Характеристика шума и методика акустического расчета

Лабораторная работа №11

Измерение звуковой мощности источника шума

Цель работы

 

Изучить аппаратуру для измерения уровня шума, провести измерение фонового уровня шума в помещении, провести измерения уровня шума при включенном электромеханическом или электронном устройствах, определить его звуковую мощность, рассчитать уровень шума в расчетной точке.

Содержание работы

 

- Изучить принципы нормирования уровня шума в производственном помещении;

- Измерить шумовые характеристики помещения учебной лаборатории и сравнить их с требованиями санитарных норм;

- Измерить дополнительные шумы вносимые электромеханическим или электронным устройством и определить шумовую характеристику этого устройства;

- Рассчитать дополнительные шумы, вносимые в рабочую точку источниками дополнительных шумов.

 

Характеристика шума и методика акустического расчета

Шумом называют всякий нежелательный (мешающий) для человека звук.

Защита человека от шума является одной из актуальных проблем по ослаблению действия вредного фактора на его здоровье. Шум действует на центральную нервную систему, оказывая неблагоприятное влияние на организм человека. Центральная нервная система является информационной системой организма и требует для своего функционирования достаточно много энергии. Если поток информации стационарен, то происходит привыкание (аккомодация) к стационарным условиям и затраты на поддержание функционирования центральной нервной системы резко снижаются. Шум не является стационарным процессом, он контрастирует с полезным звуковым информационным полем и потому происходит дополнительная перегрузка деятельности центральной нервной системы. Лишние траты энергии организма на реакцию организма на шум приводят к утомляемости, результатом чего становится увеличение числа ошибок в работе, возникновению травм, прогрессирующая потеря слуха при длительных шумовых воздействиях.

С позиций физики шум (звук) - это акустические продольные волны в диапазоне слышимых частот 20Гц …20кГц, характеризующиеся перепадом давления Dp относительно атмосферного p_атм = 101 кПа.

Звуковое давление Dp (Па) – разность между мгновенным значением полного давления в воздухе и средним статическим давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля (атмосферным - в обычных условиях). В фазе сжатия звуковое давление положительно, а в фазе разряжения – отрицательно. Измерительный датчик звукового давления в шумомере – микрофон.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Поток звуковой энергии E (Дж) в единицу времени t (с), отнесенный к поверхности S (м²), нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука I (Вт/м²). Для звуковой волны, распространяющейся в виде плоского фронта, имеем следующие соотношения:

I = E/tS = Dp²/rc, (1)

где r - плотность среды, кг/м^{3 .}.

с - скорость звука в среде, м/с.

Для воздуха при температуре 20^оС: r = 1,20 кг/м³, с = 344 м/с;

rc - удельное сопротивление среды, для воздуха при нормальных атмосферных условиях rc = 410 Па×с / м.

С физиологической стороны шум (звук) представляет собой ощущение продольных деформаций упругой среды (сжатия и разряжения среды) в виде звуковых образов. Зависимость звукового ощущения L от интенсивности звука I сформулирована Фехнером:

L = С lg (I/I₀),

здесь I₀ - порог слышимости, определяемый минимальным значением интенсивности звука, при которой она ощущается звуком, С - некоторая постоянная.

Источник шума характеризуется мощностью W (Вт), т.е. количеством звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени (Дж/с). Звуковая мощность источника шума W (Вт) связана с интенсивностью шума I (Вт/м²) следующим соотношением:

 

 

где S - поверхность, через которую проходит поток звуковой энергии.

Если источник шума принять за точечный, что допустимо при расстояниях r от источника много больших геометрических размеров самого источника, то при его расположении на полу (т.е. при излучении в полусферу) звуковая мощность равна:

 

W = I_ср S = I_ср 2pr², (2)

 

где I_ср - интенсивность звука, усредненная по измерениям звукового давления по нескольким точкам на измерительной поверхности S в виде полусферы радиусом r.

Как физиологическое явление звук ощущается органами слуха в диапазоне частот 20Гц …20кГц. Вне этих пределов находятся неслышимые человеком инфра - и ультразвуки.

При нормировании шума используют октавные полосы частот. Полоса частот, в которой верхняя граничная частота f_верх в два раза больше нижней f_нижн, называется октавной. Среднегеометрическая частота f_ср октавной полосы выражается соотношением f_ср = . Измерения, акустические расчеты, нормирование производятся в полосах со среднегеометрическими частотами 31, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Степень восприятия зависит от амплитуды звукового колебания. Так на частоте 1000 Гц ощущение звука начинается с перепадов давления с амплитудой Dp_о = 2 10^-5 Па. Величину Dp_о называют порогом слышимости. Тогда интенсивность звука (1), соответствующая порогу слышимости, равна I_o = 10^-12 Вт/м².

Для объективной оценки характеристики шума были введены логарифмические величины: уровень интенсивности L_I, уровень звукового давления L_p, что соответствует закону Фехнера,

L_I = 10×lg(I_ср/I_o), I_o = 10^-12 Вт/м² (3a)

L_p= 10×lg (Dp/Dp_o)², Dp_о = 2×10^-5 Па (3b)

Для характеристики звуковой мощности источника шума используется уровень мощности шума L_W

L_W= 10×lg (W/W_o), W_o = 10^-12 Вт (3c)

При нормальных атмосферных условиях L_I = L_p = L. Поэтому для краткости используют термин уровень шума L, опуская индексы I, p. Уровень шума характеризует степень ощущения или степень информационного воздействия энергии шума на человека.

Приборы, измеряющие уровень шума, основаны на измерении звукового давления Dp в определенной точке. Чувствительным элементом, реагирующим на изменение давления Dp, является микрофон. Измеряемое звуковое давление зависит от мощности источника шума и от расстояния от этого источника.

Уровень мощности шума источника L_W характеризует мощностные шумовые свойства источника и является величиной, независимой от расстояния, так как W и W_o постоянные величины.

Характеристиками источника шума, которые указываются в технической документации на изделие, являются:

Рис.1

1. Уровни мощности шума L_W в октавных полосах частот.

2. Характеристики направленности излучения источника шума.

В основе расчетной формулы для определения L_W лежит выражение (2) Для точечного источника шума значение L_W определяют по результатам нескольких измерений уровня шума L_ср на поверхности S, в качестве которой обычно применяют площадь полусферы радиусом R (рис.1)

L_W = L_ср+ 10×lg(S/S_o) = L_ср+ 10×lg(2pR²), (4)

где L_ср - средний уровень измеренного звукового давления по ряду точек на измерительной поверхности S (м²), S_o = 1м².

При проектировании и эксплуатации промышленных помещений рассчитывают ожидаемые уровни шума L_p, которые будут на рабочих местах (в расчетных точках) с тем, чтобы сравнить их с нормами допустимого уровня шума и в случае необходимости принять меры к тому, чтобы этот шум не превышал допустимого. Акустический расчет проводится в каждой из восьми октавных полос с точностью до десятых долей децибел. Результат округляется до целого числа.

Для помещений с источником шума расчет включает:

а) выявление n-ого количества источников шума и значений L_Wi их уровней шумовой мощности в октавных полосах частот;

б) выбор расчетных точек и определение расстояний r_i от i-того источника шума до расчетной точки (рабочего места);

в) вычисление или определение по справочным данным постоянной B анализируемого помещения для каждой октавной полосы.

г) расчет уровня шума L_p в расчетной точке.

Звуковые волны от источника шума в помещениях многократно отражаются от стен, потолка и различных предметов. Отражения обычно увеличивают шум по сравнению с шумом того же источника на открытом воздухе. Интенсивность шума I в расчетной точке помещения складывается из интенсивности прямой звуковой волны от источника I_пр и интенсивности отраженного звука I_отр:

I = I_пр + I_отр = + ,

где В - постоянная помещения (см. Прилож. 2).

Для помещения, в котором установлено несколько источников (n) шума с одинаковой звуковой мощностью W, интенсивность в расчетной точке равна:

(5)

где r_i - расстояние от акустического центра i-того источника шума до расчетной точки. Акустический центр источника шума определяется координатами проекции геометрического центра источника на горизонтальную плоскость.

Значение уровня шума L в расчетной точке получим, разделив выражение (5) на I_o = W_oS_o (S_o = 1м²) и логарифмируя:

L = 10×lg = L_W + 10×lg( + ), (6)

При наличии акустических волн от n некоррелированных источников шума, которые создают в расчетной точке среднеквадратическое давление Dp равное сумме парциальных давлений Dp_i (i = 1,2,...,n)

Dp² =

Уровень звукового давления для нескольких источников равен:

L_p = 10 lg(Dp/Dp_o)² = 10 lg( ) = 10 lg()

где L_pi уровень звукового давления от i-того источника в расчетной точке.

Пример: Расчитать уровень шума L_p в расчетной точке, который создается шумовым фоном L_ф = 50 дБ и шумом от источника L = 57,2 дБ.

L_p = 10 lg(10^{0,1 Lф}+10^{0,1 L}) = 10 lg(10^0,1×50 + 10^0,1×57,2) = 58 дБ. (7)

Указания по технике безопасности

1. Не включать стенд без проверки преподавателем.

2. При обнаружении неисправности в работе источника шума или шумомера прекратить работу и сообщить об этом преподавателю.