Методы контроля параметров вибраций

Для измерения вибрации широко используются электрические виброизмерительные приборы, принцип действия которых базируется на превращении кинематических параметров колебательного движения в электрические величины, которые измеряются и регистрируются при помощи электрических приборов.

Основные элементы этих приборов — датчики. В качестве первичных измерительных преобразователей используют емкосные, индукционные, пьезоэлектрические преобразователи, воспринимающие колебательные смещения, скорость и ускорение.

Чаще всего используются пьезоэлектрические преобразователи виброускорения — акселерометры.

Виброизмерительными приборами с датчиками можно измерять вибрации во многих точках. Их преимущество — дистанционность измерения параметров вибрации, простота устройства, отсутствие инерционности.

155

ФИЗИОЛОГИЯ, ГИГИЕНА ТРУДА И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

Количество измерений параметров вибрации должно быть не меньше трех для каждой октавной полосы частот. Измеряемыми параметрами вибрации являются пиковые или среднеквадратические значения вибросмещения, виброскорости или виброускорения в октавных или 1/3-октавных полосах частот.

ШУМ, УЛЬТРАЗВУК И ИНФРАЗВУК

Шум как гигиенический фактор — это совокупность звуков различной частоты и интенсивности, которые воспринимаются органами слуха человека и вызывают неприятное субъективное ощущение.

Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды, носящее обычно случайный характер.

Производственным шумом называется шум на рабочих местах, на участках или на территориях предприятий, который возникает во время производственного процесса.

Следствием вредного действия производственного шума могут быть профессиональные заболевания, повышение общей заболеваемости, снижение работоспособности, повышение степени риска травм и несчастных случаев, связанных с нарушением восприятия предупредительных сигналов, нарушение слухового контроля функционирования технологического оборудования, снижение производительности труда.

По характеру нарушения физиологических функций шум разделяется на такой, который мешает (препятствует языковой связи), раздражающий (вызывает нервное напряжение и вследствие этого — снижения работоспособности, общее переутомление), вредный (нарушает физиологические функции на длительный период и вызывает развитие хронических заболеваний, которые непосредственно связаны со слуховым восприятием: ухудшение слуха, гипертония, туберкулез, язва желудка), травмирующий (резко нарушает физиологические функции организма человека).

Характер производственного шума зависит от вида его источников. Механический шум возникает в результате работы различных механиз­мов с неуравновешенными масами вследствие их вибрации, а также одиночных или периодических ударов в сочленениях деталей сборочных единиц или конструкций в целом. Аэродинамический шум образуется при движении воздуха по трубопроводам, вентиляционным системам —

Р

Раздел 2

или вследствие стационарных или нестационарных процессов в газах. Шум электромагнитного происхождения возникает вследствие колебаний элементов электромеханических устройств (ротора, статора, сердечника, трансформатора и т. д.) под влиянием переменных магнитных полей. Гидродинамический шум возникает вследствие процессов, которые происходят в жидкостях (гидравлические удары, кавитация, турбулентность потока и т. д.).

Шум как физическое явление — это колебание упругой среды. Он характеризуется звуковым давлением как функцией частоты и времени. С физиологической точки зрения шум определяется как ощущение, которое воспринимается органами слуха во время действия на них звуковых волн в диапазоне частот 16—20 000 Гц.

АКУСТИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой она распространяется — звуковым полем.

Звуковыми волнами называют колебательные возмущения, которые распространяются от источника шума в окружающую среду.

Длина волны — это расстояние, которое проходит звуковая волна в течение периода колебания (расстояние между двумя соседними слоями воздуха, которые имеют одинаковое звуковое давление, измеренное одновременно).

В изотропной среде длина волны прямо пропорциональна скорости распространения звуковых волн С (для воздуха С_о= 340 м/с при / = 20 °С) и обратно пропорциональна частоте колебаний /, Гц

-

(2.34)

Скорость звука зависит от физических свойств тела (плотности, упругости давления и тому подобное), в котором распространяется звук и от температуры. В воздухе увеличение скорости составляет 0,6 м/с при повышении температуры на 1 °С-

Частота колебаний / — число колебаний за одну секунду. Одно колебание за секунду — 1 Гц. Октавная полоса частот — полоса, в которой верхняя предельная частота в два раза превышает нижнюю. Третьоктавная полоса — полоса, в которой соотношение предельных частот составляет 1,26. Среднегеометрическая частота октавной полосы

157

ФИЗИОЛОГИЯ, ГИГИЕНА ТРУДА И ПРО ИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

Раздел 2

 

(2.35)

где /_; — нижняя предельная частота, Гц; / — верхняя предельная частота, Гц.

Слышимые звуки ограничиваются определенной частотой звука. Человек слышит звуки в частотном диапазоне 16—20 000 Гц. Звуки с частотой 30—300 Гц считаются низкими, с частотой 300—800 Гц средними, с частотой более 800 Гц — высокими.

Кроме скорости звука С, различают скорость колебательного движения частиц в звуковой волне, которая зависит от амплитуды колебаний (тоесть от звукового давления Р) и частоты

(2.36)

^v-, м/с. рС

Величина рС называется удельным акустическим сопротивлением среды, через которую, распространяется звук. Для воздуха при нормальном давлении (барометрическое давление 760 мм, t - 20 °С, плотность p= 0,001205 г/см³, С = 344 м/с, рС = 41г/см²с).

Удельное сопротивление имеет важный смысл при рассмотрении проблем отражения и поглощения звуков.

Звук, который распространяется в воздушной среде, называется воздушным звуком, в твердых телах — структурным. Часть воздуха, охваченная колебательным процессом, называется звуковым полем. Свободным называется звуковое поле, в котором звуковые волны распространяются свободно, без препятствий (открытое пространство, акустические условия в специальной заглушённой камере, облицованной звукопоглощающим материалом).

Диффузным называется звуковое поле, в котором звуковые волны поступают в каждую точку пространства с одинаковой вероятностью со всех сторон (встречается в помещениях, внутренние поверхности которых имеют высокие коэффициенты отражения звука).

В реальных условиях (помещение или территория предприятия) структура звукового поля может быть качественно близкой (или промежуточной) к предельным значениям свободного или диффузного звукового поля.

Воздушный звук распространяется в виде продольных волн, тоесть волн, в которых колебания частичек воздуха совпадают с направлением движения звуковой волны. Наиболее распространена форма продольных

звуковых колебаний — сферическая волна. Ее излучает равномерно во все стороны источник звука, размеры которого малы по сравнению с длиной волны.

Структурный звук распространяется в виде продольных и попе­речных волн. Поперечные волны отличаются от продольных тем, что колебания в них происходят в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Давление, которое превышает атмосферное, называется акустическим, или звуковым давлением. Чем большее звуковое давление, тем громче звук.

Мерой интенсивности звуковых волн в любой точке пространства является величина звукового давления — избыточное давление в данной точке среды по сравнению с давлением при отсутствии звукового поля. Единица измерения звукового давления р, Н/м²; 1 Н/м²^ 1 Па (Паскаль). Существуют нижняя и верхняя границы слышимости. Нижняя граница слышимости называется порогом слышимости, верхняя — болевым порогом. Порогом слышимости называется наименьшее изменение звукового давления, которое мы ощущаем. При частоте 1000 Гц (на этой частоте ухо имеет наибольшую чувствительность) порог слышимости составляет Р_о=2-10~⁵ Н/м². Порог слышимости воспринимает приблизительно 1% людей.

Болевой порог — это максимальное звуковое давление, которое воспринимается ухом как звук. Давление свыше болевого порога может вызывать повреждение органов слуха. При частоте 1000 Гц в качестве болевого порога принято звуковое давление Р = 20 Н/м². Отношение звуковых давлений при болевом пороге и пороге слышимости составляет 10⁶. Это диапазон звукового давления, который воспринимается ухом.

Для более полной характеристики источников шума введено понятие звуковой энергии, которая излучается источниками шума в окружающую среду за единицу времени.

Величина потока звуковой энергии, которая проходит в течение 1 с через площадь 1 м² перпендикулярно к направлению распространения звуковой волны, является мерой интенсивности звука или силы звука. Сила звука выражается зависимостью

(2.37)

/= —, Вт/м². рС

 

158

ФИЗИОЛОГИЯ, ГИГИЕНА ТРУДА И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

При пороговом значении звукового давления P₀=2-\0~^s Н/м²

пороговое значение силы звука /_(| = Ю'¹² Вт/м².

Силой звука характеризуется громкость. Чем больше поток энергии, который излучается источником звука, тем выше громкость. Звуковая мощность источника

W=I-S, (2.38)

где S — площадь.

При излучении в сферу радиусом г — S = 4жг\ а в полусферу — S = 2жг\

Если источник звука находится у стены, излучение происходит в четверть сферы.

При большом числе источников звука их звуковая мощность равная сумме мощностей отдельных источников

W =IV, +W₂ +... + W„, Вт. (2.39)

В связи с тем, что между слуховым восприятием и раздражением

существует приблизительно логарифмическая зависимость, для измерения звукового давления, силы звука и звуковой мощности принята логарифмическая шкала. Это позволяет большой диапазон значений (по звуковому давлению — Ю⁶, по силе звука — 10¹²) вложить в сравнительно небольшой интервал логарифмических единиц. В логарифмической шкале каждая следующая степень этой шкалы больше предыдущей в 10 раз. Это условно считается единицей измерения 1 Бел (Б). В акустике используется более мелкая единица децибел (дБ), равная 0,1 Б.

Величина, выраженная в белах или децибелах, называется уровнем этой величины. Если сила одного звука больше другого в 100 раз, то равные силы звука отличаются на lglOO=2 Б, или 20 дБ.

Уровень силы звука в белах и децибелах выражается формулами:

^L = 'g-,B (2.40)

/

(2.41)

где /„= Ю-¹² Вт/м².

Раздел 2

Если в формулу (2.29) подставить вместо / его значение из формулы (2.36), а вместо !_д — р₀²/ (рС), то получим уровень звукового давления

L..

(2.42)

Существует разграничение областей применения терминов „уровень звука" и „у ровень звукового давления". Для характеристики простых звуков в октавных полосах частот применяется термин "уровень звукового давления"; для характеристики сложных звуков (тоесть не разложенных на октавные полосы) — "уровень звука" в дБА (децибел по шкале А шумомера). Между логарифмическими единицами дБ и соответствующими им звуковыми давлениями в Н/м² существует следующая связь: изменение уровня звукового давления на 10 дБ отвечает изменению звукового давления (которая характеризует громкость) в 3 раза.

Кроме уровня звука и уровня звукового давления существует понятие уровня звуковой мощности

W

(2⁴³>

где W₀=10'¹². Вт — пороговое значение звуковой мощности.

Спектром звуковой мощности (звукового давления) называется совокупность уровней звуковой мощности, измеренных в стандартных полосах частот — октавных, третьоктавных, узкополосных.

Шумовые характеристики источников шума определяются в соответствии с ГОСТ 12.1.003-86. ССБТ „Шум, общие требования безопасности".

Неравномерность излучения шума источника в различных направлениях выражается при помощи фактора направленности:

(2.44)

Р'

где Р — среднеквадратическое значение звукового давления в заданной точке, Н/м²;

Р_гр — среднеквадратическое значение звукового давления в заданной точке при равномерном излучении той же звуковой мощности в сферу, Н/м².

При расположении источника на одной плоскости (на поле, стене, около экрана, который отражает звуковые волны) Ф = 2; рядом с двугранным углом Ф = 4; рядом с трехгранным — Ф = 8.

 

160

11 Охр

ФИЗИОЛОГИЯ, ГИГИЕНА ТРУДА И ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ

Уровень звука L_fi, дБА, измеряется шумомером при включенной коррекции "А" и при выключенных полосовых фильтрах. Коррекция "А" позволяет осуществлять интегральную оценку, приближенную к восприятию шума человеческим ухом.

Эквивалентный уровень (по энергии) звукового давления L_e, дБ, или звука, дБА, позволяет определить средний уровень в течение периода усреднения Т с учетом временного интервала т., с, в течение которого уровень находится в заданных границах:

і,- 101g^ ІѵіО^.дБ, (2.45)

где і — номер интервала уровней (t=1, 2,..., л).