величины звукового давления и интенсивности звука с которыми приходится иметь дело в практике борьбы

Физические характеристики шума

Акустические колебания, шум

Лекция № 10.

Вопросы борьбы с шумом в настоящее время имеют большое значение в различных областях экономики, в том числе в машиностроении, на транспорте, в энергетике.

Шум на производстве наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека и снижая производи­тельность труда. Утомление рабочих, операторов и служащих из-за сильного шума увеличивает число ошибок при работе, способствует возникновению травм. Нередко и в быту человек подвергается воздействию шума недопустимо высоких уровней. Поэтому борьба с шумом является важной задачей.

Часто возникает необходимость защиты не только от шума, но и от инфра- и ультразвука.

По физической сущностиупругие колебания, распространяющиеся волнообразно в воздухе, жидкой или твердой средах под воздействием какой-либо возмущающей силы, относят к акустическим колебаниям. Они могут быть как слышимыми, так и не слышимыми.

Акустические колебания с частотой от 16 до 20000 Гц называются звуковыми, с частотой менее 16 Гц – инфразвуком, с частотой более 20 кГц – ультразвуком.

Шумом является всякий нежелательный для человека звук.

Производственный шум как гигиенический фактор – совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой-либо возмущаю­щей силы. Частицы среды при этом начинают колебать­ся относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний значитель­но меньше скорости распространения волны (скорости звука с).

При нормальных атмосферных условиях (Т = 20 0 С и нормальном атмосферном давлении) скорость звука с в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое поле — это область пространства, в кото­рой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давле­нием, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р. Единица измерения звукового давления – паскаль (Па).

При распространении звуковой волны происходит пе­ренос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точ­ке среды в единицу времени, отнесенный к единице по­верхности, перпендикулярной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке I(Вт/м 2 ):

Величины звукового давления и интенсивности зву­ка, с которыми приходится иметь дело в практике борь­бы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10 8 раз, по интенсивности до 10 16 раз. Естественно, что оперировать такими цифрами довольно неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что ухо человека способно реагировать на относительное из­менение интенсивности, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного рода раздраже­ниях, в частности при шуме, пропорциональны логариф­му количества энергии раздражителя. Поэтому для характеристики акустического феномена принята специальная измерительная система интенсивности и энергии шума, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием, а именно шкала логарифмических единиц как наиболее объективная и соответствующая физиологической сущности восприятия. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука увеличивается в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале увеличение происходит соответственно на 1, 2, 3, единицы. Логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука, называется белом ( Б).

Уровень интенсивности звука L₁ (дБ) определяют по формуле:

L₁ = 10 lg I / I₀,

Величина уровня звукового давления L (дБ):

L = 20 lg Р / Р₀,

Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук укладывается при таких условиях в 13 …14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), который соответствует минимальному приросту силы звука, различаемому ухом.

Таким образом, бел и децибел – это условные единицы, которые показывают, насколько данная интенсивность звука в логарифмическом масштабе больше интенсивности звука, соответствующей порогу слышимости. Измеряемые таким образом величины называются уровнями интенсивности шума или уровнями звукового давления.

По частотной характеристике различают шумы:

— низкочастотные – до 350 Гц;

— среднечастотные – 350 – 800 Гц;

— высокочастотные – выше 800 Гц.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, их интенсивности складываются:

Искомый уровень звукового давления при одновременной работе этих источников получается путем деления левой и правой частей уравнения на I_О и логарифмирования. После преобразования получаем:

L = 10 lg ( 10 L1/ 10 + 10 L2/ 10 + … +10 Lп/ 10 ),

Если имеется п одинаковых источников с уровнями звукового давления L_I, то вычисления упрощаются:

L = L_I +10 lg п

Например, два одинаковых станка совместно создадут уровень шума на 3 дБ больше, чем каждый из них.

Любую зависимость какой-либо величины (например, звукового давления) от времени можно представить в виде сумы конечного или бесконечного числа синусоидальных колебаний этой величины. Каждое такое колебание характеризуется своим среднеквадратичным значением физической величины и частотой, т.е. числом колебаний в секунду (Гц). Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в дБ) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

Спектры получают, используя анализаторы шума – набор электрических фильтров, которые пропускают сигнал в определенной полосе частот полосе пропускания.

Шумы принято классифицировать (ГОСТ 12.1.003-83) по их спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра:

— широкополосные, с непрерывным спектром шириной более октавы (например, шум реактивного двигателя);

— тональные, в спектре которых имеются слышимые тона (шум дисковой пилы).

