Звук. Основні характеристики звукового поля. Поширення звуку

ЗМІСТ

 

ВСТУП………………………………………………………………………………..3

1. Теоретична частина………………………………………………………………..6

1.1 Захист від шуму………………………………………………………………6

1.2 Звук. Основні характеристики  звукового поля. Поширення звуку…………6

1.3 Параметри звукової  хвилі…………………………………………………….6

1.4 Акустичне поле і  його характеристики……………………………………....9

1.5 Рівні акустичних величин…………………………………………………...10

1.6 Виробничий шум, його  джерела й характеристики………………………..12

1.7 Характеристики й види  виробничих шумів………………………………..12

1.8 Джерела виробничого шуму і їх характеристики…………………………..13

1.9 Вимір шуму. Шумоміри……………………………………………………..15

1.10 Негативний вплив шуму  на людину й захист від нього…………………..17

1.11 Сприйняття шуму людиною………………………………………………18

1.12 Шкідливі впливи шуму  на організм людини……………………………...19

1.13 Нормування шуму………………………………………………………….21

1.14 Акустичний розрахунок…………………………………………………....21

1.15 Способи захисту від  шуму…………………………………………………23

2. Розрахункова частина…………………………………………………………….25

2.1 Вихідні дані………………………………………………………………….25

2.2 Розрахунок…………………………………………………………………..25

2.3 Відповідь…………………………………………………………………….29

ВИСНОВОК………………………………………………………………………...31

СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………………32

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВСТУП

У сучасному суспільстві ми постійно піддаємося дії звуків. Більшість звуків приносять нам задоволення, але в деяких ситуаціях звук перетворюється на шум. Існують різні думки з приводу того, що вважати шумом, оскільки одні люди чутливіші до звуків, чим інші. Проте всі можуть погодитися, що шум - це небажаний звук. Зважаючи на наш слух, можна сказати, що гучний шум — це такий звук, який може привести до порушення слуху.

Шум - це хаотична сукупність різних за силою і частотою звуків, що заважають сприйняттю корисних сигналів і негативно впливають на людину.

Від дії шумів люди можуть отримувати фізичні та психічні травми. Внаслідок неперервного впливу на слух людей інтенсивного шуму може виникнути професійна глухота або різка втрата слуху - тугоухість. Шум руйнує нервову систему; наслідкові явища впливу шуму на людину володіють властивістю кумуляції: накопичуючись в організмі, він все більше та сильніше пригнічує нервову систему. Шум - причина передчасного стомлення, послаблення уваги та пам'яті, крім того шуми приводять до погіршення зору, аритмії серця, зміни швидкості дихання.

Шкідливий та небезпечний вплив шуму на організм людини встановлено тепер з повною визначеністю. Ступінь такого впливу, в основному, залежить від рівня та характеру шуму, форми та тривалості впливу, а також індивідуальних особливостей людини. Численні дослідження підтвердили той факт, що шум належить до загально фізіологічних подразників, які за певних обставин можуть впливати на більшість органів та систем організму людини. Так за даними медиків дія шуму може спричинити нервові, серцево-судинні захворювання, виразкову хворобу, порушення обмінних процесів та функціонування органів слуху тощо. Із загальної кількості захворювань, останнім часом значно зросла частка тих, які спричинені саме шумовим впливом. У зв'язку з цим, слід звернути увагу на ой факт, що протягом багатовікової еволюції людина так і не набула здатності адаптуватись до дії шуму, як і не було створено природного захисту для високочутливого та досконалого органу слуху людини від дії інтенсивного шуму.

Медики відзначають особливо несприятливу дію навіть незначних за рівнем шумів у години відпочинку і передовсім сну, коли найбільш повно повинні відновлюватись сили людини. Не зайве нагадати, що у зв'язку з вищезазначеним у нашій країні, як і у багатьох інших, діє заборона щодо порушення тиші у житлових масивах з 23.00 до 7.00.

Найбільш повно вивчено вплив шуму на слуховий апарат людини. У працівників «шумних» професій може виникнути професійне захворювання — туговухість, основним симптомом якого є поступова втрата слуху, перш за все в області високих частот з наступним поширенням на більш низькі частоти.

Крім безпосереднього впливу на орган слуху шум впливає на різні відділи головного мозку, змінюючи при цьому нормальні процеси вищої нервової діяльності. Цей, так званий, неспецифічний вплив шуму може виникнути навіть раніше ніж зміни в самому органі слуху. Характерними є скарги на підвищену втомлюваність, загальну слабкість, роздратованість, апатію, послаблення пам'яті, погану розумову діяльність і т. п.

Шум - причина передчасного стомлення, послаблення уваги та пам'яті, крім того шуми приводять до погіршення зору, аритмії серця, зміни швидкості дихання. Ступінь шкідливості шуму залежить від того, на скільки він відрізняється від звичного шуму. В нічий час шум 30 - 40 дБ є серйозним турбуючим фактором, а зі збільшенням його до 80 дБ й вище він може приводити до фізіологічної дії на людину. Дію шуму не можна оцінювати лише за станом слуху, в першу чергу спостерігаються порушення нервової системи та внутрішніх органів. Слуховий аналізатор через центральну нервову систему пов'язаний з різними органами життєдіяльності людини, тому шум впливає на весь організм. При шумі 90-100 дБ притупляється зір, з'являються головні болі та паморочиться голова, змінюється ритм дихання та сердечної діяльності, підвищується внутрічерепний та кров'яний тиски, порушується процес травлення їжі, відбуваються зміни у внутрішніх органах.

Паталогічні зміни в організмі, що виникли в результаті дії шуму, класифікуються як шумова хвороба. Звукові коливання можуть сприйматися не лише вухом, але й безпосередньо через кістки черепа, рівень шуму при цьому на 20 - 30 дБ менший за рівень, що сприймається вухом. При дії шуму високих рівнів більших за 145 дБ, можливий розрив барабанної перетинки.

У даний час вчені багатьох країн світу ведуть різноманітні дослідження з метою з'ясування впливу шуму на здоров'я людини. Дослідження показали, що шум завдає суттєвої шкоди здоров'ю людини, але й абсолютна тиша лякає і пригнічує її.

Шуми викликають функціональні розлади серцево-судинної системи; шкідливо впливають на зоровий і вестибулярний аналізатори; знижують рефлекторну діяльність, що часто стає причиною нещасних випадків і травм.

Зменшення рівня шуму покращує самопочуття людини і підвищує продуктивність праці. З шумом необхідно боротися як на виробництві, так і в побуті. Уміння дотримуватися тиші - показник культури людини і його доброго ставлення оточуючих. Тиша потрібна людям так само, як сонце і свіже повітря.

Нормування припустимих рівнів шуму засновано на ряді документів: ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ. Шум. Загальні вимоги безпеки та ГОСТ 12.1.036-81 ССБТ. Шум. Припустимі рівні в житлових і суспільних будівлях.

У першу чергу потрібно використовувати колективні методи і засоби. Найефективнішими є заходи зниження шуму в джерелі його виникнення.

До засобів індивідуального захисту від шуму належать:

• протишумні навушники, які закривають вушну раковину;
• протишумні вкладиші, що перекривають зовнішній слуховий прохід;
• протишумні шоломи - закривають усю голову. їх застосовують у сполученні з навушниками;
• протишумні костюми;
• застосування малошумного обладнання, заміна металевих частин на пластмасу, установка глушителів і т. д;
• установка обладнання на демпфіруючих прокладках;
• оснащення шумних машин і технологій засобами дистанційного телеавтоматичного управління.

Санітарні норми припустимого рівня шуму на промислових підприємствах і в житлових приміщеннях значно відрізняються, так як у цеху робітники підлягають впливу шуму у продовж однієї зміни - 8 годин, а населення великих міст - практично цілодобово. Крім того, необхідно враховувати у другому випадку наявність найбільш вразливих частин населення - дітей, людей похилого віку, хворих та інших.

На основі вище доведеного пропонує розробити курсовий проект та розрахувати шумове забруднення цеху механічної обробки деталей.

 

 

 

 

 

 

 

1. ТЕОРЕТИЧНА ЧАСТИНА

 

1.1 Захист від  шуму

Серед основних почуттів людини слух і зір відіграють найважливішу роль - дозволяють людині володіти звуковими й зоровими інформаційними полями.

Навіть швидкий аналіз системи людина - машина - навколишнє середовище дає підставу вважати однієї із приоритетнейших проблем  взаємодії людини з навколишнім середовищем, особливо на локальному рівні (цех, ділянка), проблему шумового забруднення середовища.

Тривалий вплив шуму може привести до погіршення слуху, а в окремих випадках - до глухоти. Шумове забруднення середовища на робочому місці несприятливо впливає на працюючим: знижується увага, збільшується витрата енергії при однаковому фізичному навантаженні, уповільнюється швидкість психічних реакцій і т.п. У результаті знижується продуктивність праці і якість виконуваної роботи.

Знання фізичних закономірностей процесу випромінювання й поширення шуму дозволить приймати рішення, спрямовані на зниження його негативного впливу на людину.

 

1.2 Звук. Основні характеристики звукового поля. Поширення звуку

 

Поняття  звук, як правило, асоціюється зі слуховими відчуттями людини, що володіє нормальним слухом. Слухові відчуття викликаються коливаннями пружного середовища, які являють собою  механічні коливання, що поширюються в газоподібному, рідкому або твердому середовищі й, що впливають на органи слуху людини. При цьому коливання середовища сприймаються як звук тільки в певній області частот (16 Гц  -  20 кГц) і при звукових тисках, що перевищують поріг чутності людини.

Частоти коливань середовища, що лежать нижче й вище діапазону чутності, називаються відповідно інфразвуковими й ультразвуковими. Вони не мають відносини до слуховим відчуттів людини й сприймаються як фізичні впливи середовища.

 

1.3.Параметри звукової хвилі

Звукові коливання часток пружного середовища мають складний характер і можуть бути представлені у вигляді функції часу a = a(t) (рис 1.1, а).  

Найпростіший процес описується синусоїдою (мал. 1.1, б)

де amax - амплітуда коливань;

w = 2p f - кутова частота;

f - частота коливань.

Гармонійні коливання  з амплітудою amax і частотою f  називаються тоном. 

Складні коливання характеризуються ефективним значенням на тимчасовому періоді Т   

 

Рис. 1.1.   Коливання часток повітря.

 

Для синусоїдального процесу  справедливе співвідношення

Для кривих іншої форми відношення ефективного значення до максимального становить від 0 до 1.

Залежно від способу порушення коливань розрізняють:

• плоску звукову хвилю, створювану плоскою коливною поверхнею;
• циліндричну звукову хвилю, створювану радіально коливною бічною поверхнею циліндра;
• сферическую звуковую волну, сферичну крапковим джерелом коливань типу пульсуюча куля.  

Основними параметрами, що характеризують звукову  хвилю, є: 

• звуковий тиск  pзв, Па;
• інтенсивність звуку I, Вт/м2.  
• довжина звукової хвилі l, м;
• швидкість поширення хвилі з, м/с;  
• частота коливань f, Гц.

Якщо в суцільному середовищі збудити коливання, то вони розходяться в усі сторони. Наочним прикладом є  коливання хвиль на воді. При цьому варто розрізняти швидкість поширення механічних коливань  u (у нашім випадку видимі поперечні коливання води) і швидкість поширення дії, що обурює, з (поздовжні акустичні коливання).

