Основні поняття

Лекція 6. Основні поняття, що характеризують шум та вібрації. Вплив шуму та вібрацій на організм людини. Принципи нормування. Методи і засоби захисту від шумів та вібрацій.

Тема 2.4. Захист від шуму та вібрації

Застосовувані у виробничих умовах машини, апарати, прилади, є, як правило, динамічно неврівноваженими системами, внаслідок чого під час їх роботи виникають механічні та акустичні коливання. Коливання виникають також під час роботи вентиляційних систем (зумовлені турбулентністю повітряних потоків), перетворювачів електричного струму (дія змінного електромагнітного поля), та ін.

Механічні коливання твердого тіла називаються вібрацією.

Акустичні коливання (хвильовий рух пружного середовища) називаються звуком.

Шумом називається безладне сполучення звуків різної сили та частоти або шум – це всілякі звуки, що заважають сприйняттю корисних звуків, чи порушують тишу, а також звуки, що шкідливо чи подразнююче діють на організм людини.

Коливання характеризуються частотою, амплітудою, швидкістю, потужністю, інтенсивністю (силою) і т.і.

Для характеристики звуку використовуються поняття: звуковий тиск, звукова потужність, інтенсивність (сила) звуку та їх рівні, спектральний склад, гучність.

Звуковий тиск (р) визначається як різниця між миттєвим значенням повного тиску та середнім тиском, що спостерігається у середовищі за відсутності звукового поля. Звуковий тиск вимірюється у Па (Н/м²) та характеризує амплітуду звуку.

Звукова енергія (W) визначається як кількість енергії, що випромінюється джерелом звуку в оточуючий простір. Одиниця виміру звукової енергії – джоуль (Дж).

Густина (щільність) звукової енергії w = dW / dV, одиниця виміру Дж/м³.

Звукова потужність (потік звукової енергії) Р = dW / dt, одиниця виміру Вт.

Інтенсивність звуку (густина потоку звукової енергії) J = dP / dS, одиниця виміру Вт/м².

Швидкість розповсюдження звуку звичайно однакова для всіх складових звуку. Швидкість звуку в повітрі за температури 0^о С та атмосферному тиску 101 325 Па (1 атм) дорівнює 331 м/с.

Коливальна швидкість характеризується амплітудою швидкості, з якою рухаються по відношенню до середовища в цілому нескінченно малі частки середовища, що коливаються відносно положення рівноваги при проходженні звукової хвилі. Коливальна швидкість дорівнює добутку амплітуди коливань часток середовища на кутову частоту коливань

υ = А · ω

Коливальна швидкість в багато разів менша за швидкість розповсюдження звуку, змінюється у поперечному перерізі звукового каналу та різна для кожної із спектральних складових звуку. Має розмірність швидкості, одиниця виміру м/с.

Інтенсивність звуку та звуковий тиск пов’язані такою залежністю:

,

де J – інтенсивність звуку;

р – звуковий тиск;

- густина середовища;

с – швидкість розповсюдження звукової хвилі.

= Z _a – питомий акустичний опір.

Питомий акустичний опір характеризує ступінь відбиття звукових хвиль від поверхонь, а також звукоізолюючі властивості матеріалів.

Механічні коливання (вібрації) характеризуються поняттями: період вібрації, частота, вібропереміщення, віброшвидкість, віброприскорення.

Період вібрації (T) - найменший інтервал часу, через який під час періодичної вібрації повторюється кожне значення величини, яка характеризує вібрацію. Одиниця виміру – с.

Частота (f) - величина, обернена до періоду, одиниця – Гц.

Вібропереміщення (s)– миттєве значення кожної з координат, які описують положення тіла чи матеріальної точки під час вібрації, м.

Амплітуда вібропереміщення (А) – максимальне значення вібропереміщення, м.

Віброшвидкість (V) – кінематичний параметр, що дорівнює швидкості переміщення (перша похідна вібропереміщення) точки, яка коливається з певною частотою; одиниця виміру м/с.

Віброприскорення (α) – кінематичний параметр, що дорівнює прискоренню переміщення (друга похідна вібропереміщення) точки, яка коливається з певною частотою; одиниця виміру м/с².

Перелічені вище основні поняття, що характеризують коливальні процеси у різних середовищах, є фізичними, об’єктивними характеристиками коливань.

Оскільки людина сприймає коливання у навколишньому середовищі за допомогою своїх органів чуттів, це сприйняття суб’єктивне й залежить не тільки від фізичних характеристик коливань, а ще й від чутливості відповідних органів чуттів.

Так наприклад, органи слуху людини здатні відчувати дію звукових хвиль у діапазоні частот від 16 до 20 000 Гц як звук, при чому найбільша чутливість має місце на середніх частотах; на низьких та високих частотах чутливість зменшена.

Мінімальний звуковий тиск р_о та інтенсивність J_о, що сприймаються людиною як звук, називаються поріг чутності, на частоті 1000 Гц дорівнюють р_о = 2·10 ^-5 Н/м², J_о= 10 ^-12 Вт/м².

Максимальний звуковий тиск р_max та інтенсивність J_max, що починають сприйматися людиною як відчуття болю, називаються поріг відчуття болю й на частоті 1000 Гц дорівнюють р_max = 2 ·10 ² Н/м², J_max = 10 ² Вт/м².

Таким чином, діапазон сприйняття звуку людиною за звуковим тиском становить 10⁷, а за інтенсивністю 10¹⁴. Здатність людини сприймати звук у такому широкому діапазоні пояснюється законом Вебера – Фехнера, відповідно до якого відчуття пропорційне логарифму подразнення. Цей закон дає змогу для оцінки коливань використовувати логарифмічні величини – рівні звукового тиску, рівні інтенсивності звуку, рівні віброшвидкості, рівні віброприскорення. Рівні прийнято вимірювати в децибелах (дБ).

Рівень звукового тиску визначається за формулою: , дБ

Рівень інтенсивності звуку визначається за формулою: , дБ

Однак рівні інтенсивностей звуку в дБ ще не дозволяють судити про фізіологічне відчуття гучності цього звуку , тому в акустиці користуються також поняттям рівнів гучності; одиницею виміру рівнів гучності є „фон”.

Фон являє собою рівень гучності, для якого рівень звукового тиску рівногучного з ним звуку стандартного чистого тону (з частотою 1000 Гц) дорівнює 1 дБ. Для звуку стандартного тону рівень гучності у фонах співпадає з рівнем звукового тиску у децибелах.

Рівень віброшвидкості визначається за формулою:

, дБ,

де V – середньоквадратичне значення віброшвидкості, м/с;

V₀ – опорне значення віброшвидкості, що дорівнює 5·10^-8 м/с (для локальної та загальної вібрації).

Рівні віброприскорення визначаються за формулою:

, дБ,

де – середньоквадратичне значення віброприскорення, м/с²;

₀ – опорне значення віброприскорення, що дорівнює 3·10^-4 м/с² (для локальної та загальної вібрації).

Опорне значення амплітуди вібропереміщення А₀ = 8·10^{-12 м.}