Шумовые характеристики
В зависимости от физической природы шумы могут быть:
· механического происхождения, возникающие при вибрации поверхностей машин и оборудования, а также при одиночных или периодических ударах в сочленениях деталей или конструкциях в целом;
· аэродинамического происхождения, возникающие вследствие происходящих в газах процессов (вихревых процессов, колебания рабочей среды, вызываемых вращением лопаточных колес, пульсации давления при движении в воздухе тел с большими скоростями; истечения сжатого воздуха, пара или газа и др.);
· электромагнитного происхождения, возникающие вследствие колебаний элементов (ротора, статора, сердечника, трансформатора и др.) электромеханических устройств под действием переменных магнитных полей;
· гидродинамического происхождения, возникающие вследствие происходящих в жидкостях процессов (гидравлических ударов, кавитации, турбулентности потока и др.).
В условиях эксплуатации, как правило, несложно определить, какой именно источник вызывает повышенный шум. Если, например, в жилой дом проникает шум от одновременно работающих компрессорной и вентиляторной установок рядом расположенного предприятия, то последовательным выключением этих установок и измерением шума каждой из них можно выявить основной источник шума.
Для выполнения акустического расчета прежде всего необходимо знать основные шумовые характеристики машин:
· уровни звуковой мощности (УЗМ) на стандартных среднегеометрических частотах октавных полос (LP):
Lр = 10∙lg P / P0,
где Р – звуковая мощность источника, Вт; P0 – исходное значение мощности, равное 10-12 Вт);
· показатель направленности излучения шума (G):
G = 10∙1g Ф),
где Ф – фактор направленности излучения шума.
Шумовые характеристики, определяемые в соответствии с ГОСТ 12.1.024 – 81, ГОСТ 12.1.025 – 81 и др., приводятся заводом-изготовителем в технической документации на стационарные машины и оборудование. Для таких распространенных источников шума, как вентиляторные, компрессорные, газотурбинные и другие аэрогазодинамические установки, шумовые характеристики могут быть рассчитаны или определены по справочной литературе /30/.
При отражении звуковых волн, падающих на какую-либо поверхность, в той или иной мере происходит поглощение звуковой энергии, которую несут волны. В результате этого поглощения отраженная волна имеет меньшую амплитуду, чем падающая. Отношение отраженной энергии (Eотр) к падающей (Eпад)
β = Eотр./ Eпад
называется коэффициентом отражения звука; отношение же поглощенной энергии к падающей коэффициентом поглощения данной поверхности
α = (Eпад – Eотр.) / Eпад.
Между коэффициентами отражения звука и поглощения данной поверхности существует связь, которая описывается соотношением:
α = 1 – β.
При коэффициенте звукопоглощения, равном нулю, вся падающая на конструкцию звуковая энергия отражается без поглощения и, наоборот, падающая энергия полностью поглощается, если коэффициент звукопоглощения равен единице. Коэффициент звукопоглощения конструкции зависит от частоты падающих волн и от угла их падения.
Звукопоглощающую конструкцию можно характеризовать удельным импедансом звукопоглощающей конструкции являющимся отношением звукового давления (p) на поверхности конструкции к нормальной составляющей колебательной скорости воздуха (Vn) на этой же поверхности:
Z = p / Vn.
Для учета фазовых соотношений давление и скорость берутся здесь в комплексной форме и, таким образом, импеданс является комплексной величиной:
Z = R + i X,
где R и X – соответственно действительная (активная) и мнимая (реактивная) составляющие импеданса.
Пористостью материала называется безразмерная величина, равная отношению объема воздушных пор к общему объему материала. При этом учитывается лишь объем сквозных пор; замкнутые поры, не имеющие сообщения с наружным воздухом, не принимают участия в поглощении звука. У применяемых обычно звукопоглощающих материалов пористость лежит в пределах от 0,6 до 1.
Сопротивление продуванию является весьма важной характеристикой пористого материала. Оно определяется из следующего соотношения:
,
где ∆P – разность воздушных давлений по обе стороны слоя пористого материала, продуваемового потоком воздуха; V – скорость воздушного потока вне материала; h – толщина слоя пористого материала.
Сопротивление продуванию (r), отнесенное ко всей толщине пористого слоя, называется полным сопротивлением продуванию (r1) и может быть определено как
r1 = r h.
Полное сопротивление продуванию (r1) находит наибольшее применение при характеристике акустических свойств тонких пористых слоев (например, ткани, сетки и т.п.), у которых относить сопротивление к единице толщины не имеет смысла.
Вентиляторные установки
Шум вентиляторов промышленных предприятий обычно распространяется следующими путями:
· через воздухозаборное устройство 4 (рис. 2.1, а) воздуховода всасывания 2 (путь I);
· через выбросное устройство 5 (рис. 2.1, б) воздуховода нагнетания 3 (путь II);
· через корпус радиального вентилятора 1 (рис. 2.1, а, путь III) и выбросное или воздухозаборное устройства (пути II и I).
Возможно также излучение шума открытым входным или выходным патрубками радиального вентилятора и осевым вентилятором непосредственно в атмосферу. Шум вентиляторных установок часто превышает допустимые уровни в широком диапазоне частот. В каждом из этих случаев октавные УЗМ могут быть рассчитаны по соответствующим формулам. Например, октавные УЗМ шума, излучаемого вентилятором в воздуховод всасывания или нагнетания, определяют по формуле:
Lp = L + 20 lg Pв + 10 lg Q + δ – ΔL1 + ΔL2 – 20,
где L – критерий шумности, дБ, зависящий от типа и конструкции вентилятора, значение которого для сторон всасывания и нагнетания следует принимать по данным /30, 31/; Рв – полное давление, создаваемое вентилятором, Па; Q – объемный расход воздуха вентилятора, м3/с; δ – поправка на режим работы вентилятора, принимаемая в зависимости от его КПД, равной от 0 до 4 дБ; ∆L1 – поправка, учитывающая распределение звуковой мощности вентилятора по октавным полосам частот; ΔL2 – поправка, учитывающая акустическое влияние присоединения воздуховода к вентилятору. Поправки ΔL1 и ΔL2 могут быть определены по данным /30/.
Рис. 2.1. Основные пути распространения шума вентиляторных установок:
1 – радиальный вентилятор; 2 – воздуховод всасывания; 3 – воздуховод нагнетания; 4 – воздухозаборное устройство; 5 – выбросное устройство
Для осевых вентиляторов УЗМ шума на всасывании и нагнетании ввиду симметрии потока могут быть приняты одинаковыми. Уровень шума электродвигателя, клиноременного привода и подшипников при их исправном состоянии значительно ниже шума вентилятора и его можно не учитывать.
Значения УЗМ справедливы при условии плавного подвода воздуха к входному патрубку, что обеспечивается наличием плавного коллектора или прямого участка воздуховода длиной не менее трех его гидравлических диаметров (Dг):
Dг = 4F / П,
здесь F – площадь воздуховода, м2, П – его периметр, м.
При работе радиального вентилятора с открытыми входным или выходным патрубками к излучаемому через них шуму добавляется шум, излучаемый через корпус. Суммарный УЗМ находят по известному правилу сложения уровней. Для вентиляторов специального назначения, в частности общеобменной вентиляции шахт, рудников, транспортных тоннелей, УЗМ могут быть определены по измерениям,
проведенным на моделях этих вентиляторов (для проектируемых машин) или по данным литературы (для эксплуатируемых машин).
Компрессорные станции
При работе стационарных компрессорных станций проникновение шума в окружающую среду происходит через отверстия всасывающих и выхлопных воздуховодов, а в передвижных станциях, кроме того, имеется еще шум двигателя и корпусной шум. Нужно заметить, что компрессорные станции наряду с вентиляторными установками являются самыми распространенными источниками шума. Уровни звуковой мощности шума, излучаемого в окружающую среду стационарными компрессорами и турбокомпрессорами, определяют по справочной литературе /15/.
Шум расположенных в жилых застройках передвижных компрессорных станций (ПКС), в которых имеется большое количество источников шума, принято характеризовать не уровнем звуковой мощности, а уровнем звука на определенном (1…7 м) расстоянии от станции.
Газовые струи
Интенсивный шум в окружающей среде может создаваться при испытаниях турбореактивных двигателей (ТРД), при сбросе сжатого воздуха. Источником шума в этих случаях является высокоскоростная выхлопная струя, общий уровень звуковой мощности (LP общ) которой можно определить по формуле:
LPобщ = 80 lg Vc + 20 lg ρс + 10 lg Fc – K,
где Vc – скорость истечения газа (воздуха) из сопла, м/с; ρс – плотность струи в выходном сечении сопла; Fc – площадь сечения сопла, м2; К – величина, зависящая от температуры струи.
При испытаниях ТРД излучение шума происходит несколькими путями: из выхлопной шахты испытательного бокса 1 (рис. 2.2), из шахт подсоса 2 и всасывания 3, а также через проводящую трубу 4. В шахты подсоса и всасывания поступает часть звуковой энергии, излучаемой в помещение бокса выхлопной струей.
Рис. 2.2. Схема испытательного бокса
Октавные УЗМ шума, излучаемого в выхлопную шахту, определяют по формуле:
Lp = LPобщ + ΔLP.
Здесь ΔLP – разность между общим УЗМ и рассматриваемой октавной полосой со среднегеометрической частотой f, значение которой определяется в зависимости от безразмерного параметра – числа Струхаля:
Sh = fd / vc,
где dc – диаметр сопла, м.
Необходимо отметить, что при расчете шума ТРД (особенно двухконтурных с большой степенью двухконтурности), проникающего в шахту всасывания, наряду с выхлопной струей нужно учитывать и шум компрессора.
Источники шума в жилых и общественных зданиях
Шумы, проникающие в помещение, могут быть внешними и внутренними. Внутренние шумы, возникающие в самих зданиях, могут быть подразделены на бытовые и механические, связанные с работой инженерного и санитарно-технического оборудования (лифтов, вентиляторов, насосов и т.п.). Бытовые шумы создаются проживающими в доме людьми: громкий разговор, крики и плач детей, пение, игра на музыкальных инструментах. Уровни шума вблизи этих источников могут достигать довольно высоких значений: звучание очень громкой музыки создает уровень шума в 80…90 дБ, громкий разговор и плач детей – 70…80 дБ, разговор средней громкости – 60…65 дБ.
При разработке средств защиты от шума, прежде всего, следует выяснить его вид. Различают два вида шумов – воздушный и структурный. Воздушный шум распространяется в воздухе от источника возникновения до места наблюдения, структурный шум излучается поверхностями колеблющихся конструкций стен, перекрытий, перегородок зданий в звуковом диапазоне частот 20…20 000 Гц.
Рис. 2.3. Пути проникновения шума:
I – воздушный шум; II – структурный шум; 1, 2 – источники шума и вибраций
От наружного источника 1 (рис. 2.3) воздушный шум проникает в помещения через закрытые или открытые окна, форточки, а также стены (в меньшей степени); вибрации передаются по грунту или трубопроводам, идущим к строительным конструкциям, колебания которых вызывает появление структурного шума. От внутреннего источника 2 воздушный шум попадает в помещения через стены и перекрытия, воздуховоды, а также через проемы, щели и т.п.; вибрации передаются основанию, трубопроводам насосных и воздуховодам вентиляционных установок, вызывая возникновения структурного шума.
Необходимость проведения мероприятий по снижению шума, производимого эксплуатируемыми источниками, определяется на основании измерений:
· уровня звукового давления (L);
· эквивалентного уровня звука (LA экв);
· максимального уровня звука (LA max)
и сравнением с допустимыми по нормам.
Для проектируемых объектов необходимость таких мероприятий может быть определена только на основании акустического расчета, включающего:
1) выявление источников шума и определение их шумовых характеристик;
2) выбор расчетных точек (РТ) акустического расчета и определение для них допустимых УЗД;
3) определение ожидаемых уровней звукового давления (УЗД) в расчетных точках до осуществления мероприятий по снижению шума
4) определение требуемого снижения УЗД в расчетных точках;
5) выбор мероприятий для обеспечения требуемого снижения;
6) расчет и проектирование шумоглушащих, звукопоглощающих и звукоизолирующих конструкций (глушителей, экранов, звукопоглощающих облицовок и т.п.).