ПРОЦЕССЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ЗАЩИТЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Защита от механических и акустических колебаний

Вибрация и шум являются упругими колебаниями твердых тел, газов и жидкостей.

Вибрация представляет собой механические колебательные движе­ния гармонического вида в механической системе. Причиной вибрации яв­ляются возникающие при работе машин и механизмов неуравновешенные силовые воздействия.

Основными параметрами вибрации являются: частота (Гц); амплиту­да смещения (м или см); виброскорость (м/с); виброускорение (м/с ); пери­од колебаний (с).

В практике виброакустики весь диапазон частот вибрации разбива­ется на октавные диапазоны. В каждом октавном диапазоне верхняя гра­ничная частота в два раза выше нижней, а средняя частота диапазона равна квадратному корню из произведения верхней и нижней частот. Средние геометрические частоты октавных диапазонов нормированы и находятся в интервале от 1 до 2000 Гц (всего 12 среднечастотных диапазонов).

По способу передачи принято различать локальную вибрацию, пере­даваемую через руки, и общую вибрацию, передаваемую через опорные поверхности сидящего или стоящего человека.

Наиболее опасны для человека частоты колебаний 6...9 Гц, так как они совпадают с собственной частотой колебаний внутренних органов челове­ка.

Различают гигиеническое и техническое нормирование производст­венных вибраций. При гигиеническом нормировании вибрации по ГОСТ 12.1.012-90 и СН 2.2.4/2.1.8.556-96 производится ограничение параметров производственной вибрации рабочих мест и поверхностей контакта вибро­опасных механизмов с руками работающего, исходя из физиологических требований; во втором случае осуществляется ограничение уровня вибра­ций с учетом технически достижимого уровня защиты от вибраций.

Нормируемые параметры локальной и общей вибраций - средние квадратичные значения виброскорости и виброускорения. Общая вибрация нормируется с учетом свойств источников ее возникновения и делится на транспортную, транспортно-технологическую и технологическую вибра­ции.

Вибрационные системы состоят из элементов массы, упругости и демпфирования. В такой системе действуют силы инерции, трения, упру­гости и вынуждающие.

Сила инерции равна произведению массы M на ее ускорение dv/dt: Fm = - M dv/dt, (10.4)

Где v - виброскорость.

Сила FM направлена в сторону, противоположную ускорению.

Сила действия упругого элемента, т. е. восстанавливающая сила, бу­дет направлена в противоположную сторону и равна

Fg = Gx, (10.5)

Где G - коэффициент жесткости упругого элемента, Н/м; X Х1 Х0 смещение конца упругого элемента, м.

При вибрации упругих систем происходит рассеяние энергии в ок­ружающую среду, а также в материале упругих элементов и в местах со­единений деталей конструкции. Эти потери вызываются силами трения (диссипативными силами), на преодоление которых необратимо рассеива­ется энергия источника вибрации.

Если рассеяние энергии происходит в элементе демпфирования, т. е. в среде с вязким сопротивлением, то диссипативная демпфирующая сила FS прямо пропорциональна виброскорости v:

Fs = Sv, (10.6)

Где S - импеданс (сопротивление) элемента демпфирования, Нм/с.

Импеданс вибросистемы складывается из импедансов элемента демпфирования, массы и упругости. Импеданс вибросистемы имеет мини­мальное значение в резонансной области, где он определяется импедансом элемента демпфирования. Вне резонансной области импедансом S можно пренебречь. В диапазоне высоких частот движение определяется вибри­рующей массой, M а в диапазоне низких частот - жесткостью системы G.

Коэффициент потерь энергии с учетом импеданса составит

П = raS/G. (10.7)

Защита от вибрации в промышленности осуществляется воздейст­вием на источник вибрации, путем снижения вибрации на пути ее распро­странения с использованием следующих методов:

1) Снижение вибрации путем уменьшения или ликвидации возму­щающих сил. Это достигается путем исключения возможных ударов и рез­ких ускорений.

