6.6.3. Защита от шума, электромагнитных полей и излучений
Уровень интенсивности в свободном волновом поле. Уравнение плоской волны, не затухающей с расстоянием, в комплексной форме имеет вид
(6.23)
здесь — комплексная амплитуда; r — радиус-вектор рассматриваемой точки; k — волновой вектор, численно равный волновому числу
где с и — соответственно скорость распространения и длина волны.
Распространение волны всегда связано с переносом энергии, которая количественно характеризуется мгновенным вектором плотности потока энергии It. На практике обычно пользуются понятием интенсивности волны I, которая равна модулю среднего значения вектора It за время, равное периоду T полного колебания. Найдем интенсивности звука и электромагнитной волны. Для этого введем понятие импеданса среды при распространении волны.
Комплексным импедансом среды при распространении звуковой волны назовем отношение
где р и v—соответственно звуковое давление и колебательная скорость.
Комплексным импедансом среды при распространении электромагнитной волны назовем отношение поперечных составляющих электрического (Е) и магнитного (H) полей в данной точке:
(6.24)
Положив и̃ ≡ р для звука и ũ ≡ Е̃ для электромагнитного поля, можно для определения интенсивности звуковой волны или для определения интенсивности электромагнитной волны использовать одну и ту же формулу*:
(6.25)
где — эффективное значение величины и.
При заданных стандартом референтных значениях** I*, u*, z*, удовлетворяющих условию I* = u2*/z* из соотношения (6.25) следует
LI = Lu + Lz
Где и—уровни величинI, и, z. Суммарная интенсивность некогерентных источников
Следовательно, уровень суммарной интенсивности
где L1i и п — соответственно уровень интенсивности i-го источника и число источников. Если все п источников имеют одинаковый уровень интенсивности, равный Li, то уровень суммарной интенсивности будет равен
Источники направленного действия характеризуют коэффициентам направленности, равным отношению:
где I—интенсивность волны в данном направлении на некотором расстоянии r от источника направленного действия мощностью W, излучающего волновое поле в телесный угол Ω; Iн = W/(4πr2) —интенсивность волны на том же расстоянии при замене данного источника на источник ненаправленного действия той же мощности. В общем случае в сферической системе координат, характеризуемой углами θ и φ, коэффициент направленности ф = = ф(θφ). Для осесимметричных источников коэффициент направленности не зависит от координаты φ и ф = ф(θ). Таким образом, интенсивность можно выразить через мощность источника следующим образом:
При необходимости учесть затухание в уравнение (6.23) вводят вместо волнового числа k комплексное волновое число k̇*; или коэффициент pаспространения k̂*:
(6.27)
где и — соответственно коэффициент фазы и коэффициент затухания. Амплитуда затухающей волны будет равна u̇m() = u̇me-r, а интенсивность волны будет затухать по закону:
На расстоянии r затухание в децибелах
где 0 = 8,686 —коэффициент затухания, выраженный в децибелах на единицу длины.
Полагая W* =I*Se, из выражения (6.28) находим уровень интенсивности с учетом затухания:
где Se и Lv= 10lgW/W* —соответственно единичная площадь и уровень мощности относительно референтного значения W*.
Таким образом, уровень интенсивности в данной точке определяется через уровень мощности и коэффициент направленности. Формула (6.29) справедлива в свободном волновом поле, т. е. поле, не имеющем границ, от которых могло бы происходить отражение волн. Свободное поле можно создать и в помещении, если сделать последнее из материала, полностью поглощающего энергию падающей волны. Величину 10lgф называют показателем направленности и обозначают ПН.
Таблица 6.7.
Коэффициент затухания звука в воздухе, дБ/км
Относительная влажность воздуха, %
| Среднегеометрические частоты октавных полос, Гц
| ||||||
125
| 250
| 500
| 1000
| 2000
| 4000
| 8000
| |
10 40 80
| 0,8 0,4 0,2
| 1,5 1,3 0,9
| 3,8 2,8 2,7
| 12,1 4,9 5,5
| 40 11 9,7
| 109 34 21
| 196 120 66
|
Для звука коэффициент затухания 0 зависит от частоты звука, температуры, давления и относительной влажности воздуха. При нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха, равной +20 С , значения коэффициента 0 даны в табл. 6.7. Для электромагнитной волны, распространяющейся в воздухе, 0 0 (см. ниже). Следует иметь в виду, что в реальных условиях уровень затухания зависит также от погодных условий (дождь, снег, туман и т. д.), наличия растительности (трава, кустарник, деревья и т. д.), состояния атмосферы (ветер, туман, турбулентность, температурные градиенты и т. д.), наличия отражающих поверхностей (земля, преграды, экраны и т. д.) и ряда других факторов и вычисляется по формуле , где e(i) — уровень затухания при наличии i-го фактора. Если затуханием можно пренебречь ( = 0). то уровень интенсивности:
Диффузное волновое поле в изолированных объемах. Волновое поле называют диффузным, если усредненная по времени объемная плотность энергии w = wд одинакова во всех точках, а поток энергии через единичную площадку в любой точке и в любом направлении постоянен и равен Iд.
Энергия волны в объеме dV равна d = wдdV. В диффузном поле эта энергия распределяется равномерно во все стороны пространства 4. Следовательно, на телесный угол d = dSсos/r2 приходится часть энергии, равная d2 = wдcosdVdS/4r2. В сферической системе координат с полярным углом элементарный объем dV= r2sindddr и полная энергия через площадку dS найдется в результате следующего интегрирования:
Откуда следует, что поток энергии через единичную площадку
(6.31)
Таким образом, поток энергии через единичную площадку в диффузном волновом поле в четыре раза меньше интенсивности Iв бегущих волн с той же объемной плотностью энергии. Для бегущей со скоростью с волны интенсивность I = cw, где w — усредненная объемная плотность энергии. При наличии диффузного поля понятие интенсивности теряет смысл.
Понятие диффузного поля часто используют при определении плотности потока энергии Iп в изолированных объемах. Под изолированным объемом понимается пространство, огражденное стенками (например, производственное помещение, кабина, пространство под кожухом машины и т. д.). Волны в изолированных объемах, многократно отражаясь, образуют поле, которое изменяется при изменении геометрических размеров, формы и других характеристик источника.
Волновое поле в каждой точке изолированного объема можно представить в виде совокупности волн, непосредственно приходящих в эту точку от источника, именуемую как прямая волна, и совокупности болн, попадающих в нее после отражений от границ изолированного oбъема — отраженная волна.
Плотность энергии wп в любой точке изолированного объема будет складываться (рис. 6.38) из плотности энергии w прямой волны и плотности энергии wд при диффузном поле отраженной волны: wп = w + wд. Умножив это уравнение на скорость с, получим
Iп = I + 4Iд
Рис. 6.38. Диффузное поле отраженной волны
Интенсивность прямой волны в общем случае определяется формулой (6.28). Выразим плотность потока энергии Iд через мощность источника. При работе источника в изолированный объем постоянно поступает энергия. При мощности источника W отраженный от границ полный поток энергии составит W, а от единичной площадки W/S. За единицу времени через единичную площадку границы вследствие поглощения исчезнет количество энергии, равное Iд. Так как в диффузном поле плотность энергии постоянная, то должно соблюдаться равенство W/S = Iд. Для простоты дальнейших рассуждений здесь предполагается, что коэффициент значительно больше коэффициента . Уравнение (6.32) принимает вид
(6.33)
Из полученного выражения видно, что в изолированном объеме плотность потока энергии получает некоторое приращение, которое аналитически обусловлено наличием множителя (1 - )/, который велик при коэффициенте близком к нулю.
Защитное устройство бесконечной толщины. Во многих случаях информацию можно получить, исследуя вместо реальной конструкции теоретическое защитное устройство бесконечной толщины, оно представляет собой просто среду, бесконечно простирающуюся в направлении распространения волны. Таким образом, волна из одной среды проходит в другую среду (защитное устройство), предварительно попадая на границу раздела этих сред. При падении на плоскую границу раздела двух разных сред плоская волна частично отражается, частично проходит в другую среду, оставаясь плоской, но меняя при этом свое направление распространения, т. е. преломляясь. Таким образом, в общем случае существуют три волны: падающая, отраженная и преломленная (прошедшая).
При прохождении границы раздела сред без поглощения должен соблюдаться закон сохранения энергии: W- + W~ = W+. Кроме того, на границе должны выполняться специфические для волн данной природы условия: например, для звуковых волн по обе стороны границы должны быть равны звуковые давления — принцип непрерывности звукового давления; для электромагнитных волн на границе раздела двух сред непрерывны тангенциальные составляющие электромагнитного поля. Условие непрерывности при нормальном падении волн можно записать в виде равенства на границе амплитуд поля в среде i и среде j: [um]j = [um]i Усредненный поток энергии можно выразить через интенсивность: W= IS, а интенсивность — через амплитуду и импеданс среды с помощью формулы (6.25). Тогда закону сохранения энергии можно придать вид (рис. 6.39)
где и+m, u- т, и u~ т — амплитуда, соответственно, падающей, отраженной и прошедшей волн, а zSk = zk/Sk — импеданс на единицу площади (k = i, j).
В среде i существуют падающая и отраженная волна, которые на границе создают суммарную амплитуду [um]j = и+m + и-m в среде j существует только преломленная волна: [um]j = u~m . Условие непрерывности и закон сохранения энергии позволяют найти амплитудный коэффициент отражения Rij и амплитудный коэффициент передачи Тij при пялении волны на границу (i,j) из среды i:
(6.34)
Рис. 6.39. Баланс энергии на границе раздела сред
При этом имеем Тij = 1 + Rij, Rij = - Rij . Так как значение коэффициента отражения лежит между -1 и +1, то значение коэффициента передачи заключено в интервале от 0 до 2 и он всегда положителен. При равных площадях (Si = Sj) соотношения (6.34) примут такой же вид, который можно получить простой заменой zSk на zk а при равных импедансах сред (zi = zj) — заменой zSk на 1/Sk (k = i, j). Амплитудные коэффициенты отражения и передачи при нормальном падении волн связаны с соответствующими энергетическими коэффициентами соотношениями:
Защитное устройство конечной толщины. В общем случае защитное устройство имеет конечную толщину. При этом волна, падая на защитное устройство, частично отражается, а частично может проходить сквозь него. Отражательную способность защитного устройства характеризуют коэффициентом отражения энергетическим и амплитудным. Прозрачные свойства защитного устройства характеризуют соответствующими коэффициентами передачи. Амплитудные коэффициенты отражения и передачи на границах разных сред будем обозначать соответственно через Rij и Тij. Эти величины определены соотношениями (6.34). Амплитудные коэффициенты отражения и передачи защитного устоойства будем обозначать соответственно чеоез R и Т. при этом в комплексной форме
где и— соответственно амплитуда падающей и отраженной волны на входе в защитное устройство; — амплитуда волны на выходе из защитного устройства.
Рассмотрим случай, когда гармоническая волна падает из среды 1 (рис. 6.40) на защитное устройство произвольной толщины h, состоящее из среды 2, ограниченной с другой стороны средой 3, при этом S1 = S2 = S3. Примем, что импедансы сред соответственно равны z1, z2 и z3, а волновое поле в среде 2 на длине h затухает по экспоненциальному закону , гдеk̂* — коэффициент распространения. При неравных импедансах сред часть энергии на границе (1, 2) отражается обратно в среду 1 в соответствии с формулой (6.34). Амплитуда падающей волны равна и+m. Обозначив амплитуду отраженной волны через u̇2, имеем: u̇2 = R12 и̇+m .
Рис. 6.40. Схема защитного устройства конечной толщины
Другая часть энергии пройдет в среду 2 и, изменившись пропорционально коэффициенту передачи T12 на границе (1, 2), претерпит в среде 2 затухание по закону , так что амплитуда волны в среде2, которую обозначим через u̇1, определится выражением . Эта волна на границе(2, 3) частично отразится и создаст в среде 2 отраженную волну, амплитуда которой с учетом затухания станет равной и частично пройдет в среду3. Амплитуда прошедшей волны будет pавна . Волна с амплитудойu̇3 частично пройдет в среду 1: , а частично отразится от границы (1, 2)-и снова будет распространяться в среде 2 в виде волны с амплитудой . Процесс отражения и прохождения волн на границе сред (1,2 и 2, 3) будет продолжаться до полного затухания волн. Суммируя все волны, из которых в среде 1 формируется общая отраженная волна, можно получить для амплитуды этой волны следующее выражение:
(6.37)
где z12 = z1/z2 и z32 = z3/z2. Полученные соотношения носят общий характер, и их можно применять при решении задач защиты гак от звуковых, так и от электромагнитных полей.
Если по обе стороны от защитного устройства находится одна и та же среда, то импедансы z1 и z3 равны. Тогда формулы (6.36) и (6.37) преобразуются к виду:
Амплитудные коэффициенты R и Т при нормальном падении волн связаны с энергетическими коэффициентами и соотношениями: = R2, = Т2, эффективность защиты
При распространении звука в атмосфере значение импеданса будет зависеть от температуры и давления. Значение z* = 400 Пас/м будут соответствовать условиям, когда, например, давление и температура будут соответственно равны 0,9105 Па (675 мм рт. ст.) и -27 °С или 1,0131015 Па и +38,8 °С. Однако при изменении давления и температуры в пределах обычной атмосферы уровень импеданса Lz = 101gz/z* незначителен и им пренебрегают, полагая, что
Lp( f̂ ) = LI(f̂) .
Уровень интенсивности или плотности потока энергии можно определить, используя зависимости (6.29), (6.30), (6.33).
Для расчета уровня шума в изолированном объеме используют уравнение (6.33), которое записывают в децибелах в виде
(6.43)
где —уровень плотности потока энергии на сферической поверхности радиуса r, образованной телесным углом излучения при данном значении постоянной изолированного объема B=S/(1 - ), где S—общая площадь его внутренней поверхности с коэффициентом поглощения; e — затухание звука [(см. пояснения к формуле (6.29)], которое в большинстве случаев можно принять равным нулю, S(r) = 4r2.
Таблица 6.8.
- Безопасность жизнедеятельности
- Авторы: с.В. Белов, а.В. Илышцкая, а.Ф. Козьяков, л.Л. Морозова, г.П. Павлихнн, и.В. Переездчиков, в.П. Сивков, д.М. Якубович
- Безопасность жизнедеятельности
- Предисловие
- Введение основы безопасности жизнедеятельности. Основные понятия, термины и определения
- Отдельные случаи чрезмерно высоких загрязнений компонент биосферы и их последствия
- Число погибших от воздействия негативных факторов в 1990 г., Человек
- Раздел I
- 1.2. Пути повышения эффективности трудовой деятельности человека
- 1.3. Физиологическое воздействие метеорологи- ческих условий на человека
- Количество влаги, выделяемое с поверхности кожи , и из легких человека, г/мин
- 1.4. Профилактика неблагоприятного воздействия микроклимата
- 1.5. Промышленная вентиляция и кондиционирование
- 1.6. Влияние освещения на условия деятельности человека
- 2. Негативные факторы техносферы
- 2.1. Загрязнение регионов техносферы
- Токсичными веществами
- Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Российской Федерации, тыс. Т [2.2]
- Города с большим уровнем загрязнения атмосферы в 1990 г. (извлечение из табл. 2.3 [2.3])
- Воздействие фотохимических оксидантов на человека и растительность
- 2.2. Энергетические загрязнения техносферы
- 2.3. Негативные факторы производственной среды
- 2.4. Негативные факторы при чрезычайных ситуациях
- Сведения о чрезвычайных ситуациях техногенного характера в России [2.2]
- 3. Воздействие негативных факторов на человека и техносферу
- 3.1. Системы восприятия человеком
- Состояния внешней среды
- 3.2. Воздействие негативных факторов и их нормирование
- 3.2.1. Вредные вещества
- Классификация производственных вредных вещесте по степени опасности (гост 12.1.007—76)
- Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе рабочей зоны во гост 12.1.005—85 (извлечение)
- Предельно допустимые уровни загрязнения кожи рук работающих с вредными веществами но сн 4618—88 (извлечение)
- Предельно допустимые концентрации некоторых вредных веществ (мг/м ) в атмосферном воздухе населенных мест (извлечения)
- 3.2.2 Вибрации и акустические колебания
- Коэффициенты повышения риска вибрационной болезни в зависимости от уровня сопутствующего шума, температуры окружающей среды и категории тяжести работ
- Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и
- Эквивалентного уровня звука на рабочих местах, в
- Производственных помещениях и на территории предприятий
- По гост 12.1.003-83* (извлечение)
- Допустимые уровни виброскорости и ее пиковые значения на рабочих местах
- Предельно допустимые уровни инфразвука в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами (Гц) на рабочих местах и на территории жилой застройки
- 3.2.3. Электромагнитные поля и излучения
- 3.2.4. Ионизирующие излучения
- 3.2.5. Электрический ток
- Характер воздействия тока на человека (путь тока рука —нога, напряжение 220 в)
- 3.2.6. Сочетанное действие вредных факторов
- Раздел II
- 4.2. Качественный анализ опасностей
- Представление результатов апо ддля схемы управления с двумя кнопками
- Элементы и символы, используемые для построения дерева причин потенциального чепе
- Виды потенциальных ошибок и гипотетические номера по классификатору
- Гипотетический классификатор ориентировочных значений вероятности ошибки оператора
- Гипотетический классификатор ориентировочных значении вероятности исправления ошибки оператора
- Форма для планирования предупредительных мероприятий
- 4.3. Количественный анализ опасностей
- 4.4. Анализ последствий чепе
- Расчетные соотношения дм полей концентраций от некоторых источников
- Описание категорий устойчивости атмосферы*
- 5. Средства снижения травмоопасности технических систем
- 5.1. Взрывозащита технологического оборудованиия
- 5.2. Защита от механического травмирования
- 5.3. Средства автоматического контроля и сигнализации
- 5.4. Защита от опасностей автоматизированного и роботизированного производства
- 5.5. Средства электробезопасности
- 5.6. Средства защиты от статического электричества
- 6. Идентификация вредных факторов и защита от них
- 6.1. Состав и расчет выбросов загрязняющих
- Веществ в атмосферу
- 6.2. Средства защиты атмосферы
- 6.3. Состав и расчет выпусков сточных вод в водоемы
- 6.4. Средства защиты гидросферы
- 6.5. Сбор и ликвидация твердых и жидких отходов
- 6.6. Защита от энергетических воздействий
- 6.6.1. Обобщенное защитное устройство и методы защиты
- 6.6.2. Защита от вибрации
- Механические свойства и коэффициенты потерь некоторых материалов
- 6.6.3. Защита от шума, электромагнитных полей и излучений
- Плотность, скорость звука и характеристический импеданс для некоторых сред и материалов
- 6.6.4. Защита от ионизирующих излучений
- Фактор накопления в линейный коэффициент ослабления некоторых материалов, используемых при защите от излучений
- Длины релаксация нейтронов в среда в зависимости от среды и энергия нейтронов
- 7. Средства индивидуальной защиты
- Раздел III
- 8.2. Устойчивость промышленных объектов
- 8.3. Прогнозирование параметров опасных зон
- 8.4. Ликвидация последствий чс
- Раздел IV
- 9.3.Организационные основы управления
- 9.3. Экспертиза и контроль экологической безопасности
- 9.4. Международное сотрудничество
- Пыле- и туманоуловители для очистки газовых выбросов, применяемые в машиностроении и приборостроении
- 2. Определение размеров зон заражения сдяв
- Степень разрушения коммунально-энергетических и технологических сетей
- Основные типы приборов для контроля требований безопасности жизнедеятельности
- 5. Перечень госТов рф комплекса гост р 22 «безопасность в чс»
- Список литературы
- Глава 1
- Глава 2
- Глава 3
- Глава 4
- Глава 5
- Глава 6
- Глава 7
- Глава 8
- Глава 9
- Раздел I 47
- 7. Средства индивидуальной защиты 380