Министерство образования Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ АКУСТИКЕ И ЗАЩИТЕ ОТ ШУМА Сборник лабораторных работ для студентов ФЛА направления 280200 – «Защита окружающей среды» очной формы обучения НОВОСИБИРСК 2010 Составители: В. В. Ларичкин, д-р техн. наук,проф. К. П. Гусев, ассистент Работа подготовлена на кафедре «Инженерные проблемы экологии» Новосибирский государственный технический университет, 2010 Содержание Введение………………………………………………………………………………. 4 Лабораторная работа №1. Измерение шумовой характеристики рабочих мест в лаборатории ИЗОС…………………………. 5 Лабораторная работа №2. Измерение шумовой характеристики источника шума в разных полосах октавных частот………. 14 Лабораторная работа №3. Определение постоянной общей и локальной вибраций. Санитарно - гигиеническое нормирование………………………………………………….25 Лабораторная работа №4. звукоизоляция и звукопоглощение ……………………………………… 42 Список литературных источников………………………….. 56 3 Введение Все более возрастающий интерес к защите окружающей среды вовлекает все больше и областей науки, способных помочь в решении данной задачи. Являясь одной из областей физики – акустика (от греч. ἀκούω (аку́о) — слышу) была внедрена в огромное число новейших разработок и нашу повседневную жизнь. Проезжающий мимо автомобиль с громко включенной музыкой, неисправный прибор или же скопление людей – всё это источники шума, и как они влияют на нас с вами – задача технической акустики. Медицина, неразрушающий контроль, музыкальные инструменты и компьютерные технологии не смогли бы существовать без этой дисциплины. В курсе лабораторных работы по технической акустике и защите от шума рассмотрены основные государственные стандарты и нормы, распространяющиеся на шумы и вибрации для формирования у студентов представления способов их контроля и анализа. 4 Лабораторная работа №1. Измерение шумовой характеристики рабочих мест в лаборатории ИЗОС Цель работы Измерить характеристики шума на рабочих местах. Определить эквивалентный уровень шума. Дать рекомендации по снижению уровня шума. Основные понятия Звук — колебания частиц упругой среды, которые воспринимаются органами слуха человека, в направлении их распространения. Шум — наложение различных по частоте и силе звуков от разных источников. Слышимый шум — 20 - 20000 Гц, устойчивый слышимый звук — 1000 Гц - 3000 Гц. Звуковое давление - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па. Эквивалентный /по энергии/ уровень звука, LАэкв., дБА (Децибел по шкале А), непостоянного шума - уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет такое же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени. Бел (сокращение: Б) — безразмерная единица измерения отношения (разности уровней) некоторых величин (например, энергетических — мощности и энергии или силовых — напряжения и силы тока) по логарифмической шкале. Отношение двух величин P1 и P2, выраженное в белах, определяется как десятичный логарифм отношения этих величин. 1. 2. 3. B lg P1 P2 Бел впервые был введён в использование инженерами из телефонной лаборатории Белла и в 1923—1924 гг. был назван в честь основателя лаборатории и изобретателя телефона Александра Грэма Белла (Alexander Graham Bell). Обратите внимание, что при образовании названия единицы по его фамилии, последнее «л» было отброшено. В акустике 1 бел фактически принят за единицу громкости звука. Это логарифм отношения мощности звука к некоторой начальной мощности, в качестве которой взят порог слышимости для человеческого уха, который составляет 10−12 Вт/м2. Но, поскольку для повседневного использования 1 бел оказался слишком большой величиной, то на практике вместо него применяется величина равная 0,1 бела — децибел (дБ). Применение децибел в акустике оказывается очень удобным, так как слуховое восприятие и оценка интенсивностей звуков при этом находятся в строгой связи и, к тому же, изменение интенсивности звука на 1 дБ улавливается ухом как едва заметное изменение громкости. Окта́ва (от лат. octava — восьмая) — музыкальный интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный музыкальный интервал. Два последовательных звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте. Предельно допустимый уровень (ПДУ) шума - это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ шума не исключает нарушения здоровья у сверхчувствительных лиц. Допустимый уровень шума - это уровень, который не вызывает у человека значительного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствительных к шуму. Максимальный уровень звука, LАмакс, дБА - уровень звука, соответствующий максимальному показателю измерительного, прямопоказывающего прибора (шумомера) при визуальном отсчете, или значение уровня звука, превышаемое в течение 1% времени измерения при регистрации автоматическим устройством. Классификация шумов, воздействующих на человека По характеру спектра шума выделяют: широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы; тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тоны. Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам шума выделяют: постоянный шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно» (slow); непостоянный шум, уровень которого за 8-часовой рабочий день, рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно» (slow). Непостоянные шумы подразделяют на: колеблющийся во времени шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени; прерывистый шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более; импульсный шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках «импульс» и «медленно», отличаются не менее чем на 7 дБ. Нормируемыми параметрами постоянного шума являются уровни звукового давления L, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц. Для ориентировочной оценки допускается использовать уровни звука LA, дБА. Нормируемыми параметрами непостоянного шума являются эквивалентные (по энергии) уровни звука LАэкв, дБА, и максимальные уровни звука LАмакс, дБА. Шумомер - прибор для объективного измерения уровня громкости шума (звука). Конструктивно шумомер состоит из измерительного микрофона, усилителя, корректирующих фильтров, детектора и индикатора. Общая схема прибора выбрана так, чтобы его свойства приближались к свойствам человеческого уха. Чувствительность уха зависит от частоты звука, а вид этой зависимости изменяется с изменением интенсивности измеряемого шума (звука). Поэтому стандартно в них имеется несколько комплектов фильтров, обеспечивающих нужную форму частотной характеристики: фильтр A – применяется при малой громкости, фильтр В — при средней громкости и С — большой громкости. Переключение фильтров производится вручную в зависимости от громкости измеряемого звука (шума). Шкала А применяется для измерения уровня громкости, выраженного в единицах — децибел с пометкой А, т. е. дб (А). Величиной уровня звука в дб (А) пользуются при нормировании громкости шума в промышленности, жилых домах и на транспорте. Шкала шумомера градуируется в децибелах по одной из 3 шкал — А, В или С. Помимо интенсивности звука, шумомеры так же замеряют и его временную характеристику: F (fast) - быстро, S (slow) медленно, I (pik) - импульс. Шкалу F применяют при измерениях постоянных шумов, S - колеблющихся и прерывистых, I импульсных. Таблица 1 - Предельно допустимые уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах для трудовой деятельности разных категорий тяжести и напряженности в дБА. Категория напряженности трудового процесса Напряженность легкой степени Напряженность средней степени Напряженный труд 1 степени Напряженный труд 2 степени легкая физическая нагрузка Категория тяжести трудового процесса средняя тяжелый тяжелый тяжелый физическая труд 1 труд 2 труд 3 нагрузка степени степени степени 80 80 75 75 75 70 70 65 65 65 60 60 - - - 50 50 - - - Обоснование и расчётные формулы Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА, определяемый по формуле: LЭКВ 20 lg P P0 (1) где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р0 – минимальное значение звукового давления в воздухе воспринимаемое органами слуха принимается равным 2·10-5 Па. Среднеквадратичная величина звукового давления определяется по формуле: P ( LA1 L)2 ... ( LAi L)2 (2) где i – число измерений (в данной работе i=3), L – среднее арифметическое: L L1 ...Li . i Приборы и оборудование, используемые в работе 1) Шумомер интегрирующий - виброметр ШИ-01В, комплект. 