Коэффициент поглощения a в производственных помещениях

Тип помещения	Среднегеометричесхая частота,/, Гц
Машинные залы, испытательные стенды Механические и металлообрабатывающие цехи; цехи агрегатной сборки в авиа- и судостроительной промышленности Цехи деревообработки, посты Управления, лаборатории, конструкторские бюро	0,07     0,10     0,11	0,08     0,10     0,11	0,08     0,10     0,12	0,08     0,11     0,13	0,08     0,12     0,14	0,08     0,12     0,14	0,09     0,12     0,14	0,09     0,12     0,14

Некоторые ориентировочные значения коэффициента поглощения Даны в табл. 6.9. Если стенки изолированного объема изготовлены из ^п разных материалов, то в выражении (6.43) а есть среднее значение кoэффuцueнma звукопоглощения:

(6.44)

Звукопоглощение. Для уменьшения отраженного звука применяют защитные устройства, обладающие большими значениями коэффициента поглощения, к ним относятся, например, пористые и резонансные поглотители.

Звуковые волны, падающие на пористый материал, приводят воздух в порах и скелет материала в колебательные движения, при которых возникает вязкое трение и переход звуковой энергии в теплоту. Коэффициент звукопоглощения а будет зависеть как от угла падения звуковых волн, так и от частоты. Для пористого поглотителя, находящегося на жесткой стенке, частотная характеристика коэффициента а имеет вид, показанный на рис. 6.42, а. Для усиления звукопоглощения на низких частотах между пористым слоем и стенкой делают воздушную прослойку (рис. 6.42, 6). Пористые поглотители изготовляют из органических и минеральных волокон (древесной массы, кокса, шерсти), из стекловолокна, а также из пенопласта с открытыми порами. Для защиты материала от механических повреждений и высыпаний используют ткани, сетки, пленки, а также перфорированные экраны. Последние существенно изменяют характер поглощения звука защитным устройством (рис. 6.42, в).

Резонансные поглотители имеют воздушную полость, соединенную отверстием с окружающей средой. Воздух в резонаторе выполняет роль механической колебательной системы, состоящей из элементов массы, упругости и демпфирования. Если пренебречь рассеиванием звуковой энергии, то импеданс резонатора %, равный механическому импедансу (см. формулу (6.18), отнесенному к единице площади, будет равен нулю на частоте . При имледансе резонатора z₂ = 0 коэффициент отражения звукового давления

R = -1. Таким образом, снижение шума происходит за счет взаимного погашения падающих и отраженных волн.

Рис. 6.42. Частотные характеристики коэффициента поглощения:

а—для пористого поглотителя на жесткой стенке; б—для пористого поглотителя с воздушной прослойкой; в—при наличии перфорированного экрана; г—для резонансного погаостгеля, образованного перфорированным экраном

Резонансным поглотителем является также перфорированный экран с отверстиями, затянутыми тканью или межой сеткой (рис 6.42, г), который существенно меняет характер поглощения. Пористые и резонансные поглотители крепят к стенкам изолированных объемов.

Кроме того, звукопоглощение может производиться путем внесения в изолированные объемы штучных звукопоглотителей, изготовленных, например, в виде куба, которые в производственных помещениях чаще всего подвешивают к потолку.

К хорошим звукопоглощающим материалам относят те, которые на среднегеометрических частотах октавных полос 250, 500, 1000, 2000 Гц имеют коэффициент а, равный или превышающий соответственно значения: 0,2; 0,3; 0,4; 0,5.

Обозначив постоянную изолированного объема до установки поглощающих материалов через B = aS/(1 - a), а после установки — B̂ = âS(l - â) и записав коэффициент защиты в виде: k_W = I_n(r, B)/I_n(r,B), найдем эффективность звукопоглощения:

(6.45)

где уровни и определяют по формуле (6.43).

