Исследование и расчёт производственных шумов в помещениях

Измерить уровень звука и уровни звукового давления в октавных полосах частот в зоне прямого и отраженного звукового поля (на сфере граничного радиуса) источника шума.
Определить уровень звуковой мощности источника шума по уровню звука и уровням звукового давления в октавных полосах частот.
Рассчитать уровень звука и уровни звукового давления в зоне отраженного поля на одном из рабочих мест помещения.
Сопоставить расчетные данные с нормативами, сделать выводы и дать предложения.

Введение

Шум - случайное сочетание звуков различной интенсивности и частоты, мешающий, нежелательный звук.
Шум - один из наиболее распространенных неблагоприятных физических факторов окружающей среды и производственных факторов, приобретающих важное социально-гигиеническое значение, в связи с урбанизацией, а также механизацией и автоматизацией технологических процессов, дальнейшим развитием дизелестроения, реактивной авиации, транспорта.
Проблема борьбы с шумом не нова. С ним боролись и в Древней Греции, Риме в средние века и в новое время. Издавались законодательства, акты - например, императрица Екатерина II запретила подачу звуковых сигналов в ночное время.
В наше время шум преследует человека так настойчиво, как никогда ранее. Звуковая энергия возникает всюду и естественно создается искусственным путем и всюду проникает. Звуковые волны часто хаотически перекрещиваются, достигают значительной силы и обрушиваются на человека с навязчивым постоянством - тогда мы жалуемся на шум.
Тугоухость - это не самое опасное и не единственное. Гастрит, язва желудка и двенадцатиперстной кишки чаще встречаются у людей, работающих в шумной обстановке. Шум стимулирует развитие сердечно-сосудистых заболеваний, вызывает психические расстройства, может способствовать образованию злокачественных опухолей. Он истощает нервную систему, понижает общую сопротивляемость организма. В шумной обстановке нервная энергия человека расходуется на преодоление стрессовых воздействий на организм, что неизбежно влечет за собой снижение производительности труда. Ясно, поэтому, что борьба с шумом в настоящее время - это жизненная необходимость.

Основные теоретические сведения

Шум - совокупность звуков различной частоты и интенсивности, беспорядочно изменяющихся во времени.
Сильный шум в условиях производства значительно снижает производительность труда и может явиться причиной несчастного случая.
С физической точки зрения шум представляет собой беспорядочное сочетание различных по частоте и силе звуков, а с физиологической - звуковой процесс, который в большей или меньшей степени неприятен человеку.
Шум акустический - негармоничный звук, отличающийся сложной временной структурой и специфическим свойством воздействия на организм. По природе возникновения различают: 1) Механический шум - вызываемый вибрацией твердых тел. Механический шум создаются работающими машинами и механизмами. 2) Аэро- и гидродинамический шум образуется при движении газа, пара или жидкости в результате пульсаций давления, вызываемых турбулентностью перемешивающихся потоков, движущихся с разными скоростями в свободных струях. Например, в струе реактивного двигателя, и турбулентностью потока у границ обтекаемого тела. Пульсации давления, а вместе с ними шум от неоднородности потока и шум вращения возникают в машинах с вращающимися рабочими колесами (вентиляторы, турбины, гребные винты). 3) Термический шум возникает из-за турбулизации потока и флуктуации плотности газов в результате горения, а также вследствие мгновенного интенсивного выделения тепла, вызывающего мгновенные повышения давления, в результате взрыва или разряда. 4) Кавитационный шум, порождаемый звуковыми импульсами, возникающими при захлопывании пузырьков и полостей в жидкости, сопровождающих кавитацию акустическую.
Шум на производстве создается при работе технологического оборудования, топливных, устройств, электрических машин, в процессах горения и т.п.
С целью более детального описания различных шумов, их в акустике подразделяют на несколько видов.
Белый шум - шум, спектральная плотность которого не зависит от частоты в определенном диапазоне.
Розовый шум - шум, который обладает постоянной энергией в октавной полосе, т.е. каждая октавная полоса содержит такое количество звуковой энергии, которое обратно пропорционально частоте.
Непрерывный шум - шум, уровень которого остается неизменным в неопределенный или заданный период времени.
Переменный шум, уровень которого меняется с течением времени.
Случайный шум - шум,. Амплитуда или частота которого в данный момент не определены.
Широкополосный шум - шум, энергия которого, распределяется в широком диапазоне частот (более одной октавы).
Импульсный шум - шум, характеризующийся короткой, обычно менее 1 с, длительностью, очень высокой интенсивностью, резкостью возникновения, быстротой затухания и быстрым изменением спектрального состава.
Тональный шум - шум, иногда называемый поющим, шум, в котором преобладает некоторая частота, беспорядочно изменяющаяся во времени.
Опасный шум - шум, под действием которого у некоторой части населения возникает изменение порога слышимости.
Звуковые волны возникают всегда в том случае, когда в упругой среде имеет колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) приходят в колебательное движение под действием какой-либо возмущающей силы. Человек может слышать только те звуки, частота которых находится в пределах от 16 до 20 000 Гц (1 колебание в секунду). Колебания частотой менее 16 Гц называются инфразвуками, с частотой выше 20 000 Гц - ультразвуковыми. И те, и другие колебания ухом не воспринимаются, хотя при определенной интенсивности являются вредными для человека.
По развиваемым источникам звукового давления область воспринимаемых человеком звуков заключена между порогом слышимости и болевым порогом, которым на частоте 1000 Гц соответствуют звуковые давления 2х10-5 и 6х10-2 н/1. Границы, естественно, условны.
Кроме звукового давления, шум может быть охарактеризован интенсивностью, т.е. силой звука, или, как говорят в электротехнике, потоком звуковой мощности, и звуковой мощностью. Между этими величинами существует математическая связь:

