Параметрические (физические) загрязнения

ШУМ

Шумовое загрязнение отрицательно воздействует на организм человека, вызывая:

- повышенную утомляемость,

- снижение умственной активности,

- понижение производительности труда,

- развитие сердечно-сосудистых заболеваний

- нервных заболеваний.

По мнению ученых, шум сокращает продолжительность жизни человека в больших городах на 8 – 12 лет. В древнем Китае существовала даже звуковая казнь за богохульство. Физиолого-биохимическая адаптация человека к шуму не возможна. Сильный шум является для человека физическим наркотиком. Поэтому часть людей и прежде всего молодежь, увлекаясь современной музыкой с большой интенсивностью ее звучания, подвергает свое здоровье опасности в следствии воздействия на организм физического наркотика. Женщины менее устойчивы к сильному шуму, который быстрее приводит их к неврастении. А слабые бытовые шумы в доме, обусловленные плохой звукоизоляцией квартир, разрушительнее действуют на нервную систему мужчин. В транспортном комплексе источниками шума являются процессы механического, аэродинамического, электромагнитного, гидродинамического происхождения, прежде всего шум от вибрации корпусных деталей, систем газообмена, охлаждения двигателей, агрегатов трансмиссии, а так же аэродинамический шум и шум шин транспортных средств, строительно-дорожных машин, технологического оборудования. Под шумом объекта транспорта понимается акустическое излучение, производимое им при работе. Транспортное средство как источник акустического излучения характеризуют значением излучаемой акустической

мощности, ее спектром и диаграммой направленности излучения.[2]

Звук – механические колебания частиц упругой среды, образующиеся под воздействием какой-либо возмущающей силы. Акустические колебания в диапазоне 16 – 20 000 Гц, воспринемаемые слуховым аппаратом человека, называются звуковыми, а пространство их распределения – звуковым полем. Колебания ниже 16 Гц – инфразвуковые, а выше 20 000 Гц – ультразвуковые.

Известно, что звуковое давление Р в звуковой волне равно разности давлений среды в присутствии и отсутствии волны. Уровнем шума называют двадцатикратный логарифм отношения звукового давления к пороговому значению: Р = 2 ^. 10 ^-5 Н\м². Если предположить, что источник шума (двигатель) находится в точке О (рис. 1) и излучает шум в окружающее пространство, то, выделив полусферу S радиуса r и единичную площадку А на ней, можно определить, что сила звука I – количество звуковой энергии, прошедшее через единичную площадку, перпендикулярную радиусу r, в единицу времени.

рис.1 Прохождение звука через единичную площадку

Сила звука пропорциональна квадрату звукового давления и ее выражают в Вт\м². Поэтому уровень шума иногда определяют как десятичный логарифм

отношения силы звука к пороговому значению: I₀ = 10^-12 Вт\м². В результате уровень шума (дБ) определяется по формуле:

L = 10^.lg(I\I_o)=20^.lg(P\P_o) (1)

Акустическая мощность W (Вт) объекта – общее количество энергии, излучаемой транспортным средством в окружающее пространство в виде звука и прошедшей через поверхность полусферы радиуса r в единицу времени; вычисляется по формуле

W = 10^{0.1Lw -12} (2)

Уровни акустической мощности называют величину

L_w = 10lg(W/W₀), (3)

где W₀ = 10^-12 Вт.

Уровень мощности связан с уровнем шума выражением

L_w=L+20lgr+10lgΩ-10lgФ, (4)

где Ω – телесный угол, в котором осуществляется излучение с учетом допущения о том, что акустическое излучение объекта происходит из центра О полусферы, 10lgΩ ≈ 8, Ф – фактор направленности излучения, представляющий собой величину P_r²/P_ср.² , т.е. отношение квадрата звукового давления, в произвольной точке полусферы радиуса r к квадрату звукового давления, осредненному по всем точкам измерения на поверхности S.[3]

Обычно шум измеряют в точке L с помощью шумомера, при использование линейной частотой характеристики прибора по шкале А, учитывающей особенности восприятия человеком звуков различной частоты. Орган слуха человека различает не разность, а кратность изменения абсолютных значений звуковых давлений. Поэтому шум оценивают не абсолютной величиной – звуковым давлением, а его уровнем, то есть отношением создаваемого звукового давления к пороговому давлению (по формуле 1). В работающем двигателе транспортного средства причина возникновения акустического излучения является осуществление рабочего процесса, связанного с подводом теплоты Q₁ к рабочему телу в цилиндре. Для сравнения качества конструкций ДВС, заключающегося в способности преобразовать часть тепловой энергии Q₁ в энергию звукового излучения, служит коэффициент акустического излучения двигателя

n _ak = W/ Q₁ → min. (5)

