Автор: Хекл М. Мюллер Х.А.
Теги: техническая акустика электроакустика электроника электротехника акустика
Год: 1980
Текст
СПРАВОЧНИК
ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ
АКУСТИКЕ
СУДОСТРОЕНИЕ
TASCHENBUCH
DER TECHNISCHEN AKUSTIK
Herausgegeben von
M. HECKL-H. A. MULLER
SPRINGER —VERLAG
BERLIN HEIDELBERG NEW YORK
1975
СПРАВОЧНИК
ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ
АКУСТИКЕ
Под редакцией
М. ХЕКЛА и X. А. МЮЛЛЕРА
Перевод с немецкого
Б. Д. ВИНОГРАДОВА и Н. М. КОЛОЯРЦЕВА
ЛЕНИНГРАД
СУДОСТРОЕНИЕ
1980
ББК 32,87
С74
УДК 681.8(083)
Научный редактор
канд. техн, наук
В. М. СПИРИДОНОВ
С74 Справочник по технической акустике: Пер.
с ием./Под ред. М. Хекла и X. А. Мюллера.— Л.: Су-
достроение, 1980,—440 с., ил. 329,—ИСБН.
В книге в пригодной для решения практических задач форме
обобщены сведения о физических основах акустики, о воздействии
шума на человека и нормах шумности, о возникновении шума и за-
щите от него, об электроакустике и акустической измерительной тех-
нике.
Причины возникновения шума рассмотрены применительно к по-
токосоздающим и потокопроводящим устройствам, двигателям внутрен-
него сгорания, электрическим машинам, иасосам, зубчатым передачам,
самолетам, судам, рельсовому транспорту. Подробно проанализированы
распространение, поглощение и изоляция шума, включая шум, обу-
словленный звуковыми вибрациями.
Справочник предназначен не только для инженеров-акустиков, ра-
ботающих в области судостроения, но и для специалистов транспорт-
ного машиностроения, авиастроения, энергетического машиностроения,
строительства и др.
„ 31805—057
С 048(бТ)—80 33—80 3202000000
32.87
© by Springer-Verlag Berlin. Heidelberg, 1975. Printed in GDR
© Перевод на русский язык. Издательство
«Судостроение», 1980 г.
ПРЕДИСЛОВИЕ
К НЕМЕЦКОМУ ИЗДАНИЮ
Справочник по технической акустике имеет целью информировать
широкий.круг специалистов’о содержании этой дисциплины. Справочник об-
ращен не только к специалистам н студентам, непосредственно занимаю-
щимся технической акустикой, но и к инженерам многих других направлений
(например, таких, как машиностроение, транспорт» строительство), которым
приходится заниматься борьбой с шумом.
Ввиду все возрастающего значения, которое придается охране окружаю-
щей среды, многие главы в справочнике посвящены возникновению, распро-
странению, изоляции, поглощению, измерению и оценке воздушного шума и
звуковой вибрации. Одновременно подробно рассмотрены вопросы электро-
акустики, архитектурной акустики и физиологии слуха.
Редакторы сочли необходимым наряду с изложением основ технической
акустики поместить в справочнике большое число характеристик материалов,
экспериментальных данных, наиболее важных результатов измерений, апроби-
рованных приближенных формул и т. д. Таким образом, читатель найдет
в справочнике не только общие положения, но и сведения, необходимые для
решения практических вопросов.
Мы стремились по возможности использовать в книге единую терминоло-
гию, международную систему единиц, а также единообразные условные обо-
значения.
Редакторы благодарят авторов отдельных разделов, за широкий охват
материала и сжатую форму изложения.
Надеемся, что справочник по технической акустике окажется полезным
пособием инженерам в их повседневной работе.
Берлин, Мюнхен,
май 1975 г.
М ХЕКЛ, X. А. МЮЛЛЕР
5
ПРЕДИСЛОВИЕ
К РУССКОМУ ИЗДАНИЮ
Быстрое развитие технической акустики привело к появлению
большого количества публикаций о научных. достижениях и практическом
опыте в этой области знаний, которые, как правило, оказались рассеянными
по различным изданиям. Основные задачи редакторов справочника по тех-
нической, акустике— сбор и обобщение указанной информации для знаком-
ства с нею широкого круга заинтересованных читателей. Редакторы справоч-
ника приветствуют издание справочника иа русском языке, которое значи-
тельно расширит этот круг, а также то, что перевод выполнен компетентными
специалистами.
Некоторые разделы справочника при переводе были несколько перера-
ботаны с нашего ведома советскими коллегами, что, очевидно, вызвано же-
ланием сделать его более приемлемым для советских читателей. Мы выра-
жаем за это советским коллегам свою признательность.
Редакторы надеются, что настоящий перевод справочника по техниче-
ской акустике явится полезным пособием для специалистов в их повседнев-
ной работе, и благодарят переводчиков н издательство за их труд.
Западный Берлин, Мюнхен,
сентябрь 1979 г.
М. ХЕКЛ, X. А. МЮЛЛЕР
6
УСЛОВНЫЕ
ОБОЗНАЧЕНИЯ
А— полное звукопоглощение, эквивалентная площадь звукопоглощения
(3.15).
В— изгибная жесткость, в разделе —2 магнитная индукция, в разделе
15 — вспомогательная величина (15.16а).
С— емкость.
D— разность уровней.
Drf — ослабление шума н канале глушителя (16.1).
L>e—эффективность установки глушителя в канале (16.2).
Ддх— затухание шума в канале на участке канала длиной Ах (16.3).
—затухание шума в канале на участке канала длиной Дх=Л (16.18).
Е—модуль упругости, в разделе 16 — вспомогательная величина (16.216).
F— сила.
Fj — компоненты силы (7=1, 2. 3).
G—модуль сдвига, в разделе 2 — чувствительность, в разделе 16 — про-
водимость.
Gj— проводимость стенки акустически облицованного канала.
функция Ханкеля второго рода.
I — интенсивность звука, в разделах 2 и 6 — электрический ток.
Im— мнимая часть комплексного числа.
— функция Бесселя -нулевого или первого порядка.
К.— модуль сжатия, константа, в разделе 2 — коэффициент пьезоэлект-
рического преобразования.
Хэф—эффективный модуль сжатия пористого поглотителя (15.15).
L— уровень шума, в разделе 2 —индукция.
Lp— уровень звукового давления относительно ро=2-1О —5 Н-м— 2(табл. 1.3).
-£-0— уровень скорости относительно t>o=5-lO_'8 м-с“1 (табл. 1.3).
уровень звуковой мощности относительно Ро=1О—12 Вт.
Ьрд— скорректированный уровень звуковой мощности в дБ (А).
^РОкт— октавный уровень звуковой мощности.
AL— разность уровней.
Цк—эквивалентный уровень непостоянного шума.
^ср— средний уровень.
А!—момент, в разделе 2 —постоянная преобразователя.
М—число Маха (8.1).
частота вращения, число резонансов, число серий замеров.
число собственных мод в определенном диапазоне частот (раздел 1).
F—звуковая мощность (1.7).
^э— электрическая мощность.
Fu— подача вентилятора.
^—эффективная мощность в сечении канала х.
Q—добротность, в разделе 8 —объемный расход.
Я-* радиус, звукоизоляция (17.1), электрическое сопротивление, коэф-
фициент отражения (1.43).
^—сопротивление излучению (действительная часть) на единицу пло-
щади.
внутреннее удельное сопротивление резонатора (действительная
_____ часть) (15.31).
— вязкое удельное сопротивление (15.38).
7
#s=rd — сопротивление потоку (раздел 15)
Re— число Рейнольдса (8.8), действительная часть комплексного числа.
S— площадь.
St— число Струхаля (8.9).
Т — период, температура, время реверберации, в разделе 16—коэффи-
коэффициент преобразования
циент прохождения, в разделе 2
, (2-27).
Ти— величина турбулентности.
(7—скорость потока, в разделах 2 и 3 — электрическое напряжение,
в разделе 16 —периметр канала, облицованного поглотителем
V— объем.
U7—энергия, в разделе 8 — статическое сопротивление потоку в раз-
деле 16—вспомогательная величина (16.23).
Z=-Flv— механическое сопротивление (импеданс в точке) (1.21).
л0=расо — волновое сопротивление.
Z"=p/v— акустическое сопротивление (1.9).
2а—вблновое сопротивление пористого поглотителя (15.3).
Za— удельное акустическое сопротивление одного отверстия (раздел 15).
Удельное акустическое сопротивление входного отверстия резонатора
_ (15.31).
*ч— сопротивление стенки акустически облицованного канала (раздел 15).
а— радиус или ускорение.
аЭф —эффективный радиус отверстия (15.27).
в—ширина, вспомогательная величина.
с—фазовая скорость распространения звука (1.17).
crp=da/dk~ групповая скорость.
Сц — скорость звука в однородной среде.
сп — скорость продольных волн.
си— скорость изгибных волн.
са— фазовая скорость в пористом поглотителе.
Ct—изотермическая скорость звука (раздел 15).
ск— фазовая скорость в канале.
d— толщина, расстояние, диаметр.
f— частота.
/о—• резонансная частота.
fKp—граничная (критическая) частота.
g—гравитационная постоянная, в разделе 16—функция поперечного
распределения (16.11).
h—толщина пластины (пленки), высота, расстояние, в разделе 16 —
___ полувысота канала (рис. 16.1).
мнимая единица.
А=2л/Л=со/₽—волновое число.
«о— волновое число для плоских волн в однородной среде.
feH—• волновое число изгибных волн.
/— длина.
/ц,—отстояние звукопоглотителя от стенки.
Д(—поправочный коэффициент на форму отверстия (табл. 15.2).
т— масса.
т' —масса па единицу длины (линейная масса).
т"— масса на единицу площади (поверхностная масса).
п— целое число.
р— звуковое давление, в разделе 6 — число пар полюсов.
рст— статическое давление.
рст— разность статических давлений.
q— поток звуковой энергии, параметр усреднения нестационарного
шума, в разделе 8 — поток массы,
г—радиус или действительная часть акустического сопротивления,
в разделах 15 и 16 —удельное сопротивление потоку на единицу
длины (15.6).
Гд— динамическое удельное сопротивление потоку,
s—жесткость эластичной опоры (18.5).
s’ —жесткость на единицу длины,
s" — жесткость на единицу площади,
(—время.
о—колебательная скорость звуковой волны.
— скорость среды на выходе резонатора.
ш— угловая скорость, плотность энергии.
х,у,г или х^— декартовы координаты (1=1, 2, 3),
г,ф,2— цилиндрические координаты,
г.(₽,0т-сферические координаты, угол.
8
а—коэффициент поглощения (55.1), вспомогательная величина,
0—вспомогательная величина, в разделе 16 — нормированная проводи-
мость стенки (56.218).
V—вспомогательная величина, в разделе 15 — коэффициент теплопро-
водности.
6—толщина пограничного слоя.
8—вспомогательная величина, в разделе 15 —доля перфорации на
площади, в разделе 16 — собственные значения функции попереч-
ного распределения (16.20).
1)—коэффициент потерь энергии колебаний (18.12), коэффициент полез-
ного действия машины, в разделе 15—динамическая вязкость.
6— амплитуда, сжатие пружины.
акустический КПД, в разделе 8 — коэффициент сопротивления.
и— соотношение удельных теплоемкостей, показатель степени адиабаты.
А— длина волны.
Av— длина волны в идеальной среде.
Ак— длина волны в канале (раздел 16).
ц— коэффициент Пуассона, вспомогательная величина.
V— кинематическая вязкость (подраздел 8.2.3)
Л—3,141 592 654....
р— плотность.
Ро— плотность в однородной среде.
РЭф— эффективная плотность пористого поглотителя (1Ь.4).
а—коэффициент излучения (раздел 18). в разделах 15 и 16 — пористость
(15.5), в разделе 8— число кавитации (8.2).
т— коэффициент прохождения (соотношение прошедшей и падающей
звуковых мощностей), вспомогательная величина.
X— структурный фактор (15.7).
Фл— собственная функция.
a=2nf— круговая частота.
Г—постоянная распространения (Г=Г'Ц-/Г") (15.2), в разделе 2 —ко-
эффициент направленности, в разделе 8 — интенсивность вихря.
6— момент инерции площади.
Б—сопротивление потоку (в разделах 15 и 16 обозначается буквой г).
Ф— магнитный поток, вспомогательная величина.
Я— нормированная частота (15.9), вспомогательная величина.
а — эффективное значение а.
а— среднее значение а.
а— векторное значение а.
а— комплексное значение а.
а— пиковое значение а.
ПОЯСНЕНИЯ
I. Условные обозначения, единицы измерения.
Перечень наиболее важных условных обозначений приведен на с. 7—9. Б нем ука-
зывается, в каких разделах и формулах встречаются эти обозначения. Формулы
приведены в круглых скобках.
Наиболее важные единицы измерений и коэффициенты пересчета для различных
систем единиц приведены в конце справочника.
2. Нумерация уравнений в каждом разделе справочника начинается заново.
3. Литература.
Литература приведена в конце каждого раздела и имеет свою нумерацию.
4. Рисунки.
Спектры даются по возможности в едином масштабе. Расстояние 7,5 мм по оси
абсцисс обычно соответствует одной октаве, а расстояние 10 мм по оси ординат —
10 дБ.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ
ОСНОВЫ
М. ХЕКЛ
1.1. ВВЕДЕНИЕ
Под звуком подразумеваются механические колебания в диапа-
зоне слышимости, т. е. на частотах приблизительно от 16 Гц до 16 кГц. При
колебаниях в воздухе или каком-либо другом газе говорят о воздушном
звуке, при колебаниях в жидкости (воде) — о звуке в жидкости (подвод-
ном звуке), а при колебаниях в твердых телах — о звуковой вибрации. Вели-
чины, характеризующие звуковые поля, как правило, очень малы (звуковое
давление от 2-Ю-5 Н/м2=2-10"10 атм до 102 Н/м2=10“3 атм, смещение от
10-9 до 1,0'мм), что позволяет практически всегда использовать линейное
приближение, а следовательно, н принцип суперпозиции.
Для понимания технической акустики необходимы определенные знания
как о механических колебаниях и волнах, так н об электромеханических пре-
образователях; при оценке шума, распознавании речи н т. д., кроме того, тре-
буются познания в области физиологии и психологии. Поскольку в одном
разделе невозможно суммировать все основы технической акустики, ниже
рассмотрены наиболее важные ее аспекты, имеющие отношение к возникнове-
нию, распространению, отражению, рассеиванию и поглощению звука и зву-
ковой вибрации. Электроакустические преобразователи н основы физиологии
изложены в последующих разделах [1, 3, 4, 6, 8, 9, 11, 13, 15, 16].
1.2. ОСНОВНЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
1.2.1. Звук в газах и жидкостях
1.2.1.1. Зависимость звукового давления от времени и частоты.
Звук в газах и в жидкостях связан с кратковременными изменениями дав-
ления, накладывающимися на статическое давление. Это переменное давление
p(t) регистрируется как функция времени нли, чаще, как функция частоты
в виде эффективного (усредненного за определенный промежуток времени)
значения в полосе частот. Из практических соображений звуковое давление
выражают не в микробарах или Н/м2, а в уровнях звукового давления Lp
в децибелах (дБ), определяемых по формуле (табл. 1 приложения):
Lp= 10 1g (р2/р2) дБ, (1.1)
где р — эффективное значение реального звукового давления; ро— так на-
зываемое пороговое значение давления, которое в международной практике
(для воздушного звука) принято ро = 2-1О~4 мкбар=2-10~® Н/м2.
Как звуковое давление, так и уровень звукового давления следует отно-
сить к определенной полосе частот, в которой они измеряются, и промежутку
времени, в течение которого реализуется эффективное значение.
10
Есть много вариантов измерения в диапазоне частот. Бывает, что изме-
KhlOe звуковое давление содержит все частотные составляющие, которые
ЖвТ передать микрофон и подключенный к нему усилитель (диапазон ча-
стот в отдельных случаях может включать составляющие иифра- и ультра-
звука). Чаще в измерительное устройство входят электрические фильтры,
Позволяющие измерять звуковое давление в пределах определенных полос
Частот. Наиболее распространенные фильтры (подраздел 3.2.4) — октавные
фильтры с прямоугольной характеристикой, верхние н нижние граничные
Частоты которых различаются вдвое, а также третьоктавные фильтры, гра-
ничные частоты которых находятся в соотношенииУГ2:1. Кроме того, имеются
узкополосные фильтры, в большинстве случаев с постоянной шириной полосы
Пропускания. С помощью фильтров можно измерять уровни звукового давле-
ния в различных диапазонах частот и получать более или меиее точные
гисктры (октавные или третьоктавные спектры). Результаты измерений мо-
гут быть использованы для расчета эффективных значений спектра с боль-
шей шириной полосы. Следует учитывать, что при этом квадраты эффектив-
ных значений складываются. Например, для определения звукового давления
р в третьоктавной полосе 900—1120 Гц могут быть использованы результаты
измерений при помощи узкополосных фильтров с постоянной шириной по-
лосы пропускания 10 Гц, для чего необходимо сложить 22 значения р1 2п на
частотах 905, 915, 925, ..., 1115 Гц, т. е. р2=2р2л. Если узкополосный спектр
представлен в виде непрерывной кривой, то пересчет предпочтительнее произ-
водить по формуле
<‘-2>
где Д/ — ширина полосы пропускания узкополосного фильтра; /2—ft — ширина
полосы пропускания более широкополосного фильтра.
Измерение спектра звукового давления показано па рис. 1.1, причем для
третьоктавного и октавного спектров на оси абсцисс нанесены значения в об-
щепринятой логарифмической шкале.
Подразумевается, что звуковой сигнал может быть представлен в зави-
симости как от времени, так и от частоты (спектр). Это действительно так.
С помощью рядов или интеграла Фурье можно показать, что зависимости от
времени и частоты тесно взаимосвязаны. При этом должны быть известны
фазовые соотношения отдельных частей спектра. Поскольку многие наиболее
распространенные анализирующие приборы не приспособлены для опреде-
ления таких соотношений, невозможно из спектра однозначно определить вре-
менную зависимость. На практике это не является ограничением, ибо как
правило, решающим фактором оказывается распределение энергии в зависи-
мости от частоты, т. е. величины, пропорциональной квадрату давления или
квадрату скорости. Все же, зная распределение энергии по полосам частот,
можно с помощью функции автокорреляции однозначно рассчитать времен-
ную зависимость.
Часто вместо просто уровней звукового давления применяется корректи-
рованный уровень звукового давления. Эта величина получается регулиров-
кой усиления измеряемого звукового сигнала в зависимости от частоты. Наи-
более часто используется уровень звукового давления, снятый на характери-
стике А в дБ (А) (подраздел 3.2.4).
При определении эффективного значения особых проблем не возникает,
пока измеряемый сигнал более или менее непрерывен (равномерен и имеет
длительность приблизительно не менее 10 с). В этом случае практически не
имеет значения, производится ли операция, выраженная интегралом
1 т
pz (t) dt, (1.3)
ll
S)
Рис. 1.1. Временная зависимость (а), линейный масштаб. Узко-
полосный анализ, Д/=20 Гц (б). Третьоктавный и октавный
анализы шума, содержащего музыкальные тоны (в). На сред-
нем и нижнем рисунках частотная характеристика представ-
лена в различных масштабах.
] — октавный анализ; 2 — третьоктавный анализ,
12
О течение времени Г=50 мс или 7'= 100 мс или £=1000 мс. Другая картина
наблюдается при коротких или резко изменяющихся звуковых сигналах.
В этих случаях для того, чтобы правильно интерпретировать результаты из-
мерений, необходимо обязательно знать время интегрирования (раз-
дел 5.4.1).
1.2.1.2. Зависимость колебательной скорости звуковой волны от времени
и частоты. Колебательная скорость звуковой волны наряду со звуковым дав-
лением является одной из самых важных измеряемых величин. Под ней по-
нимается скорость, с которой в возвратно-поступательном движении пере-
мещаются элементарные объемы газа или жидкости. Как и любая скорость,
колебательная скорость является направленной величиной, т. е. вектором.
Строго говоря, следовало бы указывать все три пространственные состав-
ляющие колебательной скорости. В большинстве случаев довольствуются
указанием только одного «главного». направления. Колебательная скорость
звуковой волны выражается, как правило, не непосредственно в абсолютных
значениях, а через уровень скорости £«. Уровень скорости определяется по
формуле
£o=101g(i2/'^) дБ., (1.4)
где v — эффективное значение скорости в соответствующей полосе частот;
оо=5-10-8 м/с — пороговое значение скорости.
Зная скорость о, можно непосредственно определить смещение g и ускоре-
ние а, причем временная взаимозависимость мгновенных значений этих вели-
чин выражается следующим образом:
d . d
= и(0- (1.5)
Если эффективные значения v(t), a(t) рассматриваются в сравни-
тельно узкой полосе частот со средней частотой f, то уравнения (1.5) примут
следующий вид:
v (f) = 2л/1 (/); a (f) = 2л/щ (f). (1.5а)
1.2.1.З. Интенсивность, мощность, импеданс. Наряду с уже упомянутыми
характеристиками звукового поля имеется еще несколько важных величин, яв-
ляющихся результатом их перемножения, которые описывают энергию или
ее передачу. Интенсивность Z выражается как
/ = р_(0 , (1.6)
где черта сверху обозначает усреднение во времени. Как и скорость, интен-
сивность является вектором, т. е,, строго говоря, I—p(t)v(t). Она указывает,
какая мощность Р передается через единицу площади, расположенную пер-
пендикулярно вектору скорости. (Единица звуковой мощности — ватт, а ин-
тенсивности— ватт на квадратный метр). Таким образом,
Р= f/dS= f p(l)o(Z) dS. (1.7)
s s
Иногда p(t) и v(t) не равны нулю, а интенсивность исчезает. Примером
этого является p(t) =р cos <о/; v(t) =sin (at или, в более общем виде
p(t)~dv(t)l<it.
Если применить используемый в электротехнике метод описания с по-
мощью комплексной формы записи, то можно представить себе, что все вре-
менные зависимости выражаются чисто периодическими процессами с круго-
вой частотой со. В этом случае
P(t} = Re v(« = Re {^e/co'}, (1.8)
13
причем
£=/ + /;?" = | р j е'ф; _у == о'4-Д'* = 12’|
являются комплексными величинами. Поэтому
/ ~ -у- {pV + pv] = ~ Re {р _п*} =
где v* = v'—jv"—комплексно-сопряженное значение v. Если сдвиг по фазе
будет составлять примерно 90э, то, несмотря на большие значения звукового
давления и скорости, интенсивность и мощность будут сравнительно невелики
(высокая реактивная мощность и низкая активная). Поскольку этот случай
возможен только при непосредственной близости к источнику звука, часть
звукового поля, в которой давление и скорость сдвинуты по фазе на 90° С,
называют гидродинамическим ближним полем. Обозначение «гидродинамиче-
ское» должно подчеркнуть разницу с другими ближними полями, имеющими
иную природу (раздел 3.3.3). Кроме того, данное ближнее поле характеризу-
ется чисто гидродинамическим возвратно-поступательным перемещением
среды без сжатия-. Понятно, что ближнее поле имеет большее значение для
жидкостей, нежели для газов, причем оно ограничено областью, расположен-
ной иа расстоянии длины волны от источника.
Использование указанного выше метода подразумевает разложение лю-
бого процесса на чистые тона (составляющие Фурье). В этом случае полезно
понятие акустического импеданса Z". Используя уравнение (1.8), получим
р
Z ’ = — (дин-с-см-3 или Н-с-м-3). (1.9)
— и
Обычно импеданс является комплексной величиной. Кроме того, он зави-
сит, как правило, от частоты и места определения. Применяя (1.6) и (1.8)
для чистых тонов, получим
/=4"l22lReU/TH-rl- lRei£")- i1-10)
Для плоских и квазиплоских звуковых волн, например, при распростране-
нии звука в открытом пространстве на некотором расстоянии от источника,
выражение для импеданса принимает простую форму
Z" =pc/cos0, (1-П)
где р — плотность среды; с — скорость распространения звука; 0 — угол
между направлением распространения звука и соответствующими составляю-
щими скорости.
Если подставить в (1.7) значение из (1.11) и (1.10), то получим •
р= 2^7 jР1СО8е1К = 7г4 p2|coseds, (1.12)
где 0 — угол между перпендикуляром к элементарной площадке dS н на-
правлением распространения звука.
Если площадь интегрирования 5 охватывает полностью источник звука
(огибающая поверхность), т. е., если S, например, поверхность шара с цент-
ром, совмещенным с центром источника звука, то, зная значение звукового
давления, с помощью (1.12) можно определить суммарную излучаемую мощ-
ность. При этом должно соблюдаться условие об очень незначительном по-
глощении звуковых волн (их механическая энергия переводится в тепло).
14
Тогда согласно закону сохранения энергии вышеуказанное уравнение дол-
жно распространяться на любую замкнутую поверхность. В такой интерпре-
тации закон сохранения энергии запишется в виде
Р = I Ря Icos eds =-^7 $ (1.13)
Поскольку для всех огибающих поверхностей Sh интеграл имеет одина-
ковое значение, то p2hShcos 0 является постоянной величиной, т. е. квадрат
звукового давления убывает приблизительно обратно пропорционально пло-
щади, через которую передается звуковая мощность. Если указанные выводы
применить для распространения звука в трех пространственных координатах
(маленький источник в открытом пространстве), с учетом, что Sh'^R2 н
cos 0«1, то получим звуковое давление p^\/R\ для двух пространственных
координат (маленький источник на плоскости или протяженный- линейный ис-
точник в открытом пространстве) звуковое давление p^i/l/R и для одной
пространственной координаты (труба) звуковое давление р= const. В дру-
гих случаях, например при использовании источников с большой поверхно-
стью в открытом пространстве, подбирается огибающая поверхность, соответ-
ствующая закону распространения. Употребляющийся в уравнении cos 0 во
многих практических случаях может быть принят равным единице (15.2).
Звуковая мощность как характеристика источника довольно часто соот-
носится с механической или электрической мощностью Рт источника.' В этом
случае может быть введено понятие акустического коэффициента полезного
действия некоторые ориентировочные значения которого приведены
ниже:
Сирена!
без рупора 1-10-=
с рупором (3-7)-10-1
Диск, вращающийся со сверхзвуковой скоростью 2,5- J0-1
Трубка Шмидта (пульсирующий воздушный реактивный
двигатель) 2-10-2
Вентилятор в оптимальном режиме при давлении водяного
столба, мм:
Др < 25 I- ю-е
Др > 25 4Др-10-"
Шум истекающей струи:
при числе Маха М < 0,3 От 8 М3- 10-’
до 8 М’- 10_J
» » » 0,4 < М < 1 IM’- Ю-‘
» » » М>2 2-10-3
Винтовой самолет с двигателем мощностью 3200 л. с. на
стоянке 5-10“3
Небольшая газовая турбина:
шум всасывания 1- ю-‘
» выхлопа 1- 10-5
» от корпуса 1- ю-в
Мотоцикл с объемом цилиндров 250 см3 без глушителя . . . 1-10—3
Дизельн-ый двигатель (шум корпуса) с частотой вращения
об/мин:
800 : 4-10“7
3000 5-10"fi
Дизельный двигатель с газотурбонаддувом 1500 об/мин
(шум выхлопа) по-4
Приводы:
специального исполнения 3- 10“в
малошумные 2- 10-т
обычные 1- 10“6
плохие 3- I0-fi
Малошумный электродвигатель 2- 10-в
Обычный электродвигатель 2- 10-7
Электродинамический громкоговоритель обычного типа 5-10-’
Флейта, труба, саксофон (фортиссимо) 1- io-2
Гобой, флейта-альт (фортиссимо) 1- IO"3
Орган ]0-2 —IO"3
Человеческий голос 5- 10-‘
Гребной винт некавитирующий (подводный звук) . , . . IO"3—10"9
Гребной винт кавитирующий (подводный звук) L 10-7
15
Акустический КПД используется для приближенного определения звуко-
вой мощности, однако какой-либо информации о частотной характеристике
звука он не позволяет получить.
Звуковая мощность также выражается в уровнях. Уровень звуковой мощ-
ности Lp получим из выражения
Lp = 10 1g (Р/Ро) дБ, (1.13а)
где Ро~ 10~12 Вт —пороговое значение звуковой мощности для источников
воздушного звука.
Наряду с интенсивностью и мощностью также представляет интерес плот-
ность энергии W", характеризующаяся суммой кинетической и потенциальной
энергии на единицу объема:
'р*01’1 (114)
где [v(0|—абсолютное значение скорости (учтены все компоненты вектора
скорости); К~рс2 — модуль всестороннего сжатия среды.
Для плоских и квазиплоских волн из (1.11) и (1.14) следует
Г"« = р|»(0*|, (1-15)
причем если рассматривать интенсивность I перпендикулярно направлению
распространения, то
I = (1.16)
1.2.1.4. Скорость распространения звуковых волн, длина волны. Перечень
измеряемых величин будет неполным, если не указать еще некоторых вели-
чин, характеризующих распространение звука. Основная из них — скорость
звука с — уже упоминалась. Она характеризует скорость распространения
звуковых волн. Для амплитуд, обычно встречающихся в жидкостях и газах,
скорость звука практически не зависит от типа звукового сигнала и тем са-
мым от частоты. При точных исследованиях обнаружено, что в большинстве
случаев в среде возникают процессы релаксации, приводящие к незначитель-
ным изменениям скорости звука в зависимости от частоты. Эти явления
важны при точных исследованиях материалов, а в рамках настоящего спра-
вочника их влияние рассматривается как величина второго порядка.
Известно, что скорость звука зависит от плотности р и модуля всесто-
роннего сжатия К следующим образом:
с=УкГр- (1.17)
В жидкостях модуль сжатия и соответственно скорость звука в сильной
мере зависят от содержания нерастворенных газов. Например, в воде (при
атмосферном давлении) достаточно содержания одного промилле воздуха,
чтобы скорость звука снизилась приблизительно на 400 м/с.
Для газов К рассчитывается непосредственно из статического давления
Рст и, поскольку процессы протекают очень быстро, являясь адиабатическими,
из отношения удельных теплоемкостей х:
с = / xRT/p. (1.18)
Вторую формулу (1.18) получаем, подставляя уравнение состояния для
идеальных газов (Т— температура; R — газовая постоянная; ц — молекуляр-
ный вес). Примеры скоростей звука приведены в табл. 1.1 и 1.2.
16
Таблица 1.1. Скорость звука в различных газах
Газ Температура, м/с Р- кг/м3 рс, - кг/м2-с
Водород 20 1310 0,084 по
Гелий 20 1005 ОД 67 168
Кислород 20 326 1,34 437
Лист 20 337 1,17 394
1 Icon 20 446 0,84 375
Аргон 20 323 1,60 517
Хлор 20 213 3,01 641
Окись углерода 20 350 1,17 410
Углекислый газ 20 268 1,85 496
Сероводород 20 300 1,44 432
Двуокись серы 20 224 2,75 616
Метан 20 445 0,66 294
Ацетилен 20 327 1,10 360
Этилен 20 330 1,18 389
Водяной пар 130 450 0,54 243
Воздух 20 344 1,21 416
Таблица 1.2. Скорость звука в различных жидкостях
Жидкость с, м/с р, кг/м8 рс, КГ/М3'с
Ацетон 1190 790 94-104
Этиловый спирт 1150 790 91-Ю4
Метиловый спирт 1120 790 88-104
Этиловый эфир 1006 710 72-Ю4
Бензол 1326 870 115-Ю4
Бензин 1190 750 89-Ю4
Глицерин 1950 1260 246.104
Толуол 1325 866 11510*
Соляная кислота 1500 908 136-10*
Вода дистиллированная 1492 1000 149-Ю4
Примечание. Пересчет с в ависимости от температуры t, °C производится
по формуле J/ 1 -}- (/—20),'273. Для морской оды при темп ературе t, °C и
глубине d, м скорость с = 1449 4,6/ -- 0.055/2 4- 0,017с/.
Длина волны X рассчитывается исходя из скорости звука н частоты f
l = (1.19)
Она показывает, насколько велики область с постоянной фазой и рас-
стояние между узловыми точками при стоячих волнах. Определяемая по
(1,19) длина волны для заданной частоты является минимально возможной.
Если рассматривать звуковые волны, проходящие через плоскость под уг-
лом 0, то на этой плоскости длина следа волны c/(fcos0) не может быть
меньше значения, рассчитанного по (1.19).
Основные величины, характеризующие звук в газах и жидкостях, при-
ведены в табл. 1.3.
17
~ Таблица 1.3. Основные величины, характеризующие звук в. газах и жидкостях
Величина Обозна- чение Размерность С ГС | СИ Диапазон изменения Взаимосвязь с другими величинами Взаимосвязь для плоских и квазиплоских волн
Звуковое давление Уровень звукового давления Колебательная ско- рость звуковых волн Уровень колеба- тельной скорости Интенсивность зву- ка Звуковая мощность Частота Скорость распро- странения звуко- вых волн Длина волны Импеданс Примечание. Р L V I Р f X Z" Пересчет мкбар см/с эрг/(с-см2) эрг/с Гц см/с см мбар • с/см = = g/(C'CM)2 другие величины Н/М2 м/с Вт/м2 Вт Ги м/с м кг/(с-м2) см. в табл IO-3—103 мкбар = = Ю-4—Ю2 н/м2 0—140 дБ 5.Ю-8 —loo м/с 0—140 дБ 10-11—10° Вт/м2 Ю-12 —Ю5 Вт 16—16000 Гц 200—2000 м/с 0,02—20 м 2 приложения. t = 101g[p2/p2] ; Ро = 2-10-6 Н/м2 = 101g [о2/й§] ; о0 = 5-10“8 м/с I — pv P = SrdS с = У К/p: для газов с = У хР„/р = = У^Рг7р-, Z" = рЛ V = р cos 0/рс I = р2 cos 0/рс р = — f р2 cos QdS PC J Z” = pc/cos fl
1,2,2. Звук в твердых телах (звуковая вибрация)
1.2.2.1. Различные типы волн. Звук в твердых телах, называемый
ТАКже звуковой вибрацией, отличается от звука в жидкостях и газах тем, что
В твердых телах возникают сдвиговые напряжения и деформации. Поэтому
образуются не только волны сжатия, как это характерно для газов и жид-
костей, но и волны сдвига или комбинации тех и других. Поле звуковых виб-
раций не может быть описано, в отличие от звукового поля в газах и жид-
костях, с помощью скаляра (звукового давления) и вектора (скорости).
Для этого, как правило, требуется вектор (скорость) и тензор (напряжение).
Чтобы как-то обойти вызванные этим затруднения, одни типы чаще всего
Встречающихся на практике волн рассматривают независимо от других, а пе-
реходы между отдельными типами, которые в принципе возникают при каж-
дом случае неоднородности, прерывистости, дискретности (например, свобод-
ная поверхность/ угол, изменение сечения) рассматриваются отдельно. Ос-
новные типы волн приведены в табл. 1.4, а данные о свойствах материа-
лов — в табл. 18.6.
Чистые продольные волны (волны расширения). Эти волны родственны
волнам в газах и жидкостях, поскольку здесь частицы смещаются в направ-
лении распространения волн и не возникают сдвиговые деформации. Про-
дольные волны представляют интерес лишь тогда, когда исследуемое тело
яначительно больше длины волны. Поэтому их рассматривают преимуще-
ственно в связи с ультразвуком (скорость распространения см. в табл. 1.4).
Чистые поперечные волны. Возникновение этих волн сопровождается по-
явлением только сдвиговых деформаций, но не изменениями объема; направ-
ление смещений частиц перпендикулярно направлению распространения волн.
Чистые поперечные волны наблюдаются в очень больших телах и в круговых
цилиндрах при соответствующем возбуждении (скорости распространения
см. в табл. 1.4). Из основного уравнения теории упруго»*™ следует, что каж-
дое волновое движение в твердых телах может быть представлено в виде
суммы чистых продольных волн (свободная от вращения составляющая) н
чистых поперечных волн (свободная от расширения составляющая). На прак-
тике некоторые комбинации этих двух типов волн имеют собственные наиме-
нования. Основные три комбинации приведены ниже.
Волны растяжения — сжатия, или квазипродолъные. Если волны распро-
страняются в стержне вдоль его оси, то вследствие поперечного сжатия воз-
никают смещения, перпендикулярные направлению распространения, что при-
водит к тому, что скорость их понижается по сравнению со скоростью чи-
стых продольных волн (табл. 1.4). Это различие рсобеино важно для резины
It аналогичных материалов. Главная измеряемая величина — колебательная
Скорость в направлении распространения, в большинстве случаев характери-
зуемая ее уровнем. В случае действия силы F в том же направлении полу-
чается мощность P=Fv. При очень длинных стержнях P=pcnSo2=?2/pcnS,
где S — поперечное сечение стержня.
Изгибные волны. Для технической акустики наиболее важны изгибные
волны в стержнях и пластинах. В этом случае смещения частиц перпенди-
кулярны направлению распространения и поверхности пластин. Изгибные
полны в наибольшей степени способствуют звукоизлучению. В Лличие от
других упомянутых типов волн скорость распространения изгибных волн за-
висит от частоты (табл. 1.4 и рнс. 1.2). Поэтому наиболее простые выраже-
ния для мощности действительны только при синусоидальном возбуждении.
Если F поперечная сила и М изгибающий момент, то мощность
Р = Fc>-b AT© = 2cnSW", (1.20)
где S ~ площадь поперечного сечения, через которую передается мощность.
Дальнейшие подробности об изгибных волнах см. в разделе 18.
Крутильные волны. При исследовании материалов и в некоторых других
случаях имеют значение крутильные волны в стержнях (табл. 1.4).
19
Таблица 1.4. Основные типы волн в твердых телах
Тип волны Форма колебаний Скорость распро- странения Диапазон скоростей. Му с 3 и к 3 » Й.И - я g ф а О S 2 » Мощность Примечание
Чистая продольная волна (в очень больших телах) Чистая поперечная волна (в очень больших телах и круговых цилинд- рических стерж- нях) Сжатие-растяжение (в стержнях) Изгибиые волны (в стержнях и пластинах) Крутильные волны (в стержнях) Волны Рэлея (на свободных поверх- ностях) Примечание, для тонких стержней с пластины, дли однородт родных прямоугольных ГШЛИШШХ {дащщшэшэ 2 — модуль упругости. Заме; < 0,4 действительно G = Е/ ых пластин толщиной кВ — стержней толщиной h и ши V Р(1-2|л) ст=/57р с„ = V Е/р с„ = у' шгВ/т" 4 си = у uB'lm' t?^^0,92cy енный на соответствую (2 + 2ц); р — плотность Г/13;12 (1 — ц!); т' — ма иной b В’ = Ebh3!l2; 1000—5000 500—3500 От 50 (резина) до 5000 (металл) 0—1500 0—3000 щем стержне; т" — масса ха на единиц — крутильная V V V, (О со V — моду та едини у длины жесткое Как в воз- духе Р = 7U Р — 2cum'v2 Р — Мео ь сдвига; ц — ду площади; £ В' — изгибиа ть, 0 — момент Основные типы, из которых форми- руются все дру- гие типы волн ' Уравнения действи- тельны для диа- пазона f < Cn/6/l Уравнения действи- тельны для диа- пазона f < Сп/20/t Для круговых ци- линдров ск = ст Лишь для / S Сп/20/t коэффициент Пуассона; — изгибная жесткость я жесткость; для одно- ниерции масс.
Рис. 1.2. Скорость Си (кривые от 1с до 6с) и длина
изгибных Ли (кривые от 16 до 6д) в однородных
пластинах из различных материалов (а). Фазовые ско-
рости волн Сф в однородных плоских пластинах толщи-
ной h из материала со скоростью поперечных волн ст
и коэффициентом Пуассона |л==0,47 (б).
1 — скорость звука в воде; II — скорость звука в воздухе; 111 —
граница достоверности.
/ —сталь, • алюминий; 2~ стекло; 3 —латунь и тяжелый бетон;
4 — кирпич и фанера; 5 — легкий бетон, гипсовые плиты плек-
сиглас; 6 — свинец.
То— иэгибная волна, переходящая в волну Рэлея, Ц — волна
сжатия—расширения.
Волны Рэлея. Это поверхностные волны, т, е. волны, амплитуда которых
экспоненциально убывает от свободной поверхности в глубь тела. Они воз-
никают только при высокой частоте и в телах с большой толщиной. Особен-
ность их заключается в том, что на высокой частоте они имеют минимально
возможную фазовую скорость распространения.
Из других основных величин следует упомянуть импеданс и его обрат-
ное значение — адмнтанс (полную проводимость), которые, как и для воз-
душного звука, определяются отношением амплитуд при периодических про-
цессах. Поскольку поле звуковой вибрации характеризуется несколькими ве-
личинами, существуют различные механические импедансы. Основные из
них —импеданс по силе ZF (просто импеданс) и импеданс по моменту ZM,
которые определяются формулами:
F _ М
Л ’ ZM
V (О
(1.21)
Следует иметь в виду, что_2г,_2м н также Z" имеют различную размер-
ность. Произведения величин, входящих в (1.21), определяют значение мощ-
ности. Поэтому импедансы особенно важны при определении мощностей
(подраздел 18.2 и табл. 18.3).
1.2.2.2. Звуковая усталость конструкций. В ракетах, самолетах, в высоко-
нагруженных насосах некоторых типов и вентиляторах сравнительно легкие
элементы конструкций подвергаются воздействию очень высокой звуковой
энергии. Вследствие этого в материале конструкций возникают высокие зна-
копеременные нагрузки, которые из-за большого числа циклов нагружения
(например, в течение 3 ч при частоте нагружения 100 Гц число циклов дости-
гает 106) могут привести к образованию трещин и даже к разрушению кон-
струкции.
В этом справочнике вопросы звуковой усталости подробно не рассматри-
ваются; приводятся лишь основные понятия н ссылки на специальную лите-
ратуру [12, 19].
Для определения звуковой усталости самыми важными величинами яв-
ляются напряжения аЯ) которвге не должны превышать специфичного для
каждого материала предельного значения (для стали н алюминия предельные
значения в зависимости от состава и обработки составляют примерно
10 кгс/мм2» 108 Н/м2). При нерезко отклоняющихся от определенного уровня
нагрузках напряжения ож определяются по формулам:
для волн растяжения — сжатия
= (1.22а)
для изгибных волн
(1.226)
где Е — модуль упругости; | — смещение; у — расстояние от нейтральной
плоскости.
При расчетах напряжений рекомендуется различать три случая:
1. Если частота возбуждения находится ниже основного тона собствен-
ной частоты конструкции, то напряжения рассчитывают так же, как при ста-
тическом нагружении,
2. Если конструкция возбуждается шумом и преимущественно возбуж-
дается самый низкий резонанс, рекомендуется определять напряжения таким
образом, как если бы речь шла о статическом нагружении (например, рассмат-
ривать звуковое давление в третьоктаве или октаве, содержащей первый ре-
зонанс, как равномерно распределенное давление), а затем полученное та-
ким образом «сглаженное» напряжение умножать на коэффициент
Ynfi/SAfn. где fi — резонансная частота; Af — ширина полосы возбуждения
SS
Двуковым давлением (как правило, третьоктавная или октавная); г|— коэф-
фициент потерь энергии колебаний (табл. 18.6).
3. Если движение определяется несколькими резонансами, то можно рас-
считать напряжение из максимальных скоростей V, возникающих в близле-
жащих областях
ох & pc^Kv,
где К—1 для волн растяжения — сжатия и /(=1,4—1,7 для изгибных волн.
Влияние возможных надрезов в конструкциях или дополнительных ста-
тических нагрузок нужно учитывать отдельно.
1.3. ОСНОВНЫЕ УРАВНЕНИЯ
д‘1Я .
df ’
1.3.1. Звук в воздухе и в жидкостях
Основные уравнения для описания звукового поля в однородной
неподвижной среде выводятся из закона Ньютона, причем применительно
к небольшим объемам жидкости или газа, т. е. в первом приближении, запи-
сываются:
др дих д^х , др диа
дх dt др * ду dt
др dt>2
дг '01 Р dfl '
(1.23а)
С учетом взаимодействия между увеличением давления
объема эти уравнения принимают вид
и изменением
Р =
или
(1.236)
по t, то по-
(1.23в)
др _ _ „ / дох . дв„ дрг \
dt \ дх ду дг j
где К—модуль всестороннего сжатия.
Если продифференцировать (1.23а) по х, у или г, а (1.236)
лучим волновое уравнение
эзр , = д„ 1 д2р
дх2 ду2 + dzz Р с2 др ’
где со=уК/р — скорость звука.
Для многих проблем, особенно для определения излучения или рассеива-
ния, удобно преобразовать волновое уравнение в форме (1.23в) с помощью
уцдвнения Грина в интегральное уравнение. В результате лучше будет прояв-
ляться влияние начальных и краевых условий. Интегральное уравнение имеет
следующий вид:
р dvs(t-rha)
Р (х, У, г, t) =--
4л J ( г dt
дг Г 1 , 1 dp^lt — rjcA 11
“77 L + V ~~д/ J |dS-
Как видно, звуковое давлений можно рассчитать в любой «начальной
точке» с координатами х, у и z и в любое время /, если известны переменное
давление и нормальная составляющая скорости vs каждого элемента dS
(1-24)
23
граничной поверхности в более раннее время (t—г/со), где г — расстояние от
соответствующей' начальной точки до элемента dS, д/дп — производная
в - нанравлении, перпендикулярном к граничной поверхности. Граничная по-
верхность, которая может состоять нз ряда элементов, должна полностью ох-
ватывать начальную точку, при этом она может частично лежать в беско-
нечности.
Вышеприведенные формулы можно упростить, если учесть, что времен-
ная зависимость p(t) может быть с помощью преобразования Фурье сведена
к частотной зависимости:
+°°
£(«)= f (1.25)
Для таких частотных зависимостей с помощью вышеприведенных фор-
мул получаем: з
лр(и)+4-р<ш>=°’ с-26»
с0 “
1 Г Г е~
у, Z, ш) = — J I/®pos (®) —-------1-
+ —~г—Jds- I1-27»
Отметим, что (1.24) и (1.27) не являются единственно возможными ин-
тегральными выражениями. При определенных условиях функция Грина мо-
жет быть выбрана таким образом, что один из двух интегралов исчезает. Тем
самым можно описать звуковое поле с помощью так называемых собствен-
ных функций (подраздел 1.8).
Если с помощью одного из вышеприведенных уравнений рассчитали ча-
стотную зависимость, то с помощью обратной трансформации можно полу-
чить временную зависимость
1 +°°
Р(0 = -^- f (1.27а)
Уравнения (1.23) —(1.27) позволяют не только рассчитать многочисленные
звуковые процессы [14], но и сделать некоторые общие выводы, основные из
которых следующие:
а) звуковые сигналы распространяются, не изменяя своей формы, с по-
стоянной скоростью;
б) возможны акустические опыты на моделях с учетом принятых ранее
допущений (однородная, установившаяся среда). Все размеры уменьшаются
в определенном масштабе и соответственно укорачивается время, т. е. повы-
шается частота. Испытания на модели для определения временных и частот-
ных зависимостей относительно просты. Сложнее реализовать подобие вели-
чин звукового поля и энергетических величин. "Хотя соотношение звукового
давления и колебательной скорости модели согласуется с натурным, однако
в (1.23) и в (1.24) не учитывается поглощение энергии и в модельных ус-
ловиях не достигают обычно нужного подобия величин звукового поля [17];
в) в рамках принятой теории (установившаяся среда и уровни звукового
давления до 130 дБ) применим принцип суперпозиции. Отсюда также сле-
дует, что звуковые волны при соответствующем соотношении амплитуд и
фаз могут взаимодействовать так, что в определенных областях звуковое дав-
ление исчезает (интерференция, «антизвук»);
г) действует принцип взаимности. Если единственный источник энергии
в звуковом поле.представляет собой небольшой шар в точке Д, поверхность
24
ОТОрогО периодически уменьшается и увеличивается (монополь), то в любой
Точке В создается звуковое давление р. Если перенести источник звука
О точку В, оставив все остальное без изменений, тогда в точке А возникает
такое же звуковое давление, как ранее в точке В. То же самое получается,
вели единственный источник энергии, представляющий собой небольшой шар
В точке А, совершает возвратно-поступательное движение в определенном
Направлении (диполь).-Это создает в точке В скорость v. При замену точек
4 И В, аналогично вышеприведенному случаю, в точке А появляется скорость
V при условии, что шар в точке В колеблется в том направление, в котором
ранее фиксировалась скорость. Аналогичные рассуждения могут быть распро-
странены на квадруполи и другие простые источники. Принцип взаимности
действует для любых граничных условий, если отсутствует поток среды.
Уравнения, приведенные выше, применимы при условии, что среда нахо-
дится в состоянии покоя н что ограничивающие поверхности не меняют
своего положения (последнее не распространяется на малые колебания со
скоростью оа).
Требование неподвижности ограничивающих поверхностей можно исклю-
чить, если преобразовать интегралы (1.24) и (1.27).
Чтобы учесть влияние потоков, особенно на возникновение звука, необ-
ходимо дополнить исходные уравнения (1,23а) и (1,236). Следуя Лайт-
хиллу [7], можно получить
3
= (1-28)
Tij есть тензор Лайтхилла, главным членом которого является
= рЩ Uj + р (^1 - ~difl
(1.28а)
где (Л, l/j-—составляющие скорости потока; со — скорость звука в спокой-
ной среде, с — локальная скорость звука, которая определяется воздействием
потока и тепла; — символ Кронекера, равный 0 при i=£j.
Если преобразовать (1.28) по типу (1.23) в интегральное уравнение,
получим
₽(*! Хг, Х„
1 02 С 1 1 р
Tdl/ + -JT.P
V s
x -7dS + ^7 Jtflt7iOn ~dS-
s
d[vnl
dt
(1.29)
Для упрощения здесь использовано условное суммирование, т. е. по оди-
наковым индексам. Кроме того, символ [...] обозначает, что соответствую-
щую функцию нужно относить ко времени t—rjct,, Л—это давление, воздей-
ствующее на среду, Ui — составляющие скорости потока на граничных по-
верхностях и ип— нормальная составляющая скорости ограничивающих по-
верхностей. Принимается, как н ранее, что бёз учета ип ограничивающие
поверхности неподвижны. Другие случаи, например излучение вращающихся
Винтов, рассмотрены в [5].
Как видно, для точного определения шума потока нужно знать тензор
Лайтхилла, силу и давление, действующие на граничных поверхностях,
25
а также движение на них. К сожалению, этого никогда не достичь в пол-
ном виде, в связи с чем точные расчеты шума потока удаются очень редко.
Однако из (1.29) можно вывести некоторые важные закономерности
о зависимости шума потока от различных параметров:
а) если поток не обтекает твердого тела (например, свободный турбу-
лентный поток), то оба интеграла по поверхности исчезают и остается только
интеграл по тензору Лайтхилла. Если далее предположить, что речь идет
о компактном источнике, когда когерентная длина турбулентности значи-
тельно меньше длины звуковой волны, то (1.29) позволяет определить квад-
рупольное излучение, зависимость которого можно принять по табл. 8.1;
б) если поток обтекает твердое тело, то переменная скорость vn на гра-
ничных поверхностях исчезает. Кроме того, можно пренебречь интегралом по
объему для многих потокопроводящих устройств, диапазон скоростей кото-
рых 20 м/с<£/<150 м/с, так что остается лишь «часть переменной силы»
третьего интеграла. Эта часть при компактных источниках образует диполь-
ное излучение, которое возникает в результате действия гидроаэродинамиче-
ских переменных сил, например, при завихрениях или неравномерном ис-
точнике;
в) если скорость на граничных поверхностях значительна (например, при
пульсирующих истечениях), то главенствующую роль принимает второй ин-
теграл, который при компактных источниках позволяет получить монопольное
излучение.
Помимо трех вышеприведенных источников шума потока в случае пере-
мещающихся источников каждое ускоренное движение является источником
шума.
1.3,2. Звуковая вибрация
Основные уравнения для изотропной упругой сплошной среды
имеют вид (обозначения см. в табл. 1.4):
/1 \ д*и
G(At|+ t grad.divtij = р — . (1.30)
Если вектор скорости разделить на две компоненты — не расширяю-
щуюся и не имеющую вихрей, тогда
0 = 2^iS ™ ; 0ДШ = р^. (1.31)
1 — 2р. j dt* dt*
Эти уравнения характеризуют разделение звукового поля на продольные
я поперечные волны; в них d==di^v — временное расширение, а со=—roto—
вектор угловой скорости.
Поскольку (1.30) и (1.31), за некоторыми исключениями, решить очень
сложно, а встречающиеся в практике конструкции являются в основном
стержнями и пластинами, то для расчета звуковой вибрации применяется
почти исключительно уравнение изгибных волн однородных тонких
пластин
(1-32)
Для стержней используется уравнение волн растяжения — сжатия
Е д*у д2и др
дх* Р dt* ~ dt ’
(1.32а)
где р—внешнее переменное давление.
26
Основные выводы из вышеприведенных уравнений следующие:
а) при звуковой вибрации действует принцип суперпозиции (на прак-
тике отклонения встречаются лишь у сильно нагруженных деталей из поли-
мерных материалов);
б) звуковой вибрации присуща закономерность подобия при моделиро-
вании, если G и ц, равно как и не упоминавшееся до сих пор поглощение,
нс зависят от частоты. Принципы моделирования те же, что и для воздуш-
ного звука, в связи с чем могут моделироваться случаи комбинированного
воздействия воздушного звука и звуковой вибрации;
в) при звуковой вибрации действует также принцип взаимности, выра-
жаемый в следующей форме: если сила F приложена в точке Д, а в точке В
возникает скорость и, то эта сила, будучи помещена в точке В, порождает
скорость v в точке А. Направления силы и скорости должны быть оди-
наковы;
г) распространение звуковой вибрации, как правило, происходит с иска-
жениями. Более того, возможно появление ряда фазовых скоростей.
На рис. 1.2 внизу приведены расчетные фазовые скорости для синусои-
дального возбуждения в зависимости от нормированной толщины пластин и
частоты. Поскольку фазовая скорость зависит от частоты, она также отлича-
ется от групповой скорости.
1.4. ИЗЛУЧЕНИЕ
1.4.1. Звук в воздухе и в жидкости
Для «точечного излучателя», т. е. малого тела, объем которого
изменяется во времени (например, пульсирующий пузырек газа в воде), на
основании (1.24) излучение в бесконечную среду равно:
pS д р д
р{х‘ () = 4^^r°s(^r/c) = qS7^r’('-r/c)- <L33)
где S — поверхность тела; г—расстояние между источником и точкой изме-
рения: Я — объемный поток.
При чисто периодическом движении следует пользоваться (1.27). В ре-
зультате получаем
р_ (х, у, 2, to) = fo^- (со) e~lkr = £ (о) e~,’kr, (1.33а)
где k=mlc—2л/Х—волновое число.
Другим важным источником звука является диполь. Типичный диполь —
это маленький шар радиусом а, который совершает возвратно-поступательное
/1вижение как целое с радиальной скоростью ог==и0со5 0. Если шар невелик,
го звуковое давление рассчитывается по (1.27) и имеет следующий вид:
р (г, 0) =---------2ла3р cos 0 fl + ----} e~~ikr. (1.34)
- 4nrc -и \ jkr j
Точный анализ показывает, что объем 2ло3 есть сумма вытесненного
4ла3/3 и гидродинамически связанного 2ла3/3 объемов’ Отсюда понятно, что
любое малое, имеющее возвратно-поступательное движение тело излучает
звуковое давление согласно выражению
0) = ^4^ +-1-) е-»', (1.35)
где Ук — вытесняемый телом -объем; — гидродинамически связанный
объем.
27
Для цилиндров гидродинамически связанный объем имеет то же значе-
ние, что и объем цилиндра. Для тонкого диска толщиной h и радиусом а
(a^h) при движении вдоль оси Ун = 8/3а3[1 — (4—л)/1/8а]. Зачастую изве-
стно не движение тела, а переменная сила F, вызывающая это движение.
Поскольку переменная сила работает против массы тела тц и против вме-
сте с ним колеблющейся массы рРн, то /г=/соУо(^к+р1/н). Таким образом.
Р (г,
0) = /о
р cos 6 Л_______1_
тк + pVH — 4пге ( Т jkr
(1.36)
Если рУн>рУк н рУн>тк, что характерно для тонких дисков, находя-
щихся в воде, то (1.36) принимает вид
Р (г, 0) = F со80 fl + ) е !kr.
— 4nrc — \ tkr
(1.36а)
Ниже приведены другие варианты формул для звукового давления, ра-
диальных составляющих скоростей, излучаемой мощности и сопротивления
излучения (соответствующие данные см. также в разделе 18.5).
/cof
I, Шар радиусом а, пульсирующий со скоростью
р (г) = 4л As0 е- /Hr - -> + /»/ ,
/(Вр4ла8
-s= 1 + jka ’
рс
Р —------4ла2
2
йаа3 2
T+w--50’
l + fe2a2 '
2. Жесткий шар радиусом а. колеблющийся как целое со скоростью у5= v^qcos^
[для других малых тел действует уравнение (1.35)1.
a) ka<l
р(г, 0) = - 2nd?vso cos 0 (1 + е- /‘г + /®' ;
- -ьо 4лгс \ jkr /
б) ka»l
2ла3 ла2 ,, ,
zs х jap ---1- рс —Ь‘а‘;
Р^_Р^4ла» ;
2 2 12 4
р(г, 0)^p^socos0-^e-^(r-o> + ^ ;
Zs 4лагрс;
Р^-^4ла^
2 2
2 .
а“ 3
2
3 ’
28
3. Цилиндр радиусом а, длиной пульсирующий со скоростью v —
v tint . ~Sr
’ 5t)
P (г, Ф) — nka ~ nka ?SO X
* 1 / ? — fcr — /Л/4 4- jat .
V nkr
P = 2jiofti^0 (яйа/2);
a = nka/2;
6) ka>>l ______
. . 1 / a — jk (r — a) 4- /<al .
p(r, ty = pcvSQ у ~e ,
P — 2лй1г)^0; g = 1.
-1. Жесткий цилиндр радиусом а, длиной /(/£>>>100), колеблющийся как целое
ГО скоростью J^s=^soc°s
р (г > ф) —-------.3. РС yso cos фЯ((2) (kf) eial ~
~ ~n.^a2pc t, cos ф }/~^~ е~ ft' - sin/i + ;
2 -s“ V nkr
п pc . , aS0 nksas .
P = 2nd/ —-----------------— , a = nk3a3/2;
б) /га>>1 ___
p {r; Ф) = pCT»S0 COS Ф (r~ a) + ;
p=_pL2iw(J1l; o = 1.
2 2
fi. Жесткий диск радиусом а, колеблющийся как целое в акустически жестком эк-
pein’. Для r<a =2,50« для г > a = 0:
/сора uSo (Ааsin 9) iat < \
p{r, 0) ----------е ——----------- e,at (дальнее роле),
г ka sin 0
Zs = na3pc 1------“ f sin (2ka cos a) sin3 ada J ;
P = na2O50 [1 — (2ka)/kfl\.
П p и м e ч а н и e. Радиальная составляющая скорости
dp
= (//cop) — .
29
Сопротивление -излучения Zs определяется как отношение суммарной
силы, действующей на источник, т. е. f pdS, к скорости источника. Знание со-
противления излучения важно, если источник обладает конечным внутренним
сопротивлением Zi.
В таком случае
P = -i- ?sRe(Zs + Z() или P = ±F2Re{Zs + ?().
Это означает, что упругое внутреннее сопротивление может значительно
влиять на звуковое излучение, поскольку вблизи определенной частоты ком-
пенсируется часть инерциального сопротивления излучения.
Если в звуковом поле имеется ряд малых, неблизко расположенных
один к другому источников, то можно, используя принцип суперпозиции, сло-
жить отдельные звуковые давления и получить суммарное звуковое поле.
Для больших источников звука этот расчет значительно сложнее, поскольку
источник не только излучает звук, но и влияет на звуковое поле [следует
также учитывать второй член интеграла (1.27)].
Важным специальным случаем является такой, при котором второй член
интеграла (1.27) может не учитываться. Он характерен для плоских излуча-
телей в акустически жёстком экране. В этом случае выражение (1.27) при-
нимает вид [10]
С e~ikr
р(х, у, г, ш) = -®- J os (ю) -у— AS. (1.37)
Данное уравнение, где г — расстояние от соответствующей элементар-
ной площади dS до рассматриваемой точки, позволяет рассчитать звуковое
поле для плоских излучателей с произвольным распределением колебаний,
Уравнение (1.37) можно упростить, если ограничиться дальним полем, т. е.
областью r>ka2. В этом случае
р(г, ф. 0)= у, ffl)ys=osVsl»<>* dzdy, (1.38)
где г, <р, 0 — полярные координаты рассматриваемой точки при условии, что
начало координат помещено в «середине» источника: х, у —декартовы коор-
динаты в плоскости излучателя.
Уравнение (1.38) пригодно для определения характеристики направлен-
ности громкоговорителей и т. п.
Можно получить интересный результат, если скорость в (1.38) предста-
вить в виде пространственного преобразования Фурье. Для дальнего поля ре-
шающей является лишь часть спектра волнового числа, а характеристика на-
правленности пропорциональна пространственному преобразованию Фурье.
Во многих случаях принято излучение источника с заданным распределе-
нием скорости выражать коэффициентом излучения
где S — поверхность излучения; v2— среднее значение квадрата скорости (из-
меряется перпендикулярно к поверхности излучателя).
О коэффициенте излучения о можно сказать следующее:
а) если колебания источника снцфазны в областях, размеры которых
больше длины звуковой волны в воздухе, т. е. «длина волны» излучателя
больше длины звуковой волны (протяженный источник), то а₽*#1;
б) если длина «волны излучателя» и длина звуковой волны приблизи-
тельно равны, тогда а может быть несколько больше единицы (редко больше
пяти);
30
в) если колебания источника синфазны лишь в ограниченных областях,
т. е. «длина волны» излучателя или его размеры меньше длины звуковой
волны (малый источник), то а<1.
В качестве практического вывода для снижения шума предпочтительно
источники шума делать по возможности небольшими, а области противофаз
располагать как можно ближе одна к другой (диполь вместо монополя, квад-
руполь вместо диполя, перфорированная пластина вместо монолитной
и т. д.). Дальнейшие пояснения см. в разделе 18.5.
Иногда звукоизлучение можно снизить за счет размещения дополнитель-
ного источника звука («антиисточника») с противоположной фазой в непо-
средственной близости от имеющегося источника.
В отличие от этого для- излучения высокой энергии следует применять
источники, размеры которых должны быть больше длины звуковой волны,
Следует избегать гидродинамического коррткого замыкания (например, ис-
пользовать акустический экран для громкоговорителей).
1.4.2. Звуковая вибрация
Излучение звука — появление звука в воздухе или в жидкости
под воздействием определенных движений и сил. В области звуковых вибра-
ций проблема аналогична — возбуждение колебаний в твердом теле под воз-
действием внешних сил и движений. Общая теория этого вопроса разрабо-
тана в меньшей степени, чем для воздушного звука. Однако для некоторых
типов волн существуют общеупотребительные выражения. На практике к наи-
более важным следует отнести возбуждение нзгибных волн в пластинах,
В этом случае внешнее распределение давления в форме р(х, у) приводит
к распределению скоростей в виде [12]:
?(*»• (1-40)
К г л.ккг j
где £(х0, уо) — скорость в начальных точках х0 и yo;r = V(х—х0)2 -J- (у—у0)2—
расстояние между начальной н рассматриваемой точками; ZK = 8У~Вт—
входной импеданс пластины; £и = (а)2т"/В) */«— волновое число изгиб-
ных волн.