З фізичної точки зору поширення коливань складається в передачі імпульсу руху від однієї молекули до іншої. Завдяки пружним межмолекулярним зв'язкам рух кожної з них повторює рух попередньої. Передача імпульсу вимагає певної витрати часу, у результаті чого рух молекул у крапках спостереження відбувається із запізнюванням стосовно руху молекул у зоні порушення коливань. Таким чином, коливання поширюються з певною швидкістю. Швидкість розповсюдження звукової хвилі с - це фізична властивість середовища.

Довжина хвилі l дорівнює довжині шляху, прохідного звуковою хвилею за один період Т: , де  з - швидкість звуку, Т = 1/f.

Звукові коливання в повітрі приводять до його стиску й розрідження. В областях стиску тиск повітря зростає, а в областях розрідження знижується. Різниця між тиском, що існує в обуреному середовищі pср у цей момент, і атмосферним тиском pатм, називається звуковим тиском (мал.  2.2). В акустику цей параметр є основним, через який визначаються всі інші.

                                              pзв = pср -  pатм                                                    (1.1)

 

Рис. 1.2.  Звуковий тиск

 

Середовище, у якій поширюється звук, має питомий акустичний опір zA, що виміряється в Па·с/м (або в кг/(м2·с) і являє собою  відношення звукового тиску pзв до коливальної швидкості часток середовища u

                                              

                                                    (1.2)

де  з - швидкість звуку, м;

     r - щільність середовища, кг/м3.

Звукова хвиля є носієм енергії в напрямку свого руху. Кількість енергії, стерпною звуковою хвилею за одну секунду через перетин площею 1 м2, перпендикулярне   напрямку руху, називається інтенсивністю звуку. Інтенсивність звуку визначається відношенням звукового тиску до акустичного опору середовища Вт/м2 :

                                                                                                             (1.3)

Для сферичної хвилі від джерела звуку з потужністю W, Вт інтенсивність звуку на поверхні сфери радіуса r дорівнює

тобто інтенсивність сферичної хвилі убуває зі збільшенням відстані від джерела звуку. У випадку плоскої хвилі інтенсивність звуку не залежить від відстані.

 

1.4 Акустичне поле і його характеристики

 

Поверхня тіла, що робить коливання, є випромінювачем (джерелом) звукової енергії, що створює акустичне поле.

Акустичним полем називають область пружного середовища, що є засобом передачі акустичних хвиль. Акустичне поле характеризується:

• звуковим тиском pзвуковим
• акустическим сопротивлением   zА, Па*с/м.

Енергетичними характеристиками акустичного поля є:

• интенсивность I, Вт/м2;
• потужність звуку W, Вт – кількість енергії, що проходить за одиницю часу через охвативающую джерело звуку поверхня.

Важливу роль при формуванні акустичного поля грає характеристика спрямованості звукоизлучения Ф , тобто кутовий просторовий розподіл звукового тиску, що утвориться навколо джерела.

Всі перераховані величини взаимосвязани і залежать від властивостей середовища, у якій поширюється звук.

Якщо акустичне поле не обмежене поверхнею й поширюється практично нескінченно, то таке поле  називають вільним акустичним полем.

Процес формування звукового поля в приміщенні пов'язаний з явищами реверберації й дифузії. 

Якщо в приміщенні починає діяти джерело звуку, то в перший момент часу маємо тільки прямій звук. По досягненні хвилею звуковідбиваючої перешкоди картина поля міняється через появу відбитих хвиль. Якщо у звуковому полі помістити предмет, розміри якого малі в порівнянні з довжиною звукової хвилі, то практично не спостерігається перекручування звукового поля. Для ефективного відбиття необхідно, щоб розміри перешкоди, що відбиває, були більше або дорівнюють довжині звукової хвилі.

Звукове поле, у якому виникає велика кількість відбитих хвиль із різними напрямками, у результаті чого питома щільність звукової енергії однакова по всьому полю, називається дифузним полем.

Після припинення джерелом випромінювання звуку акустична інтенсивність звукового поля зменшується до нульового рівня за нескінченний час. Практично вважається, що звук повністю загасає, коли його інтенсивність падає в 106 разів від рівня, що існує  в момент його вимикання. Будь-яке звукове поле як елемент коливного середовища має власну характеристику загасання звуку – реверберацією ("послезвучание").

