На практике для измерения параметров микроклимата используют измеритель влажности и температуры «ТКА-ТВ». Конструктивно прибор состоит из двух функциональных блоков: зонда с датчиками температуры и влажности и измерительного блока-преобразователя, связанных между собой многожильным кабелем. Измерительный блок-преобразователь обеспечивает индикацию результатов измерений на трехразрядном жидкокристаллическом индикаторе, расположенном на его лицевой панели. Жидкокристаллический индикатор является отсчетным устройством прибора.

Датчиком температуры является полупроводниковый диод, питаемый постоянным током. Датчиком влажности является специальный сенсор, параметры которого зависят от значения относительной влажности окружающего воздуха. Электрические сигналы с датчиков температуры и влажности, пропорциональные величине измеряемых параметров, поступают через многожильный кабель связи на вход измерительного блока-преобразователя.

Принцип работы основан на преобразовании параметров сенсора влажности и напряжения датчика температуры в числовые значения измеряемых параметров, с отображением результатов измерений на индикаторе.

Измерение скорости движения воздуха производится традиционно крыльчатыми анемометрами. Малые величины скорости движения воздуха (менее 0, 3 м/с), особенно при наличии разнонаправленных потоков, измеряют электроанемометрами, а также цилиндрическими и шаровыми кататермометрами.

Термоанемометр ТА-059 «Алмаз» предназначен для измерения скорости движения воздуха и температуры.

Тепловое облучение, температуру поверхностей оборудования или его ограждающих устройств следует измерять приборами типа актинометров, болометров, электротермометров.

3. ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ

3.1 Характеристики аэрозольных систем и их параметры

В воздухе рабочей зоны всегда присутствуют взвешенные частицы естественного и антропогенного происхождения.

Аэрозолями или аэродисперсными системами называются системы, состоящие из газообразной среды и взвешенных в ней частиц конденсированной дисперсной фазы (твердой, жидкой или многофазной). Особенностью аэрозольного состояния является чрезвычайно высокая удельная поверхность единицы массы вещества, что обусловливает высокую активность его взаимодействия с организмом.

Различают следующие виды аэрозолей:

пыль - дисперсная система из твердых частиц размером более 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии;

туман - дисперсная система из жидких частиц размером более 10 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии;

дым - дисперсная система из твердых частиц размером менее 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии.

Для определения степени воздействия на организм человека веществ, находящихся в аэрозольном состоянии, вводятся следующие основные параметры:

- дисперсный состав,

- концентрация аэрозоля,

- форма и строение частиц

- дополнительный параметр, в некоторых случаях приобретающий качества доминирующего - химический состав.

Дисперсный состав аэрозольных частиц описывается функцией распределения частиц по величине в определенном диапазоне размеров. Обычно за размер частицы принимается ее диаметр. Пыль с частицами размером от 1 до 10 мкм называется мелкодисперсной, с частицами размером от 10 до 50 мкм - среднедисперсной, с частицами размером более 50 мкм - крупнодисперсной.

Концентрация - мера количества вещества в единице массы или объема среды (твердой, жидкой или газообразной).

Форма частиц пыли может быть самой разнообразной: от простейших сплошных сфер, эллипсоида и кристаллов до сложнейших неправильных многосвязных образований.

3.2 Единицы измерения концентраций

В качестве единиц измерения концентраций используют следующие.

1. Объемные проценты показывают, сколько процентов общего объема смеси занимает данное вещество. Например, содержание кислорода в чистом воздухе составляет 20, 98 %.

2. Млн^-1 (ррm) и млрд^-1 (ррb) - показывают количество объемов данной примеси в 1 млн (млрд) объемов газовой смеси.

3. Мг/м³, мкг/м³ - массовые концентрации, определяют массу примеси в единице объема газовой смеси.

4. Мол/см³ и мол/м³ - счетные концентрации, показывают число молекул в 1 см³ или 1 м³. Эти единицы могут также обозначаться следующим образом: см^-3 и м^-3.

5. Мольная концентрация измеряется в моль/л. Используется для жидких сред.

Для установления связи между единицами измерения концентрации приведем следующую задачу.

Задача

В 80-х годах 20-го века среднегодовая концентрация углекислого газа (СО₂) в атмосфере, приведенная к температуре 273 К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 ррm. Определить значение концентрации СО₂ в процентах, в см^-3, в моль/л, в мг/м³ и парциальное давление углекислого газа в Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли.

Решение

Концентрация СО₂ в процентах

С"' = С"?10^-4,

где С" - концентрация в ррm.

С"' = 340 • 10^-4 = 0,034 % (об).

При нормальных условиях (н.у.) (t = 0 єC; р = 101,3 кПа) в каждом см³ газа содержится

N₀ = Na/Vм = 6,02• 10²³/22,4 • 10³ = 2,69 • 10¹⁹ (cм^-3).

Число получается при делении числа Авогадро на объем, занимаемый одним молем газа, выраженный в см³.

Поскольку мольный объем газа меняется в зависимости от температуры и давления, при температуре Т и атмосферном давлении число молекул в кубическом сантиметре любого газа составит

N_Т = N₀

где N_Т и N₀ - число молекул в одном сантиметре кубическом данного газа при заданных и н. у соответственно; T₀, р₀, T, р -температура и давление при н.у. и заданных условиях.

