11.1. Основні поняття та визначення

Шум. Для успішної боротьби з шумом необхідно знати його фізичну природу, основні закономірності його виникнення і поширення.

Звук обумовлюється механічними коливаннями в пружних середовищах і тілах, частоти яких лежать в діапазоні 16...20 000 Гц, які спроможне сприймати людське вухо. Механічні коливання з такими частотами називаються звуковими, або акустичними. Нечутні механічні коливання з частотами нижче звукового діапазону (16 Гц) називають інфразвуковими, а з частотами вище звукового діапазону (20 000 Гц) - ультразвуковими.

Звук, коли його джерело здійснює гармонічні коливання, називається тоном. Величина тону визначається амплітудою коливань, а висота тону - частотою коливань. Шумові коливання складаються із величезної кількості гармонічних коливань з різними частотами.

Звукове поле - це простір, в якому поширюються звукові хвилі.

В звукових хвилях рух частинок поширюється вздовж напрямку поширення хвилі. Таким чином виникає ряд згущень і розріджень.

Звуковий тиск - це різниця між миттєвим значенням повного тиску і середнім тиском, який спостерігається в збурюючому середовищі.

Швидкість звуку С_r в газовому середовищі визначається з виразу, м/с:

, (11.1)

де К- показник адіабати;p_CTтиск повітря, Па; ,ρ- густина повітря, кг/м³.

Швидкість звуку залежить також від властивостей середовища. В повітрі при температурі 20°С і нормальному атмосферному тиску (760 мм.рт.ст.) швидкість звуку дорівнює 344 м/с, у воді - приблизно 433 м/с.

Рух звукової хвилі супроводжується переносом енергії, яка характеризується інтенсивністю звуку.

Інтенсивність звуку I- це середній потік енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, віднесений до одиниці площі поверхні, нормальної до напрямку розповсюдження хвилі.

Інтенсивність звуку Iу вільному звуковому полі пов'язана із звуковим тиском залежністю, Вт/м:

, (1.12)

де р- середньоквадратичне значення звукового тиску, Па;ρ_С- питомий акустичний опір середовища (для повітряρ_С= 444 Н·с,/м³, для води - 1,4...10⁶Н·с/м³).

Інтенсивність звуку змінюється в межах 10...10^-12Вт/м², звуковий тиск - в межах 2·10²...2·10^-5Па.

Також встановлено, що вухо людини реагує пропорційно логарифму відносної зміни інтенсивності або звукового тиску. Враховуючи це, були введені логарифмічні величини рівня інтенсивності і звукового тиску, які виражаються в децибелах (дБ).

Рівень інтенсивності звуку L_Iвизначається за формулою,

L_I = 10·lg(I/I_o), (11.3)

де I_o= 10^-12Вт/'м²- порогова величина інтенсивності.

Порогова величина інтенсивності наближено відповідає інтенсивності звуку, який тільки чути (пороговий звук) в частотній області найбільшої чуттєвості вуха людини (1000 Гц).

Рівень звукового тиску, Lвизначають за формулою, дБ:

L = 20·lg (р/р₀),(11.4)

де р₀ = 2·10^-5 Па – пороговий звуковий тиск, який відповідає пороговій інтенсивності звуку.

Користуватись рівнем звукового тиску зручно тому що весь великий діапазон звуків, які чутно, вкладається менше ніж в 130 дБ. Це дозволяє при оцінці різних шумів користуватись цілими числами, оскільки зміни рівня, менше ніж на 1дБ, практично не помітні на слух.

При рівні звукового тиску близько 130 дБ нормальне звукове сприйняття поступається місцем відчуттю фізичного болю у вусі і може призвести до розриву барабанної перетинки.

Розглянемо розповсюдження звуку у вільному звуковому полі. Звукове поле називається вільним, якщо в ньому немає відбиваючих звук огороджень, інтенсивність звуку, яка створюється джерелом у вільному полі, можна визначити за формулою, Вт/м:

(11.5)

де N - звукова потужність, Вт;ω- просторовий кут випромінення, стерадіан; r- відстань від джерела до точки розрахунку, м.

Кут випромінення ωзалежить від розташування джерела шуму. Якщо джерело випромінює шум у всі сторони простору, тоω = 4π.

Джерела шуму випромінюють звукову енергію нерівномірно. Ця нерівномірність враховується фактором спрямованості:

Ф = I/I_ср = p²/p_ср², (11.6)

де / - інтенсивність звуку в заданому напрямку на відстані rвід джерела шуму, Вт/м²;І_срінтенсивність звуку, усереднена по всіх напрямках на відстаніrвід джерела шуму, Вт/м².