 

1.5 Рівні акустичних величин

Людина відчуває звук у широкому діапазоні звукових тисків pзвукових. 

Стандартним порогом чутності  називають ефективне значення звукового тиску (інтенсивності), создаваемого гармонійним коливанням із частотою f = 1000 Гц, чотирикорпусн чутною людиною із середньою чутливістю слуху.

Стандартному порогу чутності відповідає звуковий тиск po=2·10-5 Па або інтенсивність звуку Io=10-12 Вт/м2. Верхня межа звукових тисків, що відчуваються слуховим апаратом людини, обмежується болючим відчуттям і прийнятий рівним pmax = 20 Па й Imax= 1 Вт/м2.  

Величина слухового відчуття L   при перевищенні звуковим тиском  pзв стандартного порога чутності визначається за законом психофізики Вебера - Фехнера:

,

де  q - деяка постійна, залежна від умов проведення експерименту.

З урахуванням  психофізичного сприйняття звуку людиною  для характеристики значень звукового тиску pзв і інтенсивності I  були уведені логарифмічні величини  – рівні  L (з  відповідним  індексом),  виражені  в  безрозмірних одиницях – децибелах, дБ, названих на честь Грейма – Біле (збільшення інтенсивності звуку в 10 разів відповідає 1 Белу (Б) – 1Б = 10 дБ):  

                                   

                              (1.5, а)

                                                                                                (1.5, б)

Слід зазначити, що при нормальних атмосферних умовах Lp =LI . 

За аналогією були уведені також і рівні звукової потужності

                                                                                            (1.5, в)   

де W0 =I0·S0 =10-12Вт – гранична звукова потужність на частоті 1000 Гц,  

S0= 1м2.    

Безрозмірні величини Lp, LI, Lw досить просто виміряються приладами, тому їх корисно використовувати для визначення абсолютних значень p, I, W по зворотним до (2.5) залежностей :

                                              ,                                                  (1.6, а)

                                                ,                                                     (1.6, б) 

                                                                                                  (1.6, в)

Рівень суми декількох величин визначається по їхніх рівнях   Li, i = 1, 2, ..., n співвідношенням

де n - кількість величин, що складаються.

Якщо складаються уровни, щоМ (Li=L), то:

                                                 

                                                (1,8)

 

1.6 Виробничий шум, його джерела й характеристики

 

Поняття шум досить суб'єктивно. Усякий небажаний у цей момент звук (або звуки) людина сприймає як шум. Ті самі звуки різними людьми можуть сприйматися по-різному.

Фізіологи й гігієністи визначають шум як звук, оцінюваний негативно й шкода, що наносить, здоров'ю.

Машини й механізми, використовувані на виробництві, є джерелами звуків різної частоти й інтенсивності, що змінюються в часі. Тому виробничий шум розглядають, як сукупність звуків різної інтенсивності й частоти, що безладно змінюються в часі й зухвалих у працюючі неприємні суб'єктивні відчуття.

 

1.7 Характеристики й види виробничих шумів

 

Виробничий шум характеризується спектром, що складається зі звукових хвиль різних частот. 

При дослідженні шумів звичайно чутний діапазон 16 Гц - 20 кГц  розбивають на смуги частот і визначають звуковий тиск, інтенсивність або звукову потужність, що доводяться на кожну смугу.

Як правило, спектр шуму характеризується рівнями названих величин, розподіленими по октавних смугах частот.

Смуга частот, верхня границя якої перевищує нижню у два рази, тобто  f2 = 2 f1 , називається октавою.

Для більше детального дослідження шумів іноді використовуються третьеоктавние смуги частот, для яких

Таблиця 2.5 - Класифікація шумів

Спосіб  класифікації	Вид шуму	Характеристика шуму
По характері спектра шуму	широкополосние	Безперервний спектр шириною більше однієї октави
	тональні	У спектрі якого є явно виражені дискретні тони
По тимчасових характеристиках	постійні	Рівень звуку за 8 вартовий робочий день змінюється не більше ніж на 5 дБ(А)
	непостійні:   коливні в часі   переривчасті   імпульсні	Рівень звуку за 8 вартовий робочий день змінюється  більш ніж на 5 дБ(А) Рівень звуку безупинно змінюється в часі Рівень звуку змінюється східчасто не більше ніж на 5 дб(А), тривалість інтервалу 1з і більше Складаються з одного або декількох звукових сигналів, тривалість інтервалу менше 1з

 

Октавна або третьеоктавная смуга звичайно задається среднегеометрической частотою:

,

Існує стандартний ряд среднегеометрических частот октавних смуг, у яких розглядаються спектри шумів (fсг хв = 31,5 Гц,  fсг макс = 8000 Гц).

По частотній характеристиці розрізняють шуми:

• низькочастотні ( fсг < 250);
• cреднечастотние (250 < fсг <= 500);
• високочастотні (500 < fсг <= 8000).

Виробничі шуми мають різні  спектральні й тимчасові характеристики, які визначають  ступінь їхнього впливу на людину. По цих ознаках шуми підрозділяють на кілька видів.

 

1.8 Джерела виробничого шуму і їхньої характеристики

По природі виникнення шуми машин або агрегатів діляться на:

• механические,
• аэродинамические и   гидродинамические,  
• электромагнитние.

При роботі різних механізмів, агрегатів, устаткування одночасно можуть виникати шуми різної природи.

Будь-яке джерело шуму характеризується, насамперед, звуковою потужністю. 

Звукова потужність джерела W, Вт – це загальна кількість звукової енергії, випромінюваної джерелом шуму в навколишній простір.

Якщо оточити джерело шуму замкнутою поверхнею площею S, то звукова потужність джерела:

де I(S), P(S) – закони розподілу інтенсивності звуку й звукового тиску по поверхні S.  

Для характеристики джерела шуму використовується також рівень звукової потужності   LW, дБ:

де W0 =I0 · S0 =  P02 · S0/r c  = 10-12Вт – гранична звукова потужність на частоті 1000  Гц, I0 =10-12Вт/м2, S0 = 1 м2.

Для визначення рівня звукової потужності джерела на деякому однаковому від нього відстані  r  в n крапках вимірюють рівень звукового тиску PI   і обчислюють:

                                                 

                                              (1.9)

де   S  - площа сфери радіусом r (якщо джерело розташоване на підлозі приміщення, то площа півсфери), 

Оскільки джерела виробничого шуму, як правило, випромінюють звуки різної частоти й інтенсивності, те повну шумову характеристику  джерела дає шумовий спектр - розподіл звукової потужності (або рівня звукової потужності) по октавних смугах частот.

Джерела шуму часто випромінюють звукову енергію нерівномірно по напрямках. Ця нерівномірність випромінювання характеризується коефіцієнтом Ф(j) - фактором спрямованості.

Фактор спрямованості  Ф(j) показує відношення інтенсивності звуку I(j), створюваного джерелом у напрямку з кутовою координатою j  до інтенсивності Iср, що розвив би в цій же крапці ненаправлене джерело, що має ту ж звукову потужність і випромінюючий звук в усі сторони рівномірно        

де  рср - звуковий тиск (усереднене в усіх напрямках на постійній відстані від джерела); p (j ) - звуковий тиск у кутовому напрямку j, обмірюване на тім же відстані від джерела.  

Характеристику спрямованості випромінювання можна описати через відповідні рівні в дБ:

             

         (1.10)

Стандартними шумовими характеристиками, які вказуються в прикладеній до машини технічної документації, є: 

• рівні звукової потужності , дБ в октавних полосах частот; 
• корегований по шкалі A рівень звукової потужності  LWА , дБА:

 

                                                                                               (1.11)

                                                         ,