По временным характеристикам:

— постоянные, уровень звука которых за 8-ми часовой рабочий день изменяется не более, чем на 5 дБА;

— непостоянные, уровень звука которых за 8-ми часовой рабочий день изменяется более, чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы в свою очередь, подразделяются на:

— колеблющиеся во времени, уровень звука которых изменяется во времени непрерывно;

— прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется на 5 дБА и более, причем длительность интервалов, в течении которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

— импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с при этом уровни звука отличаются не менее, чем на 7 дБ.

Источник

Шум слышимого диапазона

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум– всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление– разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р_мг – Р_ст.

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

. (6.1)

Время усреднения давления: Т_о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии.

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

(6.2)

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению – до 10 8 раз, по интенсивности – до 10 16 раз. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

,

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

(6.3)

Уровень интенсивности звука, дБ:

(6.4)

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчётов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Интенсивность I_max и величина звукового давления P_max, соответствующие болевому порогу: I_max = 10 2 Вт/м, P_max = 2×10 2 Па.

Частотный спектр шума – зависимость уровня интенсивности (уровня звукового давления) от частоты: L = L(ƒ). Весь слышимый диапазон частот разбит на 9 октавных полос. Октавная полоса, или октава – это частотный диапазон, для которого выполняется условие

. (6.5)

Различают следующие виды спектров:

— дискретный (линейчатый) – спектр, синусоидальные составляющие которого отделены друг от друга по частоте (рис. 6.1);

Рис. 6.1. Дискретный спектр шума

— сплошной – спектр, в котором составляющие следуют друг за другом непрерывно (рис. 6.2.);

— смешанный – такой спектр, в котором дискретные составляющие присутствуют наряду с непрерывными (рис. 6.3).

Рис. 6.2. Сплошной (непрерывный) спектр

Рис. 6.3. Смешанный спектр шума

В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными (в спектре которых имеются слышимые дискретные тона) и широкополосными (со сплошным спектром шириной более одной октавы).

По временным характеристикам различают:

— постоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день не больше, чем на 5дБА;

— непостоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день больше, чем на 5дБА.

Непостоянный шум делится на колеблющийся во времени, прерывистый (длительность сигнала больше 1 c), импульсный (длительность сигнала меньше 1 с).

По частотным характеристикам различают:

– низкочастотный шум – с частотой до 400 Гц;

– среднечастотный шум – с частотой 400-1000 Гц;

– высокочастотный шум – с частотой от 1000 Гц.

По источнику возникновения различают:

– механический шум – возникающий в результате движения отдельных деталей и узлов оборудования, приборов и аппаратов с неуравновешенными массами;

– аэродинамический шум – возникающий в результате нестационарных процессов в жидкостях или газах;

– электромагнитный шум – возникающий в результате воздействия переменных магнитных сил, которые приводят к колебанию деталей и узлов машин и аппаратов.

Действие шума на организм человека. Ухо человека не одинаково воспринимает звуки различной частоты. Слуховой аппарат человека проявляет наибольшую чувствительность на средних и высоких частотах (800-4000 Гц), а наименьшую – на низких (20-100 Гц). Поэтому звуки, одинаковые по звуковому давлению, но разные по частоте, могут казаться на слух неодинаково громкими.

Проявление вредного воздействия шума на человека весьма разнообразно.

Область слышимости ограничивается не только определёнными частотами (20-20000 Гц), но и определёнными предельными значениями звуковых давлений и их уровней (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Область слышимости: 1 – кривая, соответствующая порогу слышимости; 2 – кривая, соответствующая порогу болевого ощущения

Пороговое значение звукового давления Р_о соответствует порогу слышимости (L = 1 дБ) только на частоте 1000 Гц, принятой в качестве стандартной частоты сравнения в акустике.

Порог слышимости различен для звуков разной частоты. В диапазоне частот 800-4000 Гц величина порога слышимости минимальна. При повышении и понижении частоты значение порога слышимости растёт, особенно это заметно на низких частотах. По этой причине низкочастотные звуки менее неприятны для человека, чем высокие (при одинаковых уровнях звукового давления).

Действие шума на человека зависит от уровня и характера шума, его продолжительности, а также от индивидуальных особенностей человека.