Средняя температура вблизи поверхности Земли равна 15 єС = 288 К. Тогда

N₁₅ =

Количество молекул углекислого газа в одном сантиметре кубическом воздуха при условии, что воздух и углекислый газ ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его объемную долю:

где С^* - концентрация СО₂ в ррm.

Определим парциальное давление СО2 в воздухе. Значения объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой воздух, при определении парциального давления в реальных условиях следует учитывать парциальное давление паров воды, которые присутствуют в атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться уравнением

р = (р_возд.- р_воды) • С'''/100,

где р - парциальное давление примеси, кПа; р_возд - атмосферное давление, кПа; р_воды - давление паров воды, кПа; С''' - концентрация примеси в %; 100 - коэфициент перевода % (об.) в доли.

Поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном давлении паров воды в воздухе, проведем упрощенный расчет:

р = (р_возд•С''')/100;

р = (101,3•3,4•10^-2)/100 = 35 (Па).

Количество молей СО2 в 1 л воздуха

= n/V = m/мV = р/RT,

= 35/8,31•288•10³ =1,46•10^-5 моль/л.

Концентрация углекислого газа в мг/м³

где м = 0,044 кг/м³ - молярная масса углекислого газа.

3.3 Методы и приборы измерения характеристик запыленности воздуха рабочей зоны

Методы измерения параметров пыли можно разделить на две основные группы: методы, основанные на предварительном осаждении, и методы без предварительного осаждения.

Основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой концентрации. К недостаткам следует отнести цикличность измерения, высокую трудоемкость, низкую чувствительность.

В качестве базового для определения массовой концентрации частиц принят метод прокачивания аэрозоля через фильтр с помощью отсасывающего компрессора.

Приборы без предварительного осаждения частиц применяют в основном оптические и электрические методы измерения параметров аэрозоля. Оптические методы основаны на использовании свойств рассеянного и поглощенного в аэрозольной среде оптического излучения.

Электрические методы можно подразделить на индукционный, контактно-электрический, емкостный и пьезоэлектрический.

В основу индукционного метода положено определение наведенного на электроде камеры заряда, возникающего при движении через камеру заряженных частиц.

Контактно-электрический метод основан на способности аэрозоля электризоваться при соприкосновении с твердым телом.

Емкостный метод основан на изменении емкости конденсатора при введении частиц аэрозоля между его пластинами.

Пьезоэлектрический метод основан на возникновении электрических импульсов на электродах пьезокристалла при соударении частиц аэрозоля с кристаллом, причем амплитуда электрических импульсов будет зависеть от массы частицы, ее размеров и скорости соударения с пьезокристаллом.

Перечисленными методами не ограничивается возможность измерения параметров аэрозолей - в настоящее время их насчитывается более 50.

Аспиратор для отбора проб воздуха (модель 822) предназначен для отбора проб воздуха с цель анализа содержащихся в нем примесей. Отбор проб производится при просасывании воздуха через специальные фильтры с определенной скоростью. Зная скорость прохождения воздуха и время его прохождения, определяют объем воздуха, прошедшего через фильтр. Определив количество примесей в фильтрах, можно определить количество примесей в единице объема воздуха.

Измеритель массовой концентрации аэрозольных частиц «Аэрокон» предназначен для непрерывного измерения мгновенных значений массовой концентрации аэрозольных частиц различного происхождения и химического состава в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны, а также сигнализации при превышении заданных порогов после градуировки по месту эксплуатации сравнительным методом.

4. АЭРОИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА

Фактор ионизации воздуха является важным критерием его качества. Повышенная или пониженная ионизация воздуха относится к группе физических факторов.

Ионизация воздуха - процесс превращения нейтральных атомов и молекул воздушной среды в ионы - электрически заряженные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд.

Характеристиками ионов являются подвижность и заряд.

Подвижность иона - это отношение средней скорости его дрейфа в направлении электрического поля к напряженности последнего. Подвижность обычно измеряется в см²с^-1В^-1. По подвижности ионы в воздухе условно делят на два диапазона:

- легкие, у которых носителями являются атомы, молекулы и комплексы молекул;

- средние, тяжелые и ультратяжелые, у которых носителями являются высокодисперсные аэрозольные частицы, в том числе и микроорганизмы.

Граница подвижностей, отделяющая диапазон легких ионов, составляет (0,5±0,3) см²/(с?В).

Наряду с возникновением происходит непрерывное исчезновение аэроионов - их деионизация. Факторами, определяющими деионизацию, являются:

- рекомбинация легких ионов;

- взаимодействие их с аэрозольными частицами и с различными предметами;

- осаждение и рекомбинация на различных фильтрах и в системах очистки воздуха.

В зависимости от соотношения скоростей процессов ионизации и деионоизации устанавливается определенное состояние ионизированности воздушной среды. Основной величиной, характеризующей ионизированность воздуха, является полярная объемная плотность электрического заряда (ПОПЭЗ), равная количеству электрического заряда ионов положительной или отрицательной полярности в единице объема воздуха. ПОПЭЗ в системе СИ выражается в Кл/м³. На практике удобнее использовать дольную единицу 1 пКл/м³.

