Вибрации, их природа и физические характеристики

ЛЕКЦИЯ № 5.

ШУМЫ И ВИБРАЦИИ

Шумы, ихфизические характеристики и классификация

Шумы – волны звукового (акустического) диапазона, образованные колебаниями твердых, жидких или газообразных тел. Звук распрстраняется только в упругих средах (жидкости, газы, твердые тела), скорость его распространения в газах определяется по формуле:

(5.1)

где γ – показатель адиабаты (для воздуха γ = 1,4); R = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная; μ – молярная масса газа, кг/моль; Т – температура газа, К.

В зависимости от размера и вида звукопроводящего материала волны могут быть двух типов:

- продольные – направление колебаний частиц среды совпадает с направлением распространения волны. Такие волны образуют в звукопроводящем материале зоны повышенного и пониженного давления, меняющие со временем свое положение и вызывающие растяжение-сжатие материала;

- поперечные – направление колебаний частиц среды перпендикулярно направлению распространения волны. Подобные волны вызывают сдвиг в звукопроводящих материалах, поэтому имеют место лишь в твердых телах.

В табл. 5.1 приведены скорости распространения волн в некоторых материалах.

Таблица 5.1- Скорости распространения звуковых волн

*Вещество*	*Скорость распространения волн, м/с*
*Вещество*	продольных	поперечных
Алюминий	6 320	3 130
Железо	5 900	3 230
Медь	4 730	2 300
Цинк	4 120	2 350
Кварцевое стекло	5 570	3 520
Вода	1 481	–
Воздух	331	–

Источником шума на производстве зачастую является работающее оборудование, транспортные средства, системы кондиционирования и очистки воздуха. Шумы на производстве и в быту нежелательны, поскольку они негативно влияют на организм человека.

Физическими характеристиками шумов являются:

- амплитуда А – максимальное отклонение точки тела, совершающего колебательное движение, от ее начального положения. Единица измерения амплитуды – миллиметр (мм);

- частота f – количество полных колебаний точки в единицу времени. Единица измерения частоты – герц (Гц). Ухо человека имеет наибольшую чувствительность в области частот 1000...3000 Гц;

- период Т – время одного полного колебания точки тела

(5.2)

Единица измерения периода – секунда (с).

- круговая частота ω – количество полных колебаний за 2π секунд

(5.3)

Единица измерения круговой частоты – радиан в секунду (рад/с).

- интенсивность (сила звука) І – количество энергии, проходящей за 1 с через единицу площади, перпендикулярную к направлению ее распространения. Единица измерения интенсивности – ватт на метр квадратный (Вт/м²).

Звуки воспринимаются человеком лишь тогда, когда их интенсивность лежит в пределах от 10^-12 до 10 Вт/м². Минимальное значение называется нижним порогом слышимости, а максимальное – болевым порогом ощущения, причем эти значения разные для разных частот звука.

- звуковое давление Р – абсолютная разница между давлением в данной точке пространства и атмосферным давлением. Единица измерения звукового давления – Паскаль (Па).

По слуховым ощущениям звук характеризуется следующими величинами:

- уровень интенсивности (громкость) – сложная функция интенсивности (главным образом) и частоты звука

(5.4)

где І₀ = 10^-12Вт/м² – нулевой уровень интенсивности, которая равна порогу слышимости при частоте 1000 Гц; І – интенсивность звука. Единица измерения уровня интенсивности – бел (Б), однако на практике используют ее десятую часть – децибел (дБ);

- высота – функция частоты звука. Удвоение частоты называется октавой, утроение – квинтой, отношения частот 3:4 – квартой. Человек улавливает разницу в частоте двух звуков до 0,1 Гц;

- тембр – оттенок, по которому отличаются звуки одинаковой высоты и силы от разных источников. Определяется набором частот простых колебаний, входящих в состав звука.

По частотным диапазонам шумы делятся на три типа:

- инфразвук – колебания с частотой от 0 до 16 Гц, возникающие при колебаниях и внезапных движениях массивных тел и не вызывающие при этом звукового ощущения.

