Допустимые уровни виброскорости и ее пиковые значения при контактном воздействии ультразвука

При использовании ультразвуковых источников бытового назначения, как правило, генерирующих колебаний с часто­тами ниже 100 кГц, допустимые уровни воздушного и кон­тактного ультразвука не должны превышать 75 дБ на рабочей частоте источника.

При воздействии ударной волны на человека и животных считается безопасным избыточное давление во фронте удар­ной волны 10 кПа и менее. Легкие поражения (звон в ушах, головокружение, головная боль) наступают при избыточном давлении 20—40 кПа. Поражения средней тяжести (вывихи конечностей, контузии головного мозга, повреждения орга­нов слуха, кровотечения из носа и ушей) возникают при избы­точном давлении 40—60 кПа.

Методы и средства защиты от шума. Они подразделяются на коллективные и индивидуальные. Предпочтение следует отдавать первых из них. К методам и средствам коллектив­ной защиты от шума относятся снижение шума в источнике, звукоизоляция, звукопоглощение и глушители шума.

Выбор методов и средств защиты должен проводиться на основе акустических расчетов, определяющих требуемое снижение шума в расчетной точке, с учетом ее расположения относительно источника шума и ряда других факторов.

При этом имеются три пути передачи звука: первый путь соответствует прямому звуку; второй путь — отражен­ному звуку (эти два пути определяют распространение воз­душного шума), третий путь — так называемому структурному шуму, являющемуся результатом распространения возмущающего воздействия со стороны источника по элементам конструкции. Для каждого работника А и В, представленной за рисунке, требуются свои методы защиты от шума.

Рис. 11.22. Пути передачи звука от источника к приемнику

Снижение шума в источнике. Этот метод является наиболee рациональным, снижение шума проводится двумя путями: уменьшением энергии возмущающих воздействий в источнике и ослаблением его звукоизлучающей способности. В первом случае речь идет об изменении рабочих характеристик машины, делая их более плавными, уменьшении частоты вращения и скорости перемещения подвижных узлов, уменьшении зазоров, повышении точности изготовления деталей и т.д. Во втором случае подразумевается использование специальных звукопоглощающих покрытий или глушителей, ослабляющих излучение источника шума.

Звукоизоляция и звукопоглощение. Эти методы в основном реализуют для защиты от воздушного шума в помещениях. На рис. 11.23 представлены типичные способы защиты от шума в помещениях: применение средств индивидуальной защиты (1), звукопоглощающих ограждений (2), экранов (3), звукопоглощающих облицовок (4) и перегородок (5).

Звукоизолирующие экраны. Эффективность экранирования может быть определена по графику, представленному на рис. 11.24, где N= 2 δ/λ, а λ— длина звуковой волны.

Рис. 11.23. Типичные способы защиты от шума в рабочих помещениях

Чем ближе экран к источнику шума, тем его действие эффективнее, особенно если расчетная точка расположена около экрана. На практике эти условия часто не выполняются, что приводит к снижению эффективности. В лучшем случае экраны обеспечивают снижение шума на 20 дБ, обычное снижение уровня шума не более чем на 10—15 дБ. При использовании экранов в помещениях, где звук многократно отражается от всех внутренних поверхностей, достичь высокой эффективности экрана нельзя. Экраны эффективнее использовать в открытом пространстве. Для повышения эффективности экраны обли­цовывают звукопоглощающим материалом. Снижение уровней звука на территории жилых застроек или в помещениях, защищаемых от шума (особенно шума транспортных потоков), может также осуществляться экранами, размещаемыми между источниками шума и защищаемым объектом.

Рис.11.24. Снижение шума экраном

ИШ – источник шума; РТ - расчетная точка

В качестве экранов могут применяться элементы рельефа местности (выемки, насыпи), административные здания. Сни­жение уровней звука полосами зеленых насаждений состав­ляет от 4 до 12 дБ.

Звукоизолирующие перегородки. Эффективность перего­родки определяется через отношение интенсивности прошед­шего через перегородку звука I_пр к интенсивности падающего на нее звука I_пад. Она обозначается через R и выражается обычно в децибелах:

R =10 lg

Для расчета звукоизоляции однородной однослойной перегородки используют формулу

R = 20 lg (m₀f) - 47,5,

где m₀ — поверхностная (погонная) масса перегородки, кг/м²; f — частота звука, Гц.

Из последней формулы следуют два важных вывода: во-пер­вых, звукоизоляция ограждений тем выше, чем они тяжелее; звукоизоляция меняется по так называемому закону массы: увеличение массы в два раза приводит к повышению звуко­изоляции на 6 дБ; во-вторых, звукоизоляция ограждения воз­растает с увеличением частоты звука.

Формула применима на частотах выше первых частот соб­ственных колебаний перегородки, поскольку в ней не учиты­вается влияние жесткости и размеров ограждения.

Большое влияние на звукоизоляцию оказывают всякого рода щели и отверстия в перегородках, ограждениях, окнах, дверях. На это обстоятельство часто не обращают должного внимания, что приводит к значительному ухудшению зву­коизоляции.

При устройстве ограждений, состоящих из различных эле­ментов, например перегородки с дверями, смотровыми окнами и т.п., особенно при изоляции мощных источников шума, необ­ходимо стремиться к тому, чтобы звукоизолирующие способ­ности этих более «слабых» элементов и перегородки по своей величине не очень отличались друг от друга. В противном случае шум будет проникать через эти элементы, и снижение уровня шума, всей конструкцией окажется незначительным. С этой целью двери и окна в шумных помещениях (напри­мер, в боксах для испытания двигателей) делают с повышен­ной звукоизоляцией.

Звукоизоляция многослойных ограждений бывает более высокой, чем звукоизоляция однослойных ограждений той же массы. Широкое распространение находят двойные ограж­дения с воздушным промежутком, заполненным звукопо­глощающим материалом. В качестве звукопоглощающих материалов используются волокнистые, вспененные поли­мерные и комбинированные материалы, являющиеся также и хорошими теплоизоляторами. Звукоизолирующие конструк­ции ослабляют шум в соседних помещениях на 30—50 дБ.

Звукоизолирующие кожухи и кабины. Звукоизолирующими кожухами закрывают наиболее шумные машины и механизмы, локализуя таким образом источник шума. Кожухи изготов­ляют обычно из дерева, металла или пластмассы. Внутреннюю поверхность стенок кожуха обязательно облицовывают звуко­поглощающим материалом. С наружной стороны на кожух иногда наносят слой вибродемпфирующего материала. Кожух должен плотно закрывать источник шума. Эффективность кожухов и кабин достигает 30 дБ.

Звукопоглощение. Интенсивность шума в помещениях зави­сит не только от прямого, но и от отраженного звука. Поэтому если нет возможности уменьшить прямой звук, то для сниже­ния шума нужно уменьшить энергию отраженных волн. Этого можно достичь, увеличив эквивалентную площадь звукопо­глощения помещения путем размещения на его внутренних поверхностях звукопоглощающих облицовок, а также уста­новки в помещении штучных звукопоглотителей. Это меро­приятие называется акустической обработкой помещения.

Свойствами поглощения звука обладают все строитель­ные материалы. Однако звукопоглощающими материалами и конструкциями принято называть лишь те, у которых коэф­фициент звукопоглощения α на средних частотах больше 0,2. У таких материалов, как кирпич, он на порядок меньше. В настоящее время применяют такие звукопоглощающие материалы, как ультратонкое стекловолокно, капроновое волокно, минеральная вата, древесноволокнистые и минераловатные плиты. Звукопоглощающие свойства пористого материала зависят от толщины слоя, частоты звука, наличия воздушного промежутка между слоем и отражающей стенкой, на которой он установлен. Практически толщина облицовок доставляет 20—200 мм, при этом максимальное поглощение (α=0,6÷0,9) обеспечивается на средних и высоких частотах. Для увеличения поглощения на низких частотах между слоем и ограждением делают воздушный промежуток.

Н аиболее часто в качестве звукопоглощающей облицовки применяют конструкции в виде слоя однородного пористого материала определенной толщины, укрепленного непосредственно на поверхности ограждения либо отнесенного от него на некоторое расстояние (рис. 11.25). Выбор конструкции звукопоглощающей облицовки зависит от частотных характеристик шума в помещении и звукопоглощающих свойств конструкции, при этом максимуму в спектре шума должен соответствовать максимум коэффициента звукопоглощения на этих же частотах.

Рис. 11.25. Звукопоглощающие облицовки:

1 — защитный перфорированный слой; 2 — звукопоглощающий материал; 3 — защитная стеклоткань; 4 — стена и потолок; 5 — воздушный промежуток; 6 — плита из звукопоглощающего материала

Если площадь свободных поверхностей недостаточна для установки плоской звукопоглощающей облицовки, для уменьшения шума применяют штучные (объемные) поглотители различных конструкций (рис. 11.26), представляющие собой объемные тела, заполненные звукопоглощающим материалом и подвешиваемые к потолку равномерно по помещению на определенной высоте.

Рис. 11.26. Штучные звукопоглотители различных конструкций

Величину снижения шума (дБ) в помещении в зоне преобладания отраженного звука путем применения звукопоглощающей облицовки определяют по формуле

,

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

Постоянную помещения до его акустической обработки рассчитывают по формуле

B₁=A₁/ (1- α₁),

где — эквивалентная площадь звукопоглощения помещения до проведения акустической обработки; — средний коэффициент звукопоглощения этого помещения; S_П — площадь внутренних поверхностей помещения, м².

Постоянную помещения после его акустической обработки определяют по формуле

B₂=A₂/ (1- α₂),

где А₂ — эквивалентная площадь звукопоглощения помещения после проведения акустической обработки; — средний коэффициент звукопоглощения акустически обработанного помещения.

Величину А2 можно представить в виде

А₂=А+ΔА,

где — эквивалентная площадь звукопоглощения помещения, не занятая облицовкой; — площадь звукопоглощающей облицовки; - добавочное поглощение, вно­симое при акустической обработке; — коэффициент звукопоглощения облицовки; — эквивалентная площадь звукопоглощения тучного поглотителя;

nшт— число штучных поглотителей.

На эффективность звукопоглощающих облицовок влияет высота расположения их над источниками шума, а также конфигурация помещения. Облицовки более эффективны при относительно небольшой высоте помещения (до 4—6 м).

Установка звукопоглощающих облицовок снижает шум на 6—8 дБ в зоне отраженного звука (вдали от источника) и на 2—3 дБ вблизи источника шума.

Глушители шума. Их используют для снижения воздушного шума, создаваемого газодинамическими установками содержащими каналы с движением газа. Глушители шума разделяют на абсорбционные (диссипативные), реактивные и комбинированные. В диссипативных глушителях снижение шума постигается за счет потерь акустической энергии на трение в звукопоглощающих материалах (волокнистых или пористых поглотителях). В реактивных глушителях это уменьшение обусловливается отражением энергии набегающих звуковых волн обратно к источнику. Глушители, в которых наблюдаются и диссипация, и отражение звуковой энергии, называются комбинированными. В последнее время ведутся работы по созданию активных глушителей шума, содержащих дополнительные источники звука и работающих на принципе деструктивной интерференции звуковых волн.

Диссипативные глушители. Они эффективно работают в широком диапазоне частот, когда коэффициент звукопоглощения применяемого материала близок к единице (α = 0,8÷1,0). Их целесообразно использовать для снижения шума, характеризуемого непрерывным спектром или дискретным спектром с большим числом гармонических составляющих. При этом в каналах с большой скоростью потока, высокой температурой или агрессивной средой применение таких глушителей предъявляет особые требования к содержащимся в них звукопоглощающим материалам. Например, при использовании глушителей этого типа в системах выпуска двигателей внутреннего сгорания используют такие температуростойкие поглотители, как минеральная вата, стекловолокно, базальтовые волокна.

Наиболее простым и распространенным глушителем диссипативного типа является облицовка канала звукопоглощающим материалом. Это так называемый трубчатый глушитель представленный на рис. 11.27, а. Волокнистый звукопоглощающий материал применяют в виде набивки или матов, которыми обвертывают внутреннюю перфорированную трубу.

Обычно шаг перфорации t = 2d, где d — диаметр перфорации, равный 4—8 мм. Коэффициент перфорации, определяемый как отношение общей площади отверстий к площади боко­вой поверхности перфорированного канала, при этом должен быть больше 0,2 для того, чтобы звуковые волны, распростра­няющиеся по тракту, беспрепятственно проникали в полость со звукопоглощающим материалом и гасились в нем. Умень­шение этого значения коэффициента перфорации приводит к заметному снижению эффективности глушения на высо­ких частотах. Чем толще слой звукопоглощающего материала h в диссипативном глушителе, тем эффективнее снижается шум на низких частотах. С увеличением длины глушителя l его эффективность повышается во всем рабочем диапазоне частот.

Рис. 11.27. Диссипативные глушители шума: а — трубчатый; б — пластинчатый

Заглушение ΔL (Дб) в трубчатом диссипативном глуши­теле длиной l приближенно можно оценить по формуле

ΔL = 1,1 a'Pl/S,

где Р — периметр сечения трубы; S — площадь поперечного сечения трубы; а' — коэффициент поглощения звука облицовкой.

С целью увеличения заглушения используются пластинча­тые глушители, в которых аэродинамический тракт разделен продольным перегородками, облицованными звукопогло­щающим материалом (рис. 11.27, б).

На выходе канала в атмосферу или на входе в канал уста­навливают экранные глушители (рис. 11.28). На низких часто­тах экран практически не оказывает влияния на излучаемый шум. На высоких частотах эффективность его установки составляет 10—25 дБ, причем максимальный эффект наблю­дается в осевом направлении.

Большое значение имеет расстояние от среза канала до экрана и размер экрана; чем меньше это расстояние и больше размеры экрана, тем эффективнее его установка. Обычно диа­метр экрана принимается в два раза большим диаметра канала. Что касается расстояния от среза канала до экрана, то его сле­дует делать как можно меньшим. Ограничивающим фактором здесь является допустимое гидравлическое сопротивление.

Рис. 11.28. Типовые конструкции (а — г) экранных глушителей шума

Реактивные глушители. Глушители реактивного типа — это акустические фильтры, которые характеризуются чередующи­мися полосами заглушения и пропускания звука, а поэтому применяются для снижения шума с резко выраженными дис­кретными составляющими спектра. Реактивные глушители подразделяются на камерные, резонансные и комбинирован­ные (рис. 11.29).

Камерные глушители состоят из одной или нескольких камер, представляющих собой полости в виде расширения трубопровода по его сечению (рис. 11.29, а). В камерном глушителе звуковые волны отражаются от противополож­ной стенки и, возвращаясь к началу в противофазе по отно­шению к прямой волне, уменьшают ее интенсивность. Резонансные глушители бывают двух типов: резонаторы Гельмгольца (рис. 11.29, а, в) и четвертьволновые резона­торы (рис. 11.29, б, г). Резонатор Гельмгольца представляет собой полость объемом V, соединенную с трубопроводом отверстиями, называемыми горлом резонатора. Полость и отверстия в таком резонаторе образуют систему, обеспе­чивающую практически полное отражение звуковой энергии обратно к источнику на частотах, близких к его собственной (резонансной) частоте. Собственная частота резонатора Гельмгольца определяется формулой

fо ⁼ (^с/2 π) (nS/LV)^1/2 _,

где п — количество отверстий; S — площадь одного отверстия; L—эффек­тивная длина горла резонатора (L=t+πd/A, здесь t,d— соответственно глубина отверстий (толщина стенки трубопровода) и их диаметр).

Рис. 11.29. Реактивные глушители шума: а — камерный; б, в —

Рис. 11.29. Реактивные глушители шума: а – камерный; б, в – резонансный; г – комбинированный

В четвертьволновом резонаторе (рис. 11.29, в) звуковая волна на резонансной частоте проходит путь до торца трубы и обратно, кратный половине длины волны, и затем встреча­ется со вслед бегущей волной, будучи с ней в противофазе. Образуется узел стоячей волны, через который, как известно, энергия на данной частоте не распространяется, т.е. шум на данной частоте будет заглушён.

Широкое распространение получили на практике глуши­тели с перфорированными трубами. Наиболее простой из них, концентрический резонатор, представлен на рис. 11.30.

Отметим, что реактивные глушители следует использовать прежде всего для снижения шума на низких частотах, где они эффективнее диссипативных глушителей. Большим достоин­ством реактивных глушителей является то, что они не боятся засорения газовыми выбросами и легко прочищаются.

Рис. 11.30. Концентрический резонатор

Средства индивидуальной защиты. Когда невозможно уменьшить шум до допустимых величин средствами кол­лективной защиты, используют средства индивидуальной защиты. Основное их назначение — защитить ухо человека от проникновения в него звука. К СИЗ относятся вкладыши, наушники, шлемы и костюмы.

Вкладыши. Это вставленные в слуховой канал мягкие тампоны из ультратонкого волокна, иногда пропитанные смесью воска и парафина, и жесткие вкладыши (эбонитовые, резиновые) в форме конуса. Вкладыши — это самые дешевые и компактные средства защиты от шума, но не достаточно эффективные (снижение шума на 5—20 дБ).

Наушники. Наушники плотно облегают ушную раковину и удерживаются дугообразной пружиной. Эффективность наушников определяются качеством уплотнений по краю уплотнительного ободка наушников. Широко используемые пенные наполнители не очень эффективны. Поэтому при высоких уровнях шума рекомендуется использовать жидко­стное наполнение уплотнителей.

Шлемы. При воздействии шумов с высокими уров­нями (более 120 дБ) вкладыши и наушники не обеспечивают необходимой защиты, так как шум действует непосредственно на мозг человека. В этих случаях применяют шлемы и проти­вошумные костюмы, закрывающие голову и тело человека.

Рассмотренные пассивные СИЗ обладают высокой эффек­тивностью только на высоких частотах. Для эффективного снижения шума в низкочастотном диапазоне целесообразно использовать активные СИЗ. Шум от источника попадает в наушники, где регистрируется микрофоном. Сигнал с микро­фона обрабатывается микропроцессором, управляющим рабо­той миниатюрного динамика, вмонтированного в наушники. При этом динамик излучает звук, находящийся в противофазе с шумом основного источника. В результате интерфе­ренции происходит гашение шума от внешнего источника пума внутри наушников.

Защита от инфразвука. К основным мероприятиям по защите от инфразвука можно отнести: повышение быстро­ходности машин, что обеспечивает перевод максимума излуче­ния энергии в область слышимых частот; повышение жесткости конструкций больших размеров; устранение низкочастотных вибраций; установка глушителей реактивного типа.

Отметим, что традиционные методы защиты от шума с помо­щью звукоизоляции и звукопоглощения малоэффективны при инфразвуке. Требуются очень толстые и массивные звукоизолирующие перегородки или звукопоглощающие покрытия. Поэтому основным подходом к снижению инфразвука явля­ется его уменьшение в источнике.

Защита от ультразвука. Как очень высокочастотным колебаниям, ультразвуку соответствует большой коэффициент затухания, из-за чего он распространяется в окружающей среде на небольшие расстояния, а средства защиты от него очень эффективны.

Защита от действия ультразвука через воздух может быть обеспечена: использованием в оборудовании более высоких рабочих частот, для которых допустимые уровни звукового давления выше; изготовлением оборудования, излучающего ультразвук, в звукоизолирующем исполнении (кожуха); уст­ройством экранов, в том числе прозрачных. Стационарные ультразвуковые источники, генерирующие уровни звукового давления, превышающие нормативные значения, должны оборудоваться звукопоглощающими кожухами (экранами) и размещаться в отдельных помещениях или звукоизоли­рующих кабинах.

Запрещается непосредственный контакт человека с рабочей поверхностью источника ультразвука и контактной сре­дой во время возбуждения в ней ультразвуковых колебаний. В целях исключения контакта с источниками ультразвука необ­ходимо применять: дистанционное управление источниками ультразвука; автоблокировку (автоматическое отключение источников ультразвука) при выполнении вспомогательных операций (загрузка и выгрузка продукции, белья, медицинского инструментария, нанесения контактных смазок и др.); предметов, которые могут служить в качестве твердой кон­тактной среды.

Для защиты рук от неблагоприятного воздействия кон­тактного ультразвука необходимо применять рукавицы или перчатки (наружные резиновые и внутренние хлопчатобу­мажные).

При систематической работе с источниками контактного ультразвука в течение более 50% рабочего времени необхо­димо устраивать два регламентированных перерыва: 10-минут­ный за 1—1,5 ч до обеденного перерыва и 15-минутный через 1—1,5 ч после обеденного перерыва для проведения физиопрофилактических процедур (тепловых гидропроцедур, массажа, ультрафиолетового облучения), а также лечебной гимнастики, витаминизации и т.п.

При использовании ультразвуковых источников, как правило, низкочастотных, в бытовых условиях (стиральные машины, охранная сигнализация, приспособления для отпуги­вания животных, насекомых и грызунов, устройства для резки и сварки различных материалов и др.) следует четко выпол­нять требования по их применению и безопасной эксплуата­ции, изложенные в прилагаемой к изделию инструкции.