Нерівномірність випромінення джерела звуку в різних напрямках можна виразити також показником направленості:

ПН = 10 lg Ф = 20lg(p/p_cp) = L-L_cp, (11.7)

де L- рівень звукового тиску, виміряний у даному напрямку на відстаніrвід джерела шуму, дБ;L_СР- усереднений по всіх напрямках рівень звукового тиску на відстаніrвід джерела шуму, дБ.

При попаданні в розрахункову точку шуму від кількох джерел інтенсивність визначається додаванням інтенсивностей звуку, Вт/м²:

I_ЗАГ = I₁ + I₂ + I₃ +…+ I_п (11.8)

Загальний рівень звукового тиску, який створюється багатьма джерелами шуму, визначається за формулою, дБ:

(11.9)

де п- загальна кількість джерел шуму, шт.

Сумарний рівень звукового тиску при одночасній дії двох неоднакових джерел з рівнями L₁іL₂ можна визначити за формулою, дБ:

L_ЗАГ = L₁ + ΔL, (11.10)

де L₁- більший з двох рівнів, що додаються, дБ;ΔL ₁-поправка.

Наприклад, при наявності двох джерел шуму з рівнями звукового тиску L₁= 85 дБ іL₂= 83 дБ сумарний рівень звукового тиску обох джерелL_ЗАГ= 85+2 = 87 дБ.

Рівні шуму, які створюються однаковими джерелами, визначаються за формулою, дБ:

L_ЗАГ =L₁+10·lg n. (11.11)

За цієї формулою, два однакових джерела створюють сумарний рівень шуму на 3 дБ більший, ніж кожне із джерел.

Вібрація. Збільшення потужностей та швидкостей переміщення у виробництві призводить до небажаних явищ, таких як вібрація. Вібрації не тільки погіршують самопочуття працюючих і знижують продуктивність праці, а й можуть призвести до серйозних патологічних змін організму людини. Комплексна механізації і автоматизація підприємства є радикальним способом позбавлення людини від шкідливого впливу вібрацій.

Вібрації - це механічні коливання машин, механізмів та їх елементів. Найпростішим видом вібрацій є гармонічні (синусоїдальні) коливання, які описуються рівнянням:

X = А·sinωt, (11.12)

де X- зміщення від положення рівноваги, м;А- амплітуда, м;ω- циклічна частота,ω = 2πf , f - частота коливання, Гц.

Миттєве значення швидкості гармонічного коливання визначається як перша похідна зміщення за часом:

V = ˙X = А·cosωt , (11.13)

миттєве значення прискорення - як друга похідна зміщення за часом:

a = ¨X = -Аω²·sinωt, (11.14)

Органи відчуття людини приймають не миттєве значення параметрів вібрацій, а діюче. Діюче знаменна коливальної швидкості визначається як середньоквадратичне миттєвих значень швидкості V(t)за час прискоренняT:

(11.15)

Характеристиками вібрацій с рівень коливальної швидкості L_V коливального прискоренняL_а, які визначаються за формулами, дБ:

L_V =20 lg(V/V₀);

L_a =20 lg(a/a₀);

де V- середньоквадратичне значення коливальної швидкості, м/с;V₀= 5·10^-8м/с - порогове значення коливальної швидкості;a- середньоквадратичне значення коливального прискорення, м/с²;а_о= 3·10^-4м/с²- порогове значення коливального прискорення.

Ультразвук таінфразвук. Коливання повітряного середовища із частотою більше 1,12·10⁴Гц називають ультразвуком. Джерелом ультразвуку є обладнання, що використовується для проведення технологічних процесів, технічного контролю та вимірів і в якому генеруються ультразвукові коливання.

Ультразвуковий діапазон частот розділяють на низькочастотні коливання (1,12·10⁴...1,0·10⁵Гц), що поширюються повітряним і контактним шляхом, тависокочастотні коливання (1,0·10⁵…1,0·10⁹Гц), що поширюються тільки контактним шляхом.

Характеристикою ультразвуку, що передається контактним шляхом, є пікове значення віброшвидкості (м/с) у частотному діапазоні 1·10⁵...1·10⁹Гц чи його логарифмічний рівень, дБ. Коливання повітряного середовища із частотою до 20 Гц називаютьінфразвуком.

На підприємствах харчової промисловості основним джерелом інфразвуку є вентилятори, компресорні установки, всі машини і механізми, що повільно коливаються.