Лабораторная работа №2. Измерение шумовой характеристики источника шума в разных полосах октавных частот
Цель работы
Измерить характеристики шума на рабочих местах от источника непрерывного шума в различных полосах октавных частот.
Дать рекомендации для увеличения качества шумозащиты.
Основные понятия
Звук — колебания частиц воздушной среды, которые воспринимаются органами слуха человека, в направлении их распространения.
Шум — сочетание различных по частоте и амплитуде звуков.
Характеристики звуковой волны
Длина́ волны́ — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, обычно длина волны обозначается греческой буквой λ. Измеряется в единицах расстояния (метры, сантиметры и т. п.). Величина  , обратная длине волны, называется волновым числом и имеет смысл пространственной частоты.
Получить соотношение, связывающее длину волны с фазовой скоростью (c) и частотой (f) можно из определения. Длина волны соответствует пространственному периоду волны, то есть расстоянию, которое точка с постоянной фазой проходит за время, равное периоду колебаний T, поэтому:
Пери́од колеба́ний — наименьший промежуток времени, за который система совершает одно полное колебание (то есть возвращается в то же состояние, в котором она находилась в первоначальный момент, выбранный произвольно).
Частота́ — физическая величина, характеристика периодического процесса, равная числу полных циклов, совершённых за единицу времени. Стандартные обозначения в формулах — υ, f или F. Единицей частоты в Международной системе единиц (СИ) в общем случае является герц (Гц, Hz).
Окта́ва (от лат. octava — восьмая) — звуковой интервал, в котором соотношение частот между звуками составляет 1 к 2. Субъективно на слух октава воспринимается как устойчивый, базисный звуковой интервал. Два последовательных звука, отстоящие на октаву, воспринимаются очень похожими друг на друга, хотя явно различаются по высоте.
При рассмотрении вопросов охраны труда обычно пользуются октавными полосами частот, средние значения которых соответствуют диапазону слышимых звуков и составляют стандартный ряд (16), (31,5), 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 (16000) Гц. В скобках показаны частоты, в которых шум, как правило, не нормируют, хотя они лежат в слышимом диапазоне частот.
Частотный состав шума характеризует его спектр. Спектром шума называют зависимость уровня звукового давления в частотных полосах от средних частот этих полос. Спектр можно представить либо в виде таблицы, либо графически в виде ломаной линии. В качестве средней частоты октавной полосы принимают среднегеометрическую частоту:
где  и  - крайние частоты полосы.
Спектр, а, следовательно, и шум, которому он соответствует, может быть низкочастотным (максимум уровня звукового давления находится в области частот ниже 300 Гц), среднечастотным (область частот от 300 до 800 Гц) и высокочастотным (область частот более 800 Гц).
Звук с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком, а с частотами выше 20 кГц — ультразвуком. Эти звуки не слышимы для человека.
Шум называют тональным, если в нем прослушивается звук определенной частоты. В противном случае он будет широкополосным. Пример тонального шума — сигналы локомотивов, а широкополосного — шум водопада, шум подвижного состава.
Важной характеристикой звукового (шумового) поля (т. е. области пространства, в которой наблюдается шум), помимо звукового давления и частоты, является интенсивность звука Она представляет собой поток энергии, переносимой звуковыми волнами в единицу времени через площадку единичной площади, ориентированную перпендикулярно направлению звукового луча. Интенсивность звука — векторная величина, измеряемая в ваттах на метр квадратный (Вт/м2). С точки зрения охраны труда интерес представляет лишь средняя во времени величина интенсивности.
Звуковое давление - переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па.
Интенсивность и звуковое давление р связаны между собой соотношением:
где  — средний квадрат звукового давления. Па2;
р — плотность среды, в которой распространяется звук, кг/м3;
С — скорость звука в данной точке среды, м/с.
Для воздуха независимо от атмосферного давления:  , где Т— абсолютная температура воздуха, К.
Уровень интенсивности звука определяют по формуле (в дБ):
где  — стандартное пороговое значение интенсивности, Вт/м2.
Величина  выбрана такой, что при нормальных атмосферных условиях (t = 20°С, р = 1,2 кг/м3) уровень звукового давления L и уровень интенсивности L1 численно равны друг другу. Равенство этих величин упрощает акустические расчеты.
Если в данную точку пространства приходят некогерентные звуковые, волны (т.е. волны, фазы которых в разные моменты времени отличаются друг от друга) с уровнями звукового давления Li, то уровень звукового давления суммарного звука составит (в дБ):
где n — общее число независимых слагаемых уровней.
Эта формула соответствует условию, что интенсивности всех некогерентных источников складываются: I=I1+I2+…In.
Поэтому, если имеется т одинаковых источников, каждый из которых создает в данной точке уровень звукового давления Li, суммарный уровень будет рассчитываться по формуле:  .