Для вычисления постоянной В̂ имеет смысл коэффициент â выразить через площадь S_*, на которой предполагается разместить защитные устройства со средним коэффициентом звукопоглощения, равным a_*. Эквивалентная площадь внутренней поверхности изолированного объема до установки защитных устройств S_a = a S= a'(S—S_*) + a"S_*, где a' и a" —средние коэффициенты звукопоглощения поверхностей площадью (S—S_*) и S_*; эквивалентная площадь после установки защитных устройств Ŝ_a = â S= a'(S—S_*) + a_*S_*,. Из этих уравнений находим a = â - (a"— a_* )S_*/S в тех случаях, когда можно принять a S = a"S_* имеем â = S_a (*) /S, где S_a (*) = a_*S_* — эквивалентная площадь звукопоглощающих устройств. При внесении в изолированные объемы штучных звукопоглотителей S_a(i) - экивалентная площадь i-го звукопоглотителя, а п, — их число. Из выражений (6.44) и (6.45) видно, что эффективность е в зоне отраженного звука удобно вычислять по формуле:

Требуемая эффективность звукопоглощения определяется по формуле (6.43), исходя из условия безопасности: .Однако следует учитывать, что практическая реализация звукопоглощения позволяет снижать шум обычно не более чем на 6...8 дБ (в зоне отраженного звука —на 10...12 дБ).

Звукоизоляция. Звукоизоляция — уменьшение уровня шума с помощью защитного устройства, которое устанавливается между источником и приемником и имеет большую отражающую и (или) поглощающую способность. Обычно роль защитных устройств выполняют глушители шума, экраны или стенки изолированных объемов. Например, защитным устройством является кожух, которым закрывают машины и механизмы, или кабина, в которой находится оператор, управляющий рабочим процессом. Стенки кожухов и кабин изготовляют из листового проката и покрывают изнутри звукопоглощающим материалом. Эффективность звукоизоляции с помощью стенки толщиной h можно определить по формуле (6.39). Если пренебречь затуханием звука в материале, т.е. положить в формуле (6.39) коэффициент распространения k̂_* равным jk₂, где

K₂ = w/c₀ — волновое число, то эффективность

(6.46)

где z₁ = r₁c₁ —импеданс воздуха; z₂ = r₂c₂ — импеданс материала защитного устройства.

Из выражения (6.46) следует, что эффективность звукоизоляции равна нулю при толщине стенки h = nl₂/ 2, т. е. кратной половине длины волны (п = 0, 1, 2...), а максимальная эффективность будет иметь место, если толщина стенки h = (2 n + 1) l₂ /4.

Так как для защитного устройства, находящегося в воздухе, всегда выполняется неравенство r₁c₁ << r₂c₂, то для тонкой стенки (h₂ << l₂/2p) из выражения (6.46) находим

(6.47)

где т = r₂ h — поверхностная плотность (масса защитного устройства отнесенная к единице площади).

При достаточно больших частотах единицей в правой части формулы (6.47) можно пренебречь:

(6.48)

Как видно из формулы (6.48), единственным свойством защитного устройства, определяющим эффективность звукоизоляции при принятых допущениях, является поверхностная плотность т. Эффективность звукоизоляции растет с увеличением плотности т и частоты f. Константу, входящую в выражение (6.48), определяют, осредняя коэффициент передачи t по углам падения. Если т и f выражены соответственно в кг/м² и Гц, то константа равна 47,5 дБ.

Найдем требуемую эффективность звукоизоляции. По определению

(6.49)

Будем обозначать параметры, относящиеся к изолированному объему, в котором установлен источник шума мощностью W, индексом 1, а параметры, относящиеся к изолированному объему, где расположен приемник, индексом 2. Суммарная плотность потока энергии I⁺ звука, падающего на ограждающие стенки изолированного объема 1, в общем случае складывается из интенсивности W/[S₁(r)] прямого звука и плотности потока энеpгии I_д = W/B₁ диффузного поля

(6.50)

Обозначая через S⁺ площадь поверхности тех стенок изолированного объема 1, через которые звук излучается в изолированный объем 2, находим падающий поток энергии W⁺ = I⁺ S⁺ и с учетом выражения (6.50) имеем:

(6.51)

Допустимый уровень L_W — потока энергии, переданного в изолированный объем, находим из выражения (6.43), полагая (r, B) £ L_н (е_d =0)

(6.52)

Подставив соотношения (6.49) и (6.51) в формулу (6.52), получим значение требуемой эффективности звукоизоляции:

(6.53)

Для точечного источника шума, находящегося в изолированном объеме 7, образованным стенками кожуха (рис. 6.43, а), и излучающего шум в изолированный объем 2 (например помещение), можно в первом приближении принять S⁺ = S₁(r) = S₁. Тогда из выражения (6.53) требуемая эффективность

На рис. 6.43, б показано помещение 1, в котором установлен источник шума, отделенное от помещения 2 где расположены рабочие места, стенкой, площадь которой равна S⁺. Принимая, что в помещении 2 уровень шума во всех точках примерно одинаков (т. е. B₂/(4S₂(r)) << 1), из выражения (6.53) находим