В случае возбуждения бесконечной пластины периодической сосредото-
ченной силой F выражение (1.40) заменяется на v=FIZk.
Если пластина не бесконечна, уравнение (1.40) также применимо, по-
скольку по кромкам, на опорах, на разрывах непрерывности и т. д. возни-
кают дополнительные переменные силы, которые следует учитывать в выше-
приведенных уравнениях. Сложность заключается в том, что дополнительные
силы зависят от^(хо, уо), т. е. (1.40) превращается в интегральное уравне-
ние, решение которого является непростой задачей.
1.5. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА
В однородной бесконечной жидкой или газообразной среде звук
распространяется без искажений, с постоянной скоростью. Это означает, что,
зная излучающие свойства источника [уравнения (1.33) —(1.38)], можно опи-
сать звуковое поле во всем пространстве. На практике, однако, среда, в кото-
рой происходит излучение, не всегда однородна и никогда не бесконечна,
т. е. следует-учитывать другие эффекты (преломление, рассеяние, отражение,
поглощение).
1.5.1. Преломление
Преломление возникает при непостоянстве скорости звука. Наи-
более частая причина его возникновения — колебание температуры и
изменение ветра.
31
Если среда не меняется, то изменение скорости звука весьма незначи-
тельно. Влияние преломления заметно лишь тогда, когда расстояние между,
источником и приемником большое.
Строгая теория распространения звука в неоднородной среде весьма
сложна (2], н поэтому в большинстве случаев довольствуются расчетом «зву-
ковых лучей», т. е. предполагают, что на определенном расстоянии и при
определенной длине волны скорость звука изменяется незаметно. С учетом
этого можно применить принцип Ферма о иаикратчайшем времени пробега
или закон преломления Снелиуса. Закон говорит о том, что так называемая
длина следа волны X/sin 0 не зависит от среды, так что
с,
sin 03 = — sin 0.
(1.41)
Таким образом, звуковая волна, падая из среды, характеризующейся ско-
ростью звука ci, под углом 01, попадая на плоскую граничную поверхность
другой среды, характеризующейся скоростью звука с2, движется в другой
среде под углом 02. С помощью (1.41) можно объяснить различные эффекты
(теневые зоны, каналы распространения), которые встречаются при распро-
странении звука на большие расстояния и в морской воде [18] (раздел 14).
1.5.2. Рассеяние
В том случае, когда звуковые волны при их распространении
встречают препятствие, попадающая на препятствие звуковая энергия (па--
дающая энергия) частично отклоняется в разных направлениях. Если пре-
пятствие очень велико, то процесс называют отражением, если препятствие
мало, тогда говорят о рассеивании. В принципе процесс отражения или рас-
сеивания можно рассчитать с помощью интегрального уравнения (1.27) при
условии, что известно соотношение между звуковым давлением и скоростью
на поверхности рассеивающего тела. Можно обнаружить: маленькое (по
сравнению с длиной волны), тело-препятствие влияет на звуковое поле та-
ким образом, как если бы на его месте-находились монопольный и диполь-
ный источники звука. Этот метод применим для любых препятствий,
т. е. можно заменить-тело источниками звука, характеристики которых вы-
браны так, что на их поверхности соблюдаются граничные условия.
Ниже приведены рассчитанное для ряда случаев по указанному прин-
ципу распределение по направлениям рассеянной энергии и так называемое
сечение рассеяния Sq, которое определяется по формуле
где Pg — рассеянная мощность.
Рассеяние на геометрически простых телах
Малый жесткий шар
Большой жесткий шар
Малый жесткий цилиндр
p2s = p?nk3a4 (1 — 2 cos 0)/8r.
Сечения рассеяния Малый акустически мягкий шар Малый акустически мягкий цилиндр л2а
Sq — 4ло2. 4 ka In2 (1/fea)
Малый жесткий шар Малый жесткий цилиндр
Sq = -WaW. Sq = №ksc№.
Большой шар Большой цилиндр
Sq = 2ла2. Sq = 4а.
Малый акустически мягкий диск
Sq к 2ла£ ‘М \ л2 9л2 /
Малый акустически жесткий диск Sq Ъ 1 ,6М6.
Малый резонатор на резонансной частоте
Sq = 4л/й2.
Здесь —звуковое давление падающей волны; Pg — звуковое давление рассеянной
волны на расстоянии г под углом 0; а — радиус.
Примечание. Для больших тел сечение рассеяния равно удвоенному сечению
тела. Половина рассеивающейся энергии рассеивается в обратном направлении (отра-
жается), другая половина в результате наложения (суперпозиции) падающей волны об-
разует тень.
Для малых жестких тел сечение рассеяния пропорционально (а/Х)4 и
веегда меньше геометрического сечения тела. По этой причине малые акусти-
чески жесткие тела, даже когда их много (например, пыль или туман), не
оказывают сильного влияния на распространение звука, в то время как ма-
лые акустически мягкие тела (например, пузырьки газа в воде) из-за боль-
шего сечения рассеяния влияют на распространение звука значительно силь-
нее. Для больших тел распространение рассеянного звука по направлениям
и образование теневых зон зависит от формы тела. В таких случаях говорят
не о рассеянии, а об отражении (подраздел 1.6).
Когда препятствие находится вблизи источника звука с незначительным
излучением, то оно может существенно повлиять на звукоизлучение. Это
характерно, например, для источников шума потока (пропеллер, турбулент-
ные свободные струи и т. д.) с ярко выраженным ближним полем.
Хотя внутри подобных ближних полей наблюдаются значительные пере-
пады давления и скорости, но среда при этом почти не сжимается, в связи
с чем звукоизлучение незначительно. Если в ближнем поле находится рассе-
ивающее тело, то оно представляет собой как бы дополнительный источник
звука, интенсивность которого зависит от силы ближнего поля, т. е. не от
мощности источника. Поэтому вполне возможно, что звуковая мощность рас-
сеивающего тела будет значительно больше мощности собственно источника.
1.6. ОТРАЖЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
Когда звуковые волны попадают на большое плоское или почти
плоское препятствие (препятствие с радиусом кривизны значительно боль-
шем, чем длина звуковой волны), тогда звуковые волны отражаются подобно
свету.
2 Заказ № 740 33
В наиболее простом случае звуковые волны имеют плоский волновой
фронт. При этом образуется плоская отраженная волна, амплитуда которой,
однако, отличается от амплитуды падающей волны. Отношение амплитуд
волн называют коэффициентом отражения Р (рис. 1.3). Коэффициент
— %" № — pc/cos о
“ Z" (0)+pc/cos0 ’
4 Re \Z" (0)1 pc/cos 0
a _ j __ I #s i--------------------------------------- /i 43i
1 {Z" (0)} + pf/cosO]3 (O)}]3 ’
где Z" (0) — нормальный импеданс, т. e. комплексное отношение звукового
давления к нормальной компоненте колебательной скорости граничной по-
верхности; 0 —угол падения волны на граничную поверхность; а —коэффи-
циент поглощения, т. е. отношение неотраженной звуковой энергии к падаю-
щей или часть энергии падающей волны, которая проходит через граничную
поверхность и распространяется далее или преобразуется в тепло.
Падающая баяна Отраженная баяна
-jAycosB +jk:c$in8 Re+jkycos$ e-jkx sinfr
Рис. 1.4. Примеры процесса отражений: а — изме-
жидкой). Толщина
Г / ct Vl'Vs.
слоя бесконечная. Z"(0)=p2c2 1 — [—sinO 1
L \ С2 / J
б — изменение среды (газообразной или жидкой).
Толщина слоя конечная
/ "г "2,
(Zj — Z2 ) sin й2/
-f- Z2 Jsfn k^l 4“ 2/ZiZs cos k%l •
Zj = p^j/cos ©! : Z2 s Р^г t1 “
ненне среды (газообразной или
e — тонкая пластина с поверхностной массой т"
и изгибной жесткостью В.
мз
Z" (0) ь= /от" —- /В---sin4 0 -J- ptCj/cos 0 .
ct
а — пористый слой с поверхностной массой т"
и сопротивлением потеку £ на расстоянии I
от стенки,
Z"(0) = -----etg (— cos 0^ .
/am" 2 \ ci /
Рис. 1.3. Отражение зву-
ковых волн при падении
на плоскую граничную
поверхность.
34
Некоторые примеры нормальных импедансов приведены на рис. 1.4 (дру-
гие примеры можно найти в подразделе 15.4). Следует иметь в виду, что
уравнения действительны только для пл'оских воли и для однородных пло-
ских граничных поверхностей больших размеров. В противном случае при
наличии неоднородностей, т. е. при изменении сопротивления, образуются
рассеянные волны, что приводит к «диффузному» отражению. На краях гра-
ничной поверхности также возникают рассеянные волны, влияние которых
тем сильнее, чем меньше размеры граничной поверхности по сравнению
с длиной волны. Этот вопрос представляет интерес, когда сравнивается от-
ражение н поглощение однородных, но различных по величине звукопогло-
щающих систем. В таких случаях нужно учитывать «краевой эффект», кото-
рый для малых систем может стать доминирующим. При очень малых раз-
мерах систем уже не имеет смысла говорить об отражении.
Если падающие волны не плоские, то в результате отражения форма
волны, как правило, изменяется (шаровая волна после.отражения зачастую
меняет свою форму), потому что волна произвольной формы слагается из
определенного числа плоских волн, которые, падая под различными углами,
соответственно по-разному отражаются. Следует упомянуть, что в некоторых
случаях помимо отраженных и прошедших волн могут возникнуть также
поверхностные волны (наведенные волны). Эти волны характеризуются тем,
что они по обе стороны граничной поверхности затухают экспоненциально
и что их скорость по сравнению с другими скоростями несколько ниже.
При отражении звуковой вибрации в принципе действуют закономер-
ности, аналогичные закономерностям для воздушного звука, однако формулы
значительно сложнее, так как требуется соблюсти ряд краевых условий,
а также возможно превращение одного типа волн в другой. Практические
вопросы отражения звуковой вибрации рассматриваются в разделе 18.
1.7. ПОГЛОЩЕНИЕ (ДЕМПФИРОВАНИЕ]
Поглощение (демпфирование, диссипация) — превращение звуко-
вой энергии в тепло. Оно вызывается как теплопр.оводностью й вязкостью
(классическое поглощение), так и внутримолекулярным отражением. При
очень больших амплитудах, которые встречаются лишь вблизи очень мощ-
ных источников звука или при сверхзвуковом ударе, возникают нелинейные
процессы, приводящие к искажению формы волны и к усиленному погло-
щению.
Для звука в газах и жидкостях поглощение имеет практически важное
значение, если звук распространяется на большие расстояния (как минимум
несколько сотен значений длины волны) или если на «пути звука» встреча-
ются тела с очень большой поверхностью. Так называемое пространственное
затухание при распространении, обусловливаемое теплопроводностью, вязко-
стью и релаксацией, рассматривается в подразделе 14.3; звукопоглощение,
которое в основном вызвано влиянием очень тонкого граничного слоя на по-
верхности тела,—в разделе 15.
В звуковой вибрации демпфирование обусловлено выравниванием тем-
пературы, молекулярным и межкристаллическим смещением [8, 20], а для
составных конструкций также трением одних деталей о другие. Более по-
дробно этот вопрос рассматривается в- подразделах 18.4.1—18.4.3.
1.8. ЗВУК В ОГРАНИЧЕННОМ ПРОСТРАНСТВЕ
(СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ)
Наиболее простой случай ограниченного пространства—располо-
жение двух плоских поверхностей на некотором расстоянии параллельно
одна другой (рис. 1.5/. В этом случае падающие на одну поверхность волны
отражаются, по прохождении пути I попадают на другую поверхность и
2* 35
снова отражаются, опять попадают па первую поверхность н т. д. Таким
образом создается волновое поле в виде
PW = Ро.[е~йх + Я, й + Rt)Rle~lkl-1‘+x'> + . . (1.44)
Отсюда следует, что при
«0 = 1 «О |7/т". ^ = 15,14'
1+|^| + 2|«;|cos2«:(/-x+V;/2*:)
I P-W | = | Ро |--------Чтг - , ' -----------'--------------' • (1.45)
1 + I -?о Я; [ — 21 Я/ I c°s (г + fjik + у(/2Л)
Рис. 1.5. Возникновение
стоячих волн и резонансов
в результате многократного
отражения.
/и 2 — ограничивающие повер-
хности с коэффициентом отра-
жения соответственно Ло и
Как видно, звуковое поле в ограничен-
ной 'пространстве имеет неподвижные макси-
мумы и минимумы (стоячие волны). Кроме
того, существуют частоты, иа которых зна-
чения звукового давления очень высокие
(резонанс). Легко убедиться, что резонанс
возникает тогда, когда волна после двукрат-
ного отражения снова возвращается в исход-
ную точку с той же фазой (закон «замкну-
того волнового цуга» в замкнутом простран-
стве) [4]. Другое, действующее для любых
пространственных форм выражение для зву-
кового поля в ограниченном пространстве
имеет следующий вид:
«n’tnlx, у, 2) ЖЛ у, г)
24 ^-кгп 24 ®2-^
П=1 п=]
(1.46)
Таким образом, звуковое поле в ограниченном--пространстве можно пред-
ставить в виде суммы собственных функций (моды) <рп (х) с коэффициен-
тами возбуждения ап или рп [1]. Амплитуды собственных функций зависят
от того, как велико отличие возбуждаемого волнового числа k (или ча-
стоты <о) от соответствующего собственного значения kn (или ь>п=6пС). По-
тери энергии в процессе распространения и отражения от ограничительных
поверхностей выражаются в том, что kn или являются комплексными
величинами, так что [р(х)2| всегда конечны. Значение звукового давления
при резонансе определяется потерями энергии.
К сожалению, собственные функции известны только для геометрически
простых пространств и для простых краевых условий. Расчет собственных
значений, как правило, возможен лишь с помощью трудоемких методов при-
ближения. Некоторые примеры <рп (х, у, г) и действительных частей соб-
ственных значений приведены ниже.
Так же как звуковое давление в помещении, с помощью собственных
функций можно описать звуковую вибрацию твердых тел [4, 10]. Формулы
в принципе выглядят, как уравнение (1.46), единственно, что нужно, это
вместо звукового давления подставить составляющие векторы скорости, Соб-
ственные функции для плоских тел (мембраны, пластины и т. д.) очень на-
глядны, поскольку их нулевые значения образуют узловые линии в фигурах
Хладни. Такие фигуры, т. е. собственные функции, можно сделать видимыми
с помощью голографии (рис. 1.6). Для различных практических случаев, на-
пример при исследовании шума (произвольная совокупность разных частот),
не особенно важно точно знать собственные функции н собственные значе-
ния, В этих случаях наибольший интерес представляет знание количества
36
|Сбствснных частот в диапазоне возбуждаемых частот, причем их точное
Положение имеет второстепенное значение (подраздел 18.5). Число возбуж-
Дйемых собственных колебаний является существенной характеристикой.
Ниже этот параметр приводится для наиболее важных случаев.
Рис. 1.6, Примеры визуализации собственных функций при вибра-
циях с помощью голографии: а— модель винта (частота около
4 кГц); б — корпус скрипки (частота около 1 кГц).
Собственные функции и собственные частоты для геометрически простых форм
1. Одномерное распространение волн (например, в трубах)
1.1. Труба с жесткими боковыми стенками
ДУ = /Дб)/(ся);
37
с жесткими заглушками на концах
<рп = cos (пях/0; (дя = ппс/1\
с мягкими заглушками на концах
<Pn = sin {ппх/1)‘, (дп — пксН',
с мягкой и жесткой заглушками на концах
<pn = cos(nn*/(-|- п/2); ап = (п-------^пе/1.
1.2. Труба с мягкими боковыми стенками (например, мягкая труба, заполненная водой),
В этом случае распространение плоской волны в осевом направлении невозможно.
1.3. Колебание струны
/До) ---------
&N =---------/ т'/Т;
закреплена с обоих концов
фп = sin (пях/l); ton = -у- У Т/т'\
1.4. Продольные волны в стержнях
со свободными концами
пп ,------
<P„ = cos(nnx/(); а„ = -у— у Е/р;
1.5. Изгибные волны в стержнях
/Д<0 а ,___
ДУ = —— Vm7oaB ;
2л
оба конца закреплены («жесткая заделка»)
фп = ch (Ml) — COS (Р„х/() — cosPo —chp„ h pnjt/ _ sin p
sin B„ — sh ₽„
Pi=l,506n; ps = 2,5n; 4--i-jn; <i>„ = (0„/()2/B'/m':
оба конца свободны. Уравнение такое же, как и предыдущее. Заменяется лишь cos
на (—cos) и sin на (—sin);
концы свободно оперты (шарнирная онора) ____
<p„=sm(p>/(); p; = nn; й„ = (₽?()2;
один конец закреплен, другой свободен
Фп = ch (рдх/Z) — cos ($пхЦ)--skPn — sin fln [sh _ sJn
chpn -I- cos
Pi = 0,597л; pa= 1,494л; р3 = 2,5л;
---у) = (M)3 VВ'/m'i
38
I,А. Круговое кольцо
<p„ = cos яф; Wo = У Е/р;
h -1 / fta(fta—~1)а 1Z-=7-
а" УГ2аа V пг + 1
2. Двумерное распространение волн.
11. Плоское пространство (слой) с жесткими стенками (продольные волны)
ДУ = Sci)Ao>/(4nc)a;
прямоугольное
П]ЯХ П3пу
<ри = cos —1 cos —-— ;
/1 /2
и"=ж]/Ш+Ш;
круглое
ф„ =cos (“г. v): = ПС7"’ Ja: У1Л = 0 586'
?2. о=°’9?2; V„,1=l,22;
Vs. о=1’34; 74, о=1'в93; 71т != 1,697.
9,9, Мембрана, закрепленная по периметру
ду = 5р/и»Дю/(4яТ')»
прямоугольная
фп = sin sin и„ = „ yr^h у
круглая _____
Ч1» = Л. ("7», vr/a) cos п<е, Ил = л?;, Ja "[У• Уо, , = 0,765;
71,1=1,22; V2, ,= 1.635;
7;,2= 1,757; +
1,9, Изгибные волны на пластинах
SAG) ___________________________________________
AW = —:— / MB;
-iJl
прямоугольная-пластина, все стороны свободно оперты
. п^пх палу „ --Г / «1 V . / Яе \2'
(pn = sin— Sin—=—, (f)n = n2yB/ph Ц—J +^Y"j
39
круглая, закрепленная по периметру
Г, i ' \ , Л
= (.V 7 ) 7" v “> J C0S
^2 v г—
«л =--------V Bl ph-,
То, .= 1.015; yj, .= 1,468; у", . = 1,879;
%, 2= 2,007; у',„ = У + -^-.
2.4, Круговой цилиндр
ДУ « 1,25 т'р3/У (на3- l&a/h для со <5— УЁ/pi
а
, lake) г------- 1 ___
&N »—-—КЗр/£ для ю>—У Е/р;
п а
концы свободно оперты
<pft = cos (п^) sin (ntfix/iy;
и2 = Д(1-р.3)(п2т/П» Eh‘
П pa2[(v«/0Z + '!T 12a*p
3. Трехмерное распространение волн.
3.1, Пространство, заполненное воздухом или жидкостью
ДУ = У(1)аДс»/(2л2с8);
прямоугольное с жесткими стенками
П1ЛХ П»ЯУ nRnz
Фо — cos —-— cos —S-2- cos ——;
-"Утчйчн-’
прямоугольное с мягкими стенками
ф_ = sin —±— sin —s-2- sin —-— :
h G I,
1 /~ / V । / fb \2 । / \2 .
“'•=”]/ hrHrdnvP
цилиндрическое с жесткими стенками
, «яП2
фл = Jn (ил г/с) cos Л1р cos- ,
—/(¥M#
Здесь J|, It, Za —длина кромок; а —радиус; ip — угол; T — натяжение струны; пг'— масса
на единицу длины стержня; В' — изгибная жесткость стержня; Т' — натяжение мем-
браны; й — толщина в том числе толщина стенки; В — изгибная. жесткость пластины.
При одномерном распространении волн я»!, 2, 3, в остальных случаях п=0, 1, 2, 3;
ц — коэффициент Пуассона; ДУ — число собственных мод в диапазоне частот Дсо.
40
1.9. ЛИТЕРАТУРА
1. Beranek L. L. Noise and vibration control. New York, McGraw-Hill,
1071,
2. Бреховских Л. M. Волны в слоистых средах.— 2-е изд., доп. н пере-
ряб. М,, Наука. 1973.
3. Cremer L. Vorlesungen uber Technische Akustik. Berlin, Springer,
1971.
4. Cremer L., Heckl M., Ungar E. E. Strdcture-Borne Sound., Berlin, Sprin-
grr-Vcrlag, 1973.
5. Ffowcs—Williams J. E., Hawkings D. L. Sound generation by turbulence
mi surfaces in arbitrary motion.—Phil. Trans. Roy. Soc. A264, 1969, 321—342.
6. Ландау Л. Д., Лифшиц E. H. Теоретическая физика. I—VI. M., Наука,
1973.
7. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically.— 1. General The-
ory. - Proc. Roy. Soc. А2Ц, 1952, 564—587. II. Turbulence as a Source of
Sound,—Proc. Roy. Soc. A222, 1954, 1—32.
8. Mason W. P. Physical acoustics, I—VII. New York, Academic Press,
1965.
9, Morse P. M., Ingard U. Theoretical Acoustics. New York, McGraw-
Hill, 1968.
10. Релей (Дж, В. Стретт). Теория звука. Т. 1 и 2. М., Гостехтеоретиз-
длт, 1955.
11. Relchardt W. Grundlagen der technischen Akustik. Leipzig, Akade-
nilsche Verlagsges, 1968.
12. Richards E. J., Mead D. J. Noise and Acoustic Fatigue in Aeronau-
tics, London, Wifey, 1968.
13, Ржевкин С. H. Курс лекций по теории звука. Изд-во МГУ, 1960.
14. Rubinowicz A. Die Beugungswelle in der Kirchhoff schen Theorie der
Bcugung. Berlin, Springer, 1966.
15. Schirmer W. Larmbekampfung, Physikalische Grundlagen und prak-
llsche Massnahmen der Larmbekampfung’ an Maschinen und Produktionsan-
bigen. Berlin, Verlag Tribune, 1971.
16. Скучик E. Основы акустики, T. 1 и 2. М., Мир, 1976.
17. Spandock F. Die Vorausberechnung der Akustik eines Raumes nrit
Hllfe von Modellversuchen. 5th ICA Kongress, Liittich, 1965.
18. Tolstoy I., Clay C. S. Ocean acoustics. New York, McGraw-Hill,
1966.
19. Trapp W. J., Forney D. M. Acoustical fatigue in aerospace structu-
res, Syracuse University Press, 1965.
20. Zener C. Elasticity and unelasticity of metals, University Chicago
Press, 1953.
2. ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
M. ПАУЛЬ
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Устройства, преобразующие электрическую энергию в акустиче-
скую или обратно, по принципу действия можно разделить па две большие
группы. Устройства, относящиеся к первой группе, обратимы, т. е. они могут
преобразовывать электрическую энергию в акустическую и акустическую
41
энергию в электрическую. По Л. Кремеру [2], только эту группу можно на-
звать непосредственно преобразователями. Вторая группа относится по
своей сути к усилителям. В этих устройствах одна форма энергии — управ-
ляющая (например, акустическая в угольном микрофоне) —воздействует на
другую (например, электрическую), регулируя значение последней, а обрат-
ное воздействие невозможно. Эти устройства обычно называют необрати-
мыми, или вентильными -преобразователями. Ниже используются выражения
типа «необратимые микрофоны», «необратимые громкоговорители», в то
время как термин «преобразователь» относится к первой группе устройства
и подразумевает наличие обратимости, которая во второй группе устройств
отсутствует.
2.2. ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
2.2.1. Электромеханический преобразующий четырехполюсник
В.
Рис. 2.1. Символическая схема
электроакустического преобра-
зователя.
В прямом и обратном преобразовании акустической энергии
в электрическую участвуют четыре параметра, нз которых два описывают
акустическую энергию и два электрическую. Поскольку в общем случае каж-
дый параметр одного вида энергии взаимо-
связан с обоими параметрами другого
вида энергии, а преобразователи в первом
приближении можно рассматривать как
линейные передающие элёменты, то до-
пустимо применить для описания этого
процесса четырехполюсники, используемые
в технике связи.
Для электрического поля основными
параметрами, характеризующими энергию,
являются напряжение У и ток 7, а для
акустического — сила F и скорость а.
Электромеханический, или двусторонний
виде «ящика», на одной (электрической)
на другой стороне «безмассовый» диск на
преобразователь, изображают в
стороне которого две клеммы, а ..... .. ___
жестком стержне для восприятия акустических сигналов (рис. 2.1). Двойные
стрелки на акустической стороне показывают, что силы и скорости прило-
жены к корпусу преобразователя, который, например, у преобразователя
звуковой вибрации не находится в покое по отношению к фундаментам
объектов измерения. Предполагается, что акустическая н электрическая энер-
гии поступают в преобразователь, каждая со своей стороны.
Учитывая изложенное, можно написать [2]:
U = ZJ + М.,] и,
или в матричной записи;
q Г L ^qp
L J L mFi J L ?
(2.1)
(2.2)
В этом разделе анализируются чисто периодические процессы с круговой
частотой (о=2л/. Поскольку все временные завнсимостн с помощью преобра-
зований Фурье можно перевести в чисто периодические процессы, вышепри-
веденным допущением не ограничивается общность рассмотрения. Следует
учитывать, что в используемой системе обозначений (раздел 1.2.1) вместо
42
Re{t7^Q<) пишется только U (соответственно записываются F, 7, v и р),
кро"ме того, все коэффициенты (М, N, Z и_z) являются в общем случае ком»
плексными и комплексно-сопряженные величины обозначаются значком *
Величина Z9—это собственный электрический импеданс преобразователя
при полностью заторможенной мембране (о=0), т. е. в режиме акустиче-
ского короткого замыкания. Величина гм — собственный механический импе-
данс преобразователя в отсутствие электрической нагрузки (£=0), т. е. на
холостом ходу. Обе величины—Мц-0 и М? .— это коэффициенты преобразо-
вания, которые собственно и характеризуют устройство. Величину
(2-3)
называют преобразующим напряжением, а
(2.4)
преобразующей силой.
Из равенства «мощности преобразования», иными словами, из равенства
преобразованных кажущихся акустической и электрической мощностей, опре-
деляемых в виде
= =— GHf/)E = — -ал = -у 1) “
(2.5)
следует (2.6)
Если обозначить = М —Fl —> (2.7)
то — м*, (2.8)
и уравнение (2.2) упрощается
У четырехполюсника, к которому применим принцип взаимности, коэффи-
циенты Mtr„ и Mj?t равны. В общем случае рассмотрения преобразователей
это не оправдывается; равенство здесь соблюдается только по абсолютным
значениям, в связи с чем их называют «симметрично-мощностными» четырех-
полюсниками. Если М — величина чисто мнимая, то полностью применим
принцип взаимности.
Уравнения (2.1), (2.2) н (2.9) относятся к так называемой эквивалент-
ной схеме по напряжениям, поскольку из них может быть определено напря-
жение U на клеммах. Преобразовав (2.1), можно получить:
1 М* 1
; = + р = _ 10)
и
Ж
^ = 'Г"^ + (Ем-жл'’)г' = ^+ fen + МЧ)?- (2.")
43
Уравнения (2.10) и (2.11) описывают так называемую эквивалентную
схему по току. В них вводится новый коэффициент преобразования
М
N=^-, (2.12)
£э
Механический импеданс _£м дополнен членом |ЛГ|2 Za*, который обуслов-
лен тем, что механический импеданс определяется при электрическом корот-
ком замыкании. В соответствии с работой [5] совокупность этих двух членов
называют механическим импедансом короткого замыкания
I м ia
^ = ^ + 1"! 4 = ^ + 4^- (2-13)
где гм — механический импеданс холостого хода.
Введя указанные выше определения, получим окончательные уравнения
преобразования в матричной форме:
Какое из этих выражений наиболее целесообразно применить, зависит
от конкретных обстоятельств.
2.2.2. Физические принципы преобразования
В электроакустическом преобразовании используются два основ-
ных физических явления. Первое — это силовое воздействие на заряды
в электрическом поле, второе — силовое воздействие на электрический ток
в магнитном поле. Отсюда возникли четыре определяющих направления
в разработке преобразователей, основные свойства которых рассматриваются
ниже. Более подробные описания приведены в [2, 3—5].
2.2.2.1. Принцип действия электростатических преобразователей. Этот
принцип основан на использовании закона Кулона о взаимном притяжении
двух зарядов. Для пластинчатого конденсатора, один электрод которого вы-
полнен в виде диафрагмы (рис. 2.2) и подключен к источнику постоянного
напряжения U- (постоянное напряжение в современных устройствах вместо
изолированных, механически связанных электродов может создаваться элек-
третом—электрическим аналогом постоянного магнита), применимы следую-
щие соотношения:
1 s С_и2_
Z —---------; г., =/со/п 4-г н-----; г. =z..----------------;
/to С- -Л| /ш -й -м /tod2
l/_ с_и_
М = ~Т’ N =---------------- (2.16)
— jiod ~ d ' '
где m — эффективная масса диафрагмы; г — сопротивление трения (в основ-
ном воздуха в узких каналах преобразователя); s — суммарная жесткость
системы, которая складывается из жесткости объема воздуха в закрытом
корпусе и мембранной жесткости диафрагмы; С- — емкость преобразователя
при невозмущенной мембране; U- — напряжение поляризации; d—эффектив-
ное расстояние между электродами.
2.2.2.2. Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя. Преоб-
разователи этого типа основаны на использовании пьезоэлектрического прин-
44
ципа, согласно которому на поверхности кристаллов, имеющих две разновид-
ности атомов, возникают заряды, если к ним приложить механические силы,
И возникают силы при воздействии на ких электрических зарядов. Такими
материалами, например, являются кварц, титанат бария и сегнетова соль.
Па рис. 2.3 показан механизм возникновения заряда на поверхности в ре-
зультате деформации кристалла. По закону Гука сила F и смещение £ про-
порциональны так же, как заряды пропорцио-
нальны смещениям. Это справедливо и для за-
висимости во времени, и тогда можно записать:
l_v = Kv, (2.17)
где К — постоянная пропорциональности, завися-
щая как от свойств, так и от конструктивных
особенностей материалов.
Поскольку кристаллы являются изоляторами,
внутренний импеданс этих преобразователей пред-
ставляет собой емкость. Параметры преобразу-
ющего четырехполюсника следующие:
_ I _ №
-э = /шС ’ -№ ~ -к ' /шС ’
Рис. 2.2. Принципиаль-
ная схема электростати-
ческого преобразователя.
1 — металлическая мембра-
на; 2 — изоляция; 3 — не-
подвижный электрод.
2ь=/Шт + г + -^-;
-к .
/соС
N = — К,
(2.18)
м =
где Л — коэффициент пьезоэлектрического преобразования; т — эффективная
масса преобразователя; г — механическое сопротивление потерь; s — суммар-
ная жесткость системы (поскольку кристаллы следует рассматривать как
непрерывную среду, жесткость н масса зависят от частоты и определять их
имеет смысл лишь ниже первого собственного резонанса); С — емкость пре-
образователя.
Рис. 2.3. Принцип действия пьезоэлектрического преобразователя.
2.2.2.3. Принцип действия электродинамического преобразователя. Прин-
цип действия таких преобразователей, часто встречающихся на практике,
основывается на использовании закона индукции. Переменные магнитные
поля индуцируют в электрических проводниках напряжение, кроме того,
с магнитными полями связано возникновение электродинамических сил. На
рис. 2.4 показана принципиальная схема электродинамического преобразова-
45
теля. Внутренний импеданс теперь выражается через индуктивность, и па-
раметры четырехполюсника приобретают следующий -вид:
b='-“L; ъ. = /“'"+'• 4--^-;
М=~В1‘, ----2L-, (2.19)
— ~ j(i)L ' '
где L — индуктивность катушки, цилиндрического магнита; В — магнитная
индукция в воздушном зазоре магнита; / — эффективная длина проводника
катушки.
2.2.24. Принцип действия электромагнитного преобразователя. В преоб-
разователе этого вида использовано изменение магнитного потока магнита
Рис. 2.4. Принципиальная
схема электродинамического
преобразователя.
1 — цилиндрический электромаг-
нит; 2 — звуковая катушка
с мембраной.
Рнс. 2.5. Принципиаль-
ная схема электромаг-
нитного преобразова-
теля.
при изменении магнитного сопротивления, нли изменение силы притяжения
якоря при изменении потока. Такой преобразователь применяют в наушни-
ках телефонных аппаратов. Принципиальная схема его показана на рис. 2.5;
внутренний импеданс опять выражается индуктивностью, параметры преоб-
разующего четырехполюсника следующие:
Z =/<oL; z.. ssg.--------;
_э ' -M .h
zh = i<atn^r-^— ; jV| - , (2.20)
-ft /<o ~ d d /cod v '
где —индуктивность обмотки; J------постоянный ток, который, протекая
через обмотку с числом витков п, создал бы поток Ф-; и —число витков;
Ф_«—постоянный магнитный поток постоянного магнита; d — эффективное
расстояние от якоря до магнитного полюса.
Если в электромагнитном преобразователе пренебречь постоянным маг-
нитным потоком, а в электростатическом преобразователе—напряжением
поляризации, то, используя силовое взаимодействие в электрическом или маг-
нитном .поле, их можно применить в виде громкоговорителей. Прн этом на-
блюдается удвоение частоты, так как сила притяжения возникает всякий
раз, когда заряд на конденсаторе нлн магнитный поток не равны нулю (не-
зависимо от знака). Для использования в качестве микрофонов последние
схемы неприменимы.
46
2,2.3. Электрические эквивалентные схемы
Для специалистов, занимающихся расчетом усилителей, к кото-
рым подключаются преобразователи, представляет интерес чисто электриче-
ская эквивалентная схема' преобразователя. Из уравнений преобразования
(9.14) и (2.15) с учетом механического импеданса акустической среды
можно получить следующее выражение
U
Рис. 2.6. Электрические эквивалентные схемы различных типов пре-
образователей: а — электростатического; б — пьезоэлектрического;
в — электродинамического; г — электромагнитного.
(2.21)
Механический импеданс среды для преобразователя, размеры которого
эпачительно меньше длины волны (точечный излучатель), равен
?сР = —-----------Г- (2.23)
/ира$ pcS
где р — плотность среды; а — половина радиуса мембраны; S — эффектив-
ная площадь диафрагмы; с — скорость звука в среде.
Механический импеданс для синфазноколеблющегося преобразователя,
размеры которого значительно больше длины волны, равен
2Cp=zPcS- (2.24)
Импедансы других излучателей указаны на с. 28.
Механические импедансы для тел различной формы и различных типов
поли (стержни, пластины, продольные, изгибные, квазйпродольные волны)
приведены в [3] и в табл. 18.3. Для воздуха механическим импедансом среды
можно пренебречь. При исследовании звука в воде и звуковой вибрации ме-
ханический импеданс должен обязательно учитываться. С помощью (2.22)
Можно получить эквивалентные схемы для различных типов преобразовате-
лей (рис. 2.6).
47
2.2.4. Чувствительность преобразователей
Потребителя прежде всего волнует качество преобразования,
т. е. чувствительность (отношение результата полученного на выходе преоб-
разователя к воздействию со стороны входа) и частотная характеристика
звука. Основной интерес представляют напряжение U и звуковое давле-
ние р, поскольку человеческое ухо реагирует на звуковое давление. Чувстви-
тельность (коэффициент трансформации) микрофонов
и уровень чувствительности
I I
= 20 1g — дБ,
р Р I
(2.25)
(2.26)
где — в вольтах, ар — в Н/м2.
Для громкоговорителей можно рассчитать из уравнений преобразования
скорость мембраны о. Но поскольку основной интерес представляет звуковое
давление р, оно рассчитывается из уравнения (2.21). В'связи с особенно-
стями измерительной техники звуковое дайление измеряется на расстоянии
1 м; чувствительность громкоговорителей на расстоянии 1 м определяется
в виде
а уровень чувствительности
Ори = 20 1g 1-М дБ, (2.28)
где piM — в мкбар, a U — в вольтах.
2.3. ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ
2.3Л. Микрофоны
В зависимости от конструкции различают приемники давление
(ПД), в которых звуковое давление воздействует на диафрагму только с од-
ной, наружной стороны, н приемники градиента давления. (ПГД), в которых
звуковое давление воздействует на обе стороны диафрагмы, но с определен-
ным сдвигом по фазе, так что разность давлений-определяет усилие на ди-
афрагму. В приемниках давления для выравнивания статического давление
под диафрагмой предусматривают капиллярный канал. Вместе с объемов
воздуха в капсуле он образует резонатор Гельмгольца, определяющий ниж-
нюю границу частотной характеристики, где ПД ведут себя, как ПГД. В от-
личие от ПД чувствительность ПГД растет с частотой ю и на самых низких
частотах недостаточна.
ПД имеет сферическую характеристику направленности (ненаправленные
микрофон) до тех пор, пока размеры мембраны невелики по сравнении}
с длиной волны, а корпус микрофона не является причиной дифракции
звуковой тени, что наблюдается у обычных микрофонов на частотах в не-
сколько килогерц.
ПГД в идеальном понимании обладают дипольной (типа «восьмерки»)
характеристикой направленности. Часто встречающаяся характерйстика нц_
правленности — так называемая кардиоидная — присуща ПГД, когда его об.
48
ратная сторона снабжена звукопроводом с соответствующим сопротивлением
потоку. Закрывая и открывая звукопровод или вводя в него сопротивления
потоку у современных студийных микрофонов, можно с помощью механиче-
ских устройств задавать характеристики направленности — сферическую,
восьмерочную или кардиоидную.
При электрическом изменении характеристик /гаправлеиностн, дающем
возможность дистанционно управлять этим процессом, элегантной является
следующая конструкция (рис. 2.7). В корпусе микрофона размещены один
против другого два конденсаторных микрофона, каждый из которых имеют
кардиоидную характеристику направленности, причем неподвижные элек-
троды электрически соединены. Электрические сигналы обоих микрофонов
складываются. Если напряжение на диафрагмах имеет одинаковую поляр-
Рис. 2.7. Двухмембранный конденсаторный микрофон с элек-
трически изменяемой характеристикой направленности.
/ — воздушная камера; 2 — неподвижный электрод; 3 — никелевая мем-
брана 0,7 мкм; 4 — изолятор; 5 — перфорированные пластины, несколько
смещенные по отношению одна к другой; 5 — воздушный зазор (аку-
стическое сопротивление потоку); 7 — прокладка из фольги.
ность, то две кардиоиды, слагаясь, позволяют получить сферическую харак-
теристику. При снятии поляризационного напряжения у одного из микрофо-
нов у второго останется кардиоидная характеристика. Если же напряжения
у диафрагм имеют различную полярность, то сигналы обоих микрофонов
сдвинутся по фазе на 180°, т. е. одна кардиоидная характеристика будет вы-
читаться из другой, что даст восьмерочную характеристику. Путем бессту-
пенчатого изменения поляризационного напряжения от + t7poi до t/pci на-
ходят промежуточные формы характеристик направленности.
Другие характеристики направленности, особенно с сильным фокусирова-
нием, можно получить у преобразователей, размеры которых велики по срав-
нению с длиной волны, а также у групп преобразователей, состоящих из
большого количества последних. Изменением фазовых и амплитудных соот-
ношений внутри группы можно добиться самого различного соотношения
скоростей на их условной «излучающей поверхности» и тем самым большого
разнообразия характеристик направленности (1.27), (1.37). Следует учиты-
вать, что иногда (например, если требуется получить сильную фокусировку,
а размеры группы меньше длины волны) вблизи таких групп возникает
интенсивное ближнее поле и из-за создающих помехи тел характеристика на-
правленности может деформироваться. Группа преобразователей с перемен-
ной характеристикой направленности используется на практике в передатчи-
ках и приемниках системы звуколокации (сонарах) и реже в системах гром-
коговорителей для озвучивания больших пространств.
49
Если у микрофонов, применяемых в воздушном пространстве, необхо-
димо создать сильную фокусировку, то, как правило, на них устанавливают
специальные трубки, стенки которых обеспечивают заданное сопротивление
потоку. Принципиальная конструкция н пример характеристики направлен-
ности показаны на рис. 2.8.
2.3.1.1. Конденсаторные мнкроф.оны. На рнс. 2.9, а изображен обычный
конденсаторный измерительный микрофон типа приемника давления. Диаф-
Рис. 2.8. Принципиальная конструкция и характери-
стика направленности микрофона с трубчатой насадкой:
а — принципиальная конструкция микрофона направлен-
ного действия. Покрытие трубки с сопротивлением по-
току г. Сопротивление потоку на открытом конце ге=
= рс1Ь/2ла2. Величина г увеличивается линейно в на-
правлении микрофона до значения 2ге; б — характе-
ристика направленности микрофона.
/—'капсула микрофона; 2 —труба со шлицем; 3 — характери-
стика направленности для //Л.=-3 (/=1 м, а=!2 мм): .... рас-
четная. -------экспериментальная при частоте 1000 Ги.
рагма (подвижный электрод) электрически соединена с корпусом, в то время
как противоположный неподвижный электрод изолирован. С це^ью уменьше-
ния жесткости воздушной прослойки между электродами неподвижный элек-
трод перфорирован. Размер отверстий выбран таким, чтобы потерн энергии,
обусловленные вязкостью воздуха, демпфировали механический резонанс си-
стемы. Расстояние между электродами составляет около 20 мкм, поэтому во
избежание изменений емкости изоляционный материал нужно Подбирать с та-
ким же коэффициентом расширения, как у материала корпуса.
Непосредственно к капсуле необходимо подключить высокоомный вход-
ной усилитель с малой емкостью (катодный повторитель), поскольку каждая
подводимая емкость по отношению к малой емкости капсулы является шун-
том. На рис. 2.9, б приведена типичная частотная характеристика чувстви-
50
тельности конденсаторного микрофона. Подъем в высокочастотной части ха-
рактеристики обусловлен механическим резонансом диафрагмы.
Средние значения чувствительности и прочие технические данные наибо-
лее распространенных микрофонов приведены в табл. 3.1.
Интересным вариантом конденсаторного микрофона является электретный
микрофон, который в принципе устроен так же, однако не нуждается в по-
ляризационном напряжении. Если электрет выполнен из фторуглеродистой
Рис. 2.9. Конденсаторный микрофон (а) и его частотная
характеристика (б).
/ — упругое зажимное кольцо; 2 — капиллярная трубка для вырав-
нивания давления; 3 —тонкий провод; 4—симметричная защитная
решетка; 5 —разъем с золотым контактом; 6 — тарельчатые пру-
жины; 7 —кварцевая изолирующая шайба; 8 — задний электрод;
9 — мембрана; 10 — влияние капилляра; // — механический резо-
нанс.
или полиэфирной пленки толщиной. 10 мкм и жесткость мембраны по срав-
нению с жесткостью воздушной прослойки пренебрежимо мала (что харак-
терно для таких микрофонов), то чувствительность в диапазоне от 20 Гц до
10 кГц достигает около 1 мВ/мкбар. Преимущество конденсаторных микро-
фонов заключается в их высокой емкости (несколько сотен пФ на двухсан-
тиметровый диаметр), в стойкости к воздействию температуры и влаги,
в долговечности (срок службы таких микрофонов в настоящее время не яв-
ляется проблемой).
2.3.1.2. Электродинамические микрофоны, ленточные микрофоны. Принци-
пиальная схема качественного электродинамического микрофона показана на
рис. 2.10. На диафрагме установлена катушка, которая помещена в кольце-
вой зазор постоянного магнита с однородной магнитной индукцией в воз-
душном зазоре. Поскольку этот микрофон Имеет очень незначительное
51
5)
Рис. 2.10. Электродинамический микрофон: а—внешний вид; б —продоль-
ный разрез; в — диаграмма направленности; е частотная характери-
стика.
/ — звукопрозрачный пенопласт; 2 — мембрана с катушкой; 3 — полюсный наконеч-
ник; 4 — демпфирующая прокладка из нетканого материала; 5—звуковые каналы;
£ —кольцевой магнитопровод; 7 —отверстие для подключения резонатора низких
звуковых частот; 5—наружный корпус; 9 — резонатор высоких звуковых частот; по-
катушка компенсации помех; II — постоянный магнит £ приклепанным электродом;
/2 —войлочная прокладка для демпфирования резонансной системы; 13 — эластич-
ная прокладка и уплотнение; 14 — упругий воздушный объем и демпфирующий ма-
териал резонаторов низких частот; 15 — место для преобразующего сопротивления;
16 — разъем.
внутреннее сопротивление (200 Ом), то в усилителе не требуется высокоомных
входных сопротивлений. Уровень помех невелик, и это компенсирует низкую
чувствительность (обычно 0,2 мВ/мкбар). Недостаток микрофона заключается
н том, что частотная характеристика соответствует демпфированному резо-
нансному контуру (2.25), (2.19). Поэтому, а также в связи с относительно
Рцс. 2.11. Ленточный
микрофон.
/ — лента; 2—полюс-
ный наконечник; 3—на-
мотка магнита; 4 —
преобразователь.
Рис. 2.12. Пьезоэлектри-
ческий микрофон с эле-
ментом, работающим
в режиме изгибных ко-
лебаний.
/ — мембрана; 2 —перфо-
рированная крышка; 3 —
металлическая сетка (со-
противление потоку); 4~
пьезоэлемент, работающий
в режиме изгибных коле-
баний.
большой массой катушки собственную частоту предусматривают в середине
диапазона преобразования; ее демпфируют механически (и электрически —
входным сопротивлением усилителя), а с помощью дополнительных акусти-
ческих резонаторов поднимают чувствительность на низких и высоких ча-
стотах таким образом, чтобы по-
лучить приемлемо сглаженную ча-
стотную характеристику, обеспе-
чивающую в -современных кон-
струкциях «студийное» качество.
На резонансах искажаются фазо-
вые характеристики, что особенно
отрицательно может повлиять на
качество измерений или на сте-
реофонические передачи.
Ленточный микрофон (рис.
2.11) — это электродинамический
приемник градиента давления,
имеющий в связи с наличием
Рис. 2.13. Чувствительность пьезоэлект-
рического микрофона (0 дБ = 2 мВ/
/мкбар).
только одного .витка незначитель-
ную чувствительность. Он, однако,
обладает тем преимуществом, что амплитуда колебаний диафрагмы не огра-
ничена. Поэтому некоторые радиостудии применяют такие микрофоны в му-
зыкальных передачах при использовании инструментов, создающих высокие
звуковые давления.
2.3.1.3. Пьезоэлектрический микрофон. Пьезоэлектрические преобразова-
тели (рис. 2.12) дешевы в изготовлении. В диапазоне преобразования у них
наблюдаются резонансы пьезоэлектрического элемента и системы, состоящей
из воздушного объема в капсуле и диафрагмы, включающей эффективную
массу элемента. С целью сглаживания таких резонансов необходимо
53
предусматривать демпфирование (рис. 2.13). Для измерения воздушного звука
не пользуются пьезоэлементами, работающими в режиме поперечных колебаний,
так как это связано с затратой значительных усилий, а применяют элементы,
работающие в режиме изгибных колебаний, из-за нх незначительной же-
I_____о
j и
Рис. 2.14. Схема элект-
рического контакта
в пьезоэлементе, работа-
ющем в режиме изгиб-
ных колебаний.
Рис. 2.15. Виброприемники и их типичная частотная характе-
ристика: а — виброприемник с пьезоэлементом, работающим
в режиме растяжение—сжатие; б — виброприемник с пьезо-
элементом, работающим на сдвиг; в — частотная характе-
ристика.
] — пьезоэлемент; 2 — масса,
сткости и относительно небольших усилий, требующихся для деформации.
При изгибе пьезоэлемепта создаются две зоны деформации — зона сжатия и
зона растяжения, разделенные нейтральной плоскостью. Потенциалы двух
электрических полей, наведенных в этих зонах (^верх и £ви»н), сложатся,
если нейтральную плоскость сделать токопроводящей н соединить с одной из
выходных клемм преобразователя, а обе наружные поверхности замкнуть на
его вторую клемму (рис. 2.14). Таким образом получается параллельное со-
54
единение обоих электрических полей. Поскольку собственные емкости дости-
гают значений в несколько нанофарад, емкости остальных элементов схемы
не очень существенны.
2.3.1.4. Виброприемники и гидрофоны. Для измерения звуковой вибрации,
как правило, применяют пьезоэлектрические приемники, нагружаемые мас-
сой т, при колебаниях которой в соответствии со вторым законом Ньютона
возникает пропорциональная измеряемому ускорению сила, деформирующая
Рис. 2.16. Микрофон для измерения звука
в воде (гидрофон).
/ — кристаллы сульфата лития; 2 — пространство,
заполненное касторовым маслом; 3 —эластичная
пластмассовая оболочка.
пьезоэлемент. Поэтому их также называют приемниками ускорения. Путем
электрического интегрирования сигнала может быть определена скорость о,
а повторное интегрирование позволяет вычислить перемещение £.
На рис. 2.15 приведены два варианта конструкции виброприемников —
с пьезоэлементом, работающим в режиме растяжения — сжатия, и с пьезо-
элементом, работающим на сдвиг, а также их типичная частотная характе-
ристика.
Рис. 2.17. Принципиальная схема
угольного микрофона (а) и его
частотная характеристика (б).
/ — уплотняющая шелковая проклад-
ка; 2 — мембранный электрод (позоло-
ченный); 3 — уплотнительная манжета
ва; 6 — угольный электрод; 7 —
(пластмассовая); 4—мембрана; 5 — опра-
угольный порошок; 8 — контактное гнездо.
Микрофоны для измерения звука в воде (гидрофоны) — пьезоэлектриче-
ские преобразователи — относятся к приемникам давления и могут воспри-
нимать высокие статические давления в жидкости. Их механический входной
импеданс того же порядка, что у жидкости. Эти микрофоны могут быть
сравнительно небольших размеров (длиной 20 мм, диаметром 5 мм). Вслед-
ствие большой длины волн в жидкости их используют для измерений
в ультразвуковом диапазоне, не опасаясь искажений за счет дифракции и
отражения. Принципиальная схема микрофона приведена на рис. 2.16. Для
обеспечения высококачественной работы гидрофона необходимо, чтобы он
55
был полностью заполнен маслом, не содержащим пузырьков газа. Техниче-
ские характеристики наиболее распространенных приемников для измерений
звуковой вибрации и гидрофонов приведены в табл. 3.1 и 3.3.
2.3.1.5. Необратимые микрофоны. Наиболее широко используют угольный
микрофон. Его применяют в телефонных аппаратах. В принципе такой ми-
крофон — это сопротивление из угольного порошка, регулируемое звуковым
давлением. Сопротивление уменьшается с увеличением давления и, наоборот,
увеличивается с уменьшением давления. На рис. 2.17 показаны принципиаль-
ная схема угольного микрофона и его частотная характеристика. Благодаря
высокой чувствительности (около 100 мВ/мкбар) микрофон можно применять
без усилителя. Его частотная характеристика, однако, имеет весьма узкий
диапазон и качество передачи в значительной степени снижается из-за соб-
ственных шумов. Сопротивление микрофона в зависимости от звукового дав-
ления линейно изменяется лишь в первом приближении, ввиду чего наблю-
даются нелинейные искажения. Однако для передачи речи микрофон вполне
пригодей.
Другим типом необратимого микрофона является конденсаторный мик-
рофон, используемый в высокочастотных схемах. В этом случае микрофон
работает в качестве конденсатора высокочастотного передатчика с самовоз-
буждением, создающего з результате колебаний звукового давления частот-
ную модуляцию. Преимущество этой системы, с одной стороны, в отсутствии
необходимости поддерживать высокое поляризационное напряжение, с дру-
гой стороны (прн хорошей конструкции капсулы с закрытыми капиллярами),
в простоте схемы усиления акустических сигналов с очень низкими часто-
тами.
К необратимым микрофонам следует также отнести тепловые зонды, ис-
пользуемые при акустических исследованиях потоков. Чувствительный эле-
мент состоит из очень тонкой проволоки или пленки, электрическое сопротив-
ление которых обусловлено температурой и тем самым теплопроводностью.
Поскольку теплопроводность зависит от скорости' движения среды вблизи
чувствительного элемента, о тепловых зондах можно говорить как о прием-
никах скорости.
К группе необратимых приемников относятся и тензометры, которые на-
ходят применение при исследовании звуковой вибрации. В этом случае
также измеряется изменение электрического сопротивления^ которое зависит
от растяжения тензометра.
2.3.2. Громкоговорители
Громкоговоритель — это излучатель звука. Если мембрана мень-
ше длины волны, то диаграмма направленности — сферическая (имеется
в виду, что диафрагма вытесняет воздух с одной стороны, т. е. громкогово-
ритель находится в корпусе)'. Прн свободно колеблющейся диафрагме на ее
краях наблюдается гидродинамическое короткое замыкание, которое приво-
дит к характеристике направленности типа восьмерки, а в результате умень-
шения механического импеданса—к снижению КПД. Поэтому громкогово-
рители целесообразно устанавливать в звуковом экране большой протяжен-
ности или в закрытых -со всех сторон корпусах. Объем воздуха в корпусе
вместе с массой диафрагмы образует механическую колебательную систему,
которая должна быть настроена низко и достаточно демпфирована для того,
чтобы не очень сильно искажать частотную характеристику громкоговори-
теля. Если размеры излучателя небольшие по отношению к длине волны, то
образуются неоднородности, фокусировки, пучности.
Громкоговоритель с рупором — это система, использующая в качестве
диафрагмы жесткий поршень, создающий в трубе сечением Si звуковой по-
ток q=S\V\. Если трубу заузить до - сечения S?, то скорость возрастет до
V2=vlSi/S2. Применение рупора (как правило, экспоненциального) обеспечи-
вает согласованность с импедансом внешней среды, в результате чего повы-
шается КПД громкоговорителя.
56
2.3.2.1. Электродинамический громкоговоритель. Громкоговоритель, рабо-
тающий на основе электродинамического принципа,— один из наиболее рас-
пространенных типов громкоговорителей, поскольку он хорошо воспроизво-
дит звук в широком диапазоне частот, в том числе на низких частотах, при
экономически разумных затратах. Механический резонанс системы, состоя-
щей из массы катушки и диафрагмы по контуру и обладающей жесткостью,
которая обусловлена закреплением диафрагмы и ее центровкой, настраива-
ется на нижний предел частотного диапазона передачи. Чтобы не очень уве-
личивать массу и не снижать
тем самым чувствительность,
для получения низкого резо-
нанса диафрагму следует за-
креплять «мягко» (это, прав-
да, затрудняет центровку). Ре-
зонанс демпфируется не толь-
ко механическими способами,
например, применением пла-
стичной демпфирующей про-
кладки в месте крепления
диафрагмы, но и электрически,
с помощью закорачивающего
кольца в воздушном зазоре,
что одновременно снижает ин-
дуктивность звуковой катушки.
Демпфирование резонанса по-
зволяет, с одной стороны, не
ухудшать частотную характе-
ристику громкоговорителя,' а с
другой стороны, при импульс-
ном возбуждении обеспечить
минимальное время нарастания
и затухания колебаний систе-
мы. Если это время слишком
велико (более 5 мс для низ-
ких частот и более 0,2 мс для
других частот), то возникает
дребезжание громкоговорителя,
присущее плохим системам.
Выше резонанса громкогово-
ритель теоретически имеет
равномерную частотную харак-
теристику чувствительности,
которая на высоких частотах
понижается в функцию от со.
На рис. 2,18 показана ча-
Рис. 2.18. Принципиальная схема (а) элек-
тродинамического громкоговорителя и его
частотная характеристика (б) при беско-
нечно большом звуковом экране.
У —постоянный магнит; 2 — ярмо; 3 —сердечник;
4 — полюсная пластина; 5 —звуковая катушка
с корпусом; 6 — центрующая мембрана; 7—-вой-
лочное кольцо; 8— гофрированная манжета; 9 —
конус мембраны (Нави); 10 — пылезащитный ко-
жух; // — отверстия для креплений; /2 —остов
с ребрами; 13 — впешни> токоподвод; 14 — пыле-
защитное кольцо,
стотная характеристика громко-
говорителя; здесь видны многие резонансы диафрагмы. Конусообразный диф-
фузор (диафрагма), реагируя на половинную частоту возбуждения, может
иметь ломаную частотную характеристику. Этих субгармоник можно избе-
жать, если поверхность диффузора будет неразворачиваем'ой (диффузор
Нави).
КПД громкоговорителя, т. е. отношение излученной акустической энер-
гии к подведенной электрической энергии, составляет несколько процентов.
Нелинейные искажения (клирфактор) при номинальной нагрузке для хоро-
ших громкоговорителей не превышают 3%.
2.3.2.2. Электростатические громкоговорители. При электростатическом
громкоговорителе требуется поляризационное напряжение, которое должно
быть значительно выше максимального напряжения сигнала, с тем чтобы
нелинейные искажения не были очень велики (РСИгн^0,1 l/poi для й<5°/о).
Принципиальная конструкция громкоговорителя показана на рис, 2.19. Эта
57
конструкция позволяет достигать напряжении до 1000 В и, кроме того, обла-
дает способностью к самовосстановлению, присущей конденсаторам из ме-
таллизированной бумаги, когда проводящий материал при пробое испаряется
в месте пробоя и восстанавливает изоляцию,
Механический резонанс громкоговорителя весьма высок. Если учесть, что
громкоговоритель работает от низкоомного источника, то V s/m на частот-
Рис. 2.19. Разрез конденсаторного громкоговорителя (а) и его
частотная характеристика (б).
1 — эластичная подложка; 2 —проводящий поверхностный слой; з —
жесткий неподвижный электрод; 4 — шероховатая поверхность непод-
вижного электрода.
ной характеристике (рис. 2.19) располагается на частоте около 10 кГц, Та-
ким образом, электростатические громкоговорители пригодны для высокоча-
стотного звукового диапазона и для излучения ультразвука (например, при
модельных измерениях). Их КПД —от 1 до 10%.
2.3.2.3. Электромагнитный телефон. Принцип электромагнитного преобра-
Рис. 2.20. Электромагнитный телефон (о) и его частотная характери-
стика (б).
/ — мембрана; 2 — якорь; 3 — магнит; 4~ катушка; 5 — сопротивление потоку;
6 — резонатор,
случая их применения в специальных микрофонах слуховых аппаратов). Из-
вестный из истории репродуктор больше не -применяется. Частотная харак-
теристика телефона определяется резонансом системы, состоящей из массы
якоря и жесткости диафрагмы. Высокочастотные резонансы диафрагмы при-
водят к неравномерной чувствительности. Неравномерность компенсируется
акустическим демпфированием и установкой дополнительных резонаторов,
настроенных на диапазон передачи. На рис. 2.20 показаны одна из новых
конструкций телефона и его частотная характеристика.
2.3.2.4. Необратимый громкоговоритель. В отличие от необратимых ми-
крофонов, необратимые громкоговорители применяют редко. В ионофонах
58
используется ионизация воздушного зазора для создания звука. Поскольку
массы, приводимые в движение, очень малы, громкоговоритель обладает не-
большим временем нарастания и затухания колебаний. Получаемый звуковой
поток незначителен, поэтому практически ионофон может использоваться
в качестве высокотонального громкоговорителя. В коронарном громкоговори-
теле для создания звука используется эффект коронарного тлеющего раз-
ряда. В результате параллельного применения серии разрядой можно до-
биться больших звуковых мощностей. Эти громкоговорители также имеют
очень небольшое время нарастания и затухания колебаний. Неприятным по-
бочным эффектом является образование озона.
Для создания широкополосных шумов высокой интенсивности, например
при исследовании усталостных свойств материалов и конструкций (ракето-
Рнс. 2.21. Принципиальная схема пневматиче-
ского звуконзлучателя.
/ — воздуховод; 2 — регулирующая катушка; 3 —
центрирующее приспособление; 4 — регулируемый
воздушный поток; 5 — цилиндрический электро-
магнит.
строение), применяют сжатый воздух, который управляется с помощью си-
стемы шлицев, возбуждаемой электродинамическим преобразователем (рис.
2.21), Эта система [I] позволяет получать широкополостные сигналы интен-
сивностью свыше 160 дБ (А). Уровень помех, обусловленных турбулентностью
потока сжатого воздуха, очень большой.
2.4. ЛИТЕРАТУРА
I. Clarkson В. L. Acoustic fatigue test facilities. Chapt 19 in: Noise and
Acoustic Fatigue in Aeronautics (ed. Richards E. J. and Mead D. J.). Lon-
don, Wiley, 1968.
2. Cremer L. Vorlesungen liber Techhische Akustik. Berlin, Springer,
3. Cremer L., Heckl M. Korperschall. Berlin, Springer, 1967.
4. Lenk A. Elektroinechanische Systeme. Bd. 1. Systeme mit konzentrier-
ten Parameters Berlin, VEB Verlag Technik, 1971.
5, Reichardt W. Grundlagen der Technischen Akustik. Leipzig, Geest und
Portig, 1968.
3. ТЕХНИКА АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ
X. Г. ДИСТЕЛЬ
3.1. ЗАДАЧИ
В этом разделе описываются основы выполнения акустических
и вибрационных измерений []—3, 6, 9]. Прежде всего речь идет о технике из-
мерения воздушного шума и звуковой вибрации. Измерения в жидкостях
проводят аналогичным образом, заменяя микрофон гидрофоном.
3.2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
3.2.1. Общие требования
Аппаратура для замера звука и вибраций содержит следующие
основные элементы: электроакустический преобразователь, усилитель, выпря-
митель и индикатор или регистрирующий прибор. Приборы для измерения
воздушного звука не должны реагировать на сотрясения, а аппаратура для
замеров звуковой вибрации — на воздушный шум.
Кроме того, аппаратура должна быть рассчитана на работу в широком
динамическом диапазоне, с тем чтобы большие амплитуды не приводили
к недопустимым искажениям, а при малых амплитудах измеряемая величина
не «маскировалась» собственными помехами. На результаты измерений не
должны оказывать значительного влияния изменение температуры или дав-
ления, ветер, влажность воздуха, магнитные или электрические возмущения.
3.2.2. Микрофоны
Микрофоны должны быть по возможности малых размеров,
чтобы не влиять на измеряемое звуковое поле. Небольшие микрофоны можно
использовать в широком диапазоне частот, вплоть до самой высокой. Однако
ввиду относительно небольшой чувствительности применение их при малой
интенсивности измеряемых величин (табл. 3.1) ограничено. Преимущество
небольших микрофонов состоит в том, что их характеристика направленности
более равномерна. Поэтому при измерениях в тех'-случаях, когда направле-
ние распространения звука не точно совпадает с направленностью микро-
фона, получается меньше ошибок.
В зависимости от характера звукового поля различают несколько пока-
зателей чувствительности микрофона. В свободном поле напряжение, созда-
ваемое микрофоном, соотносят со звуковым давлением свободной плоской
бегущей волны, движущейся к центру микрофона в направлении его оси.
Чувствительность в диффузном поле есть отношение выходного напряжения
к звуковому давлению в диффузном поле,'в котором звук, как известно, рас-
пространяется статистически равномерно по всем направлениям. Для чувст-
вительности по давлению напряжение на выходе микрофона соотносят со
звуковым давлением, фактически создаваемым перед мембраной микрофона.
Для измерений преимущественно используют конденсаторные микрофоны,
из-за их равномерной частотной характеристики (подраздел 2.З.1.1.). Они
имеют тонкую диафрагму, которая защищается сеткой. Чувствительность кон-
денсаторных микрофонов изменяется под действием влаги, в связи с чем
они должны часто просушиваться или постоянно обогреваться. Это позволит
60
Таблица 3.1. Технические характеристики некоторых распространенных
микрофонов
Тип Диаметр, мм Диапазон частот, Гц | Чувствитель- ность, мВ/Па Динамичес- кий диапа- зон, дБ (А) ж с ж о о ю а; as Эквивалент- ный воздуш- ный объем, мм3 Рабочий диапа- зон темпера- туры, °C
Конденсаторный 23,8 Микрофон 2,6—18 500 3.9—40 000 ы для 50 воз души 15—145 ого звук 66 а 130 От —50 до +60 От —50 до +60
12,7 12,5 30—160 18 10
6,4 3,9—100 000 4 50—172 6,4 0,6 От —50 до +60 От —50 до “г60
» 3,2 6,5-140 000 64-176 3,5 <0,1
Электродинами- 33 30—20 000 2 10-150 200 Ом
ческий Пьезоэлектри- 23,8 3—10 000 3 30—140 4000 От —10 до +70
ческий » 44 0,1—10 000 Гидро 0,29 фоны - 20 000 От —60 до +100
» 21 0,1—200 000 0,035 - 7 000 От —40 до +120
избежать потрескиваний из-за возникновения электрических разрядов между
диафрагмой и противоэлектродом. В связи с трудностями создания термо-
стойких керамических материалов с достаточно высоким пьезоэлектрическим
эффектом лишь в последнее время для измерений начали применять пьезо-
электрические микрофоны (табл. 3.1).
Электродинамические микрофоны почти всегда используют для сравни-
тельных измерений. У них очень низкий уровень собственных помех, поэтому
они пригодны для измерения слабых шумов.
При выборе микрофона кроме характеристик, приведенных в табл. 3.1,
следует учитывать и некоторые другие факторы. Как уже упоминалось, чем
выше частота измерений, тем меньше должен быть размер микрофона. Чтобы
не искажать звуковое поле, микрофонные держатели, соединительные кдбели,
усилители (если они находятся вблизи микрофона) должны быть небольших
размеров. Оператор, обслуживающий аппаратуру, должен находиться на рас-
стоянии не менее 1 м от микрофона. Другие источники погрешностей — это
воздействие электрических и магнитных переменных полей, особенно при
использовании длинных кабелей, а также влияние ветра и воздушных пото-
ков. Последний фактор, связанный с незначительными колебаниями звуко-
вого давления, возникающими из-за обтекания микрофона и воздействую-
щими на диафрагму, особенно нужно учитывать при измерении в открытом
пространстве или в воздушных каналах. Эти помехи, обусловленные обтека-
нием микрофона, при скорости ветра 5 м/с равны примерно 90 дБ, а при
скорости 20 м/с — около 115 дБ. Сигнал содержит в основном низкие час-
тоты (до 100 Гц), а около 1000 Гц он ниже указанных выше уровней на
25-30 дБ.
3.2.3. Шумомеры
Для измерения звуковых процессов обычно используют измери-
тельные приборы, регистрирующие уровень в диапазоне частот, как минимум,
от 20 до 12 5QP Гц
Lp = 20lg(p/p0) дБ, (3.1)
где р— эффективное значение звукового давления (1.3): Ро— 20 мкН/м2=
= 2-10-4 мкбар — пороговая величина звукового давления.
61
Эти приборы, называемые шумомерами, позволяют оценивать спектраль-
ный состав шума в соответствии с- международными частотными корректи-
рующими характернстикамн Л, В и С (рис. 3.1). Для замера шумов преиму-
щественно используется характеристика А. Характеристика С равномерна
в большей части диапазона слышимых частот. Для измерения шумов само-
Рис. 3.1. Оценочные (частотные) 'характеристики А, В, С
и D для шумомеров. Уровни звукового давления соотне-
сены к значению уровня на 1000 Гц в зависимости от час-
тоты.
летов предложена оценочная корректирующая характеристика D (рис. 3.1).
Характеристика В утратила в настоящее время свое значение. Все указан-
ные характеристики применимы для измерений шума в свободном звуковом
поле, на рабочем месте и в строительной акустике (подраздел 5.2).
Требованиями к точным шумомерам предусмотрены трн различные ди-
намические характеристики:
«быстро» (англ, fast) — для звуковых процессов продолжительностью бо-
лее 200 мс;
1 2 3^3 6
Рис. 3.2. Блок-схема импульсного шумомера.
I — микрофон с предварительным усилителем и блоком оцевочиых харак-
теристик; 2 — квадратичный выпрямитель; 3 — интегрирующий блок, т=
=35 мс; 4 — блок извлечения корня; 5—накопитель тзар<35 мс, Траз=
=3 с; 6 — логарифмический блок и регистрирующий прибор.
«медленно» (англ, slow) — для квазистационарных звуковых процессов
н измерений звуковой энергии;
«импульс» — для импульсных шумов н шумов продолжительностью от
1 до 200 мс.
Блок-схема импульсного шумомера приведена на рис. 3.2. Постоянная
времени интегрального блока составляет 35 мс. Точные шумомеры имеют
накопитель, который благодаря быстрому установлению процесса н медлен-
62
ному спаду стрелки индикатора делает возможным считывание полученных
максимальных значений.
Поскольку измеряемая величина зависит от корректирующих характери-
стик, которые используются при измерениях, н от динамических свойств при-
бора, результат следует обозначать опознавательным буквенным символом;
например, уровень импульсного звукового давления, измеренный на характе-
ристике А —Lai-
В целях точного измерения высоких пнковых значений звукового давле-
ния, характерных для импульсных и кратковременных шумов, импульсный
шумомер вместе с усилителями и выпрямителями должен обладать повышен-
ным диапазоном значений измеряемого давления. При каждом превышении
диапазона должна зажигаться сигнальная лампочка. Прямоугольные им-
пульсы с коэффициентом амплитуды не более пяти и коэффициентом запол-
нения 26 должны еще восприниматься прибором.
3.2.4. Дополнительные приборы
З.2.4.1. Осциллографы, самописцы, счетчики повторяемости уров-
ней. Часто считывание показаний приборов, особенно при флюктуациях уров-
ней, не является лучшим методом. В этих случаях помогают другие методы
регистрации.
Если необходимо зарегистрировать мгновенное значение звукового давле-
ния, особенно пиковое, то применяют электронно-лучевые осциллографы.
Широко распространенным прибором для записи уровней звука и ча-
стотных спектров является самописец уровней. С его помощью можно также
регистрировать быстро меняющиеся сигналы. Недостаток самописца — инер-
ционность записывающей системы. Наиболее распространенные самописцы
обладают динамической чувствительностью до 250 дБ/с.
Для того чтобы результаты измерений, выполняемые различными орга-
низациями, выглядели единообразно, в международной практике принято
использовать такие самописцы, у которых протяженность воспроизводимой
ими частотной декады на абсциссе частотной характеристики соответствовала
бы 10, 25 или 50 дБ, отложенным на ординате [4].
Самописцы могут также использоваться для построения полярных диа-
грамм при замерах характеристик направленности источников звука или
микрофонов. При этом поворотный стол, на котором установлен источник
звука, должен вращаться синхронно с вращением бланка полярной диаграммы
самописца.
Колебания уровней звукового сигнала (например, транспортный шум)
подчас можно проанализировать только после трудоемкой работы. Счетчики
повторяемости уровня позволяют объективно выполнить статистический ана-
лиз на основе закономерностей теории вероятностей. У этих проборов'имеется
контактная планка, прикрепляемая к держателю пера самописца. Диапазон
измерения делится на 12 равных поддиапазонов, и для каждого поддиапазона
выделяется счетчик. Управляющие импульсы "через определенные промежутки
времени включают тот счетчик, который в данный момент соответствует по-
казанию самописца. Схему можно настроить таким образом, чтобы получить
распределение уровней на отдельных частотах, Счетчики повторяемости уров-
ней особенно часто используют для определения эквивалентного уровня в те-
чение определенного промежутка времени (подраздел 5.4).
3.2.4.2. Магнитофоны. Для частотного анализа и других исследований
зачастую рекомендуется в качестве промежуточного накопителя информации
применять магнитофон. Магнитофон должен иметь равномерную частотную
характеристику; уровень записи необходимо тщательно регулировать для
того, чтобы, с одной стороны, избежать искажений, а с другой стороны,
оптимально» использовать сравнительно небольшой динамический диапазон
магнитной ленты. Там, где не требуется особая точность, можно применять
высококачественные бытовые магнитофоны, которые работают по принципу
прямой записи. Если необходима запись на частотах ниже 20 Гц, то
целесообразно использовать магнитофоны с частотно-модулированной записью.
63
Характеристики магнитофонов с прямой записью контролируют и корректи-
руют с помощью эталонной ленты.
3.2.4.3. Анализаторы. Если информация, получаемая прн измерении об-
щих уровней звука, оказывается недостаточной, должен проводиться анализ
шума. Частотный анализ можно осуществлять с помощью октавных и третьо-
ктавйых фильтров или узкополосных анализаторов. Во время анализа сиг-
нал должен иметь установившийся характер. Если это не так, то сигнал
записывается на магнитную ленту; вырезанная ее часть с установившимся
характером процесса склеивается в кольцо, затем анализируемый сигнал вос-
производится и одновременно подается на анализатор.
Октавный анализ, естественно, содержит лишь укрупненные детали. Тем
не менее акустические критерии во многих случаях указываются для октав-
ных полос. Шумы с широкополосным спектром часто анализируют с по-
мощью третьоктавных фильтров, поскольку и человеческое ухо подразделяет
широкополосный спектр приблизительно на терции.
Таблица 3.2. Нижние и верхние границы частот и fB, среднегеометрические
частоты fc третьоктавных и октавных фильтров, а также
корректирующие поправки Дп для расчета уровней на характе-
ристике А
Октава Третьоктава
f„, Гц fB, Гц '«• Г« Дп, дБ f„, ГЦ fB, ГЦ /с. Гц Дп, дБ
11 22 16 +56,7 14,1 17,8 16 +56,7
17,8 22,4 20 +50,5
22,4 28,2 25 +44,7
22 44 31,5 +39,4 28,2 35,5 31,5 +39,4
35;5 44,7 40 +34,6
44,7 56,2 50 --30,2
44 88 63 +26,2 56,2 70,7 63 --26,2
70,7 89,1 80 --22,5
89,1 112 100 --19,1
88 177 125 + 16,1 112 141 125 --16,1
141 178 160 + 13,4
178 224 200 + 10,9
177 355 250 +8,6 224 282 250 +8,6
282 355 315 +6,6
355 447 400 +4,8
355 710 500 +3,2 447 562 500 +3,2
562 708 630 + 1,9
708 891 800 +0,8
710 1 420 1 000 0 891 1 122 1 000 0
1 122 1 413 1 250 —0,6
1 413 1 778 1 600 —1,0
1 420 2 840 2 000 —1,2 1 788 2 239 2 000 —1,2
2 239 2 818 2 500 —1,3
2 818 3 548 3 150 —1,2
2 840 5 680 4 000 —1,0 3 548 4 467 4 000 —1,0
4 467 5 623 5 000 —0,5
5 623 7 079 6 300 +0,1
5 680 11 360 8 000 + 1,1 7 079 8 913 8 000 —1,1
8 913 11 220 10 000 --2,5
И 220 14 130 12 500 -4,3
11 360 22 720 16 000 +6,6 14 130 17 780 16 000 —6,6
17 780 22 390 20 000 +9,3
64
В табл. 3.2 приведены верхйие и йнжйие границы частот, а Также сред-
негеометрические частоты наиболее употребляемых октавных и третьоктавных
фильтров. Табл. 3.2 содержит также корректирующие поправки Дп для расчета
уровней на характеристике А, относящиеся, к определенным среднегеометри-
ческим частотам (рис. 3.1). Из уровней звукового давления Ln, измеренных
в отдельных диапазонах частот с помощью соответствующих фильтров, вы-
числяют уровень на характеристике А по следующей формуле (табл. 1 при-
ложения) :
Гл=1°16^21о(1''‘_А")/1°] «Б- (3.2)
Зачастую, например при разработке некоторых мер по снижению шум-
ности, третьоктавного анализа спектра недостаточно. В этих случаях приме-
няют узкополосный анализатор с полосой пропускания 10 Гн. С его помощью
можно измерить чисто периодические составляющие сигнала, даже при на-
личии сильного шумового фона. Вследствие узкой полосы пропускания и
большой постоянной времени фильтров скорость анализа будет относительно
небольшой. Если характер спектра исследуемого шума равномерный, а тре-
буемая точность измерения соста'вляет один децибел, время анализа при
использовании фильтра с полосой пропускания В в Гц должно составлять,
как минимум, 50/В с. При требуемой точности измерений в 3 дБ время
анализа равно 5/В с.
3.2.5. Приборы для измерения вибраций
З.2.5.1. Приемники звуковой вибрации. Для измерения звуковой
вибрации применяют электроакустические преобразователи (подраздел 2.3),
которые создают электрический сигнал, пропорциональный смещению, дефор-
мации, скорости или ускорению [2]. Наиболее важная характеристика прием-
ника вибрации — это его чувствительность, являющаяся функцией частоты.
Для измерения смещений используют электростатические преобразователи,
причем колеблющийся объект измерения служит пластиной конденсатора. Для
измерения скорости на низких частотах применяют электродинамические пре-
образователи. Пьезоэлектрические преобразователи, часто используемые на
практике вследствие простоты их конструкции, являются приемниками уско-
рения (подраздел 2.3.1.4).
Основные данные о наиболее распространенных приемниках звуковой
вибрации приведены в табл. 3.3. Наряду с чувствительностью, частотным дна-
пазоном’н емкостью в таблице указаны рабочий диапазон температуры (из-за
наличия точки Кюри), а также масса виброприеминка. Знание массы позво-
ляет учесть реакцию вибропрнемника на объект измерения, которая тем
больше, чем больше масса приемника и выше частота. Практически незначи-
тельная реакция характерна для емкостных датчиков, так как на объект их
измерения наклеивается только легкая пленка. В случае использования
пьезоэлектрических или электродинамических. приемников вибрации погреш-
ность измерений составит менее 2 дБ, если частота будет соответствовать
следующему условию1.
f<zcnph2/m, (3.3)
где с-к — скорость продольных волн; р — плотность материала объекта изме-
рения; h — толщина объекта измерения; т — масса датчика.
Например, на алюминиевой пластине толщиной 1 мм датчик весом 10 г
допустимо исаользовать лишь до частоты 1100 Гц.
Поскольку смещение, скорость и ускорение — векторы, для их измерения
необходимы приемники с направленными характеристиками, чувствительность
которых перпендикулярно главной оси должна быть на 26 дБ меньше, чем
по главной оси. Определяя порознь составляющие, можно получать векторы
3 Заказ. We 740
65
Таблица 3.3 Технические характеристики некоторых наиболее
распространенных виброприемников
Тип Масса, г Чувстви- тельность, мВ/(М'С~2) Частотный диапазон, Гц Емкость, пФ Макси- мальное измеряе- мое значе- ние, м/с2 Рабочий диапазон темпера- туры, °C
Пьезоэлек- трический 2 0,2 20—40 000 900 140 000 От —200 до +200
То же 15 1,5 20—10 000 1000 100 000 От —30 до +250
» 60 10 20—3000 1000 5 000 От —30 до +250
» 600 1000 0,2—1000 1000 10 От —10 до +85
» 0,25 0,3 20—40 000 150 20 000 От —30 до +100
» 6 0,5 20—12 000 50 100 000 От —200 до +200
Электро- динамиче- ский 250 20 В/(м/с) 5—200 — — —
То же 450 30 В/(м/с) 20—2000 — — —
движения. Однако на практике почти всегда ограничиваются измерениями
в «главном направлении».
3.2.5.2. Измерители уровня и вспомогательные приборы. Поскольку из-
мерения вибрации проводятся, как правило, в связи с другими акустическими
задачами, результаты измерений принято представлять как уровни в опре-
деленном диапазоне частот. Чаще всего вычисляют уровень скорости
I,, = 20 lg v/v0 дБ, (3.4)
где о — эффективное значение замеренной скорости; Vo — 5-Ю-8 м/с — поро-
говое значение скорости.
Реже определяют уровень ускорения
— 20 1g а/а0 дБ, (3.5)
где а — аффективное значение замеренного ускорения; По=10-3 м/с2 — порого-
вое значение ускорения.
Для измерения уровней вибрации, в случае применения пьезоэлектрических
и электродинамических приемников, пригодны шумомеры и описанные в под-
разделе 3.2.4 дополнительные приборы. При этом нужно знать лишь чувст-
вительность соответствующего вибропрнемника или откалибровать всю изме-
рительную систему в соответствии с определенным источником звуковой
вибрации.
Часто желательно сигнал, пропорциональный ускорению, который выда-
ется пьезоэлектрическим приемником, преобразовать в сигнал, пропорцио-
нальный скорости, с тем чтобы получить уровень скорости. Такое преобразо-
вание можно осуществить с помощью электрического интегрирующего эвена.
Однако зачастую это приводит к потере чувствительности. Поэтому реко-
66
мсндуется выполнить частотный анализ ускорения и рассчитать уровень ско-
рости в отдельных полосах частот по формуле
L» = 20 1£Л>„ = 20lg-= La + 20 1g — дБ-201g/ дБ-16 дБ. (3.6)
<МоЯО и0
Если используется приемник с чувствительностью а, мВ/(мс~2) н вольт-
метр, у которого 0, мВ —0 дБ, то
L^L^-SOlg-^'^10 8 =Lu-201g/: дБ—201gдБ +130 дБ, (3.7)
где Lu — измеренное прибором напряжение в полосе частот со средней ча-
стотой f, Гц.
В случае измерений в диапазоне частот, который выходит за пределы
обычного акустического диапазона, нужно обязательно проследить за тем,
чтобы усилители и другие приборы измерительного тракта обладали соот-
ветствующими частотными характеристиками. Прн низкочастотных колеба-
ниях рекомендуется применять зарядные усилители, которые, кроме того,
имеют еще то преимущество, что уменьшают влияние кабеля, находящегося
между приемником и усилителем. Однако возбуждение очень высоких ча-
стот, например, при ударах, вызывает повышение уровней на резонансах виб-
роприемника, а это может привести к возникновению нелинейности.
3.2.6. Приборы дня измерения акустического
и механического импеданса
Для того чтобы замерить импеданс Z"=plv или Z=Fjv (раз-
дел 1.2.1.3), необходимо измерить звуковое давление р или силу F и ско-
рость v в соответствующем направлении. Пригодный для этого прибор со-
стоит из конденсаторного микрофона, смонтированного на системе с под-
вижной катушкой, синусоидально перемещающейся в звуковом поле
в направлении измерения импеданса [7]. Согласно другому методу обратные
значения волнового сопротивления p/v рассчитывают исходя из градиента
фазы звукового давления и градиента уровня звукового давления [8]. Нако-
нец, есть возможность использовать метод сравнения, при котором измеряют и
сравнивают пропорциональные импедансам значения звукового давления
с известным импедансом (например, с импедансом небольшого замкнутого
объема, имеющего акустически жесткие стенки), с использованием одного
и того же источника звука с постоянной скоростью. В плоскости измерения
импеданса (рис. 33) рядом расположены два отверстия, одно из которых
предназначено для высокоомного источника звука, а второе — для зонда ми-
крофона, измеряющего звуковое давление. Импеданс —pc2/(/®Vw), от-
сюда Z~ (pfpN) Ztt, где индекс N относится к объему с известным импедансом.
В строительной акустике часто применяется вспомогательный прибор —
импедансная труба (рис. 3.4). В такой трубе, диаметр которой должен быть
меньше 0,6 длины волны, можно измерять импеданс на конце трубы.
Для измерения механических импедансов разработаны измерительные
головки, содержащие приемники силы и приемники вибрации. Их устанавли-
вают на измеряемый объект, который возбуждается небольшим электроди-
намическим вибратором, после чего измеряют силу и скорость.
3.2.7. Методы калибровки микрофонов
З.2.7.1. Камера давления, пистонфон. Чувствительность микрофо-
нов можно определить в небольшой акустически жесткой камере давления.
Прн этом определенные колебания давления, вызываемые движением поршня
(пистонфоном), воздействуют на калибруемый микрофон (рис. 3.5).
3*
67
Определяемый
импеданс
Известный
импеданс
Рис. 3.3. Схема измере-
ний акустических импе-
дансов методом срав-
нения.
1 — источник звука постоян-
ной мощности; 2— микро-
фон с зондом.
Рис. 3.4. Измерение импеданса и коэффициента звукопоглоще-
ния в акустически жесткой трубе: а—схема измерительной
установки; б — амплитудно-частотная характеристика трубы;
в коэффициент поглощения.
/ — концевой поршень; 2 —образец; 3 — микрофон (приемник давле-
ния); 4 — /?С-генератор; 5 — громкоговоритель; 6— усилитель; 7 —
фильтр; 8 — индикаторное устройство; 9 — осциллограф; 10 — шкала;
// — заглушенный участок трубы; 12 — рабочий участок>^./2; 13 — уча-,
сток размещения образца; 14, 15—звуковое давление соответственно
при жестком концевом поршне и при звукопоглотителе, установлен-
ном на поршне.
68
1 ?. 3
Эффективное значение звукового давления
*P,S„E
- -----(3.8)
р~ 2/2V ’
Где х — отношение удельных теплоемкостей (для воздуха х = 1,4); — атмо-
сферное давление; Sk — площадь поршня; £ —амплитуда хода поршня, за-
меренная между крайними значениями; V — объем камеры давления.
При очень низких н очень высоких значениях частоты уравнение (3.8)
неприменимо, так как изменяется теплопроводность (х<1,4) и неравномерно
распределяется звуковое давление (длина волны меньше Vs самого большого
линейного размера камеры).
3.2.7.2. Электростатический вспомогательный электрод. Этот простой ме-
тод калибровки пригоден лишь для определенного типа конденсаторных мик-
рофонов. Он заключается в записи ча-
стотной характеристики микрофона с по-
мощью вспомогательного электростати-
ческого электрода, установленного изо-
лированно от диафрагмы микрофона.
Звуковое давление имитируется на диа-
фрагму за счет электростатических сил
между вспомогательным электродом и
диафрагмой. Для линеаризации квадра-
тичной зависимости между силой F и
электрическим напряжением на пере-
менное напряжение U~ должно нало-
житься большее по значению постоян-
ное напряжение (/=:
F = kU=U~- (3.9)
Поскольку коэффициент пропорцио-
нальности К. зависит от расстояния
между диафрагмой и вспомогательным
электродом, обычно довольствуются измерением относительной частотной ха-
рактеристики микрофонов. Переменное напряжение отбирается ог тонального
генератора, а с помощью самописца регистрируется напряжение микрофона.
Абсолютное значение чувствительности для определенной частоты проще
определять с помощью пистонфона или калибратора.
3.2.7.3. Сравнение с эталонным микрофоном. Если имеется калиброван-
ный микрофон с известной чувствительностью, то калибруемый микрофон
можно поместить в определенное звуковое поле вместе с эталонным и срав-
нить полученные напряжения (вторичная калибровка)-.
Микрофоны в свободном звуковом поле устанавливают иа треноге, по-
следовательно на то же самое место- в звуковом поле или одновременно
в симметричных точках звукового поля (рис. 3.6).
В диффузном звуковом поле реверберационной камеры (подраздел 3.3.3.)
места установки микрофонов должны быть удалены из зоны прямого излу-
чения источника, которая характеризуетя радиусом (гн, м), определяемым
по формуле
Рис. 3.5. Калибровка микрофонов
с помощью пистонфона.
1 — система возбуждения; 2 — микро-
скоп; 3 — камера давления; 4— микро-
фон; 5 — поршень.
где V — объем реверберационной камеры, м3; Т — время реверберации, с.
Кроме тога, места установки микрофонов должны быть удалены от стен
реверберационной камеры, как минимум, на расстояние, равное половине
длины волны.
При сравнительных замерах в камерах давления следует иметь в виду,
что объемы этих камер должны совпадать, ибо в противном случае звуковое
давление, воздействующее на микрофоны, будет разным.
69
3.2.7.4. Принцип взаимности. Самый точный метод калибровки микрофо-
нов основан на использовании принципа взаимности. В соответствии с этим
принципом для обратимого преобразователя отношение его чувствительно-
стей как передатчика и как приемника зависит не от конструкции преобра-
зователя, а от окружающего его звукового поля.
Калибровка осуществляется в два этапа. Сначала в звуковом поле од-
ного из источников звука определяется по методу сравнения (подраз-
дел 3.2.7.3J отношение чувствительности обратимого преобразователя и ми-
крофона. Затем обратимый преобразователь используется как передатчик и
замеряется напряжение микрофона, создаваемое его звуковым полем. Ино-
гда возникают затруднения, связанные с тем, что обратимый преобразова-
тель (как правило, система микрофонов) в некоторых диапазонах частот
излучает недостаточно. В этих случаях для подавления помех рекомендуется
использовать узкополосные фильтры. Основываясь на принципе взаимности,
Рис. 3.6. Блок-схема калибровки микрофонов методом
сравнения с эталонным микрофоном в свободном зву-
ковом поле.
1 — генератор; 2 —усилитель; 3 — заглушенная камера; 4 —-
самописец.
L — громкоговоритель; Р — калибруемый микрофон; /? —эталон-
ный микрофон.
из второго ряда замеров получают произведения чувствительности обрати-
мого преобразователя н чувствительности микрофона. Затем нз обоих резу-
льтатов отдельно рассчитывают чувствительность преобразователя и мик-
рофона.
Преимущество использования принципа взаимности заключается в том,
что для калибровки, по этому методу не требуются калиброванные микро-
фоны. В основном необходимо определить лишь отношение напряжений, что
очень просто достигается с помощью калиброванной компенсирующей схемы.
На калибровку по методу взаимности в камерах давления распростра-
няются те же рекомендации в отношении диапазона частот, что и указан-
ные в подразделе 3.2.7.1. В узких цилиндрических камерах давления, в ко-
торых можно создавать плоские волны, микрофоны калибруют лишь до
частот, соответствующих первому продольному резонансу камеры, так как
при этом в ней выравнивается звуковое давление.
Точность, достигаемая с помощью метода взаимности, зависит также от
типа звукового поля. Наиболее точные замеры возможны в камере давле-
ния (от 0,1 до 0,3 дБ). Рассеяние результатов измерения неизбежно не-
сколько выше для свободного и диффузного звуковых полей.
3.2.8. Метод калибровки приборов дпя измерения вибраций
З.2.8.1. Возбуждение с помощью вибростола. Для калибровки
виброприемников используют вибростолы, как правило, с электродинамиче-
ским приводом, которые могут задавать определенное смещение, скорость
70
Рис. 3.7. Схема уста-
новки виброприемни-
ков при использова-
нии метода сравнения.
! — вибростол
Р — калибруемый вибро-
приемник; N — эталон,
ный виброприемник.
точек смещения. Осо-
его использовании по-
или ускорение на требуемой частоте. Частотный диапазон внбростолов ог-
раничен на высоких частотах резонансами движущихся частей. Верхняя
граница частот больших электродинамических систем находится в районе
20 кГц. Для калибровки легких приемников ускорения разработан вибратор,
который позволяет автоматически регистрировать частотные характеристики
приемников в диапазоне от 50 Гц до 50 кГц методом сравнения, а также
калибровать их по методу взаимности.
3.2.8.2. Сравнение с эталонным виброприемииком. Если имеется вибро-
приемник с известной чувствительностью, то калибруемый виброприемник
можно с ним сравнить, как с эталоном, воздействуя ’на оба прибора одина-
ковыми колебаниями (подраздел 3.2.7.3). Этого можно, в частности, достичь
размещением обоих приемников рядом или один над другим (рис. 3.7) на
одном и том же вибростоле. Метод установки приемников один над другим
применим, как правило, до значений частоты около
10 кГц, при расположении же приемников рядом по-
мехи могут возникать на более низких частотах.
3.2.8.3. Метод взаимности. Изложенный в под-
разделе 3.2.7.4 метод взаимности применим также и
для калибровки внброприемников. Аналогично в по-
следнем случае также должен предусматриваться
обратимый электромеханический преобразователь,
функционирующий и как генератор колебаний, и как
виброприемник. Связь между генератором и прием-
ником осуществляется с помощью небольшого метал-
лического цилиндра, масса которого учитывается
при оценке результата калибровки. В остальном —
это чисто электрические измерения. Погрешность из-
мерений по методу взаимности в диапазоне частот
200 Гц —10 кГц составляет около 0,5 дБ.
3.2.8.4. Оптические измерения амплитуды смеще-
ния при колебаниях. В диапазоне частот до' 500 Гц
амплитуду смещения объекта измерения можно оп-
ределять с помощью микроскопа для исследований
в отраженном свете, Микроскоп должен быть осна-
щен окулярным микрометром с шагом в 1 мкм. Его
следует установить таким образом, чтобы на него не
передавались колебания вибростола. С помощью
стробоскопического освещения соответствующей
частоты можно точно определить положение крайних
бенностью оптического метода является то, что при
лучают удвоенное пиковое значение амплитуды, а соответствующее выход-
ное напряжение виброприемника находят в виде эффективного значения.
С помощью микроскопа можно с достаточной точностью определять ам-
плитуды смещения более 1 мкм.
С помощью интерферометров осуществляют очень точные измерения
в широком диапазоне амплитуд, изменяющихся от менее чем 1 мкм до не-
скольких миллиметрс}в в диапазоне частот примерно от 1 Гц до 20 кГц.
В этих устройствах накладываются один на другой два когерентных пучка
света, причем в зависимости от фазы возникают светлые и темные интер-
ференционные полосы, В то время как один пучок света отражается от не-
подвижного зеркала, другой пучок отражается от движущегося объекта
измерения. При движении вибростола рисунок интерференционных полос ме-
няется, полосы фиксируются фотоэлементом и регистрируются с помощью
электронного счетчика. Амплитуда смещения, как правило, соответствует 1/8
длины световой волны.
Для образования большой когерентной волны в качестве источника света
преимущественно используют лазеры, например гелиево-неоновые, лазеры,
излучающие свет при длине волны 0,6328 мкм. Ввиду их высокой интенсив-
ности интерференционную картину можно получать на оптически неплоскнх
и на незеркальных поверхностях.
71
3.3. ПРОВЕДЕНИЕ ЗАМЕРОВ
3.3.1. Подготовка аппаратуры
Перед началом измерений надлежит проверить работоспособ-
ность всех приборов, проследить, чтобы вся аппаратура была электрически
правильно соединена, а также постараться исключить влияние внешних элек-
трических полей. Затем с помощью эталонного источника звука, например
пистонфона, необходимо провести акустическую калибровку микрофона. Что-
бы проследить за тем, соответствуют ли характеристики этих приборов пара-
метрам замеряемых уровней звука, нужно • акустический эталонный сигнал
записать на самописце или магнитофоне. Калибровку следует производить
весьма тщательно, так как погрешности ее отражаются на результатах по-
следующих измерений. Во избежание искажений пиковых значений при за-
писи импульсных шумов магнитофон необходимо настроить по эталонному
сигналу так, чтобы максимальный уровень был на 10 дБ ниже динамического
диапазона прибора.
3.3.2. Учет уровня помех
Прн необходимости проведения замеров в сложных условиях
(сильные посторонние шумы, низкие значения измеряемых уровней, влияние
ветра, сотрясений, внешних полей) существует опасность соизмеримости
замеряемых уровней с уровнями помех (подраздел 3.2.2.). Поэтому необхо-
димо провести измерения уровней помех. Эти замеры должны осуществля-
ться на том же самом месте, с той же аппаратурой прн отключенном ис-
следуемом источнике шума и вибрации. Собственные уровни помех аппара-
туры можно определить, если' заменить преобразователи равнозначным, но
не чувствительным к звуку и вибрации импедансом н наблюдать за- показа-
ниями аппаратуры. Степень воздействия на приборы механических колеба-
ний определяют проверкой их на вибростоле; прн этом исключается воз-
действие воздушного шума. Вибропряемннки механически изолируют от ви-
бростола н подвергают воздействию звукового поля. Если при отключенном
источнике звука -н вибрации уровень помех меньше полезного сигнала иа
10 дБ, то воздействием помех можно пренебречь. Если разница между по-
лезным сигналом и уровнем помех меньше указанного значения, то необхо-
дима корректировка измеренных значений, осуществляемая путем вычи-
тания корректирующих поправок из измеренного уровня. Так, при разнице
между измеренными значениями и уровнем помех от 6 до 9 дБ и от 4 до
5 дБ корректирующая поправка будет соответственно' I и 2 дБ.
3,3,3. Измерения воздушного шума
Сначала измеряемый уровень шума субъективно оценивается на
слух, после чего выбирается подходящая измерительная аппаратура. Частот-
ные и временные параметры должны при этом удовлетворять требованиям
действующих норм н руководств (раздел 5).
Чтобы избежать погрешности в измерениях, оператор должен находиться
на определенном расстоянии от микрофона. Погрешность особенно велика,
если в спектре шума выделяются отдельные тона. Точные измерения должны
в таких случаях проводиться на расстоянии не менее 2 м. -При широкопо-
лосных шумах н диффузных полях достаточна дистанция в I м. Ручные шу-
момеры должны находиться на расстояикк не менее 30 см от оператора.
Если в зоне измерения находятся люди, то замеры осуществляются с по-
мощью шумомеров, откалиброванных в свободном звуковом поле (подраз-
дел 3.2.3).
При определении степени глушения звука шагов следует использовать
чувствительность в диффузном звуковом поле. Соответствующие поправки
72
рассчитываются из замеров в свободном звуковом поле под различными уг-
лами или вычисляются в реверберационной камере.
Ниже приведены некоторые методические указания по измерению воздуш-
ного шума при наиболее часто встречающихся акустических испытаниях.
3.3.3.1. Характеристики направленности. Под характеристикой направлен-
ности подразумевают зависимость звукового давления, измеренного на боль-
шом расстоянии от источника звука в определенной плоскости, от угла, от-
считываемого от выбранной опорной оси. Если наибольшие линейные размеры
источника обозначить d, то расстояние г, на котором следует проводить из-
мерения, должно удовлетворять следующим условиям:
r»d; г»Х; (3.11)
где X. — длина волны.
Для источников, состоящих из большого количества некогерентных малых
источников, третье условие отпадает.
Звукоотражающие плоскости или стены, размеры которых сравнимы
с длиной волны, не должны располагаться вблизи источника звука или ми-
крофона. Замеры могут осуществляться при неподвижном источнике звука
путем установки микрофона под различными углами или при неподвижном
микрофоне посредством вращения источника звука.
3.3.3.2. Определение излучаемой звуковой мощности. Важной задачей
в акустических измерениях является определение мощности источника звука
(подраздел 1.2.1.3). Если такие измерения проводятся в открытом простран-
стве или в очень большом заглушенном помещении в пределах зоны прямого
излучения (3.10), то следует определить в дальнем поле соответствующего
источника уровень звукового давления Lt во многих точках полусферы и ис-
ходя из этого рассчитывать средний уровень звукового давления Lop. На
практике часто приходится проводить замеры на расстояниях значительно
меньших, чем соответствующие уравнению (3.11Х Тем не менее можно полу-
чить довольно точные значения мощности (±1,5 дБ).
Для воздушного звука уровень мощности LP определяется из среднего
уровня звукового давления Lop по следующей формуле:
Ьр= i-cp+101g(S„/S0) дБ, (3,12)
где Sh — площадь ограждения, м2; So — приведенная площадь, 1 м2.
Для источников, находящихся не в воздухе, мощность рассчитывается по
уравнению (1,13).
Мощность, излучаемая в реверберационную камеру, вычисляется из
среднего уровня звука:
п2 А
(3.13)
рс 4
Уровень звуковой мощности при замерах в воздухе
Lp = Чр+ 10ДБ-б дБ, (3.14)
где 4 = 0,16У/Т — эквивалентная площадь поглощения, м2 (V—объем, м8;
Т — время реверберации, с).
Обычно LOp—это средний уровень звука в определенной полосе частот
и соответственно LP — уровень мощности в этой же полосе частот. Если Lop —
уровень в дБ(А), то уровень мощности LPa также выражается в дБ(А).
Звуковая мощность Pi, падающая на участок площади S, например на
стенку, рассчитывается по формуле
'2 с
* (3.15)
р *
73
Тем самым можно установить зависимость мощности Р\, падающей на
стейку, и мощности прошедшей через стейку, которая создает в соседнем
помещении давление рз и уровень Ls, и получить значение звукоизоляции
(подраздел 16.12):
tf^lOlg А- дБ-lOlgA-A дБ=Ь1-Ьа-Н01ё А ДБ. (3.16)
Рг р$ л А
3.3.3.3. Измерение времени реверберации помещения. Время ревербера-
ции помещения на определенной частоте или в определенном диапазоне час-
тот— это среднее время, в течение которого уровень звука после отключения
источника снижается на 60 дБ. В помещении с помощью громкоговорителей
в октавной или третьоктавиой полосе частот создается стационарное диф-
фузное звуковое поле. После отключения громкоговорителей с помощью мик-
рофона замеряется спад уровней звукового давления, который регистрируется
самописцем. Такие измерения в намеченных точках замеров необходимо по-
вторять многократно. Определяется время падения уровней на 30 дБ
в промежутке между уровнями иа 5 дБ и иа 35 дБ ниже, чем уровень ус-
тановившегося звукового поля, а затем путем экстраполяции рассчитыва-
ется время реверберации. Ломаные линии падения уровней свидетельст-
вуют о недостаточной диффузности звукового поля и из расчетов исключа-
ются. Для определения среднего времени реверберации необходимо про-
вести не менее шести замеров.
3.3.3.4. Определение звукопоглощения (эквивалентной площади «откры-
того окна») в реверберационной камере [5]. Как уже указывалось в подраз-
деле 3.3.3.2, существует взаимная зависимость эквивалентной площади звуко-
поглощения А и времени реверберации Т. После установления в ревербера-
ционной камере какого-либо поглотителя ее звукопоглощение увеличивается
на величину АЛ, а время реверберации уменьшается. Если время ревербера-
ции в пустом помещения Tj, а с испытуемым объектом—Т2, то звукопогло-
щение образца АЛ рассчитывается по формуле
ДЛ =0,16V[ —
\ ' 2
Если испытуемый объект имеет площадь 5, то коэффициент звукопогло-
щения as = ДЛ/S.
Коэффициент звукопоглощения as, замеренный в реверберационной ка-
мере, как правило, не идентичен коэффициенту поглощения а, замеренному в
импедансной трубе. Различие объясняется тем, что звук в реверберационной
камере падает на поверхность образна со всех направлений, а также тем,
что вышеприведенное уравнение (3-17) является приближенным. По этой
причине коэффициент звукопоглощения, замеренный в реверберационной ка-
мере, может быть больше единицы, хотя это не имеет физического смысла.
Для точных измерений площади поглощения объем реверберационной камеры
должен быть не менее 200 м3, а время реверберации пустой камеры по воз-
можности продолжительным (при 125 Гц—минимум 5 с, при 4000 Гц—2 с).
Влияние краевых эффектов можно исключить, если образец будет цельным и
иметь площадь не менее 10 м2. Кроме того, в реверберационной камере реко-
мендуется устанавливать диффузоры («рассеиватели» звука).
(3.17)
3.3.4. Измерения вибраций
8.З.4.1. Измерения уровней звуковой вибрации. При выборе со-
ответствующего измерительного тракта нужно учитывать цели измерений,
диапазон частот; в котором будут они проводиться, а также степень влияния
измерительной аппаратуры на объект измерения.
Установка виброприемника на объекте измерения должна быть выпол-
нена так, чтобы основная ось приемника совпадала с интересующим нас на-
правлением колебаний объекта измерений. В месте установки не должны воз-
74
Таблица 3.4. Определение механических характеристик в результате измерения
резонансов
Одномассовая колебательная система Образец и масс (/ — сист 2 — прие кое осио ч с жест ой т ема воз мник; вание) wl R- 1 {ОСТЬЮ S уждения; — жест- ^2 5 = 4 п = bf/fR
«Звуковой гриб» Образец с жесткостью s и массой и и?2 т1 т2 22 тгт« s — 4 л/п, * /Дх + шг п = АЖ
Торсионный маятник Образец с крутильной жесткостью Т {1 — жесткое крепление; 2 —диск с моментом инеричи 0) f | <7 т = 4л2^е п =
Изгибный стержень Стержень с изгибной жесткостью Вил нейной массой tn1 , 1 г г р ъ и И- 64 п = AW»
Продольный стержень При меч кривой; fn — ре вых систем и «з образца с масса толщина. Стержень с модулем упругости Е и плот- ностью р -г г н и я.* fR — резонансная ча зонансная частота с числом вуковых грибов» следует обр 1 (основанием). Жесткость з- 4f2 Е = р/а-4“ n2 стота; if — полуширина злов п. При использован ащать внимание на хор = ESJd, где S — площадь Ч = Wfn резонансной ии одномассо- эший контакт образца, d —
75
никать никакие дополнительные резонансные эффекты. Надежный способ
крепления приемника — привинчивание его на металлической шпильке, причем
контакт может быть улучшен в результате нанесения тонкого слоя масляной
или жировой смазки. При необходимости в точке измерения заранее при-
клеивают жестким клеевым слоем шлифованную металлическую пластину
с отверстием для привинчивания внброприемяика. К гладким магнитным
металлическим поверхностям приемник крепят с помощью магнита. При
ориентировочных экспресс-измереииях на не слишком высоких частотах
допустимо крепить приемник с помощью вязких клеевых составов, напри-
мер, пластилина или замазок. В случае использования удлинительных щу-
пов могут возникнуть нежелательные резонансы, которые делают невоз-
можными измерения на частоте свыше 1000 Гц.
Пьезоэлектрические приемники ускорения, как правило, чувствительны к
механическим напряжениям, возникающим в плоскости соединения. Это мо-
жет явиться помехой, в частности, при измерениях на тонких листах и низких
частотах, поскольку в таком случае замеряемые ускорения в направлении,
перпендикулярном плоскости соединения, невелики, а деформации и, следо-
вательно, механические напряжения большие. Чтобы проверить степень воз-
действия деформации, нужно установить приемник первоначально на толстый
слой масла, затем сравнить полученное электрическое иапряжеине с напряже-
нием при замерах после окончательной установки приемника на объект из-
мерения. Другой помехой может являться изменение емкости в соединитель-
ном кабеле, который вибрирует вместе с объектом измерения. Кабель следует
укладывать таким образом, чтобы он не мешал движению объекта измерения
и не вибрировал вместе с ним. Следующий источник помех — шунтирование
электрического тока через землю, возникающее от того, что и виброприемник
и измерительная аппаратура заземлены отдельно. Шунтирование характери-
зуется появлением в аппаратуре фонового шума. Его можно избежать с по-
мощью установки электрически изолированного виброприемника. В крайнем
случае проверить правильность заземления всей схемы.
3.3.4.2. Измерение жесткости и коэффициента потерь. Очень часто звуко-
вую вибрацию измеряют с целью определения механических характеристик
твердых тел (механическая спектроскопия).
Представляющие интерес характеристики — это в основном параметры
упругости (модуль продольной упругости или модуль сдвига), а также по-
казатель внутренних потерь энергии колебаний (коэффициент потерь). Кроме
относительно редких случаев измерения импеданса (по величине и фазе), ме-
ханические характеристики определяют, как правило, путем измерения резо-
нансных частот и времени их затухания или полуширины резонансной кривой.
Исходя из замеренной резонансной частоты получают искомый модуль (табл.
3.4), а зная время затухания (реверберации) или полуширину резонансной
кривой, находят коэффициент потерь.
Выбор способа измерения зависит от определяемой характеристики. На
практике широко применяют малые образцы, которые вместе с массой обра-
зуют резонансную систему или стержни и цилиндры, имеющие несколько ре-
зонансов (табл. 3.4). При проведении замеров важно иметь в виду, что си-
стема возбуждения и измерительная система не должны влиять на движение
образца. Кроме того, следует обращать внимание на то, чтобы не было утечки
энергии в месте крепления образца или из-за потерь в результате излучения,
особенно при слабо демпфированных образцах. В противном случае замеры
необходимо проводить в вакууме.
3.4. ЛИТЕРАТУРА
1. Broch I. Т. Acoustic Noise Measurements. Kopenhagen, Bruel und
Kjaer, 1970.
2. Broch J. T. Messungen von mechanischen Schwingungen und Stossen.
Kopenhagen, Bruel und Kjaer, 1970.
3. IEC-Publication 222: Methods for specifying the characteristics of
auxiliary equipment for shock and vibration measurement, 1966.
76
4. IEC-Publication 263: Scales and sizes tor plotting frequency charac-
teristics, 1968.
5. ISO Recommendation R 354: Measurement of absorption coefficients
in a reverberation room, 1963.
6. Kraak W., Weissing H. Schallpegelmesstechnik. Berlin, VEB Verlag
Technik, 1970.
7. Kurze U. Zur Entwicklung eines Gerates fur komplexe Schallfeld-
messungen.—Acustica, 2 1968, 308.
8. Mechel F. Neues Impedanzmessverfahren. Report of 6th ICA, H—5—
16: Tokyo, 1968.
9. Schallmesstechnik. Application Note 100 G. „Hewlett Packard11, Bob-
lingen, 1969.
4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ШУМА НА ЧЕЛОВЕКА
И ЗАЩИТА ОРГАНОВ СЛУХА
Г. ЯНЗЕН И Б. ГРИФАН
4.1. УСТРОЙСТВО ОРГАНОВ СЛУХА
Звуковые волны на частотах от 16 до 21 000 Гц при соответст-
вующей интенсивности являются раздражителями органов слуха. Под воздей-
ствием звука в этих органах кроме слуховых ощущений могут возникнуть
различные функциональные изменения. Для лучшего понимания таких изме-
нений ниже приведено краткое описание органов слуха и их функций.
Анатомически ухо состоит из трех частей.
Наружное ухо включает ушную раковину и примыкающий к ней наруж-
ный слуховой проход S-образной формы. Границей между наружным и сред-
ним ухом служит барабанная .перепонка — кожаная эластичная мембрана,
втянутая рукояткой «молоточка» (одна из слуховых косточек) в сторону
среднего уха, что придает ей воронкообразную форму.
Среднее ухо представляет собой заполненную воздухом и содержащую
слуховые косточки полость, соединяющуюся с помощью слуховой (евстахие-
вой) трубы с носоглоткой, благодаря чему компенсируется разность давле-
ний по обе стороны барабанной перепонки. В то время как рукоятка моло-
точка срослась с барабанной перепонкой, головка молоточка шарнирно свя-
зана с «наковальней» (еще одна слуховая косточка), а чечевицеобразный
отросток наковальни соединен со «стременем» (третья слуховая косточка).
Основание стремени заходит через отверстие (овальное окно) во внутреннее
ухо.
Внутреннее ухо—это полость (костный лабиринт), расположенная в вы-
емке височнЬй кости (самой твердой, «каменистой кости» человеческого тела)
и заполненная обогащенной ионами натрия жидкостью (перилимфой). Часть
полости—костная улитка, имеющая конусообразную форму и представляю-
щая собой спирально закрученный канал, делающий 2,/г—2э/< витка вокруг
конусообразной оси улитки (веретено или стержень) из губчатой костной
ткани. От веретена внутрь спирального канала отходит костная спиральная
пластинка, также закручивающаяся вокруг веретена, но не доходящая до
внешней стенки канала. Как бы продолжая пластинку, от ее свободного
края до внешней стенки спирального канала натянута базилярная (основная)
мембрана, которая является одной из стенок так называемого улиткового
канала. Другая стенка (преддверная мембрана, или мембрана Рейснера)
отходит под углом 45° от верхней кромки спиральной пластинки и достигает
77
Внешней стенки спирального канала. Улитковый канал и спиральная пла-
стинка делят спиральный канал костной улитки на две параллельные поло-
сти— верхнюю (вестибулярную) и иижнюю (барабанную). В начале вести-
булярной полости имеется овальное окно, в которое входит основание стре-
мени, а в начале барабанной—круглое окно, закрытое мембраной. Обе по-
лости на вершине улитки соединены небольшим отверстием (геликотремой).
Улитковый канал заполнен богатой ионами калия жидкостью (эндолимфой).
Внутри него по всей длине базилярной мембраны размещается кортиев орган
с расположенной вплотную к нему покровной (тенториальной) мембраной
(рис. 4.1), содержащий звукочувствительные (волосковые) клетки, разделеи-
Рис. 4.1. Нормальный кортиев орган (а). Кортиев орган при про-
грессирующей дегенерации волосковых клеток до полного отмира-
ния (б, в, г).
/—базилярная мембрана; 2 — волосковые клетки; 3 —покровная мембрана.
ные многочисленными опорными клетками базилярной мембраны. Волосковые
клетки, пронизывающие покровную мембрану, образуют один внутренний
ряд (до 3500 клеток) н три-четыре наружных ряда (до 20 000 клеток). Клетки
окружены окончаниями тонких нервных волокон, которые сходятся в вере-
тене костной улитки, образуя длинный нерв — спиральный ганглион из боль-
шого числа биполярных клеток (около 28 000). После выхода из улитки зву-
кочувствительные нервы проходят по внутреннему слуховому проходу к яд-
рам продолговатого мозга (исторически древнейшая часть мозга). Далее
возбуждение передается той части коры большого мозга, которая распознает
акустические раздражители.
4.2. ФУНКЦИИ ОРГАНОВ СЛУХА
Функционально органы слуха состоят из звукопроводящего ап-
парата (наружное и среднее ухо), из внутреннего уха и из звуковосприни-
мающего аппарата (рис. 4.2).
78
Собственная частота воздушного столба в наружном слуховом проходе
2—4 кГц, благодаря чему й этом диапазоне частот из-за резонанса усилива-
ются все звуковые колебания. В результате попадания звуковых волн на
барабанную перепонку она колеблется как единая жесткая поверхность во-
круг оси вращения, расположенной в
районе ее верхней кромки. Движение
барабанной перепонки передается срос-
шимся с ней молоточком через нако-
вальню на стремя. Основание стремени,
которое входит в овальное окно, колеб-
лется вокруг оси вращения, расположен-
ной у задней кромки овального окна.
Соотношение площади барабанной пере-
понки (55 мм2) и основания стремени
(3.5 мм2), а также длинные рычажки
слуховых косточек обусловливают 22-
кратное усиление звукового Давления.
Оптимальный коэффициент преобразова-
ния, с учетом собственной частоты сред-
него уха, отмечается на 1—2 кГц. Из-за
движения основания стремени в жид-
кости вестибулярной полости образуются
бегущие волны; при каждом движении
основания внутрь благодаря несжимае-
мости жидкости мембрана в круглом
окне барабанной полости прогибается в
сторону среднего уха. Скорость волн за-
висит от эластичности базилярной мем-
браны, повышающейся от основания
к вершине улитки. Соответственно скорости длина волн уменьшается к вер-
шинё. Затем при волнах определенной длины следует передача энергии коле-
баний на мембрану Рейснера и на базилярную мембрану. Чем ниже частота
возбуждения и чем больше длина волны, тем на большем расстоянии от
овального окна амплитуда колебаний будет максимальной. При низкой звуко-
вой частоте максимум прогиба
базилярной мембраны нахо-
дится ближе к вершине улитки,
при высокой частоте— ближе
к основанию (рис. 4.3). По-
скольку максимальные переме-
щения базилярной мембраны
характерны для ее периферии,
а мембраны Рейснера — для ее
центральной части, между кор-
тиевым органом и покровной
мембраной появляются каса-
тельные движения. В резуль-
тате этих движений волосковые
клетки изгибаются, а в них
возникают так называемые токи
раздражения (микрофонный
потенциал), значения которых
соответствуют прогибу базилярной мембраны. Микрофонный потенциал — из-
менение потенциала постоянного напряжения между эндолимфой н перилим*
фон, поддерживаемого перераспределением натрия н калия в обеих жидкостях^.
Обычно он составляет 80 мВ. Является ли микрофонный потенциал причиной
электрических процессов в слуховом нерве, еще не выяснено. Дальше раздра-
жение распространяется слуховым нервом. Восприятие громкости звука за-
висит от числа изменений потенциала в единицу времени и от количества воз-
бужденных клеток, а восприятие частоты — от образования концентраций
Рис. 4.2. Схема функционирования
органов слуха.
У —среднее ухо; 2 —наружный слухо-
вой проход; 3 — барабанная перепонка;
4 — шарнир; 5 —воздух; 6 — жидкость;
7 — овальное окно; 8 — круглое окно;
9 — внутреннее ухо; 10 — слуховая
труба.
Рис. 4.3. Относительная деформация бази-
лярной мембраны на различных частотах.
79
возбуждения в определенных волокнах. В коре головного мозга различные
частоты воспринимаются также обособленно.
Звуковые волны, попадающие на кости черепа, вызывают их колебания.
Нижняя челюсть сама может двигаться относительно черепа. В результате
колебаний звуковой проход, к которому примыкает головка шарнира нижней
челюсти, сжимается. Образуются волны давления, которые заставляют коле-
баться барабанную перепонку. Большая часть этих волн уходит через откры-
тую_часть звукового прохода. Разница в восприятии звука, передача кото-
рого осуществляется через кости черепа и по воздуху через слуховой про-
ход, составляет около 65 дБ.
Рис. 4.4. Кривые равной громкости звука и диапазонов шумности
(/—IV) по Леману.
Механические колебания преобразуются в органе слуха в электрические
потенциалы. Они создают слуховые ощущения лишь в том случае, если их
частота находится в диапазоне от 16 Гц до 25 кГц, а звуковое давление, их
обусловливающее,— в пределах от 2-Ю-4 до 2 • 102 мкбар. Минимальное
звуковое давление, которое вызывает слуховые ощущения, зависит от ча-
стоты. Самое низкое значение такого давления наблюдается в диапазоне
от 1000 до 6000 Гц и повышается как в сторону низких, так и в сторону
высоких значений частоты. Если звуковые давления! приводящие к появле-
нию слухового ощущения, представить в виде диагра.ммы, то получим кри-
вую порога слышимости (нижняя кривая рис. 4.4). Остальные кривые, рас-
положенные выше порога слышимости, являются кривыми равной громкости
звука. Увеличение уровня звукового давления на 10 дБ субъективно воспри-
нимается как удвоение громкости звука. Ощущение изменения частоты в ди-
апазоне до 500 Гц при тональных звуковых сигналах возникает в том слу-
чае, если значения частоты различаются не менее чем на 1,5 Гц, а при бо-
лее высокой частоте это различие должно быть около 6,3%. Ощущение
80
изменения звукового давления проявляется тогда, когда различие достигнет
не менее чем 20% исходной величины, а при высоком звуковом давлении —
2%. Если разница, в частоте между двумя тонами невелика, то на слух вос-
принимается только один изменяющийся по силе звучания тон (биение), вы-
сота которого находится в промежутке между двумя значениями частоты.
Под Маскирующим эффектом понимается одновременное воздействие
двух близких по частоте тонов, различающихся по значению звукового дав-
ления. Если разница в значениях звукового давления велика, на слух вос-
принимается более сильный тон, а слабый тон им маскируется.
Определить направления звука возможно лишь при участии обоих слу-
ховых органов, причем решающую роль играет разница во времени при вос-
приятии звукового давления. Эта разница должна составлять не менее
3 • I0-6 с. Локализации источника звука способствует также разница в ин-
тенсивности звука, воздействующего на каждый из слуховых органов и обус-
ловленная теневым эффектом головы.
4.3. ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШУМА
НА ОРГАНЫ СЛУХА
Акустические раздражения высокой интенсивности возникают
мгновенно (например, при взрыве) и могут привести к оглушению, а иногда
к разрыву барабанных перепонок. Но воздействие звука и меньшей интен-
сивности тоже может вызвать определенные последствия. По данным Лоу-
ренса, Гонзалеса и Хокинса [9] в результате воздействия звука сужаются
и даже перекрываются кровеносные сосуды внутреннего уха. При этом на-
рушается обмен веществ и появляется усталость слуховых клеток. В зависи-
мости от длительности и интенсивности .воздействия отмечается снижение
чувствительности слуховых органов, что приводит к временному повышению
порога слышимости. Последняя через некоторое время может полностью
восстанавливаться. Эту разницу в порогах слышимости, замеренную до и
после воздействия звука, иногда называют временным изменением порога
слышимости — TTS (Temporary Threshold Shift).
Длительное воздействие звука высокой интенсивности на органы слуха
может вызвать необратимые потерн слуха (тугоухость), что иногда харак-
теризуют термином «постоянное изменение порога слышимости» — PTS
(Permanent Threshold Shift). Это наблюдается при полном отсутствии отдыха
органов слуха в промежутке между звуковыми воздействиями. По данным
Миксона и Глорига [12], PTS за 10 лет приблизительно равно TTS после од-
ной рабочей смены.
Тугоухость как профессиональная болезнь характеризуется подъемом
порога слышимости от 2000 до 6000 Гц. Причиной этого является то, что
большая часть промышленных шумов- имеет максимальную интенсивность
в данном диапазоне. Анатомически указанное явление связано с дегенера-
цией волосковых клеток, начинающейся с незначительных гистологических
изменений и кончающейся их полным обрывом (рис. 4.1, б — а).
Минимальные значения уровней звукового давления, которые в условиях
восьмичасового рабочего дня при продолжительном воздействии могут при-
вести к тугоухости, по данным Союза немецких инженеров (ФРГ), нахо-
дятся в пределах 90 дБ (А). Десятилетнее воздействие указанных уровней
приводит к тугоухости у 5% рабочих. При воздействии в течение того же
времени уровней шума в 95 дЕ> (А) количество тугоухих возрастает до 10%.
По мнению Ленхарта [11], необратимой утраты слуха можно избежать, если
в течение рабочего времени периодически устраивать короткие паузы (под-
раздел 5.3.1).
Если уровни шума высокие, создается опасность несчастных случаев,
в частности, из-за неразличимости слуховых сигналов и непонимания устной
речи [8].
Изменение органов слуха настолько характерно, а возможность опреде-
ления его настолько проста, что наряду с проведением акустических замеров
81
эти изменения служат для оценки уровней шума. С этой целью у боль-
шой группы людей с нормальным слухом может быть определено временное
изменение порога слышимости между началом и концом воздействия шума
(тест на воздействие шума; подразделы 5.3.1 и 5.4).
В качестве критерия вредности шума можно также использовать необ-
ратимое повреждение органов слуха. В этом случае устанавливается число
людей, у которых уже началась тугоухость (тест на отбор).
4.4, ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШУМА
НА ДРУГИЕ ОРГАНЫ
Как уже упоминалось, волокна слуховых нервов достигают
центральных областей продолговатого мозга, откуда раздражение переда-
ется далее. Эти ключевые области, располагаясь совместно с центрами, уп-
равляющими мускулами век, дыханием, кровообращением, координируют
свои реакции так, что изолированные раздражения одного органа (например,
уха) будут сопровождаться комплексной реакцией. Пример типичной реакции
на неожиданное звуковое раздражение: человек съеживается, закрывает
глаза, поворачивает голову, сначала задерживает дыхание, потом ускоряет
его. Гораздо большее значение имеют подчас трудно различимые реакции
организма, протекающие эрготропио (с пониженной возбудимостью), дли-
тельность которых, как правило, больше, чем время раздражения, и которые
медленно затухают.
Корбей и Бальдес обнаружили у теплокровных млекопитающих повы-
шенную частоту дыхаиия после прекращения воздействия шума. Повторе-
ние опытов с теми же животными, но с разрушенной областью головного
мозга, отвечающей за восприятие шумовых воздействий, привело к тем же
результатам. Это доказало то, что регистрация раздражения в сознании не
является причиной реакции вегетативной нервной системы.
По данным Лемана к Тамма [10], воздействие шума на вегетативную
нервную систему наиболее характерно проявляется через изменения в си-
стеме кровообращения. Ее реакция выражается, .помимо незначительного
уменьшения амплитуды кровяного давления и некоторого увеличения ча-
стоты пульса, главным образом снижением ударного объема сердца и повы-
шением периферийного сопротивления сосудов, что становится достаточно
заметным при интенсивности звука в 70 дБ (А). Эти изменения, т. е. умень-
шение объема протекающей крови, а также снижение температуры кожи,
зарегистрированные, в частности, на руке человека, объясняются сужением
мелких артериальных сосудов в системе кровообращения в результате воз-
действия звуковых раздражителей.
Практическое значение имеет также расширение зрачков, которое зави-
сит от интенсивности звука и, начиная с 75 дБ (А), развивается нелинейно.
В результате расширения зрачков и появления рефлекторно связанных с ним
аккомодации и конвергентности уменьшается глубина резкости зрения, что
особенно нежелательно для людей некоторых профессий, например часовщи-
ков, точных механиков и т. д. (рис. 4.5).
Наиболее простым, часто применяющимся методом определения реакции
системы кровообращения на шум является регистрация амплитуды пульса
на пальце, т. е. изменений пульсирующего объема крови в сосудах кончика
пальца. При увеличении периферийного сопротивления, т. е. при сужении
мелких артериальных сосудов, эти изменения объема уменьшаются (рис.4.6).
Все упомянутые нарушения функций организма зависят от различных
факторов. Наряду с реакцией на интенсивность шума [10] Янзен и Рей [6]
обнаружили прямо пропорциональную линейную зависимость и реакции по
амплитуде пульса пальца от ширины полосы шума (рис. 4.7). Эту зависи-
мость легко объяснить, если принять во внимание ранее упомянутое свой-
ство волокон слуховых нервов — настроенность на определенную частоту,
а также то, что восприятие интенсивности шума определяется количеством
слуховых импульсов за единицу времени и числом возбуждаемых волокон.
82
Сила вегетативной реакции зависит также от свойств вегетативной системы
человека. Хайнекер, Ципф и Лёш [1] зарегистрировали в процессе экспери-
ментов у симпатикоников (людей с пониженной реакцией) незначительное
увеличение минутного сердечного объема, повышение производительности
Рис. 4.5. Расширение зрачков
в результате воздействия шума:
слева — состояние покоя, площадь
зрачка 100%; справа — шум 95
фон, площадь зрачка 138,5%.
Рис. 4.6. Запись изменения амплитуды
пульса на пальце: а — широкополосный
шум в 95 дБ продолжительностью 18 с;
б — широкополосный шум в 102 дБ про-
должительностью 18 с.
сердца и периферийного сопротивления, а у ваготоников (людей с повышен-
ной реакцией) — незначительное уменьшение минутного сердечного объема и
производительности сердца и четко выраженное повышение периферийного
сопротивления. Эти результаты подтверждают Янзен и Шульц [7], которые
Рис. 4.7. Зависимость периферийного кровообращения от интенсив-
ности (а) и ширины полосы шума (б) при интенсивности 95 дБ.
1—6 — интенсивность соответственно 0,1, 0,6, 1, 5. 10 и 25 мкбар; 7— тон
3200 Гц; 8 — третьоктава (среднее значение 3200 Гц); 9 — октава (среднее зна-
чение 3200 Гц); 10 — широкополосный шум,
83
установили у Ваготоников во время ночнбго Сна повышенную реакцию, ко-
гда значительное снижение амплитуды пульса отмечалось уже начиная
с 55 дБ (А). Они наблюдали также однородную реакцию — снижение-глу-
бины сна — при уровнях звука в 70 дБ (А) и длительности звука 300 мс,
3 и 12 с (рис. 4.8). Влияние возраста сказалось в том, что у детей и моло-
дежи реакция менее выражена по силе и частоте, чем у взрослых. Правда,
отмечено более заметное сужение сосудов у молодых людей, нежели у по-
жилых, что, вероятно, можно объяснить часто встречающимся у последних
атеросклерозом.
Реакция зависит также от образа жизни человека. Янзен и другие ис-
следователи наблюдали более сильную реакцию у представителей всех воз-
растных категорий одного судан-
Рис. 4.8. Регистрация амплитуды пульса
спящего человека .
/ — ширина полосы 70 дБ.
скоро племени, которое живет
в условиях полного отсутствия
шума, обусловленного современ-
ной цивилизацией, по сравнению
с жителями г. Дортмунда (ФРГ).
Причину этого феномена авторы
усматривают в большей эластич-
ности сосудов суданцев, пища ко-
торых богата углеводами и бедна
жирами и белками.
Благодаря другим факторам,
влияющим иа расширение сосу-
дов, периферийная реакция мо-
жет уменьшиться почти до пол-
ного исчезновения. Например,
трудовая деятельность интенси-
фицирует обмен веществ, что
обусловливает повышенное выде-
ление тепла и компенсируется
расширением сосудов. Работа ин-
тенсивностью 5 Вт при одновре-
менном воздействии широкопо-
лосного шума в 95 дБ (А) при-
водит к заметному сужению ам-
плитуды пульса. При работе
интенсивностью 10 Вт этой реак-
ции не отмечается. На расшире-
ние сосудов влияет также тепло, подведенное извне. Нижний предел темпе-
ратуры, при которой становится незаметным сужеиие сосудов под влиянием
шума, соответствует примерно 40° С. Реакцию зрачков можно компенсиро-
вать за счет повышения интеисивности света.
Вегетативные реакции, вызываемые звуковыми раздражителями,— уже
рассмотренные, а также приводимые в [7],— не зависят от привыкания.
Леман и Тамм [10] не обнаружили разницы в периферийной реакции у лю-
дей, впервые подвергшихся воздействию шума, и у персонала, уже много
лет находившегося в условиях облучения шумом высокой интенсивности.
Имеются данные об экспериментах, в процессе которых участвовавшие в них
люди через каждые 48 ч подвергались воздействию вобулирующего (с изме-
няющейся частотой) шума, который весьма отрицательно влияет на психику
человека. Хотя этот шум со временем воспринимался участниками экспери-
мента как менее неприятный, каких-либо изменений в физиологической ре-
акции у них не наблюдалось.
В целях изучения вопроса о допустимой акустической нагрузке на веге-
тативную нервную систему Янзен провел многочисленные опыты, в резуль-
тате которых, варьируя уровни звука в третьоктавных полосах частот, ои
получил кривые, приведенные на рис. 4.9. Математическая обработка экспе-
риментального материала позволила вывести формулу, позволяющую зара-
нее рассчитывать вегетативную реакцию. На этой формуле базируются рас-
84
четы предельных значений реакций, причем реакция определяется для каж-
дой частоты в зависимости от уровня шума. Из расчетов следует, что рост
силы реакции с приближением интенсивности шума к 95 дБ (А) замедля-
ется, а с прохождением этого зиачения снова возрастает. Точки перегиба
кривых на рис. 4.9. образуют предельную
кривую 4 (рис. 4.10), выше которой уже не
наблюдается восприятие звука как адекват-
ного раздражителя. Поскольку с ростом
Рис 4.9. Вегетативная реакция на воз-
действие третьоктавных шумов различ-
ной интенсивности. Степень реакции со-
ответственно на 65 дБ (65 опытов, 26 че-
ловек), 80 дБ (22 опыта, 22 человека),
95 дБ (44 опыта, 22 человека), ПО дБ
(22 опыта, 22 человека).
Рис. 4.10. Пороговые значения
вегетативной реакции, обуслов-
ленной воздействием шума.
1 — вегетативная реакция воз-
можна; 2 — вегетативная реакция
ярко выражена; 3—4— опасность
повреждений; 5 — повреждения.
6 дБ ниже (кривая 3 рис. 4.10). При длительном воздействии шума с интен-
сивностью, превышающей предельную кривую 3, возникает опасность, а выше
предельной кривой 4 следует ожидать органических повреждений. Это, однако,
пе означает, что в каждом случае такие повреждения должны обязательно
Рис. 4.11. Вегетативные функциональные нарушения у 1005 рабочих
сталелитейной промышленности, работающих в условиях шумного про-
изводства.
/ — симптомы на периферийной системе кровообращения (в. з); 2 —симптомы
на сердечной деятельности (з); 3 —нарушение равновесия (и).
I — IV — диапазоны шумности (рис. 4.4); в. з — статистически весьма значительно;
з — статистически значительно; н — статистически незначительно.
85
Как ранее упоминалось, кривая чувствительности К воздействию Шума
во время сна понижается на 15 дБ (А), так что кривая 2 (рис. 4.10), кото-
рая обозначает начало заметных реакций у бодрствующих, может рассмат-
риваться как пороговая линия вегетативной нагрузки для спящих.
Янзен доказал [4], что длительное воздействие шума с надкритичной
интенсивностью действительно может привести к патологическим изменениям
периферийной системы кровообращения. Исследования, проведенные над бо-
лее чем тысячью рабочих сталелитейной промышленности, показали: у рабо-
тающих на предприятиях с повышенными уровнями шумности обнаружено
гораздо больше симптомов нарушения здоровья, чем на предприятиях с нор-
мальными условиями (рис. 4.11).
Поскольку между периферийной реакцией и временным изменением
порога слышимости (TTS, подраздел 4.3) существует обратно пропорцио-
нальная зависимость, причем размер 11.
а значение вегетативной реакции—это
> — это мера ожидаемой тугоухости,
мера ожидаемых нарушений в си-
°-г20 0 -20 -40 SO -00 -1,
Рис. 4.12. Зависимость ампли-
туды пульса на пальце от значе-
ния TTS.
/ — ухо с большим значением TTS;
2 — ухо с меньшим значением TTS.
Д — амплитуда пульса на пальце
(АПП) через 20 с после начала воз-
действия шума.
стеме кровообращения (вегетативная дистония), то, как правило, возникает
или тугоухость или вегетативная дистония (рис. 4.12) [3].
Доказательством того, что надкритичные значения интенсивности звука
действительно вызывают патологические реакции, являются результаты ряда
исследований. С помощью препарата, активизирующего кровообращение (но
не проявляющего своего действия на здоровом человеке), достигалось сни-
жение вегетативной реакции, возникшей в процессе воздействия шума. Та-
кой же эффект был получен в отношении значения TTS, которое после при-
нятия препарата оказалось ниже, чем при опытах, в которых препарат не
принимался.
4.5. ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПСИХИКУ
Первая, но уже не применяемая в настоящее время градация
последствий воздействия шума на человека в зависимости от- интенсивности,
предложена Леманом, который ввел четыре диапазона (рис. 4.4). Диапазон/
(от 30 до 65 фон) представляет собой область чисто психических реакций.
В диапазоне // (от 65 до 90 фон) отмечаются наряду с психическими реак-
циями и независимо от них вегетативные реакции. Диапазон III (от 90 до
120 фон) характеризуется возможными изменениями психики, сильными веге-
тативными реакциями, а также повреждениями внутреннего уха. Диапа-
зон IV (120 фон) находится за порогом болевых ощущений.
При такой градации, вопреки мнению Янзена, наряду с вегетативными
реакциями учитывается воздействие на психику.
В то время как для вегетативной нервной системы характерно четкое
соответствие между шумом и реакцией, в области психики такое соответ-
ствие отсутствует.
86
Как следует из вышеприведенной градации, вьщаженные психические ре-
акции поярляются уже начиная с уровней в 30 дБ (А). Например, у чело-
века умственного труда звук падающих из крана капель или тиканье бу-
дильника может вызвать раздражение и, напротив, громкий симфонический
концерт [около 90 дБ (А)1 в состоянии оказать на того же человека положи-
тельное воздействие (радость, расслабление). На другого же человека сим-
фонический концерт может действовать отрицательно, а звука падающих
капель он просто не заметит.
Решающую роль в возникновении у человека неприятных ощущений
играет его отношение к источнику звука.
Таким образом, звук любого спектра и любой интенсивности оказывает
отрицательное воздействие, однако сделанные в этом плане некоторые коли-
чественные выводы не всегда можно распространить иа поведение каждого
индивидуума в определенной ситуации (последнее в большей мере обуслов-
лено психическими, нежели вегетативными реакциями).
Воздействие на психику возрастает с повышением высоты тона, увеличе-
нием громкости, а также с уменьшением ширины полосы шума [5]. Увеличе-
ние громкости может приводить к негативным психическим реакциям как
непосредственно, так И косвенно из-за коммуникационных помех. Если мак-
симальная громкость шума находится в речевом диапазоне частот (громкая
же речь сама по себе предполагает неблагоприятную реакцию), то возмож-
ность устного общения сокращается до минимума, а при повышенной интен-
сивности становится практически неосуществимой. Прерывистый шум по
сравнению с непрерывным, особенно если часто сменяются уровни, вызы-
вает возрастающую негативную реакцию, которая усиливается с повыше-
нием разницы между максимальным и минимальным уровнями. Реакция
обусловливается также исходным психическим состоянием. Предрасполо-
женность к неврозам приводит .к более сильной реакции на шум.
В результате вышеописанных изменений в психическом состоянии при
длительном воздействии шума наблюдается не адаптация, а, скорее, сенси-
билизация.
Шум не всегда вызывает отрицательную реакцию; возникают и поло-
жительные эмоции. Известно, что при монотонном труде с помощью музыки
можно достичь повышения производительности. Херманн ц Тодт [2] устано-
вили сложную зависимость (типа экстремальной) между громкостью и про-
изводительностью труда (на примере запоминания произвольного набора
слогов) — с нарастанием громкости производительность сначала повышается,
а затем снижается. Янзен и Линерт обратили внимание иа то, что шум по-
ложительно влияет на процесс конкретного мышления и отрицательно-—иа
абстрактное мышление.
На основе изложенного можно более четко определить понятие «шум» —
раздражитель, вызывающий отрицательное воздействие. По определению
Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), здоровье —это «состояние
оптимальной физической, психической и социальной удовлетворенности». Так
как в результате воздействия звука состояние человека ухудшается, шум
можно определить как «звук, оцениваемый негативно и наносящий вред
здоровью».
4.6. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ
ОРГАНОВ СЛУХА
Индивидуальные средства защиты снижают воздействие вред-
ного звука иа человека. Они должны препятствовать проникновению шума
в слуховой проход настолько, чтобы даже после многолетнего воздействия
в слуховых органах и во всем организме человека ие возникали патологи-
ческие изменения. Индивидуальные средства защиты применяют в том слу-
чае, когда избежать шума в источнике и предотвратить его распространение
экономически и технически невозможно. Точкой отсчета, от которой реко-
мендуется применение индивидуальных средств, считается эквивалентный
87
уровень непрерывного звука в 90 дБ (А), продолжительностью ежедневно
в течение ряда лет ие менее 8 ч.
Имеющиеся сегодня средства индивидуальной защиты подразделяются
в зависимости от конструкции и назначения на трн основных типа:
1. Заглушки (вкладыши).
2. Наушники.
3. Шлемы.
Все указанные устройства снижают звуковое давление, воздействующее
на барабанную перепонку. Их эффективность определяется значением, на ко-
торое следует повысить уровни шума после применения названных средств,
для того чтобы вызвать такое же ощущение громкости, как при незащи-
щенных ушах. Эта эффективность, выраженная в децибелах, более заметна
на высоких частотах, чем на низ-
ких. Ее следует выражать как
функцию частоты.
Для построения частотных
зависимостей используют различ-
ные методы. Метод определения
высокого уровня характеризуется
тем, z что испытуемый, применив
защитное устройство, подверга-
ется воздействию шума известной
интенсивности. После снятия за-
щитного устройства испытуемый
должен снизить уровень шума до
появления ощущения прежней
громкости. Этот трудоемкий ме-
тод, связанный с многократным
применением защитного устрой-
ства, как и метод определения
порога слышимости, относится
к субъективным методам. Метод
Рис. 4.13. Оценочная кривая акустиче-
ского качества индивидуальных средств
защиты.
определения порога слышимости
заключается в том, что порог
слышимости находят сначала без защитных устройств, а потом с их примене-
нием. Разница в порогах слышимости в децибелах для синусоидального
тона является эффективностью устройства на частоте измерения.
Естественно, при объективных замерах степень разброса в результатах
получается меньше. Замеры проводят на искусственной голове или на ис-
кусственном слуховом проходе, в котором на месте барабанной перепонки
расположена диафрагма микрофона. Наиболее близкими к естественным ус-
повиям являются замеры на барабанной перепонке с использованием звуко-
вых зондов-микрофонов, вводимых под защитное устройство в слуховой
проход.
Поскольку в экспериментах используются шумы в октавной полосе, си-
нусоидальные тона, вобулирующие, импульсные и промышленные шумы, ко-
торые воспроизводятся через наушники или громкоговорители, а опыты про-
водятся в прямом или диффузном звуковых полях, условия-для определения
эффективности устройств оказываются очень разнообразными. Недостатком
применения большого количества методов является то, что частотная харак-
теристика для одного и того же устройства различается в зависимости от
метода. Это делает невозможным сравнение устройств.
Знание особенностей спектра шума позволяет отобрать необходимое за-
щитное устройство с соответствующей частотной характеристикой. Для
оценки качества защитного устройства можно" пользоваться кривой рис. 4.13.
Эта кривая должна быть не менее чем на 10 дБ выше, чем разность между
уровнем шума на рабочем месте и эффективностью защитного устройства.
На рис. 4.14 показана эффективность действия индивидуальных науш-
ников. Измерения проводились в режиме тишины, при воздействии шума на
человека в наушниках и без них. Исходя из теории возникновения туто-
88
ухоети (подраздел 4.3), применяя защитные устройства можно избежать
необратимых повреждении органов слуха от воздействия иадкпнтичных
уровней шума. д
Эффективность многих применяемых в настоящее время чатнтеых
устройств соответствует значениям, приведенным на рис 415
При использовании защитных устройств необходимо обеспечить оаспо
знаваяне речи. Это достижимо лишь тогда, когда Р^'-по-
ствляется вне речевого диапазона (500—3000 Гц), в таких случаях истоХ
эуют эластичные заглушки с отверстием в оливе, эффекТивн0С/ь которыхна
г 'Зтп постижимо лишь тогда, когда глушение шума осуще-
L J U А ________________/ЧПА____________ЧЛЛО Гпк R -rotrxxv rnvu чау схоттАШ-.-
в оливе, эффективность которых на
Рис. 4,14. Воздействие индивиду-
альных средств защиты на вре-
менное изменение порога слыши-
мости (TTS) и на периферийное
кровообращение. Каждая серия
состояла из 24 опытов, которым
подверглись 24 человека. Исполь-
зовались наушники Вилсон SB2-58.
Различия весьма значительны
(в. з), р<0,1%.
/ — тишина; 2 — слышимость с защит-
ным устройством; 3 — слышимость без
защитного устройства.
Д5
Л, В —заглушки; С — наушники.
пит лишь к увеличению влажности
ди‘ ли_____ппя пепвои ]
низких и средних частотах снижа-
ется. В наушники и шлемы должны
быть вмонтированы телефоны.
Воспаления н экземы при исполь-
зовании заглушек появляются на-
столько редко, что это ие может слу-
жить основанием для отказа от за-
глушек как защитных средств. Дли-
тельное применение заглушек приво-
слуховом проходе и к повышению его
SJLXrvnbi Поэтому при первой возможности заглушки следует вынимать,
к-опме того поскольку различная их эффективность по отношению к разным
частотам приводит К несколько иному восприятию звука, чем обычно, для
привыквни/ к заглушкам требуется какое-то время.
звука, чем обычно, для
или закрепляются в уш-
и пластичные заглушки,
4.6.1. Заглушки (вкладыши)
Заглушки вводятся в слуховой проход
ной раковине. В эту группу входят эластичные
а также заглушки из ваты.
Эластичные заглушки изготовляют из резины или пластмассы. Они имеют
форму слухового прохода (нескольких размеров) или такую конструкцию,
которая позволяет использовать их для любого слухового прохода. Степень
89
герметизации из-за относительной жесткости заглушек невелика, так как
в процессе речи или жевательных движений плотность их посадки наруша-
ется. Зазор в 0,03 мм приводит к снижению эффективности заглушки с 40
до 10 дБ. Этот недостаток компенсируется смазкой. В результате смазки
заглушки жиром ее .эффективность после 10 ч ношения снизится примерно
иа 3 дБ.
Эффективность эластичных заглушек в диапазоне низких частот огра-
ничена из-за костной проводимости. На более высоких частотах теоретически
можно повысить эффективность, увеличив массу заглушки. Практически же
такое повышение незначительно и, кроме того, создает неудобство при но-
шении заглушки.
За счет хорошего прилегания к стенкам слухового прохода лучшую за-
щиту обеспечивают ватные заглушки. Они пористы и повышают сопротив-
ление потоку в слуховом проходе. Вата из очень тонких стекловолокон об-
ладает значительной эффективностью на низких частотах и заглушает не-
приятные высокочастотные шумы.
Медицинскую вату можно использовать только в сочетании с веществами
типа парафина. Такую вату, воск и невулканизированную резину относят
к пластичным заглушкам.
Эффективность пластичных заглушек в течение дня иногда может уве-
личиваться, в частности, из-за разогрева парафина за счет тепла человече-
ского тела, что создает лучшее уплотнение.
Теоретически ожидаемая эффективность (50 дБ при 2 кГц, 65 дБ при
5 кГц — соответственно разности между воздушной д костной проводимо-
стью) не обеспечивается даже при плотной посадке заглушки, так как в ре-
зультате закрытия слухового прохода волны сжатия не имеют выхода на-
ружу. Это приводит к более сильному давлению на барабанную перепонку.
4.6.2. Наушники
Эффективность защиты от шума, достигаемая за счет наушни-
ков, как правило, на 10 дБ выше, чем при хорошо сидящих заглушках.
Наушники облицовываются жестким изолирующим материалом и кре-
пятся на голове с помощью подпружиненных регулируемых скоб. Эффектив-
ность иаушииков усиливается за счет уплотнительных колец, которые спо-
собствуют более плотному прилеганию их к голове. Наушники наполнены
жидкостью (как правило, глицерином), пенопластом или силиконовой ма-
стикой. Поскольку эффективность наушников лучше на частотах, лежащих
ниже их резонансной частоты, желательно, чтобы эта частота была как
можно выше. При наполнении наушников пенопластом резонансная частота
составляет около 120 Гц, а при наполнении силиконовой мастикой — около
200 Гц.
С увеличением силы прижатия или объема наушников их эффективность
повышается. Сила прижатия не должна быть больше 1 кг (хорошая по-
садка — при 500 г), масса ие должна превышать 350 г.
4.6.3. Шлемы
Самую хорошую защиту обеспечивают шлемы, эффективность
Которых в диапазоне 2—4 кГц на 8 дБ выше, чем у наушников. Их изготов-
ляют в виде каски, облицованной изолирующим материалом, содержащим
свинцовую пыль. Шлем закрывает большую часть черепа, что предотвращает
проиикновеиие звука через кости (костная проводимость). Эффективность
на низких частотах сопоставима с эффективностью других средств индиви-
дуальной защиты, а прн частоте 2 кГц составляет около 55 дБ. Звукоза-
щитные шлемы применяют .прежде всего на таком производстве, для кото-
рого характерен сильный шум с наличием высокочастотных составляющих
(например, сталелитейные предприятия и др.).
90
4.7. ЛИТЕРАТУРА
1. Heinecker R., Zlpf K.-E., LoschH.-W. Uber den Einfluss korperlichen
Trainings auf Kreislauf und Atmung.— Z. Kreislaufforsch, 49, 1960, 924—935.
2, Hormann H., Todt E. Larm und Lernen.— Z. exp. angew. Psychol.,
7, I960, 422—426.
3. Jansen G. Relation between temporary threshold shift and peripheral
circulatory effects of sound. Physiological effects of noise. New York, Ple-
num Press, 1970, 67—74.
4. Jansen G. Zur Entstehung vegetativer Funktionsstorungen durch
Larmeinwirkung.— Arch. Gewerbepath und Gewerbehyg., 17, 1959, 238—261.
5. Jansen G., Hoffmann H. Larmbedingte Anderungen der Feinmotorik
und Lastigkeitsempfindungen in Abhangigkeit von bestimmten Personlich-
keitsdimensionen.— Z. fur exp. und angew. Physiol., 12, 1965, 594—613.
6. Jansen G., Rey P.-Y. Der Einfluss der Bandbreite ernes Gerausches auf
die Starke vegetativer Reaktionen.— Intern. Z. angew. Physiol, einschl. Ar-
beitsphysiol., 19, 1962, 209—217.
7. Jansen G., Schulze J. Beispiele von Schlafstorungen durch Gerau-
sche.—Klin. Wschr., 42, 1964, 132—134.
8. Kryter K. D. The effects of noise on man. New York and London,
Academic Press, 1970.
9. Lawrence M., Gonzalez G., Hawkins J. E. Some physiological factors
in noise-induced hearing loss.— Amer. Industr. Hyg. Assoc. J., 28, 1967.
10. Lehmann G., Tamm J. Die Beeinflussung vegetativer Funktionen des
Menschen durch Gerausche. Forschungsberichte des Wirtsch.— und Verkehrs-
min. NRW Nr. 257. Koln und Opladen, Westdeutscher Verlag, 1956.
11. Lenhardt E., Bucking J. Larmpausen — eine Moglichkeit zur Prophy-
laxe der Larmschwerhorigkeit.—Intern. Arch. Gewerbepath., Gewerbehyg.,
25, 1968, 65—74.
12, Nixon J., Glorig A. Noise-induced permanent threshold shift at 2000
cps and 4000 cps.— J. Acoust. Soc. Amer., 33, 1961, 904—908.
5. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ШУМА,
ВОСПРИНИМАЕМОГО ЧЕЛОВЕКОМ
(ПРЕДПИСАНИЯ, НОРМЫ, РУКОВОДСТВА)
Р. ГЁРЛИХ
5.1. ВВЕДЕНИЕ
Основой всех правовых, организационных и технических мер по
снижению шумности является правильная оценка результата влияния шума
на человека. Соблюдение допустимых значений уровней шума имеет смысл
лишь в том случае, когда известно, как измеренные уровни шума связаны
с результатом его воздействия. При этом речь идет о суммарном воздействии
на человека, а не об оценке отдельных эффектов.
Как показывает практика борьбы с шумом, требуется четкий, единый
для любого вида шума подход к регламентации его влияния, при котором
соблюдались бы все отправные принципы и критерии. Измеряемые величины,
методы измерения и регламентации должны быть взаимосвязаны. Ввиду не-
обходимости реального и единообразного подхода к выработке критериев
приходится сознательно отходить от требования максимального приближения
91
к результатам психологических и физиологических исследований, например,
при оценке по уровням на характеристике Л, дБ (А).
В последние годы- проводилась интенсивная работа в этом .направлении.
В результате разработано большое число методов исследований, каждый из
которых позволяет получить более или менее полные сведения о психофизи-
ческих аспектах воздействия шума, таких как громкость, возникновение не-
приятных ощущений и повреждений, ухудшение восприятия информации.
В конечном счете различия разработанных методов регламентации не суще-
ственны, причем возможен приближенный пересчет одних полученных величин
в другие. В рамках настоящего раздела делается попытка отразить наиболее
важные принципы и методы, используемые для оценки и регламентации
шумности на практике.
В зависимости от целей измерений различают замеры иммиссии и
эмиссии.
Иммиссия—это воздействие шумов иа человека, живущего или работаю-
щего в зоне действия источников звука. Она измеряется там, где шум воз-
действует на человека. Оценка иммиссии шума необходима для того, чтобы
знать, находятся уровни шума в допустимых пределах или же превышают
их. Для снижения шума недостаточно только измерений иммиссии. Меры по
защите от шума предусматривают в первую очередь ограничение эмиссии,
т. е. излучения звука. Эмиссия измеряется непосредственно у источника
звука. Допустимая эмиссия связана с допустимой иммиссией, но при ее оп-
ределении учитываются закономерности распространения звука на пути ме-
жду точками измерения. Лишь тогда, когда принимается во внимание фи-
зическая взаимосвязь между эмиссией и иммиссией, снижение эмиссии приво-
дит к эффективному уменьшению иммиссии.
Упущения и ошибки в размещении помещений и в городском планирова-
нии привели в тому, что рекомендации о необходимых расстояниях, вытека-
ющие из требований иммиссионной защиты и связанные с законами распро-
странения звука, не могут быть выдержаны в полной мере. Поэтому для эф-
фективной защиты окружающей среды нужно предъявлять более жесткие
требования к оценке эмиссии шума. Государство и общественность должны
строго следить за соблюдением указанных требований и за развитием техни-
ческого уровня.
5.2. ОСНОВНЫЕ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА
В соответствии со стандартом ФРГ под шумами понимаются
звуковые процессы в воспринимаемом человеческим ухом диапазоне частот
от 16 Гц до 16 кГц, не носящие целенаправленного характера. В физическом
плане шум характеризуется звуковым давлением, частотой, продолжитель-
ностью и повторяемостью. Человек же воспринимает его как громкий, не-
приятный, затрудняющий общение. Кроме того, шум может вызвать повреж-
дение органов слуха. Из сказанного следует, что шумность должна оцени-
ваться с помощью нескольких критериев.
В настоящее время существуют три принципиально различающихся кри-
терия оценки шумности:
по уровню громкости звука;
по уровню звукового давления;
по кривым предельных спектров.
Различие критериев проявляется в способе суммирования составляющих
шума в отдельных диапазонах частот.
5.2.1. Уровень громкости, громкость
Определение уровня громкости звука приводится в стандартах
[10]. В соответствии с этим определением шум имеет уровень громкости п
фон, если он воспринимается слушателями, имеющими нормальный слух,
92
с той же громкостью, что и чистый тон с частотой 1000 Гц и уровнем зву-
кового давления п децибел, распространяющийся в виде плоской волны. При
вычислении уровня громкости строят кривые равной громкости в зависимости
от частоты (рис. 5.1) для чистых (синусоидальных) тонов. Уровень громко-
сти, определенный указанным способом, является мерой субъективного вос-
приятия громкости звукового процесса.
Понятие «уровень громкости» дает возможность прежде всего выяснить,
в каком случае два тона воспринимаются как одинаково громкие. Однако
оно еще не позволяет установить разницу в восприятии двух тонов с разли-
чающейся громкостью. Серия опытов, проведенная некоторыми авторами,
Рис. 5.1. Кривые ровного-уровня громкости и порога
слышимости для синусоидальных тонов в свободном
звуковом поле (восприятие обоими ушами).
/ — порог слышимости.
показала, что топ в области приблизительно от 40 до 120 фон воспринима-
ется как более громкий (в два раза), чем эталонный, если разница в уров-
нях громкости между обоими тонами составляет около 10 фон (рис. 5.2).
Количественно определенная таким образом громкость прямо пропорци-
ональна силе субъективного ее восприятия. Для выражения зависимости
громкости S и уровней громкости Ls используются следующие формулы (10]:
5_2°’1(Ч-40) , (5.1а)
Ls ъ 40 + 33 lg S. (5.16)
В повседневной практике субъективное определение громкости — трудо-
емкое и дорогостоящее мероприятие. Поэтому Стивенс, Цвиккер, Низе и дру-
гие исследователи предложили методы расчетной оценки уровня громкости,
обеспечивающие хорошее совпадение его с субъективно определенными уров-
нями громкости.
5.2.1.1. Расчет уровня громкости звука по Стивенсу. Метод Стивенса
включен в рекомендацию ISO R-532—1966(E) [11]. Он применим для диффуз-
93
иых полей и третьоктавных, полуоктавных и октавных уровней, Уровню
звука каждой полосы частот соответствует «индекс громкости» S (рис, 5.3),
Громкость St шума в сонах рассчитывается по следующей формуле:
St — Srnax + X (2 S — Smax),
(5.2)
где Smax — индекс громкости наиболее громкой полосы частот; 2S — сумма
индексов громкости отдельных полос частот. Вспомогательный коэффи-
циент F для октав, полуоктав н третьоктав соответственно равен 0,3,
0,2 и 0,15.
Определенная таким способом громкость в сонах пересчитывается -в уро-
вень громкости Ход в фонах (ОД) по уравнению (5.1) или рис. 5.2. Индексы
(О — октавный, Д — диффузный) служат для того, чтобы отличить рассчи-
тайные уровни громкости от уровней, по-
лученных субъективным методом.
5.2.1.2. Расчет уровня громкости по
Цвиккеру. Метод Цвиккера также вклю-
чен в рекомендации ISO [II]. Он применим
для свободного (индекс С) и диффузного
(индекс Д) звуковых полей и третьоктав-
ных уровней, Третьоктавные спектры сво-
дятся в группы частот (индекс Г), из уров-
ней звука которых, используя кривые рав-
ного уровня громкости н учитывая эффект
наложения на соседние группы, графически
рассчитывается суммарная громкость. Опре-
деленный таким образом уровень громко-
сти выражается в фонах (ГС) или в фо-
нах (ГД). Существует электронная изме-
рительная аппаратура, позволяющая полу-
чать уровни с соответствующей индекса-
цией.
5.2.1.З. Расчет «воспринимаемого уров-
ня шума» ( Perseived Noise Level) по Край-
теру и Пирсонсу, Метод определения «вос-
принимаемого уровня шума», строго го-
Рис. 5,2. Зависимость уровня
громкости от громкости.
воря, не относится к методам расчета
громкости. Но поскольку он в значительной
мере совпадает с методом Стивенса, его поместили в настоящем разделе для
сведения. Метод включен в рекомендации ISO (12] применительно к авиаци-
онному шуму (подраздел 11.3). В нормах ФРГ данного метода нет. В за-
висимости от характера спектра используют уравнение Хр№»Хл + (9ч-14) дБ.
В отличие от метода Стивенса вместо индексов громкости S (рис. 5.3)
определяется так называемая «воспринимаемая шумность» и в нойзах
(рис. 5.4), которая вводится в уравнение (5.2). Преобразование в «воспри-
нимаемые уровни шума» Lpx в децибелах (P1V) в октавных полосах частот
осуществляется, как и в случае применения метода Стивенса, с помощью
уравнения (5.1) или рис. 5,2. Особенностью метода определения Lw явля-
ется резкий акцент на высокочастотные составляющие. В результате воз-
можно значительное отклонение полученных значений от определенных ме-
тодами расчета уровней громкости.
5.2.2. Корректированные уровни звукового давления
Методы, описанные ранее, относительно трудоемки н потому
в обычной практике нерациональны. Желательно обладать измерительными
приборами, которые не только давали бы возможность объективно оценить
шумность, но и были бы просты в использовании. При разработке таких
приборов первоначально исходили из того, что уровень громкости, получен-
ный методом субъективного сравнения, можно приближенно рассчитать путем
суммирования эффективных значений составляющих спектра, основываясь на
кривых равной громкости для чистых тонов.
94
Рис. 5.3. Кривые равного индекса громкости.
гц
Рис. 5.4. Кривые равной «воспринимаемой шум-
ности» (в нойзах).
С начала 60-х годов Фермины «Громкость»-и «фон» применительно к кор-
ректированным уровням звукового давления стараются не применять. Новые
измерительные приборы [8, 9] теперь называют прецизионными шумомерами
или-шумомерами (при меньшей точности). Эти приборы корректируют изме-
ренные уровни звукового давления в двух направлениях. Для частотной кор-
ректировки приняты корректирующие кривые, которые учитывают определен-
ные свойства человеческого слуха. Однако значительно приблизиться к субъ-
ективному восприятию громкости не стремятся. Различают четыре корректи-
рующие характеристики, обозначаемые А, В, С и Т) (подраздел 3.2.3). Харак-
теристика D близка кривой 40 нойз (рис. 5.4). Она применяется
исключительно при замерах авиационного шума. В соответствии с работой
Рис. 5.5. Сравнение максимальных показаний шумомера
в режимах «медленно», «быстро» и «импульс» с эффек-
тивными значениями ТОф уровней непрерывного шума,
/—«импульс»; 2~ «быстро»; 3 — «медленно»; 4 — £эф по-
вторяющихся импульсов.
[12] существует следующее соотношение между уровнем «воспринимаемого
шума» (подраздел 5.2.1.3) и уровней шума на характеристике D: LPt,'&Ln +
4-7 дБ.
Временная корректировка регулирует зависимость звукового давления от
времени, т. е. от длительности шума. С этой целью в шумомерах имеются
трн динамические характеристики — виды индикации (подраздел 3.2.3):
«импульс» (J) — для импульсных и кратковременных шумов, временная
постоянная 35 мс;
«быстро» (F) — для звуковых процессов, не содержащих импульсов, дли-
тельностью до 200 мс; временная постоянная — около 125 мс (соответствует
скорости записи обычного самописца 100—160 дБ/с);
«медленно» (<$)—для звуковых процессов с медленно меняющимся
уровнем, временная постоянная — около 1000 мс (соответствует скорости
записи обычного самописца 25—40 дБ/с).
На рис. 5.5 изображены в сравнении с непрерывным шумом три вида
индикации отдельных импульсов различной продолжительности с частотой
повторения 1 Гц, как это предписывают нормы [26].
Поскольку регистрируемое шумомером значение зависит как от частот-
ной, так и от временной корректировки, при записи результатов следует
фиксировать ее вид. Так, после измерения уровней звукового давления на
характеристике А запишем: Laj, Lap или Las. Соответствующие обозначе-
ния применяются после измерений на характеристиках В, С и D.
Для оценки звуковой иммиссии наиболее пригоден уровень шума, заме-
ренный иа характеристике А, так как он лучше всего соответствует резуль-
татам медицинских и социологических исследований [13, 14].
96
Гезеле и Кох (5, 6] показали, что сила неприятных ощущений человека
от воздействия непрерывного шума (без учета психологических аспектов,
подраздел 5.3.5) определяется не уровнем громкости, а прежде всего уров-
нем звукового давления, измеренного на характеристике А. Резко выражен-
ные в шуме тональные (дискретные) составляющие повышают его уровень
примерно на 5 дБ (А).
5.2.3. Кривые предельных спектров
В случае использования метода предельных спектров замерен-
ный октавный, спектр наносится на заранее изготовленные графики с кривыми
предельных спектров (рис. 5.6—5.7). Измеренный спектр характеризует са-
Рис. 5.6. Кривые предельных спектров
(ПС) в соответствии с рекомендаци-
ями ISO.
мая высокая кривая, которой он
коснулся хотя бы в одной точке.
Показатель, равный чйслеиному
значению уровня звукового дав-
ления этой кривой иа 1000 Гц
в децибелах, принимается за кри-
терий негативного действия шума.
Кривые на графике наносятся че-
рез 5 дБ (на 1000 Гц). Если из-
меренный спектр окажется между
этими кривыми, то нужно произ-
вести интерполирование. Таким
образом, даже широкополосные
шумы могут характеризоваться
Рис. 5.7. .Кривые «предпочти-
тельных уровней шума» (prefe-
red noise criteria — PNC).
/ — порог слышимости.
уровнем одной октавы (точка ее соприкосновения с одной из кривых), а раз-
личные спектры (если они соприкасаются с одной и той же предельной кри-
вой) могут иметь одни и те же численные показатели. При этом безразлично,
4 Заказ № 740
97
соприкасается ли спектр с предельной кривой в одной точке или на всем ее
протяжении. По сравнению с уровнями шума, измеренными иа характери-
стике А, данная методика не позволяет получить какой-либо дополнительной
информации, так как числовые показатели предельных кривых никак не ха-
рактеризуют реальный спектр.
В интересах единообразия нецелесообразно одновремеиио характеризо-
вать измеренные спектры предельными кривыми и результатами измерений
на характеристике А. Недостатком метода предельных спектров по сравне-
нию с методом измерения в дБ (А) является большой объем измерительных
работ.
5.3. ПОСЛЕДСТВИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ШУМА
В соответствии с работами Клостеркёттера [18], в отличие от
часто используемой классификации Лемана, результатом воздействия шума;
т. е. его иммиссии, может быть:
1. Тугоухость.
2. Нарушение разборчивости речи.
3. Возбуждение вегетативной нервной системы.
4. Нарушение работоспособности.
5. Неприятные ощущения.
5.3.1. Тугоухость
При тугоухости, возникшей в результате воздействия шума,
причины и следствия вполне очевидны. Тугоухость — это единственное четко
определяемое повреждение организма от воздействия шума в классическом
понимании, которое в современной медицине принято считать неизлечи-
мым [17]. Законодательством ФРГ тугоухость относится к профессиональ-
ным заболеваниям, нуждающимся в денежной компенсации прн снижении
профессиональных качеств больше'чем иа 20%.
Поэтому в случае подозрения на тугоухость работника иа шумном про-
изводстве администрация предприятия или заводской врач обязаны известить
об этом соответствующие государственные органы н профсоюз. Врач по
профзаболеваниям или врач-ларинголог устанавливают степень нарушения
слуха и выносят решение о наличии профессионального заболевания — туго-
ухости.
Несмотря на все усилия, число заболеваний тугоухостью непрерывно
растет. Количество впервые зарегистрированных случаев тугоухости в про-
мышленности ФРГ составляло: в 1965 г.—114, в 1969 г.—268, в 1971 г,—642.
Таким образом, повреждение слуха, обусловленное воздействием шума, по
темпу роста вышло на первое место среди профессиональных заболеваний.
Это, с одной стороны, можно объяснить тем, что после вступления в силу
соответствующего законодательства (1-968 г.) большое число заболеваний пе-
решло в категорию профзаболеваний. С другой стороны, данному заболева-
нию стали уделять больше внимания, чем раньше.
5.3Л.1. Возникновение нарушений слуха. Нарушение слуха однозначно н
наглядно можно выразить сдвигом порога слышимости (снижение слуха).
При этом различают (подраздел 4.3):
необратимое снижение слуха (постоянное изменение порога слышимости
PTS), при котором порог слышимости ие восстанавливается до исходного
уровня;
среднее возрастное снижение слуха, или необратимое снижение слуха,
обусловленное возрастом, возникающее у населения промышленно развитых
государств;
корректированное снижение слуха, или необратимое снижение слуха за
вычетом среднего возрастного снижения слуха;
временное снижение слуха (временное изменение порога слышимости
TTS), или снижение слуха (оглушение), которое исчезает после окончания
воздействия шума.
98
Статистические выкладки свидетельствуют о том, что TTS, возникающее
после восьмичасового рабочего дня, через 10 лет переходит в PTS. Однако
в настоящее время нельзя предсказать восприимчивость к шуму каждого ин-
дивидуума, поскольку склонность различных людей к повреждению слуха да-
леко не одинакова. До сих пор еще ие существует надежного теста, с по-
мощью которого можно было бы путем разового исследования определить
степень восприимчивости шума.
5.З.1.2. Определение необратимого снижения слуха. Правилами защиты
рабочих мест от шума, изданными в ФРГ, предписано проведение проверок
Рис. 5.8. Предлагаемые кривые предельно допустимых
уровней шума
/ — Славин, 1956; 2 — Вайсннг, 1965; 3— кривая на характери-
стике А, I960; 4 — Крайтер, 1953; 5— ПС-85, 1963.
вания. Проверки проводятся в тех случаях, когда шумность превышает уро-
вень в 90 дБ(А) и есть опасность, что слух может быть поврежден (подраз-
делы 5.3.1.3 и 5.4.8).
Обследования имеют целью установить уже имеющиеся нарушения слуха
(первое обследование), а в ходе последующих контрольных проверок выявить
степень ухудшения слуха. Кроме того, они позволяют определить практиче-
скую эффективность применения индивидуальных средств защиты от шума.
Проверка проводится до начала смены, с тем чтобы временное снижение
слуха (TTS), возникшее в предыдущей смене, успело бы исчезнуть.
Существуют три оценки результатов проверок, наличие которых обуслов-
ливает необходимость проведения последующих тщательных медицинских
обследований. Первая оценка — в процессе первого обследования на одной
из тестовых частот констатируется корректированное снижение слуха одного
уха более чем на 30 дБ. Вторая оценка—в процессе одной из контрольных
проверок на одной из тестовых частот констатируется сдвиг в худшую сто-
рону порога слышимости одного уха не менее чем на 20 дБ по сравнению
с предыдущим обследованием. Третья оценка — некорректированное сниже-
ние слуха одного уха превышает на частоте 3000 Гц 40 дБ. Констатация
тугоухости и тем самым снижения профессиональных качеств может быть
результатом только специального врачебного обследования, в процессе кото-
рого необходима запись аудиограммы.
Контрольные проверки слуха являются обязательными.
4"
99
5.З.1.З. Взаимосвязь шумности и опасности повреждения слуха. Исследо-
вания иа предприятиях в условиях реального производства и эксперименталь-
ные исследования оглушения показывают существенную зависимость сдвига
порога слышимости от уровня шума в критичной полосе частот, равной при-
близительно одной октаве. Внутри такой полосы сдвиг порога в значительной
мере обусловлен эффективным уровнем звукового давления, а ие тонкой
спектральной структурой воздействующего шума. Поэтому при обычном ши-
рокополосном шуме для различных интервалов частот возникает свой «эф-
фект ощущения». В связи с этим допустимость шума всегда будет опреде-
ляться октавной полосой с наибольшими уровнями шума. При равных уровнях
звукового давления широкополосный шум менее вреден, чем узкополосный,
так как в первом случае воздействующая на ухо звуковая энергия рас-
пределяется на большем отрезке базилярной мембраны. Для оценки опас-
ности повреждения слуха с физиоло-
_2 гической точки зрения наиболее при-
Рис. 5.9. Допустимая продолжитель-
ность воздействия шума в зависи-
мости от его уровня.
емлем метод предельно допустимых
уровней в октавных полосах, при ко-
тором _одни октавные уровни заме-
ренного шума независимо от других
сравниваются с предельно допусти-
мыми значениями, определяемыми
при восьмичасовом воздействии шума
кривой предельно допустимых уров-
ней.
Кривые предельно допустимых
уровней, предложенные различными
авторами, показаны на рис. 5.8. Эти
кривые схожи с обратной переверну-
той кривой оценочной характеристики
А, проходящей через значение 80 дБ
на 1000 Гц, в связи с чем в настоя-
щее время почти повсеместно за мак-
симально допустимый уровень шума
при восьмичасовом воздействии при-
нимается уровень 90 дБ (А). Эта ве-
личина практически равнозначна пре-
дельному спектру ПС-85, за исклю-
чением случаев воздействия очень узкополосных шумов, когда она может
стать несколько заниженной. О пользе оценки шумности путем измерений
на характеристике А свидетельствует простота замеров и удобные для
использования н сравнения показатели.
Вышеупомянутое максимально допустимое предельное значение уровня
шума характерно для непрерывного воздействия шума в течение 8 ч. В слу-
чае более высоких уровней шума время его воздействия должно.быть со-
кращено. Первые предложения о максимально допустимом времени воздейст-
вия шума в зависимости от уровней были сделаны ISO. Согласно этим
предложениям время воздействия шума в случае превышения допустимых
значений уровней на величину q, дБ (А) должно быть уменьшено в два раза.
Величину q (показатель, определяющий необходимость уменьшения времени
воздействия шума в два раза) ISO рекомендовало считать равной трем (14].
Это означает, что четырехчасовое воздействие шума с уровнем 93 дБ (А)
или двухчасовое с уровнем 96 дБ(А) соответствует восьмичасовому воздей-
ствию шума с уровнем 90 дБ (А).
Рекомендация о величине q—Ъ не бесспорна [20], а по Флюгге она
в большинстве случаев не соответствует реальным условиям. Из рис. 5.9, где
сопоставляется допустимое время воздействия при 4=3 и 4=5, четко видно
различие в рекомендуемом времени воздействия, особенно при повышенных
уровнях шума. Законодательство США в случае использования метода пре-
дельно допустимых уровней предусматривает для переменных шумов вели-
чину 4=5 (подраздел 5.4.8).
100
В оценке степени воздействия импульсных шумов (удары молота, вы-
стрелы) на человека все еще имеются неясности. Различные рекомендации
по их индикации довольно противоречивы. В отличие от глаз уши обладают
ограниченными возможностями защиты от внезапных перегрузок. Эти воз-
можности проявляются в активизации так называемого слухового рефлекса,
который снижает чувствительность органов слуха к шуму с высокими уров-
нями, защищая их от его длительного воздействия.
Импульсные шумы неблагоприятны для органов слуха, так как звуковая
энергия отдельных импульсов воспринимается ими в течение очень корот-
кого времени. Защитный эффект слухового рефлекса является функцией от
времени воздействия. При воздействии на слух ряда частых импульсов
слуховой рефлекс начинает действовать со второго импульса и проявляется
на всех последующих. Если же между отдельными импульсами наблюдаются
паузы продолжительностью в 1 с или больше, рефлекс к началу каждого
импульса исчезает и ухо воспринимает раздражение в полном объеме. Вред-
ное воздействие шума зависит также от длительности импульса. Время сум-
мирования звукового раздражения, влияющее на восприятие громкости, со-
ставляет приблизительно 30—70 мс, т. с- уровень шума будет воспринят
в полной мере лишь по истечении указанного времени, а при меньшей про-
должительности он воспринимается как менее громкий. Вредным оказывается
даже воздействие шума, равное 1 мс [20]. Это означает, что при воздействии
шума продолжительностью менее 30 мс человек не оповещается о фактиче-
ском уровне звука и может при казалось бы невысоких его уровнях полу-
чить повреждение органов слуха. Шумомеры в режиме «импульс» также недо-
статочно точно учитывают указанный эффект (подраздел 5.4.2).
5.3.2. Нарушение разборчивости речи
Хорошее распознавание речи, вопринимаемой непосредственно
или с помощью электроакустических преобразователей,— необходимое усло-
вие высококачественной эксплуатации различных помещений (учебных клас-
сов, общественных залов, пультов управления). В результате повышенной
шумности речевая связь может быть значительно затруднена.
Маскирующий эффект шумовых помех имеет и положительное значение.
Широкополосные шумы применяют, например, для того, чтобы помешать по-
сторонним лицам прослушивать переговоры.
Маскировка речи зависит от разницы между ее спектральными уровнями
и уровнями шума помехи [1, 2, 19].
6.3.2.1. Разборчивость речи, разборчивость слогов. Разборчивость речи
определяется (в процентном выражении) количеством правильно услышан-
ных и понятых участниками эксперимента языковых единиц. Таким образом,
она зависит не только от степени глушения речи шумами помех, но и от ус-
ловий эксперимента, например, от характеристик помещения, от способа пе-
редачи речи (непосредственно или с помощью преобразующих систем), от
вида и объема применяемых текстов (фразы, слога), а также от самих участ-
ников эксперимента (от их числа, навыков, от культурного уровня, внима-
тельности, подготовленности и т. д.).
В ФРГ проверка разборчивости речи проводится с помощью наборов
несмысловых слогов, так называемых логатомов, причем предпочтение отда-
ется каталогу Шнайдера (23J. В США, кроме того, используют так называе-
мые фонетически сбалансированные перечни для проверни на разборчивость,
в которых количество звуков соответствует частоте их употреблений в англий-
ском разговорном языке. Ориентировочно разборчивость фраз и слогов мо-
жет быть оценена с помощью графика на рис. 5.10.
5.3.2.2. Индекс артикуляции. Поскольку при передаче речи основные фи-
зические параметры определяются проще, чем субъективно-психологические,
разработаны методы, позволяющие использовать физическую величину, кото-
рые обусловливают хорошую корреляцию с параметрами разборчивости речи,
полученными путем опроса (рис. 5.11 и 5.12). Этой величиной является так
101
называемый индекс артикуляции (ИА), предложенный Френчем и Стейнбер-
гом [4]. Они предположили, что разборчивость речи пропорциональна средней
разнице между пиковыми уровнями речи и уровнями маскирующего шума
(шума помехи) в 20 полосах частот, выбранных исходя из их равноценного
вклада в разборчивость речи, в диапазоне частот приблизительно от 200 до
6000 Гц. Уровни речи в каждой из этих полос имеют динамический диапазон
около 30 дБ. Пиковые' уровни речи приблизительно иа 12 дБ выше среднего
уровня речи, самые малые составляющие приблизительно на 18 дБ ниже
его. Поэтому указанная пропорциональность характерна только для разницы
между пиковыми уровнями речи и уровнем шума помех от 0 до 30 дБ. Если
разница меньше нуля или больше 30 дБ, то она принимается равной нулю
или 30 дБ.
Уровни речи, как правило, выражаются через условный эквивалентный
уровень, время суммирования которого составляет не менее 60 с. Он соот-
ветствует суммарной повторяемости около 20%, т. е. указанный уровень до-
стигается или превышается за отрезок
времени, составляющий 20% от вре-
мени речи. Пиковые уровни речи имеют
суммарную повторяемость около 1%.
Двадцатипроцентный уровень —это
средний уровень речи, который может
быть приближенно определен с по-
мощью прецизионного шумомера изме-
рением на характеристике С в режиме
«быстро» или «медленно» с усредне-
нием регистрируемых максимальных
значений и за вычетом 3 дБ или до-
бавлением 2 дБ соответственно 119).
Для расчета индекса артикуляции
(ИА) используют категории условных
эквивалентных уровней речи, различаю-
щиеся на 6 дБ (табл. 5.1). Уровень на
характеристике А (идеализированный
спектр речи) на 3—6 дБ ниже услов-
Рис. 5.10. Разборчивость фраз
и слогов.
ного эквивалентного уровня (рис. 5.11)
Единственная модификация метода расчета индекса артикуляции, раз-
работанного Френчем и Стейнбергом, связана с его применением в третьок-
тавных и октавных полосах частот, с преобразованием спектра шума помех
в эффективный «маскирующий» спектр. Модифицированный метод расчета,
подробно рассмотренный Крайтером, в 1969 г. был включен в нормы США.
При расчете индекса артикуляции (ИА) по методу третьоктавной или
октавной полосы используется следующее уравнение:
ИА = SgAL,
(5.3)
где g — весовой множитель (табл. 5.2); О<А£<30 — разность между пико-
-выми уровнями речи и уровнями помех в соответствующей третьоктавной или
•октавной полосе частот.
Соответствующий идеализированный спектр речи, порог перегрузки и
порог слышимости для метода третьоктавной полосы приведены на рис. -5.11.
При использовании метода октавной полосы все кривые нужно поднять на
5 дБ. Метод октавной полосы нельзя применять, если большая часть шума
помехи концентрируется в октавной или более узкой полосе частот.
Методом определения эффективного «маскирующего» спектра шума на
основе измеренного спектра пользуются только в том случае, когда спектр
шума содержит ярковыраженные дискретные составляющие.
Спектры речи и шума помехи следует определять с учетом особенностей
органов слуха. Соответственно спектр речи получают путем корректив спектра
пиковых уровней речи, занесенных на рабочий график (рис. 5.11). Показатель
коррекции определяют в результате подбора категории речи (табл. 5.1) или
путем приблизительного измерения среднего уровня речи. При использовании
102
электроакустических преобразователей необходимо дополнительно учитывать
частотную характеристику всей системы. Спектр шума помехи задается пре-
дельным спектром (подраздел 5.2.3) или определяется замером. При незначи-
тельных расхождениях измеренных значений (не более 10 дБ) благодаря
энергетическому усреднению получается приемлемое приближение рассчиты-
ваемых уровней в отдельных полосах частот. Общепринятых методов обра-
ботки результатов в случае больших расхождений уровней или прн наличии
дискретных составляющих не существует. Поэтому, чтобы гарантировать
достаточную надежность расчетов индекса арти-
куляции, рекомендуется воспользоваться мето-
дом, применяемым при расчетах спектра пи-
ковых значений уровней речи (от 1 до 5%).
Рис. 5.11. Рабочий форму-
ляр для расчета индекса
артикуляции ИА. Метод
третьоктавной полосы.
А — порог перегрузки слуха;
В — идеализированный спектр
пиковых значений речи, средний
уровень речи 65 дБ-Ы2 дБ;
С — порог слышимости при
широкополосном шуме; D ~~
16 третьоктавных или пять ок-
тавных полос.
ИА
Рис. 5.12. Зависимость разборчивости
речи от индекса артикуляции ИА.
1— 32 фонетически сбалансированных слова;
2 — фразы; 3 — 256 фонетически сбалансиро-
ванных слов; 4—1000 фонетически сбаланси-
рованных слов; 5 — 600 бессмысленных сло-
гов; график использует приближенные зна-
чения.
Таблица 5.1. Уровни речи, измеренные на расстоянии 1 м от говорящего
Категория речи Уровень речи
средний условный эквивалентный, дБ на характеристике Л, идеализированный спектр речи, дБ (А)
Тихая 53 50
Нормальная 59 55
Повышенного тона 65 60
Очень громкая 71 65
Крик 77 70
103
Во всех предыдущих рассуждениях предполагали, что слушатель нахо-
дится в свободном звуковом поле. Высокая реверберация усиливает по-
меху, ее влияние может быть учтено уменьшением расчетных значений ин-
декса артикуляции за счет введения поправок в соответствии с табл. 5.3.
Зависимость между разборчивостью фраз и слогов и индексом артику-
ляции в соответствии с нормативами США показана на рис. 5.12.
Таблица 5.2. Весовые множители для расчета индекса артикуляции (ИА)
Метод третьоктавной прлосы Метод октавной полосы
Среднегеометриче- ские частоты, Гц Весовой множитель 2-герц Среднегеометриче- ские частоты, Гц Весовой множитель 2окт
200 250 315 0,0003 0,0007 0,0010 250 0,0018
400 500 630 0,0016 0,0017 0,0017 500 0,0050
800 1000 1250 0,0027 0,0030 0,0033 1000 0,0075
1600 2000 2500 0,0037 0,0036 0,0030 2000 0,0107
3150 4000 5000 0,0027 0,0026 0,0017 4000 0,0083
Таблица 5.3. Поправки, учитывающие
влияние реверберации на
значение индекса
артикуляции (ИА)
Время ревербера- ции, с Поправка к ИА
1 0,10
2 0,24
3 0,38
4 0,50
5 0,60
Таблица 5.4. Зависимость
разборчивости речи от
индекса артикуляции (ИА)
ИА Разборчивость речи
0,1 0,3 От 0,3 до 0,5 От 0,5 до 0,7 0,7 Очень плохая Неудовлетворитель- ная Удовлетворительная Хорошая Очень хорошая
104
5.3.2.3. Критерии оценки разборчивости речи. При широкополосном шуме
помехи согласно табл. 5.4 применимы следующие эмпирические правила:
удовлетворительная разборчивость речи гарантируется даже в том случае,
если уровень речи будет на 5—10 дБ (А) ниже уровня шума помехи;
хорошая разборчивость речи достигается в случае равенства уровня речи
и уровня шума помехи;
разборчивость речи будет очень хорошей, если уровень речи окажется
на 5—10 дБ (А) выше уровня шума помехи.
5.3.2.4. Маскировка речи шумом помех. Шумовую помеху можно целе-
направленно применить для того, чтобы собственная речь ие прослушива-
лась окружающими, или для того чтобы эффективно препятствовать прослу-
шиваемости их речи. Примерами, где это можно использовать, служат боль-
шие помещения в учреждениях со
значительным числом работающих
или помещения с недостаточной зву-
коизоляцией.
Для решения этой задачи Кэвено
и другие предложили графический
метод расчета индекса артикуляции
[27]. На разработанную диаграмму
(рис. 5.13) износится кривая, опреде-
ляемая суммой звукоизоляции пере-
борки и третьоктавным уровнем
шума помехи. Индекс артикуляции
в этом случае равен отношению
числа точек, лежащих выше указан-
ной кривой для данной третьоктав-
ной полосы, к общему числу точек,
лежащих выше данной кривой во
всем рассматриваемом частотном
диапазоне. Следует стремиться к то-
му, чтобы ИА^0,05, что обеспечи-
вает непрослушиваемость собственной
речи или исключает прослушивае-
мость речи окружающих. Отсюда
легко определить требуемую звуко-
изоляцию переборки или уровень
Рис. 5.13. Идеализированный дина-
мический диапазон речи. Средний
уровень речи 65 дБ (число точек
в каждой третьоктавной полосе со-
ответствует «вкладу» этих полос
в индекс артикуляции).
маскирующего шума.
5.3.2.5. Уровень речевой помехи. В работе [1] предлагается упрощенный
вариант расчета индекса артикуляции для оценки разборчивости речи при
непосредственном общении. Предполагают, что шум помехи — это равномер-
ный широкополосный шум, спектр которого приблизительно соответствует
кривым шумовых критериев. В качестве меры оценки используется так на-
зываемый «предпочтительный уровень речевой помехи» — PSIL (Preferred
Таблица 5.5. Значение PSIL в зависимости от расстояния и категории речи
Расстояние между говорящим и слушателем, м Значение PSIL, дБ, для категорий речи
нормальной повышенного тона очень громкой крика
0,15 74 80 86 92
0,30 68 74 80 86
0,60 62 68 74 80
1,20 56 62 68 74
1,80 52 58 64 70
3,70 46 52 58 64
105
Speech — Interference Level) в дБ, который определяется как среднее ариф-
метическое уровней, шума помехи в октавах 500, 1000 и 2000 Гц. До недав-
него времени пользовались понятием «уровень речевой помехи» SIL (Speech —
Interference Level), под которым понималось среднее арифметическое уровней
шума помехи в октавных полосах, ранее применявшихся в США (граничные
частоты этих полос 600—1200, 120Й—2400, 2400—4800 Гц). Обычно PSIL«
«SIL+З дБ. Величины PSIL приведены в табл. 5.5, где указаны максималь-
ные расстояния, на которых еще достигается разборчивость различных кате-
горий речи. В основу положен индекс артикуляции HA®s0,4, обеспечивающий
разборчивость свыше 95% фраз.
Данные таблицы предназначены для свободного звукового поля. Если
снижение уровней при удвоении расстояния из-за влияния отражающих по-
верхностей составит менее 6 дБ, то допускаются более высокие значения
5.3.3. Возбуждение вегетативной нервной системы
(нарушение сна)
Вегетативные реакции организма, обусловленные звуковыми раз-
дражителями, подробно рассмотрены в подразделе 4.4. Порог раздражения
в состоянии бодрствования равен 70 дБ (А), а в состоянии глубокого сна —
около 55 дБ (А). Изменение электрического сопротивления кожи существенно
понижает эти пороги. Доказано, что заметная реакция вегетативной системы
наблюдается уже при превышении пороговых значений на 3—6 дБ (А) [18].
Разница в 15 дБ (А) между указанными порогами общепринята в современ-
ных рекомендациях, регламентирующих дневную и ночйую акустическую на-
грузку на организм человека [16].
Однако применительно к зонам, предназначенным для сна и жилья, та-
кие же четкие выводы сделать сложнее, поскольку любое превышение указан-
ных выше довольно высоких порогов раздражения опасно. Анализ литера-
туры позволяет сделать вывод, что средний уровень шума в 35 дБ (А) может
считаться благоприятным для нормального сна. Для пробуждения решающую
роль играют те дискретные составляющие, уровень которых более чем на
10 дБ превышает средний уровень шума.
5.3.4. Нарушение работоспособности
Из исследований о воздействии шума на работоспособность из-
вестно, что шум может и повышать и понижать производительность труда
(подраздел 4.5). Это зависит от многих факторов.
В свете последних исследований [18] разработанные ранее (I960 г.) тре-
бования к шуму на рабочем месте сохраняют свою актуальность, в связи
с чем ниже приводятся их основные положения:
«В принципе шум на рабочем месте должен быть как можно ниже. Как
правило, можно допустить следующие уровни громкости:
1. При продолжительном напряженном умственном труде — 50 фон.
2. При работе в бюро и другой равноценной деятельности — 70 фон.
3. При прочих работах — 90 фон.
Предполагается, что шум, измеренный на уровне головы работающего, на
его рабочем месте, воздействует в течение многих часов ежедневно в про-
должение нескольких лет. Допускаются отдельные кратковременные откло-
нения от названных уровней. Следует стремиться к понижению указанных
уровней громкости, в частности, снижение на 10 фон может считаться замет-
ным улучшением».
Целесообразно более тонко дифференцировать допустимые уровни в за-
висимости от вида деятельности работающих, а также по назначению по-
мещений.
Из вышесказанного следует, что большие рабочие помещения непри-
годны для интенсивного умственного труда, поскольку для заглушения тихой-
106
или нормальной речи, доносящейся с соседнего рабочего места (с учетом
расстояния), необходим маскирующий шум, как минимум 55—65 дБ (А)
(подразделы 5.3.2.3 и 5.3.2.4).
5.3 5. Неприятные ощущения
Одно из самых распространенных последствий воздействия
шума — неприятные ощущения. Эго понятие, относящееся к психике человека,
лучше всего осознается на основе индивидуального опыта. Четко отделиться
от вегетативных реакций в данном случае невозможно. Скорее, здесь взаи-
модействуют психические и вегетативные реакции различной силы и харак-
тера.
К неприятным ощущениям можно отнести чувства раздражения, него-
дования, огорчения, неудобства, испуга. Они возникают, когда шум вторга-
ется в личную сферу человека, в его мысли, в его деятельность, в его на-
строение. Итак, шум вызывает неприятные ощущения только в том случае-,
когда обусловленная им реакция не соответствует личным ощущениям че-
ловека в данное время.
Поскольку неприятные ощущения зависят не только от чисто физических
параметров шума, но и от ряда субъективных факторов, трудно предложить
универсальные рекомендации по их устранению. Однако при размещении по-
мещений и планировке сооружений в жилищном и городском строительсФве
необходимо учитывать допустимые значения иммиссии. Данные ряда работ
указывают на то, что диапазон приемлемых уровней шума внутри помещений
для ночного времени составляет 25—35 дБ (А), а для дневного — 35—40 дБ (А).
В рекомендациях ISO предлагается принять за исходный критерий для днев-
ного времени средний уровень шума 35—45 дБ (А), для вечернего — на
5 дБ(А), а для ночного—на 10—15 дБ(А) ниже [13].
Выше среднего уровня в 40 дБ (А) начинается критический интервал.
Правда, для многих людей приемлемы уровни в 45 дБ (А). Отметим, что
предполагается наличие источника шума вне сооружения. В ином случае по-
рог неприятных ощущений должен быть значительно ниже.
В жилой зоне, а также в лечебных и санаторных учреждениях необхо-
димо требовать соблюдения указанных уровней и при открытых окнах. Там,
где это невозможно, следует применять конструктивные меры.
5.4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ РЕГЛАМЕНТИРУЕМЫХ ВЕЛИЧИН
Наряду с постоянными во времени (стационарными) шумами
встречаются прерывистые (периодически) шумы или шумы, уровни которых
подвержены значительным временным колебаниям (транспортный шум и
большая часть производственных шумов). Для того чтобы объективно и
однозначно характеризовать такие шумы, используя методы оценки, разра-
ботанные для постоянных шумов, в последнее время предлагается представ-
лять их одной средней величиной, результат воздействия которой должен
соответствовать воздействию длительного шума с постоянным уровнем. Это
достигается введением понятия «эквивалентного уровня длительного шума».
В противоположность методу максимальных значений, который исполь-
зуется в старых нормативах, применяемых до сих пор в строительстве, при
определении эквивалентных (усредненных) уровней учитывается продолжи-
тельность шума. При этом исходят из того, что воздействие шума тем вред-
нее и обременительнее, чем больше его продолжительность. Тот и другой ме-
тод оценки (максимальных значений и усредненных уровней) имеет своих
сторонников. Решение, какой из них следует предпочесть, в конечном итоге
зависит от предпосылок, на которых базируется выбор допустимых значений
иммиссии. В последнее время для регламентации производственного, транс-
портного и авиационного шума стали пользоваться методом эквивалентного
уровня. Чтобы учесть влияние высоких кратковременных пиковых уровней,
к ним предъявляют следующее требование: максимальные значения таких
107
уровней [они часто на 20 дБ (А) выше среднего уровня] не должны превы-
шать заданного значения (табл. 5.8).
Разработка метода усредненных уровней зависит также от ответов на
следующие вопросы:
1. Как «правильно» измерить и учесть влияние кратковременных и им-
пульсных шумов?
2. Как учесть влияние временной структуры спектра шума и диапазона
временных колебаний уровней?
3. На какие отрезки времени должно и может распространяться усред-
нение?
Для медицины все большее значение приобретает учет диапазона времен-
ных колебаний уровней.
В решении указанных выше вопросов в настоящее время еще много
неустановившегося, в связи с чем имеется ряд различных данных, зависящих
от конкретных условий измерений и по-своему учитывающих так называемые
физиологический и психологический «эффекты воздействия» кратковременных
шумов в интервале от миллисекунд до секунд (табл. 5.8). Разные представ-
ления существуют в отношении параметра усреднения q, называемого также
параметром эквивалентности (подраздел 5.4.1) и используемого при опреде-
лении усредненного уровня. В результате согласно одним рекомендациям
требуется его учитывать, а согласно другим такой учет не нужен. Большое
значение q ведет к преуменьшению шумности, т. е. к заниженному эквива-
лентному уровню длительного шума, что иногда сознательно используется
для обхода существующих требований. Единый подход отсутствует также
в оценке отрезка времени, в течение которого должно производиться усред-
нение.
5.4.1. Эквивалентный уровень длительного шума
{усредненный уровень]
Метод определения уровней постоянного длительного шума, экви-
валентного шуму с переменными во времени уровнями, называемых в по-
следнее время усредненными, были рассмотрены рядом исследователей, в ча-
стности Люпке.
Метод основан на пересчете измеренных на характеристике А уровней
шума LA(t) в некоторые вспомогательные величины. Эти величины усред-
няются определенным способом в функции от времени, а затем снова пре-
образуются в уровни. Правда, до сих пор нет однозначного ответа на основ-
ной вопрос, какие же вспомогательные величины должно и можно использо-
вать для оценки воздействия шума на человека. В указанных выше работах
предлагается выражение 10 л .В настоящее время оно повсеместно
принято для усреднения, причем в большинстве случаев q=3. В качестве
вспомогательной величины используется также параметр, близкий по смыслу
интенсивности звука.
Эквивалентный уровень длительного шума (усредненный уровень) рас-
считывается исходя из следующей общей зависимости:
z''»="oVi8{4rIio°'3/’L^(/>dz}дБ <Л)’
(5.4)
где q—параметр усреднения (параметр эквивалентности) или изменение
уровня в дБ, определяющее необходимость изменения времени воздействия
шума в два раза; Т — время усреднения; LA(t)—уровень, измеренный за
время t.
Для случая q=3 указанное выше выражение можно упростить:
Z. m (?==3) = 10 lg (jrf 10°'1£л (/)d^ дБ (Л). (5.5)
108
Часто эквивалентный уровень обозначается также Le<l. Если измеренная
величина La (0 является эффективным значением уровня (замер выполняется
на режимах «быстро», «медленно» или «импульс» без запоминающей схемы),
то Lm(g_3) — это уровень эффективного значения звукового давления на ха-
рактеристике А в течение определенного времени. Иногда его называют
«энергетически эквивалентным» уровнем длительного шума на характери-
стике А. Такие уровни имеют то преимущество, что в случае нескольких
источников шума их можно «энергетически» суммировать, как обычные уров-
ни. Указанное замечание не распространяется на значения Lm, рассчитанные
на базе тактовых уровней или уровней импульсного шума (подраздел 5.4.2).
В практических расчетах усредненного уровня интегрирование заменяется
суммированием:
=101S^ дБ (Л), (5.6)
где п — число интервалов времени; La, <— измеренные во временном интер-
п
вале ti значения уровней; Т=> И — время усреднения.
Пользуясь уравнением (5.4), можно получить выражение для расчета
усредненного уровня с любым значением q. Уравнение (5.6) особенно удобно
в том случае, когда воздействие шума можно разбить на несколько относи-
тельно длительных временных отрезков с практически постоянным уровнем
шума.
Для шумов с нерегулярно изменяющимися во времени уровнями или для
очень продолжительных шумов процесс можно автоматизировать за счет
применения счетчика повторяемости уровней (классификатора), который ре-
гулярно, через определенные промежутки времени выборочным «опросом»
шума классифицирует уровни по их значению с шагом 2,5 или 5 дБ (А),
суммируя число измеренных величин на каждой из ступеней уровня (подраз-
дел 5.4.2). Практический расчет усредненного уровня осуществляется в та-
ком случае по следующей формуле:
Lm 10 i 2 ДБ И),
(5.7)
где п — число ступеней уровня; Ni — число отсчетов на каждой ступени
уровня; LAi i—измеренные на i ступени значения уровней (рассчитывается
п
средний уровень ступени); М= — общее число обсчетов.
5.4.2. Измеряемые величины
В уравнениях (5.4) —(5.7) вместо LA(t) и LA, { должны под-
ставляться измеряемые величины, которыми в соответствии с подразде-
лом 5.2.2, а также работами [22, 25] могут быть:
LAs — уровень шума на характеристике А, измеренный в режиме «мед-
ленно»;
LAf — уровень шума иа характеристике А, измеренный в режиме
«быстро»;
LAj—уровень шума на характеристике А, измеренный в режиме «им-
пульс»;
LAt — так называемый тактовый уровень (применяется в ФРГ), кото-
рый характеризует шумность иа равных отрезках времени (тактах), причем
109
йа этих отрезках измеряется максимальный уровень в дБ (А) в режиме
«быстро», предпочтительная продолжительность одного такта 5 с, но не
менее 1 с.
В предписаниях по измерению и оценке шума, как правило, указывается,
-какую из названных измеряемых величин следует применить. Иногда допу-
скается одновременное использование разных величии, что не приводит
к принципиальным различиям, если шумы продолжительные и их уровни
изменяются не более чем на 5 дБ/c, но при кратковременных и импульсных
шумах вызывает существенные различия в значениях усредненных уровней.
На рис. 5.14 приведены примеры измеренных значений Laf, LAi и
Алт. Усредненные уровни в дБ(А), пблученные на основе данных рис. 5.14, б
и в, соответственно на 9 и 4 дБ выше уровней по данным рис. 5.14, а, в связи
с чем при импульсных шумах необходимо вводить поправку к величине LAf
а) 5) 3)
Ьа,дБ(А)
Время Время Время
Рис. 5.14. Измеренные уровни кратковременного и импульсного шума
(скорость записи 100 дБ/c): а — уровни Laf (частота 5—10 Гц);
б —уровни Lai (частота 1 Гц); в — уровни Алт (время такта 5 с).
или рассчитанному на ее базе усредненному уровню. Кроме того, из рис. 5.14
видно, что из-за малой инерционности при замерах в режиме «импульс»
кратковременные пиковые уровни оказываются выше, чем при замерах в ре-
жиме «быстро».
Различные предписания и рекомендации в отношении измеряемых вели-
чин при определении усредненных уровней до сих пор страдают нечеткостью,
когда касаются кратковременных с колеблющимися уровнями и импульсных
шумов. Введение в практику измерений так называемых тактовых уровней
привело, к отрицательным последствиям. Доводы в пользу или против ука-
занных выше измеряемых величин в основном сводятся к следующим:
Laf. Преимущества. Усредненный уровень, полученный на основе Алг,
определяется с помощью классификатора так же легко, как уровни, полу-
ченные на основе Алт и LAi, а кроме того, легче рассчитывается, поскольку
в отличие от последних позволяет использовать простые законы сложения
в случае действия ряда источников шума, что немаловажно при оценке вклада
каждого из них в иммиссию.
Недостатки. Введение «импульсной поправки» при измерениях кратко-
временных и импульсных шумов, неудовлетворительно; затруднения вызы-
вают также разделение импульсов при скорости процесса около 100 дБ/с
н определение временных промежутков между ними. Импульсная поправка
выбирается в какой-то мере субъективно, и потому во многих случаях ее
значения неоднозначны. Для шумов продолжительностью менее 0,2 с дина-
мические характеристики режима «быстро» не установлены (см. также не-
достатки А ат).
Алт. Преимущества. Считается, что в данном случае импульсная по-
правка учтена непосредственно в измеряемой величине, что облегчает про-
110
цесс измерений всех видов шумов. Измеряемая величина может быть опре-
делена как с применением классификатора (совместно с накопителем макси-
мальных значений), так и по стрелочному индикатору или зафиксирована
самописцем.
Недостатки. При расчетах усредненных уровней нельзя использовать
правила сложения. Пиковые значения импульсов в режиме «быстро», а также
уровни импульсных шумов (продолжительностью менее 0,2 с) по сравнению
с Lai занижаются (рис. 5.14).
Lai. Преимущества. Как и для Lat, импульсная поправка содержится
непосредственно в измеряемой величине. Для иеимпульсных шумов величины,
измеренные в режимах «импульс»
и «быстро», совпадают.
Недостатки. Нельзя приме-
нять правила сложения при опре-
делении усредненных уровней из
результатов замеров 'шума (под-
раздел 5.3.1.3). Не удается про-
анализировать фоновый шум, зна-
чение которого находится ниже
пиковых значений уровней; в слу-
чае такой необходимости следует
использовать режим "«быстро».
Для каждой измеряемой ве-
личины (Laf, Lat или Lai) раз-
работаны различные способы вы-
борки их значений в процессе из-
мерения. Предпочтительная пе-
риодичность опроса; для Laf —
5—10 Гц (рис. 5.14,а); для LAi
вследствие замедленного затуха-
ния пиковых значений—1 Гц
(рис. 5.14,6); для Lat она дол-
жна соответствовать длительно-
сти такта — каждые 5 с (рис.
5.14, в).
Если диапазон колебаний
уровней шума служит дополни-
тельным критерием его оценки, то
могут быть использованы резуль-
таты классификации по ступеням
(как это предлагается для транс-
портного шума). Измеренные
значения LAf наносят в виде
Рис. 5.15. Функция распределения шума,
изменяющегося во времени.
функции распределения на гра-
фике (рис. 5.15). Для характеристики диапазона колебаний уровней звукового
давления в дБ (А) дополнительно используют специальные величины, такие
как Li, L5 и т. д. [7], где индекс соответствует выраженной в процентах ве-
роятности достижения или превышения определенного значения уровня (под-
раздел 5.7).
5.4.3. Измерительные и дополнительные приборы
Согласно всем предписаниям и нормам ФРГ в качестве измери-
тельных приборов необходимо применять прецизионные шумомеры и пре-
цизионные импульсные шумомеры. Характеристики этих приборов в основном
соответствуют требованиям публикации МЭК 179, предъявляемым к ним, как
к прецизионным шумомерам.
Если речь не идет об официальных замерах, то можно использовать
простые шумомеры (раздел 3) [8].
111
5.4,4. Условия измерений
Время измерений (часы, дни, месяцы) оказывает большое влия-
ние на результат и должно выбираться таким образом, чтобы отразить наи-
более характерные особенности воздействия шума. Это влияние проявляется
через следующие факторы:
вид шума и его временную характеристику (данные об этих факторах
следует знать до измерений, причем достоверность данных должна быть
обоснована на длительное время или перепроверена);
наличие и интенсивность посторонних шумов (в случае необходимости
следует применять направленные микрофоны);
погодные условия, особенно влияние ветра.
Не следует производить замеры, если разница между оцениваемым уров-
нем шума и уровнем посторонних шумов менее 3 дБ. Не рекомендуется
также выполнять измерения на открытом пространстве во время дождя, сне-
гопада, сильного тумана или ветра со скоростью свыше 5—7 м/с. Признаком
указанной силы ветра по шкале Бофорта является покачивание небольших
веток деревьев, шум листвы, вытягивание полотнища вымпела.
Формальное выполнение требования нормативной документации о про-
ведении замеров при характерных для данного места погодных условиях
может привести к ошибкам в случае больших расстояний между источником
звука и микрофоном. Это подтверждается исследованиями, выполненными
в. течение ряда лет при различных погодных условиях. Установлено, что
характерные погодные условия определяет прежде всего преимущественное
направление ветра. Уровни шума могут значительно изменяться в зависимо-
сти от того, совпадает нли не совпадает направление распространения звука
с направлением ветра. В связи с вышесказанным уровни на расстоянии
1000 м от источника звука могут различаться на 20—30 дБ (А). Целесообразно
точку измерения по отношению к источнику выбирать в направлении господ-
ствующих для данной местности ветров, причем, если эти направления не-
сколько изменяются, результаты усреднять.
5.4.5. Продолжительность измерений
Продолжительность измерения — это время непрерывного замера,
результат которого достаточно полно характеризует воздействие шума, при-
близительно постоянного или переменного во времени (продолжительность
воздействия). Таким образом, усредненный уровень при определенной про-
должительности измерений должен быть характерным для всей продолжи-
тельности воздействия шума. Поэтому продолжительность измерений шума
с постоянными или с переменными уровнями бывает весьма короткой. В слу-
чае нерегулярно переменных уровней продолжительность измерений может
совпадать с продолжительностью воздействия.
5.4.6. Оценка результатов измерений регламентируемых
величин
У шумов с постоянными уровнями (вентиляционные установки)
или у временно прерывистых, переменных шумов (арматура, отопление,
лифты), которые оцениваются максимальным уровнем шума на характе-
ристике А, измеренное значение уровня (максимальная величина) является
регламентируемым.
Для непостоянных шумов, которые оцениваются средним уровнем
в дБ (А), измеренные значения уровней усредняются на «регламентируемом
промежутке времени» с учетом определенных условий. Основой регламенти-
руемого уровня является усредненный уровень, определенный за регламенти-
руемый промежуток времени при характерной продолжительности воздей-
ствия. Вместо регламентируемого уровня в ряде рекомендаций н предписа-
112
ний употребляется понятие «эквивалентный» или «энергетически эквивалент-
ный уровень длительного шума», а также «усредненный уровень». Вместо
регламентируемого промежутка времени используются также обозначения
«эквивалентный промежуток времени» или «эквивалентное время».
Расчет регламентируемого уровня осуществляется так же, как расчет
усредненного уровня [уравнение (5.6)], причем временем усреднения вместо
продолжительности измерения или продолжительности воздействия стано-
вится регламентируемый промежуток времени, а вместо измеряемых величин
используется усредненный уровень с поправкой на соответствующую про-
должительность воздействия. Таким образом, запишем:
L' = “o7r'8{~7T Зк-1оО’3/’(г'’,'/ + К/)]}дБ И)’ <5-8)
где LT — регламентируемый уровень, дБ (А), т. е. уровень постоянного шума
в регламентируемый промежуток времени Тв, воздействие которого соответ-
ствует воздействию фактического шума с переменным уровнем, измеренным
на характеристике А; Тв — регламентируемый промежуток времени, т. е.
время усреднения, для которого установлено значение иммиссии; tj — про-
должительность воздействия /, т. е. отрезок регламентируемого промежутка
времени Т в, на котором определен усредненный уровень Lm, д К, —поправка
на особенности данного шума.
Если п — число усредненных уровней, то
Тв = 2 Ч.
/=i
Поправки на импульсные и дискретные составляющие, а также паузы
в спектре шума приведены в табл. 5.8.
В нормах шумности учитывается повышенное негативное воздействие
шума в ночное время, а также помехи за счет фонового шума. Фоновый
шум — это относительно слабый посторонний шум, который нельзя отнести
к какому-либо определенному источнику. Он имеет значение в тех случаях,
когда шумность контролируемых источников лишь ненамного отличается от
него. Соответствующие нормы, дифференцированнее в зависимости от назна-
чения объекта, под влиянием фонового шума могут быть повышены.
Уравнение (5.8) положено в основу нормирования допустимых уровней
шума для любых условий. Соответствующие нормы, рекомендации и пред-
писания приведены в табл. 5.8.
В качестве вспомогательной величины при анализе результатов расчетов-
по уравнению (5.6)-? (5.8) используют оценочный параметр (табл. 5.6)
(5.9а)
Так как gi при подстановке Li может принимать довольно большие значе-
ния, для удобства расчетов используют разность уровней ALi = Li—Lo, где
Lq—опорное значение уровня. В этом случае усредненный (или регламенти-
руемый) уровень получают из преобразованного уравнения:
Ч. = Ч + -5У >8 • + «Й + +8Л)]лВ(Л). (5.96)
Уравнение (5.96) применяют также тогда, когда результаты измерений
обрабатывают с помощью классификатора. Для упрощения расчетов исполь-
зуют табл. 5.6.
113
Таблица 5.6. Оценочный нараметр gi в зависимости от разности уровней ALt-
дБ (А) ДБ (А) Si Д£.г, ДБ (А) Si ДЬр ДБ А) Si дц, ДБ (А) Si
Я = 4 ?==3 <7 = 4 9 = 3 <7 = 4 ? = 3 я = 3 Я = 4
—10,0 0,10 0,18 0,0 1,0 1,0 10,0 10 5,6 20,0 100 32 30,0 1 000 180
—9,5 0,11 0,19 0,5 1,1 1,1 10,'5 11 6,1 20,5 по 34 30,5 1 100 190
—9,0 0,13 0,21 1,0 1,3 1,2 н,о 13 6,7 21,0 130 38 31,0 1 250 210
—8,75 0,13 0,22 1,25 1,3 1,2 11,25 13 7,0 21,25 133 39 31,25 1 300 220
—8,5 0,14 0,23 1,5 1,4 1,3 11,5 14 7,3 21,50 140 41 31,50 1 400 230
—8,0 0,16 0,25 2,0 1,6 1,4 12,0 16 7,9 22,0 160 45 32,0 1 600 250
—7,5 0,18 0,27 2,5 1,8 1,5 12,5 18 8,7 22,5 180 49 32,5 1 800 270
—7,0 0,20 0,30 3,0 2,0 1,7 13,0 20 9,4 23,4) 200 53 33,0 2 000 300
—6,5 0,22 0,33 3,5 2,2 1,8 13,5 22 10 23,5 220 58 33,5 2 200 330
—6,25 0,24 0,34 3,75 2,4 1,9 13,75 24 11 23,75 240 60 33,75 2-400 340
—6,0 0,25 0,35 4,0 2,5 2,0 14,0 25 11 24,0 250 63 34.0 2 500 350
—5,5 0,28 0,39 4,5 2,8 2,2 14,5 28 12 24,5 280 69 34,5 2 800 390
—5,0 0,32 0,42 5,0 3,2 2,4 15,0 32 13 25,0 320 75 35,0 3 200 420
—4,5 0,36 0,46 5,5 3,6 2,6 15,5 36 15 25,5 360 82 35,5 3 600 460
—4,0 0,40 0,50 6,0 4,0 2,8 16,0 40 16 26,0 400 89 36,0 4 000 500
—3,75 0,42 0,52 6,25 4,2 2,9 16,25 42 17 26,25 420 93 36,25 4 200 520
—3,5 0,45 0,55 6,5 4,5 3,1 16,5 45 17 26,5 450 97 36,5 4 500 550
—3,0 0,50 0,59 7,0 5,0 3,4 17,0 50 19 27,0 500 НО 37,0 5 000 600
—2,5 0,56 0,65 7,5 5,6 3,7 17,5 56 21 27,5 560 120 37,5 5 600 650
—2,0 0,63 0,71 8,0 6,3 4,0 18,0 63 22 28,0 630 130 38,0 6 300 710
—1,5 0,71 0,77 8,5 7,1 4,3 18,5 71 24 28,5 710 140 38,5 7 100 770
—1,25 0,75 0,81 8,75 7,5 4,5 18,75 75 25 28,75 750 140 38,75 7 500 810
—1,0 0,79 0,84 9,0 7,9 4,7 19,0 79 27 29,0 790 150 39,0 7 900 840
—0,5 0,89 0,92 9,5 8,9 5,2 19,5 89 29 29,5 890 160 39,5 8 900 920
0,0 1,00 1,00 10,0 10,0 5,6 20,0 100 32 30,0 1000 180 40,0 10 000 1000
5.4.7. Специальные регламентируемые величины
Эквивалентный уровень длительного шума в соответствии с пред-
писаниями по эксплуатации автомобильных дорог рассчитывается по следую-
щей формуле:
Еэк = 10 1g (>0Q'1Lr + 3->0°-1L4 + 10.10°.’М дБ (А), (5.10)
где Lr, La, Ln — усредненный уровень шума в дБ(А) соответственно: в ра-
бочие дни в дневное время от 6 до 19 ч; в рабочие дни в вечернее время
с 19 до 22 ч, а в выходные дни с 6 до 22 ч; ежедневно в ночное время с 22
до 6 ч.
Эквивалентный уровень длительного шума в предписаниях по защите от
авиационного шума рекомендуется рассчитывать по формуле (подраз-
дел 11.3):
Ls„ = l3,31g ^(g;Y дБ (А). (5.11)
I
где gi — коэффициент оценки (табл. 11.3); h—время пролета самолета, в те-
чение которого уровень шума не более чем на 10 дБ (А) ниже максимального
замеренного уровня-, Lt — максимальное значение уровня шума во время про-
лета самолета, дБ (А); Т — контрольное время, включающее шесть наиболее
насыщенных полетами месяцев в году.
Уравнение (5.11) используется для выявления зон защиты от шума
в районе аэропортов. Постоянный контроль за авиационным шумом осуще-
ствляется на основе специальных предписаний н норм [15]. Исходные дан-
ные, необходимые для расчетов по уравнению (5.11), а также сведения
о других методах оценки авиационного шума, приведены в подразделах
11.2 я 11.3.
При определении регламентируемых уровней строительного шума по
уравнению (5.7) рассчитывают усредненные уровни для интервалов времени,
продолжительность которого обусловлена продолжительностью работы строи-
тельных машин. Если разница между наибольшими и наименьшими нз изме-
ренных значений уровней меньше 10 дБ (А), то средний уровень может быть
определен как среднее арифметическое из измеренных значений. Если в спек-
тре шума имеются резко выраженные дискретные составляющие, то с по-
мощью тональной поправки в 5 дБ (А) к усредненному уровню илн к сред-
нему уровню получают результирующий уровень. В противном случае усред-
ненный илн средний уровни идентичны результирующему уровню.
Регламентируемый уровень образуется нз результирующего уровня с уче-
том «средней ежедневной продолжительности работы» строительных машин.
При этом, однако, не проводят точных подсчетов времени воздействия того
или иного уровня, как это делается, например, в уравнениях (5.4)—(5.8),
а вводят приближенную временную поправку в соответствии с табл. 5.7.
Таблица 5.7. Временная поправка для определения регламентируемого уровня
шума строительных машин
Среднее время работы за день, ч Временная поправка (вычесть из результирую- щего уровня), дБ (А.)
с 7 до 20 е 20 до 7
До 2,5 До 2 10
От 2,5 до 8 От 2 до 6 5
Свыше 8 Свыше 6 0
115
Таблица 5-8. Сводный перечень предписаний, норм, рекомендаций по иммисски
в к я Источник шума Измеряемая величина Усреднение с использова- нием «характерной продолжитель- ности воздей- ствия» Поправка
1 Производственное Lat, По уравнени- Тоновая поправка
оборудование, на установку и экс- плуатацию кото- рого необходимо получить разреше- ние длитель- ность такта 5 с ям (5.6) -ь + (5.7), «=3 5 дБ (А)
2 Производственное оборудование, в том числе рабочий инструмент Laf, Lai, Lat Т-о же Тоновая поправка. 3-6 дБ (А) для Laf, Lai, Lat Импульсная поправка 3-6 дБ (А) для Laf
3 Строительные маши- ны н автомобили на строительных пло- щадках Lat » » Тоновая поправка 5 дБ (А)
4 Автомобильные до- роги Laf По уравнению (5.10) -
5а Аэропорты Макси- мальный уровень при каж- дом про- лете По уравнению (5.11), —
56 Аэропорты Lai или Las каждую секунду Регламенти- руемый уро- вень, ежечасно При измерениях поправка Lai — Las
6а Шум, воздействую- щий на здания сна- ружи Laf, Lai, Lat По уравне- ниям (5.6) + (5.7), ?=з —
66 Шум, воздействую- щий на здание сна- ружи Laf> Lai, Lat По уравне- ниям (5.6) + (5.7), ?=з Строка 2
116
шума
Бремя усреднения Регламентируемая величина, дБ (А) Требуемая величина Примечания
Днем 16 ч, ночью 8 ч Регламентируе- мый уровень по уравнению (5.8), <7=3, вычесть 3 дБ (А) По табл. 5.9 Не учтено, относятся ли требуемые вели- чины ко всему дей- ствующему обору- дованию или к от- дельным установ- кам
Днем 16 ч, ночью 1 ч Регламентируе- мый уровень по уравнению (5-8), <7=3 По табл. 5.9 Поправка в 6 дБ (А) для Lap, Lat, Lai на время от- дыха (от 6 до 7 ч и от 19 до 22 ч)
Днем от 7 до 20 ч, ночью от 20 до 7 ч Регламентируе- мый уровень образуется из ре- зультирующего за вычетом по- правки (табл. 5.7) По табл. 5.9 -
24 ч Эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5.10) 75 дБ (А) Распространяется на шум вблизи домов
6 наиболее насыщенных полетами месяцев в году Эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5-11) Защитная зона 1 Leq > 75 дБ (А) Защитная зона 2 67 < Leq < 75 См. подраздел 11.3
— Регламентируе- мый уровень по уравнению (5.8), ?=4 — В стандарт не вклю- чены требуемые ве- личины. Регламен- тируется только метод измерения
— Усредненный уровень по урав- нению (5.8),. <7=3 По табл. 5.10 Применяется при про- ектировании окон
Регламентируе- мый уровень по уравнению (5.8), <7=3 Днем 35 дБ (А), ночью 25 дБ (А)
117
в с g Источник шума Измеряемая величина Усреднение с использова- нием «характерной продолжитель- ности воздействия» Поправка
6в Транспортные пути для сухопутного и водного транспорта Laf По уравнению (5.6) - (5.7), ч=.з -
7 Источники шума, ко- торые могут приве- сти к повреждени- ям органов слуха Lai> Lat> Laf> (Lci< Lcf) По уравне- ниям (5.6) + (5.7), -,= 3 —
8а Инженерное обору- дование (лифты, системы отопления и вентиляции н др.), эксплуатируе- мое в жилых домах Laf
86 Шум вентиляцион- ных установок Laf - -
8в То же, что в п. 86. Laf -
8г Преимущественно шум от вентиляции Октавный уровень звукового давления — —
9а Автомобильный транспорт Laf, Lai Средние зна- чения в диа- пазоне изме- нений уровня —
96 Рельсовый транспорт Laf Lai Среднее энер- гетическое значение —
9в Водный транспорт Laf Ориентировоч- ный средний уровень —
118
Продолжение табл. 5.8
Время усреднения Регламентируемая величина, дБ (А) Требуемая величина Примечания
Энергетический эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5.8), Ч= 3 - Распространяется на жилые и рабочие по- мещения зданий
8-часовая смена или 40-часовая рабочая неделя Регламентируе- мый уровень по уравнению (5.8) 90 дБ (А) Тест на восприимчи- вость в подразделе 5.4.8
Максимальное значение Laf при поглощаю- щей поверхности 10 м2 30 дБ (А). Для установок, работающих с 7 до 22 ч в виде исключе- ния допускаются уровни 40 дБ (А) Требования к звуко- изоляции стен и по- толков помещены в разделе 17
— Максимальное значение Laf в оборудованном помещении По табл. 5.11 —
— То же, что в п. 86 По табл.5.12 —
— Максимальный уровень в октав- ной полосе в оборудованном помещении По рис. 5.17 Оценка по кривым предельных спек- тров (раздел 5.2.3)
Минимум три замера при равных усло- виях Среднее арифме- тическое .измерен- ных величин По табл. 5.13 __
То же, что в п. 9а Среднее арифме- тическое измерен- ных величин Раздел 13 —
— По табл. 5.14, 5.17 В сомнительных слу- чаях применяют кривые предель- ных спектров
119
Е Е S? Источник шума Измеряемая величина Усреднение с использова- нием «характерной продолжитель- ности воздействия» Поправка
10а Любые источники шума Lai Среднее зна- чение по уравнению (5.4). Для транспортного и строитель- ного шума q — 4, для прочих шумов <7=3
106 То же, что в п. 10а То же, что в п. 10а
10в То же, что в п. 10а - -
Юг То .же, что в п. Юа - То же, что в п. 10а -
11 Любые источники шума, кроме само- летов Laf По уравнению (5.7), , = 3 Тоновая и им- пульсная по- правки 5 дБ (А)
12 Источники шума, ко- торые могут приве- сти к поврежде- ниям органов слуха Las - Импульсная по- правка 10 дБ (А) при частой повторяемости импульсов
120
Продолжение табл. 5.8
Время усреднения Регламентируемая величина, дБ (А) Требуемая величина Примечания
8-часовая смена По табл. 5.16 Усреднение проводится днем для самых небла- гоприятных 8 ч и ночью для самого неблагоприят- ного получаса По табл. 5.18 Усреднение проводится днем для самых небла- гоприятных 8 ч и ночью для самого неблагоприят- ного получаса Усреднение проводится днем для самых неблагоприят- ных 8 ч и ночью для самого неблагоприят- ного получаса 40-часовая рабочая неделя Эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5.8). Для транспортного и строительного шума <?—4, для прочих шумов <7=3 Тоже, что в п. 10а Для учебных и общественных помещений, читальных залов и др. регламен- тируемой вели- чиной является максимальное значение Lai Максимальное измеренное зна- чение Lai Для транспорт- ного и строи- тельного шума q — 4, для про- чих шумов <7=3 Эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5.8) и макси- мальные значе- ния Эквивалентный уровень длитель- ного шума по уравнению (5.8) с поправками Эквивалентный уровень длитель- ного шума по [8], <7=3 По табл. 5.15 По табл. 5.16 По табл. 5.17 По табл. 5.18 35—45 дБ (А) (основной критерий) Законодательство ГДР Законодательство ГДР Законодательство ГДР Рекомендация ISO. В специальных слу- чаях учитывается фоновый шум Рекомендация ISO. Во многих странах предельно допусти- мые значения рав- ны 85—90 дБ (А)
121
Таблица. 5.9. Требуемые значения иммиссии (предписываемые уровни),
дифференцированные в зависимости от назначения застройк и
(пп. 1—4 табл. 5.8)
в в £ «Районы» в соответствии с инструкцией по защите от шума и инструкцией по защите от шума, в строительстве или «Место воздействия» в,соответствии с рекомендацией Союза инженеров ФРГ Районы застройки з соответствии со стандартом ФРГ Требуемые значения иммиссии (предписываемые уровни), дБ (А)
1 Места воздействия, вокруг кото- рых размещены только про- мышленные установки, а также расположены, как ис- ключение, жилища владель- цев и руководителей пред- приятий, дежурного и ава- рийного персонала Промышленный 70
2 Места воздействия, вокруг ко- торых размещены преимуще- ственно промышленные уста- новки Заводской Дием 65, ночью 50
3 Места воздействия, вокруг ко- торых преимущественно не размещены промышленные установки и жилища Сельский, сме- шанный' Днем 60, ночью 45
4 Места воздействия, вокруг ко- торых преимущественно раз- мещены жилища Преимущественно жилой, в том числе поселки Днем 55, ночью 40
5 Места воздействия, вокруг ко- торых размещены только жи- лища Жилой, в том числе дачные поселки Днем 50, ночью 35
6 Для курортов, домов отдыха, больниц и других подобных учреждений, в том случае, если таковые обозначены спе- циальными указателями Днем 45, ночью 35
1. Для специальных
Примечания. 1. Для специальных районов в зависимости от их назначе-
н доли жилой застройки требуемое значение иммиссии может составлять днем
ния и доли жилой застройки требуемое значение иммиссии может составлять днем
от 45 до 70 дБ (А), а ночью от 35 до 70 дБ(А).
2. Б соответствии с инструкциями по защите от шума и рекомендациями сою^а
инженеров ФРГ при определении категории районов застройки исходят из следую-
щих положений:
а) если э плане застройки заранее обозначены площади под застройку и районы
застройки, то при определении категории района исходят из этого плана. При при-
своении району категории нельзя догматически применять понятия, используемые в
плане застройки, так как данные табл. 5.9 обусловлены только требованиями бо-
рьбы с шумом, а план застройки составляется с учетом других факторов. Б связи с
этим в рекомендациях союза инженеров ФРГ введено понятие ’«место воздействия и
его окружение», которое в большей мере помогает уточнить категории района за-
стройки с точки зрения шумности;
б) если реальные условия в районах застройки не соответствуют плану застройки
или план вообще отсутствует, то при определении категории места воздействия
(табл. 5.9) исходят из ситуации, наблюдающейся в действительности. При этом нужно
принимать во внимание возможные изменения в ситуации в будущем;
в) в соответствии с предписанием по строительству для каждого района застройки
устанавливаются ожидаемые требуемые уровни, рассчитываемые на основании стан-
дарта ФРГ. Предписываемые уровни, в отличие от требуемых, определяемых инст-
рукциями и рекомендациями по борьбе с шумом, характеризуют ожидаемое суммар-
ное воздействие в соответствующих районах.
122
Таблица 6.10. Ориентировочные требуемые значения уровней шума внутри
зданий по отношению к шуму, проникающему извне
Тиа помещения Усредненный уровень (для авиационных шумов — эквива- лентный уровень), ДБ (А) Средний максимальный уровень (для транспортного шума — уровень шума часто повторяю- щихся пиковых значений, дБ (А)
Спальные помещения ночью:
в чисто жилых и в жилых рай- онах, в курортных районах н в районах больниц От 25 до 30 От 35 до 40
в остальных районах Жилые помещения днем: » 30 » 35 » 40 » 45
в чисто жилых и жилых райо- нах, в курортных районах и в районах больниц » 30 » 35 » 40 » 45
в остальных районах Общественные и рабочие помеще- ния: » 35 » 40 » 45 » 50
классы, кабинеты в бюро и кон- торах, помещения Для науч- ной деятельности, библио- теки, канференц-зглы, вра- чебные кабинеты н операци- » 30 » 40 » 40 » 50
онные, бюро и конторы, большие помещения в учре- ждениях, кафе и столовые, кассовые залы, магазины » 35 » 45 » 45 » 55
» 40 » 50 » 50 » 60
Примечания. !. Индекс при показателе L, обознач ает, что время, в тече-
иие которого указанный уровень шума общего времени. достигается или превышается, составляет 1%
2. При определении уровня шума спальных помещениях следует исходить из
самого шумного часа ночи в период о: 22 до 6 ч, что зависит от местных условий.
Практически усредненный уровень в самый шумный час ночи же дневного уровня. примерно на 5 дБ ни-
Таблица 5.11. Предельно допустимые значения уровней шума в вентилируемых
помещениях, шумность в которых обусловлена передачей шума и
звуковой вибрации от вентиляционных установок н систем
(п. 86 табл. 5.8)
Тип помещения Уровень звукового давления, дБ (А)
обычные требо- вания повышенные требо- вания
Концертные залы, оперные н драма- тические театры 30 25
Многоцелевые зрелищные сооруже- ния, читальные залы Аудитории, преподавательские, залы заседаний, кабинеты в бюро и кон- торах 35 30
40 35
Бюро, конторы, кинотеатры 45 40
Выставочные помещения 50 35
Большие помещения в учреждениях 50 45
123
Продолжение табл. 5.11
Тип помещения Уровень звукового давления, дБ (А)
обычные требо- вания повышенные требо- вания
Общественные помещения, столовые н кафе, выставочные павильоны 55 50
Классы 40
Музыкальные классы 35 —
Классы для производственного обуче- ния 45 —
Спортивные залы 45 —
Актовые залы 35
Операционные в больницах и приле- жащие, открыто соединенные с ними помещения, послеоперационные па- латы 30 —
Палаты, процедурные и лабораторные помещения в больницах 35 —
Прочие помещения в больницах, где могут находиться пациенты 40 —
Таблица 5.12. Предельно допустимые значения уровней шума в вентилируемых
помещениях средств транспорта, шумность в которых обуслов-
лена передачей шума и звуковой вибрации от вентиляционных
установок и систем (п. 86 табл. 5.8)
Средства транспорта Уровень звукового давления, дБ (А)
повышенные требования допустимые значения
Рельсовый и дорожный транспорт 65 75
Суда 50 —
Самолеты 80 —
Таблица 5.13 Диапазон допустимых уровней шума в салонах и кабинах
автомобилей (п. 9а табл. 5.8)
Диапазон допустимых уровней шума в дБ (А) в зависимости от скорости и типа автомобиля
Категория 50 км/ч 75 % v' ‘и Л *тах 50 км/ч | Vmax | §0 км/ч у" шах
Легковые автомобили Автобусы j Грузовики
I 61—65 71—76 66—70 | 71—75 | 71—75 76—80
11 66—70 76—80 71—7,5 | 76—80 | 76—80 81—85
III 71—75 81—85 76—80 | 81—85 | 81—85 86—90
IV Прим изготовителе 2 V kmaj 76—80 е ч а н и я. 1. Г м максимальнс это максим 86—90 од 75 % й скорости льная техн 81—85 1 86—90 | 86—90 ах подразумевается 75 % от указанно но не свыше 125 км/ч- ическая скорость, но не свыше 80 км й заводом- /ч.
124
Таблица 5.14. Контрольные значения допустимых уровней шума на морских
судах (п. 9в табл. 5.8)
Тип помещения Уровень звукового давления, дБ (А) Кривые предельных спектров (ПС), рис 5.6
Машинные отделения; постоянная вахта предельно допустимое значение Жилые помещения: каюты кают-компании, общественные и служебные помещения Мостик (на среднем ходу): рулевая рубка ходовой мостик радиорубка Примечание. Для судов внутрен шума законодательно не установлены. В писания (табл.5.17.) 90 ПО 60 65 60 65 60 него плавания ФРГ ГДР разработаны со 85 105 55 60 55 60 55 допустимые уровни Утветствующие пред-
Таблица 5.15. Допустимые уровни шума на рабочем месте в зависимости от рода
деятельности (п, 10а табл. 5,8)
Назначение помещения и род деятельности Эквивалентный уровень длительного шума ЬЭк, ДБ (А) Примечания
предельно допустимое значение рекомен- дуемое значение
1. Рабочие помещения для 50 45
работников творческого труда 2. Амбулаторные, проце- дурные н лаборатор- ные помещения в ме- дицинских учрежде- ниях, например в больницах, поликли- никах, амбулаториях; повышенные требо- вания 40 35 Требования рас- пространяются на шум, прони- кающий извне
допустимые значе- 55 50
НИЯ 3. Рабочие помещения для 60 55
работников умствен- ного труда, например, бухгалтерии, канце- лярии, конторы н др.
125
Продолжение табл. 5.15
Назначение помещения и род деятельности Эквивалентный уровень длительного шума 1-эк. ДБ (А) Примечания
предельно допустимое значение рекомендуе- мое значение
4. Рабочие помещения, в которых размещена оргтехника, машбюро, помещения машино- счетных станций: составление про- грамм 70 75 65 70 85 предотвращеь шума не доли водствуются р« 65 65 55 65 80 ия повреждени <ен превышать комендациями Требования рас- пространяются на шум, прони- кающий извне Требования распро- страняются также на собственный шум в помещении органов слуха экви- 90 дБ (А/). При воздей- оис.5.18.
перфорирование, проверка и рас- чет на счетно-ре- шающнх маши- нах 5. Рабочие помещения для операторов пультов управления, диспет- черские, конторки мастеров: повышенные тре- бования
допустимые зна- чения 6. Рабочие места, иа кото- рых важно распозна- вание речи и других звуковых сигналов Примечание. С цель валентный уровень длительног ствии прерывистого шума руко
Таблица 5.16. Допустимые уровни шума в жилых помещениях н в помещениях
общественных зданий (п. 106 табл. 5.8)
Тип помещения Эквивалентный уровень дли- тельного шума L3K, дБ (AI) Примечания
Время суток, ч Предель- но допу- стимые значения Рекомен- дуемые значения
Больничные палаты Учебные помеще- ния, например, аудитории, клас- сы, детские по- мещения в шко- лах н дошколь- ных учреждениях 6—22 22—6 Кругло- суточно 35 30 40 30 35 Требования распростра- няются на шум извне и шум от технических средств в здании в пе- риод использования помещения по назначе- нию
126
Продолжение табл. 5.16
Эквивалентный уровень дли- тельного шума £эк, ДБ (AI)
Тип помещения Время суток, ч Предель- но допу- стимые значения Рекомен- дуемые значения Примечания
Детские спальные помещения, на- пример в яслях, детских садах, в школах-интер- натах Кафе, столовые Рестораны, боль- шие столовые Кассовые залы, залы ожидания Жилые помеще- ния в жилых домах и общежи- тиях Номера в гости- ницах и в домах приезжих Концертные и театральные залы Читальные залы, многоцелевые общественные помещения Залы заседаний, кинозалы Прочие обще- ственные помещения П р имечан и улицах, вблизи лин пустимые значения принимаются равны 6—22 22—6 Кругло- суточно 6—22 22—6 6—22 22—6 Кругло- суточно е. Б пром ий городск лума от тр ми 45 дБ (А 40 30 40 50 55 40 30 45 40 30 35 40 55 ышленных го скорост нспорта в I), а с 22 Д 35 -40 45 50 30 35 30 30 35 50 районах, юго рельсо жилых л ок 6 ч — 35 д Требования распростра- няются на шум извне и шум от техниче- ских средств в зда- нии в период исполь- зования помещения по назначению Требования распростра- няются на шум от тех- нических средств в зданиях во время их использования по на- значению Требования распростра- няются на любой шум, кроме шума самих жильцов. При измере- ниях шума в пустых необорудованных по- мещениях следует ис- ходить из эквивалент- ного звукопоглощения площадью 10 м2 Требования относятся к любому шуму во вре- мя использования по- мещения по назначе- нию, кроме шума са- мих посетителей в центре города, на главных вого транспорта предельно до- ведениях в период с 6 до 22 ч Б (AI).
127
Таблица 5.17. Допустимые уровни Шума в средствах транспорта (п. Ювтабл. 5.8)
Средство транспорта Уровень звукового давления, дБ (М)
предельно допустимый рекомендуемый
Медицинские помещения иа морских судах Мостики, рулевые рубки, радиорубки, обще- ственные н служебные помещения, кают- компании и жилые помещения на морских судах Рулевые рубки, общественные и служебные помещения, кают-компании н жилые по- мещения на судах внутреннего плавания Изолированные посты управления в машин- ных отделениях, камбузы, буфеты, пекар- ни, прачечные, -киоски Легковые автомобили с двигателями, имею- щими водяное охлаждение Легковые автомобили с двигателями, имею- щими воздушное охлаждение Места для водителей в кабинах грузовиков, в специальных переоборудованных автомо- билях на базе грузовых, в кабинах н сало- нах автобусов, в кабинах седельных тяга- чей, в полуприцепах допустимой общей массой не более и свыше 2,5 т Прицепные машины к автомобилям Вагоны скоростного рельсового городского и пригородного транспорта, служебные ку- пе в багажных и почтовых вагонах, в ка- бинах водителей и в салонах трамваев Салоны для пассажиров и вагонах с поворот- ными тележками н в моторных вагонах 2-го класса, в автомотрисах, в вагонах-ресто- ранах, в двухэтажных вагонах Салоны для пассажиров в вагонах с поворот- ными тележками и в моторных вагонах 1-го класса, в вагонах-салонах и в купе спальных вагонов Кабины для водителей железнодорожного транспорта Пассажирские салоны и кабины для пилотов самолетов Места для водителей тракторов 55 60 65 80 80 82 83 85 80 80 70 65 85 85 88 50 55 60 75 75 77 75 78 75 75 65 60 80 80 80
128
5.4.8. Регламентация шума с целью предотвращения
повреждения органов слуха
Для предотвращения повреждения органов слуха в наиболее
распространенных предписаниях и нормах принято в качестве предельно до-
пустимого значение регламентируемого уровня шума 90 дБ (А) по формуле
(5.8). Законодательно предписано при превышении предельно допустимых
значений уровня шума, равных 90 дБ(А), проверять слух н осуществлять
меры по защите органов слуха (подраздел 5.3.1). В определении регламенти-
руемых уровней, однако, нет полного единообразия (см. табл. 5,8). В каче-
стве регламентируемого промежутка
мичасовой рабочий день или со-
рокачасовая рабочая неделя. Из-
меряемые величины, параметры
усреднения и возможные по-
правки различаются (подраз-
дел 5.3.1).
В предписании ФРГ по
оценке шума на рабочем месте
в качестве измеряемой величины
используется Lai, а при отсут-
ствии импульсного, шумомера при-
меняют Lat. В случае ,неимпульс-
ных шумов используют LAf. Па-
раметр усреднения q принимают
обычно равным трем, хотя это
четко не оговаривается. Поправки
не предусматриваются.
Стандартом ГДР допуска-
ется применение только Lai
с q=3.
Рекомендация ISO преду-
времени повсеместно используется вось-
Число циклов
Рнс. 5.16. Продолжительность суммар-
ного времени воздействия шума с уров-
нем 90 дБ (А), соответствующая восьми-
часовому воздействию шума, регулярно
чередующегося с паузами.
сматривает использование только
Lab с <7=3 [14]. При наличии се-
рий импульсов вводится поправка
в 10 дБ (А) (предельные значения
не оговариваются).
В законодательстве США
в качестве измеряемой величины
предусматривается LAb, причем
параметр усреднения q=5. Для импульсных шумов за измеряемую величину
принимается максимальное значение Lab с тактом продолжительностью в 1 с.
Наряду с ограничениями регламентируемого уровня (или эквивалентного
уровня длительного шума) существуют требования по ограничению пиковых
значений уровней импульсных шумов:
согласно предписаниям ФРГ £ci^135 дБ (С/) или Асг^120 дБ (CF);
стандарт ГДР предлагает установить значение пикового уровня, опреде-
ленного с помощью осциллографа, не более 135 дБ;
законодательство США предписывает значение Lcb^ 130 дБ(С5),
Для оценки шумов, которые могут вызвать повреждения органов слуха,
в предписаниях ФРГ помимо измерения их уровней предлагается равноправно
использовать так называемый «тест иа восприимчивость». Этот тест является
нововведением; его применение дискуссионно [21]. В тесте иа восприимчи-
вость человеческие органы слуха служат как бы приборами, регистрирую-
щими опасность их повреждения. Тест характеризует временное снижение
слуха у группы людей с нормальным слухом в течение рабочей смены. При
среднем снижении слуха менее 5 дБ воздействие шума считается ие вызы-
вающим опасения, а при снижении более 10 дБ такая опасность возникает.
В этом случае следует провести контрольные обследования (подраздел 5.3.1)
и принять меры по защите органов слуха.
5 Заказ № 740
129
Таблица 5.18. Допустимые уровни шума на местности (п. Юг табл. 5.8)
Категория района Предельно допустимые значения эквивалентного уровня длительного шума, дБ (AI) Максимальный уровень звукового давления, ДВ (AI)
с 6 до 22 ч с 22 до 6 ч
Курорты, зоны отдыха, зо- ны тишины 45 35 85
Жилые районы 50 40 85
Смешанные районы 55 45 90
Промышленные районы, центральные районы го- родов 60 50 95
Примечания. 1. Шум транспорта может превышать допустимые значения
при условии, что соблюдаются требования табл. 5 16 и не превышаются максималь-
ные уровни звукового давления.
2. Решения о присвоении району той или иной категории принимаются местны-
ми органами власти.
Рис. 5.17. Предельные значения уровней шума для студий
звукозаписи концертных и театральных залов (п. 8г
табл. 5.8).
Максимальный уровень шума на характеристике А—39 дБ.
1 — радиостудии; 2 — режиссерские помещения; 3 — концертные
и театральные залы; 4 — телекиностудии; 5 — звукотелеоператор-
ские; 6 — технические помещения.
130
Влияние «тихих пауз». Если в течение смены наблюдаются до-
статочные по длительности перерывы в повышенной шумности, причем
уровни шума в перерывах не превышают 75 дБ(А) или 80 дБ(А), то органы
слуха могут без повреждения переносить шумность значительно более высо-
кую, чем регламентируемые уровни в 90 дБ (А). Перерывов в шумности
можно также достичь за счет применения, средств индивидуальной защиты.
В случае ритмичного чередования шума и пауз воздействие шума на чело-
века может быть оценено в соответствии с графиком рис. 5.16.
5,5. ТРЕБУЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ
(ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЗНАЧЕНИЯ, ПРЕДЕЛЬНЫЕ СПЕКТРЫ)
В табл. 5.8 приведен перечень предписаний, норм и т. д. Не во-
шедшие в нее величины указаны в табл. 5.9—5.18.
Поправки к значениям «основного критерия влияния наружного шума»
в дБ (А) (п. 11 табл. 5.8) приведены ниже:
Время суток
День ....................................................... 0
Вечер ................................................... —5
Ночь .....................................................От —10
до —5
Категория района
Сельские районы, районы больниц, зоны отдыха .............. 0
Пригородные районы с небольшим движением транспорта + 5
Городские жилые районы .................................. +10
Городские жилые районы с небольшими предприятиями и учре-
ждениями или с магистралями ............................. +15
Центральные городские районы........................... -]-20
Преимущественно промышленные районы (наличие предприя-
тий тяжелой индустрии) ................................ -{-25
Состояние окон
Окна открыты .......................................... —10
Одинарные окна закрыты ................................ —15
Двойные окна закрыты (или неоткрывающиеся окна) .... —20
Примечание. Допускаемый уровень шума внутри помещения,
определяемый с учетом поправки на состояние окон, не должен быть ниже
20 дБ (А).
5.6. ОЦЕНКА ШУМОИЗЛУЧЕНИЯ,
Г. ХЮБНЕР
5.6.1. Характерные физические величины
Под понятием «машина» в данном разделе подразумеваются все
технические источники шума любого типа. Их акустический КПД обычно со-
ставляет от 10“5 до 10-9.
Шумоизлучение машины (шумовая эмиссия), как правило, оценивается
значением излученной за единицу времени звуковой энергии (звуковая мощ-
ность Р). Оценка производится обычно в уровнях звуковой мощности на ха-
рактеристике А. Звуковая мощность машины не зависит от параметров по-
мещения, где она установлена, и является величиной, характеризующей
только машину. Уровень звукового давления, часто применявшийся для ха-
рактеристики шумности машин, во многом зависит от расстояния до ма-
шины и акустических параметров помещения.
5*
131
Кроме уровня звуковой мощности на характеристике А шумность ма-
шины также определяется частотным спектром (октавным, третьоктавный и
узкополосным), временной характеристикой (при сильно изменяющемся во
времени шумоизлучении) и характеристикой направленности (при- неравно-
мерном излучении шума в пространстве).
Уровень звуковой мощности Lp находится по формуле
Lp = 101gP/P0 дБ, (5.12)
где Ро—Ю~12 Вт — пороговое значение звуковой мощности.
Общий (суммарный) уровень звуковой мощности машины — это сумма
всех частотных составляющих шума, обычно в звуковом диапазоне частот от
16 Гц до 16 кГц. Если возникает необходимость соотнести общие уровни
Рис. 5.18. Измерительные поверхности при использовании
метода огибающих поверхностей', а — источник шума, сво-
бодно излучающий во всех направлениях; б—источник
шума, расположенный на отражающей плоскости
/ — источник звука; 2 — измерительная поверхность S; 3 —отража-
ющая плоскость,
шума машины с особенностями восприятия человека, измерения производятся
иа характеристике А. При обозначении соответствующих величин индексом А
получим следующее соотношение:
РА
LPX = 10lg — *Б <5ЛЗ)
*0
5.6.1 Л. Звуковая мощность источника шума в свободном звуковом поле.
Звуковая мощность в этом случае определяется параметрами поля на поверх-
ности, полностью охватывающей источник звука. Эта поверхность называется
измерительной, или огибающей (рис. 5.18). Звуковая мощность [в соответ-
ствии с уравнением (1.7)] рассчитывается из следующего уравнения
P=fpvdS, (6.14)
где р — мгновенное давление в точке на измерительной поверхности S; v —
мгновенная скорость в точке на измерительной поверхности; dS— элемент
измерительной поверхности S, характеризуемый нормалью к ней; v-dS—
скалярное произведение двух векторов — проекция вектора скорости на нор-
маль к измерительной поверхности (рис. 5.19).
132
Если измерительная поверхность находится на достаточно большом рас-
стоянии от источника звука, то можно использовать следующее выражение
(подраздел 5.6.2):
(j)pVdS «фД p2dS, (6.15)
где dS — элемент поверхности, расположенный перпендикулярно направлению
распространения звука.
Пересчет в уровни мощности производится с помощью следующей фор-
мулы [см. также уравнения (1.12) и (3.12)]:
LP = S+Ls + ^. <В16>
где Lp — усредненный во времени н по измерительной поверхности уровень
звукового давления нли так называемый «уровень звукового давления иа из-
мерительной поверхности».
Значения показателя измерительной поверхности Ls
и корректирующей поправки Ко иа атмосферные условия
в выражении (5.16) находят по формулам:
Ls= 101gS/S0 дБ, (5.17а)
где So=l м2 —пороговое значение площади измери-
тельной поверхности,
Рис. 5.19. Поток
звуковой мощно-
сти, передавае-
мой через элемен-
тарный участок
поверхности (о—
скорость, d«S—
элемент поверхно-
сти) .
Ко = — 101g рс/(рс)0 дБ, (5.176)
где (рс)0=4ОО Нс/м8 — пороговое значение акустичес-
кого сопротивления.
В воздухе при температуре 0, °C и давлении В, мбар
величина Ко рассчитывается из выражения:
[ 423 1 Г 273 В 1
~^У <6J8)
В обычном климате Ко^1 дБ.
Уровень звуковой мощности на характеристике А рассчитывается нэ вы-
ражения, аналогичного (5.16):
^рА = + Ко,
где La — уровень звукового давления иа характеристике 4, усредненный во
времени и по измерительной поверхности.
5.6.1.2. Звуковая мощность источника шума, в диффузном звуковом поле.
В диффузном звуковом поле уровень звуковой мощности рассчитывается
в соответствии с (3.13):
LP = + [10 '8 (фД - 6 + Кю + Км] ДБ, (5.19)
где Lcp — усредненный во времени и по объему помещения уровень звукового
давления; А—площадь звукопоглощения (подраздел 3.3.3.4), м2; Ао=1 м2—
пороговое значение звукопоглощения.
Корректирующая поправка на атмосферные условия находится нз выра-
жения
Ko^lOlg-—дБ, (5.20)
где В — давление в среде, мбар; Во =1000 мбар — пороговое значение дав-
ления.
133
Поправка Ватерхауза К01 рассчитывается по формуле
KM=10tg(1+-^| , (5.21)
\ Wfe !
где Sr — площадь ограждения помещения; с —скорость звука; V — объем
помещения; fc—среднегеометрическая частота рассматриваемой полосы ча-
стот.
Поправку Ватерхауза применяют в связи с тем, что вблизи источника и
вблизи стен помещения диффузное поле вырождается, и поэтому данные
зоны должны исключаться из расчета. Всегда положительная поправка Koi
для многих рассматриваемых частот в обычных помещениях не превышает
2 дБ. Звукопоглощение А и поправка Koi изменяются с изменением частоты,
в связи с чем расчеты по формулам (5.19) и (5.21) следует проводить в со-
ответствующих полосах частот. Общий уровень Lpa рассчитывается путем
сложения уровней мощности в полосах частот на характеристике А.
5.6.1.3. Звуковая мощность источника звука, определяемая звуковой виб-
рацией. Если шумность источника звука обусловлена излучением его вибри-
рующей поверхности, то уровень звуковой мощности можно определить из
следующего выражения:
Lp = Lv + [10 1g Sx + 101gо + 10 1g pc/(pc)0] дБ, (5.22)
где Lv — усредненный во времени и по площади уровень нормальной скоро-
сти поверхности источника (1.4); Si — площадь поверхности излучателя, мг;
о—коэффициент излучения.
Если в (5.22) принять 0—1, то определится верхний предел звуковой
мощности излучаемой конструкцией площадью Sf
LpSS^ + IOlgSj дБ. (5.23)
Оценочная формула (5.23) полезна при анализе причин ценообразова-
ния сложных машин.
5,6.1.4. Уровень звукового давления на измерительной поверхности и по-
казатель измерительной поверхности. Уровень звукового давления иа измери-
тельной поверхности (подраздел 5.6.1.1) определяется в условиях свобод-
ного звукового поля источника.
Как и уровень звуковой мощности, уровень звукового давления на изме-
рительной поверхности Ьд и соответствующий показатель измерительной по-
верхности LB характеризуют шумоизлучение источника звука в нормальных
климатических условиях (Ко~0). Поэтому исходя из (5.16) при Ко^О, можно
записать:
^рА = (5.24)
При определении Lpa выбирается измерительная поверхность, которая
повторяет (упрощенно) геометрические формы машины типа прямоугольного
параллелепипеда, цилиндра, шара (без учета слабоизлучающих элементов) и
располагается на некотором определенном расстоянии от машины (это так
называемое измерительное расстояние). Измерительная поверхность оканчи-
вается на ограждающих отражающих поверхностях (например, на полу) нли
образует замкнутую огибающую поверхность (рис. 5.18 и 5.20). Измеритель-
ное расстояние обычно принимается равным одному метру.
5.6.1.5. Дополнительные характерные величины шумоизлучения, сильно
изменяющегося во времени или в пространстве. Во временных изменениях
шума машин различают импульсные (кратковременные) колебания или рез-
кие изменения уровней после более или меиее длительных интервалов, харак-
теризующихся равномерными уровнями. В первом случае следует проводить
134
Рис. 5.20, Измерительная поверх-
ность S машины.
явмерения как в режиме шумомера «медленно», так и в режиме «импульс»
(подразделы 3.2.3, 5.2.2 и 5.4), что дает возможность сопоставить усреднен-
ные значения импульсного шума со значением импульса. Во втором случае
рекомендуется для каждого рабочего цикла машины определять интерваль-
ный уровень звуковой мощности, используя его затем совместно с времен-
ными показателями продолжительности интервала и всего цикла.
При отсутствии импульсов и продолжительности рабочего цикла более
1 с результаты замеров не зависят от выбора режима работы шумомера.
Для оценки иммиссии указанного шума используются рекомендации под-
раздела 5.4.
Если в условиях свободного поля иа измерительной поверхности разность
ЛЬ между максимальными Li щах н минимальными Li min уровнями звуко-
вого давления превышает 10 дБ, то такое шумоизлучение считают направ-
ленным. В диффузном поле указанный
аффект практически исчезает под влия-
нием многочисленных отражений.
Наиболее четко направленность шу-
моизлучения проявляется у протяжен-
ных (вытянутых) агрегатов, состоящих
из машин различного назначения, или
па высоких частотах у «звуковых ко-
лонок».
Для сферической измерительной по-
верхности каждой точке замеров i со-
ответствует индекс направленности шу-
моизлучения Di, определяемый следую-
щим выражением:
Di = Li —Тр, (5.25)
где Li — уровень звукового давления
в каждой из точек i на измерительной
поверхности; Lp — средний уровень зву-
кового давления на той же поверхности.
5.6.1.6. Другие характерные вели-
чины. Содержание тональных состав-
ляющих в шуме машины является
дополнительным критерием, характеризующим ее акустическое качество.
Обычно о наличии тональных составляющих судят по разнице уровней шума
между двумя соседними октавными или третьоктавными полосами частот.
Однозначные количественные критерии для такой оценки в настоящее время
не установлены. Однако превышение уровня шума в одной нз октавных
полос на частотах свыше 300 Гц более чем иа 5 дБ по сравнению с уров-
нями в соседних полосах частот служит признаком содержания четко вос-
принимаемого тона.
Дополнительной характеристикой шумоизлучения машины являются
уровни звукового давления на постах обслуживания. Эти посты расположены
вблизи машины и предусмотрены требованиями к ее эксплуатации.
Иногда в качестве дополнительной характеристики шумовой эмиссии ма-
шин используют так называемый радиальный (приведенный к радиусу) уро-
вень шума Lam.
При полусферическом шумоизлучении между величиной bRm и уровнем
звуковой мощности Lp можно установить соотношение:
^m=bp-8-201g2? дБ,
(5.26)
где R— заданный радиус, м.
Выражение (5.26) справедливо прн следующих условиях:
измерительная поверхность должна быть удалена от поверхности ма-
шины на расстояние более 0,25 м;
135
точки измерения должны быть равномерно и в необходимом количестве
распределены по измерительной поверхности (в частности, недостаточно рас-
положить их в одну линию вдоль машины).
Численные значения уровней шума Lnm на расстоянии 1, 3 и 10 м от
определенного источника звука всегда меньше численного значения общепри-
нятого уровня звуковой мощности Lp того же источника.
Радиальные уровни шума характеризуют шумовую эмиссию строитель-
ных машин, автомобилей (рис. 5.21). См. подраздел 5.7.1.
Рис. 5.21. Измерение шума от автомобиля: а — при движе-
нии; б — в статическом положении.
bfl—длина автомобиля.
5,6.2. Измерение характерных величин
5.6.2.1. Измерение в условиях свободного поля. Уровень звуковой
мощности Lp источника шума в условиях свободного поля определяется по
методу измерительной поверхности в соответствии с (5.16) исходя из уровня
звукового давления на измерительной поверхности LP и показателя измери-
тельной поверхности L8-.
С8’27)
Введенная в выражение (5.27) ‘корректирующая поправка К характери-
зует полноту соблюдения условий свободного звукового поля вблизи измери-
тельной поверхности.
