Расчёт ожидаемых октавных уровней звукового давления при распространении звука в свободном пространстве.

Основные физические характеристики шума

 

Звук – упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде, если эти колебания лежат в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Ниже 16 Гц – инфразвук, выше 20 кГц – ультразвук, не слышимы для человека.

Шум – звуковые колебания в диапазоне слышимых частот, способные оказать вредное воздействие на безопасность и здоровье работника.

Звуковое поле – область пространства, в которой распространяются звуковые волны.

Звуковое давление Р, Па – разность между мгновенными значениями полного (при наличии источника шума) и среднего (при отсутствии источника шума) давлений.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения звуковой волны называется интенсивностью звука в данной точке I =P²/ c [Вт/м²], где - плотность среды, с – скорость распространения звуковой волны (344 м/с при н.у.).

Величина звукового давления и интенсивности звука могут изменяться в широких пределах, поэтому принята измерительная система, учитывающая логарифмическую зависимость между раздражителем и восприятием.

Бел (Б) – логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения. Для удобства пользуются единицей в 10 раз меньше – децибелом (дБ), которая приблизительно соответствует минимальному приросту силы звука, различаемому ухом (дифференциальный порог слухового анализатора).

Уровень интенсивности звука: L_I=10lgI/I₀,

где I₀ – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (I₀=10^-12 Вт/м² на частоте 1000 Гц).

Уровень звукового давления: L_p=10lgP²/P₀²,

где Р₀ =2_*10^-5 Па на частоте 1000 Гц.

В том случае, когда в расчётную точку попадает шум от нескольких источников, складывают их интенсивности, но не уровни:

I =I₁+I₂+…+I_n.

Если имеются n одинаковых источников шума с уровнем звукового давления L_i, создаваемым каждым источником, то суммарный шум: L =L_i+10lgn.

Интенсивность шума определяется в пределах октав.

Октавная полоса частот – диапазон частот, в котором верхняя граница вдвое больше нижней. Октава характеризуется среднегеометрической частотой: f_cp= .

Всего существует 8 октавных полос частот. Среднегеометрические частоты: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000.

Классификация шумов

По частотной характеристике различают шумы:

- низкочастотные – до 350 Гц;

- среднечастотные – 350-800 Гц;

- высокочастотные – свыше 800 Гц.

Кроме того, шумы можно классифицировать по следующим характеристикам:

1) по характеру спектра:

- широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;

- тональные – имеются превышения уровня шума в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ;

2) по временным характеристикам:

- постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более, чем на 5 дБ;

- непостоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не менее, чем на 5 дБ.

Непостоянные шумы в свою очередь подразделяются на:

-колеблющиеся во времени – уровень звука во времени изменяется непрерывно;

-прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в течении которых уровень остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более;

-импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.

По природе возникновения шумы машин или агрегатов делятся на:

· механические,

· аэродинамические и гидродинамические,

· электромагнитные.

Механический шум. На ряде производств преобладает механический шум, основными источниками которого являются зубчатые передачи, механизмы ударного типа, цепные передачи, подшипники качения и т.п. Он вызывается силовыми воздействиями неуравновешенных вращающихся масс, ударами в сочленениях деталей, стуками в зазорах, движением материалов в трубопроводах и т.п.

Аэродинамические и гидродинамические шумы:

· шумы, обусловленные периодическим выбросом газа в атмосферу, работой винтовых насосов и компрессоров, пневматических двигателей, двигателей внутреннего сгорания;

· шумы, возникающие из-за образования вихрей потока у твердых границ. Эти шумы наиболее характерны для вентиляторов, турбовоздуходувок, насосов, турбокомпрессоров, воздуховодов;

· кавитационный шум, возникающий в жидкостях из-за потери жидкостью прочности на разрыв при уменьшении давления ниже определенного предела и возникновения полостей и пузырьков, заполненных парами жидкости и растворенными в ней газами.

Шумы электромагнитного происхождения возникают в различных электротехнических изделиях (например при работе электрических машин). Их причиной является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей. Электрические машины создают шумы с различными уровнями звука от 20¸30 дБ (микромашины) до 100¸110 дБ (крупные быстроходные машины).

Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью W. Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство в единицу времени.

Источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т.е. обладают определенной направленностью излучения.

Вводится понятие показателя направленности:

G=10 lgФ=10lg I/I_cp,

где Ф – фактор направленности; I_cp – интенсивность, которую развил бы в точке ненаправленный источник; I – интенсивность звука, создаваемая направленным источником в этой же точке.

Шумовыми характеристиками, которые указываются в прилагаемой к машине (агрегату, устройству) технической документации являются:

- уровень звуковой мощности L_w в октавных полосах частот;

- характеристики направленности излучения шума.

Уровень звуковой мощности: L_w=10lg W/W₀, где W₀=10^-12 Вт.

Действие шума на человека.

 

Область слышимых звуков ограничивается не только частотным диапазоном (16…20000 Гц), но и предельными значениями звуковых давлений и их уровней.

L, дБ

порог болевого

ощущения

120

100

80 зона восприятие

60

40

f, Гц

20 100 1000 10000

порог слышимости

Верхняя кривая соответствует порогу болевого ощущения (L=120-130 дБ). Звуки, превышающие по своему уровню этот порог, могут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате.

Для оценки с помощью измерительной аппаратуры субъективного восприятия человеком звуков разной частоты введена частотно-корректированная характеристика шумомера А, которая позволяет с помощью одного измерения дать интегральную оценку уровня шума, близкую к оценке этого шума человеком.

Шум, даже, если он небольшой, создает значительную нагрузку на нервную систему человека, оказывая психологическое воздействие, особенно на людей умственного труда. Человек, работая при шуме, привыкает к нему, но продолжительное действие шума вызывает общее утомление, приводит к ухудшению слуха, а иногда и к глухоте; нарушается процесс пищеварения (язвенная болезнь), работа сердечно – сосудистой системы, происходит изменение объема внутренних органов.

Воздействуя на кору головного мозга, шум раздражает, ослабляет внимание и замедляет психические реакции. На фоне шума человек может не расслышать предупреждающие об опасности сигналы, что может привести к повышению травматизма. При действии шума очень высоких уровней (более 145 дБА) возможен разрыв барабанной перепонки.

Нормирование шума

Согласно санитарно-эпидемиологические правила и нормативы СанПиН 2.2.4.3359-16 «Санитарно-эпидемиологические требования к физическим факторам на рабочих местах» нормируемыми показателями шума на рабочих местах являются:

а) эквивалентный уровень звука A за рабочую смену,

б) максимальные уровни звука A, измеренные с временными коррекциями S и I,

в) пиковый уровень звука C.

Превышение любого нормируемого параметра считается превышением ПДУ.

Нормативным эквивалентным уровнем звука на рабочих местах является 80 дБА.

Эквивалентные уровни звука на рабочих местах с учетом напряженности и

тяжести трудового процесса:

Категории напряженности трудового процесса	Категории тяжести трудового процесса
Легкая и средняя физическая нагрузка	Тяжелый труд I степени	Тяжелый труд 2 степени
Напряженность легкой и средней степени
Напряженный труд 1 степени
Напряженный труд 2 степени		-	-
Напряженный труд 3 степени		-	-

Количественную оценку тяжести и напряженности трудового процесса по условиям труда следует проводить в соответствии с действующим документом по гигиенической оценке факторов рабочей среды и трудового процесса.

При сокращенном рабочем дне (менее 40 ч в неделю) предельно допустимые уровни применяются без изменения.

Максимальные уровни звука A, измеренные с временными коррекциями S и I, не должны превышать 110 дБА и 125 дБА соответственно.

Пиковый уровень звука C не должен превышать 137 дБС.

Для отдельных отраслей (подотраслей) экономики допускается эквивалентный уровень шума на рабочих местах от 80 до 85 дБ А при условии подтверждения приемлемого риска здоровью работающих по результатам проведения оценки профессионального риска здоровью работающих, а также выполнения комплекса мероприятий, направленных на минимизацию рисков здоровью работающих.

В случае превышения уровня шума на рабочем месте выше 80 дБА, работодатель должен провести оценку риска здоровью работающих и подтвердить приемлемый риск здоровью работающих.

Работы в условиях воздействия эквивалентного уровня шума выше 85 дБА не допускаются.

При воздействии шума в границах 80 - 85 дБА работодателю необходимо минимизировать возможные негативные последствия путем выполнения следующих мероприятий:

а) подбор рабочего оборудования, обладающего меньшими шумовыми характеристиками;

б) информирование и обучение работающего таким режимам работы с оборудованием, которое обеспечивает минимальные уровни генерируемого шума;

в) использование всех необходимых технических средств (защитные экраны, кожухи, звукопоглощающие покрытия, изоляция, амортизация);

г) ограничение продолжительности и интенсивности воздействия до уровней приемлемого риска;

д) проведение производственного контроля виброакустических факторов;

е) ограничение доступа в рабочие зоны с уровнем шума более 80 дБА работающих, не связанных с основным технологическим процессом;

ж) обязательное предоставление работающим средств индивидуальной защиты органа слуха;

з) ежегодное проведение медицинских осмотров для лиц, подвергающихся шуму выше 80 дБ.

Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1 000; 2 000; 4 000; 8 000 Гц не являются нормируемыми параметрами; рассматриваются как справочные параметры, которые могут использоваться для подбора СИЗ, разработки мер профилактики, решения экспертных вопросов связи заболевания с профессией и так далее; могут измеряться и отражаться в протоколе измерения.

Методы борьбы с шумом

Согласно ГОСТ 12.1.003-2014 при разработке технологических процессов, проектировании, изготовлении и эксплуатации машин, производственных зданий и сооружений, а также при организации рабочих мест следует принимать все необходимые меры по снижению шума, воздействующего на человека, до значений, не превышающих допустимые.

Защита от шума должна обеспечиваться разработкой шумобезопасной техники, применением средств и методов коллективной защиты, в том числе строительно-акустических, применением средств индивидуальной защиты.

В первую очередь следует использовать средства коллективной защиты. По отношению к источнику возбуждения шума коллективные средства защиты подразделяются на средства, снижающие шум в источнике его возникновения, и средства, снижающие шум на пути его распространения от источника до защищаемого объекта.

Технические средства борьбы с шумом:

Снижение шума в источнике – осуществляется за счет улучшения конструкции машины или изменения технологического процесса.

Изменение направленности излучения шума. В ряде случаев величина показателя направленности G достигает 10 - 15 дБ, что необходимо учитывать при использовании установок с направленным излучением, ориентируя эти установки так, чтобы максимум излучаемого шума был направлен в противоположную от рабочего места сторону.

Рациональная планировка предприятий и производственных помещений позволяет снизить уровень шума на рабочих местах за счет увеличения расстояния до источников шума.

Акустическая обработка помещений. О блицовка части внутренних ограждающих поверхностей звукопоглощающими материалами, а также размещение в помещении штучных поглотителей, представляющих собой свободно подвешиваемые объемные поглощающие тела различной формы. (Под звукопоглощением понимают свойство поверхностей уменьшать интенсивность отраженных ими волн за счет преобразования звуковой энергии в тепловую).

Применение звукоизоляции. Звукоизоляцияотносится к строительно-акусти-ческим методам борьбы с шумом и состоит в том, что звуковая волна, падающая на ограждение, приводит его в колебательное движение с частотой, равной частоте колебаний частиц воздуха. В результате ограждающая конструкция сама становится источником звука, но интенсивность этого звука в сотни раз меньше интенсивности звука, падающего на преграду.

Методами звукоизоляции можно изолировать источник шума от рабочего пространства или изолировать помещение от шума, проникающего извне.

В ряде случаев достаточное снижение шума оборудования достигается применением акустических экранов, отгораживающих наиболее шумные агрегаты или участки от соседних рабочих мест.

К архитектурно-планировочным решениям относится создание санитарно-защитных зон вокруг предприятий. По мере увеличения расстояния от источника уровень шума уменьшается.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) применяются в том случае, если другими способами обеспечить допустимый уровень шума на рабочем месте не удается.

Наиболее эффективны СИЗ, как правило, в области высоких частот.

СИЗ включают в себя противошумные вкладыши (беруши), наушники, шлемы и каски, специальные костюмы. При уровне шума на рабочем месте более 85 дБА применение СИЗ обязательно.

Организационные мероприятия (рациональный режим чередования труда и отдыха, сокращенный рабочий день, неделя).

Для производственных помещений, в которых помимо шума на человека действуют другие неблагоприятные факторы, ПДУ должны быть ниже.

 

Акустический расчёт

Необходимость проведения мероприятий по снижению шума определяется:

· на действующих предприятиях на основании измерений уровней звукового давления на рабочих местах с последующим сравнением этих уровней с допустимыми по нормам;

· на проектируемых предприятиях – на основании проведенного акустического расчёта.

Акустический расчёт включает:

· выявление источников шума и определение их шумовых характеристик;

· выбор расчётных точек и определение допустимых уровней звукового давления L _доп для этих точек;

· расчёт ожидаемых уровней звукового давления L_р в расчётных точках;

· расчёт необходимого снижения шума в расчётных точках;

· разработка строительно-акустических мероприятий для обеспечения требуемого снижения шума или по защите от шума (с расчётом).

Акустический расчёт выполняется в соответствии с методикой, предложенной СП 51.13330.2011 «Защита от шума» (введена в действие 20.05.2011 г.).

Акустический расчёт выполняется во всех расчётных точках для восьми октавных полос со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц с точностью до десятых долей дБ. Окончательный результат округляют до целых значений.

Исходными данными для акустического расчёта являются:

· геометрические размеры помещения;

· спектр шума источника (или источников) излучения;

· характеристика помещения;

· характеристика преград на пути распространения шума (если таковые имеются);

· расстояние от центра источника (источников) до рабочей точки.

Выбор расчётных точек: расчётные точки при акустических расчётах следует выбирать внутри помещений зданий и сооружений, а также на территории на рабочих местах или в зоне постоянного пребывания людей на высоте 1,2 – 1,5 м от уровня пола рабочей площадки или планировочной отметки территории.

При этом внутри помещения, в котором один источник шума или несколько источников шума с одинаковыми октавными уровнями звукового давления, следует выбирать не менее двух расчётных точек: одну на рабочем месте, расположенном в зоне отраженного звука, а другую – на рабочем месте в зоне прямого звука, создаваемого источниками шума.

Если в помещении несколько источников шума, отличающихся друг от друга по октавным уровням звукового давления на рабочих местах более чем на 10 дБ, то в зоне прямого звука следует выбирать две расчётные точки: на рабочих местах у источников с наибольшими и наименьшими уровнями звукового давления L_p в дБ.

Расчёт ожидаемых уровней звукового давления L_р в расчётных точках. В зависимости от того, где находится источник шума и расчётные точки (в свободном звуковом поле или в помещении), применяют различные методики расчёта:

Расчёт ожидаемых октавных уровней звукового давления в помещении с одним источником шума:

а) в зоне прямого и отраженного звука:

, (1)

б) в зоне прямого звука:

, (2)

в) в зоне отраженного звука:

, (3)

где L_W – октавный уровень звуковой мощности источника шума в дБ;

– фактор направленности;

c – эмпирический коэффициент, учитывающий влияние ближнего акустического поля и принимаемый в зависимости от отношения расстояния между акустическим центром источника (акустический центр источника шума, расположенного на полу или стене, следует принимать совпадающим с проекцией геометрического центра источника шума на горизонтальную или вертикальную плоскость) и расчётной точкой r (м) к максимальному габаритному размеру источника l _max (м) по графику (рис. 1):

S, м² – площадь воображаемой поверхности правильной геометрической формы, окружающей источник и проходящей через расчётную точку:

для источников шума, у которых r > 2 l _max, в зависимости от условий размещения источников шума:

· в пространстве ;

· на поверхности пола, стены, перекрытия ;

· в двухгранном углу, образованном ограждающими поверхностями ;

· в трехгранном углу, образованном ограждающими поверхностями .

Для источников шума, у которых2 l _max> r поверхность излучения будет иметь форму параллелепипеда

S = 2ah + 2bh + ab

а = а_n + 2d;

b = b_n + 2d;

h = h_n + 2d,

где a_n, b_n, h_n - ширина, длина и высота источника шума со стороны рабочего места,м; d - проекция расстояния от расчетной точки до края источника на горизонталь­ную плоскость.

Расстояние r определяется между акустическим центром источника шума и рас­четной точкой. Акустический центр источника шума, расположенного на полу, это проекция его геометрического центра на горизонтальную плоскость. Тогда

r = (k²+h_p²)^1/2

k - проекция расстояния между акустическим центром источника шума и рабочей точкой на горизонтальную плоскость, м;

h_p - расстояние до расчетной точки от уровня пола, м.

Рис. 1. Зависимость эмпирического коэффициента c от отношения r / l _max

 

В, м² – постоянная помещения, которая находится из выражения:

, (4)

где m - частотный множитель, определяемый по табл. 1.

- постоянная помещения на среднегеометрической частоте 1000 Гц, которая рассчитывается в зависимости от объема V (м³) и типа помещения как:

Таблица 1

Частотный множитель,

Объем помещения, м3	Среднегеометрическая частота, Гц
V << 200	0,8	0,75	0,7	0,8	1,0	1,4	1,8	2,5
V =200 ¸ 1000	0,65	0,62	0,64	0,75	1,0	1,5	2,4	4.2
V >> 1000	0,5	0,5	0,55	0,7	1,0	1,6	3,0	6,0

 

· V/20 - для помещений без мебели с небольшим количеством людей (металлообрабатывающие цехи, машинные залы, испытательные стенды и т.д.);

· V/10 - для помещений с жесткой мебелью или с небольшим количеством людей и мягкой мебелью (лаборатории, кабинеты и т.д.);

· V/6 - для помещений с большим количеством людей и мягкой мебелью (рабочие помещения административных зданий, жилые комнаты и т.п.);

· V/1,5 - для помещений с звукопоглощающей облицовкой потолка и части стен;

- коэффициент, учитывающий нарушение диффузности звукового поля в помещении, принимаемый в зависимости от отношения постоянной помещения В к площади ограждающих поверхностей S _огр, которая определяется с учетом суммы площадей пола, потолка и стен помещения по графику (рис. 2).

Рис. 2. Коэффициент нарушения диффузности звукового поля

Расчёт ожидаемых октавных уровней звукового давления в помещении с несколькими источниками шума:

а) в зоне прямого и отраженного звука:

, (5)

где – – то же, что и в (1,2,3) для i -го источника шума; m – количество источников шума, ближайших к расчётной точке (т.е. источников шума, для которых , где – расстояние в м от расчётной точки до акустического центра ближайшего к ней источника шума); n – общее количество источников шума в помещении с учетом среднего коэффициента одновременности работы оборудования.

Если все источники шума имеют одинаковую звуковую мощность, то без учета фактора направленности и искажения диффузности акустического поля в помещении упрощенно можно считать:

а) в зоне прямого звука:

;

б) в зоне отраженного звука:

. (6)

Расчёт ожидаемых уровней звукового давления в помещении, изолированном от источника шума (источники размещены в смежном помещении, а шум проникает в изолированное помещение через ограждающие конструкции).

В этом случае ожидаемый уровень звукового давления в расчётной точке определяется по формуле:

, (7)

где и - соответственно постоянные шумного и изолируемого помещений, - звукоизоляция однотипных ограждающих конструкций, через которые шум проникает в изолируемое помещение, дБ; - число однотипных ограждающих конструкций; - общая площадь однотипных ограждающих изолируемое помещение конструкций, м² (например, общая площадь глухой части стены, суммарная площадь окон и т.д.).

Суммарный уровень звуковой мощности, излучаемой несколькими источниками, находящимися в шумном помещении, равен:

, (8)

где i = 1, 2,..., n - количество источников. При наличии одного источника в шумном помещении L_{W å} = L_W.

Расчёт ожидаемых октавных уровней звукового давления при распространении звука в свободном пространстве.

Октавные уровни звукового давления L_p в дБ в расчётных точках, если источник шума и расчётные точки расположены на территории жилой застройки или на площадке предприятия, следует определять по формуле:

, (9)

где – октавный уровень звуковой мощности источника шума, дБ; – фактор направленности; – расстояние от источника шума до расчётной точки, м; – коэффициент поглощения звука в воздухе при 20^оС и относительной влажности 60% в дБ/м (значения берутся из табл. 2; при м поглощение в воздухе не учитывается); – пространственный угол излучения звука (Пространственный угол для источника, находящегося в свободном пространстве равен ; для источников расположенных на поверхности территории или ограждающих конструкций зданий ; в двугранном угле, образованном названными поверхностями – ; в трехгранном угле – ).

Таблица 2

Коэффициент поглощения звука в воздухе

, Гц
, дБ/м	0,3	1,1	2,8	5,2	9,6

 

Расчёт требуемого снижения уровней звукового давления: уровни звукового давления в расчётных точках не должны превосходить уровней, допустимых по нормам во всех октавных полосах со средними геометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Требуемое снижение уровней звукового давления определяется по формуле:

.

В табл. 3 представлены допустимые уровни звукового давления, уровни звука, эквивалентные и максимальные уровни звука для проведения акустического расчёта.

Таблица 3

 

№ п/п		Lp, дБ	L, дБА
Октавные полосы со среднегеометрическими частотами f, Гц
31,5
	Выполнение всех видов работ на посто­ян­ных рабочих местах в произ­водственных помещениях и на территории предприятий

 

 

Исходные данные для выполнения акустического расчёта представлены в табл. 4.

 

Таблица 4