где радиус r равен минимальному расстоянию от акустического центра источника шума до стенки площадью S⁺. На рис. 6.43, в показана кабина, защищающая оператора от шума, создаваемого источником в помещении 1. Если кабина расположена на большом расстоянии от источника, то она находится в зоне отраженного звука. Для этого источника из выражения (6.53) находим, что требуемая эффективность

Рис. 6.43. Схемы снижения шума:

а— изолирующим кожухом; б— звукоизолирующей перегородкой; в —с помощь» звукоизолирующей кабины

При установке экрана между источником и приемником (рис. 6.44) за экраном образуется звуковая тень. Уровень шума в теневой зоне от точечного источника может быть рассчитан на основе законов дифракции. Эффективность чвукоизоляции при защите экраном

где N— число Френеля; N = ± 2(a + b – d)/l(формула применима при условии N > — 0,2). Кроме того, формулу не рекомендуется применять при малых теневых углах q. Если не выполняется указанное неравенство, то е = 0. Расстояние (а + b) складывается из расстояния а от источника до верхней кромки экрана и расстояния b от верхней кромки экрана до приемника. Число N берется со знаком минус, если экран расположен ниже визирной линии (расстояние по визирной линии между источником и приемником равно d). Экраны, установленные в производственных помещениях, обычно покрывают с одной или двух сторон поглощающим материалом.

Р и с. 6.44. Схема снижения шума экраном

Кожухи и кабины, рассмотренные выше, имеют технологические отверстия (например, отверстия или проходы для воздуха в целях вентиляции), через которые может проникать шум. Во время рабочего цикла ряда установок (компрессоров, двигателей внутреннего сгорания, турбин и др.) через специальные отверстия происходит истечение отработавших газов в атмосферу и (или) всасывание воздуха из атмосферы, при этом генерируется сильный шум. В этих случаях для снижения шума используют глушители.

Система глушения шума включает источник шума, обладающий некоторым внутренним импедансом z_н; источник соединен с помощью трубопровода длиной l₁ с глушителем шума, а трубопроводом длиной h — с приемником шума, который характеризуется импедансом излучения z_п. Эффективность глушения определяют по формуле (6.49), полагая, что W⁺ — усредненная во времени звуковая мощность на входе в глушитель, a W^- — на выходе. Конструктивно глушители состоят из активных и реактивных шумоглушащих элементов. Простейшим активным элементом является любой канал, стенки которого покрыты изнутри звукопоглощающим материалом.

Если звуковая мощность в сечении площадью S (рис. 6.45, а) равна W, то плотность потока энергии, падающего на поверхность стенки канала, по формуле (6.31) равна I_д = W/4S. Таким образом, на поверхности канала площадью Pdl (где Р — периметр) поглощающая звуковая мощность dW = - aI _д Pdl и эффективность активного элемента

Рис. 6.45. Применение в глушителе поглощающих материалов:

а —схема активного элемента глушителя; б— схема снижения шума при

повороте трубопровода покрытого изнутри звукопоглощающим материалом

Трубопроводы всегда имеют повороты, которые будут снижать шум, если их покрыть звукопоглощающим материалом. Как видно из рис. 6.45, б, на участке АВ существуют преимущественно волны, направленные вдоль оси канала (другие волны будут поглощаться). Изгиб канала будет поглощать или отражать осевые волны назад к источнику. Таким образом, после изгиба останутся преимущественно дифрагиро-ванные волны, которые в значительной мере подавляются на участке CD, так что в конце этого участка останутся ослабленные волны в направлении оси канала.

Реактивный камерный элемент (рис. 6.46) представляет собой участок канала (трубы), на котором внезапно меняется площадь сечения от S₁ до S₂ и образуется камера длиной l. При изменении площади сечения звук отражается. Эффективность камерного элемента можно определить по формуле (6.46), заменив отношение импедансов на отношение площадей [см. формулу (6.34)] и толщину h на длину l камеры (k₂ = k = w/с)^

На очень низких частотах, когда kl® 0 или когда длина глушителя равна l/2, l, 3l/2 и т. д., образуются стоячие волны, которые увеличивают давление на концах камерной полости. В результате импеданс трубопровода с поперечным сечением S₂ также увеличивается от значения r c/S₂ до значения mrc/S₂, которое в точности равно импедансам входного и выходного трубопроводов, т. е. равно pc/S₁. Таким образом, на этих резонансных частотах взаимодействие волн приводит к рассогласованию импедансов и отражению звуковой энергии к источнику шума. На более высоких частотах, когда длина волны l равна или меньше поперечного размера камеры, эффективность будет зависеть от других параметров (теоретически максимум эффективности достигается при разности диаметров d₂ - d₁ = l/2, 3l/2, 5l/2 и т.д.).

Рис. 6.46. Реактивный камерный элемент глушителя:

а — схема элемента; б — зависимость эффективности камерного

глушителя от длины камеры и отношения площадей

Эффективность е растет с увеличением числа камер и длины соединяющей трубы. Однако уже добавление третьей камеры создает незначительный эффект по сравнению с двумя предыдущими (рис. 6.47).

На рис. 6.48 для сравнения показаны эффективность глушителя, состоящего из двух последовательных камер и эффективность глушителя из двух камер, но со входом или выходом, введенным в полости камер, и оканчивающимися на середине их длины. Эффективность последнего глушителя выше. Изменяя длину входа и выхода, можно варьировать эффективность и частотный диапазон.

Рис. 6.48. Зависимость эффективности глушителя

от длины входного патрубка

Если в спектре шума присутствуют дисперсные составляющие высокого уровня, то эффективность камерных элементов может оказаться недостаточной. В этом случае применяют реактивные элементы резонаторного типа: кольцевые и ответвления (рис. 6.49). Такой глушитель отличается от предыдущих тем, что поток газа через камеру не протекает и она подсоединяется к основному трубопроводу через одно или некоторое количество небольших отверстий или трубок. Этот тип глушителя называют объемным резонатором или глушителем Гельм-fonbua. Резонансные частоты определяются размерами отверстий и подсоединенным объемом. Предполагается, что линейные размеры подсоединенного объема меньше 1/10 длины волны на всех рассматриваемых частотах. Если это условие нарушается, то надо принимать во внимание движение волн в резонаторе. Ситуация становится похожей на глушитель, рассмотренный выше. Эффективность объемного глушителя

где a = S₁z^S/S₀rc — активное сопротивление резонатора; b= S₁c/ 2p f₀V— безразмерное реактивное сопротивление резонатора; S₁ и S₀ — соответственно площадь трубопровода и суммарная площадь отверстий; f₀ — резонансная частота; V— объем резонатора. При резонансе (f = f₀) эффективность зависит только от величины а и может быть записана в виде

При a < 0,25 и при частотах на много больших или меньших частоты f₀

Рис. 6.49. Схемы глушителей резонаторного типа:

а —кольцевые; б— ответвления

На рис. 6.50 показана эффективность глушителя рассматриваемого типа при a = 0,5b.

Рис.6.50. Эффективность резона-торного глушителя при a = 0,5b

Эффективность глушителя, синтезированного из типовых элементов,

может быть определена по формуле:

где е_i — эффективность i- го шумоглушащего элемента.

Экранирование электромагнитных полей*. Электромагнитное поле имеет зоны индукции и излучения, которые для элементарных излучателей (диполей) в воздухе определяются соответственно неравенствами:

(kr << 1) и (kr >> 1), где r — расстояние от источника.

Обычно считают, что на расстоянии от источника, не большем длины волны — зона индукции. Например, для частот 10⁹ и 10⁶ Гц расстояние, которое определяет зону индукции, меньше 0,3 м и 300 м.

Для антенн зону излучения обозначают неравенствами: r > l²/l и r > 2l, где l —размер антенны. В зоне излучения поле практически принимает плоскую конфигурацию и распространяется в виде плоской волны, составляющие которой равны:

(6.54)

где ė_* = e - js/w — комплексная диэлектрическая проницаемость среды; e и m — абсолютные проницаемости соответственно диэлектрическая и магнитная; s —удельная проводимость среды; комплексное волновое число

.

Сравнивая выражения (6.24) и (6.54), видим, что импеданс среды электромагнитному полю . С учетом формулы (6.54) найдем, что для непроводящей среды (s = 0) (6.55)

(6.56)

В табл. 6.10 приведены ориентировочные значения волнового числа и импедаyc для металлов. Для вакуума импеданс равен , Ом, где e₀ и m₀ - соответственно электрическая и магнитная постоянные:

e₀ = 1/(36p×10⁹) = 8,85×10^-12 ф/м, m₀ = 4p×10^-7 Гн/м. В зоне индукции импеданс среды зависит от источника.

Таблица 6.10.