Основні поняття та фізичні параметри.

ЗАХИСТ ВІД ВИРОБНИЧОГО ШУМУ

Тіла в стані коливання викликають повздовжні коливання повітряного середовища, які у межах частот від 20 до 20 000 Гц сприймається людиною як звук.

В кожній точці звукового поля тиск та швидкість руху частинок повітря змінюється в часі. Частинки середовища коливаються відносно положення рівноваги, причому швидкість таких коливань (швидкість коливання) значно менша швидкості розповсюдження хвилі. Різниця між миттєвим значенням повного тиску в деякій точці та середнім тиском, який спостерігається у незбудженому середовищі називається звуковим тиском Р (н/м²).

На слух діє середній квадрат звукового тиску:

, [н/м²], (5.1)

де – час усереднення, який в середньому для людини складає 30-100 мс.

Сукупність звуків різної частоти та інтенсивності, що викликають неприємні суб’єктивні відчуття називають шумом.

Шум (звук) крім звукового тиску ще характеризується інтенсивністю або силою – кількість енергії, яка проходить в одиницю часу через одиничну площадку перпендикулярну до напрямку розповсюдження шуму. Інтенсивність звуку зв’язана із звуковим тиском залежністю

, , (5.2)

де – звуковий тиск, (н/м²); – питомий акустичний опір середовища, н·с/м³; – густина середовища, кг/м³; – швидкість розповсюдження звуку в середовищі, м/с (для повітряного середовища =414 н·с/м³; для води =1.5·10⁶ н·с/м³; для сталі =4.8·10⁷ н·с/м³). Крім того акустичний опір визначає звукоізолюючі властивості матеріалів.

Величини звукового тиску та інтенсивності шуму, з якими приходиться на практиці мати справу, змінюється в дуже широких межах: по тиску в 10⁸ раз, по інтенсивності до 10⁶ раз. Оперувати такими цифрами не дуже зручно. Але найбільш важлива та обставина, що вухо людини реагує на відносну зміну звукового тиску, а не на її абсолютне значення (відносно порогу чутності). Крім того, відчуття людини при шумі пропорційне логарифму кількості енергії подразника. Тому були введені логарифмічні величини відношення: рівень інтенсивності шуму та рівень звукового тиску, які вимірюються в децибелах. Вперше поняття рівня було введено вченим А. Г. Бел-лом: рівень інтенсивності в Беллах (Б), де порогова інтенсивність чутності. Але оскільки вухо людини реагує на величину в 10 раз меншу за 1 Б, то в якості одиниці вимірювання рівнів взята величина 1 дБ=0.1 Б. Тоді останній вираз запишеться

, [дБ]. (5.3)

Причому слід відзначити, що людина сприймає нормально звукові коливання в певних межах інтенсивності, але нормальність сприйняття залежить й від частоти коливань, так при =1000 Гц ці межі від =10^-12 Вт/м² – поріг сприйняття, до =10 Вт/м² – больовий поріг. Для других частот ці межі будуть іншими.

Отже рівень інтенсивності шуму визначається співвідношенням (5.3) де – інтенсивність шуму, яка рівна порогу чутності при =1000 Гц ( =10^-12 Вт/м²). Больовий поріг 130 дБ, 150 дБ вже не можливо витримати.

Величина рівня звукового тиску в дБ визначається виразом

, (5.4)

Тут пороговий тиск =2·10^-5 н/м² вибраний таким чином, щоб при нормальних атмосферних умовах рівень звукового тиску дорівнював рівню інтенсивності. Величина рівня інтенсивності використовується при проведенні акустичних розрахунків, а рівень звукового тиску – для вимірювання шуму та оцінки його дії на людину, оскільки орган слуху чутливий не до інтенсивності а до звукового тиску.

Зв’язок між рівнем інтенсивності шуму та рівнем звукового тиску знайдемо якщо розділити вираз для інтенсивності звуку на (порогову інтенсивність) та прологарифмувати: . Для нормальних умов , так як а , де – густина, – швидкість звуку в повітрі.

Рис. 5.1. Криві рівної гучності звуків

Зменшення шуму також може бути оцінене в децибелах:

, дБ. (5.5)

Приклад: якщо по інтенсивності зменшення шуму маємо в 1000 раз, то рівень інтенсивності зменшиться на 10 1000 = 30 дБ.

Так як фізіологічне сприйняття шуму залежить не лише від рівня його звукового тиску; але й від його частоти (найбільша чутливість при 800-4000 Гц, найменша при 20-100 Гц), то вводиться поняття рівня гучності шуму. Розглянемо графік кривих рівної гучності, тобто кривих однакового за силою фізіологічного сприйняття звуку, рис. 5.1.

Оцінка рівня гучності шуму різних джерелпроводиться шляхом порівняння з шумом на частоті 1000 Гц, для якого рівень звукового тиску умовно прийнято вважати рівним рівню гучності. Одиниця вимірювання гучності 1 фон. Рівень гучності деякого звуку в 1 фон рівний рівню звукового тиску звуку частотою 1000 Гц в 1 дБ при однаковій фізіологічній сприйнятливості гучності цих звуків. Тобто на частоті 1000 Гц рівень гучності дорівнює рівню звукового тиску.

У випадку коли в розрахункову точку потрапляє шум від кількох джерел, складаються їх інтенсивності, а не рівні. При цьому вважається, що джерела не когерентні, тобто створювані ними тиски мають різні фази.

. (5.6)

Рівень інтенсивності (дБ) при одночасній роботі цих джерел отримаємо розділивши як праву так і ліву частину цього рівняння на та прологарифмувавши:

, або , (5.7)

де – рівні звукового тиску, або рівні інтенсивності, які створюються кожним із джерел в розрахунковій точці. (Покажемо, що дійсно ).

Якщо є в наявності однакових джерел шуму з рівнем звукового тиску , то сумарний шум (дБ) з (5.7) буде:

Отже,

(5.8)

З виразів (5.7) та (5.8) можна зробити наступні практичні висновки:

· при великій кількості однакових джерел шуму заглушення лише кількох з них практично не послаблять сумарний шум;

· якщо на робоче місце потрапляє шум від різних за інтенсивністю джерел, то для найбільш ефективного послаблення сумарного шуму знижувати необхідно спочатку шум більш потужніших джерел.

В якості прикладу розв’яжемо дві задачі.

Задача 1. В машинному залі встановлено 3 генераторні установки з рівнем інтенсивності шуму в 60 дБ кожна. Визначити їх сумарний рівень шуму та рівень гучності шуму при частотах 100 та 10000 Гц.

При однаковій інтенсивності шуму джерел їх загальний рівень інтенсивності визначиться за формулою (5.8): , де – рівень інтенсивності шуму одного джерела, – число джерел. Тоді дБ, якби було 2 однакових джерела, то дБ.

Скориставшись кривими рівної гучності (див. рис. 5.1) при частоті 100 Гц для дБ опускаючись по відповідній кривій однакової гучності на частоту в 1000 Гц отримаємо рівень гучності 50 фон; аналогічно для 10 000 Гц та дБ рівень гучності складе 55 фон.

Задача 2. В приміщенні працює одночасно чотири вентиляційні установки з рівнями інтенсивності шуму 95, 100, 105 та 110 дБ відповідно. Визначити сумарний рівень інтенсивності шуму.

1-ий варіант розв’язку. При різних за рівнем інтенсивності джерелах шуму сумарний рівень можна визначити за виразом (5.7):

У нашому випадку: дБ.

2-ий варіант розв’язку. Можливе використання наступного методу, коли сумування проводиться попарно й послідовно з врахуванням поправки для кожного значення різниці та двох джерел, тобто , де – джерело з більшою інтенсивністю шуму, а взято з таблиці 5.1: