17.1. Действие шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации на организм человека

Эксплуатация современного промышленного оборудования и средств транспорта сопровождается значительным уровнем шума и вибрации, негативно влияющих на состояние здоровья работающих.

Рассмотрим основные физические характеристики шума, вибрации, ультра- и инфразвука.

Шум – это сочетание звуков различной частоты и интенсивности. С физиологической точки зрения шумом называют любой нежелательный звук, оказывающий вредное воздействие на организм человека.

Звуковые колебания, воспринимаемые органами слуха человека, являются механическими колебаниями, распространяющимися в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной).

Основным признаком механических колебаний является повторность процесса движения через определенный промежуток времени. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называют периодом колебаний (Т), а обратную ему величину – частотой колебаний (f). Эти величины связаны между собой простым соотношением:

(17.1)

где f – частота колебаний в герцах (Гц);

Т – период колебаний в секундах, с.

Таким образом, частота колебаний определяет число колебаний, произошедших за 1 секунду. Единица измерения частоты – герц (Гц), 1 Гц=1 с-1.

Для характеристики колебаний используют также циклическую частоту (?, с-1), которая определяется как число колебаний, происходящих за 2? секунд. Между обычной и циклической частотами существует следующая связь:

                            (17.2)

Циклическая частота и период колебаний связаны следующим соотношением:

                            (17.3)

Одним из наиболее частых видов колебаний, существующих в природе, являются гармонические колебания (рис.

(17.4)

где              х – смещение тела от положения равновесия;

? – циклическая частота колебаний;

t – время.

Максимальное значение смещения от положения равновесия (xm) называется амплитудой колебания. Величина, стоящая под знаком косинуса, называется фазой гармонического колебания:

.                            (17.5)

Фаза колебаний начальный момент времени t = 0 называется начальной фазой. Фаза колебания характеризуется величиной и направлением отклонения колебания от положения равновесия в зависимости от времени.

Колебания в упругой среде не ограничиваются центром возбуждения этих колебаний. Колеблющиеся частицы среды передают свою энергию соседним частицам. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. Каждая из частиц среды при этом колеблется около положения устойчивого равновесия. Поверхность, которая отделяет колеблющиеся частицы от частиц, пока еще не пришедших в колебательное движение, называют фронтом волны. Совокупность точек, колеблющихся в одинаковых фазах, образует волновую поверхность. Все точки фронта волны имеют нулевую фазу. Отсюда следует, что фронт волны представляет собой одну из волновых поверхностей. Фронт волны расположен перпендикулярно к направлению распространения волны. По форме фронта волны различают плоские и сферические (рис. 17.2). Расстояние между двумя соседними частицами, находящимися в одинаковом режиме движения или в одинаковой фазе, называется длиной волны X. На рис. 17.1 представлено графическое изображение гармонических колебаний и также показана длина волны.

Рис.

Источник звуковых колебаний, возбуждающий плоские волны, представляет собой плоскую поверхность, размер которой существенно больше длины волны. Фронты этих волн расположены параллельно плоскости возбуждения.

Сферическая волна создается маленьким по сравнению с длиной волны возбудителем колебаний – точечным источником звуковых колебаний. При очень большом (бесконечном) удалении источника звуковых колебаний сферические волны могут частично становиться плоскими.

Тип распространяющейся в звукопроводящем материале волны зависит от его вида и размеров, а также от длины волны. Рассмотрим важный с практической точки зрения случай распространения звуковых волн в неограниченных средах, размеры которых значительно больше длины волны. В этих средах распространяются продольные и поперечные волны. В продольной волне меняются местами зоны сжатия (области с повышенным давлением) и зоны растяжения (области с пониженным давлением). Поэтому другое название этих волн – волны сжатия (волны давления). Для этих волн направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. В природе такой тип волн распространяется в твердых, жидких и газообразных средах, например слышимый звук в воздухе.

Для поперечных волн направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Эти волны также носят название сдвиговых волн, так как вызывают в звукопроводящем материале сдвиг. Они могут распространяться только в твердой среде.

Скорость V распространения колебаний в пространстве называется скоростью волны. Связь между длиной волны ?, скоростью волны V и периодом колебания T дается выражением:

?=VT,                                          (17.6)

откуда  V=                                                                                                  (17.7)

Учитывая, что частота колебания связана с периодом соотношением (17.1), скорость волны можно выразить через частоту:

V=?f.

Скорость распространения звуковых волн в газообразной среде (идеальный газ) определяется выражением:

                            (17.8)

где              Х – показатель адиабаты (постоянная величина, для воздуха равная 1,41);

Р – давление газа;

? – плотность газа.

По современным измерениям скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 331 м/с. В табл. 17.1 приведены скорости распространения звуковых волн в различных веществах при комнатной температуре.

Звуковые волны переносят энергию. Для характеристики среднего потока энергии в какой-либо точке среды вводят понятие интенсивности звука – это количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, нормальной (расположенной под углом 90°) к направлению распространения волны. Интенсивность звука выражается следующим образом:

                            (17.9)

где              I – интенсивность звука, Вт/м2;

Р – звуковое давление (разность между мгновенным значением полного давления и средним значением давления, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля). Па;

? – плотность среды, кг/м3;

С – скорость звука в среде, м/с.

Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха и вызываемое ею ощущение громкости зависят от звукового давления. Звуковое давление – это дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости при нахождении там звуковой волны.

В природе величины звукового давления и интенсивности звука, генерируемые различными источниками шума, меняются в широких пределах: по давлению – до 108 раз, а по интенсивности – до 1016 раз. В соответствии с законом Вебера – Фехнера прирост силы ощущения анализатора человека, в том числе и слухового, пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражений.

Уровень интенсивности звука определяют по формуле:

L1=                                          (17.10)

где              L1              – уровень интенсивности в децибелах (дБ);

I              – интенсивность звука, Вт/м2;

I0                            – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (I0 – постоянная величина; I0 = 10-12 Вт/м2 на частоте 1000 Гц).

Человеческое ухо, а также многие акустические приборы реагируют не на интенсивность звука, а на звуковое давление, уровень которого определяется по формуле:

                            (17.11)

где              Р – звуковое давление. Па;

P0 – пороговое звуковое давление (P0 – постоянная величина, P0 = 2•10-5 Па на частоте 1000 Гц).

Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления определяется следующим выражением:

L1=                            (17.12)

где ?0 и С0 – соответственно плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных условиях, т. е. при t = 20 ?С и P0 = 105 Па;

? и С – плотность среды и скорость звука в условиях измерения.

При распространении звука в нормальных атмосферных условиях LI= Lp. При расчетах уровня шума используют величину интенсивности звука, а для оценки воздействия шума на человека – уровень звукового давления.

Человеческое ухо воспринимает как слышимые колебания, лежащие в пределах от 20 до 20 000 гц. Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный (20–400 гц), среднечастотный (400–1000 гц) и высокочастотный (свыше 1000 гц).

Ультразвуковой диапазон частот делится на два поддиапазона – низкочастотный (20–100 кГц) и высокочастотный (100 кГц– 1000 МГц). Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами и во много раз слабее – жидкостями. Так, например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде. Ультразвуки применяются в промышленности для контрольно-измерительных целей (дефектоскопия, измерение толщины стенок трубопроводов и др.), а также для осуществления и интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, сварка, пайка, дробление и т.д.). Ультразвуки ускоряют протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций.

Инфразвук – это область акустических колебаний в диапазоне ниже 20 Гц. В производственных условиях инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, а в ряде случаев и с низкочастотной вибрацией. Источниками инфразвука в промышленности являются компрессоры, дизельные двигатели, вентиляторы, реактивные двигатели, транспортные средства и др.

Характеристиками ультразвуковых и инфразвуковых колебаний, как и в случае звуковых волн, являются уровень интенсивности (Вт/м2), уровень звукового давления (Па) и частота (Гц).

Рассмотрим, как действуют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрация на организм человека.

Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120-130 дБ, вызывают болевое ощущение и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма). В табл. 17.2 представлены уровни различных звуков.

Разрыв барабанных перепонок в органах слуха человека происходит под воздействием шума, уровень звукового давления которого составляет ? 186дБ. Воздействие на организм человека шума, уровень которого около 196 дБ, приведет к повреждению легочной ткани (порог легочного повреждения).

Однако не только сильные шумы, приводящие к мгновенной глухоте или повреждению органов слуха человека, вредно отражаются на здоровье и работоспособности людей. Шумы небольшой интенсивности, порядка 50–60дБА1, негативно воздействуют на нервную систему человека, вызывают бессонницу, неспособность сосредоточиться, что ведет к снижению производительности труда и повышает вероятность возникновения несчастных случаев на производстве. Если шум постоянно действует на человека в процессе труда, то могут возникнуть различные психические нарушения, сердечно-сосудистые, желудочно-кишечные и кожные заболевания, тугоухость.

1 В дБА выражается уровень шума, замеренный по шкале А шумомера, конструкция и принцип работы которого изложены далее.

Последствия воздействия шума небольшой интенсивности на организм человека зависят от ряда факторов, в том числе возраста и состояния здоровья работающего, вида трудовой деятельности, психологического и физического состояния человека в момент действия шума и ряда других факторов. Шум, производимый самим человеком, обычно не беспокоит его. В отличие от этого посторонние шумы часто вызывают сильный раздражающий эффект. Если сравнивать шумы с одинаковым уровнем звукового давления, то высокочастотные шумы (f > 1000 Гц) более неприятны для человека, чем низкочастотные (f < 400 Гц). В ночное время шум с уровнем 30–40 дБА является серьезным беспокоящим фактором.

При постоянном воздействии шума на организм человека могут возникнуть патологические изменения, называемые шумовой болезнью, которая является профессиональным заболеванием.

Инфразвук также оказывает негативное влияние на органы слуха, вызывая утомление, чувство страха, головные боли и головокружения, а также снижает остроту зрения. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека инфразвуковых колебаний с частотой 4–12 Гц.

Вредное воздействие ультразвука на организм человека выражается в нарушении деятельности нервной системы, снижении болевой чувствительности, изменении сосудистого давления, а также состава и свойств крови. Ультразвук передается либо через воздушную среду, либо контактным путем через жидкую и твердую среду (действие на руки работающих). Контактный путь передачи ультразвука наиболее опасен для организма человека.

Рассмотрим воздействие вибрации на организм человека. Вибрация - это совокупность механических колебаний, простейшим видом которых являются гармонические. В ГОСТе 24346-80 «Вибрация. Термины и определения» вибрация определяется как движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений по крайней мере одной координаты. Вибрацию вызывают неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе различных машин и механизмов. Примером таких устройств могут служить ручные перфораторы, кривошипно-шатунные механизмы и другие, детали которых совершают возвратно-поступательные движения. Вибрацию также создают неуравновешенные вращающиеся механизмы (электродрели, ручные шлифовальные машины, металлообрабатывающие станки, вентиляторы и т.д.), а также устройства, в которых движущиеся детали совершают ударные воздействия (зубчатые передачи, подшипники и т.д.). В промышленности также используются специальные вибрационные установки, в частности, при уплотнении бетонных смесей, при дроблении, измельчении и сортировке сыпучих материалов, при разгрузке транспортных средств и в ряде других случаев.

Если вибрирующая система совершает гармонические колебания (17.2), то для ее описания используют следующие характеристики: амплитуду виброперемещения, т. е. наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения равновесия, Хт, м; колебательную скорость, или виброскорость, am, м/с; ускорение колебаний, или виброускорение, Vm, м/с2; период колебаний, Т, с; частоту колебаний, f, гц.

Если вибрации имеют несинусоидальный характер, то их можно представить в виде суммы синусоидальных (гармонических) составляющих с помощью разложения в ряд Фурье.

Значения виброскорости и виброускорения для различных источников изменяются в очень широких пределах, поэтому, как и для шума, удобнее пользоваться их логарифмическими характеристиками. Так, логарифмический уровень виброскорости (или просто уровень виброскорости) определяется по формуле:

                            (17.13)

где              Lv              – уровень виброскорости, дБ;

V              – колебательная скорость, м/с;

V0              – пороговое значение колебательной скорости, стандартизованное в международном

   масштабе (V0 = 5•10-8 м/с).

По аналогии логарифмический уровень виброускорения может быть определен следующим образом:

,                            (17.14)

где              La              – уровень виброускорения, дБ;

а              – ускорение колебаний, м/с2;

а0              – пороговое значение ускорения колебаний, стандартизованное в международном

   масштабе (а0 = 3 • 10-4 м2 /с).

Необходимо различать общую и местную вибрации. Общая вибрация действует на весь организм в целом, а местная – только на отдельные части его (верхние конечности, плечевой пояс, сосуды сердца).

При воздействии общей вибрации наблюдаются нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы

сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению подвижности. Если частоты колебания рабочих мест совпадают с собственными частотами колебаний внутренних органов человека1 (явление резонанса), то возможно механическое повреждение данных органов вплоть до разрыва.

1 Для большинства внутренних органов человека частоты собственных колебаний составляют 6–9 Гц.

