Акустический шум. 
Безопасность жизнедеятельности и защита окружающей среды (техносферная безопасность). Часть 1

Беспорядочные звуковые колебания в атмосфере — это акустический шум. Понятие акустического шума связано со звуковыми волнами (звуками), под которыми понимают распространяющиеся в окружающей среде и воспринимаемые ухом человека упругие колебания в частотном диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Шум оказывает влияние на весь организм человека. Шум с уровнем звукового давления до 30—35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40—70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, и при длительном действии может быть причиной неврозов. Воздействие шума с уровнем свыше 80 дБ может привести к потере слуха — профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.

Шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анализатора, проявляется медленно прогрессирующим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у других — потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве. Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ — начинает серьезно мешать человеку, гак как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи. Результаты воздействия повышенного производственного шума показаны ниже (табл. 5.5).

Таблица 5.5.

Воздействие шума на слух работающих.

Результаты оценки потери слуха ДL у ткачих приведены на рис. 5.5.

Рис. 5.5. Потеря слуха у ткачих при стаже работы:

1 — 4 года; 2 — 8 лет; 3 — 16 лет Промышленный шум является не единственной причиной потери слуха. Помимо этого необратимые потери слуха наступают и с увеличением возраста (рис. 5.6).

Обычно это явление начинается в возрасте приблизительно 30 лет у мужчин и 35 лет у женщин с потери чувствительности слуха к высоким частотам. С годами оно распространяется на более низкие частоты, достигая речевого диапазона 500−3000 Гц.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие наличия в ней какого-либо возмущающего воздействия. Скорость, с которой распространяется звуковая волна, называется скоростью звука. Скорость звука с (м/с) зависит только от характеристик среды распространения и может изменяться в очень широких пределах:

где р — плотность среды, кг/м³; К — модуль объемной упругости среды, Па.

В воздухе при температуре 20 °C скорость звука составляет 340 м/с.

Любое колебательное движение характеризуется частотой /и периодом колебаний Т. Период колебаний Т = 1//соответствует временному интервалу, через который в каждой.

Рис. 5.6. Потеря слуха на разных частотах в зависимости ог возраста точке пространства временное развитие колебаний будет повторяться. Этому временному интервалу будет соответствовать пространственный интервал повторения волновой картины, гак называемая длина волны X (м), определяемая соотношением X = c/f. В частотном диапазоне звуковых колебаний длины волн изменяются от нескольких десятков метров до нескольких сантиметров.

Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р и измеряется в паскалях (Па). Так как звуковое давление есть функция времени, то для его оценки используется усредненная величина, а именно средний квадрат звукового давления, получаемый усреднением мгновенных значений р¹ на некотором интервале времени Г₀. Такое усреднение осуществляется и в нашем слуховом аппарате со временем усреднения порядка нескольких миллисекунд.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии, который характеризуется интенсивностью звука / (Вт/м²). Интенсивность связана со звуковым давлением следующим соотношением:

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Оперировать такими цифрами неудобно. Однако наиболее важным является то обстоятельство, что ощущения человека, возникающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому были введены логарифмические величины — уровни звукового давления и интенсивности.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют, но формуле.

где /₀ — пороговая интенсивность звука, соответствующая порогу.

_"о л слышимости на частоте 1000 Гц (/₀ = 10 Вт/м).

Уровень звукового давления (дБ).

где р₀ — пороговое звуковое давление (р₀ = 2−10^-5 Па), выбранное таким образом, чтобы на частоте 1000 Гц уровни звукового давления были равны уровням интенсивности.

Пороговые значения звукового давления и интенсивность звука связаны соотношением

гдe p_0f с₀ — плотность и скорость звука при нормальных атмосферных условиях.

Величину уровня интенсивности применяют в формулах при акустических расчетах, а уровня звукового давления — для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению. Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления определяется выражением.

При нормальных атмосферных условиях.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, суммарный уровень шума определяется по формуле.

где Lj — уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым источником.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления L, создаваемым каждым источником, то суммарный уровень шума (дБ).

Из этой формулы очевидно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник.

Шумы принято классифицировать по их спектральным и временным характеристикам. В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона, и широкополосными — с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

По временным характеристикам шумы подразделяют на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ, и непостоянные, для которых это изменение более 5 дБ. В свою очередь непостоянные шумы делят на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсивные.

В табл. 5.6 показаны звуковое давление и его уровни, создаваемые характерными источниками шума.

Таблица 5.6

Показатели звукового ноля некоторых источников шума.

Любой источник шума характеризуется прежде всего звуковой мощностью. Звуковая мощность источника Р — это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени (рис. 5.7).

Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью 5, то звуковая мощность Р источника (Вт).

где 1_п — нормальная к поверхности составляющая интенсивности звукового давления.

Если считать источник шума точечным, то величину средней интенсивности звука на поверхности этой сферы (Вт/м²) можно определять по формуле.

Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечного источника, размеры которого малы по сравнению с излучаемыми им волнами. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т. е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность излучения характеризуется коэффициентом Ф — фактором направленности, показывающим отношение интенсивности звука /, создаваемой направленным источником в данной точке, к интенсивности /_ср, которую развил бы в этой же точке источник, имеющий среднюю зву;

Рис. 5.7. Определение звуковой мощности.

ковую мощность Р_ср и излучающий звук в сферу одинаково. Фактор направленности находят по формуле.

Шумовыми характеристиками, которые указываются в прилагаемой к машине технической документации, являются следующие характеристики:

• 1) уровни звуковой мощности шума L_P в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63,125,250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц;
• 2) характеристики направленности излучения шума машиной.

Уровни звуковой мощности L_P (дБ) установлены по аналогии с уровнем интенсивности звука и определяются по формуле.

где Р — звуковая мощность, Вт; Р₀ — пороговая звуковая мощность (Р₀ = 10¹² Вт).

Проведение акустических расчетов необходимо для оценки ожидаемых уровней шума на рабочих местах или в районе жилой застройки. Э го позволяет еще на стадии проектирования разработать такие мероприятия, чтобы этот шум не превышал допустимые уровни. Можно выделить следующие важные задачи акустического расчета:

определение шума в расчетной точке по заданным характеристикам источника шума;

— расчет необходимого снижения шума.

В зависимости от того, где находится расчетная точка — в открытом пространстве или в помещении, применяют различные расчетные формулы.

При действии источника шума со звуковой мощностью Р (рис. 5.8) интенсивность шума Г^и в расчетной точке открытого пространства определяется выражением Г^т = РФ/ (kS), где Ф — фактор направленности; S — площадь поверхности, проходящая через расчетную точку, на которую распределяется излучаемая звуковая энергия. В частности, для полусферы это соответствует площади поверхности S= 2 тег² (здесь г — расстояние между источником звука и точкой наблюдения); k — коэффициент, показывающий, во сколько раз ослабевает шум на пути распространения при наличии препятствий и затухания в воздухе (k > 1). Если в атмосферном воздухе расстояние от источника до расчетной точки (РТ) не более 50 м, то можно положить k=.

Рис. 5.8. Расчет шума для открытого пространства.

В логарифмической форме определяют уровень интенсивности шума L_on в расчетной точке открытого пространства.

где 5° = 1 м².

На рис. 5.9 показаны зоны распространения шума и вибраций в г. Москве. На крупных магистралях шум достигает 80 дБ.

В домах к шуму, проникающему снаружи, добавляется еще и структурный шум, распространяющийся по стенам и конструкциям. Он появляется при работе лифта, насосов, при проведении ремонтов и т. п.

Рис. 5.9. Зоны распространения шума и вибрации в г. Москве.

Шум: 1 — от авиации; 2 — автотранспорта; 3 — железнодорожного транспорта; 4 — метрополитена; 5 — вибрации; 6 — промзон При работе источника шума в помещении звуковые волны многократно отражаются от стен, потолка и различных предметов. Отражения могут увеличить шум в помещениях на 10—15 дБ по сравнению с шумом того же источника на открытом воздухе, в результате чего машина в помещении шумит больше, чем на открытом воздухе.

Интенсивность звука Г в расчетной точке помещения (рис. 5.10) складывается из интенсивности прямого звука /_1ф, идущего непосредственно от источника, и интенсивности отраженного звука /_отр:

где В — постоянная перемещения, В = Л ( 1 — а_ср); Л — эквивалентная площадь поглощения, Л = а_ср5_пов; а_ср — средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения площадью 5_пов. Коэффициент звукопоглощения, а = /_nor.nAia, v ^ГДС Люгл и /_11ад— интенсивность соответственно поглощенного и падающего звука. Величина а_ср < 1.

Вблизи источника шума его уровень определяется в основном прямым звуком, а при удалении от источника — отраженным звуком. В производственных помещениях величина а_ср редко превышает 0,3—0,4. В этих случаях постоянная поме;

Рис. 5.10. Расчет шума в помещении щения В может быть без большой погрешности принята равной эквивалентной площади звукопоглощения А, т. е. В «А.

Выражение для определения уровня звукового давления L¹¹ в расчетной точке помещения в логарифмической форме имеет вид.

Если источник шума и расчетную точку разделяют какие-либо препятствия, например перегородки, кабины и т. п., то в эту формулу нужно добавить со знаком минус величину снижения уровня звуковой мощности.

Соотношение между уровнями звукового давления в расчетной точке для помещения и открытого пространства имеет вид.

где АL_n — добавка, обусловленная влиянием в расчетной точке отраженного звука. В зависимости от расположения расчетной точки и значения коэффициента а_ср эта добавка может достигать значений 15 дБ.