Виброакустические факторы

06.04.2025 | Категория: Учебные материалы

Тема 4.8. Виброакустические факторы.

Основные понятия: производственный шум, шумовой спектр, шумоизмерительные приборы, акустическая обработка помещения, звукопоглащение, ультразвук, инфразвуковые колебания, нормирование.

Источники шума на производстве. Классификация шумов.

Производственный шум — это совокупность звуков различной интенсивности и частоты, которые беспорядочно изменяются во времени и вызывают у работающих неприятные субъективные ощущения.

Производственный шум можно охарактеризовать спектром, состоящим из звуковых волн различных частот.

При изучении шумов слышимый диапазон 16 Гц-20 кГц надо разбить на полосы частот и определить звуковое давление, интенсивность или звуковую мощность, которые приходятся на каждую полосу.

Отметим, что спектр шума можно охарактеризовать при помощи уровней названных величин, которые распределены по октавным полосам частот.

Полоса частот, верхняя граница которой превышает нижнюю в 2 раза, т.е. f2 = 2 f1 — это октава.

Для более подробного исследования шумов могут быть использованы третьеоктавные полосы частот, для которых f2 = 21/3 f1 = 1,26 f1.

Октавная или третьеоктавная полоса задается среднегеометрической часто-той.

Существует стандартный ряд среднегеометрических частот октавных полос, где рассматриваются спектры шумов (fсг мин = 31,5 Гц, fсг макс = 8000 Гц).

Таблица 4.8. Стандартный ряд среднегеометрических частот

Виды шумов на основании частотной характеристики:

• низкочастотные (fсг < 250);

• cреднечастотные (250 < fсг ≤ 500);

• высокочастотные (500 < fсг ≤ 8000).

Производственные шумы характеризуются разными спектральными и временными характеристиками, определяющими степень их оказания воздействия на человека.

По данным признакам шумы подразделяют на несколько видов.

В таблице 4.9. представлена характеристика шумов с точки зрения производства.

Таблица 4.9. Классификация шумов

Источники производственного шума по природе возникновения шума машин или агрегатов:

• механический;

• аэродинамический и гидродинамический;

• электромагнитный.

На некоторых производствах происходит преобладание механического шума, где основные источники — это цепные передачи, зубчатые передачи, механизмы ударного типа и т.д. Он вызывается при помощи силовых воздействий со стороны неуравновешенных вращающихся масс, стуками в зазорах и т.д.

Спектр механического шума занимает достаточно большую область частот.

Определяющие факторы механического шума — это форма, размеры и тип конструкции, количество оборотов, механические свойства материала, состояние поверхностей взаимодействующих тел, их смазывание.

Машины ударного действия являются источником импульсного шума, при этом его уровень на рабочих местах превышает допустимый.

На машиностроительных предприятиях наибольший уровень шума создается во время работы, как металло-, так и деревообрабатывающих станков.

Аэродинамические и гидродинамические шумы — это:

• шумы, которые обусловлены периодическим выбросом газа в атмосферу, работой винтовых насосов и компрессоров, пневматических двигателей, двигателей внутреннего сгорания;

• шумы, которые возникают по причине образования вихрей потока у твердых границ. Данные шумы наиболее характерны для вентиляторов, турбовоздуходувок, насосов, турбокомпрессоров, воздуховодов;

• кавитационный шум, который возникает в жидкостях по причине потери жидкостью прочности на разрыв при уменьшении давления ниже определенного предела и возникновения полостей и пузырьков, которые заполнены парами жидкости и растворенными в ней газами.

При работе разных механизмов, оборудования, агрегатов одновременно могут возникнуть шумы разной природы.

Любой источник шума характеризуется звуковой мощностью.

Звуковая мощность источника — это общее количество звуковой энергии, которая излучается источником шума в окружающее пространство.

Источники производственного шума излучают звуки равной частоты и интенсивности, а полная шумовая характеристика источника дает шумовой спектр, который представляет собой распределение звуковой мощности (или уровня звуковой мощности) по октавным полосам частот.

Источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по направлениям. Данная неравномерность излучения характеризуется коэффициентом Ф(j) — это фактор направленности.

Фактор направленности Ф(j) — это отношение интенсивности звука I(j), создаваемого источником в направлении с угловой координатой j к интенсивности Iср, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук во все стороны равномерно:

где рср — звуковое давление (усредненное по всем направлениям на постоянном расстоянии от источника); p (j) — звуковое давление в угловом направлении j, измеренное на том же расстоянии от источника.

Итак, рассмотрим методы измерения шума.

