающей машины к конструкции здания, машину устанавливают на виброизоляторы.
Акустическую эффективность амортизаторов оценивают с помощью виброизолирующей способности, ВИ, в дБ представляющей собой десять десятичных логарифмов величины, обратной модулю коэффициента динамичности.
,
(8.50)
где
-
коэффициент динамичности;
-
круговая частота вынужденных колебаний;
0 - круговая частота собственных колебаний.
Из зависимости(8.50) видно, что амплитуда колебательной системы целиком зависит от соотношения частоты вынуждающей силы и собственной частоты колебаний системы. При совпадении значений этих частот наступает явление резонанса и амплитуда системы резко возрастает.
На рис. 8.14 показана зависимость изменения значений КД при изменении соотношения вынужденной и собственной частот колебаний системы. Здесь - коэффициент потерь.
Исходя из графика рис.8.14, можно выделить три характерные области.
Первая область характеризуется соотношением вынужденной и собственной < 0. В этой области динамический прогиб мало отличается от статического и акустическая эффективность амортизаторов незначительна.
Вторая область характеризуется близостью значений вынуждающей и собственной ~ 0. В этой области наблюдается раскачивание системы до значительных амплитуд. В практике эта область является наиболее опасной для машин и механизмов, т.к. резонансные явления способствуют повышенному износу и могут вызвать разрушение машины.
Третья
область
характеризуется соотношением значений
вынуждающей и собственной частот
зависимостью
.
в этой области амортизаторы обеспечивают
наиболее эффективную защиту от вибрирующих
машин рабочих мест и строительных
конструкций.
В настоящее время широкое распространение подучили следующие виды виброизоляции:
а) в виде отдельных опор:
- пружинные амортизаторы, состоящие из одной или нескольких пружин;
- резиновые или резинометаллические амортизаторы;
- гидравлические;
- пневматические (регулируемые);
б) в виде слоя упругого материала, расположенного между машиной и фундаментом;
в) в виде пола (изолированного фундамента) на упругом основании.
Конструктивно виброизоляторы выполняют в виде однозвенной, двухзвенной или трехзвенной схемы (рис.8.15)
При однозвенной схеме могут быть использованы опорный или подвесной варианты конструкции (рис.8.15а, б, в). Неподвижное основание, которое служит опорой, называется фундаментом.
Вибропоглощение. Вибропоглощением называется целенаправленное увеличение потерь колебательной энергии механических систем. Для этого колебательную систему снабжают вибропоглощающими материалами и конструкциями с целью преобразования колебательной энергии в тепловую. Акустический эффект вибропоглощения зависит как от динамических характеристик вибропоглощающих покрытий и конструкций, так и от собственного коэффициента потерь, свойственного самой машине (системе).
Для обеспечения вибропоглощения колебательная система дополняется поглощающим элементом, оказывающим сопротивление при колебательном смещении системы.
В
практике эффективность вибропоглощения
определяется по изменению виброскорости
и
до
и после применения поглощающих материалов
и конструкций
(8.51)
Увеличение потерь колебательной энергии в системе может производиться нанесением слоев упруго-вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение, а также использование поверхностного трения.
Коэффициент потерь является не только мерой внутренних потерь энергии в твердых телах, но и мерой демпфирования при сочетании металлических конструкций с вибропоглощающими покрытиями. Величина коэффициента потерь пропорциональна той части энергии, которая в единицу времени рассеивается, превращаясь в тепло.
Наибольшая акустическая эффективность вибропоглощающих покрытий наблюдается на резонансных частотах несущей металлической конструкции. При этом эффект основан на введении дополнительного затухания в элементы конструкции.
Вибропоглощающие покрытия подразделяются на жесткие и мягкие. К жестким покрытиям относятся твердые пластмассы (часто с наполнителями) с динамическими модулями упругости, лежащими в диапазоне 108-109 Н/м2. Действие этих покрытий обусловлено их деформациями вместе с рабочей поверхностью. Ввиду их жесткости они вызывают смещение нейтральной оси вибрирующего элемента машины-при колебаниях изгиба. Действие подобных покрытий проявляется на низких и средних частотах. Чем больше жесткость тем выше потери колебательной энергии. Жесткие покрытия могут быть однослойными и многослойными.
К мягким покрытиям относятся мягкие резины и пластмассы, битуминизированный войлок, мастики и др. с динамическим модулем упругости 107 Н/м2. Затухание колебаний металлических конструкций при нанесении таких покрытий обусловлено деформацией покрытия по его толщине. Поэтому мягкие покрытия эффективно могут быть использованы на высоких частотах.