- звуковые (акустические) – колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. В свою очередь, делятся на низкочастотные (диапазон от 16 до 350 Гц), среднечастотные (диапазон от 350 до 800 Гц) и высокочастотные (с частотой более 800 Гц);

- ультразвуковые – колебания с частотой более 20 000 Гц. Они также не вызывают слухового ощущения, используются в средствах связи, пеленгации и локации, в дефектоскопии при обнаружении внутренних дефектов, в медицине.

От частоты шумов зависят пороговые значения силы звука и звукового давления, поэтому необходимо знать частотный спектр шума. Человек воспринимает ухом только звуковые колебания с силой звука в диапазоне 0...140 дБ, причем изменение силы звука менее чем на 1 дБ не ощущается.

По спектру колебаний шумы бывают:

- широкополосные – с непрерывным спектром шириной более одной октавы (полосы частот, в которой верхняя частота вдвое больше нижней);

- тональные – шумы, в спектре которых есть хорошо слышимые дискретные частоты;

По временным характеристикам шумы делятся на:

- постоянные – уровень звука которых за рабочий день изменяется не более, чем на 5 дБ;

- непостоянные – уровень звука которых за рабочий день изменяется более чем на 5 дБ. При этом непостоянные шумы подразделяются на три вида:

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

- - прерывистые – уровень звука изменяется ступенчато, причем длительность интервалов постоянного уровня составляет более 1 с;

- - импульсные – один или несколько звуковых сигналов длительностью менее 1 с.

Защита от шумов

Влияние шума проявляется в нарушениях работы основных систем организма, витаминного обмена, может вызвать гипертоническую болезнь. Специфической реакцией на шум являются изменения в слуховом аппарате человека, при которых изменяется чувствительность, причем характер изменений слуха зависит от частоты шума, его интенсивности и продолжительности. На рис. 5.1 показана реакцию организма на различные величины силы звука.

Большая сила звука может вызвать изменения в организме человека, поэтому санитарными нормами определены опасные уровни шума (табл. 4.2). Так, сила звука в 155 дБ вызывает ожоги, а в 180 дБ – приводит к смерти.

Таблица 4.2. Допустимые уровни интенсивности шумов

*Робочие места*	*Сила звука (дБ) в октавных полосах при частоте, Гц*
*Робочие места*	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Лаборатории теоретической обработки данных	71	61	54	49	45	42	40	38
Помещения управления, рабочие комнаты	79	70	68	58	55	52	50	49
Научно-исследовательские лаборатории	95	87	82	78	75	73	71	69
Постоянные рабочие места и зоны	99	92	86	83	80	78	76	74
Помещения точной сборки	83	73	68	63	60	57	55	54

Существует 5 направлений защиты от шумов в условиях производства:

- уменьшение шума в источнике возникновения достигается путем конструктивных изменений: заменой металлических деталей на полимерные, повышением точности сборки, уменьшением частоты вращения, усовершенствованием кинематической схемы;

- архитектурно-планировочные мероприятия – шумные производства компонуют в комплексы, расположенные за пределами города с подветренной;

- звукоизоляция – отражение большей части звуковой энергии, падающей на изолирующий средство. Звукоизолирующая способность материала зависит от его структуры и толщины. К звукоизолирующим средствам относятся ограждения, стены, перекрытия, специальные кожухи и т.д.;

- звукопоглощение – свойство строительных материалов и конструкций поглощать энергию звуковых колебаний. Способность материалов поглощать шумы характеризуется коэффициентом звукопоглощения – отношение поглощенной поверхностью энергии к полной энергии пришедшей звуковой волны

. (5.5)

Для шумопоглощающих материалов коэффициент α > 0,2;

- использование средств индивидуальной защиты – противошумной одежды, касок и наушников (внутренних, которые вкладываются в ухо, и внешних, которые закрывают ухо полностью). Но при уровне шума более 120 дБ даже наушники не обеспечивают необходимого ослабления шума.

Рисунок 5.1 – Шкала силы звука в децибелах (дБ)

Вибрации, их природа и физические характеристики

Вибрации – сложный колебательный процесс упругих тел, характеризующийся периодичностью изменения амплитуды колебаний, их частоты и других характеристик. Вибрации преждевременно выводят из строя машины и оборудование, ограничивают их технологические возможности, отрицательно влияют на организм человека.

В зависимости от источника возникновения вибрации делятся на три типа:

- транспортные – действуют на персонал транспортных средств на дорогах, при перевозке грузов;

- транспортно-технологические – действуют на операторов машин при перемещении грузов, на производственных площадках, платформах;

- технологические – действуют на операторов станков и специального оборудования, на котором отсутствуют источники вибраций, превышающие санитарно-гигиенические нормы.

Вибрации по характеру действия на человека подразделяются на три типа:

- общие – передаются на тело человека через опорные поверхности. Такие вибрации вызывают раздражительность, усталость и головную боль, изменения в сердечно-сосудистой системе, вестибюлярном аппарате, негативно влияют на обмен веществ;

- местные (локальные) – передаются на отдельные части тела человека от инструмента, их следствием является боль в суставах. При вибрациях с частотами 35...250 Гц возникают спазмы кровеносных сосудов конечностей;

- комплексные – наиболее распространенный тип, являются результатом одновременного действия двух предыдущих факторов.

К физическим характеристикам вибраций относятся их амплитуда А, частота f, период Т и окружная частота ω, определения которых приведены в п. 5.1. Дополнительно также используют следующие величины:

- виброскорость υ, мм/с – максимальное значение скорости колеблющейся точки

; (5.6)

- виброускорение а, мм/с² – максимальное значение ускорения точки

; (5.7)

- уровень виброскорости L_V, дБ – характеристика интенсивности вибраций, аналогичная уровню интенсивности звука

(5.8)

где υ₀ = 2·10^-6 см/с – нулевой уровень виброскорости, соответствующий порогу звукового давления 2·10^-5 Па; υ – виброскорость, см/с. Единица измерения уровня виброскорости – децибел (дБ).

Гигиенические нормы вибраций

Особенно вредны для человека вибрации с частотами, близкими к колебания тела человека или его частей из-за возможности возникновения резонанса. Резонанс – явление совпадения частоты вибрации с частотой колебаний внутренних органов (6...9 Гц – частота колебаний большинства органов человека, голова колеблется с частотой 17...25 Гц). Для человека, стоящего на вибрирующей поверхности, частота вибраций имеет два резонансных пика – 5...12 Гц и 17...25 Гц, а для человека, сидящего на виброповерхности – один пик 4...6 Гц. Резонанс может вызывать разрыв внутренних органов.

Влияние вибрации на человека также зависит от направления ее действия. Поэтому общие вибрации делят на действующие вдоль осей ортогональной системы координат X, Y и Z, где X и Y – горизонтальные оси, Z – вертикальная ось. Аналогично, местные вибрации делят на действующие вдоль осей ортогональной системы координат X_р, Y_р и Z_р, где X_р совпадает с источником вибраций, Z_р – лежит в площади движения X_р.

Вибрации нормируются отдельно для каждого установленного направления в каждой октавной полосе. Гигиенические нормы приведены в виде кривых на рис. 5.2, где по горизонтальной оси отложены средние частоты октав, а по вертикальной – логарифмические уровни среднеквадратичных значений виброскорости.

Рисунок 5.2 – Гигиенические нормы вибраций: 1' - вертикальная, 1'' - горизонтальная, 2 – транспортно-технологическая, 3а – технологическая в производственных помещениях, 3б – в служебных помещениях на судах, 3в – в помещениях без вибрирующих машин, 3г – в помещениях для умственного труда, 4 – локальная вибрация

Основы виброзащиты

Виброзащита – совокупность методов и средств, позволяющих уменьшить вредное воздействие вибраций.

На данный момент существует 5 основных направлений защиты от вибраций в условиях производства:

- устранение вибраций в источнике возникновения – разработка кинематических и технологических схем, которые бы максимально снижали технологические вибрации: балансировка роторов и валов, устранения чрезмерных люфтов и зазоров периодическим осмотром машин и механизмов.

- виброизоляция– это ослабление связи между источником возникновения колебаний и конструкцией за счет установления между ними виброизоляторов (упругих элементов): стальных пружины, прокладок из резины, упруго-пластических пневморезиновых конструкций, других материалов, способных к демпфированию энергии вибраций.

Принципиальная схема виброзащитной системы показана на рис. 5.3, она представляет собой параллельное соединение амортизатора (пружины, рессоры или торсиона) с демпфером (жидкостным или газовым);

Рисунок 5.3 – Виброзащитная система

- вибропоглощение – ослабление связи между источником возникновения колебаний и конструкцией за счет нанесения на вибрирующую поверхность слоя упруговязких материалов, частично преобразующих энергию колебаний в тепло. В качестве вибропоглощающих материалов используют резины, мастики и пластики.

Однако ослабление связей обычно сопровождается появлением некоторых нежелательных явлений – увеличением статических смещений объекта относительно источника и увеличением амплитуд относительных колебаний при низкочастотных воздействиях.

Поэтому использование средств гашения колебаний часто связано с нахождением компромиссного решения, которое удовлетворит всей совокупности технологических требований.

- виброгашение – осуществляется путем установки вибрирующего оборудования на жесткие массивные виброгасящие фундаменты или железобетонные плиты. По их периметру устанавливают акустический шов, заполненный легкими упругими материалами, который предназначен для ликвидации передачи колебаний от фундамента к строительным конструкциям.

Частным случаем данного типа является динамическое гашение колебаний. Динамический виброгаситель (рис. 5.4) присоединяется к объекту и формирует дополнительные динамические воздействия, прикладываемые к объекту в месте соединения с виброгасителем.

Динамическое гашение осуществляется подбором параметров виброгасителя, при которых эти дополнительные действия компенсируют динамические действия, образующиеся источником вибраций.

При правильном подборе параметров виброгасителя амплитуда колебаний объекта m₁ становится равной нулю и данная масса становится неподвижной.

Рисунок 5.4 – Принципиальная схема динамического виброгасителя

Такое явление называется антирезонансом, а частота колебаний динамического виброгасителя:

(5.9)

называется частотой антирезонанса. Частота антирезонанса совпадает с частотой собственных колебаний массы m₂ при неподвижной массе m₁;

- использование средств индивидуальной защиты – применяемые средства для рук (перчатки, прокладки и налокотники), ног (специальная обувь и наколенники) и всего туловища (пояса и специальные костюмы).

На работах с виброопасными процессами работникам согласно установленных норм бесплатно выдается одежда (вибродемпфирующие покрытия, рукавицы комбинированные и перчатки со спецподкладкой), специальная обувь (сапоги, ботинки и туфли с подошвами из упруго-демпфирующего материала). В последнее время широкое распространение получили вибродемпфирующие покрытия в виде масел (винипор, антивибрит) НПАОТ 0.00-4.24-94.

Работники, занятые на работах с динамическими процессами, имеют право на оплачиваемые санитарно-оздоровительные перерывы продолжительностью от 15 до 20 минут. Также персоналу, имеющему дело с вибрирующим оборудованием, следует строго придерживаться режима труда и отдыха, чередуя выполнение операций, связанных с вибрациями, и выполнение операций без ихдействия. Так время работы с машинами, вибрации которых меньше допустимой нормы, не должно превышать 2/3 рабочей смены.

Длительное воздействие вибраций приводит к профессиональному заболеванию – вибрационной болезни, которая поддается лечению только на первых стадиях развития. Действие местной вибрации вызывает нарушения чувствительности кожи, потерю прочности кровеносных сосудов и чувствительности нервных волокон, окостенение сухожилий, отложения солей в суставах, другие нежелательные проявления.

Вибрация негативно влияет не только на работников, но и на технологическое оборудование, существенно ограничивая срок его эксплуатации. Под действием вибраций имеет место явление усталости материалов – процесс постепенного накопления повреждений в материале, который приводит к образованию трещин и дальнейшему разрушению.

Дата добавления: 2021-04-05; просмотров: 186; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

Мы поможем в написании ваших работ!