Виды методов измерения шумов:

• Стандартные методы измерения — это методы, которые регламентируются соответствующими стандартами и обеспечиваются стандартизованными средствами измерения. Величины, которые подлежат измерению, стандартизованы.

• Нестандартные методы применяют во время проведения научных исследований и решении специальных задач.

Измерительные стенды, установки, приборы и звукоизмерительные камеры должны подлежать метрологической аттестации в соответствующих службах с осуществлением выдачи аттестационных документов, в которых указаны основные метрологические параметры и предельные значения измеряемых величин и погрешности измерения.

Стандартные величины, которые подлежат измерению, для постоянных шумов:

• уровень звукового давления в октавных или третьоктавных полосах частот в контрольных точках;

• уровень звука в контрольных точках.

Шумоизмерительные приборы — шумомеры — это приборы, которые состоят из датчика (микрофона), усилителя, частотных фильтров (анализатора частоты), которые регистрируют прибор (самописец или магнитофон) и индикатора, который показывает уровень измеряемой величины в дБ.

Шумомеры снабжаются блоками частотной коррекции с переключателями А, В, С, D и временными характеристиками c переключателями F (fast) — быстро, S (slow) — медленно, I (pik) — импульс.

Шкалу F используют при измерениях постоянных шумов, S — колеблющихся и прерывистых, I — импульсных.

По точности шумомеры делят на 4 класса: 0, 1, 2 и 3.

Шумомеры класса 0 используют в качестве образцовых средств измерения; приборы класса 1 — для лабораторных и натурных измерений; 2 — для технических измерений; 3 — для ориентировочных измерений.

У каждого класса приборов есть свой диапазон измерений по частотам:

• шумомеры классов 0 и 1 — это диапазон частот от 20 Гц до 18 кГц;

• класс 2 — от 20 Гц до 8 кГц;

• класса 3 — от 31,5 Гц до 8 кГц.

Для измерения эквивалентного уровня шума, при усреднении за длительный период времени, используют интегрирующие шумомеры.

Приборы для измерения шума построены на основании частотных анализаторов, которые состоят из набора полосовых фильтров и приборов, которые показывают уровень звукового давления в определенной полосе частот.

В зависимости от вида частотных характеристик фильтров анализаторы делят на следующие виды: октавные, третьеоктавные и узкополосные.

Частотная характеристика фильтра К (f) =Uвых /Uвх — это зависимость коэффициента передачи сигнала со входа фильтра Uвх на его выход Uвых от частоты сигнала f.

Для измерения производственных шумов преимущественно используют прибор ВШВ-003-М2, который относится к шумомерам I класса точности и позволяющий проводить измерение корректированного уровня звука по шкалам А, В, С; уровень звукового давления в диапазоне частот 20 Гц-18 кГц и октавных полосах в диапазоне среднегеометрических частот 16-8 кГц в свободном и диффузном звуковых полях.

Прибор предназначен для проведения измерений шума в производственных помещениях и жилых кварталах для охраны здоровья, во время разработки и контроля качества изделий, проведения исследований и испытаний машин и механизмов.

На основании ГОСТа 12.1.003-83, во время разработки технологических процессов, проектирования, изготовления и эксплуатации машин, производственных зданий и сооружений, при организации рабочих мест принимают все необходимые меры, направленные на снижение шума, который воздействует на человека, до значений, которые не превышают допустимые.

Защита от шума должна обеспечить разработку шумобезопасной техники, использование средств и методов коллективной защиты, включая строительно-акустические, применение средств индивидуальной защиты.

По отношению к источнику возбуждения шума коллективные средства защиты делят на средства, которые снижают шум в источнике его возникновения, и средства, которые снижают шум на пути его распространения от источника до защищаемого объекта.

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

Средства, которые снижают шум в источнике его возникновения в зависимости от характера шумообразования, подразделяют на средства, которые снижают шум механического происхождения, аэродинамического и гидродинамического происхождения, электромагнитного происхождения.

Методы и средства коллективной защиты в зависимости от способа реализации подразделяют на строительно-акустические, архитектурно-планировочные и организационно-технические:

• изменение направленности излучения шума;

• рациональная планировка предприятий и производственных помещений;

• акустическая обработка помещений;

• изменение звукоизоляции.

В некоторых случаях величина показателя направленности может достигать 10-15 дБ, что требуется учитывать при использовании установок с направленным излучением, ориентируя данные установки так, чтобы максимум излучаемого шума было направлено в противоположную сторону от рабочего места.

Рациональная планировка организаций и производственных помещений направлена на снижение уровня шума на рабочих местах за счет увеличения расстояния до источников шума.

