Белов С.В. (ред.) Безопасность жизнедеятельности

Подождите немного. Документ загружается.

где значение коэффициента влияния диффузного поля в точке R на

ограждающей поверхности равно Ф' = S(R)/B.

Таблица 11.24. Коэффициент поглощения а в производственных помещениях

Тип помещения

С реднегеометрическая частота f, Гц

125 250 500

1000

2000

4000

8000

Машинные залы, ис-

0,07 0,08 0,08

0,08 0,08 0,08

0,09

пытательные стенды

Механические и ме-

таллообрабатывающие

цехи; цехи агрегатной

0,10 0,10 0,10 0,11 0,12 0,12

0,12 0,12

сборки в авиа- и судо-

строительной промыш-

ленности

Цехи деревообработ- 0,11 0,11 0,12 0,13 0,14 0,14

0,14

ки, посты управления,

лаборатории, конструк-

торские бюро

Звукопоглощение. Для уменьшения отраженного звука применя-

ют защитные устройства, обладающие большими значениями коэф-

фициента поглощения, к ним относятся, например, пористые и резо-

нансные поглотители.

Звуковые волны, падающие на пористый материал, приводят воз-

дух в порах и скелет материала в колебательные движения, при кото-

рых возникает вязкое трение и переход звуковой энергии в теплоту.

Будем определять коэффициент отражения защитных устройств

по формуле (11.72), аналогичной защитному устройству бесконечной

толщины. Для защитного устройства бесконечной толщины коэффи-

циент передачи т равен нулю и, следовательно, а = 1 — р. Так как при

нормальном падении звуковых волн на поверхность защитного уст-

ройства энергетический и амплитудный коэффициенты отражения

связаны зависимостью р = i?

, то

Р = [(*„ -Z

)/(Z

+Z,)]

; А = 1 -р, (11.86)

где Z\ — импеданс воздуха. Входной импеданс определяется по фор-

муле (11.73). Для пористого поглотителя, находящегося на акустиче-

ски жесткой стенке, импеданс z

= °° и, следовательно,

= z

cihk*h .

Этому случаю соответствует частотная характеристика коэффи-

циента а, показанная на рис. 11.47, а. Для усиления звукопоглощения

на низких частотах между пористым слоем и стенкой делают воздуш-

411

- со со

б г

Рис. 11.47. Частотные характеристики коэффициента поглощения:

а — для пористого поглотителя на жесткой стенке; б — для пористого поглотителя с воздушной

прослойкой; в — при наличии перфорированного экрана; г — для резонансного поглотителя, об-

разованного перфорированным экраном

ную прослойку (см. рис. 11.47, б). Входной импеданс защитного уст-

ройства, расположенного на «мягком» основании (z

0), равен

вх

thLh.

Пористые поглотители изготовляют из органических и минераль-

ных волокон (древесной массы, кокса, шерсти), из стекловолокна, а

также из пенопласта с открытыми порами. Для защиты материала от

механических повреждений и высыпаний используют ткани, сетки,

пленки, а также перфорированные экраны. Последние существенно

изменяют характер поглощения звука защитным устройством (см.

рис. 11.47, в).

Резонансные поглотители имеют воздушную полость, соединен-

ную отверстием с окружающей средой. Воздух в резонаторе выполня-

ет роль механической колебательной системы, состоящей из элемен-

тов массы, упругости и демпфирования. Если пренебречь рассеива-

нием звуковой энергии, то импеданс резонатора г

равный механиче-

скому импедансу (см. формулу (11.48)), отнесенному к единице

площади, будет равен нулю на частоте со = со

<JG / М . При импе-

дансе резонатора Zi

0 коэффициент отражения звукового давления

412

R = — 1. Таким образом, снижение шума происходит за счет взаимно-

го погашения падающих и отраженных волн.

Резонансным поглотителем является также перфорированный

экран с отверстиями, затянутыми тканью или мелкой сеткой (см. рис.