Снижение локальной вибрации. Уровень локальной вибрации, например, при клепке достигает 120-130 дБ на среднегеометрической частоте октавной полосы 31,5 Га,. Виброзащита ударного ручного инструмента осуществляется за счет жесткого соединения рукоятки вибромолотка с корпусом, внутри которого ударный узел перемещается на разрезных направляющих, что снижает трение, а следовательно, уменьшает передачу вибрации от ударного узла на рукоятку корпуса. Кроме этого, предусматриваются уплотнительные кольца,.между которыми устанавливается пружина, воспринимающая ударную нагрузку. Колебания ударного узла демпфируются воздушной подушкой, заключенной между уплотнительными кольцами. Применение описанного устройства позволяет снизить уровень вибрации ручного инструмента на 8-10 дБ. Если не удается обеспечить снижение вибрации до нормативных значений, то ограничивают время работы с вибрирующим инструментом.
Средства индивидуальной защиты от шума. Средства индивидуальной защити (СИЗ) предназначены для защиты слухового аппарата человека. По своей структуре СИЗ делятся на три вида: вкладыши, наушники, шлемы.
Вкладыши изготавливаются из мягких эластичных материалов: различного волокна, резины или пластмассы и имеют небольшую массу (не более 2 г).
Наушники являются наиболее эффективным средством защиты, но в ряде случаев неудобны в эксплуатации из-за большой массы, неплотного прижима к околоушной полости, запотевания и раздражения кожи под наушниками при повышенной температуре.
Они достаточно эффективны как на средних, так и на высоких частотах.
Шлемы защищают не только слуховой аппарат, но и уменьшают воздействие шума на кости черепа. Наибольший эффект достигается, когда применяются совместно шлемы и ушные вкладыши. В табл. 8.3 приведена эффективность различных типов СИЗ.
В условиях интенсивного шума используется антишумовой костюм, защищающий весь организм человека.
Рассмотренные СИЗ применяются для снижения воздействия шума в ультразвуковом диапазоне на частотах свыше 8000 Гц. В низкочастотном инфразвуковом диапазоне на частотах менее 20 Гц эти средства практически не эффективны. В случаях, когда необходимы речевые восприятия, переговоры могут проводиться через телефоны, встроенные в наушники или шлемофоны. Для снятия эмоциональной нагрузки или раздражающего эффекта разрабатываются наушники с воспроизведением музыки через встроенные громкоговорители.
Таблица 8.3.
Типы СИЗ |
Эффективность СИЗ, дБ, в частотных диапазонах, Гц | |||
20-100 |
100-800 |
800-8000 |
Свыше 8000 | |
Вкладыши |
5-20 |
20-35 |
30-40 |
30-40 |
Наушники |
2-15 |
15-35 |
30-45 |
35-45 |
Наушники совместно с вкладышами |
15-25 |
24-45 |
30-60 |
40-60 |
Шлемы |
2-7 |
7-20 |
20-55 |
30-55 |
Космические шлемы |
5-10 |
10-25 |
30-60 |
30-60 |
Для защиты рук от воздействия локальной вибрации применяются антивибрационные и виброгасящие рукавицы. Для уменьшения воздействия общей вибрации применяется спецобувь.
Активные методы защиты от шума и вибрации. Под активными методами компенсации звукового поля и вибрации понимается компенсация, при которой происходит наложение специально, создаваемого излучателем вторичного звукового поля или вибрации на первичное поле, генерируемое источниками шума или вибраций, причем колебания вторичного и первичного поля находятся в противофазе. Термин "активные методы" означает, что для обеспечения компенсации звукового поля или вибрации расходуется дополнительная энергия. К активным методам относятся следующие методы компенсации.
1. Компенсация акустического поля, воспринимаемого ушами. Эта компенсация достигается путем применения динамических наушников, в которых происходит формирование вторичного, звукового поля со сдвигом фаз на 180 относительно первичного поля, регистрируемого микрофоном. В области низких частот можно обеспечить ослабление звука на 10 - 15 дБ.
2. Компенсация звукового поля, отраженного от внутренних поверхностей помещения. Эта компенсация достигается за счет установки и применения у внутренних поверхностей помещения системы микрофонов и излучателей, соединенных между собой усилителями и фазовращателями, с помощью которых формируется вторичное компенсирующее звуковое поле. Такая система получила название "Активный звукопоглотитель".
3. Компенсация звукового поля, излучаемого локальными источниками. Такая компенсация достигается за счет установки вокруг источника шума системы микрофонов, усилителей, фазовращателей и симметрично расположенных громкоговорителей, генерирующих вторичное звуковое поле. За счет применения указанной системы можно добиться снижения уровня шума до 30 - 35 дБ.
4. Компенсация вибраций на пути распространения. Распространение колебаний от вибрирующей машины в фундамент можно ограничить, если между машиной и фундаментом установить вибратор, развивающий динамическую силу, воздействующую на фундамент в противофазе по сравнению с вынуждающей силой, действующей в результате работы вибрирующей машины.