где J - интенсивность звука, - звуковая мощность, S - площадь, воспринимающая звуковую энергию, Р - звуковое давление, - плотность среды, в которой распространяется звук, с - скорость звука в этой среде.
При действии источника звука происходит небольшое колебание давления в среде. Разность между мгновенным и значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звуковых волн, называется звуковым давлением. Величины, характеризующие шум, могут изменяться в очень широких пределах, с разницей в 1013 и более порядков. Поскольку оперировать многозначными числами неудобно, а также вследствие способности уха человека оценивать не абсолютное, а относительное изменение звукового давления, введено понятие уровня звукового давления (дБ), поэтому в акустика эти величины принято измерять в логарифмических единицах - белах, или в 10 раз меньших - децибелах. Уровни интенсивности звука, звуковой мощности и звукового давления выражаются следующим образом:

где - уровень величин интенсивности звука (Вт/м2), звуковой мощности (Вт), звукового давления (Па), J0 = 10-12 Вт/м2, = 10-12 Вт и = 2х10-5 (Па) - соответствующие величины на пороге слышимости при частоте 1000 Гц.
Субъективное восприятие громкости звука человека, а также способность звука поглощаться материалами и проходить сквозь преграды зависят от частоты колебаний. Поэтому необходимо при акустических исследованиях и расчетах знание спектрального состава шума.
Шум, или любой акустический сигнал, можно разложить на элементарные синусоиды, однако практически такую работу выполнить немыслимо, да в этом и нет необходимости. Поэтому из широкополосного шума выделяют отдельные полосы частот с помощью анализатора спектра шума. Акустические фильтры этого прибора действуют подобно группе сит, выделяющих из какого-либо твердого материала различной крупности определенные фракции.
Стандартные октавные полосы частот - диапазоны частот, в которых наивысшая частота вдвое больше наинизшей, имеют следующие средне-геометрические частоты:
63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.
Исследования и расчеты необходимо выполнять в каждой из стандартных полос.
Звуковые волны, распространяющиеся от источника, образуют прямое звуковое поле. В помещениях обычного типа звуковые волны, отражаясь от ограждений образуют поле отраженного звука, которое совместно с прямым создает акустический режим помещения. На некотором расстоянии от источника звука, где энергия прямого поля и отраженная, или реверберирующая энергия равны, образуется воображаемая поверхность, описываемая так называемым граничным радиусом. Площадь этой поверхности находят из равенства:

где - телесный угол в который излучается звук, стерадиан, - граничный радиус, м.
Если источник находится в пространстве, то звуковая энергия излучается в сферу и , стерадиан.
Когда излучение происходит в полусферу - (источник стоит на земле), то стерадиан.
Если источник размещен в двухгранном углу, то , если в трехгранном, то стерадиан.
У ненаправленных источников звука граничный радиус находят из уравнения:

где П1000 - постоянная помещения на частоте 1000 Гц, м2.
Постоянная помещения – это одна из основных акустических характеристик замкнутого воздушного пространства. Она зависит от находившихся в помещении материалов и оборудования или, как говорят, от заглушенности комнаты, а также от объема воздуха в ней.
Значения постоянной помещения на среднегеометрической частоте 1000 Гц по СНиП II -12-77 приведены в таблице 1. Постоянная помещения, м2, на среднегеометрической частоте 1000 Гц, в зависимости от объема помещения.
Постоянную помещения в октавных полосах частот находят из равенства:
П = К.П1000
где К – частотный множитель, определяемый из таблицы 2.
Октавные уровни звукового давления в расчетных точках помещения на рабочих местах, в которых один ненаправленный источник шума определяют по следующим формулам.
На сфере граничного радиуса:

В зоне прямого звука:

В зоне отраженного звука:

где: L - октавный уровень звукового давления, децибел; - октавный уровень звуковой мощности источника шума, децибел; - телесный угол, в который излучается шум, стерадиан; - радиус граничной сферы, м; - расстояние от акустического центра источника шума до расчетной точки, м; П - постоянная помещения в октавных полосах частот, м2, - коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении, вычисляемый из выражения:

Sогр - площадь ограждающих помещение поверхностей.
Акустическим центром источника шума, расположенного на полу или стене, считают проекцию центра источника шума на горизонтальную или вертикальную плоскость.
Если в помещении находятся несколько источников шума, имеющих авную, или различаются менее чем на 7 Дб звуковую мощность, то суммарный уровень звукового давления определяют как:
L = L0 + Lgn
Если источники различны, то производится энергетическое сложение уровней:
L = L0 + ,
где: n - количество источников шума; - добавка к уровням звукового давления, дБ вычисляемая по формуле:

где L0 - уровень звукового давления наиболее мощного источника шума, - разность уровней звукового давления между наибольшим и ближайшим к нему меньшим источником шума, дБ.
Например, источники шума создают уровни звукового давления равные 100, 98, 95, 92 дБ. Определяем первую разность уровней 100–98=2. Этой величине соответствует поправка равная 2 дБ. Прибавляем ее к наибольшему значению: 100+2=102 дБ. Следующая разность: 100 – 95 = 7 дБ, и поправка, равна 0,8 дБ. Общий уровень возрос до 102,8 дБ. Следующие поправки находить не имеет смысла, т.к. действия с децибелами выполняют в пределах их целых значений. Т.о., в данном примере общий уровень звукового давления составляет 103 дБ.

Нормирование шума

Нормируемыми параметрами непрерывного шума являются уровни звукового давления в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

, дБА
Переменный шум нормируется эквивалентными по энергии уровнями звука. Уровень звука - это величина вычисляемая из равенства:

, дБА
где: РА - среднеквадратичное звуковое давление, Н/м2,во всем диапазоне частот шума.
Уровень звука определяют с помощью шкалы "А" шумомеров при выключенном анализаторе спектра частот.
Нормируемыми параметрами импульсного шума являются эквивалентные по энергии уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 63, 125,250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, Гц.
Эквивалентные уровни звукового давления или звука по энергии определяют по выражению:

где: Т - период времени усреднения уровней, с; ti – временной интервал, в течение которого уровень находится в заданных пределах.
Нормы на допустимые уровни шумов согласно ГОСТ 12.1.003-76 приведены в таблицах 3 и 4.
Измерение шума

