Лекция № Акустические колебания (шум).
Акустическими колебаниями называют колебания упругой среды. Понятие акустичеких колебаний охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания воздушной среды.
Акустические колебания в диапазоне частот 16 Гц …20 кГц, воспринимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуковыми, выше 20 кГц – ультразвуковыми. Область распространения акустических колебаний называют акустическим полем. Часто акустические колебания называют звуком, а область их распространения –звуковым полем.
Шумом принято называть апериодические звуки различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум – это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук.
Источники шума. Источниками шума на производстве является транспорт, технологическое оборудование, системы вентиляции, пневмо-и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию, т.к. колебания твердых тел вызывают колебания воздушной среды. Шум является одним из наиболее существенных негативных факторов производственной среды. Источники шума формируют звуковые волны, возникающие в результате нарушения стационарного состояния воздушной среды.
Параметры, характеризующие акустические колебания (шум).
Колебательная скорость v (м/с) – скорость колебания частиц воздухи относительно положения равновесия.
Скорость распространения звука (скорость звука) c (м/с) – скорость распространения звуковой волны. При нормальных атмосферных условиях (температура 200С, давление 1034 гПа) скорость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.
Звуковое давление р (Па) – разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде
р = vρ c,
где - плотность среды (кг/м3), с – называют удельным акустическим сопротивлением (Па с/м), равное 410 Па с/м для воздуха, 1,5 106 Па с/м – для воды, 4,8 107 Па с/м – для стали.
При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука.
Интенсивность звука I (Вт/м2) – это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади поверхности, через которую она распространяется.
I = p2 / с .
Как и для вибрации и по тем же самым причинам звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их логарифмическими значениями – уровнями звукового давления и интенсивности звука.
Уровень звукового давления: Lp = 10 lg(р2/р2 0) = 20 lg (р/р0), где р - звуковое давление, Па, р0- пороговое звуковое давление равное 2 10-5 Па.
Уровень интенсивности звука: Li = 10 lg (I/I0), где I – интенсивность звука, Па, I0 – пороговая интенсивность звука, равная 10-12 Вт/м2.
В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.
Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Также как и для вибрации диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (f1/f2 = 2), характеризуемые их среднегеометрическими частотами fcг. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос (Гц) приведены ниже:
-
Среднегеометрические
значения октавных полос
Граничные частоты и
диапазоны октавных полос
63
45…90
125
90…180
250
180…355
500
355…710
1000
710…1400
2000
1400…2800
4000
2800…5600
8000
5600…11200
Классификация производственного шума ( рис.2.15). Шумы классифицируется по частоте, спектральным и временным характеристикам, природе его возникновения.
По частоте акустические колебания различаются на инфразвук (f Гц, звук (16 f 20000 Гц), ультразвук (f 20000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные ( менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).
По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный) в спектре которого имеются выраженные дискретные тона ( частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах). Примером широкополосного шум может являться шум реактивного самолета, непостоянного – шум дисковой пилы, с спектре шума которой имеется ярко выраженная частота с доминирующим уровнем звука.
По временным характеристикам шум подразделяется на постоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень которого в течение восьми часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ, непостоянным – если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на : колеблющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во времени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука остается постоянным не менее 1 с. (например, шум прерывисто сбрасываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с. (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме).
По природе возникновения шум можно разделить на: механический, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.
Механические шумы возникают по следующим причинам: наличие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникающих из-за движения деталей механизма с переменными ускорениями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбежных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.
Аэродинамические шумы возникают в результате движения газа, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара и газа в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания. Причинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и выпуске свободной струю газа, пульсации рабочей среды, вызываемые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин, колебания, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэродинамический шум – один из самых значительных по уровни звука.
Гидравлические шумы. Эти шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях ( кавитации, турбулентности, гидравлических ударов). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхностей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.
Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также электрические (пондеромоторные) силы вызываемые взаимодействием электромагнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами.