Защита от шума, инфра- и ультразвука

В зависимости от того, где находится источник звука — на открытом пространстве или в помещении, — для расчета уровня шума в расчетной точке (РТ) применяют различные формулы.

На открытом пространстве (рис. 3.19) уровень звука в рас­четной точке можно определить по формуле

Здесь:

—L_p — уровень звуковой мощности источника звука, дБ. Это характеристика источника, определяемая по определенным методикам и обычно приводимая в его технических характери­стиках;

—G — показатель направленности источника, дБ. Это так­же техническая характеристика источника, показывающая на сколько дБ энергия звука, излучаемого в данном направлении больше или меньше энергии, которая бы излучалась источником с таким же уровнем звуковой мощности во всех направле­ниях одинаково.

Значение G отрицательно, если в данном на­правлении излучаемая энергия меньше энергии равномерно излучающего источника, и положительно, если больше;

—S — площадь поверхности, в которую излучается звук (5₀ = 1 м²), м². Например, если источник звука находится на полу, то звук распространяется в полусферу и S= 2л/-², где г — расстояние от источника звука до расчетной точки;

AL — снижение уровня шума на пути его распростране­ния. Если на пути шума нет никаких препятствий и расстояние г не более 50 м, значение AL можно принимать нулевым. формула может быть представлена в следующем виде:

Таким образом, если источник звука расположен на поверх­ности, т. е. излучает звук в полусферу,

(3.5)

В помещении (рис. 3.20) уровень шума в расчетной точке складывается из прямых и отраженных от стен, пола и потолка звуковых волн, и его можно определить по следующей формуле:

(3.6)

где Ф — фактор направленности, аналогичный Си равный 10⁰"⁷; В — так называемая постоянная помещения, м².

Рис.3.20. Излучение звуковых волн в помещении

Постоянная помещения определяется по формуле

где а_ср — средний коэффициент звукопоглащения внутренних поверхностей помещения площадью S_n0B, для производственных помещений он редко превышает 0,3...0,4, но может быть увеличен специальной обработкой поверхностей.

Анализ формул (3.5) и (3.6) показывает, что для защиты от акустических колебаний (шума, инфра- и ультразвука) можно использовать следующие методы:

· снижение звуковой мощности источника звука (уменьше­ние Z_p);

· размещение рабочих мест с учетом направленности излу­чения звуковой энергии (уменьшение G);

· удаление рабочих мест от источника звука (увеличение г);

· акустическая обработка помещений (увеличение В);

· звукоизоляция (увеличение д£);

· применение глушителей (увеличение AL);

· применение средств индивидуальной защиты.

Снижение звуковой мощности источника звука (уменьше­ние L_p). Для снижения шума механизмов и машин применяют методы, аналогичные методам, снижающим вибрацию машин, т. к. вибрация является источником механического шума.

Аэродинамический шум, вызываемый движением потоков воздуха и газа и обтеканием им элементов механизмов и ма­шин, — наиболее мощный источник шума, снижение которого в источнике наиболее сложно. Для уменьшения интенсивности ге­нерации шума улучшают аэродинамическую форму элементов машин, обтекаемых газовым потоком, и снижают скорость дви­жения газа.

Изменение направленности излучения шума (уменьшение G). При размещении установок с направленным излучением необ­ходима соответствующая ориентация этих установок по отноше­нию к рабочим и населенным местам, поскольку величина на­правленности может достигать 10... 15 дБ. Например, отверстие воздухозаборной шахты вентиляционной установки или устье трубы сброса сжатого газа необходимо располагать так, чтобы максимум излучаемого шума был направлен в противоположную сторону от рабочего места.

Удаление рабочих мест от источника звука (увеличение г). Как видно из формулы (3.5) увеличение расстояния от источни­ка звука в 2 раза приводит к уменьшению уровня звука на 6 дБ.

Акустическая обработка помещения — это мероприятие, сни­жающее интенсивность отраженного от поверхностей помещения (стен, потолка, пола) звука. Для этого применяют звукопогло­щающие облицовки поверхностей помещения (рис. 3.21, а) и штучные (объемные) поглотители различных конструкций (рис. 3.21, б), подвешиваемые к потолку помещения.

Поглощение звука происходит путем перехода энергии колеблющихся частиц воздуха в теплоту за счет потерь на трение в пористом материале облицовки или поглотителя. Для большей эффективности звуко­поглощения пористый материал должен иметь открытые со сто­роны падения звука незамкнутые поры. Звукопоглощающие ма­териалы характеризуются коэффициентом звукопоглощения а, равным отношению звуковой энергии, поглощенной материалом, и энергии, падающей на него. Звукопоглощающие материалы должны иметь коэффициент звукопоглощения не менее 0,3. Чем это значение выше, тем лучше звукопоглощающий материал. Зву­копоглощающие свойства пористых материалов определяются толщиной слоя, частотой звука, наличием воздушной прослойки между материалом и поверхностью помещения. Эффект снижения шума за счет применения звукопоглощающей облицовки можно оценить по формуле

где B_ и В₂ — постоянные помещения соответственно до и после проведения акустической обработки.

Постоянную помещения рассчитывают по формуле

в которой А = _______ эквивалентная площадь звукопоглоще­ния, м², a_cp = A/S_n0B — средний коэффициент звукопоглощения помещения, а а„ S„ S_mB — коэффициент звукопоглощения обли­цовки, соответствующая ему площадь поверхности и общая пло­щадь поверхностей помещения.

Установка звукопоглощающих облицовок снижает уровень шума на 6...8 дБ в зоне отраженного звука (вдали от его источ­ника) и на 2...3 дБ в зоне превалирования прямого шума (вблизи от источника). Несмотря на такое относительно небольшое сни­жение уровня шума, применение облицовок целесообразно по следующим причинам: во-первых, спектр шума в помещении меняется за счет большей эффективности (8... 10 дБ) облицовок на высоких частотах: он делается более глухим и менее раздра­жающим; во-вторых, становится более заметным шум оборудо­вания, а следовательно, появляется возможность слухового кон­троля его работы, становится легче разговаривать, улучшается разборчивость речи. По этим причинам помещения концертных залов подвергают акустической обработке.

Штучные звукопоглотители применяют при недостаточности свободных поверхностей помещения для закрепления звукопо­глощающих облицовок. Поглотители различных конструкций, представляющие собой объемные тела, заполненные звукопогло­щающим материалом (тонкими волокнами), подвешивают к по­толку равномерно по площади. Эффективность снижения шума штучными поглотителями рассчитывают по указанной выше формуле, принимая A =A_tn, где A_t и п — соответственно эквива­лентная площадь звукопоглощения одного поглотителя и их ко­личество. Для стандартных материалов облицовок и типов штуч­ных звукопоглотителей значения коэффициентов звукопоглоще­ния а и эквивалентной площади звукопоглощения А_х известны и содержатся в справочных данных по борьбе с шумом.

Звукоизоляция. При недостаточности указанных выше меро­приятий для снижения уровня шума до допустимых значений или невозможности их осуществления применяют звукоизоля­цию. Снижение шума достигается за счет уменьшения интенсив­ности прямого звука путем установки ограждений, кабин, кожу­хов, экранов (рис. 3.22). Сущность звукоизоляции состоит в том, что падающая на ограждение энергия звуковой волны отражает­ся в значительно большей степени, чем проходит через него. Звукоизолирующая способность (дБ) ограждения выражается ве­личиной

где Р_пр и Р_прош — соответственно звуковая мощность прямого (падающего на ограждение) и прошедшего через ограждение звука, Вт. Звукоизоляция однослойной перегородки может быть определена по формуле

(3.7)

где т₀ — поверхностная масса перегородки, кг/м² (m₀= p/i; p — плотность материала перегородки, кг/м³; h — толщина перего­родки, м);/— частота звука, Гц.

Как видно из формулы (3.7), звукоизоляция перегородки тем больше, чем она тяжелее (изготовлена из более плотного мате­риала и толще) и чем выше частота звука.

Перегородки выполняют из бетона, кирпича, дерева и т. п. Наиболее шумные механизмы и машины закрывают кожухами, изготовленными из конструкционных материалов — стали, сплавов алюминия, пластмасс и др., и облицовывают изнутри звуко­поглощающим материалом (рис. 3.23).

Экранирование источников шума или рабочих мест осуществляют по схемам, приведенным на рис. 3.24. Защитные свойства экрана возникают из-за того, что при огибании прямой звуковой волной кромок экрана за ним образуется зона звуковой тени тем большей протяженности, чем меньше длина волны (выше часто­та звука).

Т. к. экран защищает только от прямой звуковой волны, его применение эффективно только в области превалирования прямого шума над отраженным. Поэтому экраны надо устанавливать между источником шума и рабочим местом, если они расположены недалеко друг от друга. Звуковые экраны широко применяют не только на производстве, но и в окружающей среде, например для защиты от шума транспортных потоков зоны пешеходных дорожек, проходящих вдоль магистрали. В качестве экранов, снижающих уровень шума, используются лесозащитные полосы, поглощающие звук. Лесозащитные полосы должны быть сплошными, без промежутков, через которые может проникать шум. Для этого деревья высаживают в несколько рядов (чем шире полоса лесных насаждений, тем лучше) в шахматном порядке, снизу в зоне оголенной части ствола дерева высаживают кустарник. Эффективность снижения шума лесными насаждениями уменьшается зимой, когда деревья сбрасывают листву.

Глушители применяют для снижения аэродинамического шума.

Глушители шума принято делить на абсорбционные (рис. 3.25), использующие облицовку поверхностей воздуховодов звукопоглощающим материалом; реактивные (рис. 3.26) типа расширительных камер, резонаторов, узких отростков, длина которых равна '/4 длины волны заглушаемого звука; комбинированные, в которых поверхности реактивных глушителей облицовывают звукопоглощающим материалом; экранные (рис. 3.27).

Рис. 3.27.Экранные глушители: a — схемы глушителей; б — график для опреде­ления снижения шума глушителем; 1 — металлический лист; 2 — звукопогло­щающий материал

Реактивные глушители в отличии от абсорбционных заглушают шум в узких частотных диапазонах и применяются для снижения шума источников с резко выраженными дискретными составляющими. Если таких составляющих несколько, глушитель выполняют в виде комбинации камер и резонаторов, каждый из которых рассчитан на заглушение шума определенного диапазона. Реактивные глушители широко используют для снижения шума выпуска выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания (рис. 3.26, г).

Экранные глушители устанавливают перед устьем канала для выхода воздуха в атмосферу или его забора (например, для вен­тиляционных или компрессорных установок, выброса сжатого газа и т. д.)- Схемы экранных глушителей показаны на рис. 3.27. Эффективность их тем выше, чем ближе они расположены к устью канала. Однако при этом увеличивается гидравлическое сопротивление для сброса и забора воздуха (газов), а следова­тельно, и время сброса. При расчете и установке таких глушите­лей ищут оптимальный вариант. Эффективность глушителей мо­жет достигать 30...40 дБ.

При наличии нескольких источников суммарный уровень звукового давления определяется по следующим формулам.

Если источники звука одинаковы, т. е. каждый в отдельности создает на рабочем месте одинаковый уровень звукового давле­ния:

(3.8)

где Lx — уровень звукового давления, создаваемый одним источником, п — число одинаковых источников звука. Если источники звука различны:

где L_u L₂, ..., L_n — уровни звукового давления, создаваемые каж­дым источником.

Анализ формул (3.8), (3.9) показывает, что при наличии в помещении одинаковых источников, удаление половины из них снижает уровень звука в помещении на 3 дБ. При наличии же в помещении источников звука, сильно различающихся по своей звуковой мощности, суммарный уровень звукового давления оп­ределяет в основном источник с наибольшей звуковой мощно­стью. Например, при наличии трех источников, создающих в от­дельности уровень звукового давления 100, 80, 70 дБ суммарный Уровень звукового давления будет равен:

Таким образом, для радикального снижения уровня шума на рабочем месте нужно удалить или заглушить наиболее шумный источник. Так, удаление источника шума в 100 дБ уменьшит Уровень шума немногим менее чем на 20 дБ.

Средства индивидуальной защиты. К СИЗ от шума относят Ушные вкладыши, наушники и шлемы.

Вкладыши — мягкие тампоны из ультратонкого материала, вставляемые в слуховой канал. Их эффективность не очень вы­сока и в зависимости от частоты шума может составлять 5...15дБ.

Наушники плотно облегают ушную раковину и удерживаются на голове дугообразной пружиной. Их эффективность изменяет­ся от 7 дБ на частоте 125 Гц до 38 дБ на частоте 8000 Гц.

Шлемы применяют при воздействии шумов очень высоких уровней (более 120 дБ). Они закрывают всю голову человека, т. к. при таких уровнях шума он проникает в мозг не только че­рез ухо, но и непосредственно через черепную коробку.

Особенности защиты от инфра- и ультразвука. В принципе, для защиты от инфра- и ультразвука применимы методы для за­щиты от шума, изложенные выше.

Однако анализ формулы (3.7) показывает, что для защиты от низких инфразвуковых частот звукоизоляция крайне неэффек­тивна — требуются очень толстые и массивные звукоизолирую­щие перегородки. Также неэффективны звукопоглащение и аку­стическая обработка помещений. Поэтому основным методом борьбы с инфразвуком является борьба в источнике его возник­новения.

Другими мероприятиями по борьбе с инфразвуком являются:

• повышение быстроходности машин, что обеспечивает перевод максимума излучения в область слышимых час­тот, где становятся эффективными звукоизоляция и зву­копоглощение;

• устранение низкочастотных вибраций;

• применение глушителей реактивного типа.

Ультразвук из-за очень высоких частот быстро поглощается в воздухе и материалах конструкций, поэтому он распространяется на небольшие расстояния. Для защиты от ультразвука очень эф­фективной является звукоизоляция и звукопоглощение. Из фор­мулы (3.7) видно, что для звукоизоляции требуются тонкие пере­городки. Обычно источники ультразвука заключают в кожухи из тонкой стали, алюминия (толщиной 1 мм), обклеенные внутри резиной. Применяют также эластичные кожухи из нескольких слоев резины общей толщиной 3,5 мм. Эффективность таких ко­жухов может достигать 60...80 дБ. Применяют также экраны, расположенные между источником и работающими.

Контрольные вопросы

1. Каковы основные методы защиты от шума и вибрации?

2. Что такое виброгашение и в чем особенность динамического вибро­гашения?

3. Как осуществить отстройку от резонанса?

4. В чем заключается сущность вибродемпфирования и какие материа­лы для него применяются?

5. Для каких частот вибрации применяют виброгашение и повышение жесткости конструкции?

6. В чем заключается сущность виброизоляции? При каком отношении f/f₀ виброизоляторы уменьшают вибрацию? Изложите схему расчета виброизоляторов.

7. Какие СКЗ и СИЗ применяются для защиты от вибрации?

8. В чем заключается сущность акустической обработки помещения? Как изменяется уровень шума и звуковой спектр при акустической обработке? Какие материалы применяют для акустической обработки и звукопоглащения?

9. В чем заключается сущность звукоизоляции и какие материалы наи­более эффективны для звукоизоляции?

10.Как устроены глушители шума? В чем разница между абсорбционны­ми и реактивными глушителями по устройству и характеру глушения шума?

11.В чем заключается сущность экранирования звука?

12.Как зависит уровень звукового давления на рабочем месте от числа и звуковой мощности источников шума?

13.Какие СИЗ применяются для защиты от шума?

14.В чем особенность борьбы с инфра- и ультразвуком? Каковы основ­ные методы их снижения на рабочих местах?