Измерений шумов производит для определения шумовых характеристик агрегатов и уровней звукового давления или звука на рабочих местах с целью установления необходимости разработки нужных защитных мероприятий.
Основной шумовой характеристикой агрегата согласно ГОСТ 8. 055.79 являются октавные уровни звуковой мощности.
Кроме того используют такие характеристики, как: октавные уровни звукового давления на опорных радиусах 1,3 и 10 м; октавные уровни звука на опорных радиусах 1,3 и 10 м; октавные уровни звукового давления и уровня звука на расстоянии 1 м от наружного контура агрегатов; характеристики направленности.
Расчетные точки при акустических измерениях шумовой обстановки согласно СНиП 11-12 - 77 выбирают внутри помещений, зданий и сооружений, а также на территориях, на рабочих местах или зоне постоянного пребывания людей на высоте 1,2-1,5 м от уровня пола, рабочей площадки или планировочной отметки территории.
Внутри помещений, в которых один или несколько источников шума с одинаковыми октавными уровнями звукового давления выбирает не менее двух точек: одну на рабочем месте, расположенном зоне отраженного, другую - на рабочем месте прямого звукового поля.
Если в помещении несколько источников шума, отличающихся друг от друга по октавным уровням звукового давления на рабочих местах более чем на 10 дБ, то в зоне прямого поля выбирают две точки: на рабочих местах у источников с наибольшими и наименьшими уровнями звукового давления.
Для проведения измерений шумов применяют следующие приборы. Шумомеры 1 или 2 класса точности по ГОСТ 17187-71 и полосовыми октавными или третьоктавными акустическими фильтрами.
Измерительные микрофоны I и II класса точности по ГОСТ 13761-68, применяющиеся вместе с анализатором спектра шумов полосовыми октавными или третьоктавными фильтрами, измерительным усилителем и измерительным прибором.
Измерительные низкочастотные усилители с диапазоном частот не уже 20-20000 Гц. Фильтры электрические октавные или третьоктавные по ГОСТ 17168-71. Измерительные приборы с рабочим диапазоном частот не уже 20-20000 Гц. Самописцы уровней с диапазоном частот но уже 20 - 20000 Гц.
Отечественная промышленность выпускала, совершенствует и выпускает ряд приборов для акустических измерений. Среди них наиболее распространены следующие:
Шумометрическая аппаратура выбирается в зависимости от задач исследования и определяется диапазонами измеряемых уровня и спектра шума, временной характеристикой, а также условиями измерений.
Аппаратура для измерения шума состоит из микрофона, преобразующего акустическую энергию в электрический сигнал, измерительного усилителя и фильтров для частотного анализа шума. В табл. 1.4 даны характеристики наиболее широко применяемых акустических приборов Таганрогского завода "Виброприбор", фирм "Брюль и Къер" (Дания), "Ларсон и Дэвис" (США).
Некоторые шумомеры снабжены набором отдельных октавных, третьоктавных или узкополосных фильтров. В других приборах они встроены в шумомер и представляют собой неотъемлемую часть прибора. Как правило, шумомеры имеют следующие динамические характеристики: "быстро" - для звуковых процессов продолжительностью больше 200 мс; "медленно" - для квазистационарных звуковых процессов

Постоянную помещения в октавных полосах частот находят из равенства:
Примечание. Для шумомера 2230 используется внешний фильтр 1624 или 1625.
и измерения звуковой энергии; "импульс" - для импульсных шумов и шумов продолжительностью от 1 до 200 мс. В последнее время произошли значительные улучшения в качестве выпускаемой акустической аппаратуры, которые позволили увеличить точность и количество одновременно анализируемых параметров, появилась возможность записывания полученной информации при существенном сокращении габаритных размеров и массы приборов, что делает их все более похожими на мини-ЭВМ.
Масса и размеры частотных анализаторов также уменьшились, что сделало их транспортабельными и удобными для использования вне лабораторий.
Измеритель шума и вибрации ИШВ-I предназначенный для измерения уровней звукового давления в октавных полосах частот от 10 до 8000 Гц, уровней звука от 30 до 130 дБ, а также уровней виброскорости и виброускорения (рисунок 3).
В нашей лаборатории для измерения шума используется прибор ИШВ-1. Он построен по принципу преобразования звуковых колебаний исследуемых объектов в пропорциональные им электрические сигналы, которые затем усиливаются и измеряются с помощью измерительного прибора ПИ-6.
Преобразователем звуковых сигналов в электрические служит капсюль микрофонный конденсаторный М-101.


Рисунок - 1. ИШВ-1 измеритель шума и вибрации.