К нормируемым параметрам ионизированности воздуха относят концентрация (n) легких ионов в воздухе и показатель полярности П:

П = (4.1)

где n⁺ - концентрация положительных легких ионов; n^- - концентрация отрицательных легких ионов. Показатель полярности может изменяться от -1 до +1. Часто удобнее вместо показателя полярности применять коэффициент униполярности, равный отношению концентраций положительных и отрицательных легких ионов.

Основным методом измерения ПОПЭЗ аэроионов является аспирационный метод. На этом методе основана работа практически всех аэроионометрических приборов - счетчиков, спектрометров, анализаторов аэроионов и измерителей электропроводности воздуха.

Парк приборов, используемых для измерения концентрации аэроионов, представлен двумя группами приборов:

- универсальные счетчики аэроионов, позволяющие проводить измерения в широком диапазоне электрических подвижностей ионов и представляющие собой сложные лабораторные приборы в стационарном исполнении, например, UT-7003, UT-8401, АСИ-1;

- переносные или портативные счетчики легких ионов, например, АСИ-2, АИ-1, Сапфир-3К, МАС-01.

5. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА

5.1 Волновые процессы. Продольные и поперечные волны

Колебания, возбужденные в какой-либо точки среды (твердой, жидкой, газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. При изучении распространения колебаний среда рассматривается как сплошная и обладающая упругими свойствами.

Процесс распространения колебаний в сплошной среде, периодический во времени и пространстве, называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн независимо от их природы является перенос энергии без переноса вещества.

Среди волн выделяют следующие типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромеханические.

Упругими (механическими) волнами называется механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных частицы среды колеблются в направлении распространения волны, в поперечных - перпендикулярно направлению распространения волны.

В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах - как продольные, так и поперечные.

5.2 Характеристики звуковых волн

Звуковыми (акустическими) называют распространяющиеся в среде упругие волны с частотами 16 - 20 000 Гц. Колебания с частотами н<16 Гц называют инфразвуковыми, н >20 кГц - ультразвуковыми.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем.

В звуковом поле периодически колеблются частицы среды, периодически меняются их скорости и силы давления (в жидкости или газе) или нормальные и касательные напряжения (в твердых телах).

Звуковое давление - разность между мгновенным значением давления и средним давлением за определенный промежуток времени (рис. 5.1).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5.1. Звуковое давление

Человек воспринимает не мгновенное значение давления, а его среднеквадратичное:

(5.1)

где Т_ус - время усреднения.

Интенсивность звука может характеризоваться амплитудой колебаний скоростью, давлением, напряжениями. Но целесообразно ввести единую энергетическую характеристику. Такая характеристика была предложена Умовым.

Поток энергии (I) - энергия, переносимая распространяющейся волной через единицу площади за единицу времени. Вектор потока энергии направлен в сторону распространения волны и носит название вектора Умова.

Величина потока энергии измеряется в Вм/м² и для звукового поля называется интенсивностью звука или силой звука.

Интенсивность и звуковое давление связаны зависимостью:

. (5.2)

Звуковые волны распространяются с определенной скоростью.

Скорость распространения звука в различных средах различна. Как уже указывалась, в твердых телах могут распространяться упругие колебания двух типов: продольные и поперечные. В изотропных твердых телах скорости этих двух типов колебаний равны соответственно:

, (5.3)

, (5.4)

где Е - модуль упругости, Па; G - модуль сдвига, Па; с - плотность, кг/м³.

В анизотропных кристаллах упругие свойства и модули упругости различны по разным направлениям. Поэтому скорость звука в анизотропных телах зависит от направления распространения волны по отношению к кристаллографическим осям, а для поперечных волн - еще и от ориентации плоскости их поляризации.

В жидкостях могут распространяться только продольные звуковые волны сжатия и разрежения. Их скорость выражается формулой

, (5.5)

где K - модуль сжатия жидкости.

Скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением

, (5.6)

где - показатель адиабаты; С_Р и С_V - теплоемкость газа при постоянном давлении и постоянном объеме; р - статическое давление среды, Па; R - универсальная газовая постоянная, Дж/моль?К; Т - термодинамическая температура газа, К; м - молярная масса газа, кг/моль.

Для одноатомных газов г =1,67, а для многоатомных приближается к 1. Для воздуха г = 1,41.

5.3 Эффект Доплера в акустике

Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником, при движении источника этих колебаний и приемника относительно друг друга. Из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний.

Предположим, что источник и приемник звука движется вдоль соединяющей их прямой; V_ИСТ и V_ПР - скорости движения источника и приемника, причем они положительны, если источник (приемник) приближается к приемнику (источнику), и отрицательны - если удаляется. Частота колебаний источника равна н₀.

1. Источник и приемник покоятся относительно среды:

V_ИСТ = V_ПР =0. Если V - скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде, то длина волны . Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вызовет колебание его звукочувствительного элемента с частотой

,

следовательно, частота н, которую зарегистрирует приемник, равна частоте н₀, с которой звуковая волна излучается источником.