При действии на руки работающих местной вибрации (вибрирующий инструмент) происходит нарушение чувствительности кожи, окостенение сухожилий, потеря упругости кровеносных сосудов и чувствительности нервных волокон, отложение солей в суставах кистей рук и пальцев и другие негативные явления. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию – вибрационной болезни, эффективное лечение которой возможно лишь на начальной стадии ее развития.

Рассмотрим теперь вопросы, связанные с нормированием шума, инфра- и ультразвука, вибрации.

Шум нормируется на рабочих местах согласно ГОСТу 12.1.003-83 и СН № 3223-85 «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах». В указанных нормативных документах предусмотрены два метода нормирования шума: по предельному спектру шума и по интегральному показателю – эквивалентному уровню шума в дБА. Выбор метода нормирования в первую очередь зависит от временных характеристик шума. По этим характеристикам все шумы подразделяются на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется не более чем на 5 дБА, и непостоянные, аналогичная характеристика которых изменяется за рабочий день более чем на 5 дБА.

Нормирование по предельному спектру шума является основным для постоянных шумов. Предельный спектр шума – это совокупность нормативных значений звукового давления на следующих стандартных среднегеометрических частотах: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. В табл. 17.3 представлены допустимые уровни шума на различных рабочих местах.

Сокращенно предельные спектры шума обозначаются ПС (предельный спектр) с указанием допустимого уровня звукового давления на частоте 1000 Гц, например: ПС-45, ПС-55, ПС-75 и др. Постоянный шум на рабочих местах не должен превышать нормированных уровней, представленных в ГОСТе 12.003-83.

Существует и другой метод нормирования шума, устанавливающий предельно допустимые уровни как постоянного, так и непостоянного шума. Он основан на измерении шума по стандартной шкале А шумомера1. Эта шкала имитирует частотную чувствительность человеческого уха. Уровень шума, измеренный по шкале А шумомера, обозначается дБА. Постоянные шумы предпочтительно характеризовать по предельному спектру шума, а непостоянные – только в дБА.

1 Как следует из названия, шумомером называют прибор для измерения шума. Устройство этого прибора описано в §17.2.

Рассмотрим, как определяются предельные значения инфразвука. Чаще всего в условиях производства инфразвук сочетается с низкочастотным шумом и вибрацией. Как и в случае шума, инфразвук измеряется шумомерами.

Инфразвук подразделяется на постоянный, уровень звукового давления которого, измеренного по стандартной шкале «линейная» шумомера, изменяется не более чем на 10 дБ за время наблюдения 1 мин, и непостоянный, аналогичная характеристика которого изменяется не менее чем на 10 дБ за тот же период наблюдения. Для постоянного инфразвука нормируется уровень звукового давления на частотах 2, 4, 8, 16 и 31,5 Гц, а для непостоянного – общий уровень звукового давления по стандартной шкале «линейная» шумомера, дБ. Предельно допустимые уровни инфразвука, установленные «Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах», показаны в табл. 17.4.

Допустимый уровень ультразвука нормируется в соответствии с ГОСТом 12.1.003-83 и Санитарными нормами № 2282-801. Весь ультразвуковой диапазон частот принято подразделять на низкочастотный с частотой колебаний до 100 кГц и высокочастотный (от 100 до 1 000 000 кГц). Низкочастотные колебания распространяются как воздушным, так и контактным путем, а высокочастотные – только контактным. Для низкочастотных ультразвуковых колебаний в соответствии с названными выше нормативными документами установлены следующие предельные значения звукового давления на рабочих местах:

1 Полные названия этих нормативных документов: ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности» и СН № 2282-80 «Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый локальным путем на руки работающих».

Если ультразвуковые колебания передаются на руки и другие части тела работающих контактным путем, то уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ.

Как уже сказано выше, различают общую вибрацию, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную (местную), передающуюся через руки человека.

В зависимости от источника возникновения выделяют три категории вибрации: транспортная; транспортно-технологическая; технологическая.

Вибрацию нормируют в соответствии с ГОСТом 12.1.012-78 «ССБТ. Вибрация. Общие требования безопасности», а также в соответствии с СН № 3044-84 «Санитарные нормы вибрации рабочих мест» (общая вибрация) и СН № 3041-84 «Санитарные нормы и правила при работе с машинами и оборудованием, создающими локальную вибрацию, передающуюся на руки работающих».

Для каждой из трех категорий вибрации нормируют величины виброскорости и виброускорения как в линейных единицах (м/с и м/с2), так и в логарифмических (дБ) в зависимости от частоты вибрации. Общая вибрация нормируется в диапазоне частот 0,8–80 Гц, а местная (локальная) – в диапазоне частот 8–1000 Гц. Обычно вибрация включает как горизонтальную, так и вертикальную составляющие, поэтому при ее нормировании учитывают направление действия вибрации. При этом используют следующие обозначения: Z – вертикальная ось, а Х и Y – горизонтальные оси. В табл. 17.5 и 17.6 представлены примеры нормирования как общей, так и локальной вибрации. class="lazyload" data-src="/files/uch_group37/uch_pgroup18/uch_uch774/image/291.jpg" alt="" />

17.2. Основные методы борьбы с шумом, инфра- и ультразвуком и вибрацией

Рассмотрим основные методы борьбы с шумом, инфра- и ультразвуком, а также с вибрацией.

Различные механические, аэродинамические и электромагнитные явления являются причиной возникновения шумов. Механические шумы возникают при работе различных машин и механизмов и вызваны трением и соударениями составляющих их деталей, ударными процессами, используемыми в производстве (ковка, штамповка) и рядом других факторов. Аэродинамические и гидродинамические шумы возникают при течении газов и жидкостей. Электромагнитные шумы обычно сопровождают работу различных электрических установок. Перечислим основные способы, используемые для снижения шума в производственных помещениях.

Наиболее рациональный способ уменьшения шума – снижение звуковой мощности его источника (машины, установки, агрегата и т.д.). Уровень звуковой мощности (Lp) рассчитывается по следующей формуле:

Lp= 10LgP/P0,                            (17.15)

где              Р              – звуковая мощность, Вт;

P0              – пороговая звуковая мощность, равная 10-12 Вт;

Lp              – уровень звуковой мощности, дБ.

Этот способ борьбы с шумом носит название уменьшения шума в источнике его возникновения. Снижение механических шумов достигается: улучшением конструкции машин и механизмов, заменой деталей из металлических материалов на пластмассовые, заменой ударных технологических процессов на безударные (например, клепку рекомендуется заменять сваркой, штамповку – прессованием и т.д.), применением вместо зубчатых передач в машинах и механизмах других видов передач (например, клиноременных) или использованием зубчатых передач, не издающих громких звуков (например, при использовании не прямозубых, а косозубых или шевронных шестерен), нанесением смазки на трущиеся детали и рядом других мероприятий.

Эффективность некоторых из перечисленных мероприятий по снижению уровня шума представлена ниже:

Как уже сказано выше, аэродинамические и гидродинамические шумы сопровождают течение жидкости или газа. Эти шумы также возникают при работе вентиляторов, компрессоров, газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, при выпуске пара или воздуха в атмосферу, при вращении винтов самолета, при работе насосов для перекачки жидкостей и др.

Для уменьшения аэродинамических и гидродинамических шумов рекомендуются снижение скорости обтекания газовыми или воздушными потоками препятствий, улучшение аэродинамики тел, работающих в контакте с потоками; снижение скорости истечения газовой струи и уменьшение диаметра отверстия, из которого эта струя истекает; выбор оптимальных режимов работы насосов для перекачивания жидкостей; правильное проектирование и эксплуатация гидросистем и ряд других мероприятий. Часто не удается уменьшить аэродинамические шумы в источнике их возникновения, поэтому приходится использовать другие методы борьбы с этими шумами (использование звукоизоляции источника, установка глушителей).

Для борьбы с шумами электромагнитного происхождения рекомендуется тщательно уравновешивать вращающиеся детали электромашин (ротор, подшипники), осуществлять тщательную притирку щеток электродвигателей, применять плотную прессовку пакетов трансформаторов и т.д.

Следующим способом снижения шума является изменение направленности его излучения. Этот способ применяется в том случае, когда работающее устройство (машина, агрегат, установка) направленно излучает шум. Примером такого устройства может служить труба для сброса в атмосферу сжатого воздуха. Правильное расположение этой трубы представлено на рис. 17.3. Направленная звуковая волна должна быть ориентирована в противоположную от рабочего места или жилого строения сторону.

Если на территории предприятия расположен один или несколько шумных цехов, то их рекомендуется сосредоточить в одном-двух местах, максимально удаленных от остальных производств. При расположении предприятия на территории города шумные производства должны находиться на значительном удалении от жилых домов. Это мероприятие по борьбе с шумом называется рациональной планировкой предприятий и цехов.

Следующий способ борьбы с шумом связан с уменьшением звуковой мощности по пути распространения шума (звукоизоляция). Практически это достигается использованием звукоизолирующих ограждений, звукоизолирующих кабин и пультов управления, звукоизолирующих кожухов и акустических экранов.

К звукоизолирующим ограждениям относятся стены, перекрытия, перегородки, остекленные проемы, окна, двери. Основная количественная характеристика эффективности звукоизолирующих свойств ограждений – коэффициент звукопроницаемости ? (безразмерная величина), который может быть рассчитан по следующей формуле:

                            (17.16)

где и – интенсивности прошедшего через ограждение и падающего звука, Вт/м2);

и – звуковое давление прошедшего через ограждение и падающего звука, Па.

Используется и другая величина, называемая звукоизолирующей способностью ограждения (R, дБ). Она находится из следующего выражения:

                            (17.17)

Для практических расчетов звукоизолирующей способности однослойных ограждений применяется формула:

R = 20 Lg (m0f) - 47,5,                            (17.18)

где              m0              – масса 1 м2 ограждения, кг;

f              – частота звука, Гц.

Из формулы (17.18) следует, что звукоизолирующая способность конструкции тем выше, чем больше ее поверхностная плотность (чем тяжелее материал, из которого изготовлена конструкция). Кроме того, звукоизолирующие свойства ограждения возрастают с повышением частоты звука. Однако пользоваться формулой (17.18) для расчета R следует со значительной долей осторожности, так как в ней не учтено влияние жесткости и размеров ограждения. Для корректного расчета R необходимо пользоваться методиками, изложенными в специальной литературе1.

1 Хорошим пособием для расчета может служить специальный справочник «Средства защиты в машиностроении»/ Под ред. С.В.Белова. – М.: Машиностроение, 1989. – 368 с.

В качестве материалов для звукоизолирующих ограждений рекомендуется использовать бетон, железобетон, кирпич, керамические блоки, деревянные полотна (для изготовления дверей), стекло и т.д.

Звукоизолирующими кожухами обычно полностью закрывают издающее шум устройство (машину, агрегат, установку и т.д.). Кожухи изготавливают из листового металла (сталь, дюралюминий и т.д.) или пластмассы. Как и в случае звукоизолирующих ограждений, кожухи более эффективно снижают уровень шума на высоких частотах, чем на низких. Так, например, стальной кожух с размером стенки 4х4 м и толщиной стенки 1,5–2 мм обеспечивает снижение шума на частоте f = 63 Гц на 21 дБ, а на частоте f = 4000 Гц – на 50 дБ.

Звукоизолирующие кабины применяют для размещения пультов управления и рабочих мест в шумных цехах. Их изготавливают из кирпича, бетона и подобных материалов или из металлических панелей.

Акустические экраны представляют собой конструкцию, изготовленную из сплошных твердых листов (металлических и т.п.) толщиной 1,5–2 мм, с покрытой звукопоглощающим материалом поверхностью. Эти экраны устанавливаются на пути распространения звука. За ними возникает зона звуковой тени. Основной акустический эффект (снижение уровня шума) достигается в результате отражения звука от этих конструкций.

В производственных помещениях уровень звука существенно повышается из-за отражения шума от строительных конструкций и оборудования. Для снижения уровня отраженного звука применяют специальную акустическую обработку помещения с использованием средств звукопоглощения, к которым относятся звукопоглощающие облицовки и штучные звукопоглотители. Как следует из названия этих материалов, они не отражают шум, а поглощают его. При этом колебательная энергия звуковой волны переходит в тепловую (диссипирует) вследствие потерь на трение в звукопоглотителе. Для звукопоглощения используют пористые материалы (т. е. материалы, обладающие несплошной структурой), так как потери на трение в них наиболее значительны. (И наоборот, звукоизолирующие конструкции, отражающие шум, изготавливают из массивных, твердых и плотных материалов).

Количественной характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения а, который определяется выражением:

                            (17.19)

где              - падающая звуковая энергия;

- поглощенная звуковая энергия;

- отраженная звуковая энергия.

Звукопоглощающими называют материалы, у которых величина ? превышает 0,2. Примером этих материалов могут служить плиты и маты из минеральной ваты, базальтового и стеклянного волокна, акустические плиты с зернистой или волокнистой структурой типа «Акмигран», «Акминит», «Силак-пор» и др.

Штучные звукопоглотители представляют собой объемные звукопоглощающие тела, изготовленные в виде конуса, куба, параллелепипеда и подвешенные к потолку помещения.

Остановимся на способах борьбы с аэродинамическим шумом. Для этого используют устройства, называемые глушителями шума. Различают абсорбционные, реактивные и комбинированные глушители. В первом из них затухание аэродинамического шума происходит в порах звукопоглощающих материалов, заполняющих глушитель.

Реактивные глушители отражают звуковую энергию обратно к источнику. В комбинированных глушителях снижение шума достигается за счет сочетания поглощения и отражения звука.

Некоторые способы защиты от инфразвука аналогичны способам защиты от шума. К ним следует отнести снижение уровня инфразвука в его источнике, увеличение жесткости колеблющихся конструкций, применение глушителей реактивного типа. Вместе с тем такие известные методы борьбы с шумом, как звукоизоляция и звукопоглощение, малоэффективны при инфразвуке. Значительно более эффективный подход – борьба с инфразвуком в источнике его возникновения.

Как известно, одним из основных промышленных источников инфразвука являются различные тихоходные машины, число рабочих циклов которых не превышает 20 в секунду (двигатели внутреннего сгорания, компрессоры, вентиляторы и т.д.). Если существует техническая возможность повышения быстроходности этих машин, то возможно обеспечить перевод максимума их звуковой мощности в диапазон слышимых частот, после чего применяют описанные выше методы борьбы с шумом.

Для снижения или исключения вредного воздействия ультразвука, передающегося воздушным путем, ультразвуковые установки рекомендуется размещать в специальных помещениях, используя для проведения технологических процессов на них системы дистанционного управления. Большой эффект дает автоматизация этих установок.

Более экономичный способ защиты от воздействия ультразвука заключается в использовании звукоизолирующих кожухов, которыми закрываются ультразвуковые установки, или экранов, располагающихся на пути распространения ультразвука. Эти экраны изготавливают из листовой стали или дюралюминия, пластмассы (гетинакса) либо из специальной резины. Например, применение кожухов на некоторых ультразвуковых установках позволяет снизить уровень ультразвука на 60–80 дБ.

Основные методы защиты от вибрации делятся на две большие группы: снижение вибрации в источнике ее возникновения; уменьшение параметров вибрации по пути ее распространения от источника.

Для того чтобы снизить вибрацию в источнике ее возникновения, необходимо уменьшить действующие в системе переменные силы. Это достигается заменой динамических технологических процессов статическими (например, ковку и штамповку рекомендуется заменять прессованием, операцию ударной правки – вальцовкой, пневматическую клепку – сваркой и т.д.). Рекомендуется также тщательно выбирать режимы работы оборудования, чтобы вибрация была минимальной. Большой эффект дает тщательная балансировка вращающихся механизмов, применение специальных редукторов с низким уровнем вибрации и другие мероприятия.

Важно, чтобы собственные частоты вибрации агрегата или установки не совпадали с частотами переменных сил, вызывающих вибрацию. В противном случае может возникнуть резонанс, в результате чего резко увеличится амплитуда колебаний (виброперемещение) устройства, что может привести к его поломке или разрушению. Исключить резонансные режимы работы оборудования и тем самым снизить уровень вибрации можно либо путем изменения массы и жестокости вибрирующей системы, либо установлением нового режима работы агрегата.

Следующий метод защиты от вибрации называется вибродемпфированием (вибропоглощением), под которым понимают превращение энергии механических колебаний системы в тепловую. Это достигается использованием в конструкциях вибрирующих афегатов специальных материалов (например, сплавов систем медь–никель, никель–титан, титан–кобальт), применением двухслойных материалов типа сталь-алюминий, сталь-медь. Хорошей вибродемпфирующей способностью обладают и традиционные материалы: пластмассы, дерево, резина. Значительный эффект достигается при нанесении на колеблющиеся детали вибропоглощающих покрытий. Пример таких покрытий – различные упруговязкие материалы, такие, как пластмасса или резина, а также различные мастики. Известными вибропоглощающими мастиками являются так называемые «Антивибриты» («Антивибрит–2», «Антивибрит–3»), изготавливаемые на основе эпоксидных смол.

Виброгашение, или динамическое гашение, колебаний достигается в первую очередь установкой вибрирующих машин и механизмов на прочные массивные фундаменты. Массу фундамента рассчитывают таким образом, чтобы амплитуда колебаний его подошвы была в пределах 0,1–0,2 мм, а для особо важных сооружений – 0,005 мм.

Если какой-либо агрегат колеблется с определенной частотой, то снизить его вибрацию можно установкой на агрегат динамического виброгасителя – самостоятельной колебательной системы, обладающей массой т и жесткостью q. При этом для вибрации защищаемого агрегата его частота колебаний f и частота колебаний виброгасителя f0 должны находиться в следующем соотношении: />                             (17.20)

Закрепленный жестко на защищаемом агрегате виброгаситель колеблется в противофазе с основной установкой, в результате чего снижается уровень вибрации. Однако он действует на определенной (фиксированной) частоте колебаний, соответствующей резонансному режиму работы. При изменении частоты колебаний основной установки резонанс между ней и виброгасителем пропадает, в результате резко снижается эффективность его работы.

Достаточно эффективным способом защиты является виброизоляция, которая заключается в уменьшении передачи колебания от вибрирующего устройства к защищаемому объекту помещением между ними упругих устройств. Эти устройства называются виброизоляторами. Эффективность виброизоляторов характеризуется коэффициентом передачи (КП), который рассчитывается по следующей формуле:

КП = ,                            (17.21)

где   – амплитуда силы, передаваемой на несущую конструкцию;

– амплитуда переменной силы, создаваемой вибрирующим агрегатом.

В качестве виброизоляторов используют пружинные опоры либо упругие прокладки из резины, пробки и т.д. Возможно использование сочетания этих устройств (комбинированные виброизоляторы).

Для уменьшения вибрации ручного инструмента его ручки выполняются с использованием упругих элементов – виброизоляторов, снижающих уровень вибрации.

Рассмотренные выше методы защиты от шума, инфра- и ультразвука, а также от вибрации относятся к коллективным методам защиты.

К средствам индивидуальной защиты от шума относятся противошумные вкладыши, наушники и шлемы. Противошумные вкладыши вставляют в слуховой канал и перекрывают его. В зависимости от частоты они обеспечивают снижение уровня шума на 5–20 дБ. Их изготавливают из специального ультратонкого волокна, а также из резины или эбонита. Это наиболее дешевые и компактные индивидуальные средства защиты слуха человека, однако они могут вызвать раздражение слухового прохода.

Акустические характеристики противошумных наушников более эффективны, чем вкладышей. В зависимости от частоты они обеспечивают снижение шума на 7–47 дБ. Наиболее эффективно наушники обеспечивают защиты на высоких частотах.

При очень высоких уровнях шума (более 120дБ) применяют шлемы.

В качестве индивидуальных средств защиты от контактного действия ультразвука можно рекомендовать применение специальных инструментов с изолированными ручками (покрытыми пористой резиной или поролоном), а также использовать резиновые перчатки.

К средствам индивидуальной зашиты от вибраций относятся специальные рукавицы, перчатки и прокладки. Для защиты ног используют виброзащитную обувь, снабженную прокладками из упругодемпфирующих материалов (пластмассы, резины или войлока). С целью профилактики вибрационной болезни персонала, работающего с вибрирующим оборудованием, необходимо строго соблюдать режимы труда и отдыха, чередуя при этом рабочие операции, связанные с воздействием вибрации, и без нее.

Для измерения уровня шума, инфра- и ультразвука, а также вибрации используют различные приборы, позволяющие определять основные характеристики виброакустических факторов. Принципиальная схема шумомера представлена на рис. 17.4.

В шумомерах используют конденсаторные или пьезоэлектрические микрофоны, преобразующие звуковые колебания в электрические, которые затем усиливаются, проходят через корректирующие фильтры и выпрямитель и поступают на прибор – регистратор.

Среди отечественных приборов для измерения шума можно указать ВШВ-003, позволяющий проводить измерения в частотном диапазоне 10–20 000 Гц (уровень измеряемого звука 25– 140 дБ), и ШВК-1 с фильтрами ФЭ-2 (уровень измеряемого звука 30–140дБ в частотном диапазоне 2–40 000 Гц.). Как следует из их частотных характеристик, эти приборы захватывают и инфразвуковой диапазон.

Контрольные вопросы

Дайте определение понятий «шум», «ультразвук», «инфразвук», «вибрация». Какими физическими параметрами характеризуется шум? Какими физическими параметрами характеризуются ультразвуковые и инфразвуковые колебания? Каково действие шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации на организм человека? В чем заключается нормирование шума, ультра- и инфразвука, а также вибрации? Перечислите основные методы защиты от воздействия шума, ультра- и инфразвука, вибрации. Что такое звукоизоляция, звукопоглощение? Что такое виброизоляция? Что такое глушители шума? Для защиты от каких шумов их используют? Перечислите индивидуальные средства защиты от шума, ультразвука и вибрации. Какими приборами измеряют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрацию?