Новосибирский государственный технический университет

Лабораторная работа №4. звукоизоляция и звукопоглощение

Цель работы

1. 
   Ознакомиться с теорией производствен­ных шумов, физической сущностью и инженерным расчетом звукоизоляции, с прибо­рами для измерения шума, нормативными требованиями к производственным шумам.
   
2. 
   С помощью установки лабораторной "Звукоизоляция и звукопоглощение БЖ 2МП" и шумомера Актаком АТТ-9000 провести измерения шума объекта, оценить эффективность мероприятий по сниже­нию шума средствами предоставленной звукоизоляции.
   
3. 
   Дать характеристику типу наблюдаемого шума и предложить мероприятия по увеличению шумозащиты.
   

Общие сведения

1.1 Основные понятия и определения

Шум — сочетание различных по частоте и амплитуде звуков.

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.

1.2 Физическая сущность звукоизоляции

Звукоизолирующая способность преграды (коэффициент звукоизоляции) r равна отношению интенсивностей звука J₁₁ в падающих на преграду волнах к интен­сивности звука J₂₁ в волнах, прошедших через преграду:

(8)

Коэффициент прохождения δ связан с коэффициентом рассеяния ε и с коэффи­циентом отражения τ соотношением, выражающим закон сохранения энергии:

(9)

Звукоизоляция R, Дб, - десятикратный логарифм отношения (1) выражается разностью соответствующих значений интенсивности уровней звука:

(10)

Интенсивность звука в падающих на преграду под углом звуковых волнах определяется по формуле:



В прошедших за преграду под углом звуковых волнах:



Звукоизолирующая способность границы раздела двух разных сред при паде­нии на нее звуковой волны из средств с акустическим сопротивлением в среду с акустическим сопротивлением равна:

(11)

Рассмотрим прохождение волн через плоскую границу раздела двух полубес­конечных сред (,), в которых продольные волны могут распространяться без потерь. Звуковые давления p₁₁, p₁₂, p₂₁ соответственно в волнах, падающих на грани­цу, отраженных от границы и прошедших через нее, будут иметь вид:



В этих граничных условиях используются нормальные акустические импедансы:



Отношение звуковых давлений в падающих и прошедших волнах:



Это так называемая формула Френеля, после подстановки которой в формулы (10) и (11), определяется звукоизоляция границы раздела двух сред:

(12)

Обобщенное понятие звукоизоляции преграды выражается формулой:

(13)

Соотношение (13) свидетельствует о том, что физическая сущность звукоизоляции обусловлена как отражением потока звуковой энергии от преграды в соответствии с принципом рассогласования импедансов, так и поглощением звуковой энергии в этой преграде.

1.3 Расчет требуемой звукоизолирующей способности от воздушного шума

Многие практические задачи защиты от шума решаются применением строи­тельно-акустических мер, в частности, увеличением звукоизоляции между помеще­ниями. В зависимости от способа возбуждения колебаний в строительных конструк­циях различают изоляцию воздушного и структурного звуков. К последнему случаю относится изоляция ударного звука перекрытием. Под изоляцией воздушного звука ограждающей конструкцией понимают свойство последней передавать в соседнее помещение только часть падающей на нее мощности воздушного звука. Для оценки звукоизоляции используют формулу:

(14)

где: Р₁ - мощность звука, падающего на преграду (строительную конструкцию); Р₂ - мощность звука, излучаемого обратной стороной преграды (строительной конструкцией).

Эго формула справедлива только в тех случаях, когда справа и слева от звуко­изолирующей преграды (строительной конструкции) находятся два помещения оди­накового размера. Как правило, рассматриваемая строительная конструкция разделяет два различных помещения.

В этом случае при условии возникновения в том и другом помещении диффуз­ных звуковых полей из формулы (14) следует:

(15)

где: L₁ - уровень звукового, давления в помещении с источником шума; L₂ - уровень звукового давления в звукоизолируемом помещении; S -площадь разделяющей помещение конструкции; А₂ - эквивалентная площадь звукопоглощения в изолируемом помещении.

Требуемая величина звукоизоляции R_mp, дБ, ограждающей конструкции в октавной полосе частот, при проникновении шума из одного помещения в другое опре­деляется по формуле:

(16)

где: L₁ - октавный уровень звукового давления в помещении с источником шума, дБ, В - постоянная помещения, защищаемого от шума, м²; S₁ - площадь ограждающей конструкции (или отдельного ее элемента), через ко­торую проникает шум в защищаемое помещение; L_доп - допустимый октавный уровень звукового давления, дБ, в защищаемом по­мещении; n - общее количество ограждающих конструкций или их элементов, через кото­рые проникает шум.

1.4 Характеристики звукоизолирующих конструкций

Изоляция воздушного звука зависит в первую очередь от плотности применяе­мого в конструкции материала ρ, его модуля упругости Е и коэффициента внутрен­них потерь. Основными звукоизолирующими материалами являются: алюминиевые сплавы, асбокартон, базальтовый картон, бетон, гетинакс, медные сплавы, органиче­ское стекло, ПВХ линолеум, пробковые плиты, твердая резина, титановые сплавы, свинец, силикатное стекло, сталь, стеклопластик, фибра и др. В конструктивном плане различают однослойные и многослойные звукоизолирующие конструкции (рис. 7).



Рисунок 7 - Примеры звукоизолирующих конструкций: а) однослойная; б) многослойные

При использовании многослойной конструкции можно добиться значительно более высокой звукоизоляции, чем у однослойной стены равной массы.


Нормируемые параметры

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. 1 (СН 2.2.4/2.1.8.562-96).

Таблица 7 - Предельно допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для 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 экви­ва­лентные уровни звука (в дБА)
	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
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

Обоснование и расчётные формулы

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА, определяемый по формуле:

(17)

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:

(18)

где i – число измерений (в данной работе i=3), L_СР – среднее арифметическое:
(19)

Эффективность Э звукоизолирующей перегородки определяется по формуле:

(20)

Приборы и оборудование, используемые в работе

1. 
   Установка лабораторная «Звукоизоляция и звукопоглощение БЖ 2МП».
   
2. 
   Прибор для измерения шума Актаком АТТ-9000, ШИ-01В.
   

Экспериментальная установка

Схема лабораторного стенда представлена на рисунке 8.

Стенд имеет вид макета производственных помещений, одно из которых ими­тирует производственный участок, а второе - конструкторское бюро.

Источник шума (громкоговоритель) 1 находится под «полом» левой камеры 2 и защищен решеткой 3. В левой камере 2 размещены макеты заводского оборудования (на рисунке не показаны). В правой камере 4 размещены макеты конструкторского бюро (на рисунке не показаны) и на подставке устанавливается микрофон 5 из ком­плекта ВШВ - 003. Обе камеры могут накрываться звукопоглощающим коробом 6. Кроме того, обе камеры снабжены осветительными лампами. Тумблеры для включения ламп находятся на передней стенке стенда.



Рисунок 8 - Схема лабораторного стенда

Передняя стенка стенда имеет два смотровых окна. Внутри на передней и зад­ней стенках имеются направляющие, при помощи которых устанавливается съемная звукоизолирующая перегородка 7, обеспечивающая изоляцию правой и левой камер друг от друга. Решетка громкоговорителя во время проведения лабораторной работы может быть закрыта звукоизолирующим кожухом 8. На крышке кожуха 8 закреплена ось, на которую может навинчиваться груз для исключения щелей в местах контакта кожуха с решеткой громкоговорителя.

Для возбуждения громкоговорителя используется функциональный генератор типа ГФ-1, все измерения проводятся с помощью шумомера типа ВШВ - 003.

Описание прибора для измерения шума Актаком АТТ-9000
Прибор предназначен для измерения уровня звука частотой от 31,5 Гц до 8 кГц з диапазоне от 30 до130 дБ.

Внешний вид прибора и органы управления приведены на рисунке 9.

1- Электрический микрофон конденсаторного типа. 2 - Дисплей. 3 - Выключатель питания прибора и выбора типа выходного сигнала. 4- Переключатель шкал А и С.

5 - Переключатель временных режимов (быстрый/медленный) и ре­жима удержания максимальных значений.

- Переключатель диапазонов.

7 - Разъем выходного сигнала.

8 - Отсек батареи питания и крышка отсека.

9 - Индикатор выхода измеренного значения за пределы диапазона (выше и ниже).

10 - Регулятор для выполнения калибровки прибора (переменный ре­зистор для точной регулировки).
Порядок работы:

1. 
   Для выполнения измерений уровня звука переключатель ползункового типа (4) установите в положение А или в положение С. При измерениях уровней звуков окружающей среды необходимо, как правило, выбирать шкалу А.
   
2. 
   При помощи переключателя (6) подберите соответственный диапазон измерений таким образом, чтобы минимизировать допуски отсчетов. Если в левом углу дисплея на ЖКИ индицируется символ «А» или символ «V» (индикатор выхода за пределы диапазона (выше-ниже) (9), то это свидетельствует о том, что выбранные пределы диапазона в децибелах либо превышают измеренное значение, либо ниже его. Для проведения измерений переключатель ползункового типа необходимо переключить на другой диапазон.
   
3. 
   В зависимости от источника звука, уровень которого измеряет­ся, переключатель временного взвешивания (5) установите либо в положение «Fast» (Быстро), либо в положение «Slow» (Медленно).
   
4. 
   Направьте микрофон на источник шума, при этом на дисплее вы­светится результат измерения в децибелах (дБ).
   
5. 
   Если при измерениях уровня звука возникает необходимость запомнить максимальное (пиковое) значение на дисплее, переключа­тель (5) установите в положение «МАХ. HOLD* фиксации макси­мальных значений.
   
6. 
   Прибор имеет разъем диаметром 3,5 мм (7) для подключения анализатора, регистратора уровней звука, ленточного регистратора, контроллера и т.п. В соответствии с тем, что Вам необходимо, пере­ключатель (3) установите либо в положение АС (сигнал переменного тока), либо в положение DC (сигнал постоянного тока).
   

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. 
   Подключить стенд к электросети, тумблерами включить освеще­ние внутри стенда.
   
2. 
   Снять со стенда все средства звукоизоляции и звукопоглощения (звукопо­глощающий кожух, звукоизолирующие перегородки, звукоизолирующий кожух). Ус­тановить микрофон из комплекта ВШВ - 003 на подставке в правой камере стенда.
   
3. 
   Подключить к стенду генератор сигналов ГФ-1. Установить такую амплиту­ду синусоидального сигнала, при которой уровень звукового давления на частоте 250 Гц, измеренный шумомером ВШВ - 003, находился бы в пределах от 90 до 100 дБ.
   
4. 
   С помощью шумомера ВШВ – 003 троекратно измерить уровень звукового давления L_Ai на частотах 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Результаты занести в табл.1 отчёта по лабораторной работе.
   
5. 
   Установить звукоизолирующую перегородку и повторить троекратные измерения уровня звукового давления L_ЗИi на тех же частотах. Результаты измерений занести в табл.1.
   
6. 
   После выполнения лабораторной работы отключить генератор и шумомер от сети. Выключить освещение помещений, отключить макет от электросети.
   
7. 
   Рассчитать L_Aср и L_ЗИср по формуле (19) для каждой из среднегеометрических частот. Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта.
   
8. 
   Рассчитать среднеквадратические величины звукового давления (P_A и P_ЗИ) для измерений без звукоизоляционной перегородки и с ней по формуле (18). Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта.
   
9. 
   Рассчитать эквивалентный уровень звука (L_A и L_ЗИ) для измерений без звукоизоляционной перегородки и с ней по формуле (17). Результаты вычислений занести в табл.1 Отчёта.
   
10. 
    Вычислить эффективность Э звукоизолирующей перегородки по формуле (20).
    
11. 
    Построить гистограмму распределения эффективности звукоизоляции от среднегеометрической частоты шума.
    
12. 
    Построить график полученного спектра и предельного.
    
13. 
    Составить отчет о лабораторной работе, в котором провести сравнение ре­зультатов замеров уровней звукового давления с допустимыми значениями L_доп по СН 2.2.4/2.1.8.562-96 – Таблица 7. Предложить мероприятия по увеличению качества звукоизоляции.
    

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. 
   Дайте определение понятиям «шум», «спектр шума».
   
2. 
   Расскажите о классификации шумов по виду спектров (низкочастотный, среднечастотный, высокочастотный).
   
3. 
   Дайте определение понятиям «инфразвук», «тональный» и «широкополосный» шумы.
   
4. 
   Дайте определение понятиям «интенсивность звука», «звуковое давление». Как взаимосвязаны данные величины?
   
5. 
   Расскажите о физической сущности звукоизоляции.
   
6. 
   Расскажите об основных характеристиках звукоизолирующих конструкций.
   
7. 
   Объясните принцип нормирования шума методом предельных спектров и методом уровней звука.
   
8. 
   Как определяется эффективность Э звукоизолирующей перегородки?
   
9. 
   Расскажите про используемый в работе лабораторный стенд.
   
10. 
    Как по вашему, какой из материалов будет обладать лучшими звукоизолирующими свойствами и почему: поролон, картон?
    

Список литературных источников

Хекл М., Мюллер Х.А.. Справочник по технической акустике: Пер. с нем.[Текст] : справочник для инженеров-акустиков, специалистов транспортного машиностроения, авиастроения, энергетического машиностроения, строительства и др. / М. Хекл, Х.А. Мюллер; под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера. – Л. : Судостроение, 1980. – 440 с. : ил. 329.

СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки [Текст]. – Введ. 1996–31–10. – М. : Изд-во стандартов, 1996. – IV, 7 с.; 29 см.

СН 2.2.4/2.1.8.566-96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий [Текст]. – Введ. 1996–31–10. – М. : Изд-во стандартов, 1996., 9 с. : ил.; 29 см.

ГОСТ 24346-80. Вибрация. Термины и определения [Текст]. – Введ. 1981–01–01. – М. : Изд-во стандартов, 1981, 54 с.; 29 см.

ГОСТ ИСО 8041-2006. Вибрация. Воздействие вибрации на человека. Средства измерений [Текст]. – Введ. 2008–01–07. – М. : ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ», 2008, 81 с. : ил.

ГОСТ 12.4.002-97. Система стандартов безопасности труда. Средства защиты рук от вибрации. Технические требования и методы испытаний [Текст]. – Введ. 1998–01–07. – М. : Изд-во стандартов, 2003, 12 с. : ил.

Рецензируемый научно-технический журнал «Техническая акустика» [Электронный ресурс]: журнал содержит ранее не публикованные материалы по технической акустике.—Электрон. дан. —М., [2001].—Режим доступа: http://www.ejta.org/ru. — Загл. с экрана.