2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т. е. V_ПР>0, V_ИСТ = 0. В данном случае скорость распространения волны относительно приемника станет равной V + V_пр. Так как длина волны при этом не меняется, то

, (5.7)

т. е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в V + V_пр/V раз больше частоты колебаний источника.

3. Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т. е. V_ИСТ>0, V_ПР = 0. Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние V?T (равное длине волны л) независимо от того, движется ли источник или покоится. За то же время источник пройдет в направлении волны расстояние V_ИСТ T, т. е. длина волны в направлении движение сократится и станет равной (рис. 5.2).

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5.2. Изменение длины волны при движении источника

Тогда

, (5.8)

т. е. частота н колебаний, воспринимаемых приемником, возрастает в V/(V-V_ИСТ) раз.

В формулах (5.7), (5.8) при V_ИСТ<0 и V_ПР<0 знак будет обратным.

4. Источник и приемник движутся относительно друг друга.

Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых источником, в общем случае:

, (5.9)

причем «+» в числителе соответствует приближению приемника к источнику; «-» - его удалению от источника; в знаменателе «+» соответствует удалению источника от приемника, знак «-» - приближению его к приемнику.

Если направление V_ИСТ и V_ПР не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо этих скоростей надо брать их проекции на направление этой прямой.

5.4 Субъективное восприятие звука

Физиологическое восприятие звука является отражением соответствующих его физических характеристик.

Гармоническое колебание определенной частоты воспринимаются нами как музыкальный тон.

Физической характеристике - частоте колебаний - соответствует физиологическое понятие - высота звука. С ростом частоты и, следовательно, уменьшением периода колебаний, высота звука увеличивается, или звук становится «выше».

Малые частоты колебаний вызывают ощущение низкого тона (бас, баритон). Большие частоты вызывают ощущение высокого тона (сопрано, дискант).

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты.

По закону Вебера-Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности - уровень интенсивности:

(5.10)

где I₀ = 10^-12 Вт/м² - пороговая интенсивность звука; I - текущее значение интенсивности, Вт/м².

С учетом формулы (5.2) введена аналогичная величина для давления - уровень звукового давления:

, (5.11)

где р и р₀ - соответственно текущее и пороговое значение звукового давления, Па; р₀ = 2?10^-5 Па.

Уровни интенсивности и звукового давления измеряются в децибелах (дБ).

Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, измеренный в фонах. Громкость звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ.

Фон - единица, которая определяется как разность уравнений громкости двух звуков данной частоты, равногромкие которым звуки с частотой в 1000 Гц отличаются по интенсивности на 10 дБ.

Звукам одинаковой громкости разных частот соответствуют разные уровни интенсивности. Наблюдается как бы взаимная компенсация интенсивности и частоты.

Звуковое ощущение характеризуется помимо высоты и громкости еще и тембром. Если колебание не является гармоническим, на слух оно имеет специфический оттенок - тембр.

Согласно теореме Фурье всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, Т/2, Т/3, T/4 и т. д., т. е. с частотами н=1/T; 2н; 3н и т. д.

Наиболее низкая частота н называется основной частотой. Колебания с основной частотой называют первой гармоникой, или основным тоном, а колебания с частотами 2н, 3н и т. д. - высшими гармониками, или обертонами.

В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Любому музыкальному инструменту, любому человеческому голосу присущ свой тембр.

5.5 Классификация шумов

Шум - совокупность апериодических звуков разной интенсивности и частоты.

По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и тональные.

Спектр представляет собой зависимость между частотой и уровнем звукового давления (интенсивности). Различают сплошные (непрерывные) спектры (рис. 5.3, а), линейчатые (дискретные) спектры (рис. 5.3, б) и смешанные спектры (рис. 5.3, в).

L L L

Размещено на http://www.allbest.ru

f f f

а) б) в)

Рис. 5.3

5.3 Виды спектров шума

Широкополосными называются шумы, имеющие непрерывный спектр шириной более октавы. Октава - диапазон, в котором верхняя граничная частота в два раза больше нижней граничной частоты:

. (5.12)

Октава характеризуется среднегеометрической частотой

(5.13)

Тональный шум характеризуется тем, что в спектре присутствуют отдельные слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные.

Постоянные не изменяют уровень сигнала в течение 8 часов более чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы делятся:

- на импульсные - состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, длительностью до 1 с и с уровнями звука, отличающимися более чем на 7 дБА (удар молота);

- прерывистые - уровень звука изменяется на 5 дБА и более несколько раз за время измерения, причем длительность импульса больше 1 с и в момент действия импульса амплитуда остается постоянной, превышающей фон (сброс сжатого воздуха).

- колеблющиеся во времени - уровень меняется со временем (шум транспорта).

В технике измерений шумов в зависимости от среды распространения различают воздушный и структурный шумы. Воздушный распространяется по воздуху от источника до точки измерения. Структурный возникает из-за колебаний упругой среды (стены зданий, перекрытие, трубопроводы) с последующим излучением с колеблющихся поверхностей.

5.6 Источники шума и их характеристики

При непериодичности колебаний возникают шумы: либо это длительное колебание, но очень неправильное, сложное по форме (шипение, скрип), либо же отдельные выбросы (щелчки, стуки). С этой точки зрения к шумам следует отнести и звуки, выражаемые согласными.

Выделяют следующие источники шума:

а) естественного происхождения.

В реальной атмосфере вне зависимости от человека всегда присутствуют шумы естественного происхождения с широким спектральным диапазоном от инфразвука с f = 3·10^-3 Гц до ультразвука и гиперзвука (10¹⁹ - 10¹³ Гц); (шум морского прибоя, горного обвала, грозового разряда, извержение вулкана, пение птиц). Источниками инфразвуковых шумов могут быть различные метеорологические и географические явления (магнитные бури, полярные сияния, движение воздуха в кучевых и грозовых облаках, ураганы, землетрясения). В слышимой области частот под действием ветра всегда создается звуковой фон. В природе при обтекании воздухом различных тел за счет отрыва вихрей образуются инфразвуковые колебания и слышимые низкие частоты.

б) техногенного происхождения - все применяемые в современной технике механизмы, оборудование и транспорт.

Техногенные шумы по физической природе могут быть разделены:

- на механические, возникающие при взаимодействии различных деталей в механизмах (одиночные или периодические удары), а также при вибрациях поверхностей машин, устройств и т. п.;

- электромагнитные, возникающие вследствие колебаний деталей и элементов электромеханических устройств под действием электромагнитных полей (дроссели, трансформаторы, статоры, роторы);

- аэродинамические, возникающие в результате вихревых процессов в газах (адиабатическое расширение сжатого газа или пара из замкнутого объема в атмосферу; возмущения, возникающие при движении тел с большими скоростями в газовой среде, при вращении лопаток турбин и т.п.);

- гидродинамические, вызываемые различными процессами в жидкостях (возникновение гидравлического удара при быстром сокращении кавитационных пузырей, кавитация в ультразвуковом оборудовании, в жидкостных системах самолета).

Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью.

Звуковая мощность источника Р - общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени.

Если окружить источник шума замкнутой площадью, то звуковая мощность источника

(5.14)

где I_n - нормальная к поверхности составляющая интенсивности.

Окружая источник шума условной сферой с достаточно большим диаметром r, чтобы можно было считать источник точечным, получим величину средней интенсивности звука на поверхности этой сферы:

. (5.15)

Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечных источников, размеры которых малы по сравнению с длиной излучаемых ими волн. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т. е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность излучения характеризуется коэффициентом Ф - фактором направленности, показывающим отношение интенсивности звука, создаваемой направленным источником в данной точке I, к интенсивности I_ср, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук в сферу (во все стороны одинаково), т. е.

. (5.16)

Характеристики направленности обычно представляют в виде зависимости показателя направленности G от угла между выбранным направлением и осью источника (рис. 5.4).

, (5.17)

где р и L - звуковое давление и его уровень, измеренный на определенном расстоянии от источника звука, дБ; р_ср и L_ср - звуковое давление и его уровень, усредненный по всем направлениям при том же расстоянии.



Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5.4. Показатель направленности шума

Шумовыми характеристиками, которые должны быть указаны в прилагаемых к машине документах, являются:

1) уровни звуковой мощности шума в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц;

2) характеристики направленности излучения шума машины.

Уровни звуковой мощности L_Р (дБ) установлены по аналогии с уровнем интенсивности звука:

, (5.18)

где Р - фактическая звуковая мощность; Р₀ - пороговая звуковая мощность, равная 10^-12 Вт.

Дополнительными характеристиками являются октавные уровни звукового давления или уровни звука на определенном расстоянии от машины.

Если в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, складываются их источники, но не уровни:

I_? = I₁ + I₂ + … + I_n.

Разделим на I₀ и прологарифмируем:

или

(5.19)

При большом числе одинаковых источников глушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум от более мощных источников.

Для нескольких одинаковых источников формула (5.19) примет вид

L_? = L_i + 10 lg n. (5.20)

5.7 Коэффициенты отражения, поглощения, прохождения звука

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5.5. Распределение интенсивности звуковой волны

Рассмотрим в общем случае процесс взаимодействия звуковой волны при её нормальном падении на границу раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями. Часть падающей энергии звуковой волны отражается, часть - поглощается средой, а часть проходит преграду толщиной d (рис. 5.5).Отношение интенсивности отраженной волны I_отр к интенсивности падающей волны I₀ называется коэффициентом отражения

. (5.21)

Вместо интенсивностей можно выбрать отношение соответствующих энергий.

За коэффициент поглощения принимают отношение

, (5.22)

где I_п - интенсивность волны, поглощенная средой.

Отношение интенсивности на выходе из среды I_пр к падающей называется коэффициентом прохождения (проницаемости):

. (5.23)

Поскольку

,

.

Аналогично

Таким образом, по закону сохранения энергии

Строгое определение коэффициентов К_отр, К_п, К_пр представляет некоторые трудности, так как в реальных случаях не удаётся вычислить части отраженной, поглощенной энергии звуковой волны. При отражении имеет место как направленное, так и рассеянное (диффузное) отражение. При поглощении имеет место как чистое поглощение, так и потери на рассеяние, просачивание через щели, отверстия. Поэтому на практике часто применяют коэффициент экстинкции (ослабления), имеющий более широкий смысл.

В акустике для характеристики поглощающей способности отдельных объектов введено понятие общего звукового поглощения тела, которое определяется произведением площади тела на его коэффициент поглощения.

За единицу общего поглощения принимают квадратный метр открытого окна, так как оно практически не отражает звука. Эту величину называют сэбин.

5.8 Реверберация

Любой звук прекращается не сразу после того, как замолк его источник, а замирает постепенно. Отражение звука в помещении обусловлено явлением послезвучания, называемым реверберацией.

Любое помещение представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Колебание, распространяющееся в замкнутом воздушном пространстве, характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звуковой энергии при многократном его отражении от границ раздела.

В связи с этим собственные колебания различных частот затухают не одновременно. Процесс реверберации оказывает большое влияния на акустику помещения, так как человеческое ухо воспринимает прямой звук на фоне ранее возбужденных собственных колебаний, спектр которых изменяется во времени вследствие постоянного затухания отдельных собственных гармоник.

Плотность звуковой энергии _зв в общем виде можно выразить формулой

где _зв - плотность звуковой энергии в момент выключения источника звука; ф - постоянная времени реверберации, определяемая выражением

, (5.24)

где V - объём помещения;

х - скорость звука;

- сумма общих звуковых поглощений всех тел, находящихся в помещении, включая стены, пол, потолок и т. д.

Таким образом, за время t звуковой энергии понижается в е раз. На практике применяют время стандартной реверберации Т, в течение которого плотность звуковой энергии уменьшится в 10⁶ раз, т. е. на 60 дБ:

.

Прологарифмировав, получаем

(5.25)

Подставляя в (5.25) (5.24) для ф и значение скорости звука х = 340 м/с, получаем

. (5.26)

Отношение 10⁶ выбрано потому, что нормальная речь в помещении среднего размера воспринимается как звук с интенсивностью, превышающей порог слышимости на 60 дБ.

Время реверберации определяет акустические качества помещения. Оптимальное значение для реверберации лежит в пределах от нескольких десятых долей секунд до 1-3 секунд. Если время реверберации меньше этих значении, звук получается глухим. При Т >3с собственные колебания накладываются друг на друга, и речь становится неразборчивой.

5.9 Основные способы защиты от шума

1. Уменьшение шума в источнике возникновения

Уменьшение механического шума в источнике возникновения достигается за счет:

- замены ударных процессов и механизмов безударными;

- замены возвратно-поступательного движения равномерным вращательным;

- применения клиноременных передач вместо зубчатых, а если это невозможно, замены прямозубых шестерен на косозубые и шевронные;

- замены подшипников качения подшипниками скольжения;

- использования пластмасс в качестве конструкционных материалов;

- принудительного смазывания трущихся поверхностей и т. п.

Аэродинамический шум снижается, в основном, за счет уменьшения скорости движения среды. В большинстве случаев меры по ослаблению аэродинамических шумов в источнике оказываются недостаточными, поэтому основное снижение шума достигается путем звукоизоляции источника и установки глушителей.

Снижение электромагнитных шумов осуществляется путем конструктивных изменений в электрических машинах.

2. Изменение направленности излучения шума предполагает учет показателя направленности при проектировании установок.

3. Рациональная планировка предприятий и цехов обеспечивается концентрацией шумных цехов вдали от тихих помещений, при этом снижение уровня шума достигается увеличением расстояния от источника шума до расчетной точки

4. Акустическая обработка помещений

Акустическая обработка помещений - размещение звукопоглощающих материалов на ограждающих конструкциях.

Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук.

Звукопоглощение обладает дисперсией, т. е. достаточно сильно зависит от частоты. При её повышении звукопоглощение повышается.

Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабляется за счёт её частичного проникновения через ограждения, щели, окна.

Кроме частотной характеристики звукопоглощение зависит от угла падения звуковой волны на границу раздела.

К звукопоглощающим материалам относятся материалы, у которых коэффициент поглощения на средних частотах больше 0,2. В зависимости от механизма звукопоглощения материалы делятся на несколько видов.

1. Материалы, в которых поглощение осуществляется за счёт вязкого трения воздуха в порах (волокнистые пористые материалы типа ультратонкого стеклянного и базальтового волокна), в результате чего кинетическая энергия падающей звуковой волны переходит в тепловую энергию материала.

2. Материалы, в которых помимо вязкого трения в порах происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого стекла (войлок, древесно-волокнистые материалы, минеральная вата).

3. Панельные материалы, звукопоглощение которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых её участков (фанерные щиты, плотные шторы).

Звукопоглощение наиболее эффективно на высоких и средних частотах. Для повышения поглощения пористых материалов на низких частотах либо увеличивают их толщину, либо используют воздушный промежуток между материалом и ограждением. Максимальное поглощение наблюдается тогда, когда воздушный зазор между поверхностями конструкции и материала равен половине длины волны падающего звукового колебания.

5. Звукоизоляция

Под звукоизоляцией понимается процесс снижения уровня шума, проникающего через ограждения в помещение, за счет отражения звука назад к источнику.