2) Изменение частоты собственных колебаний источника (машины или установки) для исключение резонанса с частотой возмущающей силы.

3) Вибропоглощение (вибродемфирование) путем превращения энер­гии колебаний системы в тепловую энергию (использование материалов с большим внутренним трением: дерево, резина, пластмассы).

4) Виброгашение путем введения в колебательную систему дополни­тельных масс или увеличения жесткости системы путем установки агрега­тов на фундамент.

5) Метод виброизоляции путем ввода в систему дополнительной уп­ругой связи (пружинных виброизоляторов) для ослабления передачи виб­рации объекту защиты (смежному элементу конструкции или рабочему месту).

К основным характеристикам виброзащитных систем относятся собственная частота системы, механический импеданс и коэффициенты, определяющие процессы затухания вибраций и рассеяния энергии.

Свободная вибрация (Ft = 0) в отсутствии сил трения (FS = 0) с тече­нием времени не затухает.

При условии FM + Fg = 0 определяется собственная частота колеба­ний вибросистемы:

Ю0 = (G/M). (10.8)

При наличии сил трения (FS ф 0) свободная вибрация (Ft = 0) затуха­ет. Амплитуда виброскорости при этом с течением времени убывает.

Отношение потока энергии на входе в защитное устройство (ЗУ) и на выходе из него W/W называют силовым коэффициентом защиты при виброизоляции:

KF = W/W. (10.9)

Степень защиты также динамическим коэффициентом защиты kx, равным отношению амплитуды смещения источника к амплитуде смеще­ния приемника.

В общем случае энергетический коэффициент защиты можно выра­зить в виде

Kw = kF kx. (10.10)

В общем случае эффективность виброизоляции Sh = 10lg kw = 10lg[n2 + (®2W - 1)2] - 10lg(1 + n2). (10.11)

Если потери в защитном устройстве отсутствуют (n = 0), то эффек­тивность

Sh = 201g(tt2W - 1). (10.12)

Шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты и ин­тенсивности (силы), возникающих при механических колебаниях в твер­дых, жидких и газообразных средах.

По природе возникновения шумы делятся на механические, аэроди­намические, гидродинамические, электромагнитные.

Слуховые ощущения вызываются колебаниями упругой среды, рас­пространяющимися в газообразной, жидкой или твердой среде и воздейст­вующими на органы слуха человека.

Звуковые колебания в воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующим в среде Рср в дан­ный момент, и атмосферным давлением Ратм, называется звуковым давле­нием:

Рзв Рср - Ратм. (1°.13)

Звуковая волна является носителем энергии в направлении своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну се­кунду через пространство с площадью сечения 1 м2, перпендикулярному направлению движения, называется интенсивностью звука (Вт/м )

I = Рзв2/^4, (10.14)

Где zA - акустическое сопротивление среды, кг/(м с).

Поверхность тела, совершающая колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создают акустическое поле.

Акустическим полем называют область упругой среды, которая явля­ется средством передачи акустических волн. Акустическое поле характе­ризуется звуковым давлением Рзв и акустическим сопротивлением zA. Энергетическими характеристиками акустического поля являются: интен­сивность энергии I, мощность излучения W - количество энергии, прохо­дящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверх­ность, Вт.

Если звуковая волна встречает преграду с иным, чем акустическая среда, волновым сопротивлением, то часть звуковой энергии отражается от преграды, часть проникает в нее и поглощается преградой, превращаясь в тепло, а оставшаяся часть проникает сквозь преграду.

Свойства самой преграды и материала, покрывающего эту преграду, опре­деляются следующими показателями: 1) Коэффициент звукопоглощения

А = /попЛпад, (10.15)

Где /погл - поглощенная материалом или преградой звуковая энергия; /пад - падающая на преграду звуковая энергия.

2) Коэффициент отражения

В = /отр//пад, (10.16)

Где /отр - отраженная от преграды звуковая энергия.

3) Коэффициент звукоизоляции

Y = /пад//отр (10.17)

4) Коэффициент прохождения (проницаемости или проникновения)

Т = /пр//пад, (10.18)

Где /пр - прошедшая сквозь преграду звуковая энергия.

5) Коэффициент рассеяния от поверхности преграды

8 (/пад - ^погл - /пр)//пад. (1°.19)

Величины коэффициентов а, в, 8, т зависят от частоты звуковой волны.

Используя эти формулы, можно записать следующие соотношения:

А = 1 - в; в + 8 + т = 1. (10.20)

Для оценки и сравнения звукового давления Р (Па), интенсивности / (Вт/м ) и звуковой мощности W (Вт) различных источников приняты ха­рактеристики их уровней L, выраженные в безразмерных единицах (дБ) - децибелах:

Lp = 10 lg (P/P0)2; (10.21)

L/ = 10 lg (///0); (10.22)

Lw = 10 lg (W/W0), (10.23)

Где P0 = 210-5 Па - стандартное звуковое давление, соответствующее поро-

12 2

Гу слышимости; /0 = 10 Вт/м - интенсивность звука при пороге слыши-

-12

Мости; W0 = 10 Вт - опорная звуковая мощность.

Увеличение интенсивности звука в 10 раз соответствует одному белу (Б): 1Б =10дБ.

Методы борьбы с шумом подразделяют на методы по снижению шума в источнике его образования и методы по снижению шума на пути его распространения от источника.

Звукоизоляция - уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность.

Основными характеристиками звукоизоляции при использовании плотных преград являются масса преграды и частота звука. Акустические свойства конструкции, не имеющей отверстий и щелей, определяются, в основном, коэффициентами a и в, коэффициент т имеет значение в десят­ки раз меньше по сравнению с a и р.

Эффективность звукоизоляции оценивается в децибелах: Sh = 10lg(1/T) = 10lg(W7W~) =10ШІпад/Іпр). (10.24)

При наличии отдельных участков с более низкой звукоизоляцией, чем у основной конструкции, акустические свойства конструкции опреде­ляются коэффициентом прохождения т.

При достаточно большой собственной звукоизоляции пластины об­щая звукоизоляция преграды со сквозным отверстием равна:

Sh = 10 lg (S0/S), (10.25)

Где S0, S - площадь отверстия и площадь пластины соответственно, м.

Одним из эффективных средств снижения шума является примене­ние в конструкциях звукопоглощающих материалов. Эффективность зву­копоглощающих материалов по уменьшению шума определяется их коэф­фициентом звукопоглощения а. Для мягких пористых материалов значе­ние коэффициента а находится в пределах 0,2..0,9. Для плотных твердых материалов (кирпич, дерево) а составляет сотые доли единицы.

Единицей звукопоглощения является сэбин (сб), а полное звукопо­глощение материала:

A = a-S [сб], (10.26)

Где S - площадь данного материала, м2.

Ослабление шума в помещении при увеличении звукопоглощения

Стен:

AL = 10 lg(A2/Ax) = 10 lg(a2/a1) = 10 МІпоглУІпоглл), (10.27) где A1 и A2 - полное звукопоглощение помещения до внесения звукопогло­щающих материалов и после их внесения; a1 и a2 - коэффициенты звуко­поглощения помещения до внесения звукопоглощающих материалов и по­сле их внесения.

Уровни звукового давления в расчетных точках не должны превос­ходить уровней, допустимых по нормам во всех октавных полосах. Тре­буемое снижение уровней звукового давления (дБА) определяется по фор­муле:

ALp, тр = Lp - -^.дош (10.28)

Где Lp - измеренный уровень звукового давления в рабочей точке; Lp^u - допустимые уровни звукового давления согласно действующим нормати­вам.