Электрический сигнал, пропорциональный звуковому давлению усиливается усилителем прибора измерительного до величины, необходимой для нормальной работы среднеквадратичного детектора и затем поступает на стрелочный прибор, проградуированный в децибелах.
На передней панели ИШВ-1 размещены органы управления: ВХОД - для присоединения кабеля микрофона, ВЫХОД - для присоединения самописца, магнитофона и т.п., КАЛИБР - для присоединения калибровочной системы, ДЕЛИТЕЛ-1 - переключатель, с помощью которого производят ослабление входного сигнала с 90 дБ ступенями по 10 дБ, ДЕЛИТЕД-2 - переключатель, с помощью которого производят ослабление входного сигнала с 40 дБ ступенями по 10 дБ, РОД ИЗМЕРЕНИЙ - переключатель, которым включают октавные фильтры и характеристики "А", "В", "С", "ЛИН". РОД РАБОТЫ - переключатель с положениями "ОТКЛ", "КОНТР.ПИТАНИЯ", "БЫСТРО", "МЕДЛЕННО". ЗВУК-ВИБРАЦИЯ - тумблер, переключающий прибор для измерения шума и вибрации, ЧАСТОТА - переключатель, служащий для коммутации октавных фильтров.
Для контроля работы прибора на панели установлена сигнальная лампочка. Измеритель шума и вибрации в лаборатории питается переменным током высокого напряжения и во время эксплуатации должен быть заземлен.


Рисунок - 2. Точки сферы граничного радиуса (зона прямого и отраженного звукового поля).

Порядок выполнения работы

• По данным таблицы 1 определить постоянную помещения П, имея в виду, что помещение лаборатории имеет длину 10,4, ширину 6 и высоту – 3 м.
• Определить телесный угол, в который происходит излучение шума.
• Вычислить радиус граничной сферы.
• На сфере граничного радиуса (в зоне прямого и отраженного звукового поля) в трех точках: над источником шума и в двух, на расстоянии 0,5-0,6 м от уровня пола, измерить уровни звука и звукового давления в октавных полосах частот. На рисунке 4 показаны точки на сфере граничного радиуса, где производят измерения.
• Включить прибор в сеть.
• Установить переключатель "РОД РАБОТЫ" в положение КОНТР.ПИТАНИЕ При этом контрольная лампочка мигает. Через пять минут можно производить измерения.
• Установить переключатель на панели прибора в следующие положения: ДЕЛИТЕЛ 1 в положение 80, ДЕЛИТЕЛ 2 в положение 40, РОД ИЗМЕРЕНИЙ в положение А, РОД РАБОТЫ в положение МЕДЛЕННО, ЗВУК-ВИБРАЦИЯ в положение ЗВУК.
• Включить источник шума.
• Измерить в точке 1 уровень звука, выводя стрелку прибора в правую часть шкалы, вначале ДЕЛИТЕЛЕМ-1, затем ДЕЛИТЕЛЕМ-2. Сумма показателей ДЕЛИТЕЛЕЙ и стрелочного прибора дает уровень звука в дБА.
• Не изменяя положение ДЕЛИТЕЛЕЙ, установить переключатель РОД ИЗМЕРЕНИЙ в положение ФИЛТРЫ.
• Устанавливая переключатель ЧАСТОТА в положение: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, измерить уровни звукового давления, работая ДЕЛИТЕЛЕМ-2. Сумма показаний ДЕЛИТЕЛЯ-1, ДЕЛИТЕЛЯ-2 и стрелочного прибора дает уровни звукового давления в Дб.
• Вернуть переключатели в положение, указанные в пункте в.
• Поместить микрофон в измерительную точку 2.
• Выполнять указанные намерения в течке 2.
• Проделать тоже в измерительной точке 3.
• По таблице 2 найти частотные поправки к значению постоянной помещения.
• Вычислить постоянную помещения для каждой из стандартных полос частот. Когда оперируют уровнем звука, считают постоянную помещения равной П1000.
• По уравнению:

вычислить звуковую мощность источника шума по уровням звукового давления и уровню звука. Промежуточные расчеты в децибелах выполнять с точностью до десятых долей, окончательные результаты округлять до целых дБ.
• Вычислить площадь Sогр поверхностей, ограждающих помещения лаборатории, учитывая размеры, указанные в пункте I.
• Найти отношения П/ Sогр в октавных полосах частот.
• Вычислить коэффициенты, учитывающие нарушение диффузности звукового ноля, в октавных полосах частот по формуле:

• Вычислить уровни звукового давления и уровень звука на одном из рабочих мест помещения лаборатории в отраженном звуковом поле по уравнению:

используя ранее определенные уровни звуковой мощности источник шума.
• Сопоставить определенные для рабочего места уровни звукового давления и уровень звука с нормативам.
• Сделать выводы и дать предложения.

Powered by Drupal - Design by artinet