11.47, г), который существенно меняет характер поглощения. Порис-

тые и резонансные поглотители крепят к стенкам изолированных

объемов.

Кроме того, звукопоглощение может производиться путем внесе-

ния в изолированные объемы штучных звукопоглотителей, изготов-

ленных, например, в виде куба, которые в производственных поме-

щениях чаще всего подвешивают к потолку.

К хорошим звукопоглощающим материалам относят те, которые

на среднегеометрических частотах октавных полос 250, 500, 1000,

2000 Гц имеют коэффициент а, равный или превышающий соответ-

ственно значения: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.

Обозначив параметры после установки поглощающих материа-

лов значком

над буквой, запишем новое значение интенсивности

звука в виде

(Ф+ФГ (11.87)

Так как постоянная изолированного объема В > В, то в произ-

вольной точке г изолированношобъема коэффициент Ф' < Ф' и новое

значение интенсивности звука /

будет меньше значения /

. Разде-

лив соответственно левые и правые части друг на друга, найдем

ф+Ф'

(11.88)

_Ф+Ф'_

Следовательно, эффективность звукопоглощения

(11.89)

= £

-£

=101g

Ф+Ф'

Так как при коэффициенте а -> 1 коэффициент Ф' 0, то макси-

мальная эффективность, которую можно достичь звукопоглощени-

ем, равна

^ах=101

(1+Ф'/Ф). (11.90)

В это выражение не входит ни один показатель изолированного

объема, который характеризовал бы его новые звукопоглощающие

свойства. Максимальная эффективность определяется значением па-

раметров изолированного объема до его акустической обработки.

413

Из принципа непрерывности звукового давления следует, что ин-

тенсивность не может претерпевать разрывов и, следовательно, ко-

эффициент Ф' должен изменяться монотонно на отрезке 0 < г < R или

О < г/R < 1, где R — расстояние от источника до произвольной точки

на ограждающей поверхности, т. е. Ф' = Ф'(r/R).

В точке г = R на ограждающей поверхности Ф'(1) = S(R)/B. Учи-

тывая соотношение (11.83), можно из точки (1, Ф' (1)) провести пара-

болу, сопряженную с параболой Ф'(r/R) = 4(г/7?)

Ф'(1), и представить

коэффициент влияния диффузного поля выражением

ф(г/к)=

Ыг/Р)

Ф'(1),если0<г/Р<0,25 (11.91)

\[\-Mr/R-\)

/ 3]Ф'(1), если 0,25 <r/R< 1.

Рассмотрим пример. Для простоты допустим, что изолированный

объем имеет форму сферы, источник расположен в центре сферы:

Ф = 1, коэффициент звукопоглощения до проведения акустической

обработки равен а = 0,07.

Используя соотношение (11.81), находим, что на поверхности, ог-

раждающей изолированный объем, Ф'(1) = S(R)/B = (1 — а)/а. Фор-

мула (11.90) показывает, что при заданном значении а = 0,07 приме-

нением звукопоглощающих материалов можно добиться максималь-

но возможного снижения уровня интенсивности звука на е

тах

= 101gl/a* 11,55 дБ.

Реальное значение эффективности звукопоглощения будет мень-

ше 11,55 дБ. Например, при a =0,9 по формуле (11.89) находим

е = 11,09 дБ. Если формулу (11.89) представить в виде двух слагаемых:

е = 10 lg В/В + 101g[(l + Ф/Ф')/0 + Ф/Ф')], то получим в =

= 20,78 — 9,69 = 11,09 дБ, т. е. величиной второго слагаемого пренеб-

регать нельзя.

Используя выражение (11.91), найдем, что в точках r/R = 0,1; 0,2;

0,4; 0,6; 0,8 значения е

тах

соответственно равны 1,85; 4,95; 8,98; 10,59;

11,32, и при a = 0,9 реальные значения е будут отличаться незначи-

тельно: 1,83; 4,88; 8,74; 10,24; 10,91.