2) Источники шума. Прибор ШИ-01В предназначен для измерений уровней звука с частотными характеристиками А, С, общего уровня звукового давления звукового и инфразвукового диапазонов с частотной характеристикой ЛИН, уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах; уровней виброускорения с частотной характеристикой ЛИН, уровней виброускорения в октавных и третьоктавных полосах, корректированных уровней виброускорения. Измерение параметров шума основано на преобразовании звуковых колебаний в электрические с их последующей обработкой в соответствии функциональной схемой прибора (см. рис. 1). Преобразование звуковых колебаний в электрические производится микрофоном (МК). С выхода предусилителя (ПУ) сигнал поступает на вход усилителя (У). Установка коэффициента усиления У осуществляется переключателем диапазонов с шагом 10 дБ. Уровень сигнала на выходе У контролируется датчиком перегрузки (ДП). Между У и аналогоцифровым преобразователем (АЦП) всегда включен аналоговый фильтр низких частот (ФНЧ) для подавления сигналов с частотой Найквиста и выше. Таким образом реализуется частотная характеристика шумомера - ЛИН. Для реализации частотных коррекций А или С после ФНЧ с помощью коммутатора включаются аналоговые фильтры. Рисунок 1 - Функциональная схема прибора Дальнейшая обработка сигнала осуществляется цифровым способом. Частота оцифровки сигнала 48 кГц. Разрядность - 16 бит. Цифровое представление сигнала поступает в цифровой сигнальный процессор (ЦСП) и обрабатывается по алгоритму, соответствующему выбранному режиму измерения. ¹ 3 ¹ 2 ¹ 1 ¹ 4 ¹ 5 Рисунок 2 - Расположение рабочих мест в лаборатории ИЗОС ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1) Привести шумомер ШИ-01В в рабочее состояние, подключив соединительный кабель, микрофон. Под контролем преподавателя настроить прибор для измерений: диапазон измерений, тип шкалы и т.д. 2) Включить источники шума (согласно заданию преподавателя для каждой из подгрупп), отметив данный пункт в отчёте по лабораторной работе. 3) Произвести троекратное измерение уровня шума в каждой из точек аудитории, соответствующих рабочему месту (согласно схемы – рис. 2). Измерение проводить следующим способом: установив микрофон на рабочее место при работающих источниках шума нажать кнопку «пауза», записать результат отображаемый на ЖК - дисплее, спустя время (около 20-30 секунд) вновь нажать клавишу «пауза» и т.д. Результаты измерений записать в таблицу №2. 4) По формуле (2) рассчитать среднеквадратичную величину звукового давления. Результат расчёта занести в таблицу 2. 5) По формуле (1) рассчитать эквивалентный уровень шума. Результат расчёта занести в таблицу 2. 6) Повторить п. п. 1-5 для другой комбинации работающих источников шума. 7) Сделайте заключение. Оцените полученные результаты измерений, сравнив их с допускаемыми уровнями шума. Предложите методы по снижению уровня использовании лабораторного оборудования. шума при Таблица 2 – Результаты измерения уровня шума Источник шума Параметр, дБА № измерения № рабочего места LA1, LA2 LA3 L P LAЭКВ 1 … 5 Контрольные вопросы 1) Понятие шум, звук, звуковое давление. 2) Децибел. Определение. Какова причина применения данной единицы измерения для описания уровня звукового давления. 3) Эквивалентный уровень звука. 4) Предельно допустимый уровень (ПДУ) шума. 5) Допустимый уровень шума. 6) Максимальный уровень звука. 7) Классификация шумов по характеру спектра. 8) Классификация шумов по временным характеристикам. 9) Классификация непостоянных шумов. 10) Шумомер-виброметр ШИ-01В. Назначение и основные компоненты. 11) Методика расчёта эквивалентного уровня шума. Лабораторная работа №2. Измерение шумовой характеристики источника шума в разных полосах октавных частот Цель работы 1) Измерить характеристики шума на рабочих местах от источника непрерывного шума в различных полосах октавных частот. 2) Дать рекомендации для увеличения качества шумозащиты. Основные понятия Звук — колебания частиц воздушной среды, которые воспринимаются органами слуха человека, в направлении их распространения. Шум — сочетание различных по частоте и амплитуде звуков. Характеристики звуковой волны Длина́ волны́ — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, обычно длина волны обозначается греческой буквой λ. Измеряется в единицах расстояния (метры, сантиметры и т. п.). Величина 2 , обратная длине волны, называется волновым числом и k имеет смысл пространственной частоты. Получить соотношение, связывающее длину волны с фазовой скоростью (c) и частотой (f) можно из определения. Длина волны соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой проходит за время, равное периоду колебаний T, поэтому: c T c f Пери́од колеба́ний — наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно). Частота́ — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершённых за единицу времени. Стандартные обозначения в формулах — υ, f или F. Единицей частоты в Международной системе единиц (СИ) в общем случае является герц (Гц, Hz). Окта́ва (от лат. octava — восьмая) — звуковой интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный звуковой интервал. Два последовательных звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте. При рассмотрении вопросов охраны труда обычно пользуются октавными полосами частот, средние значения которых соответствуют диапазону слышимых звуков и составляют стандартный ряд (16), (31,5), 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 (16000) Гц. В скобках показаны частоты, в которых шум, как правило, не нормируют, хотя они лежат в слышимом диапазоне частот. Частотный состав шума характеризует его спектр. Спектром шума называют зависимость уровня звукового давления в частотных полосах от средних частот этих полос. Спектр можно представить либо в виде таблицы, либо графически в виде ломаной линии. В качестве средней частоты октавной полосы принимают среднегеометрическую частоту: f ср f1 гр f 2 гр где f1 гр и f 2 гр - крайние частоты полосы. Спектр, а, следовательно, и шум, которому он соответствует, может быть низкочастотным (максимум уровня звукового давления находится в области частот ниже 300 Гц), среднечастотным (область частот от 300 до 800 Гц) и высокочастотным (область частот более 800 Гц). Звук с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком, а с частотами выше 20 кГц — ультразвуком. Эти звуки не слышимы для человека. Шум называют тональным, если в нем прослушивается звук определенной частоты. В противном случае он будет широкополосным. Пример тонального шума — сигналы локомотивов, а широкополосного — шум водопада, шум подвижного состава. Важной характеристикой звукового (шумового) поля (т. е. области пространства, в которой наблюдается шум), помимо звукового давления и частоты, является интенсивность звука Она представляет собой поток энергии, переносимой звуковыми волнами в единицу времени через площадку единичной площади, ориентированную перпендикулярно направлению звукового луча. Интенсивность звука — векторная величина, измеряемая в ваттах на метр квадратный (Вт/м2). С точки зрения охраны труда интерес представляет лишь средняя во времени величина интенсивности. Звуковое давление - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па. Интенсивность и звуковое давление р связаны между собой соотношением: 2 I p c 2 где p — средний квадрат звукового давления. Па2; р — плотность среды, в которой распространяется звук, кг/м3; С — скорость звука в данной точке среды, м/с. Для воздуха независимо от атмосферного давления: c 20 T , где Т— абсолютная температура воздуха, К. Уровень интенсивности звука определяют по формуле (в дБ): L1 10 lg I I0 где I 0 10 12 — стандартное пороговое значение интенсивности, Вт/м2. Величина I 0 выбрана такой, что при нормальных атмосферных условиях (t = 20°С, р = 1,2 кг/м3) уровень звукового давления L и уровень интенсивности L1 численно равны друг другу. Равенство этих величин упрощает акустические расчеты. Если в данную точку пространства приходят некогерентные звуковые, волны (т.е. волны, фазы которых в разные моменты времени отличаются друг от друга) с уровнями звукового давления Li, то уровень звукового давления суммарного звука составит (в дБ): n L 10 lg 100.1Li i 1 где n — общее число независимых слагаемых уровней. Эта формула соответствует условию, что интенсивности всех некогерентных источников складываются: I=I1+I2+…In. Поэтому, если имеется т одинаковых источников, каждый из которых создает в данной точке уровень звукового давления Li, суммарный уровень будет рассчитываться по формуле: L L1 10 lg m . Например, если один источник создает уровень L1 = 73 дБ, то 100 источников создадут уровень L = 73 + 10∙lg100 = 93 дБ. Удвоение числа источников каждый раз увеличивает уровень на 3 дБ. Измерения шума проводят для контроля соответствия фактических его уровней на рабочих местах установленным нормам, для оценки шумового режима в помещениях, разработки мероприятий по снижению шума и оценки их эффективности. Действие шума на человека. нормирование шума Звук с уровнем звукового давления менее некоторой величины, называемой порогом слышимости, не воспринимается человеком. Порог слышимости у каждого человека различен и зависит от возраста, состояния слуха, утомления, индивидуальных особенностей организма, а также от частоты звука. Различают пять ступеней действия шума на человека в зависимости от уровня звукового давления. Если уровень звукового давления ниже порога слышимости, что соответствует полной тишине (первая ступень действия шума), то человек ощущает психологический дискомфорт. Он невольно прислушивается к шуму своего дыхания, процесса пищеварения и т. п. В природе такие условия практически не встречаются. Обычно человека окружает нормальный, привычный для него шумовой фон (вторая ступень действия шума) с уровнями звукового давления на средних частотах 15 — 35 дБ. Такой шум необходим для нормальной жизнедеятельности. При увеличении уровня звукового давления до 40—70 дБ наступает третья, психологическая, область действия шума. Этот шум, особенно если он неконтролируем и несет определенную информацию, оказывает раздражающее действие, не изменяя функций слуха и не мешая восприятию полезных сигналов. Он может снизить производительность умственного труда, ухудшить самочувствие. Примером такого шума являются мешающая музыка или разговор, шум саннтарно-технического или инженерного оборудования зданий и т. д. Уровни звуковых давлений 75—120 дБ (четвертая ступень действия шума), характерные для производственных и транспортных шумов, производят неблагоприятное физиологическое действие. В этом случае значительно раньше, чем поражается орган слуха, страдает центральная нервная и сердечно-сосудистая системы. Работники, подвергающиеся воздействию такого шума, часто жалуются на раздражительность, головные боли, снижение внимания и памяти, сонливость, повышенную утомляемость, нарушения сна, иногда — на головокружение. Они чаще болеют гипертонией или гипотонией, язвенной болезнью, колитами и гастритами, неврозами. У них чаше и скорее развивается профессиональная тугоухость. Постоянный шум с уровнями звукового давления более 120 дБ, а также импульсный шум с уровнями, превышающими 150 дБ при длительности воздействия 100 мс и 160 дБ при длительности воздействия 5 мс, могут привести к акустической травме в виде значительного понижения слуха (пятая ступень действия шума). При постоянном шуме с уровнями 170 дБ и выше и импульсном шуме с уровнями 180 дБ и выше может наступить контузия и даже смерть. Вредность шума как фактора производственной среды и среды обитания человека приводит к необходимости ограничивать его уровни. Санитарные уровни шума нормируют двумя способами: - методом предельных спектров (ПС); - методом уровня звука. Метод предельных спектров, применяемый для нормирования постоянного шума, предусматривает ограничение уровней звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Совокупность этих предельных октавных уровней называют предельным спектром. Обозначают тот или иной предельный спектр уровнем его звукового давления на частоте 1000 Гц. Например, «ПС-80» означает, что данный предельный спектр имеет на частоте 1000 Гц уровень звукового давления 80 дБ. На частоте 63 Гц уровень для этого спектра равен 99 дБ, а на частоте 8000 Гц — 74 дБ. Метод уровней звука применяют для нормирования непостоянного шума, например, внешнего шума транспортных средств, городского шума. При этом методе измеряют скорректированный по частоте общий уровень звукового давления во всем диапазоне частот, соответствующем перечисленным выше октавным полосам. Измеренный таким образом уровень звука позволяет характеризовать величину шума не восемью цифрами уровней звукового давления, как в методе предельных спектров, а одной. Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и эквивалентных уровней звука проникающего шума в помещениях жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки следует принимать по табл. 3 (СН 2.2.4/2.1.8.562-96). Вид трудовой деятельности, рабочее место Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц 31,5 Творческая деятельность, руководящая работа с повышенными требованиями, научная деятельность, конструирование и проектирование, программирование, преподавание и обучение, врачебная деятельность. Рабочие места в помещениях дирекции, проектно конструкторских бюро, расчетчиков, программистов вычислительных машин, в лабораториях для теоретических работ и обработки данных, приема больных в здравпунктах 86 63 125 250 71 61 54 500 1000 2000 4000 8000 49 45 42 40 38 Уровни звука и эквивалентные уровни звука (в дБА) Таблица 3 - Предельно допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для некоторых основных наиболее типичных видов трудовой деятельности и рабочих мест 50 Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности, административноуправленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в лаборатории; рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в рабочих комнатах конторских помещений, в лабораториях Работа, выполняемая с часто получаемыми указаниями и акустическими сигналами; работа, требующая постоянного слухового контроля; операторская работа по точному графику с инструкцией; диспетчерская работа. Рабочие места в помещениях диспетчерской службы, кабинетах и помещениях наблюдения и дистанционного управления с речевой связью по телефону; машинописных бюро, на участках точной сборки, на телефонных и телеграфных станциях, в помещениях мастеров, в залах обработки информации на вычислительных машинах 93 96 79 83 70 74 68 68 58 55 52 52 49 63 60 57 55 54 Обоснование и расчётные формулы Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА, определяемый по формуле: L 20 lg P P0 (3) где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р0 – минимальное значение звукового давления в воздухе воспринимаемое органами слуха принимается равным 2·10-5 Па. Среднеквадратичная величина звукового давления определяется по формуле: 60 65 P ( LA1 L)2 ... ( LAi L)2 (4) где i – число измерений (в данной работе i=5), L – среднее арифметическое: L L1 ...Li . i Приборы и оборудование, используемые в работе 1) Шумомер интегрирующий - виброметр ШИ-01В, комплект. 2) Источники постоянного шума – ГЗ-34 с широкополосным динамиком. Экспериментальная установка Прибор ШИ-01В предназначен для измерений уровней звука с частотными характеристиками А, С, общего уровня звукового давления звукового и инфразвукового диапазонов с частотной характеристикой ЛИН, уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах; уровней виброускорения с частотной характеристикой ЛИН, уровней виброускорения в октавных и третьоктавных полосах, корректированных уровней виброускорения. Измерение параметров шума основано на преобразовании звуковых колебаний в электрические с их последующей обработкой в соответствии функциональной схемой прибора. В режиме измерения уровней звукового давления в октавных полосах частот состав цифрового вывода входят значения Leq (крупный шрифт), S, Smax, Smin и средней Рисунок 3 - ЖКИ в режиме геометрической частоты фильтра, измерения УЗД в октавных отмеченного маркером вывода. Результаты полосах. измерения детектором S дополнительно представлены в виде аналоговых индикаторов для всех фильтров, рисунок 3. За максимальный уровень звука LAmax , дБА, при проведении измерения шума шумомером следует принимать наибольшее значение уровня звука за период измерения шума (MAX). Порядок выполнения работы 1) Измерительный микрофон должен быть направлен в сторону источника шума и удален не менее, чем на 0,5 м от оператора, проводящего измерение. 2) Переключатель частотной характеристики шумомера при проведении измерения октавных уровней звукового давления в соответствии с инструкцией к прибору (по указанию преподавателя). 3) Переключатель временной характеристики измерительной аппаратуры должен быть установлен в положение "медленно". Значения октавных уровней звукового давления постоянного шума следует принимать по показаниям прибора и считывать с точностью до 1 дБА (дБ). 4) Установить частоту звука на звуковом генераторе в соответствии с указанием преподавателя. 5) Произвести пятикратное измерение уровня шума для каждой октавной полосы частот источника постоянного шума. Полученные результаты заносить в таблицу №1 Отчёта по лабораторной работе. 6) Изменить частоту звукового генератора по указанию преподавателя и повторить п. 5. Результаты занести в таблицу №1 Отчёта. 7) По формуле (4) рассчитать среднеквадратичную величину звукового давления. Результат расчёта занести в таблицу №1 Отчёта. 