Во время планировки территории предприятия наиболее шумные помещения концентрируют в 1-ом-2-ух местах.

Расстояние между шумными и тихими помещениями обеспечивает необходимое снижение шума.

Если предприятие располагается в черте города, то шумные помещения находятся в глубине территории организации, как можно дальше от жилой застройки.

Внутри здания тихие помещения располагают вдали от шумных, чтобы они были разделены несколькими другими помещениями или ограждениями с хорошей звукоизоляцией.

Акустическая обработка помещения — это облицовка части внутренних ограждающих поверхностей звукопоглощающими материалами, размещение в помещении штучных поглотителей, которые представляют собой свободно подвешиваемые объемные поглощающие тела разной формы.

Звукопоглощение — это свойство поверхностей, которое уменьшает интенсивность отраженных ими волн за счет преобразования звуковой энергии в тепловую.

Эффективность снижения шума звукопоглощением зависит от акустических характеристик помещения и частотных характеристик материалов, которые применяются для акустической обработки.

Наиболее часто применяющиеся для акустической обработки однородные пористые материалы, где критерием выбора является соответствие максимума в частотной эффективности материала максимуму в спектре снижаемого шума в помещении.

Акустически обработанные поверхности помещения уменьшают интенсивность отраженных звуковых волн, как следствие, снижение шума в зоне отраженного звука; в зоне прямого звука эффект акустической обработки значительно ниже.

Звукопоглощающую облицовку размещают на потолке и в верхних частях стен (при высоте помещения не более 6-8 м), чтобы акустически обработанная поверхность составила не менее 60 % от общей площади ограничивающих помещение поверхностей.

В относительно низких (менее 6 м) и протяженных помещениях облицовки рекомендовано размещать на потолке. В узких и очень высоких помещениях размещают облицовку на стенах, оставляя только их нижние части (2 м высоты) необлицованными. В помещениях высотой более 6 м предусмотрено устройство звукопоглощающего подвесного потолка.

Если площадь поверхностей мала или конструктивно не позволяет выполнить облицовку на ограждающих поверхностях, то применяются штучные звукопоглотители.

В области средних и высоких частот эффект от акустической облицовки составляет 6,15 дБ.

Архитектурно-планировочные решения — это и создание санитарно-защитных зон вокруг организации.

По мере увеличения расстояния от источника уровень шума уменьшается.

Как следствие, создание санитарно-защитной зоны необходимой ширины — это наиболее простой способ обеспечения санитарно-гигиенических норм вокруг организации.

Выбор ширины санитарно-защитной зоны находится в зависимости от установленного оборудования, например, ширины санитарно-защитной зоны вокруг крупных ТЭС.

Для объектов, которые находятся в черте города, создание этой санитарно-защитной зоны может быть неразрешимой задачей. Сокращение ширины санитарно-защитной зоны можно осуществить за счет уменьшения шума на его путях распространения.

Средства индивидуальной защиты (СИЗ) применяют, если другие способы не позволяют обеспечить допустимый уровень шума на рабочем месте.

Основной принцип действия СИЗ — это организация защиты наиболее чувствительного канала оказания воздействия шума на организм человека — ухо.

Использование СИЗ направлено на предупреждение расстройства органов слуха и нервной системы от воздействия чрезмерного раздражителя.

Отметим, что наиболее эффективны СИЗ в области высоких частот.

СИЗ включают в себя каски, противошумные вкладыши (беруши), наушники, шлемы, специальные костюмы.

Нормирование шума

Шум оказывает негативное влияние на организм человека.

Шумы средних уровней (менее 80 дБА) не вызывают потери слуха, однако влияют на утомляющее неблагоприятное влияние, складывающееся с аналогичным оказанием влияния других вредных факторов и зависящее от вида и характера трудовой нагрузки на организм.

Нормирование шума направлено на предотвращение нарушения слуха и снижение работоспособности, так и производительности труда персонала.

Для различных видов шумов применяют разные способы нормирования.

Для постоянных шумов нормируют уровни звукового давления LPi (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Для ориентировочной оценки шумовой характеристики рабочих мест допускают шумовую характеристику — уровень звука L в дБА, который измеряется по временной характеристике шумомера «S — медленно».

Нормируемые параметры прерывистого и импульсного шума в расчетных точках считают эквивалентными (по энергии) уровню звукового давления Lэкв в дБ в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами: 63, 125, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.

Для непостоянных шумов нормируется эквивалентный уровень звука в дБА.

Допустимые уровни звукового давления для рабочих мест служебных помещений и для жилых и общественных зданий и их территорий различны.