Если у одного из двигателей этот коэффициент выше, то его конструкция

акустически менее совершенна. Современные поршневые ДВС, используемые в автомобилях и дорожно-строительных машинах, при работе на номинальном режиме излучают 2-3 Вт акустической мощности. В точках пространства на расстояние 1м вокруг поверхности работающего двигателя возникают уровни шума 104–120 дБ.[2]

рис.2 Шум дизеля в точке пространства около двигателя на расстояние 1м от его боковой поверхности. 1–режим частичных нагрузок 2–режим холостого хода

Важной характеристикой шума является его спектр. Орган слуха человека

неодинаково реагирует на звуки с одной амплитудой, но разной частоты. Спектр шума объекта показывает распределение энергии излучения по частотному диапазону. В них присутствуют дискретные составляющие, кратные частоте вращения, числу цилиндров двигателя, и сплошная область (рис.2). Октавные спектры звуковой мощности служат основной характеристикой шума машины.

Причинами возникновения звука являются:

· взаимодействие колеблющегося тела со средой;

· «быстрое» выделение энергии в конечном объеме среды;

· подведение (отток) конечного количества вещества в определенную область среды;

· обтекание потоком вещества твердого тела.

Акустическое излучение является следствием возмущений колебательной системы, распространение в ней колебаний и последующего процесса излучения энергии колебаний в окружающее пространство. Акустическое излучение объектов транспорта концентрируется преимущественно в диапазоне 20-8 000 Гц. Рассмотрим это явление на примере поршневого ДВС. На такте впуска из области перед горловиной впускного патрубка

(рис. 3) будет происходить отток вещества. [1]

рис. 3 Схема конструкции двигателя и возникновения акустического излучения

Движущийся по впускному тракту свежий заряд будет взаимодействовать со стенками, впускным клапаном и другими элементами конструкции. Возникает акустическое излучение, которое называют шумом впуска. Излучаемая при этом акустическая мощность обозначается W_ВП. При сжатии, сгорании и расширении происходит деформация стенок камеры сгорания, что приводит к колебаниям наружных стенок двигателя. Энергия колебаний стенок в виде звука W_ДЕФ излучается в окружающее пространство.

Помимо того, подвод теплоты к рабочему телу в цилиндре двигателя так же

приводит к появлению акустического излучения при сгорании W_СГ. Опрокидывающий момент будет вызывать колебание двигателя на подвеске, энергия которых W_П в виде звука, частично будет излучаться в окружающее пространство. В механизмах двигателя при работе могут возникать удары сопрягаемых деталей (клапан-седло), что приводит к шуму W_УД. Работа агрегатов, размещаемых на двигателе (вентилятор, топливоподающий насос и др.), приводят так же к появлению шума W_АГ. При выпуске происходит приток вещества в области, прилегающей к выпускному патрубку; здесь выделится так же какое-то количество энергии. Это приводит к возникновению шума выпуска W_ВЫП.

Если суммировать перечисленные составляющие акустической мощности, то получим уравнение акустического баланса двигателя «по рабочему циклу» (Вт):

W_Д = W_ВП + W_ВЫП + W_ДЕФ + W_П + W_УД + W_АГ. (6)

Акустическое излучение двигателя осуществляется горловинами впускного и выпускного тактов в примеси трактов и всей поверхностью. Причем элементы поверхности двигателя излучают разные количества акустической энергии.

Уравнение акустического баланса двигателя «по поверхности» (Вт) имеет

вид:

W_Д = W_ВП + W_ВЫП +∑ W_i, (7)

где W_i - акустическое излучение, осуществляемое i-м элементом поверхности двигателя; n – число элементов, на которую разбита вся поверхность объекта. Удельная акустическая мощность, излучаемая поверхностью современного двигателя, составляет 90-115 дБ/м². [4]

Акустическое излучение участков поверхности двигателя, горловин трактов впуска и выпуска иногда отождествляют с действием простейших излучателей нулевого и первого порядка. Отсюда ­ третья разновидность акустического баланса двигателя «по излучателям» (Вт):

W_Д = ∑ W₀ +∑ W_i, (8)

где W₀ – излучение нулевого порядка; k – число излучателей нулевого порядка; l – число излучателей первого порядка.

Составление акустического баланса двигателя или любого другого объекта транспорта по формулам (6-8) дает возможность определит наиболее существенные составляющие шума, указать причины возникновения, и изучит процесс формирования. найти наиболее рациональные пути его подавления.