5. Распространение шума в акустической среде

Закономерности распространения шума позволяют выявить возможности уменьшения его воздействия на человека. Основной задачей акустического анализа является оценка уровня шума в на рабочем месте, т.е. в расчетной точке РТ рабочего помещения. В СНиП 23-03-2003 приведена полная методика анализа.

Шум, достигающий расчетной точки РТ, складывается из прямой I_ПР и отраженной составляющей I_ОТР.

Проведем анализ для 2-х характерных случаев:

для открытого пространства, когда отсутствует отражение, т.е. при I_ОТР=0;

для помещения при наличии отраженной составляющей I_ОТР0.

1. Источник выделяет в среду звуковые волны с акустической мощностью W.

Средняя интенсивность в РТ, находящейся на расстоянии r от источника при равномерном распространении в неограниченном пространстве составляет

I_СР=W/4r²=W/S

Так как, во-первых, реальный источник излучает энергию в среду неравномерно и, во-вторых, в среде существуют преграды, отражающие звук, то фактическая величина I должна быть скорректирована фактором направленности Ф и коэффициентом ослабления k

I=WФ/Sk

Разделим обе части уравнения на I₀ и прологарифмируем при I₀=W₀/S₀, где S₀ — площадь единичной сферы, S₀= 1 м²)

Учитывая, что S₀=1, окончательно получим

L_РТ=L_W+10lg(Ф/S)-10lgk

2. При работе источника в помещении звуковые волны многократно отражаются. Возникает зона отраженного звука, которая может увеличить уровень шума на 1015 дБ. Интенсивность отраженных звуковых волн выражается уравнением I_ОТР=4W/B, где В — постоянная помещения, зависящая от его размеров и коэффициентов звукопоглощения внутренних поверхностей 

=I_ПОГЛ/I_ПАД

Так как поверхности в помещении имеют разные коэффициенты , то вводится средний коэффициент звукопоглощения _СР и эквивалентная площадь помещения А

_СР=_iS_iS_ОГР, А=_СРS_ОГР,

где S_ОГР — общая площадь ограждающих поверхностей.

Величина В зависит от _СР и А

В=А/(1-_СР)

Таким образом, полная интенсивность шума в РТ составит

I=I_ПР+I_ОТР=WФ/Sk+4W/B

После деления на I₀ и логарифмирования уравнения для I получим (при k=1)

L_РТ=L_W+10lg(Ф/S+4/B)

Рассмотренные случаи являются предельными, но реально в объеме одного и того же помещения существуют зоны с преимущественным влиянием прямого или отраженного звука. На практике при анализе расчетного случая производится предварительная оценка того, в какой зоне помещения находится расчетная точка. Вокруг источника образуется поле прямого звука (поле бегущих волн Френеля). На расстоянии r_ГР его мощность становится равной мощности отраженного поля (реверберирующее поле Фраунгофера). В простейшем случае

Величина телесного угла  зависит от положения источника. Максимальная его величина в неограниченном пространстве составляет 4π стерадианов. Если источник расположен на плоскости, например на полу или небольшом расстоянии от него, излучение происходит в полупространство и =2π. При расположении источника у стены излучение происходит в четверть пространства, поэтому =π.

6. Методы и средства защиты от шума

Анализ полученных для L_РТ зависимостей показывает, что существуют следующие возможности для уменьшения уровня шума в РТ:

1. Уменьшение уровня звуковой мощности источника L_W;

2. Правильная ориентация источника шума относительно РТ по фактору направленности Ф;

3. Размещение источника шума на необходимом расстоянии, т.е. выбор оптимальной S;

4. Уменьшение уровня прямого звука за счет ослабления его на пути распространения, т.е. увеличение k путем звукоизоляции;

5. Уменьшение уровня отраженного звука за счет увеличения В, т.е. улучшения звукопоглощающих характеристик помещения.

К организационно-техническим мероприятиям относятся также ремонт, смазка и др. регламентные работы, а также ограничение и запрещение проведения шумных работ, например, в ночное время. Все эти мероприятия относятся к коллективным методам защиты.

Рассмотрим основные инженерно-технические мероприятия, которыми являются звукопоглощение и звукоизоляция.

Звукопоглощение достигается увеличением постоянной помещения В, для чего необходимо увеличивать эквивалентную площадь А и (или) средний коэффициент звукопоглощения _СР. С этой целью используются:

• увеличение действительной площади поверхности ограждений S_ОГР, например, за счет использования ломанных или гофрированных конструкций;

• увеличение _СР размещением на поверхности ограждений звукопоглощающих облицовок;

• увеличение S_ОГР и _СР установкой в объеме помещения штучных объемных звукопоглотителей.

Величину снижения шума в помещении в результате мероприятий по звукопоглощению определяют по формуле:

L=10lgB₂/B₁,

где В₁, В₂ — постоянные помещения до и после акустической обработки.

Акустическая обработка проводится в том случае, если величина среднего коэффициента звукопоглощения _СР на частоте 1000 Гц акустически необработанного помещения не превышает 0,25.

В качестве поглощающих используются волокнисто-пористые материалы: войлок, вата, фетр, акустическая штукатурка, стекловолокно, вспененные плиты и т.п. Падающие на эти материалы звуковые волны вызывают колебания воздуха в узких каналах, трение его о развитую поверхность этих каналов и, как следствие, — необратимые термодинамические потери. Коэффициент звукопоглощения этих материалов колеблется от 0,7 до 1,0 (на частоте 1000 Гц). Установка звукопоглощающих облицовок снижает шум на 6...8 дБ в зоне отраженного звука.

Звукоизоляция достигается созданием герметичной преграды на пути распространения звуковой волны. Звукоизолирующие свойства ограждения характеризуются коэффициентом звукопроницаемости 

=I_ПР/I_ПАД (1),

где I_ПР — интенсивность звука, прошедшего за ограждение. Звукоизоляция ограждения выражается величиной R=10lg 1/ и зависит от его размеров, массы, жесткости и от частоты шума. Для однослойного ограждения принято выделять 3 характерных диапазона звукоизоляции:

• 

  В I диапазоне звукоизоляция определяется жесткостью ограждения и резонансными явлениями. Так как частота собственных колебаний ограждения обычно меньше нормируемого диапазона частот (до 45 Гц), расчет R для I диапазона не проводят.

• Во II диапазоне звукоизоляция подчиняется закону массы

R=20lg(m₀f)-47,5 , дБ,

где m — масса 1 м² ограждения. Из формулы следует, что звукоизоляция тем больше, чем тяжелее или толще ограждение. Эффект от установки ограждения наиболее ощутим на высоких частотах.

• В III диапазоне происходит ухудшение звукоизоляции из-за волнового совпадения продольной составляющей звуковой волны с собственными изгибными колебаниями ограждения.

Повышение эффективности звукоизоляции происходит за счет использования многослойных ограждений.

Помимо рассмотренных коллективных методов защиты от шума в ряде случаев, когда невозможно уменьшить шум до нормируемых величин, используются индивидуальные средства. К ним относятся:

• вкладыши — конусные тампоны из ультратонкого волокна или жесткого материала (снижение шума на 520 дБ);

• наушники — наиболее эффективны на высоких частотах (снижение шума на 2040 дБ при f=10008000 Гц);

• шлемы — эффективны при высоких уровнях шума (больше 120 дБ), когда звуковые колебания действуют непосредственно на мозг человека.