Для изоляции на практике часто используется звукоизолирующие кожухи, стены, перегородки, выгородки, кабины и т. п.

В звукоизолированном помещении звуковая энергия зависит не только от коэффициента проницаемости, но и от звукопоглощения. Звукоизолирующая способность ограждения с учетом звукопоглощения выражается формулой

дБ,

где S - площадь ограждения, м².

Звукоизоляция ограждающей конструкции не зависит от физической структуры материала, если составляющие элементы обладают примерно одинаковой плотностью и модулем упругости. В этом случае звукоизоляция определяется массой на единицу площади. Для повышения звукоизоляции применяют слоистые ограждающие конструкции. В них жесткие элементы, имеющие большую массу, чередуются с гибкими слоями.

5.10 Приборы и методы измерения шума

Реверберационная камера. Для проведения различных акустических исследований и измерений служит реверберационная камера, в которой звуковые колебания эффективно отражаются от всех ограждающих поверхностей. Внутреннюю поверхность камеры облицовывают хорошо отражающим звук материалом, коэффициент поглощения которого выбирают минимальным. Основными измерениями, проводимыми в реверберационной камере, являются: измерение звукопоглощающих свойств материалов, градуировка и исследование свойств микрофонов, шумомеров и другой акустической аппаратуры; исследование и измерение различных источников шума; звуковых полей устройств, приборов, машин и т.д.

Для измерения времени реверберации после выключения источника звука записывают динамику уменьшения звукового распространения. С этой целью применяют самописцы с логарифмической шкалой.

Звукомерная камера. Предназначена для проведения акустических измерений с имитацией неограниченного пространства. В отличие от реверберационной камеры звуковая камера имеет внутреннюю поверхность, покрытую звукопоглощающим материалом с коэффициентом поглощения, близким к единице. При измерении на высоких частотах вместо качественного заглушения применяют импульсный метод измерений. При этом основные измерения проводятся в момент прохождения прямого сигнала (до прихода отраженного).

Микрофон. Микрофон называют приемник звука (шума), в котором происходит преобразование звукового колебания воздушной среды в электрический сигнал. Микрофон характеризуется чувствительностью, частотной зависимостью, динамическим диапазоном, направленностью. Помимо электроакустического преобразования в комплект микрофона входят предварительные усилители, согласующие трансформаторы.

Любой микрофон имеет мембрану, которая колеблется под действием звукового поля, в результате чего происходит акустически-механическое преобразование. По направленности микрофоны делят на три вида: приемники давления, преемники градиентного давления, комбинированные приемники.

Шумомер. Для объективных измерений уровня громкости шума используется шумомер, блок-схема, которая предоставлена на рис. 5.6.

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 5.6. Блок-схема микрофона: 1 - микрофон; 2 - усилитель; 3 - корректирующие фильтры; 4 - детектор; 5 - стрелочный индикатор

Учитывая особенностью слухового аппарата к восприятию звука разных частот и разной громкости, шумомеры снабжаются тремя комплектами фильтров, с помощью которых можно обеспечить требуемые формы частотной характеристики на трех уровнях громкости.

Шкала «A» соответствует характеристике при малой громкости, 40 фон (диапазон шкалы от 20 до 55 фон). Используется также для измерения уровня громкости, выраженного в дБА при любых уровнях громкости.

Шкала «В» соответствует средней громкости 70 фон (от 55 до 85 фон).

Шкала «C» - большой громкости (от 85 до 140 фон). Характеристика при большей громкости равномерна в диапазоне частот от 30 до 8000 Гц.

Наиболее широкое применение для измерения уровней шума нашли отечественные шумомеры ВШВ-003-М2, RFT (Германия).

Требования к методам измерения шумовых характеристик мест пребывания людей и источников шума установлены ГОСТ 12.1.050-86 и ГОСТ 23941-2002.

6. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРАЦИИ

6.1 Свободные и вынужденные колебания

Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. В одних случаях каждый новый цикл очень точно повторяет предыдущий, в других различие между следующими друг за другом циклами может быть заметным. Отклонение от совершенно точного повторения очень часто настолько малы, что ими можно пренебречь и считать движение повторяющимся вполне точно, т. е. считать его периодическим.

Периодическим называют повторяющиеся движения, у которого следующий цикл в точности воспроизводит следующий другой цикл.

Продолжительность одного цикла называется периодом.

Тела, которые сами по себе могут совершать периодические движения, называются колебательными системами. Колебания, совершающиеся в этих системах без воздействия внешних сил, являются свободными.

У каждой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия.

Наибольшее отклонение от положения равновесия называется амплитудой колебаний.

Колебание, которое совершает при равномерном движение точки по окружности проекция этой точки на какую-либо прямую, называется гармоническим. Кривая, изображающая гармоническое колебание, есть синусоида.

Число циклов гармонического колебания, совершаемых за 1 с называется частотой этого колебания и равна

(6.1)

Фазой гармонического колебания называется угол, соответствующий времени, прошедшему от какого-нибудь произвольно выбранного момента.

Наличие трения в системе приводит к затуханию колебаний.