Уровень звукового давления на измерительной поверхности LP является
средним значением уровней звукового давления в полосах частот Li или
уровней на характеристике А, определяемых в N точках измерения или на N
микрофонах, установленных в определенной композиции или в несколько ли-
ний. Микрофоны должны располагаться равномерно по всей измерительной
поверхности. Если звуковое поле несимметрично, то измерения производятся
на части измерительной поверхности. Число N считается достаточным, если
разница между Li шах и Li min в децибелах меньше числа N. Если это не
так, число точек измерений должно быть увеличено.
136
Если считать, что каждой точке измерения соответствует определенная
часть измерительной поверхности площадью Si, то величину Lp можно рас-
считать по измеренным уровням Ц из следующего выражения:
Lp = 10 1g | -L 2 | дБ (5.28)
ИЛИ N
Lp=101g{-l- 2 Si lO°’IL<| ДБ. (5.29)
Если разница между измеренными уровнями Ц тах и Li шт меньше
5 дБ, то допустимо обычное арифметическое усреднение
1 N
Lp = ^- дБ- (5.3°)
Необходимое усреднение во времени обычно выполняется при снятии зна-
чений L{ со шкалы измерительной аппаратуры., При этом измерения ведутся,
как правило, в режиме «медленно». Если шум носит импульсный характер
или уровни шума резко изменяются во времени, требуются дополнительные
замеры (подраздел 5.6.1.5).
Показатель измерительной поверхности Ls определяется в соответствии
с (5.17а) и (5.176).
Корректирующая поправка К, известная также как «поправка на поме-
щение», определяется по одному из трех методов (в открытом пространстве
и в закрытых помещениях):
а) «абсолютным сравнением», когда используется калиброванный источ-
ник звука с известной звуковой мощностью;
б) «относительным сравнением», если применяется некалнброванный ис-
точник звука;
в) по реверберации, когда измеряется время реверберации в помещении
источника (только для закрытых помещений).
Прн абсолютном сравнении небольшой эталонный источник звука уста-
навливается в помещении на месте основного источника и уровни звуковой
мощности определяются на измерительной поверхности основного источника.
В этом случае поправка на помещение
К = Lp -4- Ю lg,S -LpE, (5.31)
где Lp — уровень звукового давления на измерительной поверхности основ-
ного источника; S — площадь измерительной поверхности, мг; Lpe—уровень
звуковой мощности эталонного источника.
При «относительном сравнении» небольшой некалиброванный источник
звука с постоянной шумовой эмиссией устанавливается на место основного
источника и здесь дважды измеряются уровни звукового давления вспомога-
тельного источника — на измерительной поверхности S основного источника
звука (Ьр)-и на измерительной поверхности Si(LPi), получаемой за счет из-
менения (при сохранении геометрического подобия) измерительной поверхно-
сти S. Из результатов измерений определяют разницу уровней
AL = LP1— Lp. (5.32)
Для расчета величины К полуднффузного поля (рис. 5.22), наблюдаю-
щегося в не очень заполненных помещениях, звукопоглощение которых лока-
лизуется на ограждающих поверхностях, можно использовать формулу
Si/S — 1
K=101g 1-м — lOlgSi/S, (5.33)
где M=10°’1AL •
137
При «реверберационном методе» основной источник звука демонтировать
не нужно. Сначала определяется площадь звукопоглощения А помещения
(3.15). Для расчета К полудиффузного звукового поля можно воспользо-
ваться следующим выражением (рис. 5.23):
К = Ю 1g (1 + ^р) дБ. (6.34)
где S — измерительная поверхность источника звука.
Корректирующая поправка К, как правило, зависит от частоты, в связи
с чем расчет должен проводиться в полосах частот. В соответствии с класси-
Рис. 5.22. Поправочный коэффици-
ент К для полудиффузного звукового
поля при звукопоглощении в помеще-
нии Л = 100 м2. Уровень звукового
давления ДДР на измерительной по-
верхности S в зависимости от ее пло-
щади [ALP =/(£)].
/ — фактическое поле в помещении 64 =
100 м1); 2 — свободное поле.
SH—площадь поверхности, ограничиваю-
щей диффузное поле.
Рис. 5.23. Значение поправоч-
ного коэффициента К для
полудиффузного поля с учетом
классификации ISO звуковых
полей.
1 — приблизительная оценка; 2 —
инженерные расчеты; 3~ точные
расчеты.
фикацией ISO для прецизионных измерений в полностью свободном звуковом
поле дБ, а в свободном поле при наличии отражающей поверхности
Л^1,5 дБ, для инженерных измерений при наличии отражающей поверхно-
сти К^2 дБ и для оценочных измерений дБ. Классификация распро-
страняется только на часть звукового поля, находящуюся в непосредствен-
ной близости от измерительной поверхности. При этом измерительная поверх-
ность может сдвигаться в направлении к источнику.
Суммарная погрешность АОбщ при определении звуковой мощности по
методу измерительной поверхности зависит от четырех составляющих:
Аобщ== AjAgAgA^. (5.35)
Каждая из составляющих погрешности зависит от одного или нескольких
параметров;
Д1—погрешность «ближнего поля», возникающая в связи с использова-
нием допущений по (5.15), состоит из импедансной и угловой погрешностей.
Импедансная погрешность (рис. 5.24, а) появляется вследствие разницы
между скоростью v и отношением Р/рс. Угловая погрешность (рис. 5.24,6)
обусловлена тем, что вектор о не в каждой точке измерительной поверхности
138
перпендикулярен к ней. На погрешность Д[ влияет измерительное расстояние
н форма измерительной поверхности;
Дг — погрешность «конечности числа измерений», которая включает влия-
ние ограниченности точек измерений на измерительной поверхности (а также
некачествеииость их размещения) в сравнении с требуемым (5.14) бесконеч-
ным числом точек;
Дз — собственная погрешность измерений, зависящая от особенностей ап-
паратуры, метеорологических условий и оператора;
Рис. 5.24. Погрешность при измерении в ближнем звуковом поле Ai: а —
импедансная погрешность для измерительных плоскостей, повторяющих
форму излучателя; б — угловая погрешность для измерительных плоско-
стей, не повторяющих форму излучателя.
/ — сферический излучатель n-го порядка; 2 — сферический излучатель 0-го порядка;
3 —плоский параллелепипед; 4 — вытянутый параллелепипед.
S — измерительная поверхность; а/b — соотношение сторон.
Д4 — «погрешность помещения», возникающая в связи с наличием ограж-
дающих поверхностей и других отражающих объектов в помещении источ-
ника, которые не учтены или не полностью учтены корректирующей поправ-
кой К.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований рассматри-
ваемого метода измерений следующие:
теоретически рассчитанная по методу измерительной поверхности звуко-
вая мощность Р [(5.15) и (5.16)], как правило, больше или равна звуковой
мощности, определенной по исходному уравнению (5.14);
минимальное значение погрешности Ai получают, если форма измеритель-
ной поверхности по возможности повторяет форму источника звука, а сама
поверхность находится возле источника звука на неизменном расстоянии;
для сферического излучателя- 0-го порядка (пульсирующая сфера) прн
любом самом малом измерительном расстоянии отсутствует разница между
расчетными значениями звуковой мощности Р по уравнению (5.15) и изме-
ренными значениями по методу измерительной поверхности Рн, если эта по-
верхность представляет собой концентрическую сферу (рис. 5.24,а);
13Q
разница между уровнями Рн н Р не превышает 5 дБ для рабочего диа-
пазона частот начиная от 100 Гц, если измерительное расстояние выбирается
не менее 0,25 м, а машина не обладает резко выраженной характеристикой
направленности;
машины малых и средних размеров зачастую имеют характеристику на-
правленности, схожую с характеристикой сферического излучателя от 0 до
1-го порядка, т. е. промежуточного между монополем и диполем;
для высоких частот (f>_4 кГц) собственная погрешность измерений при
определении звуковой мощности в большей степени зависит от диаметра мик-
рофона, чем от каких-либо других условий измерений (рекомендуется приме-
нять микрофоны диаметром не более 13 мм);
«погрешность помещения», как правило, меньше 1 дБ, и ею можно пре-
небречь,' если A/S>10 (в противном случае следует определять корректирую-
щую поправку К).
5.6,2.2. Измерение в условиях диффузного поля. В условиях диффузного
поля уровень звуковой мощности ЬР источника звука определяется исходя из
усредненного во времени и в пространстве уровня звукового давления L«p>
эквивалентной площади звукопоглощения А помещения источника, а также
корректирующий поправок Коо и Koi (5.19). Если вместо площади звукопогло-
щения А использовать объем помещения V, м8 н время его реверберации Т,
с (3.15), (5.20) и (5.21), то уровень звуковой мощности определится выра-
жением
bp^L^-ptHgT+JOlgV+KJlg ^1 + + 10 lg-|-—uj j дБ.
(5.36)
Значение уровней Lep находят из (5.28). При этом уровни звукового дав-
ления Li получают путем измерений в диффузном поле, в различных точках
помещения. Число точек измерения зависит от степени днффузности помеще-
ния, от спектра шума источника ’(измерение тональных шумов более трудо-
емко, чем широкополосных) и от требуемой точности измерений. Средний уро-
вень LCp, вообще говоря, должен рассчитываться не только исходя из замеров
в определенном числе точек измерения при соблюдении упомянутых условий
к их выбору, ио также из замеров- при известном числе Ns различных поло-
жений источника звука в помещении.
Разработан ряд рекомендаций, позволяющих в зависимости от требуемой
точности измерений классифицировать помещение с учетом степени диффуз-
ности звукового поля и спектра шума его источника и найти рекомендуемое
число точек измерения.
Прецизионные измерения. Уровни звукового давления L{ для
каждого положения исследуемого источника звука в помещении с диффузным
полем определяются в шести точках, и для каждой полосы частот рассчиты-
вается стандартное отклонение •$ из арифметического среднего значения L=
»=}/ -y-(Z.,-L)2. (5.37)
Теоретически дискретный тон приводит к стандартному отклонению
в 5,57 дБ в соответствующей полосе частот. Стандартные отклонения для
широкополосных шумов имеют меньшие значения. В зависимости от них ISO
следующим образом классифицирует характер шума:
категория I: s^I,5 дБ—«широкополосный шум»;
категория II: 1,5 дБ<$^3 дБ — «шум с узкополосными составляю-
щими»;
категория III: з>3 дБ —«шум с тональными составляющими».
140
Эта классификация подразумевает и определенные требования к «каче-
ству помещения». Поэтому, возможно, один и тот же источник звука в раз-
личных помещениях будет классифицирован по-разному. Чем лучше качество
помещения, тем ниже его категория (при одном н том же источнике). Как
правило, лучшим считается, такое помещение с диффузным полем, в котором
при наличии узкополосных составляющих в шуме источника наблюдается бо-
лее плотное «наложение мод» с большим временем их затухания. Поэтому
желательно для помещения с диффузным полем добиваться минимально воз-
можных значений затухания. Иногда звуковое поле в помещении можно
«улучшить» за счет применения «лопастных мешалок». Такое устройство осо-
бенно целесообразно применять для шумов с тональными составляющими и
тем самым снижать трудоемкость замеров, характерную для помещений ка-
тегории III.
При измерении в диффузных полях категории I для определения LCp до-
статочно одного положения источника и три точки измерения.
При измерении в диффузных полях категории II число точек замеров
составляет от 3 до 15 (в зависимости от полосы частот), а число положений
источника рассчитывается из следующего выражения:
(5.38)
где №=5—25 (ISO DIS3742, я. II).
При измерениях в диффузных полях категории III число точек замеров
N и положений источника Ns должно быть удвоено по сравнению с измере-
ниями по категории II.
Вместо дискретного распределения точек замеров можно использовать
метод «непрерывного опроса» с измерительной линии, длина которой рассчи-
тывается по формуле
(5.39)
где Ас — длина звуковой волны на среднегеометрической частоте полосы fc.
Инженерные измерения звуковой мощности осуществляются
в специально оборудованной реверберационной камере объемом около 70 м3
с практически постоянным в .диапазоне частот от 500 Гц до 8 кГц временем
реверберации, которое определяется по формуле
T^KTTNf
(5.40)
где Кт = 1 Ч—yi/з" — среднегеометрическая частота полосы, V —
объем помещения, м3); 0,5 cs^TnsC 1,0 с.
Преимущество этого метода заключается в том, что уровень звуковой
мощности на характеристике А получают в результате прямого измерения
звукового давления на характеристике А без измерений уровней в полосах
частот.
Проверка пригодности применения инженерного метода проводится пу-
тем измерения звуковой мощности определенного источника звука как в рас-
сматриваемом помещении, так и в специально классифицированной преци-
зионным методом реверберационной камере. Разница между полученными
значениями уровней звуковой мощности, не должна превышать 3—5 дБ в за-
висимости от полосы частот. Число положений источника и микрофонов в ин-
женерном методе рассчитывается так же, как в прецизионном, причем в пре-
цизионном методе стандартное отклонение в полосах частот изменяется от
1,5 до 3 дБ, а в инженерном методе —от 2,0 до 4,0 дБ.
141
В рекомендациях ISO сформулированы указания об условиях проведе-
ния измерений по прецизионному методу, которые также могут быть исполь-
зованы при измерении по инженерному методу:
в реверберационной камере должны измеряться только стационарные, не
содержащие импульсов шумы;
объем источника звука не должен быть больше 1 % объема ревербера-
ционной камеры;
минимально допустимый объем реверберационной камеры опреде-
ляется самой низкой частотой измерений fmin, причем если fmin=100 Гц, то
Vmin=200 м3, а если fmtn=200 Гц, то Vmjn=70 м3;
для прямоугольных помещений предлагаются определенные соотношения
сторон;
средний коэффициент звукопоглощения в помещении должен находиться
в пределах от 0,06 до 0,16;
уровень помех предусматривается, как минимум, на 6 дБ ниже уровня
шума источника (предпочтительнее иа 12 дБ);
измерительная аппаратура должна отвечать рекомендации МЭК 179.
5.6.2.3. Измерения методом сравнения источников звука. При измерении
методом сравнения в отличие от измерений в свободном поле н в ревербера-
ционной камере не требуется классификации помещений. Этот метод может
практически использоваться в любых условиях. Контрольный источник звука
должен иметь следующие характеристики:
широкополосное максимально высокое шумоизлучение;
слабо выраженный эффект направленности (£>,^3 дБ);
стабильный во времени спектр шума (допустимое изменение уровней не
более +0,5 дБ);
небольшие размеры (любой линейный размер допускается не более 0,5 м);
калибровку прецизионным методом.
В процессе измерений исследуемый источник звука заменяется контроль-
ным источником с уровнем звуковой мощности LPv и проводятся измерения
уровней звукового давления Lpv на измерительной поверхности S исследуе-
мого источника. При этом учитывается уровень помехового шума (подраз-
дел 3.3,2) без поправок иа условия в помещении. Затем измеряется в тех же
точках иа той же измерительной поверхности S уровень звукового давления
Lp исследуемого источника (также с учетом поправок иа помеховый шум).
Уровень звуковой мощности Lp рассчитывается по формуле
ip = ip„ + 4-S.o. (5-41)
Поскольку спектры шума контрольного и исследуемого источников раз-
личны, а влияние условий в помещении зависит от частоты, расчет по фор-
муле (5.41) следует проводить в полосах частот (октав, третьоктав). Если
исследуемый источник звука не может быть снят со своего места, контроль-
ный источник устанавливается в «эквивалентном» месте в сходных с иссле-
дуемым источником условиях или вблизи от него (метод «смежного распо-
ложения»), что приводит к определенной приближенности результатов изме-
рений звуковой мощности.
5.6.2.4. Измерения в обычных машинных отделениях или в открытом про-
странстве. Шум больших машин часто измеряется в производственных усло-
виях (вблизи от поставщика или потребителя), а не в специальных акустиче-
ских камерах. Из-за неконтролнруемости условий в помещениях н метеороло-
гических условий такие измерения оказываются приближенными. Измерения
около потребителя на месте установки машины предпочтительнее. Как пра-
вило, применяется метод измерительной поверхности (подраздел 5.6.2.1). Осо-
бое значение имеет определение корректирующей поправки К и устранение
влияния помеховых шумов; при прецизионных и инженерных измерениях по-
меховый шум должен быть ниже уровня шума машины не менее чем иа 6 дБ,
а при оценочных измерениях — не менее чем на 3 дБ (подраздел 3.3.2). В от-
крытом пространстве должны быть учтены метеорологические условия,'влияю-
щие иа распространение и затухание звука.
142
Значение поправки ft можно снизить, уменьшив измерительную поверх-
ность S (наименьшее расстояние от машины—0,25 м) и повысив звукопогло-
щение в помещении.
Б.6.2.5. Нормирование шумоизлучения (шумовой эмиссии). Шумоизлуче-
ние нормируется, как правило, путем установления предельно допустимых
значений уровнен звуковой мощности в дБ (А). В последнее время начал при-
меняться метод нормирования, по которому устанавливается акустический
класс определенных видов машин. Каждый класс характеризуется своим ин-
тервалом значений уровней (с некоторым средним уровнем) в зависимости от
их производительности и мощности. Область применения машины обуслов-
лена ее классом.
5,7. ШУМ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ.
Л. ШРАЙБЕР
5.7.1. Автомобиль как источник шума
5.7.1.1. Шум ходовой части. Этот шум складывается из шума
двигателя, шума передачи и шума вспомогательных механизмов. Подробно
шум различных типов машин и механизмов рассматривается в разделах 6—
10 справочника. У автомобиля шумы механического происхождения излуча-
ются вибрирующими элементами шасси и кузова.
У легковых автомобилей шум ходовой части превалирует при его разгоне
и езде на низких передачах. На скоростных дорогах такой шум перекрыва-
ется шумом качения и шумом ветра. Шум привода грузовиков и автобусов
определяет общий шум и иа высоких скоростях. С целью снижения шума хо-
довой части на автомобилях с двигателями внутреннего сгорания устанав-
ливают глушители впуска воздуха и выпуска газов. Чтобы уменьшить звуко-
вую вибрацию, шасси, двигатели и передачи размещают на упругих опорах.
Листы шасси и кузова демпфируются в осиовном для снижения шума внутри
автомобиля. У автобусов н грузовиков с дизельными двигателями уменьшить
шум двигателя и передачи можно в результате применения кожухов (на-
пример, на городских автобусах).
5.7.1.2. Шум качения. Шум качения создается при соприкосновении шины
с поверхностью дороги, которая никогда ие бывает идеально ровной, а также
при вытеснении воздуха из пазов протектора на поверхности шины.
Звуковая мощность шума качения приблизительно пропорциональна
третьей степени скорости движения, а уровень шума увеличивается иа 9 дБ
при каждом удвоении скорости движения. У легкового автомобиля, равно-
мерно движущегося иа прямой передаче по дороге с гладким покрытием на
летних шинах, шум качения перекрывает остальные составляющие шума на
скорости свыше 50 км/ч. Зимине и специальные шины оказываются более
шумными, чем летние шины. Шины с периодически расположенными грунто-
зацепами при движении создают воющие тона; в связи с этим применяют
апериодическое расположение грунтозацепов. На шумоизлучение шины
влияют конструкция шины и характеристики ее материала (коэффициент
потерь).
Шум от зимних шип включает значительную долю высокочастотных со-
ставляющих, что приводит к повышению уровней на асфальте на 3 дБ(А).
Чем мельче профиль рисунка шины, тем большее влияние оказывает на
шум качения состояние поверхности дорожного покрытия.
Самыми тихими являются гладкие сухие асфальтовые покрытия. Бетон-
ные и рифленые асфальтовые покрытия шумнее на 3—5 дБ (А), а мощеные —
на 8 дБ (А), в связи с чем они не должны применяться, особенно в жилых
кварталах. Тонкий снежный покров значительно снижает шумообразование.
Мокрые покрытия шумнее [до 10 дБ (А)], чем сухие. На крутых поворотах
дороги или при поворотах на большой скорости, а также при резких тор-
143
можениях л разГОнах добавляется неприятный шум от трения скольжения
шин"Оверхностн дороги.
озмо>кйости снижения шума качения не беспредельны, так как согласно
треоования^ безопасности движения нельзя добиваться абсолютной гладко»
С™ 5 j® 5 Дорог.
• • ,о« Шум ветра. На высоких скоростях движения автомобиля стано-
ват- з^етной составляющая шума, определяемая сопротивлением потока
воздуха. dT0T ШуМ, в ОСйОВНОМ широкополосный, обусловлен срывом вихрей;
er°wctrn°Bajt М0ЩН0Сть приблизительно пропорциональна пятой-шестой сте-
пей ск рости движения. У некоторых автомобилей в шуме ветра наблюда-
ются «свастящие
тоца», вызываемые периодическим срывом вихрей (напри-
мер, со стоек багажника) или резонансом полых объемов. При открытых
юпит*0 йлн частичн°) окнах автомобиля внутри него могут возникать
колебания давления в инфразвуковом диапазоне частот, что
схоже с эффект°м резонатОра Гельмгольца.
Предельно допустимые уровни шумоизлучения автомобилей. За-
конодатель^^ ФРГ
установлены предельно допустимые уровни шумовой
эмиссии автомобилей в дБ (А):
Легковые автомобили, а также автомобили на базе
легковых .................................. оп °'
Грузовые автомобили, автобусы и тягачи
Автомобили повышенной мощности , .
Мотоциклы .......................
Мопеды ..........................
Велосипеды со съемным мотором ...
меров°(рисГ5Г'ВИе шУмонзлУчения принятым нормам определяется путем за-
а) шУМа стоящего автомобиля иа расстоянии 7 м от выхлопной трубы
при двигателе, работающем без нагрузки, и при частоте вращения, обеспечи-
вающей 'ег0 наибольшей мощности;
' УМа движущегося автомобиля иа расстоянии 7,5 м от продольной
оси на второй
передаче (при четырехскоростной коробке передач), когда ча-
50^„^.рЭ1ч^ия двигателя не превышает 75% максимальной, а скорость —
в) „шУМа двигателя прн торможении; предельно допустимые значения
уровней пРй
этом иногда увеличиваются иа 2 дБ (А).
80—84
85—89
92
84
73—79
70—73
5.7.2. Дорога как источник шума
5.7.2.1. Величины, характеризующие дорожный шум. Уровень до-
неравномерен. Поэтому воздействие шума (шумовая эмиссия)
характеризуй^
с помощью статистических параметров илн усредненных зна-
енн/ в Международной практике до сих пор не определился единый подход
В ФР^актеРистикам-
1 в целях архитектурного планирования при оценке дорожного шума
пязле5 4 1Я энеРгетически эквивалентный уровень длительного шума (под-
раздел йли усредненный уровень, рассчитываемый по формуле
= 10"’<!'] дБ, (5.42)
цг/ма-?на=Й=^“хаРактеРнЫ^ промежуток времени, используемый для оценки
А пРимер, в дневное время с 6 до 22 и или в ночное время с 22 до
° 4 q А Уровень звукового давления иа характеристике А.
ХВЙВа,®ентный уровень длительного шума соответствует средней иитен-
CHBS е за характерный промежуток времени. Он всегда выше сред-
неарифметического значения уровня шума. Исследования, выполненные в ряде
стран, показади, что реакция населения хорошо соответствует оценке шума по
эквивалентному уровню.
144
Эквивалентный уровень шума может быть либо измерен соответствую-
щим прибором, е помощью которого выполняют интегрирование по формуле
(5.42), либо рассчитан из выражения (5.7).
Иногда в ФРГ вместо эквивалентного уровня длительного шума исполь-
зуют эффективные уровни, особенно при оценке производственного шума
(подраздел 5.4.2). Эти уровни отличаются от эквивалентных тем, что вместо
значений в каждый момент времени на характеристике А (5.42) измеряют
максимальные значения уровней, фиксируемых за такт продолжительностью
5 с. На большом удалении от дороги значения эффективного уровня практи-
чески не отличаются от эквивалентного. Однако вблизи от дорог, где движе-
ние небольшое, ио допускаются высокие скорости, значения эффективного
уровня могут быть на несколько дБ (А) выше.
В ГДР уровни шума в соответствии с (5.42) измеряют импульсными
шумомерами в положении «импульс».
Наряду с эквивалентными уровнями длительного шума для характери-
стики дорожного шума применяют еще ряд величин, в частности, повторяе-
мость суммарных уровней. Имеются в виду уровни шума, которые достига-
ются или превышаются в течение определенного промежутка времени наблю-
дения.' Последний обозначается соответствующим индексом, выражающим
процент от времени наблюдения:
Дез илн Дао — уровень превалирующего шума;
Lso, -i-io — средний уровень шума;
Lt — частые максимумы;
Ьо,1 — редкие максимумы.
Иногда для оценки шума вводят понятие «ширина рассеивания» Дю-во
или стандартное отклонение в. С учетом его уровень «шумового загрязнения»
составит
LNP = LAm + 2-№a- <б-43>
5.7,2.2. Оценка воздействия дорожного шума. При расчете эквивалентного
уровня длительного шума дороги каждый автомобиль можно рассматривать
как ненаправленный источник звука. Такой источник со звуковой мощностью
Р, движущийся по прямой с постоянной скоростью U, создает на расстоянии
а (при полусферическом распространении звука без потерь) в невозмущениом
звуковом поле шум интенсивностью
р
/(/) =----------------------------------£------.
2л (аа + U2t2)
(5.44)
Эквивалентный уровень длительного шума определится из выражения
=10 ,g БИ'(о дБ=,о 1в [тЛНяБ- (5Л5)
При этом подразумевается, что время движения равно Т. Если за это
время проедет п автомобилей i со звуковой мощностью Pi и скоростью I/,-,
то эквивалентный уровень
Дэк = 10 1g
п
1 VI Pi
1<.Т-2а Ut
дБ,
(5.46)
Эквивалентный уровень длительного шума от участка длиной I рассчи-
тывается по формуле
г-.х, > = ^-эк. «,+ Ю 1g [ ] дБ. (5.47)
где £эк, то — уровень шума от бесконечно длинного прямого отрезка; а2— ах —
угол, под которым виден соответствующий участок из точки наблюдения
(рис. 5.25).
145
На практике автомобили подразделяют иа две группы — легковые и гру-
зовые и для каждой группы рассчитывают среднюю звуковую мощность и
скорость. Проведенные замеры показали, что для грузовиков отношение P/U
в среднем в 10 раз выше, чем для легковых автомобилей.
Исходя из вышесказанного можно записать:
= Ло + Г101g («л + lOJVr) - Ю 1g -Л + 10 1g а‘ ~1Х‘ 1 дБ + SKi, (5.48)
L «о loU J
Рис. 5.25. К расчету уровней
шума отрезка улицы длиной I
на расстоянии а.
где Л^л и ЛГР — число проезжающих за час легковых или грузовых автомо-
билей соответственно; Ко — эквивалентный уровень длительного шума, соз-
даваемый при определенных условиях на расстоянии ао от бесконечно длин-
ного прямого отрезка; /Q—корректирую-
щие поправки, учитывающие отклонения
от стандартных условий.
ПО’ результатам многочисленных ис-
следований рекомендуются следующие зна-
чения для указанных поправок:
Ко=39 дБ(А) при ао=25 м на скоро-
стной ровной дороге без ограничения ско-
рости, при сухом гладком асфальтовом по-
крытии иа летних шинах;
/<1 = 4-3 дБ(А) для бетонного покры-
тия; А1=+5 дБ(А) для рифленого асфаль-
та, Ki~ 4-8 дБ(А) для мощеного покры-
тия, Ki = 4-10 дБ (А) для мокрого асфальта
по сравнению с сухим гладким асфальто-
вым покрытием;
К— —4 дБ?А) для нескоростных до-
рог; К= — 7 дБ (А) для городских дорог
при соответствующих скоростях движения,
формула (5.48) предполагает беспрепятственное распространение звука
(без учета отражений, экранирования, поглощения в воздухе, влияния грунта)
в невозмущенном звуковом поле.
5.7.2.3. Возможности снижения дорожного шума. В настоящее время та-
кие возможности ограничены. Для уменьшения дорожного шума снижают:
шум ходовой части автомобилей, особенно грузовых;
шум качения за счет применения гладких асфальтовых покрытий дорог;
шум дорог в результате их заглубления или установки экранирующих
щитов и валов достаточной протяженности вдоль кромки дорог (для высотных
зданий это не дает желаемого эффекта).
Влияние снижения скорости движения иа уменьшение дорожного шума
обычно переоценивается, особенно на дорогах со значительным грузовым
движением (для получения существенного эффекта требуется весьма значи-
тельное снижение скорости).
Снижения дорожного шума можно добиться в результате правильной
архитектурной планировки жилых комплексов и самих зданий.
5.8. ЛИТЕРАТУРА
1. Beranek L. L. Noise and vibration control. McGraw-Hill, New York,
1971, p. 564—568. Siehe auch: Beranek L. L., Blazier W. E., Fig'wer J. J.
Preferred noise criterion (PNC) curves and their application to rooms.—J.
Acoust. Soc. Amer., 50, 1971, 1223—1228.
2. Burns W. Noise and man. London, John Murray, 1968, pp. Ill—112;
3. Cavanaugh' W. J., Farrell W. R., Hlrtle P., Watters B. G. Speech pri-
vacy in buildings.—J. Acoust. Soc. Amer., 34, 1962, 475—492
146
4. French N. R., Steinberg J. C. Factors governing the intelligibility of
speech sounds,—J. Acoust. Soc. Amer., 19, 1947, 90—119.
5. Gosele K. Beurteilung von Dauergerauschen.— VDI-Berjchte, 1969,
Nr. 134, 11—14.
6. Gosele K., Koch S. Die Storfahigkeit von Gerauschen verschiedener
Frequenzbandbreite.—Acustica, 20, 1968, 324—333.
7. Griffiths О. K-, Langdon F. J. Subjective response to road traffic
noise.—J. Sound Vib., 8, 1968, 16—32.
8. IEC — Publikation 123: Recommendations for sound level meters, 1961.
9. 1EC — Publikation 179: Precision sound level meters, 1973.
10. ISO — Recommendation 131—1959 (E): Expression of the physical
and subjective magnitudes of sound or noise, Sept. 1959.
11. ISO — Recommendation 532 — 1966 (E):‘Method for calculating loud-
ness level., Dec. 1966.
12. ISO—Recommendation 507 — 1970 (E): Procedure for describing air-
craft noise around an airport., Juni 1970.
13. ISO — Recommendation 1996—1971 (E): Assessment of noise with
respect to community response, Mai 1971.
14. ISO — Recommendation 1999—1971 (E): Assessment of occupational
noise exposure for hearing conservation purposes., Mai 1971-
15. ISO — Recommendation 1761—1970 (E): Monitoring aircraft noise
around an airport, Juni 1970.
16. Janseh G. Nachweis von Larmwirkungen (zugleich ein Beitrag zur
Ermittlung von Grenzwerten).— Zbl. Bakt., Hyg. 1. Abt. Orig. B. 155, 1971,
315—325.
17. Klosterkdtter W. Larmwirkungen. Sonderdruck ..Grunzweg und Hart-
mann'*, Ludwigshafen, 1970, S. 14.
18. Klosterkotter W. Neuere Erkenntnisse uber Larmwirkungen.— Kampf
dem Larm, 21, 1974, 103—111.
19. Kryter K. D. The effects of noise on man. Academic Press, New York,
1970, p. 44—94, 342/3.
20. Liipke A. V. Der Zeiteinfluss bei der Gerauschbeurteilung.— Kampf
dem Larm, 15, 1968, 99—101.
21. Liipke A. V., Ickenroth К. H. Audiometrische Untersuchungen an Larm-
arbeitern—Arbeitsschutz, 1972, Nr. 10/11, 361—364.
22. Martin R. Beurteilung von impulshaltigen Gerauschen,— VDI-Berichte,
Diisseldorf, 1969, Nr. 134, 21—30.
23. Schneider H. Zur Messung der Sprachverstandlichkeit.— Frequenz, 9,
1955, 199—205.
24. Scholes W. E. Traffic noise criteria.—Applied Acoustics, 3, 1968, 1—21.
25. Weisslng H. Messverfahren und Anwendungsbereich des aquivalenten
Dauerschailpegels —Hochfrequenztechnik und Elektroakustik, 80, 1971, 14-422.
26. Wohrle K. Die Messung von Impulsgerauschen. Larmbekampfung, 13,
1969, 121—125.
27. Young R. W. Re —Vision of the speech — primacy calculation.— J.
Acoust. Soc. Amer., 38, 1965, 524—530.
6. ШУМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ
МАШИН
Г. ХЮБНЕР
Вопросами борьбы с шумом в электромашиностроении занима-
ются приблизительно 70 лет. Разработанные при этом методы и технику
с успехом используют не только для электрических, но н для других машин.
6.1. ШУМ ВРАЩАЮЩИХСЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН
Во вращающихся электрических машинах имеется одновременно
несколько различных по механизму возникновения видов шума: аэродина-
мический; магнитный; шум подшипников; шум щеток (только для машин
с коллекторами или с контактными койьцами).
В течение ряда десятилетий интерес электротехников был направлен
только на изучение магнитного шума [19]. В начале 60-х годов были начаты
сиотематические исследования более важных в отношении общей шумности
аэродинамических составляющих шума [8, 9, 11]. Все вышеуказанные иссле-
дователи занимались физической стороной причин возникновения шума. Эти
работы имели целью вывести расчетные формулы, с помощью которых можно
было бы, исходя из характеристик машин, получить звуковую мощность или
звуковое давление.' К показателям машины относили ее конструкционные ха-
рактеристики (геометрические размеры, свойства материала), характеристики
нагрузки двигателя и способы его установки (соединение с фундаментом).
Иной по методике и результатам является работа [25], в которой шум-
ность определяется из замеров звукового давления ряда машин, отдельные
экземпляры которых при одинаковом исполнении различаются номинальной
электрической мощностью Ре и частотой вращения АГ. Для такой группы ма-
шин можно (однако в узком диапазоне изменяющихся параметров) рассчи-
тать значения уровней звукового давления на определенном расстоянии от
двигателя по формуле
!.„= alg-£- + tlg-£- + c. (6.1)
Такое выражение, по существу, является формализованной комбинацией
измеренных величин в зависимости от параметров, произвольно отобранных
для характеристики акустических явлений, Для целенаправленной разработки
малошумных машин и прогнозирования шумности новых конструкций подоб-
ных соотношений недостаточно.
6.1.1. Магнитный шум
Причиной так называемого «магнитного шума» вращающихся
электрических машин (правильнее говорить о «шуме, обусловленном магнит-
ным полем») является электромагнитное поле, образующееся между ротором
и статором (магнитное поле в воздушном зазоре), которое обязательно воз-
никает в двигателях или генераторах, работающих по принципу индукции.
Знакопеременное электромагнитное поле возбуждает в статоре и роторе зву-
ковую вибрацию, которая затем излучается электрической машиной и, как
правило, в меньшей мере фундаментом в виде воздушного шума (рис. 6.1),
Знакопеременные силы, возбуждающие вибрацию, имеют дискретный спектр,
а значит, обусловленный ими шум слагается из ряда тональных состав-
ляющих.
148
Чтобы изучить процесс возникновения магнитного шума, следует опре-
делить:
магнитное поле в воздушном зазоре н его силовое воздействие иа кон-
струкции;
звуковую вибрацию конструкций, возникающую в результате воздей-
ствия магнитного поля;
излучение в окружающее пространство воздушного шума обусловленное
звуковой вибрацией.
6.1.1.1. Магнитное поле в воздушном зазоре
струкцией. Для расчета индукции —
имеется два способа — класси-
ческий и новый, более де-
тальный. Классический спо-
соб основан иа упрощенном
представлеиин поля прн услов-
ной одномерной постановке за-
дачи, что является довольно
грубым приближением к реаль-
ной структуре поля [19, 20, 23,
27]. Динамические силы в этом
поле возникают за счет его
высших гармоник. Поля выс-
ших гармоник образуются гар-
моническими составляющими
высщего порядка, обусловлен-
ными изменениями в распреде-
лении линейной токовой нагруз-
ки в результате дискретного
расположения токонесущих об-
моток и нестабильностью маг-
нитной проводимости вдоль
воздушного зазора. Последняя
связана с наличием пазов,
четко выраженных полюсов
(синхронные двигатели и дви-
гатели постоянного тока), экс-
центричного или эллиптического
воздушного зазора (двигатели
на подшипниках скольжения
после длительной эксплуатации
или вследствие иекачествеиного
изготовления), магнитной насыщенности зубцов. Эту насыщенность можно
представить, предположив, что имеется косинусоидальное расширение воз-
душного зазора с определенными интервалами между парами полюсов.
На рис. 6.2 в качестве примера показаны различные факторы, .определяю-
щие поля в воздушном зазоре двигателя с короткозамкнутым ротором [27].
В программах для расчета учитываются лишь те составляющие, которые на
рисунке заключены в рамки с жирными линиями.
Если допустить, что это обычно принято при использовании так
ваемого классического метода, что индукция В зависит лишь от угла
рота ср, то ее можно определить из следующего уравиеиия:
магнитного
н его взаимодействие с кон-
поля
воздушном
зазоре-
Рис. 6.1. Схематическое изображение вра-
щающейся электрической машины.
/ — корпус статора; 2— сердечник статора; 3 —
обмотка статора; 4 — ротор; 5 —лапа двигателя;
— фундамент; 7 — магнитное поле в воздушном
зазоре; 8~— воздушный зазор; 9 — паз ротора;
10 — паз статора; // — отверстие; /2 —угол пово-
рота.
Направление крутящего момента: х~ радиаль-
ное; у — осевое; z — тангенциальное.
назы-
пово-
В = В„ cos (РФ — Шд-0 + 2 2 вЦСО8((рф —ш/—ф().
(6.2)
Суммироваиие осуществляется по факторам / и по порядковым числам i.
Как видно из формулы (6.2), пространственная периодичность индукции по
окружности определяется числом нар полюсов р и кратными ему значениями
1р, в то время как колебания во времени зависят от круговой частоты сети
ti)N=2nfo н круговой частоты i-ro порядка о><.
149
Для двигателей со скошенными пазами при угле скоса аа и пакете сер-
дечника длиной I также могут применяться предыдущее и последующие
уравнения, если вместо ср подставить <р,=срЧ-ааг///, где г/—координата вдоль
оси ротора.
х Воздушный зазор
Рис. 6.2. Причины (факторы) возникновения магнитного поля в воздушном за-
зоре асинхронного двигателя (v — порядковое число гармоник поля обмотки
статора; х— порядковое число гармоник поля обмотки ротора).
С помощью уравнения (6.2) индукция рассчитывается в середине (по
радиусу) воздушного зазора, однако этим уравнением используются и для
вычисления индукции иа поверхностях ротора и статора. Кроме того, с целью
упрощения вычислений в расчет закладывается только радиальная
150
составляющая векторов Ву Вй н Byj. Тем не менее точней расчет величин В
по геометрическим и электрическим характеристикам ротора и статора до-
вольно сложен. Для определенных типов электрических двигателей, в случае
заданного числа пар полюсов и известных характеристик обмотки, при рас-
чете Вц некоторые параметры типа проводимости, линейной токовой нагрузки
и т. д. можно выражать через простые функции, а рядом фактором прене-
бречь.
Получаемая'при этом погрешность расчета (принимая во внимание выше-
сказанное) для асинхронных двигателей составляет около 10%, т. е. не более
1,5 дБ. При качественной опенке допускаются еще большие упрощения и
Рис. 6.3. Структура поля
двигателя постоянного
тока. Центр полюса на-
ходится против центра
паза. Число пазов z"=28,
число пар полюсов р—4,
Ьх= 0,62 (& — эффектив-
ная ширина полюса, т —
расстояние между цент-
рами двух полюсов).
в уравнении (6.2) учитываются только основные факторы — число зубцов г'
статора и число пазов г" ротора. Таким образом, для поля ротора
BL ~ cos [ (р ± г") ф + (1Шог" — (], (6.3а)
а для поля статора
Bs ~ cos [р ± г') ср — (6.36)
где ©о=2л;У — круговая частота вращения; N — частота вращения ротора, 1/с.
Из таких приближенных оценок нельзя рассчитать количественно точно
индукцию, но тем не менее можно составить представление о наиболее важ-
ных частотах и основных формах собственных колебаний.
Более точную структуру поля получают, пользуясь новой методикой рас-
чета [1, 3]. В основе ее лежит дифференциальное уравнение в частных про-
изводных магнитной цепи. Согласно этой методике рассматривают область
поля, включающую воздушный зазор н магнитопровод, и учитывают взаимо-
связь поля с геометрическими характеристиками листов в пакете (тонкую
структуру) или с формой полюсов в зоне перехода от воздуха к металлу,
а также степень насыщения металла пакета (переменная проницаемость).
Причем исследуют двухмерное поле, так как иначе конечность поля в осе-
вом направлении останется неучтенной. Для решения получаемого нелиней-
ного дифференциального уравнения используют метод итераций. Результат
расчета поля для двигателя постоянного тока показан на рис. 6.3 [1].
151
С целью определения силового воздействия магнитного поля расчет
структуры поля должны производиться для различных моментов времени. Этот
весьма трудоемкий метод обеспечивает достаточно высокую точность рас-
чета— ±1% от номинальных значений параметров поля в воздушном зазоре.
Расчет сил. Наличие в воздушном зазоре магнитной индукции В
и расположение по обе стороны зазора металла н токопроводящих элемен-
тов приводит к образованию следующих сил, действующих на металл ста-
тора н ротора:
сил Максвелла, которые непосредственно действуют на поверхность ме-
талла;
сил Бно-Савара (Лоренца), косвенно воздействующих на металл через
проводники;
магнитострикционных сил в самом металле.
Си.лы Максвелла действуют на поверхность магнитопровода, нахо-
дящегося в магнитном поле. Сила направлена в любой точке перпендику-
лярно к поверхности металла. Значение ее, приходящееся на единицу пло-
щади, можно определить по формуле
Г* = |В|а/2Ио, (6.4)
где Цо — магнитная проницаемость.
Прн расчете ]В|2 в соответствии в уравнением (6.2) проявляются сме-
шанные произведения:
cos (ip<p — ш/ — <р,) СОЗ (/’р<р — Ш( J _ <р(,) = — X
X (cos [(/ — /') р<р — (ш, — Ш;,р — + <Р;.] +
-j-cos [ (г + 1’) РФ—+ —Ф( —Ф(,] ). (6.5)
Таким образом, возникают новые пространственные и временные перио-
дичности. Например, уравнения (6.3а) и (6.36) в этом случае приводят к пе-
риодичности вдоль окружности с числом узловых точек силовых волн
п = (р ± г") ± (р ± г') (6.6)
и во времени с частотами
ш = IM/' — ± <1>N (1= . . . , — 2, —1,0 + 1, + 2, . . . ), (6.6а;
где (о — круговая частота.
Общую силу, действующую на единицу длины окружности, определяют
суммированием уравнения (6.4) по осевой координате у. При скошенных па-
зах статора и ротора результаты расчета должны быть уменьшены пропор-
ционально коэффициенту
tos/2 ’ '
где i — порядковое число «скошенного поля».
Для укороченных в осевом направлении двигателей при указанном выше
методе расчета в одномерном поле скос кромок приводит к уменьшению
амплитуды силовых волн (по сравнению с нескошенным полем) и к пропор-
циональному снижению обусловленного ими шума иа величиииу
Д£=201ирдБ. (6.8)
У удлиненных в осевом направлении двигателей, особенно если их сердечник
разделен канавками для охлаждения, отдельные сегменты сердечника прн
возбуждении силовыми волнами со сдвигом по фазе в направлении у колеб-
лются в этом направлении, как правило, несинфазно, в связи с чем снижение
шума в соответствии с уравнением (6.8) не наблюдается или наблюдается
не в полной мере.
152
Однако скос кромок дополнительно к силам Максвелла, которые дей-
ствуют по нормали к поверхности, т. е. направлены радиально, создает кру-
тящий момент, приложенный к статору (рис. 6.1) [20].
Увеличение воздушного зазора (в среднем по радиусу) от 61 до 6g при-
водит к уменьшению амплитуд силовых волн и тем самым к снижению
обусловленного ими шума на величину
ДЬ = 40 lg~- ДБ, (6.8)
01
В более точных методиках расчета, основывающихся на рассмотрении
двухмерного поля, также используется уравнение (6.4). Одиако индукция
в этом случае рассчитывается более точно.
Силы Био-Савара (Лоренца), действующие на проводник об-
мотки длиной I, по которому протекает ток I* и который находится в маг-
нитном поле с индукцией В, определяются выражением
/= = 5/*/. (6.10)
Вместо силы тока в каждом дискретном проводнике обмотки, распределенной
по всей окружности ротора вращающейся электрической машины, в уравне-
ние (6.10) подставляется произведение суммарной линейной токовой на-
грузки I всей обмотки,равномерно «размазанной» по окружности, и значе-
ния
Z* = Ztfdtp.
При радиально направленном поле В и аксиально направленном токе
сила F направлена тангенциально и, действуя на плече, равном половине диа-
метра ротора, создает периодический крутящий момент. Этот момент, сум-
мируясь по окружности, обусловливает постоянный во времени крутящий
момент электрической машины, если волновые числа и частоты токовой на-
грузки и индукции точно совпадают. В противном случае возникает изменяю-
щийся нлн так называемый «качающийся» крутящий момент.
Для расчета сил Био-Савара в уравнение (6.10) подставляют значе-
ние индукции. Линейную токовую нагрузку выражают через индукцию. Мо-
дуль этой величины рассчитывается по выражению
= (6.11;
Но*
где I—порядок индукционной волны Bt; 6 — средний воздушный зазор;
Но — магнитная проницаемость; R — радиус ротора.
Магнитострикционные силы. В металле, который пронизывается
магнитным полем с индукцией В, возникает относительное удлинение
I
Коэффициент ai по мере возрастания индекса уменьшается и может иметь
отрицательное значение. Если индукция пульсирует при круговой частоте <оо,
то частота колебаний металла в соответствии с уравнением (6.12) кратка це-
лым числам от частоты <о0. Таким образом, при пульсации индукции часто-
той 50 Гц частота колебаний составит 100, 200, л-100 Гц.
Согласно закону Гука в железном стержне с постоянной площадью по-
перечного сечения So, равномерно пронизываемом индукцией В, возникнет
эквивалентная сила, действующая на оба его конца:
F = E&sSq. (6.13)
Рассчитанная по формуле (6.13) сила принимается за «магнитострик-
ционную возбуждающую силу». Модуль упругости Е в материале с ориенти-
рованной зернистой структурой зависит от направления прокатывания. Если
153
Направление проката составляет (0в)-т-(45д)-г-(§06), то модуль £=(1,3)-;-
Н/мм2.
Шум, обусловленный во вращающихся электрических машинах магнито-
стрикцией, как правило, пренебрежимо мал по сравнению с тотальными со-
ставляющими, образуемыми силами Максвелла н Био-Савара [21]. Напротив,
в трансформаторах магнитострикционный шум приобретает большое значение
(подраздел 6.2).
Ш
Рис. 6.4. Конструкции статоров вращающихся электриче-
ских машин: а — сечение статоров различных конструкций
(/—1Н]. Масштабные соотношения', б — конструкция ста-
тора крупной машины с «воздушными карманами» (син-
хронный генератор, 44 МВт, 375 об/мин).
/-—преобразователь, 4 кВт, 1320 об/мин; // — синхронный двига-
тель, 625 кВт, 375 об/мин; ///—асинхронный двигатель, 1650 кВт.
246 об/мин.
! — корпус; 2 — пакет листов; 3 — воздушные карманы.
Подводя итоги, отметим: силы, образующиеся в поле воздушного зазора
вращающейся электрической машины и воздействующие на статор машины,
направлены преимущественно радиально; зачастую к ним добавляются акси-
альные составляющие, а также крутящие моменты.
6.1.1.2. Механические вибрации вращающейся электрической машины и
расчет вынужденных колебаний. Магнитные силовые волновые поля в воз-
душном зазоре возбуждают в статоре (в листовых пакетах и в корпусе), как
правило, наиболее подверженные вибрации элементы (рис. 6.1 н 6.4). Ротор
в силу своей конструктивной формы (если не принимать во внимание особые
случаи) менее вибровозбудим, а как излучатель имеет меньшую площадь по
сравнению со статором, в связи с чем, как правило, не принимается во вни-
154
мание в качестве источника «магнитного» шума. Последующее изложение
целиком относится к статорам электрических машин.
Статоры вращающихся электрических машин состоят из элементов,
форма которых обычно близка к круглой или цилиндрической. Однако мно-
гие из этих элементов не имеют вида простых гладких колец или тонких
цилиндров. Форма их сечения сложная, а радиальная и осевая «толщины»
зачастую сопоставимы со значением среднего радиуса изгиба (рис. 6.4). Кроме
того, эти элементы, особенно пакеты листов, состоят нз материалов илн их
композиций, которые неоднородны н иензотропны. И, наконец, статор состоит
из ряда таких кольцевых или цилиндрических элементов, механизм соедине-
ния которых теоретически не всегда полно поддается анализу.
Теоретическое описание механических вибраций статора ввиду сложности
конструкции в течение длительного времени является предметом интенсив-
ных исследований. Речь идет о создании такой расчетной схемы, которая
могла бы достаточно точно описать вибрационные характеристики конкрет-
ного статора при образовании магнитных шумов. Инженерный подход к ука-
занной задаче предполагает определенные упрощения в модели расчета. До-
пустимые пределы упрощений определяются сравнением экспериментальных
н расчетных значений вибраций. В результате исследований установлено, что
для многих конструкций статора в представляющем наибольший интерес
диапазоне частот допустимы следующие упрощения:
I. Вибрация основных элементов статоров электрических машин может
быть описана иа основе одно- или двумерной теории сплошных сред.
2. Кольце- или цилиндрообразованные элементы конструкции могут быть
заменены правильными круговыми кольцами и цилиндрами с постоянным се-
чением. Характеристики эквивалентных осцилляторов, радиус кривизны н
конструктивные параметры (жесткости на изгиб, растяжение, сдвиг, скручи-
вание, массу иа единицу длины поступательно движущихся и вращающихся
деталей) получают по определенным правилам (путем «усреднения» со-
ответствующих величин, изменяющихся вдоль характерной координаты).
Зубья, обмотка и полюса учитываются только прн расчете поступательно дви-
жущихся и вращающихся масс и не учитываются прн расчете жесткостей.
3. Следует учитывать такие «побочные» влияния, как конечность жест-
костей иа растяжение и сдвиг н инерцию вращения сечений.
Для сложных форм сечений, как правило, недостаточно ориентироваться
на числовое значение отношения прямоугольного сечения q к эффективному
сечению сдвига qa(qlqa = \,\). Обычно встречающиеся формы сечення харак-
теризуются большими значениями отношения qjqa.
4. Силовые поля, действующие точно в плоскости изгиба статора (ради-
альные, тангенциальные силы и аксиальные моменты), вызывают в статорах
машин, как правило, колебания в перпендикулярной плоскости (аксиальные
колебания). Нужно принимать во внимание, что оба типа волн, действую?
щих в случае правильного кругового сечения независимо в плоскости дуги
статора и перпендикулярно к ней, в статоре реальной машины практически
взаимосвязаны. Эту связь нетрудно описать путем умеренного поворота си-
стемы координат, связанной с поперечным сечением статора, из плоскости
данного сечения [22].
5. Пакет листов может быть заменен цельнометаллическим телом рав-
ных геометрических размеров (без учета шихтовки листов н их сегментнбстн).
Это допустимо для сегментированных пакетов с числом сегментов по окруж-
ности не более шести [17].
6. Корпус существенно влияет на вибрацию пакета листов на низких н
средних частотах (/<2 кГц). Корпус способствует также звукоизлучению,
особенно если он достаточно велик или легок по сравнению с пакетами. Это
обусловлено увеличением излучающей поверхности и особенно повышением
амплитуд нормальной составляющей скорости вибраций по сравнению со
скоростью вибрации пакетов.
В ранних теоретических работах [19] влиянию корпуса и особенностям
его крепления (п. 9) не удалось нужного внимания. Полученные упрощенные
решения были далеки от действительности.
155
7. Статоры крупных машин (Ре>1 МВт), миогоподюсные статоры
(2р^8), радиально или аксиально укороченные машины ’могут быть опи-
саны с помощью однокольцевой модели. Для машин средней н частично ма-
лой мощности, особенно с небольшим • количеством полюсов, требуются
в большинстве случаев по меньшей мере двухкольцевые ийи двухцилиндро-
вые модели.
8. Следует учитывать разъемность статора (как это бывает у очень
больших машин), т. е. то, что он состоит из нескольких частей. Разъемность
статора приводит к снижению средних жесткостей.
9. На низких частотах (/<300 Гц) следует учитывать особенности креп-
ления статора к фундаменту машины. Из-за наличия креплений в статоре
создаются стоячие волны упругих деформаций, обусловленные вращающимися
силовыми волновыми полями.
Прн анализе вынужденных колебаний статора машины определяют ко-
лебательную скорость и статора, так как для расчета звуконзлучения (под-
раздел 6.1.1.3) необходимо знание нормальных составляющих этого пара-
метра на поверхности машины.
Сначала в соответствии с уравнениями (6.2) н (6.5) общую возму-
щающую силу F представляют в виде суммы составляющих Fn
(6.14)
причем
F„ = F„oe'W-w>. (6.15)
Таким образом, F'n— это силовая волна с 2п узлами по окружности,
причем п может получать значения 0, ±1, d=2, ... Затем рассчитывают
обусловленные отдельными составляющими колебания статора и, наконец, из-
лучаемый в результате таких колебаний воздушный шум. Расчет осуше-
ставляют для всех наиболее существенных зиачений/?п, а полученные состав-
ляющие звуковой мощности суммируют. Для примера рассмотрим расчет для
одной составляющей.
Каждая вращающаяся n-я составляющая силы образует синхронную,
движущуюся в том же направлении бегущую волну
^П‘ ~ (6.16)
н стоячую волну vn в результате отражения первой волны от мест креп-
ления статора и изменения его сечения [6, 13].
Для расчета обеих составляющих необходимо получить численные зна-
чения составляющих силы в соответствии с уравнением (6.15) и дифференци-
альные уравнения механических колебаний статора. Если учитывать все опи-
санные выше допущения, то это приведет к весьма сложной системе уравне-
ний (12, 16].
Для бегущей волны (6.16) всегда можно рассчитать полную проводи-
мость (адмнтанс) [Ad], так что искомый вектор амплитуды о получится
в форме
(6.17)
Адмнтанс [Аз], выраженный в матричной форме, указывает на то, что
радиально направленное возбуждение обусловливает не только радиальные
скорости, ио также колебания по другим степеням свободы, т. е. вызывает
аксиальные, тангенциальные и крутильные колебания.
Выражение для [Ad] в отсутствие демпфирования можно представить
tXrf(O) 1
где &/”> — одна из шести собственных частот незакрепленного статора ма-
шины, форма колебаний иа которой имеет точно 2п узлов по окружности.
156
В соответствии с (6.17) и (6.17а) 2п-узловая форма Fn получает очень
большие амплитуды скорости в том случае, когда частота возбуждения (оп
оказывается близкой одной из собственных частот а><п>, соответствующей
2и-узловой форме колебаний статора.
Из сказанного следует, что необходимо избегать совпадения частоты
одной из составляющих силы Fn с одной нз собственных частот ю<п> 2/г-узло-
вого колебания статора.
Для упрощенной модели в соответствии с уравнениями (6.6) и (6.6а) это
приводит к следующему правилу расчета:
ioz" — ± 4= для (р ± z") ± (р ± z'j = ± п
при п = 0, 1, 2, . . . , (6.176)
где (On—круговая частота электрической сети.
При расчете стоячей волны деформации, создаваемой вращающейся со-,
ставляющей силы, необходимо сначала разложить эту составляющую по соб-
ственным функциям защемленной дуги окружности. Требующиеся для этого
собственные функции статора машины определяются нз соответствующего
уравнения колебаний с учетом краевых условий.
Стоячая составляющая скорость vn, образуемая n-й составляющей силы,
может иметь вид:
in=2'«f^r’l’l№)C0S(M?+M' (б'18)
где fn о i — i-й коэффициент разложения Fn по ф, (<р); ф,(<р)—i-я собствен-
ная функция защемленного кругового кольца.
Из уравнения (6.18) следует, что для стоячих составляющих вынужден-
ных волн деформации в среде без потерь амплитуды очень велики, если <оп
совпадает с собственной частотой статора машины. Значит, резонанс воз-
никает не только при совпадении частоты возбуждения <оп с одной нз соб-
ственных частот соответствующей 2л-узловой форме колебаний. Воз-*
можно также увеличение амплитуды, если соп совпадает с одной из других
собственных частот форма колебаний которых отличается от 2я-узловой.
Это явление становится понятным из рассмотрения коэффициентов разложе-
ния/пОс. которые для стоячей составляющей колебаний не равны нулю не
только при 1=п, но и при 1=£п. Опасность резонанса для стоячей составляю-
щей колебаний выше, чем для бегущей (6].
6.1.1.3. Звукоизлучение. Если твердое тело колеблется в газообразной
среде, то в эту среду излучается воздушный шум. Обычно мощность излу-
ченного воздушного шума определяется следующим выражением [уравне-
ние (1.39)]:
Р--рс5окф1 (6.19)
где рс — характеристическое акустическое сопротивление; S — площадь звуко-
излучающей поверхности; ст — коэффициент излучения (подраздел 1.4.2);
рэф—среднеквадратичная нормальная скорость звуконзлучающей поверх-
ности.
Следует учитывать то обстоятельство, что многие элементы конструкции
вращающихся электрических машин, которые не принимаются во внимание
при расчетах колебаний системы пакет листов — корпус, в значительной мере
могут способствовать звукоизлучению, особенно если их соединение со ста-
тором имеет достаточную вибропроводимость. Площадь упомянутых элемен-
тов конструкции часто составляет значительную часть от общей площади по-
верхности машины, и обычно они относительно легки. К таким элементам
относятся подшипниковые щиты, ребра охлаждения, вентиляционные каналы
157
(рис. 6.4,6), а также легкие вспомогательные элементы, входящие в систему
воздушного охлаждения.
Вышеупомянутые элементы конструкций должны стать предметом особого
рассмотрения. Зачастую можно применять эмпирические, методы, при кото-
рых используется отношение амплитуд скорости, рассчитанных для статора,
к амплитудам указанных элементов.
Коэффициент излучения зависит от отношения длины волны излучаемого
воздушного шума к размерам излучателя и от распределения фаз звуковой
вибрации по излучаемой поверхности (подраздел 18.5).
Для некоторых простых излучателей имеются устоявшиеся значения ко-
эффициента излучения (стр. 28). Применяемые при этом формулы пока-
зывают: когда размеры излучателя или расстояние между узловыми линиями
интересующей нас формы колебания меньше четверти длины волны звука
в окружающей среде, то всегда сг<^1. Для цилиндров радиусом и 2п-узло-
выми линиями по окружности при круговой частоте и и скорости звука с
в области ------<—Уп. коэффициент излучения приблизительно равен
с 4
СГ — \2п+г
я! \ 2с )
Если расстояние между узлами больше половины длины звуковой волны,
то сг«1. При точном расчете коэффициент излучения нужно вычислять для
отдельных форм колебаний, а” полученные составляющие излученной мощно-
сти складывать. Несмотря на большие амплитуды «вклад» какой-либо со-
ставляющей колебаний в излучение может оказаться незначительным вслед-
ствие малого коэффициента излучения.
6.1.2. Аэродинамический шум
Аэродинамический шум вращающейся электрической машины об-
разуется из фонового шума, на который накладываются дискретные состав-
ляющие. Фоновый шум возникает из-за неупорядоченных отрывов вихрей
в газообразной среде, используемой внутри машины для ее охлаждения.
Причиной аэродинамический дискретных составляющих чаще всего является
эффект сирены, а реже периодические отрывы вихрей. Оба эффекта — «завих-
рение» охлаждающего газа и периодическое «срезание» потока—-не зависят
один от другого и могут рассматриваться отдельно.
Как правило, считается, что при окружающих скоростях ротора и внут-
реннего вентилятора свыше 50 м/с аэродинамический шум целиком опреде-
ляет общий шум вращающейся электрической машины. Шум самых громких,
быстроходных, имеющих принудительную вентиляцию электрических машин
обычно характеризуется акустико-аэродинамическими эффектами. Этот вывод,
к которому пришли к началу 60-х годов, привел к переориентации сравни-
тельной оценки составляющих шума электрических машин. Предпочтение
в исследованиях стали отдавать аэродинамическим шумам [2, 7—II, 24].
Закономерности аэродинамического шумообразования вращающихся элек-
трических машин до конца 50-х годов не были известны. Затем с помощью
экспериментальных исследований удалось установить закономерности, позво-
ляющие гарантировать точность прогнозируемых уровней в пределах ±3 дБ.
В частности, для расчета звуковой мощности использовали следующую за-
висимость:
/ U V.5
Р = ?О\Т/ s’ (б-20)
где уо — константа, зависящая от шероховатости поверхности ротора и свойств
охлаждающего газа, выражаемая в единицах удельной звуковой мощности;
U— окружная скорость ротора; S —наружная площадь ротора (рис. 6.5).
W8
Для роторов электрических Ма1нИй в ВоЗДуХе Зйачейия у0 сбсТаВЛЯйТ ОТ
5-Ю2 до 5-103 Вт/м2.
Звуковая мощность большинства машин может быть определена по урав-
нению (6.20), если
?0= 3-10» Вт/м2. (6.21)
Это численное значение уо характерно для современных машин и позво-
ляет выдержать указанную точность расчета.
Встроенный вентилятор удлиняет корпус в осевом направлении и тем
самым увеличивает площадь S, одновременно изменяя значение уо- Это свя-
зано с увеличением объема пропускаемого воздуха. Правда, результаты рас-
чета по уравнению (6.20) применяемых в электромашиностроении сильно
дросселированных вентиляторов с использованием указанных значений удель-
ной звуковой мощности различаются, как правило, только на несколько
Рис. 6.5. К расчету аэродинамического шума. Ротор асинхрон-
ного двигателя
/ — радиальные пазы.
децибел. Влияние объема пропускаемого воздуха целесообразно учитывать
через введение специального множителя, т. е. приняв уо=УооУоь где yoi н
характеризует зависимость этого коэффициента от объема [7, 10, И].
Внутренний объем электрической машины имеет очень малое звукопогло-
щение, так что образуемая в нем звуковая мощность (особенно у открытых
машин, со «сквозной» вентиляцией) почти целиком передается наружу. Опре-
деляемые по уравнению (6.20) значения звуковой мощности Р могут быть
использованы для расчета внешнего шума машины. Ожидаемое среднеквадра-
тичное звуковое давление (на определенном расстоянии от машины) рассчи-
тывается по формуле
р = /Ppc/Sj, (6.22)
где S[—площадь «поверхности измерения», т. е. условной поверхности, оги-
бающей источник шума, иа которой находятся точки измерения звукового
давления, отнесенные на некоторое заданное расстояние от машины (чаще
всего на 1 м).
Если в уравнение (6.22) подставить значение Р из уравнений (6.20) н
(6.21) и перейти к уровням звукового давления LP, то получим следующее
выражение:
tP = [I0lg-^ + S5!g(-^-)+101g-|-] дБ, (6.23)
В уравнении (6.23) у0—3-103 Вт/м2 соответствует 101g— = 155 дБ.
159
Асинхронные двигатели и синхронные двигатели с цилиндрическими неяв-
нополюсными роторами создают шум со спектральным максимумом, распо-
ложенным в интервале 800 Гц и 4 кГц, так что численные значения уровней
звукового давления на линейной характеристике и характеристике А оказы-
ваются близкими. Спектральный максимум шума машин с явно выраженными
полюсами ротора находится, как правило, в диапазоне от 100 до 800 Гц. Для
таких машин расчет по уравнению (6.23) определяет верхнее граничное зна-
чение уровней при оценке на характеристике А.
Уровни звукового давления, рассчитанные по уравнению (6.23) в зави-
симости от изменения входящих в него параметров, приведены иа рис. 6.6.
Рнс. 6.6. Уровень звукового давления аэродинамиче-
ского шума на регламентируемом расстоянии от откры-
тых электрических машин
Si — «измерительная поверхность»; V — окружная скорость ро-
тора; S —площадь кожуха ротора.
Снижение шума, достигаемое в электромашиностроении путем установки ко-
жухов, применения звукопоглощающих материалов или глушителей, рассмат-
ривается в подразделе 6.1.4.
Аэродинамический шум электрических машин можно снизить в резуль-
тате уменьшения трех параметров: окружной скорости U, звукоизлучающей
поверхности S и удельной звуковой мощности уо-
Уравнения (6.20) н (6.23) показывают, что звуковая мощность в боль-
шей степени зависит от окружной скорости н в меньшей степени — от размера
поверхности ротора. Поэтому рекомендуется, насколько возможно, выбирать
меньшие диаметры, даже удлинять осевые размеры или снижать частоту вра-
щения прн минимально возможном увеличении диаметра. Уменьшение окруж-
ной скорости в два раза позволяет уменьшить уровень аэродинамического
шума на 16,5 дБ. Удельную звуковую мощность у0 удается понизить за счет
сглаживания поверхности ротора при одновременном устранении встроенных
вентиляторов максимум на 40 дБ по сравнению с удельной звуковой мощ-
ностью существующих «стандартных» двигателей. Эти решения, а также соз-
дание вакуума внутри двигателя, позволяющее резко снизить величину уо,
возможны лишь при использовании жидкостного охлаждения. Сиренные тона
вращающихся электрических машин возникают в случае, если воздушный по-
160
ток рассекается вентилятором с равномерно распределенными лопастями или
равномерно расположенными элементами конструкции ротора (например,
воздушный поток, рассекаемый стойками радиальных пазов асинхронных дви-
гателей). Интенсивность этих тонов возрастает с уменьшением осевого зазора
между вращающимися н неподвижными элементами конструкции. Шум в этом
случае представляет собой тональный звук с основной частотой fo, которая
определяется частотой вращения N, 1/с вентилятора нли ротора и разделе-
нием воздушного потока т, выраженного в градусах:
r X, ЗбО0
fo = N--------Гц.
(6-24)
Сиренные тона не выделяются из общего шума, если зазор между вра-
щающимися н неподвижными частями конструкции превышает некоторую
характерную для данной окружности скорости величину [26]. В случае огра-
ничений по габаритам, часто предъявляемых к электродвигателям в промыш-
ленности (например, к тяговым электродвигателям), требуемое зиаченне за-
зора, как правило, не удается выдержать. В этом случае используют венти-
лятор с неравномерно расположенными лопастями.
6.1.3. Шум подшипников и щеток
Шуму подшипников и щеток быстроходных двигателей средних
размеров следует уделять особое внимание, так как эта разновидность шума
(особенно шум подшипников) у машин с капотом может доминировать иад
другими (рис. 6.7).
Рис. 6.7. Шум подшипников качения электрических машин
с цилиндрическими роликоподшипниками на стороне привода
и радиальными шарикоподшипниками на противоположной
стороне. Частота вращения 1500 об/мин. Диапазон мощно-
стей — от 15 до 800 кВт.
О —при продувной вентиляции; ф — в случае охлаждаемого ребри-
стого корпуса; А — при охлаждаемом трубчатом радиаторе; Д —
в случае водяного охлаждения; X — средние значения.
Причины шума подшипников — процесс качения самого подшипника и
дисбаланс ротора. Интенсивность шума подшипников качения зависит от раз-
мера допусков на посадку н от тщательности установки подшипников. Коле-
бания, первоначально возникшие в подшипнике, распространяются на всю
поверхность двигателя и излучаются ею в виде воздушного шума (рис. 6.8).
6 Заказ № 740 1 61
Вибрация подшипников может быть снижена, если повысить качество,
(одновременно, правда, и трудоемкость) изготовления соответствующих де-
талей и их монтажа. Кроме того, важен правильный выбор типа подшипни-
ков. Шарикоподшипники при тех же условиях вибрируют, как правило,
меньше (до 10 дБ), чем подшипники с цилиндрическими роликами. Из-за
термических деформаций применение шарикоподшипников на обоих концах
вала для больших машин неприемлемо. Для подшипников качения типичным
является широкополосный шум с максимумом в диапазоне от 2 до 5 кГц.
и
5 6 7 89.1011
Точка замеров
Рис. 6.8. Звуковая вибрация, вызываемая подшипни-
ками. Четырехполюсный синхронный двигатель, мощ-
ность 635 кВт, диаметр подшипников 120 мм.
/—/// — расположение точек замеров звуковой вибрации (1—
сторона привода AS; //—противоположная сторона BS); IV —
роликоподшипники и шарикоподшипники; V — расположение
подшипников качения со стороны привода Л5 и с противопо-
ложной стороны BS; И/— роликоподшипники; V//— опытное
исполнение, подшипники качения со стороны привода ЛЗ и под-
шипники скольжения с противоположной стороны BS; VIII —
подшипник скольжения.
Ly—уровень скорости в октавной полосе от 2,6 до 5,2 кГц.
В «тихих» машинах предпочтение следует отдавать подшипникам скольжения.
Снижение шума больших двигателей за счет этой меры достигает в указан-
ном на рис. 6.8 диапазоне частот 26 дБ.
Шум от щеток возникает у коллекторных двигателей в результате пе-
риодических ударов пластин коллектора о щетки. Основная частота возни-
кающих дискретных составляющих
f=NNL, (6.25)
где W—частота вращения ротора; Nl — число пластин коллектора.
В результате -образуются тональные составляющие, лежащие в килогер-
цевом диапазоне.
Шум щеток обычно проявляется у таких открытых двигателей, у кото-
рых из-за низких окружных скоростей ротора аэродинамический шум имеет
относительно низкий уровень. Эти условия иногда применимы к большим
низкооборотным двигателям постоянного тока.
162
6.1.4. Вторичные меры по снижению шума
В качестве вторичных мер по снижению шума в электромашино-
строении предусмотрены следующие:
заключение всей машины в кожух (капотирование);
использование звукопоглощающих материалов внутри машины;
применение глушителей.
Эти меры чаще используют для машин с открытым исполнением, аэроди-
намический шум которых [уравнение (6.23)] достаточно высок [14].
При полном капотировании необходимо, как правило, отводить тепловые
потери с помощью охладителя (теплообменника) замкнутого цикла. Такое
Рис. 6.10. Частотная характеристика
эффективности использования вибро-
изолированных капотов электриче-
ских машин. Результаты замеров
около 30 трехфазных двигателей. Ка-
поты имеют различную конструкцию
уплотнений и аналогичны показан-
ному на рис. 6.9. Толщина стальной
стенки 3—4 мм
I — капоты со звукопоглощающей обли-
цовкой; 2 — капоты без облицовки.
Деталь А
Рис. 6.9. Асинхронный двигатель
с капотом.
I — охладитель; 2 — капот из листовой
стали; 3 —резиновые прокладки; 4 — рама
двигателя.'
---------------- виброизолированные кон-
струкции; —-----вибровозбуждаемые
конструкции.
решение приемлемо обычно для двигателей мощностью свыше 1000 кВт. Ко-
жухи целесообразно, изолировать от звуковой вибрации (подраздел 6.1.1.3).
Примером подобного технического решения является так называемый «капо-
тированный двигатель», у которого обычно сильно излучающая поверхность
корпуса заключена в виброизолированный кожух (рис. 6.9). Наряду со зву-
коглушением такой кожух выполняет и другие функции. Через него, в част-
ности, проходит охлаждающий воздух, что в старых конструкциях осуще-
ствлялось за счет использования «воздушных карманов», теперь ставших не-
нужными. В связи с многоцелевым использованием капота двигатель с ним
стоит не дороже, чем двигатель в обычном исполнении.
Внутренняя поверхность капота, составляющая значительную часть всей
внутренней поверхности такой конструкции, может быть использована для
нанесения звукопоглощающих плит. Для облиповки применяют минеральную
вату, упакованную в тонкую пленку, или эластичные пенопласты толщиной
от 20 до 50 мм. На очень больших машинах звукопоглощающие облицовки
могут быть толщиной до 100 мм. Плиты, как правило, наклеивают непосред-
ственно иа внутреннюю поверхность капота, в результате чего выполняется
известное условие высокого звукопоглощения (четверть длины звуковой
волны по толщине поглотителя) и гарантируется хорошее звукопоглощение
6* 163
в килогерцевом диапазоне частот. Для наиболее шумных быстроходных
асинхронных двигателей со спектральным максимумом аэродинамического
шума в диапазоне от 800 Гц до 4 кГц такой облицовки вполне достаточно.
У синхронных двигателей с ясно выраженными полюсами поглощение необ-
ходимо и на более низких частотах (до 100 Гц). Поэтому звукопоглощаю-
щий слой комбинируется вместе с резонансными поглотителями.
Эффективность использования (снижение уровней шума) вышеуказанных
стальных капотов толщиной 3—4 мм со звукопоглощающей облицовкой и
без иее видна из рис. 6.10. Раз-
брос в зиачеииях эффективности
обусловлен главным образом раз-
личием в конструктивном оформ-
лении уплотнений, особеиио у про-
ходных отверстий валов в капоте,
из чего следует необходимость
повышенного внимания к этим
элементам конструкции. В резуль-
тате установки капотов даже без
звукопоглощающей облицовки
можно достичь снижения шума
обычных быстроходных асинхрон-
ных двигателей с его характер-
ным спектром на 15—20 дБ(А).
Установка звукопоглощающей об-
лицовки увеличивает эффект еще
иа 15 дБ (А). Таким образом,
Рис. 6.11. Спектр шума четырехполюс-
иого трехфазного электродвигателя мощ-
ностью 11 кВт.
АЗ —сторона привода; BS — противоположная
сторона.
---------------------------электродвигатель с обычными
шарикоподшипниками, уровень звукового
давления от двигателя 65 дБ(А); —элек-
тродвигатель со специально подобранными
шарикоподшипниками, уровень звукового
давления 63 дБ(А); — —• — электродвигатель
со специально подобранными шарикоподшип-
никами и сточенными лопастями вентилятора,
уровень звукового давления 57 дБ(А);
-------------- --электродвигатель со спе-
циально подобранными шарикоподшипниками,
сточенными лопастями вентилятора, напряже-
ние [/=0,3 U номинального, уровень звуко-
вого давления 55 дБ (А).
у вращающих электрических ма-
шин с помощью установки капо-
тов можно добиться снижения
Нювней шума до 35 дБ (А).
равда, в настоящее время это
тот максимум, обеспечивая кото-
рый, нужно учитывать всю сово-
купность техняко-экоиомических
показателей. Большей эффектив-
ности (до 40 дБ) добиваются
лишь на преобразователях (двига-
тельно-генераторных агрегатах),
где отсутствует необходимость вы-
водить через капот концы валов,
причем над всем агрегатом обычно
устанавливается один капот.
Для небольших и средних дви-
гателей чаще всего предусматри-
вают такие конструктивные решения, которые позволяют использовать окру-
жающий воздух с целью их охлаждения. В соответствии с уравнением (6.23)
уровень шума таких открытых машин можно существенно понизить за счет
использования активных глушителей со звукопоглощением. Это целесообразно
также потому, что спектральный максимум шума ^казанных машин распо-
лагается, как правило, в нижней части килогерцевого диапазона частот.
С учетом сказанного, глушители длиной от 300 до 900 мм позволяют снизить
уровень шума иа 5—15 дБ (А). Минимальный уровень эффективности может
быть достигнут при установке глушителя только со стороны выхода охлаж-
дающего воздуха. Таким образом, с помощью глушителей иа машинах со
«сквозной» вентиляцией получают такие значения уровней шума, которые
близки к уровню шума подобных машин при их полном капотировании.
На рис. 6.11 показано снижение уровней шума среднегабаритиой машины
за счет поэтапного использования различных мер, таких как подбор соответ-
ствующих подшипников, уменьшение диаметра вентилятора, снижение напря-
жения на зажимах.
164
6.1,5. Предписания по замерам шума
и предельные значения уровней шума
Шум вращающихся электрических машин контролируется в боль-
шинстве случаев по уровням звука, усредиенны-м на некоторой измерительной
поверхности вокруг машины.
Предельные значения уровней шума приведены в табл. 6.1 и 6.2. Между-
народные рекомендации по этому вопросу указаны в работе [18].
Таблица 6.1. Допустимые уровни звукового давления иа расстоянии 1 м от
вращающейся электрической машины, дБ (А)
Номинальная мощность. кВт IP22 номинальная частота враще- ния, об/мин IP44 номинальная частота -враще- ния. об/мин
свыше до 3000 1500 1000 750 3000 1500 1000 750
1,5 4 15 45 132 400 При ми рекой организаг 1,5 4 15 45 132 400 1250 м еч а н и ндациямн, нях. 80а 85 90 95б е. а — б — Эти 75а 80 85 90 92б редельнь значения 723 78 82 86 90б е знач предп 75 80 83 88б ения в слагает» 71а 76а 85а 89 94 95б 97б соответс я обсуд 68а 72а 78а 85 90 93 95б ТВИН с м ить в м 64а 67а 74а 80 88 90 93б еждуна гждуна] 71а 78 85 88 93б один- одних
6.2. ШУМ ТРАНСФОРМАТОРОВ
За последние 20 лет тщательно проработаны вопросы, связанные
с возникновением шума трансформаторов и борьбы с ним. Это позволяет
количественно его оценивать и эффективно снижать. Известны предельно
допустимые значения уровней шума трансформаторов [22]. Начало указанным
работам положили исследования шумности больших трансформаторов. Такие
трансформаторы находятся обычно вблизи жилых районов и часто устанав-
ливаются без каких-либо средств защиты от шума. Из-за близости к жилым
районам к шумности трансформаторов, особенно в ночное время, предъявля-
ются достаточно жесткие требования. Ранее проведенные исследования пока-
зали, что меры по снижению шума, предусмотренные непосредственно в са-
мом трансформаторе, экономичнее тех, которые проводятся в этих же целях
после его установки.
Шум трансформаторов, особенно больших, в основном обусловлен двумя
составляющими: магнитным шумом; аэродинамическим шумом, вызываемым
вентиляционными устройствами.
Маленькие трансформаторы охлаждаются без принудительных устройств,
за счет конвекции воздуха, в связи с чем аэродинамическая составляющая
отсутствует.
6.2.1. Магнитный Шум
Суммарный уровень шума трансформаторов определяется, как
правило, магнитной составляющей, причем в любом случае она существенна
в диапазоне частот приблизительно до 800 Гц, т. е. уровни шума в этом
165
S Таблица 6,2. Допустимые уровни звукового давления на расстоянии I м от вращающихся электрических машин с различным
°* конструктивным исполнением и типом защиты, дБ (А)
Характеристики двигателя Вид конструктивного исполнения двигателя
да | вз/дз
Напряжение. кВ Частота вращения при 50 Гца в сети, об/мин Мощность, кВт
Тип защиты
IP44 IP44 IPW24 IPR44B IPR23
Виброизолиро- 1 ванный капот без звукопогло- щающей обли- цовки виброизолиро- ванный капот со звукопогло- щающей обли- цовкой к я S я- 3 о о 1 S X ч о S о Ct установлен виброизолиро- ванный капот В 1 внутренняя об- I лицовка и внут- : ренний актив- ный глушительб 1 3 3 внутренняя об- лицовка и внут- ренний глуши- тельб
6, 10 3000 1650—2300 2100—3650 3100—5200 80 83 87 70 73 77 80 83 87 <75 75 77 97 100 103 87 90 93 80 83 85 100 103 107 90 93 97
6, 10 1500 1520—2150 1850—2650 2950—5350 5150—8300 75 75 80 85 65 65 70 75 75 78 80 87 75 75 75 77 87 90 95 97 80 83 87 90 75 78 80 87 90 93 100 105 83 86 92 98
Примечание, а — у двигателей (напряжением 6 кВ),
-- г--- . _ ..- _ _ _____....___..г______ .___„ работающих от сети при частоте 60 Гц с 3600 и 1800 об/мин, уровень зву-
кового давления на 3—4 дБ выше; б — уровни шума могут быть снижены еще на 10 дБ, но не ниже 75 дБ (А), если дополнительно в месте
выхода воздуха установить наружный глушитель; в — уровни шума могут быть снижены еще на 5 дБ. если дополнительно предусмот-
реть внутреннюю облицовку звукопоглотителем (например, щитовым), н на 10 дБ, если установить виброизолнрованиый капот. Допусти-
мые уровни шума прн типе защиты IPR44 могут быть выдержаны, если подводящие и отводящие воздушные каналы, не входящие в по-
ставку, во всем диапазоне слышимых частот будут иметь звукоизоляцию на 20 дБ выше. Это достигается, например, за счет виброизоля-
ции каналов прн массе на единицу поверхности не менее 30 кг/м*
диапазоне значительно выше, чем на более высоких частотах. В шуме транс-
форматора преимущественно ощущаются тональные составляющие, частота
которых соответствует удвоенной частоте сети (при частоте сети 50 Гц ча-
стота тональной составляющей равна 100 Гц), и их кратные гармоники, что
воспринимается иа слух как низкое гудение.
Причины возникновения магнитных шумов — магнитострикционный эф-
фект, а также силы, действующие на витки обмотки в магнитном поле,
и силы Максвелла, возникающие в стыках и в шиповых соединениях сер-
дечника трансформатора.
Магнитострикционный шум создается сердечником трансформатора.
В процессе работы трансформатора как преобразователя напряжения на его
сердечник воздействует периодически меняющаяся индукция В\ из-за неиз-
бежного магнитострикционного эф-
фекта периодически изменяется дли-
на сердечника (подраздел 6.1.1).
В результате возникают изгибиые ко-
лебания ярма и стержней сердечника.
У больших трансформаторов звуко-
вая вибрация через масло в баке по
«звуковым мостикам» передается на
стеики бака и излучается в , окру-
жающее пространство в виде воз-
душного шума (рис. 6.12). У неболь-
ших трансформаторов сам сердечник
является излучателем.
Минимальные значения уровней
магнитострикционного шума рассчи-
тываются исходя из условия, что
звуковая вибрация возникает только
вследствие изменений длины сердеч-
ника в результате действия магнито-
стрикционных сил, без учета изгиб-
ных колебаний. Для этого -опреде-
Рис. 6.12. Распространение звука,
возникающего в сердечнике транс-
форматора.
/ — сердечник; '2 — масло; 3 — стенка ба-
ка; 4 — звуковая вибрация; 5 — звуковой
мостик.
ляется нормальная скорость vn на
поверхности стержня длиной I, обу-
словленная его относительным удли-
нением ед [уравнение (6.12)] с кру-
говой частотой со:
vn=&sL(i). (6.26)
Значение относительного удлинения es известно по экспериментальным
данным для различных сортов листового железа, применяемого в трансфор-
маторостроении (рис. 6.13). С помощью уравнения (6.26) можно рассчитать
скорость vn, приведенную к стержню длиной 1 м. Для упрощения расчета
излучаемой звуковой мощности в дБ (А) целесообразно результаты изме-
рений величины е8 заранее корректировать с использованием таблиц коррек-
тировки по характеристике А.
На рис. 6.14 представлены приведенные, скорректированные, усредненные
на площади сердечника уровни скорости в зависимости от индукции В. Урав-
нение (6.19) может быть использовано далее для расчета шума трансформа-
торов. Применяя результаты расчета уровней скорости Lva (согласно рис.
6./4), можно перейти к расчету уровней излученной звуковой мощности:
Lpa = LvA + (20 1g I + 10 1g S„ + 101g о) дБ (A), (6.27)
где 1 — наибольшая длина сердечника, м; So—площадь сердечника, м2; о —
коэффициент излучения (подраздел 6.1.1.3).
Для оценки верхнего предела шума значение о можно принимать рав-
ным единице.
167
Для небольших открытых трансформаторов уравнение (6.27) позволяет
дать количественную оценку их магнитострикционного шума, У больших
трансформаторов (ввиду сложности пути распространения вибрации от сер-
дечника через масло на корпус бака) следует учитывать поглощение энергии
в масле бака, а также влияние стенок бака на излучение.
Изгибные колебания ярма и стержней сердечника, возникающие под
влиянием магнитострикционного эффекта, увеличивают уровни излучаемой
звуковой мощности по сравнению с расчетами на основании уравнения
(6.27). Степень их влиянии можно учесть введением эмпирических коэффи-
циентов.
Рис. 6.13. Зависимость магнитострик-
ционного относительного удлинения
от индукции для различных сортов
трансформаторной стали.
I — горячекатаный лист; 2 — холоднока-
таный лист, тип h 3 — холоднокатаный
лист, тип 2: 4 — холоднокатаный лист,
тйй 3.
Рис. 6.14. Зависимость среднего
уровня нормальной скорости Lva>
приведенного к стержню длиной 1 м
из трансформаторного железа, от
индукции В.
6.2.2. Меры по снижению шума
Шум трансформатора в своей основе (в сердечнике) может
быть снижен, при использовании листов железа с возможно малой магнито-
стрикцией. Магнитострикция резко уменьшается в случае повышенного со-
держания (более 4%) кремния в металле. Наиболее значительное снижение
наблюдается при 6% содержании кремния [22}. Холоднокатаный лист имеет
значительно более низкую магнитострикцию, чем горячекатаный.
Магнитострикция листов с ориентированной зернистой структурой значи-
тельно ниже при потоке индукции, идущем вдоль направления про-
ката, чем в перпендикулярном направлении. В случае определенного рав-
номерного обжатая листов сердечника их изгибные колебания снижаются.
Составной сердечник также способствует уменьшению шума. Каждая из
упомянутых мер позволяет снизить уровень шума на 3—4 дБ (А).
При передаче звуковой энергии от сердечника к стенкам в-трансформа-
торах стандартного исполнения примерно половина энергии передается по
«звуковым мостикам» на днище бака; а остальная часть — через масло.
Вместо жесткого крепления сердечника к’днищу бакй давно уже использу-
ются стальные пружины, а для снижения шума при передаче звуковой энер-
гии через масло мер пока ие предложено.
Вибрации стенок бака, излучение которых является основной причиной
шума больших трансформаторов, можно уменьшить установкой на них анти-
вйбраторов. Антивибраторы, имеющие форму прямоугольных иараллелепи-
168
Рис. 6.15 Передвижной трансформатор (30 MBA) с аативибраторами, установленными
на стенках бака.
ледов, состоят из резиновых элементов, крепящихся к стенкам бака, и ус-
тановленных на них масс. Их собственная частота настроена на ту частоту
стенки бака, при которой требуется существенное уменьшение амплитуды
(рис. 6.15). Кроме того, для снижения шума трансформаторов с успехом
применяют кожухи с эластичными стенками.
Собственные частоты элементов конструкции трансформатора должны
быть соответствующим образом разнесены с частотами возбуждения, чтобы
исключить ненужные, резонансы.
Аэродинамический шум можно снизить путем подбора малошумных вен-
тиляторов (подраздел 8.3), а также установкой звукопоглотителей.
Мощность трансформатора,
MBA
Рис. 6.16. Уровень звуковой мощности и
звукового давления, а также индекс
площади измерительной поверхности
(Ls = 101gS при S в м2) больших транс-
форматоров современной конструкции.
Применение всех перечисленных мер привело к тому, что шум больших
трансформаторов, начиная с 1955 г., был снижен на 15 дБ(А). Уровни шума
современных больших трансформаторов видны из графиков на рис. 6.16.
«.3. ЛИТЕРАТУРА
1. Braess Н., Well Н., Erdelyl Е. А. Numerische Berechnung magnetischer
Felder und Krafte.— VDE — Diskussionstagung, Aachen 10/11, 4, 1969; ver-
offentlicht in Arch, fur Elektrotechnik, 52, 1969, 306—317.
2. Curie N. The Influence of solid boundaries upon aerodynamic sound.—
Proc. Roy. Soc. A 231, 1955, 505—514.
3. Erdelyi, Ahamed, Hopkins. Nonlinear theory of synchronous machines
on-load. IEEE Trans., 1966, 792—800.
4. -Hoffmann R., Jordan H., Weis M. Ersatzstrahler zur Ermittlung der
Schalleistung von rotierenden elektrischen Maschinen.—Larmbekampfung, 13,
1966, 7—It.
5. Hubner G. Untersuchungen Ober Schwingungen von Standern elektri-
scher Maschinen.— VDI—Ber. 24, 1957, 51—58.
6. Hiibner G. Uber das Schwingungsverhalten von Wechselstrommaschi-
nenstandern mit Rundschnittblechpaketen.—ETZ-A 80, (1959) 33—39; (ferner
Hubner G. Brief an die Schriftleitung.— ETZ-A 80, 1960, 316).
7. Hiibner G. Gerauschbildung an Radialluftern.— Siemens-Z. 33, 1959,
499—505.
8. Hiibner G. Aerodynamische Gerauschfe umlaufender Maschinenteile.—
VDl-Ber. 48, 1961, 113—117.
170
9. Htibner 6. Vorausberechnung der aerodynamischen Gerausche. 4th iri-
fern. Congr. on Acoustics. Kopenhagen, 1962, L 34.
10. Htibner G. Noise of centrifugal fans and rotating cylinders.— Ashrae
Journal, Nov. 1963, 87—94.
11. Htibner G. Gerauschprobleme bei elektrischen Maschinen.— Bull. SEV,
54, 1963, 878—891.
12. Htibner G. Eine zusammenfassende Beschreibung zweidimensionaler
Korperschallprobleme durch eine einzige Wellengleichung. 5th Congress In-
ternational D’Acoustlque, Liittich, 1965, L 17.
13. Htibner G. Elektromagnetisch verursachte Gerausche bei Synchron-
und Asynchronmaschinen.— VDE-Fachber. 24 von der 54. Hauptversammlung,
Bremen, 1966, 226—230.
14. Htibner G. Gerauschbegrenzung fur Dreshstrommotoren.— Siemens-
Z. 40, 1966, Beiheft Motoren fur industrielle Antriebe 70—78.
15. Htibner G. Zur Ausbreitung von Korperschall im zylindrischen Schrau-
ben-Stab.— Akustik und Schwingungstechnik. Plenarvortrage und Kurzreferate
der Gemeinschaftstagung, Berlin, 1970. Dusseldorf, VDI-Verlag, 1971,
S. 185-192.
16. Htibner G. Erzwungener Korperschall—die ,,Tilgung“, ein zur Am-
plitudenvergrosserung durch „Koinzidenz" entgegengesetzter Effekt.— Kon-
gressbericht vom 7. International Congress on Acoustics (1CA), Budapest,
1971, Paper 24, V 3.
17. Htibner G., Sehrndt G. A. Zum Schwingungsverhalten segmenttierter
Blechpakete.— VDI-Tagung .Aachen., 1969, veroffentlicht in: Kongressbericht
vom 7th 1CA. Budapest, 1971, Paper 25 V 6.
18. IEC-Publication 34—9: Rotating electrical machines, Part 9, Noise
limits., 1973.
19. Jordan H. Der gerauscharme Elektromotor. Essen, Girarde, 1956.
20. Jordan H., Mtiller-Tomfelde H. Akustische Wirkung der Schragung
bei Drehstrom—Asynchronmaschinen mit Kafiglaufern.— ETZ-A 82, 1961,
788—792.
21. Jordan H., Nowak S., Weis M. Uber den magnetischen Larm von
Synchronmaschinen.—E. und M. 84, 1967, 1—8.
22. Krondl M., Kronauer E. Einige Beitrage zum Problem des Transfor-
matorengerausches.— Bull. Oerlikon, 1963, Heft 356, 1—15.
23. Lehmann S. Kraftwellenordnungszahlen und Frequenzen magnetischer
Gerausche bei elektrischen Maschinen. ETZ — A82, 1961, 782—788.
24. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically.— Proc. Roy.
Soc., A 221, 1952, 564—587 und A 222, 1954, 1—32.
25. Ltibcke E. Gerauschforschung im Maschinenbau.— VD1-Z. 98, 1956,
791—797.
26. Rentzsch H. Liiftstromungsgerausche in elektrischen Maschinen.
ETZ-A 82, 1961, 792—798.
27. Sperling P.—G. Erfahrungen bei der Vorausberechnung elektromagne-
tisch erzeugter Maschinengerausche.— Siemens-Z. 43, 1969, 894—899.
7. ШУМ ДВИГАТЕЛЕЙ
ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
М, ХЕКЛ
7.1. ВВЕДЕНИЕ
Двигатели внутреннего сгорания применяются на многих видах
транспортных'средств и на ряде стационарных установок (строительные ма-
шины, агрегаты аварийного питания и т. д.). Поэтому в обычных производ-
ственных условиях они встречаются практически повсеместно. Из-за особен-.
Рис. 7.1. Уровни шума и вибрации некоторых двигателей внутреннего сго-
рания: а—уровни звуковой мощности 12-цилиндрового двигателя; б —
уровни звуковой вибрации некоторых двигателей, измеренные на опорах
над амортизаторами.
I — 1700 об/мин, 2500 л. с., выхлоп без глушителя; 2 — 1700 об/мин, 2500 л. с., блок
цилиндров с’системой всасывания; 3— 1700 об/мин, 0 л. с., блок цилиндров с систе-
мой всасывания; 4 — 800 об/мин, 350 л, с., блок цилиндров с системой всасывания;
5 — 600 об/мин, 0 л. с., блок цилиндров с системой всасывания; 5— 1700 об/мин,
2500 л. с., полная нагрузка, дизель с низкой массой на единицу мощности; 7 —
800 об/мин, 300 л. с., неполная нагрузка, дизель с низкой массой на единицу мощ-
ности; 8 — 1200 об/мин, 300 л. с., полная нагрузка, дизель с высокой массой на еди-
ницу мощности; 9 — 4000 об/мин, 5 л. с., карбюраторный двигатель.
ностей принципа действия двигатели-внутреннего сгорания относятся к интен-
сивным источникам звука. Движение в них осуществляется в результате
часто повторяющихся небольших взрывов. Кроме того, они состоят из боль-
шого числа механических деталей, которые при резких возвратно-поступа-
тельных движениях сильно соударяются, получая значительные ускорения.
Для снижения шума двигателей внутреннего сгорания следует, во-первых,
предпринимать меры, влияющие на режим их работы (первичные средства),
а, во-вторых, использовать вторичные средства, такие, как глушители, ко-
жухи, эластичное крепление и т. д. Процесс образования шума двигателей
внутреннего сгорания, включающий шум выхлопа, шум всасывания и шум,
172
излучаемый непосредственно двигателем, следует рассматривать раздельно
для каждой из этих составляющих, имеющих различный механизм шумо-
образования.
Шум выхлопа возникает в процессе пульсирующего истечения отрабо-
танных газов. При отсутствии глушителя ои является самой интенсивной
компонентой суммарного шума двигателя, звуковая мощность которой со-
ставляет от 0,01 до 0,1% мощности двигатели. Эта мощность кажется не-
значительной. Однако следует учитывать, что 1 Вт (1/736 л. с.) акустической
мощности создает уровень звукового давления, равный 92 дБ на расстоя-
нии 10 м.
Шум всасывания значительно слабее, так как впускаемый объем воздуха
(холодный воздух без горючего) меньше объема выхлопных газов, а всасы-
вание воздуха происходит не так резко, как их выброс.
Шум, излучаемый непосредственно двигателем (блоком цилиндров, кар-
тером с поддоном и т. д.), по своей звуковой мощности на два-три порядка,
т. е. на 20—30 дБ, ниже, чем шум выхлопа. Тем не менее на практике им не
следует пренебрегать, так как шум выхлопа и всасывания можно почти
всегда существенно снизить за счет применения глушителей, а для уменьше-
ния шума двигателя требуются значительные затраты труда и средств. Кроме
того, нужно учитывать, что звуковая вибрация может передаваться от дви-
гателя через опоры и прочие соединения на фундаменты н другие элементы
конструкции, обусловливая их звукоизлучение. Некоторые примеры уровней
шума и вибра-ьщи двигателей приведены на рис. 7.1.
7.2. ШУМ ВЫХЛОПА
7.2.1. Возникновение шума
Процесс выброса выхлопных газов неравномерен, поэтому газо-
выхлопное отверстие можно представить как «точечный» источник [уравнение
(1.33)], который, если пренебречь нелинейностью, в отсутствие отражающих
поверхностей создает сферические звуковые волны. Хотя при выхлопе сле-
дует считаться с нелинейными процессами в виде слабых ударных волн,
а между звуковым давлением и скоростью действуют иные зависимости, чем
в линейной акустике, в дальнейшем будут рассматриваться только линейные
задачи. С учетом этого допущения звуковое давление p(r, t) в момент вре-
мени t на расстоянии г от выхлопного отверстия площадью S составит
р(г. 0 = ^ ^7Г/С“) (7.1)
4пг dt
где ро—плотность окружающего воздуха; v(t)—скорость в выходном се-
чении выхлопного отверстия в функции от времени; с0 — скорость звука
в воздухе.
Из уравнения (7.1) следует, что звуковое давление зависит от производ-
ной по времени скорости исходящего потока, т. е. чем равномернее поток,
тем меньше шума он производит.
Таким образом, можно ожидать, что при сравнительно равномерном вы-
хлопе четырехцилиидровых двигателей составляющая низких частот ниже,
чем при выхлопе одно- или двухцилиндровых двигателей. Многоцилиндро-
вые, особенно шестицнлиндровые, двигатели предпочтительнее не только
вследствие их незначительного дисбаланса, а значит, сравнительно слабой
низкочастотной вибрации, но и из-за небольших уровней шума выхлопа на
низких частотах. На высоких частотах различие не особенно велико, так как
на них значения уровней во многом определяются особенностями самого
процесса выхлопа.
Из сказанного следует, что при создании малошумных двигателей
на низких частотах нужно стремиться к равномерной последовательности
173
выхлопов, которая достигается соответствующим подбором очередности ра-
боты цилиндров, а на высоких частотах — к равномерности самого процесса
выхлопа за счет постепенного открытия клапанов, придания соответствую-
щей формы клапанам и т. д., т. е. к тому, чтобы ни v(t), ни две первые
производные от нее не имели разрывов.
Часто возникает вопрос, как изменяется шум выхлопа с изменением
частоты вращения двигателя и мощности. Поскольку с уменьшением частоты
вращения двигателя все процессы замедляются, их переменность во времени
также сглаживается и в соответствии с уравнением (7.1) звуковое давление
понижается. Снижение частоты вращения двигателя при том же расходе
топлива и воздуха на такт приводит к тому, что некоторые спектральные
составляющие располагаются более плотно и сдвигаются в сторону низких
частот, т. е. хотя общий уровень звукового давления изменяется незначи-
тельно, шум выхлопа на высоких, наиболее неприятных частотах заметно
снижается (предположительно уровни шума на характеристике А изменя-
ются пропорционально 40 Ig N/Nq). Следует различать изменение шума вы-
хлопа в зависимости от уменьшения мощности при постоянной частоте
вращения дизеля и карбюраторного двигателя. У дизеля за один такт заса-
сывается постоянный объем воздуха, а объем подводимого топлива и количе-
ство отдаваемого тепла изменяются. Это означает: выхлопные газы стано-
вятся более холодными я занимают меньший объем, что приводит к мень-
шим звуковым давлениям. Уровень звукового давления на характеристике А
при постоянной частоте вращения, но при изменении нагрузки от максималь-
ной до холостого хода снижается на 15—20 дБ(А). У карбюраторного дви-
гателя при уменьшении мощности уменьшается объем всасываемого иа ход
поршня воздуха, так что шум выхлопа в еще большей степени, чем у ди-
зеля, зависит от мощности.
7.2.2. Влияние выпускного трубопровода на шум выхлопа
Обычно выхлопные газы не выходят в окружающее простран-
ство непосредственно из выпускного клапана двигателя, а сначала прохо-
дят по трубопроводу более или менее сложной конфигурации, Такой трубо-
провод (возможно с глушителем) представляет собой акустическую пере-
дающую цепь, существенно влияющую на мощность н частотную характери-
стику шума выхлопа.
Йаряду с акустическим эффектом выпускной трубопровод (особенно
у двухтактных двигателей) оказывает значительное влияние иа мощность
двигателя, часто снижая ее до 10%. Такое влияние обусловлено тем, что
создаваемый при открытии выпускного клапана импульс давления частично
отражается от неоднородностей трубопровода (а частично от его конца)
и снова возвращается к клапану. Там, в 'зависимости от момента и фазы
возврата, он ухудшает или улучшает процесс выпуска газов и продувки ци-
линдра. Выпускной трубопровод выполняет, таким образом, две функции.
С одной стороны, он должен сглаживать процесс выпуска импульса дав-
ления, с тем чтобы на выходе была обеспечена минимальная шумность.
С другой стороны, отраженные импульсы давления должны улучшать газо-
обмен и тем самым положительно влиять на мощность двигателя. В связи
с этим, чтобы подобрать оптимальную конструкцию системы выхлопа дви-
гателя, обычно требуются многочисленные эксперименты. При скоростях по-
тока в трубопроводе более 20 м/с следует считаться с наличием сильных
нелинейных процессов (слабых ударных волн) [5].
Выполнение выпускным трубопроводом двух функций приводит к неко-
торым противоречиям в практических рекомендациях. Уже давно предложено
[3] звукоглушащие элементы выпускного трубопровода (перепады сечений,
повороты н т. д.) располагать возможно ближе к выпускному клапаиу. Но
каждый участок трубы между ними можно представить как «избирательный
усилитель, повышающий благодаря резонансам определенные спектраль-
ные составляющие. «Избирательного усиления» на участках трубы можно
174
избежать, если непосредственно за выпускным клапаном установить глуши-
тель или сильно заглушить трубопровод. Обе меры имеют существенный не-
достаток для выполнения выхлопным трубопроводом второй функции, так
как в этом случае практически не будет полноценного процесса отражения
импульсов давления, определенная последовательность которых обусловли-
вает резонанс, улучшающий выпуск газов и продувку цилиндров.
7.2.3. Глушители
Глушители, как правило, не устанавливаются на выпускном кла-
пане, поэтому они не влияют на процесс возникновения шума (было бы
меньше шума, если бы выхлопные газы из цилиндра, преодолевая сопротив-
ление потоку, попадали бы сразу в большую глушащую камеру).
В глушитель поступает определенная звуковая мощность, которая в ко-
нечном счете может быть понижена в результате преобразования в тепловую
энергию. Это достигается благодаря тому, что глушитель содержит звуко-
поглощающие материалы, или за счет отражения звука (предполагается
преобразование его в тепло в другом месте). Глушители, действие которых
основано на преобразовании звуковой энергии в тепловую, в основном
внутри него, называют активными (абсорбционными). Более подробно эти
глушители рассматриваются в разделе 16. Для прогнозирования эффектив-
ности реактивного глушителя, отражающего поступающую звуковую энергию,
отсутствует какой-либо надежный метод, поскольку она зависит не только
от степени отражения звука, но и от -того, где и как он поглощается. Можно
представить себе такой случай: при полном отсутствии поглощения вся энер-
гия возвращается к глушителю и возникает большая разница в уровнях; од-
нако фактически наличие глушителя не приводит к какому-либо снижению
шума. На практике таких случаев не наблюдается, но существенным оста-
ется то, что эффективность реактивного глушителя всегда зависит от потерь
энергии как в самом глушителе, так и в трубопроводе.
В большинстве случаев звукопоглощающие материалы не могут быть
применены в глушителях из-за высоких температур и наличия в выхлопных
газах остатков продуктов сгорания, поэтому в двигателях внутреннего сго-
рания применяют реактивные глушители, отражающие звук от неоднородно-
стей трубопроводов (перепады сечения, повороты и т. д.). Существует боль-
шое число всевозможных конструкций, три из которых приведены на рис. 7.2.
Как видно из него, в этих глушителях в основном используется отражение
за счет перепада сечений, Если соответствующим образом подбирать пара-
метры, принимая во внимание также интерференцию, то можно подавлять
колебания в определенных интервалах частот. Преобразование звуковой
энергии в тепловую осуществляется в результате треиия о стенки труб или
вследствие нелинейных эффектов в местах изменения сечений (иногда с ис-
пользованием специальных пористых материалов). Пригоден для этих целей
перфорированный металлический лист. Поскольку все указанные меры при-
водят к потерям в потоке, не удирительно, что по известному эмпирическому
правилу [2] эффективность глушителя (при сохранении всех геометрических
размеров) рассчитывается по формуле
AL = const-}- 101g Ар, (7.2)
где Др — потери давления в системе выхлопа.
Таким образом, в глушителе выхлопа нужно добиваться потерь давле-
ния, максимально допустимых по другим соображениям.
Как уже указывалось выше, трудно дать точную количественную оценку
эффекта снижения шума реактивным глушителем. Однако можно приблизи-
тельно оценить, каково отражение звука на тех или иных частотах, причем
следует учитывать повышенные температуры и, как результат этого, более
высокую скорость звука (около 550 м/с) [1]. У изображенного на рис. 7.2
резонансного глушителя снижения шума можно ожидать только на часто-
175
тах f ►> —— V^S/IV > где S — площадь сечения горлышка резонатора, 1 —
длина резонатора, V—объем между двумя перегородками. Для интерферен-
ционного глушителя эффект проявится на частотах где AZ—макси-
мальная разница в длине обходных каналов. Обычно у широкополосных глу-
шителей с заданным сопротивлением потоку нижняя предельная частота эф-
фективности в значительной мере определяется их объемом. Следует учиты-
вать, что ввиду наличия потока глушение в среднем снижается. Только на
частотах пропускания, когда глушитель вызывает повышение уровней, воз-
Рис. 72. Конструкции реактивных глушителей: а — резонансных;
б — интерференционного.
/ — перепады сечений; 2 — горло резонатора; 3 —обходные каналы.
действие потока при скорости свыше 15 м/с, нелинейные эффекты проявля-
ются положительно, но какие-либо количественные оценки не известны.
Типичный глушитель для двигателя с рабочим объемом до 1 500 см8
им'еет приблизительно в 40 раз больший объем, чем рабочий, и потери дав-
ления около 600 мм вод. ст.
7.3. ШУМ ВСАСЫВАНИЯ
7.3.1. Двигатель со свободным впуском
Для двигателя со свободным впуском, т. е. двигателя, у которого
воздух для сжигания топлива всасывается движением поршня, шум всасы-
вания играет значительно меныпую роль, чем шум выхлопа. Это частично
объясняется тем, что отработанные газы имеют высокую температуру и по-
176
тому значительно большие объем, скорость потока и переменное давление,
чем у всасываемого воздуха. Расход воздуха иа 1 кВт мощности у четырех-
тактного дизеля составляет 5—10 кг/ч, т. е. средний расход воздуха на 1 кВт
мощности—4—8 м3/ч. Температура газа на выпускном клапане равна при-
мерно 1000° К, что приводит к объемному расходу газа в выхлопе иа 1 кВт
мощности около 13—24 м3/ч. Если учесть подводимое в цилиндры топливо,
то это значение возрастет приблизительно на 7%. Если исходить из уого, что
на низких частотах переменное давление пропорционально среднему объем-
ному расход^, то у одного и того же двигателя шум всасывания будет при-
близительно на 10 дБ ниже шума выхлопа. Разумеется, и здесь также в со-
ответствии с уравнением (7.1) равномерность потока у многоцилиндровых
двигателей приводит к бодее низким уровням шума. Благоприятно сказыва-
ется и то, что при всасывании скорость потока меняется во времени не так
резко, как при выхлопе, а также н то, что звуи распространяется в направ-
лении, противоположном потоку, и что всасывающий фильтр способствует
глушению звука. Таким образом, можно сформулировать эмпирическое-пра-
вило, по которому-.шум всасывания всегда ниже шума выхлопа, а создавае-
мая при всасывании звуковая мощность соответствует звуковой мощности,
излучаемой непосредственно двигателем.
7.3.2. Двигатель с наддувом
Чтобы повысить мощность двигателя, часто применяют наддув,
т. е. засасывают воздух для сжигания топлива с помощью вентилятора
(компрессора), вследствие чего воздух попадает в цилиндр под повышен-
ным давлением. Преимущество этого устройства состоит в том,что в цилиндр
попадает больше воздуха, а значит, в него можно подать больше топлива,
более высокие средние давления при сгорании которого обусловливают при-
рост мощности двигателя. Вентилятор является дополнительным источником
шума, повышающим- шум всасывания. Наддувочные вентиляторы имеют, как
правило, очень большую частоту вращения, а следовательно, вызывают пре-
имущественно высокочастотный шум (4—20 кГц). Хотя такой шум субъек-
тивно неприятен, борьба с ним не представляет особой сложности. Использо-
вание короткого отрезка трубы с внутренней звукопоглощающей облицовкой
и довольно небольшим диаметром обеспечивает приемлемый эффект.
Как правило, наддувочный компрессор приводится в движение не от
двигателя, а от турбины, работающей на отработанных газах (утилизаци-
онной- турбины). В такой турбине (турбонагнетателе) используется давление
газов, создаваемое в выхлопном трубопроводе; вследствие этого снижается
давление и сглаживаются его шумообразующие максимумы. Турбонагнета-
тель в первом приближении можно рассматривать как сопротивление потоку.
Действительно, замеры показывают, что у двигателей -с высоким- противодав-
лением отработанных газов, возникающим при работе турбонагнетателя,
можно достичь снижения шума выхлопа на 10—12 дБ [4]. У двигателей с не-
большим противодавлением этот эффект менее значителен, поскольку «со-
противление потоку», в качестве которого служит турбонагнетатель, в этом
случае также значительно меньше.
В заключение можно констатировать, что двигатели с наддувом с аку-
стической точки зрения предпочтительнее двигателей той же мощности без
наддува.
7.4. ИЗЛУЧЕНИЕ ШУМА ДВИГАТЕЛЕМ
Шум от двигателя обусловлен, с одной стороны, процессами сго-
рания топлива в. цилиндрах, с другой стороны, механическими процессами
(удары клапанов, перекладка поршней, удары топливного насоса при впрыс-
кивании' топлива, зубчатыми зацеплениями привода). У дизелей основцой
причиной шума является процесс сгорания, хотя -и другие процессы до-
статочно важны. На рис. 7.3 приведены результаты измерений звуковой
177
вибрации дизеля, который первоначально работал в нормальном режиме,
а затем был приведен в движение электродвигателем, имеющим ту же ча-
стоту вращения (режим «буксировки» или принудительного привода). В про-
Рис. 7.3. Уровень звуковой вибра-
ции дизеля при 1200 об/мин.
Собственный привод: / — полная на-
грузка; 2 — ХОЛОСТОЙ ход.
Принудительный привод: 3 — двига-
тель в оборе; 4 — без компрессии; 5 —
только топливный насос.
цессе измерений с дизеля был после-
довательно демонтирован ряд деталей.
Суммарная вибрация от механиче-
ских процессов оказывается того же
порядка, что вибрация от процессов сго-
рания. Аналогичный результат получен
иа карбюраторных двигателях. Правда,
на высоких оборотах механический
шум, как правило, превышает шум сго-
рания.
7.4.1. Влияние процессов
сгорания
на шумообразование
В цилиндре двигателя вну-
треннего сгорания создается переменное
давление. Для того чтобы получить ча-
стотную характеристику переменного
давления в цилиндре, можно по типу
других переменных процессов разложить
давление с помощью преобразования
Фурье. Спектр рассматриваемого перио-
дического процесса состоит из отдель-
ных составляющих, расстояние между
которыми соответствует периодичности
зажигания с частотой fz (если Т — время между зажиганиями, то ft—l/T}.
Переменное давление в цилиндре есть сумма трех составляющих (рис. 7.4):
давления компрессии без сгорания;
Рис. 7.4. Идеализированная временная характеристика давления в ци-
линдре p(t), спектр давления р(со) и воздействие на него отдельных про-
цессов (©=2nf — круговая частота).
/ — суммарная характеристика; 2 —компрессия; 3 —суммарный спектр; 4 — сгорание;
5 — высокочастотные колебания давления.
давления в результате сгорания;
высокочастотного изменения давлеиня вследствие резонанса в цилиндре
или в предкамерах.
Результаты замеров давления в цилиндре в функции от времени и со-
ответствующие третьоктавные спектры приведены на рис. 7.5. Из рисунка
видно, что уровень звукового давления на низких частотах колеблется в ин-
178
тервале 200—210 дБ (переменному давлению в 1 кгс/см2«1 атм соответ-
ствует 194 дБ). Этот узкий интервал обусловлен тем, что у разных двига-
телей, работающих при различных режимах, максимальные значения давле-
М,ал
Рис. 7.5. Измеренная временная характеристика p(t) и спектр
переменного давления в цилиндре.
/ — четырехтактный дизель (со свободным впуском), 3000 об/мин,
12 л. с., непосредственный впрыск через центральную форсунку с не-
сколькими распылительными отверстиями; 2 — четырехтактный ди-
зель (с турбонагнетателем), 1800 об/мин, впрыск через предкамеру
обычный при 75% нагрузки; 3 — то же, без впрыска, принудительный
привод; 4 — четырехтактный карбюраторный двигатель, 5000 об/мнн,
полная нагрузка (p^=6.5 атм); 5 —то же. неполная нагрузка (Рэф=
“1,5 аТм).
ния в цилиндре различаются не более чем в четыре раза, т. е. на 12 дБ. На
высоких частотах различие между разными типами двигателей с отличаю-
щимися процессами сгорания более значительно. Максимальные уровни,
как правило, характерны- для дизелей, так как в процессе сгорания у них
179
быстро- нарастает давление. Процесс сгорания у карбюраторных двига-
телей более «мягок»; зажигание от свечи происходит в одной точке и тре-
буется определенное время для того, чтобы горение распространилось на
весь объем.
Преимуществом карбюраторного двигателя с акустической точки зрения
(недостатком при оценке коэффициента полезного действия) является также
то, что в .случае неполной нагрузки всасывается меньше воздуха и низко-
частотные составляющие переменного давления понижаются. В то же время
у дизеля даже в режиме принудительного привода низкочастотные состав-
ляющие остаются неизменными.
Вследствие возникновения образующихся-при сгорании переменных дав-
лений последние возбуждают в головке цилиндра, гильзе цилинДра и поршне
звуковую вибрацию, которая передается затем всему двигателю, в особен-
ности от картера и поддона, и приводит к звукоизлучению. Передача зву-
ковой вибрации, как это экспериментально подтверждается, осуществляется
в основном от поршня к шатуну, коленчатому валу, подшипнику.и картеру,
а частично через головку цилиндра на гильзу цилиндра и на картер [8].
В принципе имеются два направления снижения шумообразования:
уменьшение посредством предкамерного сгорания переменного давления в ци-
линдре или понижение передачи звуковой вибрации на корпус двигателя.
Последняя мера может быть реализована в лучшем случае на высоких ча-
стотах, так как. передаваемые усилия значительные, и поэтому система виб-
роизоляции должна быть очень жесткой.
7.4.2. Ударный шум
Каждый двигатель состоит из.многочисленных деталей (поршни,
клапаны и т. д.), которые совершают быстрые возвратно-поступательные дви-
жения или иным способом получают сильные ускорения, что приводит к об-
разованию значительных переменных. сил. Самыми неприятными являются
удары одних деталей о другие. Наиболее характерными примерами этих
процессов могут служить перекладывание поршней, удары клапанов и топ-
ливного насоса у дизеля. Как показали эксперименты с двигателем, рабо-
тавшем в принудительном режиме, указанные процессы создают шум при-
близительно того же порядка, что н шум сгорания.
Удар при перекладке поршней обусловлен наличием определенного за-
зора между поршнем и стенкой цилиндра; при переходе от одной стороны
цилиндра к другой поршень ударяется о цилиндр, возбуждая в двигателе
звуковую вибрацию. Для шумообразования перекладка поршней является
очень важным процессом и, судя по исследованиям В. И. Зинченко [9], мо-
жет быть одним из основных источников звука. Возникающие при пере-
кладке поршней переменные силы тем меньше, чем меньше зазор между
поршнем и стенкой цилиндра. Уменьшением установочного зазора от 0,05 мм
до минимально возможного значения 0,02 мм можно понизить шум дизеля
на 1,5 дБ (А).
В связи с наличием клапанного зазора клапаны при резком закрытии
ударяются о седло и создают интенсивный шум. Рекомендуется кулачки рас-
пределительного вала-,’ приводящие в движение 'клапаны, выбирать таким
образом,, ^тобы обеспечить минимально возможное их ускорение. При работе
двигателя клапанный зазор изменяется, поэтому- разработана такая конфи-
гурация Кулачков, которая .позволяет поддерживать постоянную скорость
движения .клапанов в интервале их переменного хода. Движение .клапанов,
характеризующееся высокими ускорениями, обусловливает значительный шум,
причем его снижение связано с использованием кулачков, обеспечивающих
высокую степень постоянства хода.
Рекомендйцйи' по снижению шума поршней и1 клапанов в принципе
можно распространить и на другие соударяющиеся детали. Зазоры между
нйми (например, зазор в подшипниках) должны быть минимальными. Сле-
дует Избегать неравномерности в движении этих деталей.
180
7.4.3. Эмпирические формулы для оценки шума двигателей
На основании многочисленных замеров можно установить эмпи-
рические соотношения между основными характеристиками двигателей и их
шумностью. Уровень громкости на расстоянии 1 м от дизеля рассчитывается
по формуле [6, 9]:
Чи = J54 + 10 'S + 30 >« (-^) ] дБ <А>- <7-3)
Была установлена зависимость между уровнями громкости, замеренными
на расстоянии 1 м, и уровнями звуковой мощности на характеристике А:
Lp~L1K = 3 + 4,51 lg PN. (7.4)
Из уравнений (7.3) и (7.4) следует, что
Lp « |б7 + 10 lg + 30 lg ] дБ (A), (7.5)
где — номинальная частота вращения двигателя, об/мин; Рк — номи-
нальная мощность, кВт; АГ—рабочая частота вращения двигателя.
Для расчетной оценки спектрального распределения шума двигателей
имеющихся экспериментальных данных недостаточно. Можно предложить
две оценочные зависимости, позволяющие получить более или менее близ-
кие к практике результаты.
Третьоктавный уровень звуковой мощности рассчитывается по формуле
L й I 52 + 101g Г Nn?N + Р^-р— 1 + 20 lg (N/Nn) j дБ. (7.6)
Р (//1000+ 1000//) WJ ' '
Третьоктавный уровень звуковой вибрации на лапе двигателя над амор-
тизатором можно определить из выражения
I Г WWl+Pn/m 1 1
«Н 1018 [ Г+(//1500-)3-и7Р-7] +3WM ДБ. Р-Ч
где tn — масса двигателя, кг; / — среднегеометрическая частота третьоктав-
ной полосы.
Шум карбюраторных двигателей при максимальной частоте вращения
почти такой же высокий, как у дизелей. Однако при понижении частоты
вращения уровни становятся значительно меньше, в связи с чем вместо 20-
или 30-кратнОй зависимости шумности от частоты вращения, характерной
для дизелей [уравнения (7.3), (7.5), (7.6), (7.7)], для карбюраторных двига-
телей следует применять 501g (nINn). Кроме того, излучаемый карбюра-
торным двигателем шум зависит от нагрузки, в то время как у дизеля та-
кой зависимости практически не наблюдается.
7.5. МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА
Как уже упоминалось, шум всасывания и выхлопа двигателя
можно снизить за счет целенаправленного подбора последовательности ра-
боты цилиндров, обеспечения плавности открытия и закрытия клапанов и
особенно в результате применения глушителей.
Для снижения шумов, излучаемых непосредственно двигателем, исполь-
зуются следующие меры:
обеспечение требуемой мощности при минимально возможной частоте
вращения [уравнения (7.5) и (7.7)];
«смягчение» процесса сгорания топлива;
181
симально возможное исключение
Рис. 7.6. Двигатель с воздуш-
ным охлаждением и плотно
прилегающим капотом
/ — эластичное соединение; 2— ка-
пот; 3 — выходное отверстие охлаж-
дающего воздуха с глушителем
(стрелками показаны направления
движения охлаждающего воздуха).
уменьшение зазора между йдршйем й стенкой цилйндра (специальные
конструкции поршней);
применение специальных конструкций клапанно-распределительного ме-
ханизма;
балансировка двигателя (например, за счет установки шести цилин-
дров).
При реализации этих мер следует иметь в виду, что возможности каж-
дого из них ограничены и существенного эффекта можно достичь за счет
использования всех способов.
Есть и другие меры снижения шума двигателей. К ним относятся мак-
передачи звуковой вибрации от ее источ-
ников (камера сгорания, клапаны и т. д.)
к крупным, значительным по площади зву-
коизлучающим деталям, таким как картер
или поддон. К сожалению, по-видимому,
нельзя устранить передачу звуковой вибра-
ции в результате использования в непо-
средственной близости от источника эла-
стичных прокладок (эластичная уста-
новка головок цилиндров или эластичных
шатунов). Оставляя в стороне вопросы,
связанные с высокими температурами
в процессе эксплуатации, укажем на то,
что жесткость эластичных прокладок из
соображений обеспечения статической проч-
ности конструкции окажется довольно зна-
чительной и они будут резонировать на
средних частотах. В результате на низких
частотах не удастся достигнуть никакого
эффекта, на средних частотах звуковая
вибрация возрастет и только на высоких
частотах можно ожидать ее снижения.
Другая возможная мера—применение демп-
фирующих материалов — в моторостроении
малоперспективна, так как в обычном дви-
гателе вследствие трения отдельных дета-
лей коэффициент потерь энергии колебаний
находится в интервале 0,05—0,1 и суще-
ственное повышение его сомнительно.
Целесообразно разделить несущие де-
тали двигателя и детали, не участвующие
в обеспечении прочности. На опытном двигателе, где все несущие детали
представляли собой «жесткий скелет», а все остальные детали (особенно
картер и поддон) были изготовлены из высокодемпфированных листов, на
частотах свыше 500 Гц достигли снижения уровней до 10 дБ. Целесообразно
также эластичное крепление масляного поддона [7].
Если выполненных мероприятий недостаточно, излучение воздушного
шума можно всегда снизить путем заключения двигателя в кожух. Сущест-
вует довольно большое количество опробованных конструктивных решений.
Если снижение шума требуется только на средних и высоких частотах, то
достаточно плотно прилегающих капотов, устанавливаемых на расстоянии
всего лишь нескольких сантиметров от двигателя. В ряде случаев можно от-
казаться от внутренней звукопоглощающей облицовки. Применяя капоты та-
кого типа, являющиеся как бы элементом конструкции двигателя, можно до-
стичь снижения шума приблизительно на 20 дБ (рис. 7.6). Чтобы снизить
шум на низких частотах, расстояние между стенками кожуха и двигателя
нужно увеличить. Двигатель как бы устанавливается в звукоизолирующей
(изнутри звукопоглощающей) кабине, которая выполнена так, что все обес-
печивающие системы (топливопровод, система выхлопа и всасывания и т. д.)
не передают шум наружу.
182
Поскольку кожухи снижают воздушный шум двигателей, но не передачу
звуковой вибрации, двигатели с кожухами обычно устанавливают иа амор-
тизаторы. Следует учитывать, что звуковая вибрация передается не только
через опоры двигателя, но и через привод, трубопроводы систем всасывания
и выхлопа, а также через другие обеспечивающие системы и соединения
(подразделы 12.4, 18.2 и 18.3). В исключительных случаях, например, для
агрегатов аварийного питания на радио, в больницах может потребоваться
установка двухкаскадной амортизации.
7.6. ЛИТЕРАТУРА
1. Gosele К. Uber die Dimensidnierung von Schalldampfern nach dem
Reflexionsprinzip.— Hochfrequenztechnik und Elektroakustik 68, 1959, 15.
2. Kauffmann A., Schmidt U. Schalldampfer fur Automobilmotoren. Ber-
lin, M. Krayn, 1932.
3. Kluge M. Problem der Dampfung des Auspuffschalls der Kraftfahrzeug-
motoren.— ATZ 36, 1932, 192, 244.
4. Martin H. Abgasschalldampfer und Schalldampferaufwand mit und
ohne Turbolader am Kraftfahrzeugmotor.— ATZ 73, 1971, 449.
5. Seifert H. Instationare Stromungsvorgauge in Rohrleitungen an Ver-
brennungskraftmaschinen. Die Berechnung nach der Charakteristikenmethode.
Berlin, Springer, 1962.
6. Славин И. И. Производственный шум и борьба с ним. М., Профиздат,
1955.
7. Thien G. Е., Fachbach Н. Gerauschverminderung an Dieselmotoren
durch Anderung ausserer Bauteile und schalldammendes Verkleiden.— MTZ
32, 1971, 145.
8. Thien G. E., Nowotny B. Untersuchungen uber den Einfluss von Kor-
perschallvorgangen auf das Gerausch von Dieselmotoren.— MTZ 32, 1971, 186.
9. Зинченко В. И. Шум судовых дизелей. Л., Судпромгиз, 1957.
8. ШУМ ПОТОКОСОЗДАЮЩИХ
И ПОТОКОПРОВОДЯЩИХ МАШИН И УСТРОЙСТВ
Б. ШТЮБЕР И М. ХЕКЛ
8.1. ВВЕДЕНИЕ
В этом разделе рассматриваются машины и устройства, шум
которых имеет аэродинамическое или гидродинамическое происхождение,
иначе говоря, в которых энергия потока преобразуется в звуковую энергию.
8.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ШУМА ПОТОКА
8.2.1. Элементарные излучатели
Из уравнения Лайтхилла (1.28) следует, что звуковое поле,
создаваемое потоком с дозвуковой скоростью, образуется элементарными из-
лучателями типа монополей, диполей и квадруполей [второй, третий и первый
интегралы уравнения (1.29)].
183
Монополями называют источники, излучающие звук за счет изменяю-
щегося во временя объемного потока среды, например, истечение от пуль-
сирующей сферы или от захлопывания кавитационных пузырьков.
Диполи—источники, у которых в среднем по всему пространству нет
результирующего объемного потока, но возникают противоположные силы,
например, на поверхности обтекаемого твердого тела вследствие срыва вих-
рей или неравномерности набегающего потока.
При наличии свободных пар вихрей или свободной турбулентности,
когда все противоположные силы взаимно компенсируются, источник звука
иосит квадрупольный характер.
В табл. 8.1 приведены выражения для звуковой мощности Р, размер-
ность которых отражает разный характер пропорциональности мощности по
отношению к характерной скорости U (например, скорости потока) в раз-
личных диапазонах изменения частоты и скорости для «компактных» источ-
ников трех упомянутых типов.