8) По формуле (3) рассчитать уровень звукового давления для каждой из среднегеометрических частот. Результат расчёта занести в таблицу №1 Отчёта. По полученным данным постройте график измеренного спектра постоянного шума с его наложением на предельный спектр (разными цветами). 10) Сделайте заключение. Оцените полученные результаты. Предложите методы по снижению уровня шума при использовании лабораторного оборудования. 9) 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 12) Контрольные вопросы Понятие шум, звук. Понятие длины волны, периода колебаний. Понятие частоты, октавы, октавных полос частот. Понятие спектра, предельного спектра, границы среднегеометрических частот. Разделение спектра по принадлежности к частоте звука. Понятие тонального, широкополосного шума. Приведите примеры. Понятие интенсивности звука, звукового давления. Их взаимосвязь. Параметры волны: длина волны, частота, период. Их взаимосвязь. Способы нормирования шума. Действие шума на человека. Первая и вторая ступени действия. Действие шума на человека. Третья и четвёртая ступени действия. Принцип действия шумомера ШИ-01В. Основные компоненты. Лабораторная работа №3. Определение постоянной общей и локальной вибраций. Санитарно - гигиеническое нормирование Цель работы Экспериментальное определение логарифмических уровней виброускорений от электроинструмента и коллективного действия источников общей вибрации в лаборатории ИЗОС. Основные понятия Вибрация (лат. Vibratio — кoлебание, дрожание) — механические колебания. Колеба́ния — повторяющийся в той или иной степени во времени процесс изменения состояний системы. Основными физическими характеристиками вибрации являются амплитуда и частота колебаний. Амплитуда вибросмещения измеряется в м или см, а частота колебаний – в герцах. Учитывая, что при любом колебательном движении непрерывно изменяется скорость и ускорение (наибольшие на осевой линии колебания и наименьшие в крайних позициях), вибрацию оценивают по скорости и ускорению. Для вибрации отсчет децибел ведется от условной опорной 0 5 108 м/с , (пороговой) виброскорости, равной 4 2 виброускорения – 0 3 10 м/с . Пороговое вибросмещение - x0 8 1012 м . Виброскорость и виброускорение оцениваются в пределах стандартных октав со среднегеометрическими частотами – 1; 2; 4; 8; 16; 31,5; 63; 125; 250 Гц и выше. Вибрация с частотой до 32 Гц относится к низкочастотной, а более 32 Гц – к высокочастотной. Вибрация точки бывает плоскостной (по плоской траектории), пространственной (по пространственной траектории), поступательной (линейной) (вибрация твердого тела при его поступательном движении и угловая (крутильная) вибрация (при вращательном движении). Среднеквадратическое значение колеблющейся величины - квадратный корень из среднего арифметического или среднего интегрального значения квадрата колеблющейся величины в рассматриваемом интервале времени. Если имеется дискретных значений колеблющейся величины, то среднее квадратическое значение: x 1 n 2 xi n i 1 Спектр колебаний (вибрации) Совокупность соответствующих гармоническим составляющим значений величины, характеризующей колебания (вибрацию), в которой указанные значения располагаются в порядке возрастания частот гармонических составляющих. Периодическим и почти периодическим колебаниям соответствует дискретный спектр, непериодическим - непрерывный спектр. Дискретный, непрерывный, амплитудный, фазовый, энергетический спектры - спектры колебаний или частот, в котором частоты гармонических составляющих колебаний образуют дискретное (или, соответственно, непрерывное, спектр амплитуд, спектр начальных фаз, удельная энергия колебаний) множество. Спектральный анализ колебаний (вибрации) Определение спектра колебаний (вибрации) или спектра частот. Октавная полоса частот - Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 2: f 2 2 , f1 где f1 — нижняя граничная частота, Гц; f 2 — верхняя граничная частота, Гц Полуоктавная полоса частот - Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 2 : f2 . 2 f1 Третьоктавная полоса частот - Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 3 : f2 . 3 f1 Среднегеометрическая частота полосы (Среднегеометрическая частота) - Квадратный корень из произведения граничных частот полосы: f f1 f 2 . Стоячая волна - Состояние среды, при котором расположение максимумов и минимумов перемещений колеблющихся точек среды не меняется во времени. Стоячую волну можно рассматривать как результат наложения двух одинаковых бегущих волн, распространяющихся навстречу одна другой. Классификация вибрации По источнику возникновения вибраций различают: локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного механизированного инструмента (с двигателями), органов ручного управления машинами и оборудованием; локальную вибрацию, передающуюся человеку от ручного немеханизированного инструмента (без двигателей), например, рихтовочных молотков разных моделей и обрабатываемых деталей; общую вибрацию 1 категории - транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и прицепных машин, транспортных средств при движении по местности, агрофонам и дорогам. общую вибрацию 2 категории - транспортнотехнологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок. К источникам транспортно-технологической вибрации относят: экскаваторы (в том числе роторные), краны промышленные и строительные; горные комбайны и т.д. общую вибрацию 3 категории - технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации (станки металлои деревообрабатывающие, кузнечно-прессовое оборудование, литейные машины, электрические машины и др.). Общую вибрацию категории 3 по месту действия подразделяют на следующие типы: а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий; б) на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию; в) на рабочих местах в помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда; общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внешних источников: городского рельсового транспорта (мелкого залегания и открытые линии метрополитена, трамвай, железнодорожный транспорт) и автотранспорта; общую вибрацию в жилых помещениях и общественных зданиях от внутренних источников: инженерно-технического оборудования зданий и бытовых приборов (лифты, вентиляционные системы, насосные, пылесосы, холодильники, стиральные машины и т.п.), предприятий коммунально-бытового обслуживания, котельных и т.д. По направлению действия вибрацию подразделяют в соответствии с направлением осей ортогональной системы координат: локальную вибрацию подразделяют на действующую вдоль осей ортогональной системы координат Xл, Yл, Zл, где ось Xл параллельна оси места охвата источника вибрации (рукоятки, ложемента, рулевого колеса, рычага управления, удерживаемого в руках обрабатываемого изделия и т.п.), ось Yл перпендикулярна ладони, а ось Zл лежит в плоскости, образованной осью Xл и направлением подачи или приложения силы (или осью предплечья, когда сила не прикладывается); общую вибрацию подразделяют на действующую вдоль осей ортогональной системы координат Xо, Yо, Zo, где Хо (от спины к груди) и Yo (от правого плеча к левому) горизонтальные оси, направленные параллельно опорным поверхностям; Zo - вертикальная ось, перпендикулярная опорным поверхностям тела в местах его контакта с сиденьем, полом и т.п. Направления координатных осей приведены на рис. 4. По характеру спектра вибрации выделяют: узкополосные вибрации, у которых контролируемые параметры в одной 1/3 октавной полосе частот более чем на 15 дБ превышают значения в соседних 1/3 октавных полосах; широкополосные вибрации - с непрерывным спектром шириной более одной октавы. По частотному составу вибрации выделяют: низкочастотные вибрации (с преобладанием максимальных уровней в октавных полосах частот 1 - 4 Гц для общих вибраций, 8 - 16 Гц - для локальных вибраций); среднечастотные вибрации (8 - 16 Гц - для общих вибраций, 31,5 - 63 Гц - для локальных вибраций); высокочастотные вибрации (31,5 - 63 Гц - для общих вибраций, 125 - 1000 Гц - для локальных вибраций). Рисунок 4 – Направление координатных осей при действии вибрации По временным характеристикам вибрации выделяют: постоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения; непостоянные вибрации, для которых величина нормируемых параметров изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не менее 10 мин при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе: а) колеблющиеся во времени вибрации, для которых величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени; б) прерывистые вибрации, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с; в) импульсные вибрации, состоящие из одного или нескольких