Например, если один источник создает уровень L1 = 73 дБ, то 100 источников создадут уровень L = 73 + 10∙lg100 = 93 дБ.
Удвоение числа источников каждый раз увеличивает уровень на 3 дБ.
Измерения шума проводят для контроля соответствия фактических его уровней на рабочих местах установленным нормам, для оценки шумового режима в помещениях, разработки мероприятий по снижению шума и оценки их эффективности.
Действие шума на человека. нормирование шума
Звук с уровнем звукового давления менее некоторой величины, называемой порогом слышимости, не воспринимается человеком. Порог слышимости у каждого человека различен и зависит от возраста, состояния слуха, утомления, индивидуальных особенностей организма, а также от частоты звука.
Различают пять ступеней действия шума на человека в зависимости от уровня звукового давления. Если уровень звукового давления ниже порога слышимости, что соответствует полной тишине (первая ступень действия шума), то человек ощущает психологический дискомфорт. Он невольно прислушивается к шуму своего дыхания, процесса пищеварения и т. п. В природе такие условия практически не встречаются. Обычно человека окружает нормальный, привычный для него шумовой фон (вторая ступень действия шума) с уровнями звукового давления на средних частотах 15 — 35 дБ. Такой шум необходим для нормальной жизнедеятельности.
При увеличении уровня звукового давления до 40—70 дБ наступает третья, психологическая, область действия шума. Этот шум, особенно если он неконтролируем и несет определенную информацию, оказывает раздражающее действие, не изменяя функций слуха и не мешая восприятию полезных сигналов. Он может снизить производительность умственного труда, ухудшить самочувствие. Примером такого шума являются мешающая музыка или разговор, шум саннтарно-технического или инженерного оборудования зданий и т. д.
Уровни звуковых давлений 75—120 дБ (четвертая ступень действия шума), характерные для производственных и транспортных шумов, производят неблагоприятное физиологическое действие. В этом случае значительно раньше, чем поражается орган слуха, страдает центральная нервная и сердечно-сосудистая системы. Работники, подвергающиеся воздействию такого шума, часто жалуются на раздражительность, головные боли, снижение внимания и памяти, сонливость, повышенную утомляемость, нарушения сна, иногда — на головокружение. Они чаще болеют гипертонией или гипотонией, язвенной болезнью, колитами и гастритами, неврозами. У них чаше и скорее развивается профессиональная тугоухость.
Постоянный шум с уровнями звукового давления более 120 дБ, а также импульсный шум с уровнями, превышающими 150 дБ при длительности воздействия 100 мс и 160 дБ при длительности воздействия 5 мс, могут привести к акустической травме в виде значительного понижения слуха (пятая ступень действия шума). При постоянном шуме с уровнями 170 дБ и выше и импульсном шуме с уровнями 180 дБ и выше может наступить контузия и даже смерть.
Вредность шума как фактора производственной среды и среды обитания человека приводит к необходимости ограничивать его уровни. Санитарные уровни шума нормируют двумя способами:
- методом предельных спектров (ПС);
- методом уровня звука.
Метод предельных спектров, применяемый для нормирования постоянного шума, предусматривает ограничение уровней звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Совокупность этих предельных октавных уровней называют предельным спектром. Обозначают тот или иной предельный спектр уровнем его звукового давления на частоте 1000 Гц. Например, «ПС-80» означает, что данный предельный спектр имеет на частоте 1000 Гц уровень звукового давления 80 дБ. На частоте 63 Гц уровень для этого спектра равен 99 дБ, а на частоте 8000 Гц — 74 дБ.
Метод уровней звука применяют для нормирования непостоянного шума, например, внешнего шума транспортных средств, городского шума. При этом методе измеряют скорректированный по частоте общий уровень звукового давления во всем диапазоне частот, соответствующем перечисленным выше октавным полосам. Измеренный таким образом уровень звука позволяет характеризовать величину шума не восемью цифрами уровней звукового давления, как в методе предельных спектров, а одной.
Допустимые значения уровней звукового давления в октавных полосах частот и эквивалентных уровней звука проникающего шума в помещениях жилых и общественных зданий и шума на территории жилой застройки следует принимать по табл. 3 (СН 2.2.4/2.1.8.562-96).
