ПРОГРАММА
Проведения исследовательских работ
По определению места утечки водных коммуникаций
Адаптированная для школьников старших классов
Общеобразовательных школ, лицеев, колледжей, ПТУ
СОДЕРЖАНИЕ
Тема. Исследование возможности применения простого акустического способа определения места утечки водных коммуникаций ………………. 2
О звуке ………………………………………………………………………. 3
Зависимость звукового давления от расстояния и мощности …..….. 5
Методика проведения экспериментальных работ ……………………. 6
Измерительный прибор
- Скважинный прибор ……………………………………………………… 7
- Наземный пульт …………………………………………………..……… 9
Бурение скважин...................................................................................... 10
Начальные опыты ……………………………………………………….. 10
ТЕМА. Исследование возможности применения простого акустического способа
Определения места утечки водных коммуникаций
Школьниками, учащимися ПТУ, колледжей, лицеев
Предлагаемый способ определения мест утечки, возможно, заменит вскрытие магистралей экскаватором в нескольких местах со снятием тротуарной плитки, когда при этом выявляют место утечки по журчанию воды непосредственно ухом человека.
Примерная методика проведения исследований для возраста 15-18 лет.
Расчетами, по своим формулам, персонал служб ЖКХ грубо определяет интервал утечки (вероятно, это ± 10-20 м). В этом диапазоне вдоль магистрали вручную буром Ø 60…100 мм бурятся несколько скважин глубиной ≈ 1 м до верха бетонного короба коммуникации. Время бурения такой скважины подростком 5-8 мин.
Прослушка в скважине с внешней стороны короба улучшает приход звука от текущей воды внутри короба и снижает помехи от посторонних шумов на поверхности.
В скважину на забой на экранированном проводе опускается микрофон с предварительным усилителем (имеется + усилитель напряжения – в разработке). Сигнал с усилителя регистрируется каким-либо прибором при неизменяемой его чувствительности (осциллограф по делениям экранной сетки, задемпфированный стрелочный электроизмерительный прибор, любой иной измеритель преобразованного звукового сигнала, можно серийный шумомер – 2600 руб. c доставкой). Осциллограф даст возможность убедиться, что по частоте этот сигнал принадлежит журчанию воды, а не какому-либо другому источнику звука. При замерах стрелочным прибором или шумомером одновременно контроль источника звука можно проводить с помощью наушников.
По полученным значениям сигнала строится график: ось абсцисс – величина сигнала, ось ординат – в функции расстояния от выбранной реперной точки.
Максимум на графике соответствует месту утечки. При некоторых кривых на графике использовать методы интерполяции и экстраполяции (если место утечки между точками измерений). В таком случае можно выполнить контрольную точку – бурение, замер.
Если такие исследования дадут положительный результат, то детям можно для последних этапов составить несложную программу, в неё также включить поступление данных от простого полевого курвиметра, выдающего расстояния от реперной точки, до точки бурения для измерений и программа выдаст координаты утечки.
Бур Ø 50-60 мм самодельный: труба Ø 15-20 мм с ручкой, к трубе привариваются 2 сектора из кусков старой циркулярной пилы (достаточная твердость металла), при этом плоскость сектора располагается к оси трубы под углом 60-75° – подбирается экспериментально по результатам бурения. В продаже ручные буры Ø 100 мм – 599 руб., меньшего диаметра не встречал.
Есть ещё метод для определения мест утечки – использования короткоживущих изотопов, он наиболее точный и быстрый – замеры радиометром с поверхности, я им пользовался, но с детьми он не приемлем.
Метод термометрический, но для повышения точности требует большого расхода горячей воды.
Имеется серийная аппаратура для проведения акустических, термометрических методов – довольно дорогая, примерно 7-ми значная цифра в рублях.
О звуке
Звуком называются воспринимаемые человеческим слухом изменения давления (в воздухе, воде или другой среде). Самым распространенным и известным прибором для измерения изменений давления воздуха является барометр. Однако обусловливаемые изменениями погоды изменения давления происходят так медленно, что они не воспринимаются человеческим слухом и, следовательно, не удовлетворяют приведенному выше определению звука.
Происходящие более быстро, т.е. по меньшей мере, 20 раз в с, изменения давления воздуха уже регистрируются человеческим слухом, и, следовательно, называются звуком. Необходимо отметить, что барометр не реагирует достаточно быстро и не регистрирует быстрые изменения давления, так что его нельзя применять для измерения звука.
Число изменений давления в секунду называется частотой звука и выражается в единицах Гц (герц). Диапазон слышимых частот простирается от 20 Гц до 20000 Гц.
Заметим, что перекрываемые роялем частоты имеют диапазон 27,5…4186Гц. Люди имеют знания о скорости распространения звука 
в воздухе, основанные хотя бы на экспериментальном методе определения расстояния между слушателем и молнией: с момента наблюдения молнии до восприятия грохота интервалам длительностью 3 сек. соответствуют интервалы расстояния длиной примерно 1 км. В пересчете эти значения соответствуют скорости распространения звука 1224 км/ч. Однако, в области акустики и акустических измерений отдается предпочтение выражению скорости распространения звука в м/с, т.е. 340 м/с.
На основе скорости распространения и частоты звука можно определять его длину волны, т.е. физическое расстояние между двумя соседними максимумами или минимумами его амплитуды. Длина волны равна деленной на частоту скорости распространения звука. Следовательно, длина волны звука с частотой 20 Гц составляет 17м, в то время как волна звука с частотой 20 кГц имеет длину всего 17 мм.
Звук – это волна, которая генерируется и передается определенной акустической системой, имеющей ряд характеристик, и распространяется в среде с рядом свойств. Очевидно, что характеристики акустической системы и среды определяют свойства самого звука (частоту, силу, давление, громкость и т.д.). Также звук улавливается человеком при помощи слуха, обладающего так же рядом свойств – но характеристики этой системы уже субъективные, на которые мы повлиять не можем.
Далее некоторые вводные рассуждения о распространении и свойствах звука, и при этом сразу принимаем, что они (рассуждения) о свойствах звука идут в логариф-мической зависимости от необходимых нам факторов, далее обоснуем это графиками и формулами.
В наших исследованиях будем использовать такой показатель, как громкость, преобразовав её в электрический сигнал, и по максимальной относительной величине выходного сигнала, ведь в конечном итоге звуковое давление зависит от расстояния до источника звука, станем находить место утечки воды. Для этого нам нужно знать ряд правил, но в первую очередь введём пояснение о величине звука.
Самый слабый звук, обнаруживаемый нормальным слухом здорового человека имеет амплитуду, равную 20 миллионным долям основной единицы давления – паскаль, т.е. 20 мкПа. Это равносильно деленному на 5 000 000 000 нормальному атмосферному давлению (1 атм. равна 1 кг/см2 или 10 т/м2). Изменение давления на 20 мкПа так мало, что ему соответствует перемещение ушной перепонки на расстояние, меньшее диаметра одного атома.
Удивительно, но человеческий слух способен воспринимать звуки, обусловливающие изменения давления более чем в миллион раз больше вышеописанного минимального значения. Следовательно, применение основных единиц давления, т.е. Па (паскаль), в акустической практике сопровождалось бы необходимостью применения больших и ненаглядных чисел. Во избежание этого недостатка в акустике распространено применение логарифмической шкалы и соответствующей ей единицы дБ (децибел).
Опорной точкой шкалы дБ служит слуховой порог, т.е. давление 20 мкПа. Так как эта точка является исходной точкой шкалы, ей соответствует уровень 0 дБ.
Первое, что необходимо знать, это как происходит увеличение звукового давления (т.е. громкости звука, если говорить о восприятии звука человеком, электрическим звуковым устройством и т.п.).
При увеличении мощности звука в два раза звуковое давление увеличивается на 3 дБ. На конкретном примере это будет выглядеть следующим образом: если мы берем акустическую систему – дождь со звуковым давлением в 50 дБ, то для того чтобы громкость увеличилась на 3 дБ, нам необходимо в нашу акустическую систему добавить ещё один такой же дождь в 50 дБ. И тогда звуковое давление в точке схода звука (зона нахождения слушателя, прибора) от двух источников составит 53 дБ.
Второе: увеличение расстояния в два раза уменьшает звуковое давление на 6 децибел. Предположим, мы установили все ту же акустическую систему в 50 децибел (звук от льющееся воды) в какой-то точке. Если на расстоянии одного метра звуковое давление составляет 50 Дб, то на расстоянии двух метров от источника звука громкость звука уменьшится на 6 Дб (т.е. составит 44 децибела).
И наконец, третье правило: как мы сказали ранее, что качество звука зависит и от неоднородности среды, в которой распространяется звук, то важно учитывать, что для того, чтобы человек/прибор услышал/отреагировал на эту информацию, нужно, чтобы звуковое давление от источника звука превышало фоновый шум на определенное число децибел.
Здесь нужно упомянуть о некоторых допущениях, связанных с применением скважины – она снижает помехи от поверхностного шума и то, что чаще коммуникация находится в бетонном коробе, это в какой-то степени снижает неоднородность акустической среды.
Если, например, при измерениях уровня шума необходимо определять, какое звуковое давление присутствует в точке прослушивания/измерения изначально, каков уровень фонового шума, то в случае определения относительного расстояния до источника звука, это делать не так важно.
Распространение звуковых волн в воздухе аналогично распространению волн в воде. Звуковые волны распространяются равномерно во всех направлениях, и их амплитуда уменьшается с увеличением расстояния от источника. Увеличению вдвое расстояния в воздухе соответствует уменьшение наполовину амплитуды звуковой волны, т.е. уменьшение уровня на 6 дБ. Следовательно, увеличив расстояние между источником звука и наблюдателем вдвое, уровень воспринимаемого последним звукового давления уменьшится на 6 дБ. Увеличению расстояния в 4, 8 и т.д. раз соответствует уменьшение уровня соответственно на 12 дБ, 18 дБ и т.д.
В наших исследованиях важна относительная качественная оценка – «дальше», «ближе», которую можно получить, проводя относительные количественные измерения.
Для количественной оценки шума пользуются усреднёнными параметрами, определяемыми на основании статистических законов, учитывающих структуру шума в его источнике и свойства среды, в которой этот шум распространяется.
Обычно уровень шума измеряется, как «звуковое давление» LpA или как «звуковая мощность» LWA. «Звуковая мощность» LWA характеризует уровень шума в его источнике и является постоянной для данного источника звука величиной, «звуковое давление» LpA зависит от расстояния между слушателем/измерителем и источником звука. В наших исследованиях будем считать LWA = const, а LpA будем измерять в относительных единицах по показаниям ИП.
Единица количественного измерения шума – децибел акустический, dB(A), в русском написании дБ(А) или дБА. Величина дБА – уровень звукового давления, измеренный при помощи специального прибора – шумомера (наш измерительный прибор: МИКРОФОН + УНЧ + ДЕТЕКТОР + ИНТЕГАЛЬНАЯ ЦЕПЬ + ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРИБОР – аналог шумомера). В шумомере ещё применяются фильтры (полосовые по частоте) А, В, С, иногда Д, учитывающими особенность восприятия шума слуховым аппаратом человека и снижающим чувствительность устройства в полосе частот, на низких и очень высоких частотах.
Зависимость звукового давления от расстояния
По мере удаления исследуемой точки (слушателя, измерения) от источника звука, звуковое давление в этой точке уменьшается по логарифмическому закону: ось Y в линейном масштабе, ось Х – в логарифмическом (рис. 1).
 |
Данную зависимость на графике представим формулой:
Р = 20lg(L) (1)
где Р – звуковое давление, дБ; L – расстояние от источника звука до расчетной точки, м.
Интерпретацию данной зависимости акустики называют правилом 6 дБ:
«При каждом удвоении удаления от источника звука, звуковое давление уменьшается на шесть дБ»
Исходя из выше сказанного, из графика, формул видно, что изменение дБА относительно изменения расстояния характеризуется сравнительно небольшой величиной, но которую нам необходимо зафиксировать измерительным прибором, и чем точнее, тем надёжнее определение места утечки!
Несколько слов о зависимости звукового давления от мощности источника звука в Вт:
РдБ = 10lg(P/Pоп) (2)
где РдБ – зависимость звукового давления, дБ от мощности источника звука, Вт;
Р – мощность источника звука, Вт.
На практике значение Роп принимают равным 1 Вт, поэтому формулу (2) можно записать:
РдБ = 10lg(P) (3)
Формула (3) акустиками часто используется и называется «пересчет ватт в децибелы». Эта зависимость представлена на графике и номограмме (рис. 2).
 |