Длительное воздействие шума на работающих может вызвать функциональные изменения со стороны ряда органов и систем. Шум вызывает нарушения со стороны высшей нервной деятельности (изменяется сила, уравновешенность и подвижность нервных процессов); сердечно-сосудистой системы (изменяется кровяное давление, ритм сердечных сокращений, повышается внутричерепное давление); органов пищеварения (учащаются заболевания гастритами, язвенная болезнь, отмечается понижение кислотности желудочного сока); ослабляется внимание, память, учащается раздражительность, снижается работоспособность и производительность труда.

Наряду с этим общим воздействием особо неблагоприятное воздействие оказывает шум на орган слуха, вследствие чего наступает расстройство слуховой функции, которое может привести к полной тугоухости.

Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120-130 дБ, вызывают большие ощущения и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма). В табл. 6.1 представлены уровни различных звуков.

Уровни различных звуков в зависимости от источника шума и расстояния

Наиболее глубокие сдвиги в организме вызывают высокочастотные, дискретные и импульсные шумы.

Нормирование шума на рабочих местах. Целью нормирования шумовых характеристик рабочих мест является установление научно обоснованных предельно допустимых величин шума, которые при ежедневном систематическом воздействии в течение всего стажа работы не вызывают заболеваний человека и не мешают его нормальной трудовой деятельности.

Нормирование осуществляется по СН 2.2.4/2.1.8.562-96 и ГОСТ 12.1.003-83. При нормировании используют два метода: нормирование по предельному спектру шума и нормирование уровня звука в дБА.

Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов. Весь частотный диапазон разбивается на 9 октав. Каждая октава имеет среднегеометрическую частоту:

. (6.6)

Стандартные среднегеометрические частоты: 31,5; 63; 125; 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. В октавных полосах нормируются уровни звуковых давлений.

Совокупность девяти допустимых уровней звукового давления называется предельным спектром.

С ростом частоты (что приводит к более неприятному шуму) допустимые уровни уменьшаются.

Каждый из спектров имеет свой индекс. Например: ПС-80 – число 80 обозначает допустимый уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц.

Второй метод нормирования (нормирование по шкале А) применяют для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, или когда шумомер не оборудован октавными фильтрами.

Уровень звука в дБА определяют по так называемой шкале А шумомера с коррекцией, которая заключается в том, что вводятся поправки, учитывающие зависимость чувствительности слуха от частоты звука и приближающие результаты объективных измерений к субъективному восприятию.

Шумомер оборудуется фильтром, создающим завал чувствительности на низких и высоких частотах, чем имитируется характеристика человеческого уха.

Достоинство этого метода в том, что требуется только один замер, в то время как по первому методу надо сделать девять замеров.

Уровень звука, дБА, связан с предельным спектром зависимостью

(6.7)

Нормированным параметром непостоянного шума является эквивалентный уровень звука – такое значение уровня звука длительного непостоянного шума, который в пределах определённого времени имеет то же самое значение уровня звука, что и рассматриваемый шум, уровень звука которого изменяется во времени:

(6.8)

где t_i – доля времени воздействия шума класса L_i; L_i – уровень звука класса i, дБА.

Источник

Общие сведения. Учебно-исследовательская

Учебно-исследовательская

Лабораторная работа

Исследование методов и средств защиты от

Производственного шума

Вопросы борьбы с шумом в настоящее время имеют большое значение во всех областях техносферы. Шум на производстве наносит большой ущерб, снижая производительность труда на промышленных предприятиях до 30 процентов, способствует возникновению травм и аварий. Вредно действует на организм человека вплоть до профессионального заболевания.

Цель и задачи работы

Целью работы является изучение методов и средств защиты от производственного шума.

— общие теоретические сведения о шуме, воздействие его на организм человека, нормирование шума;

— методы и средства борьбы с производственным шумом;

— физическую сущность звукоизоляции, звукоизолирующего кожуха;

— зависимость уровня звукового давления от частоты шума;

— зависимость уровня звукового давления от предлагаемых звукоизолирующих средств и частоты шума;

— оценить эффективность предлагаемых звукоизолирующих средств.

Теоретическая часть

Общие сведения

Шумом является всякий нежелательный для человека звук. В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания (звуковые волны), распространяющиеся волнообразно в твёрдой, жидкой или газообразной среде. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основными свойствам волн являются перенос энергии без переноса вещества. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды, вследствие воздействия на неё какой либо возмущающей силы.

В диапазоне частот 16…20000 Гц волны, воспринимаются органом слуха человека как звук, называются звуковыми. Необходимо иметь в виду, что с возрастом у человека слышимость звуков высоких частот уменьшается. Большинство взрослых людей едва ли воспринимают звуки с частотой более 12000 Гц, а пожилые люди отчетливо воспринимают звуки частотой всего лишь 6000….8000 Гц. Колебания частотой ниже 16…20 Гц относятся к инфразвукам, а более 20000 Гц – ультразвукам. Они не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм.

Во время распространения звуковых колебаний в воздухе появляются области разрежения и области повышенного давления. Под звуковым давлением р понимается разность между мгновенным значением давления при распространении звуковой волны и средним значением давления, в невозмущенной среде. Звуковое давление изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны. Определение давления во времени происходит в органе слуха человека за время 30…100мс. На слух человека действует среднеквадратичное значение звукового давления:

,

где Т – период колебания;

,

Между интенсивностью (силой) звука Iи звуковым давлением р существует связь, выражаемая уравнением:

,

Минимальная величина звукового давления, которую ощущает ухо человека, носит название порога слышимости или ощущения и обозначается р₀. Максимальное давление, создающее болевые ощущения, называется болевым порогом и обозначается р_max. Аналогично имеются значения порогов интенсивности звука I₀ и I_max. Значения р и I на обоих порогах изменяются в зависимости от частоты.

Международной организацией по стандартизации за пороговые значения р₀, р_max, I₀ и I_max приняты значения данных величин на частоте 1000 Гц (порог слышимости молодого человека составляет 0 дБ на частоте 1000 Гц).

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10 7 раз, по интенсивности до 10 14 раз. Естественно, что оперировать такими цифрами неудобно, и, кроме того, орган слуха человека способен реагировать на относительное изменение давления, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного вида раздражениях, в том числе и при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя (биологический закон Вебера-Фехнера, выражающий связь между изменением интенсивности раздражителя и силой вызванного ощущения), поэтому были введены логарифмические величины – уровни звукового давления и интенсивности звука в данной точке. За единицу измерения принят бел (Б) в честь изобретателя телефона Александэра Грейама Белла. Ухо человека реагирует на величину в десять раз меньшую, чем Белл, поэтому распространение получила единица децибел (дБ). Величина уровня звукового давления Lр определяется по формуле:

Так как , следовательно, для уровня интенсивности звука настоящее выражение имеет вид:

.

Уровнями интенсивности обычно пользуются при выполнении акустических расчетов, а уровнями звукового давления – при измерении шума и оценке его воздействия на организм человека. В практических расчетах все вычисления проводятся до целых чисел децибел, так как изменение уровня звукового давления менее 1 дБ органом слуха не воспринимается.

Область слышимых звуков ограничивается не только определёнными частотами, но предельными значениями звуковых давлений и их уровнями. Весь слышимый диапазон на стандартной частоте 1000 Гц укладывается в интервале уровней от 0 до 120 дБ.

Для того чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторым минимальным звуковым давлением, но если это давление превышает определённый предел, то звук не слышен, а вызывает только болевое ощущение. Следовательно, для каждой частоты колебаний существует наименьшее (порог слышимости) и наибольшее (порог болевого ощущения) звуковое давление, которое не способно вызвать звуковое восприятие.

На рисунке 2.1 представлена зависимость порогов слышимости и болевого ощущения от частоты звука. Область, расположенная между ними, является областью слышимости.

Он иллюстрирует, что звуки, равные по уровню звукового давления, но неодинаковые по частоте, воспринимаются человеком, как звуки разной громкости. Уровень громкости является функцией звукового давления и частоты. Каждая кривая (см. рис.2.1) представляет собой геометрическое место точек, координаты которых – уровень звукового давления и частота, обеспечивающие одинаковую громкость звуков. Кривые равной громкости позволяют определить, какую величину должно иметь при данной частоте звуковое давление, чтобы воспринималась определённая громкость. За единицу уровня громкости, называемую фоном, принимается разность уровней звукового давления в один децибел эталонного звука частотой 1000 Гц.

Рис. 2.1. Диаграмма слухового восприятия человеком.

При измерении и анализе шумов, весь диапазон частот разбивают на октавы – интервалы частот, где конечная частота f ₂ больше начальной f ₁ в два раза:

и третьоктавные полосы частот, определяемые соотношением:

В качестве частоты, характеризующей полосу частот в целом, берётся среднегеометрическая частота f _cp:

Для октавного диапазона ; для третьоктавного .

Источник