Таблица 3 - Предельно допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для некоторых основных наиболее типичных видов трудовой деятельности и рабочих мест
Вид трудовой деятельности, рабочее место
|
Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
|
Уровни звука и эквивалент- ные уровни звука (в дБА)
|
31,5
|
63
|
125
|
250
|
500
|
1000
|
2000
|
4000
|
8000
|
Творческая деятельность, руководящая работа с повышенными требованиями, научная деятельность, конструирование и проектирование, программирование, преподавание и обучение, врачебная деятельность. Рабочие места в помещениях дирекции, проектно -конструкторских бюро, расчетчиков, программистов вычислительных машин, в лабораториях для теоретических работ и обработки данных, приема больных в здравпунктах
|
86
|
71
|
61
|
54
|
49
|
45
|
42
|
40
|
38
|
50
|
Высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности, административно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в лаборатории; рабочие места в помещениях цехового управленческого аппарата, в рабочих комнатах конторских помещений, в лабораториях
|
93
|
79
|
70
|
68
|
58
|
55
|
52
|
52
|
49
|
60
|
Работа, выполняемая с часто получаемыми указаниями и акустическими сигналами; работа, требующая постоянного слухового контроля; операторская работа по точному графику с инструкцией; диспетчерская работа. Рабочие места в помещениях диспетчерской службы, кабинетах и помещениях наблюдения и дистанционного управления с речевой связью по телефону; машинописных бюро, на участках точной сборки, на телефонных и телеграфных станциях, в помещениях мастеров, в залах обработки информации на вычислительных машинах
|
96
|
83
|
74
|
68
|
63
|
60
|
57
|
55
|
54
|
65
|
Обоснование и расчётные формулы
Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА, определяемый по формуле:
 (3)
где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р0 – минимальное значение звукового давления в воздухе воспринимаемое органами слуха принимается равным 2·10-5 Па.
Среднеквадратичная величина звукового давления определяется по формуле:
 (4)
где i – число измерений (в данной работе i=5), L – среднее арифметическое:  .
Приборы и оборудование, используемые в работе
Шумомер интегрирующий - виброметр ШИ-01В, комплект.
Источники постоянного шума – ГЗ-34 с широкополосным динамиком.
Экспериментальная установка
Прибор ШИ-01В предназначен для измерений уровней звука с частотными характеристиками А, С, общего уровня звукового давления звукового и инфразвукового диапазонов с частотной характеристикой ЛИН, уровней звукового давления в октавных и третьоктавных полосах; уровней виброускорения с частотной характеристикой ЛИН, уровней виброускорения в октавных и третьоктавных полосах, корректированных уровней виброускорения.
И змерение параметров шума основано на преобразовании звуковых колебаний в электрические с их последующей обработкой в соответствии функциональной схемой прибора.
В режиме измерения уровней звукового давления в октавных полосах частот состав цифрового вывода входят значения Leq (крупный шрифт), S, Smax, Smin и средней геометрической частоты фильтра, отмеченного маркером вывода. Результаты измерения детектором S дополнительно представлены в виде аналоговых индикаторов для всех фильтров, рисунок 3.
За максимальный уровень звука LAmax , дБА, при проведении измерения шума шумомером следует принимать наибольшее значение уровня звука за период измерения шума (MAX).
Порядок выполнения работы
Измерительный микрофон должен быть направлен в сторону источника шума и удален не менее, чем на 0,5 м от оператора, проводящего измерение.
Переключатель частотной характеристики шумомера при проведении измерения октавных уровней звукового давления - в соответствии с инструкцией к прибору (по указанию преподавателя).
Переключатель временной характеристики измерительной аппаратуры должен быть установлен в положение "медленно". Значения октавных уровней звукового давления постоянного шума следует принимать по показаниям прибора и считывать с точностью до 1 дБА (дБ).
Установить частоту звука на звуковом генераторе в соответствии с указанием преподавателя.
Произвести пятикратное измерение уровня шума для каждой октавной полосы частот источника постоянного шума. Полученные результаты заносить в таблицу №1 Отчёта по лабораторной работе.
Изменить частоту звукового генератора по указанию преподавателя и повторить п. 5. Результаты занести в таблицу №1 Отчёта.
По формуле (4) рассчитать среднеквадратичную величину звукового давления. Результат расчёта занести в таблицу №1 Отчёта.
По формуле (3) рассчитать уровень звукового давления для каждой из среднегеометрических частот. Результат расчёта занести в таблицу №1 Отчёта.
По полученным данным постройте график измеренного спектра постоянного шума с его наложением на предельный спектр (разными цветами).
Сделайте заключение. Оцените полученные результаты. Предложите методы по снижению уровня шума при использовании лабораторного оборудования.
Контрольные вопросы
Понятие шум, звук.
Понятие длины волны, периода колебаний.
Понятие частоты, октавы, октавных полос частот.
Понятие спектра, предельного спектра, границы среднегеометрических частот.
Разделение спектра по принадлежности к частоте звука.
Понятие тонального, широкополосного шума. Приведите примеры.
Понятие интенсивности звука, звукового давления. Их взаимосвязь.
Параметры волны: длина волны, частота, период. Их взаимосвязь.
Способы нормирования шума.
Действие шума на человека. Первая и вторая ступени действия.
Действие шума на человека. Третья и четвёртая ступени действия.
Принцип действия шумомера ШИ-01В. Основные компоненты.
|