Нормативный документ, который регламентирует уровни шума для разных категорий рабочих мест служебных помещений — это ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности».

Допустимые уровни звукового в дБ в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука в дБА для жилых и общественных зданий и их территорий принимают на основании соответствия СНиПа 11-12-88 «Защита от шума».

Ультразвук и его нормирование

Ультразвуковые колебания (или ультразвук) имеют более высокую частоту и не вызывают слуховых ощущений.

Под ультразвуком считают колебания с частотой выше 16-20 кГц, но нормами была принята более низкая частота для обеспечения постепенного перехода от звуковых колебаний к ультразвуковым.

Ультразвук смог найти достаточно широкое использование в самых разных областях производства. Например, в машиностроении его используют с целью интенсификации технологических процессов во время очистки, сварки, механической обработки деталей и других операций.

Применение ультразвука позволяет обеспечить повышение производительности труда и высокое качество продукции, что обусловливает перспективу его большего применения.

Источник ультразвука — это производственное оборудование, которое генерирует ультразвуковые колебания для исполнения технологического процесса, и оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает в качестве сопутствующего фактора.

ГОСТ 12.1.001-75 ввел нормы, которые распространяются на уровни звукового давления, которые создаются на рабочих местах колебаниями воздушной среды с частотами более 11,2 кГц (ультразвук).

Этот стандарт устанавливает их допустимые значения и определяет требования к контролю, методы и средства устранения, а также снижения вредного оказания воздействия ультразвука на работающих.

На случай контактной передачи колебаний от источника, который воздействует на руки работающего (твердая и жидкая среда), данный стандарт не распространяется.

Допустимые уровни звукового давления на рабочих местах нормируются в третьоктавных полосах частот и имеют значения, установленные при длительности оказания воздействия ультразвука в течение 8-ми часового рабочего дня.

При времени оказания воздействия ультразвука менее 4 ч (240 мин) в смену, указанные уровни звукового давления увеличиваются.

Проведение контроля уровней звукового давления следует на рабочем месте при исполнении наиболее шумной технологической операции.

Исполнять его рекомендуется в нормируемых частотных диапазонах с верхней граничной частотой не менее рабочей частоты оборудования. Произведение измерения осуществляется в основной рабочей позе работающего на уровне уха (на расстоянии 5 см от него).

Контроль уровней звукового давления проводят после пуска оборудования, его ремонта, периодически в процессе его эксплуатации не реже 1-го раза в год.

Инфразвук и его нормирование

Инфразвуковые колебания характеризуются большой длиной волны.

Они могут быть периодическими, нерегулярными и кратковременными.

Техногенные источники инфразвука периодического характера — это поршневые двигатели с малым числом оборотов, поршневые насосы.

Периодические и нерегулярные инфразвуковые волны возникают при колебаниях больших гибких поверхностей.

Кратковременные инфразвуковые импульсы возникают при взрывных работах, выстрелах, при преодолении реактивным самолетом звукового барьера и т.д.

Одна из особенностей инфразвука — это их слабое поглощение в воздухе, как следствие, инфразвук распространяется на большие расстояния, «очищаясь» при этом от более высоких гармоник.

Экспериментально было установлено распространение инфразвука, которое возникает при мощных взрывах, на расстояния в несколько тысяч километров. При этом в точке регистрации данных инфразвуковых колебаний не обнаружено частот слышимого звукового диапазона.

Дальнодействие инфразвука нашло практическое применение в звукометрии, сейсмометрии и т. д.

Инфразвук оказывает вредное воздействие на организм человека и требует специальные меры защиты от него.

Нормирование инфразвука в окружающей среде определяется санитарными нормами СНиПа 42-128-4948-89.

Нормирование вибрации

Принято различать санитарно-гигиеническое и техническое нормирование.

В первом случае, в наличии ограничения параметров вибрации рабочих мест и поверхности контакта с конечностями работающих, исходя из физиологических требований, и снижающие возможность возникновения вибрационной болезни.

Во втором случае, осуществляют ограничение параметров вибрации на основании учета указанных требований и технически для данного вида машин уровня вибрации.

Санитарно-гигиеническое нормирование вибраций регламентирует параметры производственной вибрации и правила работы с виброопасными механизмами и оборудованием, ГОСТ 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования», СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий».

Данные документы устанавливают:

• классификацию вибраций;

• методы гигиенической оценки;

• нормируемые параметры и их допустимые значения;

• режимы труда лиц виброопасных профессий, которые подвергаются воздействию локальной вибрации;

• требования к обеспечению вибробезопасности и к вибрационным характеристикам машин.

Вибрационная нагрузка на оператора нормируется для каждого направления действия вибрации.

Для локальной вибрации норма вибрационной нагрузки на оператора обеспечивает отсутствие вибрационной болезни, что соответствует критерию «безопасность».

Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости от времени фактического воздействия вибрации, которые не превышают 480 мин (8-ми часовой рабочий день), используют формулу:

где  — допустимое значение виброскорости для длительности воздействия 480 мин.

Методы и средства защиты от виброакустических факторов

Система виброакустической защиты используется с целью защиты помещений, предназначенных для проведения конфиденциальных мероприятий, от съема информации через оконные стекла, стены, двери, системы вентиляции, трубы отопления.

Система виброакустической защиты позволяет осуществить предотвращение возможного прослушивания с применением проводных микрофонов, звукозаписывающей аппаратуры, радиомикрофонов и электронных стетоскопов, лазерного съема акустической информации с оконных стекол.

Предотвращение прослушивания можно при помощи виброакустических шумовых колебаний, внесенных в элементы конструкции здания.

Компоненты виброакустического канала утечки информации:

• источники конфиденциальной информации (люди, технические устройства);

• среда распространения (ограждающие конструкции помещений, трубопроводы, воздух);

• средства съема (стетоскопы, лазерные микрофоны, контактные микрофоны, радио- и проводные микрофоны, а также иные жучки).

С целью виброакустической защиты помещений используются генераторы белого или розового шума, а также системы вибрационного зашумления, которые укомплектованы электромагнитными и пьезоэлектрическими вибропреобразователями (на основании пьезокерамики).

Для активной защиты воздушных каналов применяют системы виброзашумления, к выходам которых подключены громкоговорители.

Источники маскирующих воздействий располагаются частотным диапазоном, который соответствует ширине спектра речевого сигнала (200 Гц-5000 Гц), как следствие, исполнение условий согласования преобразователя в широкой полосе частот носит важный характер.

Во время работы вибродатчиков могут возникать паразитные акустические шумы, создающие дискомфорт и нарушающие привычные условия труда в защищаемом помещении.

В зависимости от механизма образования принято различать акустические шумы, которые переизлучены твердой средой, и звуковые колебания, которые генерируемы преобразователем.

Из-за существенной разницы акустических сопротивлений, уровень шумов, переизлученных средой в воздух, незначительный, как следствие, основной источник паразитных акустических шумов — это вибродатчик.

Основные положения по защите помещений от виброакустической утечки информации зафиксировано в действующих требованиях Гостехкомиссии при Президенте РФ, которые предъявляются к активным средствам виброакустической защиты выделенных помещений.

В этом документе регламентированы вид помехи и частотный диапазон помехи, необходимый уровень превышения сигнала помехи над речевым сигналом для каждого указанного диапазона частот, нормы защиты помещений по категориям.

Наличие возможности несанкционированного съема речевой информации определяется соотношением сигнал/помеха в местах возможной установки подслушивающих устройств.

В местах, где возможна виброакустическая утечка информации, устанавливаются микрофон и акселерометр.

В течение продолжительного времени происходит измерение и фиксирование усредненной величины вибрационных и акустических помех. После этого, в выделенном помещении создают шумовой сигнал в октавной полосе с центральной частотой 1 кГц и уровнем 95 дБ.

Если уровень звуко- и виброизоляции недостаточный, то применяют искусственное зашумление.

«Замушлять» вентиляционные каналы и дверные тамбуры возможно при помощи подключенных к изделиям акустических излучателей.

Достаточно часто предусмотрена возможность плавной регулировки уровня шумового акустического сигнала. При этом восстановление перехваченного сообщения почти невозможно, если уровень помехи более чем в 10 раз будет превышать уровень сигнала во всем частотном диапазоне (отношение сигнал/помеха менее — 20 дБ).

Портативные генераторы акустического зашумления могут быть использованы в качестве комплексных приборов для защиты от известных прослушивающих устройств.

Прибор осуществляют выработку шумового сигнала. Таким образом, для эффективной защиты при помощи этих устройств, необходимо говорить при сильно мешающем шуме. Если применяют это устройство, то не надо его перекрикивать. Надо говорить монотонно, без резких звуковых всплесков, чтобы уровень шума не увеличивался.

Шумовой акустический генератор обеспечивает защиту от любых прослушивающих устройств.

Этот прибор работает на основании аналогии с предыдущим. Как следствие, необходимо надевать наушники с микрофонами, через которые происходит диалог собеседников.

Такие приборы могут быть использованы для 4-8 собеседников.