Звукоизоляция. Звукоизоляция — уменьшение уровня шума с по-

мощью защитного устройства, которое устанавливается между источ-

ником и приемником и имеет большую отражающую и (или) погло-

щающую способность. Обычно роль защитных устройств выполняют

глушители шума, экраны или стенки изолированных объемов. На-

пример, защитным устройством является кожух, которым закрывают

машины и механизмы, или кабина, в которой находится оператор,

управляющий рабочим процессом. Стенки кожухов и кабин изготов-

414

ляют из листового проката и покрывают изнутри звукопоглощающим

материалом.

Эффективность

звукоизоляции с помощью стенки тол-

щиной h можно определить по формуле (11.76). Если пренебречь за-

туханием звука в материале, т. е. положить в формуле (11.76) коэффи-

циент распространения к*, равным jk

, где к

= со/с

— волновое чис-

ло, то эффективность

в = 101g[cos

/* + 0,25(^i + zi/z

)

hl (11.92)

где Z\

Р\С

— импеданс воздуха; z

— р

— импеданс материала за-

щитного устройства.

Из выражения (11.92) следует, что эффективность звукоизоляции

равна нулю при толщине стенки h = пк

/1, т. е. кратной половине

длины волны (п = 0, 1,2, ...), а максимальная эффективность будет

иметь место, если толщина стенки h = (2п + 1)А,

/4.

Так как для защитного устройства, находящегося в воздухе, всегда

выполняется неравенство pi с <<р

, то для тонкой стенки

«X

/2n) из выражения (11.92) находим

е= 101g[l + (mco/2piCi)

], (11.93)

где т = p

h — поверхностная плотность (масса защитного устройст-

ва, отнесенная к единице площади).

При достаточно больших частотах единицей в правой части фор-

мулы (11.93) можно пренебречь:

е = 20 lg = 20 lg (mf) -const.

(11

94)

Как видно из формулы (11.94), единственным свойством защит-

ного устройства, определяющим эффективность звукоизоляции при

принятых допущениях, является поверхностная плотность т. Эф-

фективность звукоизоляции растет с увеличением плотности т и час-

тоты / Константу, входящую в выражение (11.94), определяют, осред-

няя коэффициент передачи т по углам падения. Если т и/выражены

соответственно в кг/м

и Гц, то константа равна 47,5 дБ.

Найдем требуемую эффективность звукоизоляции. По определе-

нию

в = lOlgl/x = lOlgJKVW~ = Z

- L

~ (11.95)

Перепишем это выражение в виде

JV~=JV

10-°>

\ (11.96)

415

где И

/Г+

, W ~ — соответственно падающий на поверхность площадью

и прошедший через эту поверхность поток энергии. Если эффек-

тивность звукоизоляции рассчитывается по формуле (11.94), то

10~°'

1е

= (2р

/тсо)

. Плотность потока энергии, падающего на ограж-

дающие стенки и другие поверхности, находящиеся в изолированном

объеме, в точке R рассматриваемой поверхности равна

= /+/

= /

Ф + /

, (11.97)

где /

= W/Anf? — интенсивность источника ненаправленного дей-

ствия.

Определим сначала вклад прямого звука в поток W*. Пусть под

малым телесным углом dQ! из точки О, в которой расположен источ-

ник, видны элемент сферической поверхности площадью dS

и эле-

мент несферической поверхности площадью dS

, которые ввиду их

малости можно считать плоскими с углом между ними, равным (N,

R), где N-нормаль к площадке dS

(рис. 11.48). На элементарные пло-

щадки dS

и dS

падает одинаковый поток энергии, равный

d$o

= 7hCOS(N,

R)dS

При характеристике направленности излуче-

ния D = 1 вклад прямого звука составит

fo/

cos(N,R)^=^ = (Н.98)

4я / R

4п а

где Q' — телесный угол, под которым из точки О видна поверхность

площадью S

, на которую падает прямой звук; Q — телесный угол, в

который источник мощностью W излучает звук.

Определим теперь вклад отраженного звука. Согласно определе-

нию диффузного поля, плотность потока энергии /

одинакова во

всех направлениях. Поэтому вклад отраженного звука в поток W

со-

ставит

jl^dS

= WS

/B. (11.99)

416

Таким образом, при мощности источника излучения Wсуммар-

ный поток энергии, падающий на поверхность площадью S

, находя-

щуюся в изолированном объеме, равен

W* = ЩП'/П + S

/B). (11.100)

Выражение (11.96) позволяет определить прошедший через эле-

мент поверхности поток энергии и его уровень:

W~ = ЩП'/П + S

/B)l0~°'

; (11.101)

~ =L

+ 10 lg(Q'/Q + S

/B) - e. (11.102)

Если шум излучается через элемент поверхности, который может

рассматриваться как новый точечный источник мощностью W~> то,

подставив значение в формулу (11.57) вместо W, находят уровень

интенсивности источника ненаправленного действия 7/

, что позво-

ляет использовать все ранее полученные соотношения. Требуемую

эффективность звукоизоляции определяют из условия (11.78).

Допустим, что шум излучается из изолированного объема в сво-

бодное пространство, например на территорию жилой застройки.

Считая, что элемент поверхности площадью S

является новым ис-

точником шума с коэффициентом направленности Ф, из соотноше-

ний (11.67) и (11.102) находим, что в точке гжилой застройки уровень

интенсивности

+ 10 lg(Q'/Q + S

/B) + 10 lg® + (11.103)

+ 10 \gS

/4nr - е-е

где эффективность звукоизоляции е может быть вычислена по фор-

муле (11.94). Если ставится задача определить для точки г требуемую

эффективность звукоизоляции, то из неравенства (11.78) и соотно-

шения (11.103) находят ее значение

e>L

- L

+ 10 lg(Q'/Q + S

/B) + 10 lg® + (11.104)

+ 10 \gSJ4nf- £5

Допустим теперь, что шум излучается из одного изолированного

объема в другой через элемент поверхности площадью S

. Будем обо-

значать параметры, относящиеся к изолированному объему, в кото-

ром расположен источник шума мощностью W, индексом 7, а пара-

метры, относящиеся к изолированному объему, где расположен при-

емник,— индексом 2.

Для точечного источника шума, находящегося в изолированном

объеме 7, образованном стенками кожуха (рис. 11.49, а) и излучаемо-

го шум в изолированный объем 2 (например, помещение), имеем

14-Белов

417

Q = Q' = 4я и S

= S. По формуле (11.101) определяем прошедший

через поверхность S

поток энергии: W~ = W\QT

0,le

/a\. Рассматривая

эту поверхность в качестве источника шума, находим, что интенсив-

ность звука в точке г помещения 2 равна

Переход к уровням с учетом неравенства (11.78) позволяет запи-

сать

= L

- 10 lgoii + 10 lg(<P

+ Ф'

) + 10 lgS

(r) - e < L

На рис. 11.49, б показано помещение 7, из которого в помещение 2

может проникать шум, при этом через элемент поверхности площа-

дью S

поступает поток энергии, который определяется формулой

(11.101). Рассматривая эту поверхность как источник шума в помеще-

нии 2 и используя формулы (11.101) и (11.102), находим требуемое ус-

ловие для уровня интенсивности звука:

= L

+ 10 lg(Q'/Q + S

{

) +

+ 10 1

(Ф

+ Ф'

) + 10 lgS

(r) - e < 1

доп

где при данном расположении источника Q = 2я, Q' — телесный

угол, под которым из акустического центра источника шума виден

элемент площадью S

На рис. 11.49, в показана кабина, защищающая оператора от

шума, создаваемого источником в помещении I. Будем считать, что

для точек г кабины, удаленных от ограждающей поверхности, вклад

прямого и отраженного звука приблизительно один и тот же.

Тогда Ф

= Ф

= 4S

(r)/B

. Следовательно,

= W + Ю lg(Q'/Q + S

{

) + 10 lg8S

- e < 1

доп

где S

и Q' — соответственно площадь поверхности кабины, через

которую может проникать отраженный звук и телесный угол, под ко-

торым видна поверхность кабины, на которую падает прямой звук от

источника.

При установке экрана между источником и приемником (рис.

11.50) за экраном образуется звуковая тень. Уровень шума в теневой

зоне от точечного источника может быть рассчитан на основе законов

дифракции. Эффективность звукоизоляции при защите экраном

е = 20 lg(V2^V7th y/2nN) + 5,

418

| D 1

V 1

\ 1

' ! 1

j hW

' 1

S+

г>г*

уВ

/ \

Рис. 11.49. Схемы снижения шума:

а — изолирующим кожухом; б — звукоизо-

лирующей перегородкой; в — с помощью

звукоизолирующей кабины

где N— число Френеля; N= ±2(а + b - d)/X (формула применима

при условии N> - 0,2). Кроме того, формулу не рекомендуется при-

менять при малых теневых углах 0. Если не выполняется указанное

неравенство, то е = 0. Расстояние (а + Ь) складывается из расстояния

а от источника до верхней кромки экрана и расстояния от верхней

кромки экрана до приемника. Число Доберется со знаком минус, если

экран расположен ниже визирной линии (расстояние по визирной

линии между источником и приемником равно d). Экраны, установ-

ленные в производственных помещениях, обычно покрывают с од-

ной или двух сторон поглощающим материалом.

Кожухи и кабины, рассмотренные выше, имеют технологические

отверстия (например, отверстия или проходы для воздуха в целях вен-

тиляции), через которые может проникнуть

шум. Во время рабочего цикла ряда установок

(компрессоров, двигателей внутреннего сгора-

ния, турбин и др.) через специальные отверстия

происходит истечение отработавших газов в ат-

мосферу и (или) всасывание воздуха из атмосфе-

ры, при этом генерируется сильный шум. В этих

случаях для снижения шума используют глуши-

тели.

Система глушения шума включает источник

шума, обладающий некоторым внутренним им-

шшшшш

Рис. 11.50. Схема

снижения шума экра-

ном

14*

419

мтщтщ

i W+dW

ЦТ

шшшшшш

Рис. 11.51. Применение в глушителе поглощающих материалов:

а — схема активного элемента глушителя; б — схема снижения шума при повороте трубо-

провода, покрытого изнутри звукопоглощающим материалом

педансом источник соединен с помощью трубопровода длиной 1

глушителем шума, а трубопроводом длиной /

— с приемником шума,

который характеризуется импедансом излучения z

- Эффективность

глушения определяют по формуле (11.95), полагая, что W* — усред-

ненная во времени звуковая мощность на входе в глушитель, а

W~ — на выходе. Конструктивно глушители состоят из активных и

реактивных шумоглушащих элементов. Простейшим активным эле-

ментом является любой канал, стенки которого покрыты изнутри

звукопоглощающим материалом.

Если звуковая мощность в сечении площадью S(рис. 11.51, а) рав-

на Ж, то плотность потока энергии, падающего на поверхность стен-

ки канала, по формуле (11.69) равна /

= W/4S. Таким образом, на по-

верхности канала площадью Pdl (где Р — периметр) поглощается зву-

ковая мощность dJV=

—

а/

Рс1/и эффективность активного элемента

Трубопроводы всегда имеют повороты, которые будут снижать

шум, если их покрыть звукопоглощающим материалом. Как видно из

рис. 11.51, б, на участке АВ существуют преимущественно волны, на-

правленные вдоль оси канала (другие волны будут поглощаться). Из-

гиб канала будет поглощать или отражать осевые волны назад к ис-

точнику. Таким образом, после изгиба останутся преимущественно

дифрагированные волны, которые в значительной мере подавляются

на участке CD, так что в конце этого участка останутся ослабленные

волны в направлении оси канала.

Реактивный камерный элемент (рис. 11.52) представляет собо#

участок канала (трубы), на котором внезапно меняется площадь сече-

420

1,09а PI/S.