Незатухающие свободные колебания, которые происходили бы в колебательной системе в отсутствии трения, называются собственными колебаниями.

В колебательной системе, на которую действует периодически меняющаяся сила, устанавливаются периодические движения, называющиеся вынужденными колебаниями.

Совпадение периода свободных колебаний системы с периодом внешней силы, действующей на эту систему, называется резонансом.

Амплитуда вынужденного колебания достигает наибольшего значения при резонансе.

Если сила меняется периодически, но не по гармоническому закону, то она может вызвать резонансные явления не только при совпадении её периода с периодом свободных колебаний системы, но и тогда, когда период силы в целое число раз длиннее этого периода.

6.2 Основные параметры вибрации

Под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное увеличение и уменьшение во времени значений, по крайней мере, одной координаты.

Основными параметрами вибрации, происходящей по синусоидальному закону являются: амплитуда вибросмещения x_m, амплитуда виброскорости х_m, амплитуда колебательного ускорения а_m, период колебания Т, частота н, связанная с периодом колебаний соотношением (6.1).

Вибросмещение в случае синусоидальных колебаний определяют по формуле , где щ - угловая частота(щ = 2рf); ц₀ - начальная фаза вибросмещения. В большинстве случаев ц₀ в задачах охраны труда значения не имеет и может не учитываться.

В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию, является некоторой функцией времени: х=х(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде бесконечно длящихся синусоидальных колебаний с различными периодами и амплитудами. В случае периодического процесса частоты этих составляющих кратны основной частоте процесса.

В силу специфических свойств органов чувств определяющими являются действующие значения параметров, характеризующих вибрацию. Действующее значение виброскорости есть среднеквадратичное мгновенных значений скорости х(t) за время усреднения Т_y:

(6.2)

Анализ и построение спектров параметров вибрации может производиться как в октавных, так и в третьоктавных полосах частот. В третьоктавной полосе

(6.3)

. (6.4)

Так как абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, в практике используют понятие логарифмического уравнения колебаний

(6.5)

где х₀ = 5?10^-5 м/с - пороговая виброскорость.

6.3 Физические основы виброзащиты

Методы борьбы с вибрацией базируются на анализе уравнений, описывающих колебания машин и агрегатов в условиях производства. Эти уравнения сложны т. к. каждый вид оборудования является системой со многими степенями подвижности и обладает рядом резонансных частот. Следует ограничиться анализом уравнений вынужденных колебаний такой системы, которую можно представить в виде массы, покоящейся на пружине, другой конец её жестко закреплен (рис. 6.1).

Система, кроме того, обладает трением. Элементы упругости, массы и трения отделены друг от друга. Для простоты можно считать, что на систему воздействует переменная возмущающаяся сила, изменяющаяся по синусоидальному закону:

F = F_m?e^jщt.

Рис. 6.1. Схема колебательной системы

Уравнение колебаний в этом случае имеет вид

(6.6)

где x - вибросмещение, м;

- текущее значение виброскорости, м/с;

- текущее значение виброускорения, м/с²;

m - масса системы, кг;

м - коэффициент сопротивления, Н?с/м;

с - жесткость системы, Н/м;

F_m - амплитуда вынуждающей силы, м;

щ - угловая частота вынуждающей силы, рад/с.

Общее решение этого уравнения содержит два слагаемых: первый член соответствует свободным колебаниям, которые в данном случае являются затухающими из-за наличия в системе трения, второй соответствует вынужденным колебаниям. Главную роль в рассматриваемых задачах играют вынужденные колебания. Выражая вибросмещение в комплексном виде x = x_m?e^jщt и подставляя соответствующие значения и в (6.1), найдем соотношение между амплитудами виброскорости и вынуждающей силы:

(6.7)

Знаменатель характеризует сопротивление, которое оказывает система вынуждающей переменной силе, и называется полным механическим импедансом системы. Величина м составляет активную, а - реактивную часть этого сопротивления. Последняя, в свою очередь, состоит из упругого и инерционного сопротивлений.

При резонансе реактивное сопротивление равно нулю. Этому соответствует частота . При этом система оказывает сопротивление вынуждающей силе только за счет наличия активных потерь в системе. Амплитуда колебаний в таком режиме резко возрастает. Амплитуда виброскорости будет составлять

где з - коэффициент потерь, характеризующий диссипативные силы в колебательной системе и определяющий значение амплитуды виброскорости при резонансе:

.

При частоте ниже резонансной , т. е. в случае, когда инерционное сопротивление значительно меньше упругого, полное сопротивление системы возмущающей силы при небольшом трении практически оказывается равным упругому: , следовательно, на этих частотах система оказывает упругое сопротивление, как при действии статической силы. Амплитуда вибросмещения при этом равна упругой деформации x_ст при статическом действии силы:

,

а амплитуда скорости

.

Если частота вынуждающей силы значительно выше резонансной, то . При малом трении система будет оказывать только инерционное сопротивление z = mщ. При этом амплитуда виброскорости и вибросмещения будут соответственно равны:

; ,

где x_ст - осадка системы при статическом воздействии силы F_m.

Из анализа решения уравнения (6.2) вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы следует, что основными методами борьбы с вибрацией являются:

...