вибрационных воздействий (например, ударов), каждый длительностью менее 1 с. Источники вибрации Вибрация возникает в самых разнообразных технических устройствах вследствие несовершенства их конструкции, неправильной эксплуатации, внешних условий (например, рельеф дорожного полотна для автомобилей), а так же специально генерируемая вибрация. Источниками вибрации в технике могут быть: работающие электродвигатели, особенно плохо сбалансированные; дерево-, и металлообрабатывающее оборудование; ГТ двигатели самолетов и др. транспортных средств; вибрации металлоконструкций; низкочастотные вибрации музыкальных установок; природные вибрации — землетрясения, атмосферные разряды; плохое состояние дорожного покрытия; вибрации башен, дымовых труб, антенн, при знакопеременных ветровых нагрузках; вибрации ручного электроинструмента: дрели, отбойные молотки и др. Воздействие вибрации на человека Вибрация относится к факторам, обладающим высокой биологической активностью. Выраженность ответных реакций обусловливается главным образом силой энергетического воздействия и биомеханическими свойствами человеческого тела как сложной колебательной системы. Мощность колебательного процесса в зоне контакта и время этого контакта являются главными параметрами, определяющими развитие вибрационных патологий, структура которых зависит от частоты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий. Частотный диапазон, в котором вибрация оказывает ощутимое влияние на человека лежит в пределах 1,6—1000 Гц. По способу передачи различают следующие виды вибрации: общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека; локальную вибрацию, передающуюся через руки или ноги человека, а также через предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями. При воздействии вестибулярных раздражителей, к которым относится вибрация, нарушаются восприятие и оценка времени, снижается скорость переработки информации. Низкочастотная вибрация вызывает нарушение координации движения, причем наиболее выраженные изменения отмечаются при частотах 4-11 Гц. В диапазоне от 15 до 50 Гц происходят косно-суставные изменения (спастические явления в капиллярах происходят при вибрации выше 35 Гц, а ниже наблюдается преимущественно атония капилляров - отсутствует их нормальная эластичность). В диапазоне от 50 до 250 Гц – происходят изменения сердечнососудистой функции и нервной системы (спазмы сосудов и т.д.). Промышленная частота: 50 Гц. Длительное влияние вибрации приводит к стойким патологическим нарушениям в организме работающих. Защита от вибрации Вибрационная защита - Совокупность средств и методов уменьшения вибрации, воспринимаемой защищаемыми объектами. Примечание. Под уменьшением вибрации понимают уменьшение значений каких-либо определенных величин, характеризующих вибрацию Основными методами борьбы с разного рода шумами и вибрацией являются: уменьшение шума и вибрации в источнике их возникновения: совершенствование конструкции (расчёт фундамента, системы амортизаторов или виброизоляторов). звукопоглощение и виброизоляция. установка глушителей шума и вибрации, экранов, виброизоляторов. рациональное размещение работающего оборудования и цехов. применение средств индивидуальной защиты (виброгасящие рукавицы – см. рис. 5). вынесение шумящих агрегатов и устройств от мест работы и проживания людей, зонирование. Рисунок 5 – Средства защиты рук от воздействия вибрации Нормируемые параметры Гигиеническая оценка постоянной и непостоянной вибрации, воздействующей на человека, должна производиться следующими методами: частотным (спектральным) анализом нормируемого параметра; интегральной оценкой по частоте нормируемого параметра; интегральной оценкой с учетом времени вибрационного воздействия по эквивалентному (по энергии) уровню нормируемого параметра. Нормируемый диапазон частот устанавливается: для локальной вибрации в виде октавных полос со среднегеометрическими частотами: 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000, 2000, 4000 Гц; для общей вибрации в виде октавных или 1/3 октавных полосах со среднегеометрическими частотами 0,8; 1; 1,25; 1,6; 2,0; 2,5; 3,15; 4,0; 5,0; 6,3; 8,0; 10,0; 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,0; 63,6; 80,0 Гц. Обоснование и расчётные формулы, определение логарифмического уровня виброускорения При частотном (спектральном) анализе нормируемыми параметрами являются средние квадратические значения виброскорости (v) и виброускорения (а) или их логарифмические уровни (Lv, La), измеряемые в 1/1 и 1/3 октавных полосах частот. Логарифмические уровни виброускорения (La), в дБ, определяют по формуле: a (5) La 20 lg 6 1 10 где а - среднеквадратическое значение виброускорения, м/с2; 1·10-6 - опорное значение виброускорения, м/с2. Среднеквадратическое значение виброускорения определяется по соотношению: a (ai aСР )2 (ai1 aСР )2 ... (an aСР )2 (6) где n aСР a i 1 i (7), n i – порядковый номер измерения, n – число измерений. Соотношение между логарифмическими уровнями виброускорения в дБ и его значениями в м/с2 приведены в таблице 1, предельно допустимые значения виброускорений в м/с2 приведены в таблице 5. Таблица 4 Соотношение между логарифмическими уровнями виброускорения в дБ и его значениями в м/с2 Десятк и, дБ Единицы, дБ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 70 3,2 ∙10-3 3,2 ∙10-3 4,0 ∙10-3 4,5 ∙10-3 5,0 ∙10-3 5,6 ∙10-3 7,0 ∙10-3 7,9 ∙10-3 7,9 ∙10-3 8,9 ∙10-3 80 1,0 ∙10-2 1,1 ∙10-2 1,3 ∙10-2 1,4 ∙10-2 1,6 ∙10-2 1,8 ∙10-2 2,0 ∙10-2 2,2 ∙10-2 2,5 ∙10-2 2,8 ∙10-2 90 3,2 ∙10-2 3,5 ∙10-2 4,0 ∙10-2 4,5 ∙10-2 5,0 ∙10-2 5,6 ∙10-2 6,3 ∙10-2 7,0 ∙10-2 7,9 ∙10-2 8,9 ∙10-2 100 0,1 0,11 0,13 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,25 0,28 110 0,32 0,35 0,4 0,45 0,50 0,56 0,63 0,70 0,79 0,89 120 1,0 1,1 1,3 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,5 2,8 130 3,2 3,5 4,0 4,5 5,0 5,6 6,3 7,0 7,9 8,9 140 10 11 13 14 16 18 20 22 25 28 150 32 35 40 45 50 56 63 70 79 89 160 100 110 130 140 160 180 200 220 250 280 Таблица 5 - Предельно допустимые величины нормируемых параметров производственной локальной вибрации при длительности вибрационного воздействия 480 мин (8 ч) *Предельно допустимые значения по осям XЛ, YЛ, ZЛ Среднегеометрические виброускорения виброскорости частоты октавных полос, Гц м/с2 дБ м/c·10-2 дБ 8 1,4 123 2,8 115 16 1,4 123 1,4 109 31,5 2,8 129 1,4 109 63 5,6 135 1,4 109 125 11,0 141 1,4 109 250 22,0 147 1,4 109 500 45,0 153 1,4 109 1000 89,0 159 1,4 109 Корректированные и эквивалентные коррек2,0 126 2,0 112 тированные значения и их уровни * Работа в условиях воздействия вибрации с уровнями, превышающими настоящие санитарные нормы более чем на 12 дБ (в 4 раза) по интегральной оценке или в какой-либо октавной полосе, не допускается. Предельно допустимые величины нормируемых параметров вибрации рабочих мест при длительности вибрационного воздействия 480 мин (8 ч) приведены в таблицах СН 2.2.4/2.1.8.566 96, в зависимости от категории источника вибрации. В данной работе – категория 3, технологическая вибрация типа «в». ПД нормирумемые параметры приведены в таблице 6. Таблица 6 - Предельно допустимые значения вибрации рабочих мест категории 3 - технологической типа "в" Среднегеометрические частоты полос, Гц 1,6 2,0 2,5 3,15 4,0 5,0 6,3 8,0 10,0 12,5 Предельно допустимые значения по осям XО, YО, ZО виброускорения виброскорости м/с2 дБ м/c·10-2 дБ 1/3 окт 0,0130 0,0110 0,0100 0,0089 0,0079 0,0079 0,0079 0,0079 0,0100 0,0130 16,0 0,0160 20,0 25,0 31,5 40,0 0,0200 0,0250 0,0320 0,0400 50,0 0,0500 63,0 0,0630 80,0 0,0790 Корректированные и эквивалентные корректированные значения и их уровни 1/1окт 0,020 0,014 0,014 0,028 0,056 1/3 окт 82 81 80 79 78 78 78 78 80 82 84 86 88 90 92 1/1окт 86 83 83 89 95 94 0,110 96 0,130 0,089 0,063 0,045 0,032 0,025 0,020 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 0,016 1/1окт 0,180 0,063 0,032 0,028 0,028 0,016 101 98 0,014 1/3 окт 0,016 88 85 82 79 76 74 72 70 70 70 70 70 70 70 70 1/1окт 91 82 76 75 75 70 0,028 0,016 83 1/3 окт 70 75 70 0,028 75 Приборы и оборудование, используемые в работе 1) Источники вибрации: мельницы, электродрель ручная. 2) Шумомер-вибромер ШИ-01В. Экспериментальная установка Используемый шумомер выполнен в виде малогабаритного блока с автономным питанием. Конструктивно прибор состоит из блока измерительного (БИ), микрофонного предусилителя (ПУ), МК, адаптера вибропреобразователя (АВП) для ШИ-01В или адаптера-коммутатора вибропреобразователя (АКВП) для ШИ01В(03), вибропреобразователя (ВП). На лицевой панели АКВП расположен переключатель каналов ВП. Переключатель имеет три положения, соответствующие оси, вдоль которой измеряется виброускорение. Маркировка положения переключателя соответствует маркировке осей ВП. При измерении уровней звука и звукового давления к БИ кабелем соединительным предусилителя подключается ПУ с МК. При измерении уровней виброускорения к БИ подключается ВП через АВП (АКВП). Внешний вид БИ представлен на рисунке 6. Рисунок 6 - Внешний вид БИ В режиме измерения локальной вибрации VhaX, VhaY, WhaZ одновременно измеряются уровни виброускорения в октавных полосах частот 8-4000 Гц и корректированный уровень виброускорения Wh. Для ШИ-01В(03) режим измерения должен соответствовать положению переключателя АКВП. Например, при установке переключателя в положение «Y» выбирается режим измерения VhaY Для всех величин измеряются среднеквадратичные значения уровней с постоянными усреднения 1 с, 5 с или 10 с и эквивалентные уровни. Определяются максимальные и минимальные значения за время измерения. Результаты измерения представлены в виде числовых значений и аналоговых индикаторов. Индикаторы с 1 по 8 отображают уровни в октавных полосах частот, индикатор 9 отображает корректированный уровень. В цифровом виде представлены значение эквивалентного уровня (крупный шрифт), постоянная времени усреднения, текущее, максимальное и минимальное значения среднеквадратичного уровня, значение средней геометрической частоты (для фильтров) или обозначение Wh (для корректированного уровня). В режимах измерения общей вибрации VwbX, VwbY, VwbZ одновременно измеряются уровни виброускорения в третьоктавных полосах частот 0,8-80 Гц и корректированный уровень виброускорения Wk в режиме VwbZ или Wd в режимах VwbX, VwbY. Положение оси ВП должно соответствовать режиму измерения. Режим VwbZ предполагает, что ось ВП направлена по оси Z. Режим VwbY предполагает, что ось ВП направлена по оси Y. Для всех величин измеряются среднеквадратичные значения уровней с постоянными усреднения 1 с, 5 с или 10 с и эквивалентные уровни. Определяются максимальные и минимальные значения за время измерения. Результаты измерения представлены в виде числовых значений и аналоговых индикаторов. Так как число третьоктавных фильтров в режимах VZ и VXY равно 21 на ЖКИ показан участок третьоктавного спектра, шириной в 9 фильтров из 21. Числовые данные относятся к полосе, на которую установлен маркер. При перемещении маркера вывода правее или левее крайних полос в окне происходит сдвиг спектра относительно окна индикатора. Таким образом в окно индикатора для просмотра можно установить любой участок третьоктавного спектра. Шаг сдвига спектра относительно окна составляет 4 полосы. Если в окне установлен крайний правый участок спектра то последний аналоговый индикатор отображают значение Wd или Wk. Соответственно, при установке на него маркера вывода, вместо значения центральной частоты выводится обозначение Wd или Wk. В цифровом виде представлены значение эквивалентного уровня (крупный шрифт), постоянная времени усреднения, текущее, максимальное и минимальное значение среднеквадрати чного уровня с указанной постоянной времени усреднения. Интерфейсы работы ЦСП с АЦП, ЖКИ и другими периферийными устройствами реализованы на ПЛМ. Для хранения результатов измерений и калибровок используется энергонезависимая память. Вывод результатов измерений в ПК осуществляется через порт. Порядок выполнения работы Эксперимент №1. Локальная вибрация 1) Соберите и подготовьте для работы прибор ШИ-01В. Проверьте правильность соединения кабелей. 2) Включите источник локальной вибрации, сымитируйте его практическое использование (один из студентов подгруппы). 3) Используя приложенный ремешок из комплекта, оденьте шумомер на шею (второй из студентов подгруппы). 4) Переведите прибор в режим измерения локальной вибрации VhaX, VhaY, WhaZ. Для каждого из режимов, соответственно, проведите по 3 измерения на каждой из среднегеометрических частот. Учитывайте направление ортогональной оси при ориентации вибропреобразователя (см. рис. 1). Результаты запишите в табл. 1 Отчёта по лабораторной работе. 5) Рассчитайте среднее значение виброускорения (aСР), дБ, для каждой из среднегеометрических частот по формуле (7), результаты запишите в табл. 1 Отчёта по лабораторной работе. 6) Рассчитайте среднеквадратическое значение виброускорения (a), дБ, для каждой из среднегеометрических частот по формуле (6), результаты запишите в табл. 1 Отчёта по лабораторной работе. 7) Рассчитайте логарифмические уровни виброускорения (La), в дБ по формуле (5). Результаты запишите в табл. 1 Отчёта по лабораторной работе. 8) Сравните полученные значения La с предельно допустимыми, указанными в таблице 2. 9) Постройте полученный спектр виброускорений и предельный спектр. 10) Сделайте выводы по выполненной работе. Эксперимент №2. Общая вибрация. 1) Включите источник общей вибрации, сымитируйте его практическое использование. 2) Используя приложенный ремешок из комплекта, оденьте шумомер на шею. 3) Переведите прибор в режим измерения общей вибрации VwbX, VwbY, VwbZ. Для каждого из режимов, соответственно, проведите по 3 измерения на каждой из среднегеометрических частот. Учитывайте направление ортогональной оси при ориентации вибропреобразователя (см. рис. 4). Результаты запишите в табл. 2 Отчёта по лабораторной работе. 4) Рассчитайте среднее значение виброускорения (aСР), дБ, для каждой из среднегеометрических частот по формуле (7), результаты запишите в табл. 2 Отчёта по лабораторной работе. 5) Рассчитайте среднеквадратическое значение виброускорения (a), дБ, для каждой из среднегеометрических частот по формуле (6), результаты запишите в табл. 2 Отчёта по лабораторной работе. 6) Рассчитайте логарифмические уровни виброускорения (La), в дБ по формуле (5). Результаты запишите в табл. 2 Отчёта по лабораторной работе. 7) Сравните полученные значения La с предельно допустимыми, указанными в таблице 3. 8) Постройте полученный спектр виброускорений и предельный спектр. 9) Сделайте выводы по выполненной работе. Контрольные вопросы 1) Дайте определение понятий «вибрация», «колебание». 2) Чему равны значения пороговых параметров вибрации (виброскорость, виброускорение, вибросмещение) и каков их физический смысл? 3) Дайте определения понятиям: среднегеометрические частоты октав, низкочастотная и высокочастотая вибрации. 4) Что такое плоская и пространственная вибрация? 5) Что такое поступательная и угловая вибрация? Приведите примеры. 6) Дайте определение понятия спектра колебаний. Виды спектров. 7) Что есть октавная, полуоктавная, третьоктавная полосы частот. Среднегеометрическая полоса частот. 8) Классификация вибрации по источнику её возникновения. 9) Классификация вибрации по направлению действия. 10) Классификация вибрации по характеру спектра, частотному составу. 11) Классификация вибрации по временным характеристикам. 12) Воздействие вибрации на человека. Поясните, чем опасна промышленная частота тока 50 Гц. 13) Расскажите об основных методах борьбы с вибрацией. 14) Расскажите о нормируемых параметрах локальной и общей вибрации. 15) Последовательность измерений параметров вибрации шумомером ШИ-01В. Различия в методике измерений общей и локальной вибраций. Лабораторная работа №4. звукоизоляция и звукопоглощение Цель работы 1) Ознакомиться с теорией производственных шумов, физической сущностью и инженерным расчетом звукоизоляции, с приборами для измерения шума, нормативными требованиями к производственным шумам. 2) С помощью установки лабораторной "Звукоизоляция и звукопоглощение БЖ 2МП" и шумомера Актаком АТТ-9000 провести измерения шума объекта, оценить эффективность мероприятий по снижению шума средствами предоставленной звукоизоляции. 3) Дать характеристику типу наблюдаемого шума и предложить мероприятия по увеличению шумозащиты. Общие сведения 1.1 Основные понятия и определения Шум — сочетание различных по частоте и амплитуде звуков. Частотный состав шума характеризует его спектр. Спектром шума называют зависимость уровня звукового давления в частотных полосах от средних частот этих полос. Спектр можно представить либо в виде таблицы, либо графически в виде ломаной линии. В качестве средней частоты октавной полосы принимают среднегеометрическую частоту: f ср f1 гр f 2 гр где f1 гр и f 2 гр - крайние частоты полосы. Спектр, а, следовательно, и шум, которому он соответствует, может быть низкочастотным (максимум уровня звукового давления находится в области частот ниже 300 Гц), среднечастотным (область частот от 300 до 800 Гц) и высокочастотным (область частот более 800 Гц). Звук с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком, а с частотами выше 20 кГц — ультразвуком. Эти звуки не слышимы для человека. Шум называют тональным, если в нем прослушивается звук определенной частоты. В противном случае он будет широкополосным. Пример тонального шума — сигналы локомотивов, а широкополосного — шум водопада, шум подвижного состава. Важной характеристикой звукового (шумового) поля (т. е. области пространства, в которой наблюдается шум), помимо звукового давления и частоты, является интенсивность звука Она представляет собой поток энергии, переносимой звуковыми волнами в единицу времени через площадку единичной площади, ориентированную перпендикулярно направлению звукового луча. Интенсивность звука — векторная величина, измеряемая в ваттах на метр квадратный (Вт/м2). С точки зрения охраны труда интерес представляет лишь средняя во времени величина интенсивности. Звуковое давление - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па. Интенсивность и звуковое давление р связаны между собой соотношением: 2 I p c 2 где p — средний квадрат звукового давления. Па2; р — плотность среды, в которой распространяется звук, кг/м3; С — скорость звука в данной точке среды, м/с. Для воздуха независимо от атмосферного давления: c 20 T , где Т— абсолютная температура воздуха, К. Уровень интенсивности звука определяют по формуле (в дБ): L1 10 lg I I0 где I 0 1012 — стандартное пороговое значение интенсивности, Вт/м2. 1.2 Физическая сущность звукоизоляции Звукоизолирующая способность преграды (коэффициент звукоизоляции) r равна отношению интенсивностей звука J11 в падающих на преграду волнах к интенсивности звука J21 в волнах, прошедших через преграду: r J11 1 J 21 r (8) Коэффициент прохождения δ связан с коэффициентом рассеяния ε и с коэффициентом отражения τ соотношением, выражающим закон сохранения энергии: (9) 1 Звукоизоляция R, Дб, - десятикратный логарифм отношения (1) выражается разностью соответствующих значений интенсивности уровней звука: (10) R 10 lg r 10 lg J11 10 lg J 21 Интенсивность звука в падающих на преграду под углом 1 звуковых волнах определяется по формуле: J11 P112 cos 1 1 c1 В прошедших за преграду под углом 2 звуковых волнах: J 21 P212 cos 2 2 c2 Звукоизолирующая способность границы раздела двух разных сред при падении на нее звуковой волны из средств с акустическим сопротивлением 1 c1 в среду с акустическим сопротивлением 2 c2 равна: r 2 c2 cos 1 11 1 c1 cos 2 21 (11) Рассмотрим прохождение волн через плоскую границу раздела двух полубесконечных сред ( 1 c1 , 2 c2 ), в которых продольные волны могут распространяться без потерь. Звуковые давления p11, p12, p21 соответственно в волнах, падающих на границу, отраженных от границы и прошедших через нее, будут иметь вид: p11 P11 eik (c1i y sin 1 x cos 1 ); p12 P12 eik (c1i y sin 1 x cos 1 ); p21 P21 eik (c2i y sin 2 x cos 2 ). В этих граничных условиях используются нормальные акустические импедансы: Z1 1 c1 c ; Z2 2 2 . cos 1 cos 2 Отношение звуковых давлений в падающих и прошедших волнах: p11 Z1 Z 2 p21 2Z 2 Это так называемая формула Френеля, после подстановки которой в формулы (10) и (11), определяется звукоизоляция границы раздела двух сред: Z Z2 (12) R 20 lg 1 6 Z2 Z1 Обобщенное понятие звукоизоляции преграды выражается формулой: 1 (13) R 10 lg 1 Соотношение (13) свидетельствует о том, что физическая сущность звукоизоляции обусловлена как отражением потока звуковой энергии от преграды в соответствии с принципом рассогласования импедансов, так и поглощением звуковой энергии в этой преграде. 1.3 Расчет требуемой звукоизолирующей способности от воздушного шума Многие практические задачи защиты от шума решаются применением строительно-акустических мер, в частности, увеличением звукоизоляции между помещениями. В зависимости от способа возбуждения колебаний в строительных конструкциях различают изоляцию воздушного и структурного звуков. К последнему случаю относится изоляция ударного звука перекрытием. Под изоляцией воздушного звука ограждающей конструкцией понимают свойство последней передавать в соседнее помещение только часть падающей на нее мощности воздушного звука. Для оценки звукоизоляции используют формулу: P (14) R 10 lg 1 P2 где: Р1 - мощность звука, падающего на преграду (строительную конструкцию); Р2 - мощность звука, излучаемого обратной стороной преграды (строительной конструкцией). Эго формула справедлива только в тех случаях, когда справа и слева от звукоизолирующей преграды (строительной конструкции) находятся два помещения одинакового размера. Как правило, рассматриваемая строительная конструкция разделяет два различных помещения. В этом случае при условии возникновения в том и другом помещении диффузных звуковых полей из формулы (14) следует: S R L1 L2 10 lg A2 (15) где: L1 - уровень звукового, давления в помещении с источником шума; L2 - уровень звукового давления в звукоизолируемом помещении; S -площадь разделяющей помещение конструкции; А2 - эквивалентная площадь звукопоглощения в изолируемом помещении. Требуемая величина звукоизоляции Rmp, дБ, ограждающей конструкции в октавной полосе частот, при проникновении шума из одного помещения в другое определяется по формуле: Rmp L1 10 lg B 10 lg S1 Lдоп 10 lg n (16) где: L1 - октавный уровень звукового давления в помещении с источником шума, дБ, В - постоянная помещения, защищаемого от шума, м2; S1 - площадь ограждающей конструкции (или отдельного ее элемента), через которую проникает шум в защищаемое помещение; Lдоп - допустимый октавный уровень звукового давления, дБ, в защищаемом помещении; n - общее количество ограждающих конструкций или их элементов, через которые проникает шум. 1.4 Характеристики звукоизолирующих конструкций Изоляция воздушного звука зависит в первую очередь от плотности применяемого в конструкции материала ρ, его модуля упругости Е и коэффициента внутренних потерь. Основными звукоизолирующими материалами являются: алюминиевые сплавы, асбокартон, базальтовый картон, бетон, гетинакс, медные сплавы, органическое стекло, ПВХ линолеум, пробковые плиты, твердая резина, титановые сплавы, свинец, силикатное стекло, сталь, стеклопластик, фибра и др. В конструктивном плане различают однослойные и многослойные звукоизолирующие конструкции (рис. 7). Рисунок 7 - Примеры звукоизолирующих конструкций: а) однослойная; б) многослойные При использовании многослойной конструкции можно добиться значительно более высокой звукоизоляции, чем у однослойной стены равной массы. Нормируемые параметры Вредность шума как фактора производственной среды и среды обитания человека приводит к необходимости ограничивать его уровни. Санитарные уровни шума нормируют двумя способами: - методом предельных спектров (ПС); - методом уровня звука. Метод предельных спектров, применяемый для нормирования постоянного шума, предусматривает ограничение уровней звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Совокупность этих предельных октавных уровней называют предельным спектром. Обозначают тот или иной предельный спектр уровнем его звукового давления на частоте 1000 Гц. Например, «ПС-80» означает, что данный предельный спектр имеет на частоте 1000 Гц уровень звукового давления 80 дБ. На частоте 63 Гц уровень для этого спектра равен 99 дБ, а на частоте 8000 Гц — 74 дБ. Метод уровней звука применяют для нормирования непостоянного шума, например, внешнего шума транспортных средств, городского шума. При этом методе измеряют скорректированный по частоте общий уровень звукового давления во всем диапазоне частот, соответствующем перечисленным выше октавным полосам. Измеренный таким образом уровень звука позволяет характеризовать величину шума не восемью цифрами уровней звукового давления, как в методе предельных спектров, а одной. Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и эквивалентных уровней звука проникающего шума в помещениях жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки следует принимать по табл. 1 (СН 2.2.4/2.1.8.562-96). Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности, административно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в лаборатории; рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в рабочих комнатах конторских помещений, в лабораториях 93 79 70 68 58 55 52 52 8000 4000 2000 1000 500 250 125 31,5 Вид трудовой деятельности, рабочее место 63 Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц 49 Уровни звука и эквивалентные уровни звука (в дБА) Таблица 7 - Предельно допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для основных наиболее типичных видов трудовой деятельности и рабочих мест 60 Обоснование и расчётные формулы Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА, определяемый по формуле: L 20 lg P P0 (17) где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р0 – минимальное значение звукового давления в воздухе воспринимаемое органами слуха принимается равным 2·10-5 Па. Среднеквадратичная величина звукового давления определяется по формуле: P ( LA1 LСР )2 ... ( LAi LСР )2 (18) где i – число измерений (в данной работе i=3), LСР – среднее арифметическое: LСР L1 ...Li i (19) Эффективность Э звукоизолирующей перегородки определяется по формуле: Э 1) 2) L LЗИ 100% L (20) Приборы и оборудование, используемые в работе Установка лабораторная «Звукоизоляция и звукопоглощение БЖ 2МП». Прибор для измерения шума Актаком АТТ-9000, ШИ-01В. Экспериментальная установка Схема лабораторного стенда представлена на рисунке 8. Стенд имеет вид макета производственных помещений, одно из которых имитирует производственный участок, а второе конструкторское бюро. Источник шума (громкоговоритель) 1 находится под «полом» левой камеры 2 и защищен решеткой 3. В левой камере 2 размещены макеты заводского оборудования (на рисунке не показаны). В правой камере 4 размещены макеты конструкторского бюро (на рисунке не показаны) и на подставке устанавливается микрофон 5 из комплекта ВШВ - 003. Обе камеры могут накрываться звукопоглощающим коробом 6. Кроме того, обе камеры снабжены осветительными лампами. Тумблеры для включения ламп находятся на передней стенке стенда. Рисунок 8 - Схема лабораторного стенда Передняя стенка стенда имеет два смотровых окна. Внутри на передней и задней стенках имеются направляющие, при помощи которых устанавливается съемная звукоизолирующая перегородка 7, обеспечивающая изоляцию правой и левой камер друг от друга. Решетка громкоговорителя во время проведения лабораторной работы может быть закрыта звукоизолирующим кожухом 8. На крышке кожуха 8 закреплена ось, на которую может навинчиваться груз для исключения щелей в местах контакта кожуха с решеткой громкоговорителя. Для возбуждения громкоговорителя используется функциональный генератор типа ГФ-1, все измерения проводятся с помощью шумомера типа ВШВ - 003. Описание прибора для измерения шума Актаком АТТ-9000 Прибор предназначен для измерения уровня звука частотой от 31,5 Гц до 8 кГц з диапазоне от 30 до130 дБ. Внешний вид прибора и органы управления приведены на рисунке 9. 1 - Электрический микрофон конденсаторного типа. 2 Дисплей. 3 - Выключатель питания прибора и выбора типа выходного сигнала. 4Переключатель шкал А и С. 5 - Переключатель временных режимов (быстрый/медленный) и режима удержания максимальных значений. - Переключатель диапазонов. 7 - Разъем выходного сигнала. 8 - Отсек батареи питания и крышка отсека. 9 - Индикатор выхода измеренного значения за пределы диапазона (выше и ниже). 10 - Регулятор для выполнения калибровки прибора (переменный резистор для точной регулировки). Порядок работы: 1) Для выполнения измерений уровня звука переключатель ползункового типа (4) установите в положение А или в положение С. При измерениях уровней звуков окружающей среды необходимо, как правило, выбирать шкалу А. 2) При помощи переключателя (6) подберите соответственный диапазон измерений таким образом, чтобы минимизировать допуски отсчетов. Если в левом углу дисплея на ЖКИ индицируется символ «А» или символ «V» (индикатор выхода за пределы диапазона (выше-ниже) (9), то это свидетельствует о том, что выбранные пределы диапазона в децибелах либо превышают измеренное значение, либо ниже его. Для проведения измерений переключатель ползункового типа необходимо переключить на другой диапазон. 3) В зависимости от источника звука, уровень которого измеряется, переключатель временного взвешивания (5) установите либо в положение «Fast» (Быстро), либо в положение «Slow» (Медленно). 4) Направьте микрофон на источник шума, при этом на дисплее высветится результат измерения в децибелах (дБ). 5) Если при измерениях уровня звука возникает необходимость запомнить максимальное (пиковое) значение на дисплее, переключатель (5) установите в положение «МАХ. HOLD* фиксации максимальных значений. 6) Прибор имеет разъем диаметром 3,5 мм (7) для подключения анализатора, регистратора уровней звука, ленточного регистратора, контроллера и т.п. В соответствии с тем, что Вам необходимо, переключатель (3) установите либо в положение АС (сигнал переменного тока), либо в положение DC (сигнал постоянного тока). ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1) Подключить стенд к электросети, тумблерами включить освещение внутри стенда. 2) Снять со стенда все средства звукоизоляции и звукопоглощения (звукопоглощающий кожух, звукоизолирующие перегородки, звукоизолирующий кожух). Установить микрофон из комплекта ВШВ - 003 на подставке в правой камере стенда. 3) Подключить к стенду генератор сигналов ГФ-1. Установить такую амплитуду синусоидального сигнала, при которой уровень звукового давления на частоте 250 Гц, измеренный шумомером ВШВ - 003, находился бы в пределах от 90 до 100 дБ. 4) С помощью шумомера ВШВ – 003 троекратно измерить уровень звукового давления LAi на частотах 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Результаты занести в табл.1 отчёта по лабораторной работе. 5) Установить звукоизолирующую перегородку и повторить троекратные измерения уровня звукового давления LЗИi на тех же частотах. Результаты измерений занести в табл.1. 6) После выполнения лабораторной работы отключить генератор и шумомер от сети. Выключить освещение помещений, отключить макет от электросети. 7) Рассчитать LAср и LЗИср по формуле (19) для каждой из среднегеометрических частот. Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта. 8) Рассчитать среднеквадратические величины звукового давления (PA и PЗИ) для измерений без звукоизоляционной перегородки и с ней по формуле (18). Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта. 9) Рассчитать эквивалентный уровень звука (LA и LЗИ) для измерений без звукоизоляционной перегородки и с ней по формуле (17). Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта. 10) Вычислить эффективность Э звукоизолирующей перегородки по формуле (20). 11) Построить гистограмму распределения эффективности звукоизоляции от среднегеометрической частоты шума. 12) Построить график полученного спектра и предельного. 13) Составить отчет о лабораторной работе, в котором провести сравнение результатов замеров уровней звукового давления с допустимыми значениями Lдоп по СН 2.2.4/2.1.8.56296 – Таблица 7. Предложить мероприятия по увеличению качества звукоизоляции. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1) Дайте определение понятиям «шум», «спектр шума». 2) Расскажите о классификации шумов по виду спектров (низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный). 3) Дайте определение понятиям «инфразвук», «тональный» и «широкополосный» шумы. 4) Дайте определение понятиям «интенсивность звука», «звуковое давление». Как взаимосвязаны данные величины? 5) Расскажите о физической сущности звукоизоляции. 6) Расскажите об основных характеристиках звукоизолирующих конструкций. 7) Объясните принцип нормирования шума методом предельных спектров и методом уровней звука. 8) Как определяется эффективность Э звукоизолирующей перегородки? 9) Расскажите про используемый в работе лабораторный стенд. 10) Как по вашему, какой из материалов будет обладать лучшими звукоизолирующими свойствами и почему: поролон, картон? Список литературных источников Хекл М., Мюллер Х.А.. Справочник по технической акустике: Пер. с нем.[Текст] : справочник для инженеров-акустиков, специалистов транспортного машиностроения, авиастроения, энергетического машиностроения, строительства и др. / М. Хекл, Х.А. Мюллер; под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера. – Л. : Судостроение, 1980. – 440 с. : ил. 329. СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки [Текст]. – Введ. 1996–31–10. – М. : Изд-во стандартов, 1996. – IV, 7 с.; 29 см. СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий [Текст]. – Введ. 1996–31–10. – М. : Изд-во стандартов, 1996., 9 с. : ил.; 29 см. ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения [Текст]. – Введ. 1981–01–01. – М. : Изд-во стандартов, 1981, 54 с.; 29 см. ГОСТ ИСО 8041-2006. Вибрация. Воздействие вибрации на человека. Средства измерений [Текст]. – Введ. 2008–01–07. – М. : ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2008, 81 с. : ил. ГОСТ 12.4.002-97. Система стандартов безопасности труда. Средства защиты рук от вибрации. Технические требования и методы испытаний [Текст]. – Введ. 1998–01–07. – М. : Изд-во стандартов, 2003, 12 с. : ил. Рецензируемый научно-технический журнал «Техническая акустика» [Электронный ресурс]: журнал содержит ранее не публикованные материалы по технической акустике.—Электрон. дан. —М., [2001].—Режим доступа: http://www.ejta.org/ru. — Загл. с экрана.