Таблица 8.1 Звуковая мощность элементарных излучателей
Вид излучателя Показатель размерности
п == 1 n==2 n = 3
Монополь P~pocot/’ Р~р»и3 P~Po*ot/«
Диполь P-Pu/rbt/1 p~p0/^t/5 Р-Ро/^г/6
Квадруполь P-Po/cJt/7 P~Po/C§t/8
Из табл. 8.1 следует, что при различных видах излучателей в звуковом
поле с увеличением числа Маха
М=[//с0 (8.1)
излучатели более высокого порядка проявляются заметнее, чем излучатели
низшего порядка. Поэтому в воде, где в большинстве случаев число Маха
невелико, квадрупольные излучатели практически не существенны.
8.2.2. Кавитация
Как только в некоторой области потока жидкости давление ста-
новится равным критическому или ниже критического, соответствующего при-
близительно Давлению насыщенного пара р&а, в зонах ядер кавитации обра-
зуются полости, заполненные паром. (Для воды ядрами кавитации прежде
всего являются всегда присутствующие в ней пузырьки воздуха). Это типич-
ное для жидкости явление называют кавитацией, точнее, кавитацией потока.
Кавитационные пузырьки резко захлопываются (разрушаются), если давле-
ние окружающей среды возрастает выше критического (рис. 8.1) [7]. При
сильной кавитации (свыше 105 бар) возникают локальные пики давления,
способные разрушающе воздействовать иа материалы (кавитационная эро-
зия) [15]. Этот процесс сопровождается значительным шумообразованием.
Кавитация создает характерный широкополосный -шум (щелчки) со сравни-
тельно низкочастотными составляющими [3].
8.2.2.1. Возникновение кавитации. Из рис. 8.2 следует, что если начнется
кавитация, звукоизлучение профиля в набегающем потоке может возрасти
184
более чем на 40 дБ. Подобное явление наблюдается и при других процес-
сах, связанных с потоками [11]. Число кавитации о определяется следующим
выражением:
I/2p0tZa ’
(8.2)
где ps — статическое давление невозмущенного потока; р&я—давление на-
сыщающего пара; р0 — плотность жидкости; U — характерная скорость по-
тока (например, скорость набегания иа профиль).
Возникновение кавитации зави-
сит не только от числа кавитации, но
и от содержания воздуха (количе-
ства ядер) в среде. При высоком со-
держании воздуха кавитация возни-
кает при более низких скоростях по-
тока, точнее, при больших ее числах.
С уменьшением числа кавитации ка-
витационный шум постепенно возра-
Рис. 8.2. Суммарный уровень
шума в потоке, набегающем на
профиль, при разных стадиях
кавитации.
1 — начало кавитации; 2 — крити-
ческое число кавитации; 3 — начало
флаттера; 4 — срыв потока.
Рис. 8.1. Возникновение и за-
хлопывание . кавитационных
пузырьков на обтекаемом про-
филе.
1 — внешнее давление; 2 — давле-
ние насыщающих паров; 3 — твер-
дое тело.
стает. При незначительном содержании воздуха кавитация начинается позд-
нее, но в этом случае наблюдается резкое нарастание шума.
8.2.2.2. Формы кавитации. В стационарном, безвихревом потоке разли-
чают в основном две формы кавитации [3], а именно: пузырьковую и лами-
нарную (струйную). В работе [3] обе формы кавитации описываются сле-
дующим образом.
Пузырьковая кавитация. Кавитационные пузырьки равно-
мерно движутся с потоком вдоль обтекаемой стенки, расширяясь, схлопы-
ваясь и рассеиваясь. Весь этот процесс можно наблюдать с помощью кино-
съемки.
Ламинарная кавитация. Выделяемые в большом количестве
маленькие пузырьки образуют вдоль обтекаемой стенки двухфазные области
жидкость — газ, имеющие слоистую, кучевидную или полосообразную форму.
Внешне форма этих двухфазных областей кажется неподвижной. Одиако
с помощью киносъемки можно наблюдать значительные изменения формы
кавитационных областей.
185
Рнс. 8.3. Формирование кавитационного пузырькового облака в потоке, набегающем на профиль, при постоянном числе ка-
витации и различном содержании ядер кавитации.
Вышеописанная картина кавитации резко изменяется под влиянием
срыва потока или турбулентности.
Кавитация может также наблюдаться в центрах оторвавшихся вихрей
(например, в вихрях около концов лопастей и ступицы гребного винта).
8.2.2.3. Теоретическое рассмотрение. В начале кавитации, т. е. при не-
значительном количестве воздушных пузырьков, можно говорить об отдель-
ных, практически не влияющих одна иа другую кавитационных полостях
(рис. 8.3, кадры 1 и 2). Поведение отдельных пузырьков во времени можно
приближенно писать с помощью дифференциального уравнения Рэлея-Плес-
сета [9, 16]. Зная объем пузырька в функции от времени V(f) при числе
Маха М<1, определим мощность излучения, считая его монопольном [7].
Для звукового давления р на рас-
стоянии г
р(г, о =
и ' 4лг dt*
(8-3)
При развитой кавитации об-
разуются большие скопления ма-
леньких пузырьков (рис. 8.3, кад-
ры 4 и 5).
Интенсивность звука сначала
возрастает в результате отраже-
ний от отдельных пузырьков, а за-
тем, проходя через максимум (по-
сле образования пузырькового об-
лака), падает. Отсюда следует,
что на процесс звукоизлучеиия
пузырьков сильно влияет состоя-
ние окружающих пузырьков
(рис. 8.4).
При теоретическом рассмот-
рении развитой кавитации вряд
Рис. 8.4. Зависимость суммарного уров-
ня кавитационного шума в набегающем
иа профиль потоке от объемной кон-
центрации кавитационных пузырьков.
Цифры на кривой соответствуют кадрам
на рис. 8.3.
ли целесообразно, да и практически невозможно проследить за поведением
каждого пузырька. Некоторые -авторы рассматривают кавитирующую жид-
кость как сплошную среду, используя уравнение (1.39) для однофазовой
жидкости и вводя понятие средней плотности р [1, 5]:
Р — Ро U — Р) + РРв»
(8-4)
где ро — плотность жидкости; р — суммарный объем кавитационных пу-
зырьков на единицу объема в функции от местоположения и времени; рв —
плотность пузырьков.
8.2.2.4. Измеренные спектры шума. Многочисленные замеры в воде с ис-
пользованием кавитирующих сопел [2, 11] при развитой кавитации позволили
получить спектры звукового давления, приводимые в виде затемненной зоны
на рис. 8.5. Указанные спектры имеют ярко выраженный максимум на ча-
стоте
= 16-7-0». (8.Б)
а
Общая звуковая мощность, кзлучаемая кавитирующим соплом, может
быть приближенно вычислена с помощью следующего выражения:
Pe4-10“4-^d2l/4.
Со
(8.6)
187
8.2.2.S. Снижение шума. Чтобы избежать кавитации, нужно увеличить ее
число - (8.2) в результате снижения скорости потока U или повышения ста-
тического давления рв. Такими мерами пользуются, например, при конструи-
ровании водопроводной арматуры (подраздел 17.3.1).
Самый интенсивный кавитационный шум возникает, как правило, в узкой
области немного ниже критического числа кавитации (рис. 8.2). Если нельзя
избежать кавитации, то нужно, по крайней мере, избегать этой области.
Рис. 8.5. Третьоктавные
спектры звукового дав-
ления, измеренного при
развитой кавитации
с использованием различ-
ных кавитирующих со-
пел: а — пределы раз-
броса ' значений спект-
ральных уровней звуко-
вого давления; б — кави-
тирующие сопла и рас-
положение точки изме-
рений.
1 — гидрофон.
Вводя воздух в зону кавитации, можно «смягчить» процесс разрушения
кавитационных пузырьков, что зачастую позволяет достичь значительного
снижения шума.
8.2.3. Обтекание кругового цилиндра
Если на твердое тело набегает .поток жидкости или газа с до-
звуковой скоростью, то начиная с определенных значений чисел Рейнольдса,
характерных для данного процесса, наблюдается срыв вихрей с поверхности
данного тела. Срыв вихрей приводит к пространственным и временным
изменениям давления на поверхности тела и тем самым к возникновению
звука.
Срыв вихрей подробно исследован экспериментально и теоретически для
жесткого кругового цилиндра в потоке, набегающем перпендикулярно его
оси. Экспериментальные исследования проводились в проточном канале или
на роторах, состоявших из двух круглых дисков, между которыми укреп-
лялись круговые цилиндры (рис. 8.6).
Вращающиеся диски с цилиндрами приводят’ в круговое движение
окружающий воздух, скорость которого возрастает с увеличением диаметра
d и числа цилиндров г, а также с уменьшением длины цилиндра I
Дрздух, обтекающий цилиндры .фи их , движении, также ускоряется и,
следовательно, скорость потока U, набегающего на цилиндр, меньше скорости
188
цилиндров- Uq. При этом можно использовать следующую приближенную
эмпирическую зависимость:
/ d Л-0,08
и =(1,710« — z+lj с/о. (8.7)
На рис. 8.7 показаны два спектра шума, типичных для измерений иа
роторах.
8. 2.З.1. Поле потока. Поле потока за круговым цилиндром, на который
перпендикулярно его оси набегает ламинарный поток, определяется в ос-
новном числом Рейнольдса
Re=tM/v, (8.8)
где d—-диаметр цилиндра; v — кинематическая вязкость.
Значения кинематической вязкости
(v. м2/с) для воздуха н воды при раз-
личных температурах (у* 10”®) приве-
дены ниже:
Температура, °C ... 0 20 40 60
Воздух .............13,2 15,1 16,9 18,9
Вода ...............1,79 1,01 0.66 0,48
На основании многочисленных ис-
следований различают следующие формы
поля потока:
1. В симметричной области (4<Re<
<40) срыва вихрей не происходит. Об-
разуется лить устойчивая пара вихрей,
которые, однако, не отрываются от ци-
Рис. 8.6. Ротор с цилиндрами.
лиидра и поэтому не создают ни пере-
менных давлений, ин ' звука.
2. В устойчивом диапазоне (40<Re<200). формирование вихрей ста-
новится несимметричным. Вихри срываются регулярно, движутся вместе
с потоком и образуют вихревую дорожку Кармана, которая в дальнейшем
распадается или переходит в турбулентность.
3. В неустойчивом диапазоне (400<Re<10s) пограничный слой цилиндра
еще ламинарный, ио вихри при срыве уже сопровождаются низко- н высоко-
частотным фоном, т. е. на регулярно срывающийся свободный вихрь нала-
гаются турбулентные пульсации скорости, которые далее приводят к бы-
строму разрушению вихрей. Переход от более или - менее регулярной
вихревой дорожки к полной турбулентности происходит тем .ближе к ци-
линдру, чем больше число Рейнольдса.
4. В надкритичном диапазоне (Re>3 • Юб) поток турбулентен уже на
цилиндре. Тем не менее может наблюдаться периодический срыв вихрей
(до Re=8 • 10s).
Приведенные выше значения чисел Рейнольдса характерны1 для1 лами-
нарного набегающего потока. Если поток уже имеет некоторую турбулент-
ность, то указанные четыре диапазона сдвигаются в сторону меньших
значений чисел Рейнольдса. Влияние шероховатости поверхности цилиндров
аналогично влиянию повышения чисел Рейнольдса.
8.2.3.2. Возникновение звука (явление вихревого срыва). Основная часть
акустической мощности, излучаемая круговыми цилиндрами в набегающем
потоке, приходится на так называемый «вихревой шум». Он объясняется
возникновением переменных сил, действующих перпендикулярно направле-
нию потока с частотой срыва вихрей.
Вихри, попеременно срывающиеся с каждой стороны цилиндра, порож-
дают импульс вращения. Поскольку набегающий поток не содержит' им-
пульса вращения, из условия сохранения импульса вращения следует, что
формирование нового вихря должно' сопровождаться циркуляционным7 по-
током вокруг цилиндра с противонаправленным импульсом вращения. ТакиЙ
189
образом, если с цилиндра срываются вихри со знакопеременной циркуля-
цией (—2Г н 4-2Г), то циркуляция вокруг цилиндра изменяется от
4-Г до —Г.
В соответствии с уравнением Жуковского — Кутта такой процесс при-
водит к появлению переменной подъемной силы, действующей иа цилиндр
перпендикулярно скорости набегающего потока с частотой срыва вихрей
(рис. 8.8).
Рис. 8.7. Типичные спектры шума ротора с двумя круго-
выми цилиндрами, симметрично расположенными между
двумя круговыми фланцами (0=20 см, Л—8,7 сад, В =
е=*1 см, а=0,5 см, rf=0,2 см, £=/=2,8 см, z=4 W=
= 175 1/с, 0о = 1О5 м/с).
1 — основной тон шума вращения; 2 — полоса анализа
=50 Гц, аамеры перпендикулярно осн ротора; 3 — резонансы
полостей; 4*— полоса анализа Д/=50 гЦ, замеры в осевом на-
правлении.
Частота срыва вихрей и соответственно частота порождаемого им звука
определяются с помощью соотношения Струхаля
fc. в = St Ufd. (8.9)
В наиболее важном диапазоне число Струхаля в ламинарном набе-
гающем потоке относительно постоянно (рис. 8.9).
Интервал частот, в котором наиболее отчетливо воспринимается «вих.
ревой тон» (собственно, речь идет не о тоне, а об узкополосном шуме),
тем шире, чем выше число Рейнольдса и турбулентность набегающего
потока. Кроме того, при измерениях иа установке с вращающимися ци-
линдрами, если точка измерений смещена от оси вращения цилиндров,
упомянутый интервал расширяется за счет эффекта Доплера (рис. 8.7, со-
поставьте верхнюю и нижнюю части рисунка).
В случае периодического срыва вихрей переменные сиды, действующие
иа обтекаемые тела, обусловливают неполную ламинарное-п» набегающего
190
потока и вызывают небольшие изменения сопротивления потоку и подъем-
ной силы. В заключение следует упомянуть о- источниках звука с квадру-
польиым характером излучения, появляющихся за обтекаемым телом вслед-
ствие свободной турбулентности (подраздел 8.2.4).
8.2.3.3. Расчет звукоизлучеиия. Как уже упоминалось, срыв вихрей
с цилиндра в набегающем перпендикулярно его оси потоке обусловливает
возникновение на нем переменной силы F, перпендикулярной направлению
потока. Длина, иа которой наблюда-
ется когерентный срыв вихрей, суще-
ственно зависит от конструктивного
оформления концов цилиндров в экс-
периментальной установке. Для экс-
периментальной установки в соответ-
ствии с рис. 8.7 прн отношении
//</^15 и числе Рейнольдса Re^lO5
срыв вихрей практически когерентен
на всей длине цилиндров, и тем са-
мым амплитуда н фаза переменной
силы F остаются приблизительно по-
стоянными вдоль всей его длины.
В этом случае звуковое давление на
большом удалении г в направлении, перпендикулярном оси цилиндра, можно
F=pflt/rL
.Г <а
Рис. 8.8. Возникновение переменной
силы, действующей иа цилиндр пер-
пендикулярно направлению набегаю-
щего потока.
записать в виде
р (г, Q, 0 ---------sin 6 -тт- F (t — г/с). (8.10)
4nrc0 at
Здесь 0 — угол к направлению набегающего потока, a F—переменная
сила, равная
Р(0 = С2.м2-р0^соз(2л/с.в/),
(8.11)
где Cl—коэффициент переменной подъемной силы, значения которого по-
лучены из измерений в проточном канале (рис. 8.10).
Рис. 8.9. Зависимость числа Струхаля St от числа Рей-
нольдса Re.
U
Коэффициент Cl можно также рассчитать, зная интенсивность звука
/я в направлении, перпендикулярном оси вращения ротора с числом ци-
линдров z:
(8.12)
191
РасчрИйУ-'^н можно рассчитать по измеренным значениям давления р.
показан^®Ые значения коэффициента Ct, в соответствии с формулой (8.12)
тельное о В внде затемненной области на рис. 8.10. Получено удовлетворн-
блюддетсяВг1адение РасчетИЫХ значений с экспериментальными. Правда, на-
тельно мп Расхождение прн небольших числах Рейнольдса, что предположи-
в процесс5*1® объяснить очень низкой турбулентностью набегающего потока
В слч НекотоРых измерений [.12].
воспольз^Чае ие слишком малой турбулентности набегающего потока можно
Ваться следующей приближенной зависимостью:
0,05<М<0,6.
1 <Z/d<15,
C£«8-10"6Re для
(8.13)
108< Re < 10б
Рис. 8.11. Нормированный гоктав-
ный спектр звуковой мощности из-
лучения кругового цилиндра в на-
бегающем потоке..
«.IQ
ента Сг п Зависимость коэффици-
действую. Ременной подъемной силы,
Рейнольд^6& на ИилиВДР. от числа
токе при°ВДя мощность, излучаемая круговым цилиндром в набегающем по-
г когерентном срыве вихрей, рассчитывается по формуле
Р = -Д- Р„ st ClUlA2U3O (*„/). (8.14)
ные "вСпа^асчета ФУ11К1Шн G(kol) можно использовать следующие приближен-
р ^ния:
G (М
2 4 Зя
fe0Z =— StMZ/d для fcJ=2jtStMl/d<—
Зя 3 2
(8.15)
Зя
1 для Ао/= 2л St —.
тающем r?K(;,Be соответствующих расчетов для кругового цилиндра в набе-
рованцый °т°ке ПРИ когерентном срыве вихрей на рис. 8.11 приведен норми«
Если -Усредненный спектр звуковой мощности в октавных полосах частот,
нин Ify и сРыв вихрей некогерентен (например, при очень большом отноше-
в области?11 ПРН Pa3H0® конструкции крепления цилиндров), звукоизлучение
чем это а *частоты срыва» н тем самым суммарное звукоизлучение меньше,
жет УБелт»е,®Ует нз УРавнаннй (8.14) н (8.15) (рис. 8.12). Звукоизлучение мо-
^ч^ться, если «частота срыва» совпадает с собственной частотой ци-
192
линдра [12] или с собственной частотой ограниченного пространства, в кото*
ром находятся цилиндры. В теплообменниках котельных установок при совпа-
дении частоты фыва вихрей с труб в набегающем потоке с собственной ча-
стотой канала, по которому движется поток, возникают сильные низкочастот-
ные колебания.
8. 2.3.4. Снижение шума. Звукоизлучение круговых цилиндров в набегаю-
щем потоке может быть снижено в результате:
понижения скорости набегающего потока (8.14);
Рнс. 8.12. Суммарный уровень шума LCyM в диапазоне
от 0,5 до 100 кГц в зависимости от скорости цилиндра Uo.
Расстояние Е между дисками ротора (рис. 8.6) как пара-
метр при D=20 см, А—8,7 см, В=1 см, d==0,5 см, г=2 см,
1^2,85 см, а~0,5 см, г=50 см; расположение цилиндров
симметричное.
недопущения когерентного срыва вихрей посредством соответствующего
конструктивного оформления концов цилиндров (рис. 8.12);
изменения формы обтекаемого тела с целью повышения числа Рейнольдса
и уменьшения коэффициента Cl-
8.2.4. Свободная турбулентная струя
Если для обоих, ранее рассмотренных механизмов' возникнове-
ния звука его источник связан с четко определяемой граничной поверхностью
(жидкость — кавитирующий газовый пузырек, твердое тело — набегающий
поток), то для турбулентной свободной струн место возникновения звука
локализовать гораздо сложнее.
7 Заказ № 740
193
8.2.4.1. Возникновение звука. За исключением идеализированного случая
пары «танцующих вихрей» [18] особенности звукоизлучення свободными вих-
рями по-прежнему являются предметом интенсивных исследований, причем
основной упор в них делается на изучение
свободной струи, характерной для реактив-
ных двигателей (рис. 8.13). Хотя проблема
еще полностью не решена, тем не менее
нижеприводимые данные можно считать
установившимися:
а. Звук возникает в так называемой
зоне смешения, т. е. на расстоянии несколь-
Рис. 8.13. Геометрия свобод-
ной турбулентной струи.
/ — потенциальное ядро; 2 — зона
смешения.
ких диаметров за выходным отверстием
сопла (рис. 8.13).
б. Если в ядре постоянной скорости
(потенциальном ядре) струи и в зоне сме-
шения отсутствуют какие-либо турбулиза-
торы, то создаваемый шум широкополосен
и обладает четко выраженной характери-
стикой направленности (рис. 8.14). У сверхзвуковых струй частотный макси-
мум звуковой мощности расположен в области f=100/a (f, Гц; rf, м).
в. В области 0,7<М<1,6 звуковая мощность турбулентной свободной
восьмой степени скорости истечения [13],
в области М>2 она увеличивается
пропорционально третьей степени [8].
Полученные из этих результатов
значения акустических коэффициен-
тов полезного действия приведены
струи возрастает пропорционально
Рис. 8.14. Приведенный октавный
спектр и характеристика направлен-
ности шума струи в области 0,7
^1,6 в зависимости от диаметра соп-
ла d н скорости истечения U (0 дБ
соответствует суммарному уровню
шума).
Рис. 8.15. Акустический коэффици-
ент полезного действия при излуче-
нии шума струей.
/ — высокая степень турбулентности по-
тока; 2 — низкая степень турбулентности
потока.
S — площадь выходного отверстия сопла.
на рис. 8.15. Если плотность рз и температура Та струн отличаются от плот-
ности р и температуры Г окружающей среды, то коэффициенты, приведен-
ные на рис. 8.15, следует умножить на ps7’s2/(p7’2). В области М<0,7 шум
свободной струи (квадрупольный излучатель) очень часто маскируется дру-
194
гими источниками шума. Завихренные истечения в основном обусловливают
шум, повышающийся пропорционально шестой степени скорости истечения
(рнс. 8.15)..В таких случаях местом возникновения шума является не зона
смешения, а выходное отверстие. Для малых диаметров (t//d>2OO) спектр
представлен на рис. 8.14.
г. Если в потенциальном ядре струи находится турбулизатор, то возни-
кают четко выраженные дискретные тоиа, повышающие звуковую мощность
иа Ю—20 дБ. Очень высокие дискретные тона образуются также, если струя
направлена в отверстие полости. Это приводит к повышению температуры
в полости, иногда до опасных значений. Отдельные дискретные составляющие
могут возникать в сверхзвуковых струях в отсутствие турбулизаторов.
В обоих случаях речь идет о механизмах обратной связи, т. е. о явлениях,
родственных автоколебаниям.
д. В том случае, когда свободная струя попадает на большую плоскую
пластину, звуковая мощность после отражения возрастает. Если пластина
удалена от выходного отверстия на пять его диаметров, то мощность увели-
чивается примерно на 5 дБ, при удалении на 10 диаметров—только на 2 дБ.
При меныпем удалении возможно возникновение дискретных тонов (пункт г).
е. Если из предохранительных клапанов с большой скоростью выходит
газ нли пар, обычно возникает шум, спектр которого соответствует спектру,
показанному на рис. 8.14, причем частотный максимум, как правило, распо-
лагается между 500 и 1000 Гц. Для расхода 50—200 т/ч пара или газа уровни
мощности составляют около 170 дБ. Четко выраженная характеристика на-
правленности отсутствует. Практически уровни звуковой мощности от предо-
хранительных клапанов (без глушителей, без делительных дисков и т. д.)
можно рассчитать, используя следующие выражения:
Lp и [17 lg^H-50 lg Т~ 5] дБ (8.16)
или
Lp » [87 + 101g94-201gс] дБ, (8.16а)
где q — расход, т/ч; Г—абсолютная температура; с —скорость звука при
температуре Т, м/с.
Уравнения применимы при перепадах давления, которые больше трех
(подраздел 8.5).
ж. В тех случаях, когда значительные, находящиеся под давлением
объемы газа выпускаются очень быстро, причиной большей части излучения
также является излучение зоны смешения турбулентной струи. При резком
открытии клапана может раздаться сильный хлопок, которого можно избе-
жать небольшой корректировкой начальных условий (например, постепенным
раскрытием клапана в течение 10 с).
8.2.4.2. Снижение шума. Различные методы снижения шума реактивных
двигателей (использование большого байпасного отношения, установка гоф-
рированных сопел) будут коротко рассмотрены в подразделах 11.1.1.2 и
11.1.1.3. У предохранительных клапанов и прочих устройств, из которых газы
и пары выходят с очень большой скоростью, шум можно снизить за счет по-
степенного, ступенчатого снижения давления (перепад давлений между ступе-
нями должен быть меньше 1,8). К практическим методам можно отнести за-
сыпку шариков н установку делительных дисков (подраздел 8.5.3).
8.2.5. Турбулентный пограничный слой
Прн турбулентном потоке вдоль стеики в пограничном слое тол-
щиной б, равной
8 = 0,37/ (Re)'1'5, (8.17)
наблюдаются сильные пульсации давления (I—масштаб турбулентности).
Пульсации могут быть измерены с помощью вмонтированного в стенку не-
большого приемника давления. Нормированные спектры, получаемые прн
7* 195
этом, приведены на рис. 8.16. Эффективное значение переменного давления р,
суммированное по всем частотам,
р % 6-10 3- ’ или Р 2т,
(8.18)
где т— местное сдвиговое напряжение у стенки.
Характер спектра на низких частотах все еще дискуссионен, так как
в этом диапазоне трудно отделить пульсацию звукового давления от воздей-
ствий других помех. На высоких частотах переменное давление очень сильно
зависит от размеров приемника давления. Можно предположить, что причи-
ной изменений давления в пограничном слое является, образно говоря, пере-
Рис. 8.16. Нормированный спектр
шума пограничного слоя, измерен-
ный малогабаритными приемни-
ками давления.
6* « 6/8 — толщина вытеснения; —
спектральная плотность квадрата дав-
ления (в полосе 6,28 Гц).
мещение вдоль стенки и периодическое
разрушение Очень небольших «турбу-
лентных молей» (элементарных вихрей
в турбулентном потоке), размеры кото-
рых сопоставимы с толщиной погранич-
ного слоя. Скорость их движения со-
ставляет не боле'е 60—80% от скорости
свободного потока. Во время движения
элементарные вихри распадаются и од-
новременно образуются новые. По этой
причине корреляция между двумя при-
емниками давления, расположенными
вдоль потока, быстро снижается, а по
достижении расстояния, превышающего
20 S, полностью отсутствует. Так как
зоны различных давлений в погранич-
ном слое располагаются близко одна
к другой (радиус корреляции стабильно
мал по сравнению с длиной звуковой
волны), то непосредственное звукоизлу-
чение турбулентного пограничного слоя
(перед абсолютно жесткой стенкой)
в большинстве случаев пренебрежимо
мало. Тем не менее турбулентные погра-
ничные слои могут косвенно привести к существенному звукоизлучению,
а именно, если они прилегают к очень легкой стенке, которая в результате
воздействия переменных давлений относительно нетрудно приводится в дви-
жение.
Хотя пространственная конфигурация стенки-в процессе ее движения ана-
логична пространственной структуре переменных давлений (для бесконечных
однородных стеиок) и потому звукоизлучение от нее фактически отсутствует,
однако значительный шум излучают собственные колебания всех неоднород-
ностей (ребра жесткости, кромки и т. д.). Например, в передней части само-
лета, где шум от двигателей не очень большой, шумность определяется по-
граничным слоем. Уровни шума пограничного слоя в самолетах достигают
80 дБ прн скорости 550 км/ч и 90 дБ при скорости 990 км/ч.
8.3. ВЕНТИЛЯТОРЫ
8.3.1. Характерные особенности
Наиболее часто применяются центробежные (радиальные) и осе-
вые (аксиальные) вентиляторы (рис. 8.17). Их обычно характеризуют
(Др—<2)-диаграммой, где-Др —это полное давление, илн напор, т. е.
разница давлений между стороной нагнетания и стороной всасывания
196
1
Рис. 8.17. Основные типы вентиляторов: а — центробежные венти-
ляторы; б — осевые вентиляторы (/ — шахтный; // — трубный; III —
винтовой).
2 —улитка; 2 — язык; 3 — рабочие лопатки; 4 — выгнутые лопатки (загнутые
назад); 5 —радиальные лопатки; б —вогнутые лопатки (загнутые вперед);
7 —прямые лопатки; 8 — направляющие лопатки; 9 — приводной двигатель.
Рис. 8.18. Типовые безразмерные характеристики вентиля-
торов: а—центробежных; б — осевых.
2 —п. 5 табл. 8.2; 2 —п. 6 табл. 8.2; 3 — п. 7 табл. 8.2; 4—п. 1
табл. 8.2; 5 —вентилятор с профильными лопастями; 6.— п. 3
табл. 8.2; 7—вентилятор с направляющим колесом и диффузором,
ф — коэффициент напора; <р — коэффициент расхода,
197
Таблица 8.2 Перечень различных конструкций вентиляторов
с Б £ 5. 0 Q. С Н 5 В= t-1 ч Конструкция вентилятора Принципиаль- ная схема Коэффи- циент расхо- i да <р ! Коэффи- циент напо- ра ф Примен еиие
1 Настенный 0,1—0,25 0,05-0,1 Устанавливает- ся в окнах и в стенах
2 Осевые Без направляю- щего колеса 0,15—0,30 0,1—0.3 Для небольшого давления
3 С направ- ляющим колесом 0,3—0,6 0,3-0,6 Для повышенного давления
к
4 Соосный 0,2—0,3 1,0—3,0 Для специальных целей
5 Выгнутые лопатки @) 0,2—0,4 0,6-1,0 Для высокого давления (большой КПД)
6 Центро- бежные Прямые лопатки 0,3—0,6 1,0—2,0
7 Вогнутые лопатки 0.4—1,0 2,0—3,0 Для низкого давления (малый КПД)
8 Турбо- вентиля- тор ж 1,0—2,0 2,5—4,0 В случае высо- кого давления при небольших габаритах
198
вентилятора, мм вод, ст.; Q — объемный расход (производительность), т, е.,
объем транспортируемого воздуха в единицу времени, м3/с. На этой диа-
грамме приведена зависимость Ap(Q) с частотой вращения вентилятора N
в качестве параметра.
Полезная мощность Ръ вентилятора определяется из выражения
PL = ApQ₽. (8.19)
Если Pl выражена в кВт, Др — в мм вод. ст., Q — в м3/с, то
=9,81 -10-3.
Коэффициент полезного действия г| вентилятора выражается через отно-
шение Pl к потребляемой мощности Ре
Р,
4 = -^=-- (8.20)
* е
Напор, создаваемый вентилятором, служит для преодоления потерь, обус-
ловленных элементами, встроенными в каналы за и перед вентилятором, из-
менением сечения и поворотами каналов. В большинстве случаев напор про-
порционален квадрату производительности
Др=Ц7(2а, (8.21)
где W — суммарное сопротивление присоединенной к вентилятору системы.
Уравнение (8.21) называют «характеристикой проводящей системы».
Для вентиляторов различных систем приняты следующие показатели:
коэффициент расхода
коэффициент напора (коэффициент давления)
. Др
ф =------
Pq/21/2
(8.23)
где R— радиус колеса; [/о —окружная скорость колеса.
В табл. 8.2 приведены принципиальные конструктивные схемы вентиля-
торов и значения коэффициентов (риф. Графические характерные зависимо-
сти для вентиляторов изображены на рис. 8.18 [6].
8.3.2. Возникновение звука
Спектр шума вентиляторов обусловлен широкополосным фоном и
накладывающимися на него тональными составляющими.
Широкополосный шум образуется излучателями дипольного характера и
объясняется срывом вихрей и турбулентным потоком, набегающим на непо-
движные детали элементов конструкций.
Тональные составляющие определяются периодическими переменными си-
лами, возникающими в результате взаимодействия подвижных н неподвиж-
ных жестких элементов конструкции вентилятора и связанными с этим пуль-
сациями потока, набегающего на указанные элементы.
В табл. 8.3 обобщены основные механизмы возникновения шума н пока-
зано влияние наиболее важных параметров на его излучение.
199
$5
Рис. 8.19. Влияние рас-
стояния до языка на ос-
новные составляющие
шума н КПД центробеж-
ного вентилятора при
оптимальном коэффици-
енте расхода фонт.
1 ~ «лопаточная» частота;
2—удвоенная «лопаточная»
частота; 3 —шум в диапа-
зоне 180—1120 Гц.
Рис. 8.20. Узкополосный спектр
(Af=ll Гц) центробежного
вентилятора, у которого основ-
ной тон, возникающий в ре-
зультате взаимодействия ло-
паток и языка, совпадает
с самой низкой собственной
радиальной частотой улитки
Рис. 8.21. Влияние расстояния
между ротором и статором на
основной тон осевого вентиля-
тора, возникающий в резуль-
тате взаимодействия рабочих
н направляющих лоцаток.
Дг — расстояние между ротором
и статором; Ь —длина направляю-
щих лопаток, равная длине рабо-
чих лопаток.
1 _ 4 дБ на октаву; 2 — 2 дБ на ок-
таву.
200
Таблица 8.3. Причины шумообразования вентиляторов
Причина возникновения шума Излучаемая звуковая мощность Характеристики спектра
Центробежные вентиляторы
Переменные силы на •поверхностях лопа- стей вследствие сры- ва вихрей с задней кромки лопастей ~р0С/8Л42-3 г, возрастает с Ти, воз- растает с коэффициен- том когерентности сры- ва вихря, который за- висит от & и конст- руктивного оформле- ния концов лопаток (рис. 8.12) Широкополосный (рис. 8.7), широкий частот- ный максимум (эф- фект Доплера) прн /max ~ О.18С//0; вы- ше максимума спад около 4 дБ на октаву (рис. 8.11)
Переменные силы на поверхностях лопа- стей, обусловленные турбулентным следом в потоке за передней кромкой лопатки, за входными направляю- щими аппаратами, за стойками, за'входным диффузором ‘ н т. д. ~pol/3M3S, ~Tu Широкополосный
Переменные силы на поверхности языка вследствие высоко- турбулентного набе- гающего потока, обу- словленного отрывом вихрей р01/8Л4 3, возрастает с уменьшением рассто- яния до языка, ра- диус языка практиче- ского влияния не ока- зывает (рис. 8.19) »
Переменные силы на языке (н на лопат- ках), возникающие в результате их вза- имодействия ~ p0t/3M 3, возрастает очень сильно с умень- шением расстояния до языка (рис. 8.19) — сказывается влияние радиуса' языка; можно наблюдать повышен- ное звукоизлучение прн равенстве частот одного из тонов с соб- ственной частотой по- лости (улитки), рис. 8.20 Дискретные тона /ц (р. = 1, 2, . . Для симметрично распо- ложенных -лопаток- с • числом Z /у. = pzn. При возрастании рас- стояния от языка влияние обертонов снижается (рис. 8.19)
Осевые вентиляторы
Переменные силы на рабочих лопатках, обусловленные сры- вом вихрей на зад- .ней кромке ~р0С/3М2-3г, возрастает с Ти, за- висит от угла уста- новки лопасти Широкий частотный максимум при /шах ~0,13L//0; выше мак- симума — спад око- ло 4 дБ на октаву (рис. 8.11)
201
Продолжение
Причина возникновения
шума
Излучаемая звуковая
мощность
Характеристики
спектра
Переменные силы на
поверхности рабочих
лопаток, обусловлен-
ные турбулентным
следом в потоке от
направляющих аппа-
ратов, стоек, вход-
ных диффузоров
Переменные силы на
направляющих ло-
патках, установлен-
ных за рабочими ло-
патками, обусловлен-
ные турбулентным
следом в потоке от
рабочих лопаток
Переменные силы на
направляющих и ра-
бочих лопатках, воз-
никающие в резуль-
тате взаимодействия
между ними
~p0t/3M3S,
Широкополосный
~pot/3AP, возрастает
с уменьшением рас-
стояния между рото-
ром и статором
Широкополосный
~p0t/3M2-3,
возрастает очень силь-
но при уменьшении
расстояния между ро-
тором и статором (рис.
8.21), уменьшается
с увеличением числа z,
зависит от угла меж-
ду статором и ротором
Дискретные тона fa ~п
зависят от числа и рас-
положения направ-
ляющих н рабочих
лопаток; расчет с по-
мощью разложения
Фурье (подраздел
11.1.4); с увеличе-
нием расстояния ме-
жду статором вклад
обертонов уменьша-
ется
Примечание. U — относительная скорость лопаток и потока воздуха; b —
ширина рабочего колеса; Ти — коэффициент турбулентности потока, набегающего
иа лопатки; в — проекция лопаток на плоскость, перпендикулярную к направлению
потока; S — суммарная площадь рабочих лопаток; г — число рабочих лопаток; R. —
радиус вентилятора.
8.3.3. Приближенный расчет звукоизлучения
На основании многочисленных экспериментов были разработаны
эмпирические зависимости для расчета уровней звуковой мощности LP вен-
тиляторов. Одна нз таких зависимостей позволяет рассчитывать уровни, ис-
ходя из производительности Q, м3/с и напора Др, мм вод. ст. с точностью
±4 дБ, при условии работы вентилятора в режиме оптимального КПД:
Lp к [60 + 10 lg Q + 20 1g Др] дБ. (8.24)
Если в это выражение с учетом уравнения (8.19) ввести полезную мощ-
ность Pl, кВт вентилятора, то можно записать:
LP и [80 +10 lg PL + Ю 1g Др] дБ. (8.25)
Спектр звуковой мощности зависит от конструкции вентилятора. Для
оценки октавных уровней звуковой мощности Lpokt можно использовать
рис. 8.22 совместно с уравнениями (8.24) и (8.25).
Шумность вентиляторов с постоянной частотой вращения при перемен-
ной производительности приведена на рис. 8.23.
202
8.3.4. Снижение шума
Конструктивные меры по снижению шума вентиляторов будут
оправданы только в том случае, если не вызовут уменьшения требуемой про-
изводительности вентиляторов.
8.З.4.1. Центробежные вентиляторы. Скорость U лопаток относительно
транспортируемой среды при условии сохранения производительности венти-
ляторов (максимально большие значения ф и ф) должна быть минимально
возможной. Это достигается за счет:
увеличения числа лопастей (8.7) и размеров вентиляторов;
снижения потерь напора рациональным
с точки зрения аэродинамики подбором формы
входного отверстия (диффузор, направляю-
щие лопатки);
применения по возможности вогнутых (за-
гнутых вперед) лопаток (рис. 8.24).
Расстояние между языком и рабочим ко-
лесом должно быть максимально большим
с учетом требований аэродинамики (рис. 8.19).
Рис. 8.23. Шумность венти-
ляторов при постоянной
частоте вращения и пере-
менной производительности.
1 — роторный вентилятор с во-
гнутыми лопастями; 2 — все
остальные центробежные и
осевые вентиляторы.
Рис. 8.22. Схематизированный октав-
ный спектр звуковой мощности вен-
тиляторов.
I — центробежный вентилятор; 2 — осевой
вентилятор; 3 — роторный вентилятор.
Лопастная частота не должна совпадать с собственными частотами корпуса
или улитки (рис. 8.20). Следует избегать препятствий и помех потоку на вхо-
де, а также двухстороннего закрепления лопастей вентилятора (рис. 8.12).
8.3.4.2. Осевые вентиляторы. Скорость U лопаток относительно транспор-
тируемой среды при условии сохранения производительности (максимально
большие значения ср и ф) должна быть минимально возможной (рис. 8.25).
Это достигается в результате:
увеличения числа лопастей, ширины лопастей и диаметра лопастей;
применения профилированных лопастей;
подбора рациональной с точки зрения аэродинамики формы входного И
выходного отверстий для снижения потерь напора (диффузоры, конические
ступицы) (рис. 8.26);
увеличения угла установки;
уменьшения зазора рабочего колеса (рекомендуются небольшие пределы
изменения);
установки направляющих аппаратов за рабочими лопатками.
Следует избегать применения входных направляющих аппаратов, а также
препятствий и помех потоку на входе.
203
Рис. 8.24. Измеренные значения
звукового давления двух центро-
бежных вентиляторов с равной
производительностью и напором.
Показатели Рабочее колесо с лопастями
выгнуты- ми (/) вогнуты- ми (2)
Производитель- ность, м3/я 7000 7000
Напор, кг/м! 50 50
Диаметр всасывающего отверстия, мм 505 505
Диаметр колеса, мм 500 500
Число лопаток 6 72
Частота вращения, об/мин 1652 690
Окружная скорость, м/с 43 18
<Лопаточная» частота, ГЦ 165 827
Уровень звука, ДВ (А) 98 92
s а)
~^100
5 6 7 8 910
20 30 00 Pl, кВт
Рис. 8.25. Средний нормированный октавный спектр звуковой мощности осе-
вых вентиляторов для воздухоохладителей и градирен тепловых электростан-
ций и нефтеперерабатывающих заводов: а—зависимость уровня звуковой
мощности Lpa, дБ (А) различных вентиляторов от производительности Pl.
кВ.т, Lpa—20+ lOlgPt+4Olgyo±3 дБ(А); б—зависимость разности уровней
Дрскт —Lpa от частоты. Диаметр вентилятора d= (3.. .6,3) м, окружная
скорость 170= (29. • -61) м/с.
Неправильно
Лучше
Правильно
Рис. 8.26. Установка осевых вентиляторов.
204
Расстояние между рабочим колесом и выходным направляющим аппара-
том должно составлять, как минимум, 20—30 толщин вытеснения.
Можно повлиять на процесс срыва вихрей с рабочих лопаток за счет со-
ответствующего конструктивного оформления нх задних кромок [14].
8.8.4.3. Вентиляционная система. При выборе вентилятора и определения
параметров присоединяемой к нему системы вентиляционных каналов следует
учитывать ряд рекомендаций.
Рис. 8.27. Схематическое изображение потока в осевом венти-
ляторе при различном дросселировании (а—Д).
Рис. 8.28. Действие диффузора осевых вентиляторов воздухо-
охладителей и градирен тепловых электростанций и нефтепере-
рабатывающих заводов.
/ — измерительная поверхность; 2~ микрофон; 3 — диффузор; 4 — осе-
вой вентилятор.
Потерн напора в вентиляционной системе должны быть минимальными.
Следует избегать ненужных изменений сечения и изгибов. По возможности
нужно использовать эффект конвекции.
Выбранный вентилятор прн заданной производительности н требуемом
напоре должен работать (с учетом характеристик каналов) в диапазоне мак-
симального КПД (рис. 8.23 и график на рис. 8.27). Не следует допускать,
чтобы вентилятор работал на возрастающем участке или в седле его харак-
теристической диаграммы &p(Q) (рис. 8.27, область между точками б и в).
В вентиляционной системе можно достичь дополнительного снижения
уровня шума на низких частотах применением тонкостенных прямоугольных
каналов.
К прочим мерам по снижению шума вентиляторов следует отнести уста-
новку глушителей (раздел 16)- и учет направленности излучения (рис. 8.28).
205
8.4. ТРУБОПРОВОДЫ
Поток воздуха или другого газа по трубопроводу при любых
представляющих практический-интерес скоростях сопровождается возникно-
вением вихрей, приводящих к появлению шума. Особенно сильный шум воз-
никает при преодолении потоком препятствий (заслонок, решеток, поворо-
тов и т. д.).
Измерения звуковых давлений в трубах обычно затруднительны, так как
на микрофоне, помещенном в потоке, создаются значительные переменные
давления, что приводит к существенным искажениям результатов измерений
(«шум ветра»). Замеры в трубопроводах следует проводить только спе-
циальными микрофонами, например, микрофонами направленного действия
(рис. 2.8, а). Даже в этом случае рекомендуется убедиться, что таким микро-
фоном можно измерить соответствующее давление (например, используя
громкоговоритель при наличии потока и без него).
В последующем изложении будет указываться не звуковое давление
в трубопроводе, а излучаемая концом трубы звуковая мощность Р, Вт. Уро-
вень воздушного шума в трубопроводе площадью сечения S, м2 рассчитыва-
ется по формуле
L₽ = [Lp-10lg^-] дБ. (8.26)
Передачу звука через стенки труб можно оценить по графикам на
рис. 8.33.
Для труб без препятствий (поворотов, решеток на выходе и т. д.) звуко-
вая мощность, излучаемая отверстием площадью сечения S, определяется
с помощью графиков рнс, 8.15. Шум в этом случае распределен по широкому
диапазону частот. Для больших скоростей потока и малых диаметров
(£7/cZ>200 1/с) можно пользоваться характерным спектром, показанным на
рнс. 8.14. Прн малых скоростях н больших диаметрах допустимо использо-
вать рис. 8.15 н спектр, соответствующий кривой на рис. 8.16.
8.4.1. Препятствия в трубах
Шум, возникающий при срыве вихрей на препятствиях, в конеч-
ном счете объясняется возникновением переменных снл (подраздел 8.2.3).
Поэтому соответствующую звуковую мощность нужно соотносить с силой
(сопротивлением потоку), действую-
щей на препятствии. Действительно,
по нижеприводимой формуле можно
с приемлемой точностью оценить
звуковую мощность
1 Z
Рис. 8.29. Напор в канале с препят-
ствием.
1 — препятствие; 2 — стенка трубопровода;
3 — сечение канала S; 4 — излучаемая
звуковая мощность Р.
Др — напор.
(AP)3S
рМ
(8.27)
где Др — перепад давлений- на пре-
пятствии, Н/м2; S — сечение канала,
м2; р — плотность, кг/м3; с —ско-
рость звука, м/с.
Для единичных препятствий
в трубах (рис. 8.29) постоянная
«^2,5-10-4
Спектр шума сходен с показан-
ным на рис. 8.14, однако d следует
заменить на по рис. 8.29. Соответ-
ствующие данные для расчета Др
приведены в табл. 8.4.
206
Таблица 8.4. Данные для оценки перепадов давления (Др = £р/2 С72)
Вид препятствия Схема трубопровода с препятствием Коэффициент сопротивления
Заслонка (диафрагма) s, s2 —<Л Y' • \ ct S2 / острые кромки a ss 0,63, скругленные кромки а « 0,9
Поворот £ = 0,4 при р = 45° £ = 1,3 при ₽ = 90°
Препятствие -^и 8^ djd 0,1 0,25 0,5 £ 0,7 1,4 4,0
г f Г £ ...... 0,2 0,55 2,0 С 0,07 0,23 0,9
Сужение сечения 5/ Sz
£ = 0,07 при р = 60° £ = 0,02 при р = 30°
Расширение сечения S, Sz
£ = 0,2 при р = 10° £ = 0,6 при р = 30°
207
Для шума, возникающего на выходных решетках, получены многочис-
ленные экспериментальные данные. Результаты одного из экспериментов ука-
заны на рис. 8.30. Суммарная излучаемая мощность может быть рассчитана
из уравнения (8.27), в котором постоянная а«2,5-10-4.
Рис. 8.30. Третьоктавный
уровень шума истечения
потока через отверстие
с решеткой. Диаметр решет-
ки 10 см, С>2, &p=1--42pU2.
8.4.2. Снижение шума
Шум в трубопроводах очень быстро возрастает в зависимости от
скорости потока н потерь напора, поэтому рекомендуется использовать низ-
кие скорости и избегать нерациональных с точки зрения аэрогидродинамики
конфигураций (резких изменений сечений, острых кромок и т. д.). Следует
также обращать внимание на возможность автоколебаний, а также на неже-
лательность проникновения потока в полые резонаторы. Глушители для тру-
бопроводов рассматриваются в разделе 16.
8.5. РЕГУЛИРУЮЩАЯ АРМАТУРА
Для регулирования объемов газов и жидкостей, транспортируе-
мых по трубопроводам, и давления в них применяют регулирующие клапаны,
с помощью которых можно, изменяя проходное сечение, варьировать сопро-
0^0,85
Сг-0,65
С?~0,95
Рис. 8.31. Принципиальные схемы некоторых регулирующих кла-
панов.
тивление потоку. Некоторые принципиальные схемы регулирующих клапанов
приведены на рнс. 8.31. Причины возникновения шума в регулирующих кла-
панах следующие:
срыв вихрей, т. е. возникновение переменных сил (подраздел 8.2.3);
шум свободной струи в зоне смешения — только для газов (подраз-
дел 8.2.4);
208
кавитация — только в том случае, если давление соответствующей жид-
кости в клапане станет ниже критического (подраздел 8.2.2);
образование скачков уплотнения — только для газов, при достижении н
превышении в клапане скорости звука;
резонансные колебания системы шток — шпиндель клапана и обуслов-
ленная ими пульсация в потоке.
Три последние из вышеназванных причин могут привести не только
к сильному звукоизлучению, но в ряде случаев к разрушению клапана.
Зная минимальное и максимальное
давление в клапане, расход жидкости,
перепад давлений и характеристику кла-
пана Cf, можно определить уровень
шума вблизи гидравлических клапанов
(рис. 8.31) [4]. Как правило, чем силь-
нее завихрение за клапаном, тем меньше
восстанавливаемость давления н тем
больше величина Cf. Соответствующие
выводы рассматриваются в подраз-
деле 8.5,1.
Рис. ъ.32. Уровни звуковой мощности в пневматических регулирующих
клапанах.
? — расход т/ч; с — скорость звука в клапане, м/с (табл. 1.1).
Рис. 8.33. Уровни шума вблизи трубопроводов с клапанами: а — расчет
уровней шума вблизи трубопровода с клапанами; б — ориентировоч-
ная звукоизоляция прямоугольных каналов (параметр — масса единицы
площади стенки трубы): в—оценочная звукоизоляция круглых ста-
льных труб (радиус а, м, толщина стенки h, м, частота f, Гц).
Уровень шума снаружи трубы на расстоянии г L-рд = Lp— 7?+101g(S|/4S2).
Уровень шума в трубе ip=Lp+101g (2/S);R — звукоизоляция стенки трубы; 5 =
площадь сечения; Si=2ital — площадь поверхности трубы; S2 — огибаю-
щая площадь (в условиях свободного поля S|/Ss=a/r, в условиях реверберацион-
ной камеры 5г=/1/4, где А—эквивалентная площадь звукопоглощения).
Шум пневматических клапанов создается в «докритической области» (со-
отношение давлений меньше 1,8) в основном турбулентной струей за клапа-
ном. В «закритической области» (соотношение давлений больше 1,8) допол-
нительно возникают скачки уплотнений (ударные волны). Для оценки звуко-
вой мощности в клапане можно пользоваться графиками на рис. 8.32. Чтобы
затем определить уровни шума вблизи клапана н присоединенного к нему
трубопровода, необходимо сначала с помощью формулы (8.26) рассчитать
уровень шума в трубе, а потом по графику рис. 8.33, а—в — звукоизоляцию
трубы. Типичные уровни шума для клапанов с объемным расходом порядка
100 т/ч на расстоянии 1 м от клапана равны приблизительно НО—120 дБ(А),
причем максимальные уровни наблюдаются на частотах от 1000 до 3000 Гц.
209
Особый случай — возникновение резонансных колебаний штока клапана.
Этот дефект может проявиться при определенных положениях клапана и при-
вести к его сильной «тряске» и поломке. Поскольку речь идет об автоколе-
баниях, их возникновение очень сложно предсказать. Как правило, недоста-
точно небольших изменений в клапане или в режиме его работы, чтобы из-
бежать этого эффекта. Поршневые цилиндрические клапаны и клапаны
с призматической формой штока менее склонны к указанному резонансу, чем
клапаны с ротационно-симметричными штоками.
8.5.1. Снижение шума
Главная задача для гидравлических клапанов — воспрепятство-
вать возникновению кавитации. Этого можно добиться:
выбором повышенного противодавления, например, очень низким распо-
ложением клапана;
применением клапана с малой восстанавливаемостью давления (за счет
многоступенчатых штоков с большим значением С/), правда, иногда доста-
точно изменить направление потока или поставить последовательно два кла-
пана;
установкой сопротивления потоку непосредственно за клапаном.
Если кавитации нельзя избежать, то рекомендуется установить гидрав-
лические глушители.
Главное назначение пневматических клапанов — снижать скорости по-
тока до минимальных. Это можно осуществить:
ступенчатым снятием давления;
установкой сопротивлений потоку (делительные диски, засыпка шариков
н т. д.).
При больших перепадах давлений с помощью указанных мер шумность
снижается на 20 дБ.
Если в клапанах не удается избежать скоростей, равных или больших
скорости звука, то снижения шума можно добиться с помощью впрыска воды.
8.6. ШУМ ВОДЫ В ГРАДИРНЯХ
В больших градирнях (электростанции, нефтеперерабатывающие
заводы) возникает значительный шум воды, свободно падающей с высоты не-
скольких метров [10]. Излучаемая звуковая мощность Р приближенно про-
порциональна расходу воды Q и скорости водяных капель в момент паде-
ния V.
Спектр шума в значительной степени зависит от глубины воды h в бас-
сейне градирни (рис. 8.34). Для снижения шума воды в градирнях имеются
следующие возможности:
принятие конструктивных мер, в результате которых глубина в месте
падения воды в бассейне снижается (рис. 8.35);
размещение на поверхности воды бассейна плавучих мелкоячеистых
сеток.
С помощью таких мер удается снизить шум падающей воды на 10 дБ(А).
Метод оценки шума воды в больших градирнях, используемый на прак-
тике, приведен иа рис. 8.36.
8.7. ПЕЧИ, ФОРСУНКИ
Печи и форсунки относятся к наиболее интенсивным источникам
шума [17]. Основные причины возникновения шума:
процесс сгорания газа или жидкого топлива;
турбулентность выходящих с большой скоростью газов или паров.
210
Рис. 8.34. Спектры зву-
ковой мощности шумов,
излучаемых при ударе
падающих капель о по-
верхность воды бассей-
нов с различной глу-
биной.
Рис. 8.35. Снижение шу-
ма воды в градирнях.
Ьрокт
Рис. 8.36. Средний нормированный
октавный спектр звуковой мощно-
сти шума воды в градирне.
Штриховкой показан разброс значе-
ний; q — расход воды, мэ/ч.
725 250 500Гц f 2 4 8 кГц
211
Рис. 8.37. Октавный спектр звуковой
мощности, излучаемой воздуховодами
самовсасывающих подовых горелок (ус-
реднено по результатам замеров 15 по-
довых горелок с теплопроизводительно-
стыо 1,4—2,8 Гкал/ч при средней про-
изводительности 1,9 Гкал/ч).
Штриховкой показан разброс значений.
Рис. 8.38. Октавный спектр звуковой
мощности, излучаемый воздуховодами
газовых горелок в боковых стенках
(усреднено по результатам замеров
трех горелок со средней производи-
тельностью 0,23 Гкал/ч)
Штриховкой показан разброс значений.
Рис. 8.39. Октавный спектр звуко-
вой мощности подовых (/) и верх-
них (2) горелок при расходе га-
за q в пределах (3.. .50) т/ч.
Штриховкой показан разброс значений.
212
Звукоизлучение печей с самовсасывающими горелками (форсунками) воз-
никает в результате:
первичного и вторичного подвода воздуха к горелкам (рис. 8.37 и 8.38);
колебаний стенок;
отвода газа в дымовую трубу (имеет второстепенное значение).
Для получения представления об октавных спектрах звуковой мощности
подовых н верхних форсунок может быть использован рис. 8.39.
8.8. ЛИТЕРАТУРА
1. Акуличев В. А. Экспериментальное исследование элементарной кави-
тационной области.— Акустический журнал, 14, 1968, 337—343.
2. Александров И. А. О физической природе звука вращения гребного
винта в режиме кавитации.— Акустический журнал, 8, 1962, 34—41.
3. Baiter Н. J. Anmerkungen zur Literatur uber die Entstehung von
Stromungskavitation, 2. Teil: Bericht der Forschungsgruppe Hydroakustik der
Fraunhofer-Gesellschaft zur Forderung der angewandten Forschung e. V.
MQnchen, 1971.
4. Baumann H. D. Uber den Schallpegel von Stellventilen, dessen Ur-
sache und Behebung.—Regelungstechn. Praxis u. Prozess-Rechentechnik, 13
1971, 171, 175.
5. Grighton D. C., Ffowcs Williams J. E. Sound generation by turbulent
two-phase flow —J. Fluid Meeh., 36, 1969, 585—603.
6. Eck B. Ventilatoren. Berlin, Springer, 1962.
7. Fitzpatrick H. M., Strasberg M. Hydrodynamic sources of sound. 1st
Symposium on Naval Hydrodynamics, Washington, 1956, 241—282.
8. Ffowcs Williams J. E. The noise from turbulence converted at high
speed.— Phil. Trans. Roy. Soc., London, A 225, 1963, 469—503.
9. Gallant H. Untersuchungen fiber Kavitationsblasen.— Osterr. Ing.—Z.
5, 1962, 74.
10. Hubert M. GerSusche fallender Wassertropfen.— Gemeinschaftstagung
Akustik und Schwingungstechnik, Stuttgart, 1972, Berlin, VDE-Verlag,
S. 410—413.
11. Jorgensen D. W. Noise from cavitating submerged water jets.—J.
Acoust. Soc. Amer., 33, 1961, 1334—1338.
12. Leehey P., Hanson С. E. Aeolian tones associated with resonant vibra-
tion.—J. Sound Vib., 13. 1971, 465—483.
13. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically.—Proc. Roy.
Soc. A 211, 1952, 564—587, A 222, 1954, 1—32.
14. Lowson M. V. Reduction of compressor noise radiation.— J. Acoust.
Soc., 43,. 1968, 37—50.
15. Radek U. Kavitatoinserzeugte Druckimpulse und Materialzerstorung.—
Acustica, 26, 1972, 270.
16. Rayleigh J. W. On the pressure developed in a liquid during the
collapse of a spherical cavity.— Phil. Mag., 34, 1917, 94—98.
17. Seebold J. G. How to control combustion noise in process furnaces.—
Oil and Gas J., 3, 1972, 48.
18. Stuber B. Schallabstrahlung und KorperschallanregLing durch Wir-
be!.—Acustica, 23, 1970, 82—92.
9. ШУМ НАСОСОВ
К. МЮЛЕ
9.1. ОПИСАНИЕ НАСОСОВ
В настоящем разделе рассматриваются основные типы насосов.
Гидростатические насосы применяют для создания очень высокого давле-
ния. Характерным для этого типа насосов является механическое разделение
стороны разрежения н стороны давления. Кроме того, вследствие герметич-
Рис. 9.1. Принципиальная Рис. 9.2. Приици- Рис. 9.3. Принципиаль-
схема крыльчатого иасоса. пиальная схема ная схема аксиально-
шестеренного на- поршневого насоса,
coca.
ностн этих разделяющих конструкций их производительность лишь незначи-
тельно зависит от противодавления.
Основными типами гидростатических насосов являются крыльчатые, зуб-
чатые (шестеренные), аксиально-поршневые и винтовые (роторные) насосы
(рис. 9.1—9.4).
Рис. 9.4. Принципиальная схе-
ма винтового насоса.
Рис. 9.5. Принципиальная ->
схема центробежного на-
соса.
В противоположность гидростатическим насосам в гидродинамических
(центробежных) насосах механическое разделение сторон разрежения и дав-
ления отсутствует. Перепад давлений поддерживается за счет гидродинамиче-
ских сил. Лопасти вращающегося рабочего колеса сообщают жидкости, по-
ступающей в осевом направлении, запас кинетической энергии, которая
в основном преобразуется в энергию давления. Подача рабочей среды осу-
ществляется непрерывно (рис. 9.5).
214
9.2. ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ШУМА
Основной причиной звукоизлучения насоса является переменное
давление, создаваемое в перекачиваемой насосом жидкости. Шум, обуслов-
ленный звуковыми вибрациями, возбуждаемыми при движении механиче-
ских передаточных элементов (привод, зацепления, подшипники н т. д.), как
правило, значительно ниже.
Можно указать на три основных механизма шумообразования гидро-
статических насосов:
кавитация и выделение газов при всасывании;
периодические колебания объема транспортируемой жидкости и связан-
ные с этим изменения скорости потока;
импульсные процессы выравнивания давления при столкновении объемов
жидкости с различным давлением.
9.2.1. Выделение газа и кавитация при всасывании
При уменьшении давления всасывания из перекачиваемой жид-
кости выделяется газ в виде пузырьков, образуя газожидкостную смесь, что
приводит к усиленному звукоизлучению. Более неприятным, чем шум от вы-
Рис. 9.6. Влияние
давления всасывания
на уровни воздуш-
ного шума, излучае-
мого шестеренным
насосом.
деления газа, является шум кавитации. Кавитация возникает, когда в каком-
либо месте давление перекачиваемой жидкости становится ниже давления
насыщающего пара (подраздел 8.2.2).
Влияние воздушных пузырьков и кавитации на уровни излучаемого воз-
душного шума показано на рис. 9.6.
9.2.2. Периодические колебания объемов перекачиваемой
жидкости
С помощью насосов транспортируются в основном небольшие, от-
деленные один от другого объемы переносимой среды, находящиеся в зам-
кнутых полостях (рабочие цилиндры поршневых насосов, впадины между
зубьями и т. д.), которые претерпевают постоянные незначительные изменения,
За счет этого на основную скорость потока накладывается переменная ско-
рость v(t).
215
Если изменения объема в трубе сечением S равно
Q(t) = Sv(t), (9.1)
то колебания давления можно выразить в виде
p(O = -~-Q(<)=-^s, (9.2)
где г = — ~ относительное изменение объема потока во времени (зави-
сит от геометрии иасоса).
Для шестеренного иасоса е«2-10~2, а для аксиально-поршневых и крыль-
чатых насосов 8 изменяется в пределах (0,2—0,5)-10-2.
Суммарный уровень шума для масляных насосов после подстановки со-
ответствующих значений скорости звука и плотности можно рассчитать по
формуле
£ = [211 + 20 IgQ + 20 Igs — 20 lg S] дБ, (9.3)
где Q, л/мин-1, a S, см2 [эти размерности сохраняются и в формулах (9.4)—
9.2.3. Импульсные процессы выравнивания давления в потоке
Механизм возникновения шума может быть, например, обуслов-
лен тем, что на стороне разрежения между лопастями крыльчатого насоса
или между зубьями шестереночного насоса образуется небольшой объем жид-
кости Vo (рабочий объем), кото-
рый затем транспортируется на
сторону давления. Там он мгно-
венно соединяется с жидкостью,
находящейся под высоким давле-
нием. Жидкость объема Vo сжи-
мается. Обусловленный этим яв-
лением уровень звукового давле-
ния в жидкости
Аа-.ДЙ
Рис. 9.7. Зависимость общего уровня
шума Lg в масле от рабочего давления
и производительности (внутренний диа-
метр трубопроводов 2,4 см).
I — аксиально-поршневой насос; II — крыльча-
тый насос; III — шестеренный насос.
£ = [135 + 20 IgQ + 20 1g Др —
— 20IgS] дБ, (9.4)
где Др — в атм [то же в форму-
лах (9.5)—(9.8)].
Суммарный уровень шума оп-
ределяется пятью гармониками
тональной составляющей, а в слу-
чае отражения от редукционного
клапана или другого нагрузочного
сопротивления уровень должен
быть повышен на 6 дБ.
Суммируя результаты расчета
по уравнениям (9.3) и (9.4), по-
лучим общий уровень шума
в масле, определяемый двумя ме-
ханизмами шумообразования:
Ls = {135 + 201g Q + 10 ]g[4 X
X 10’83 + (Др)а1 — 20IgS} дБ.
(9-5)
216
На рис. 9.7 приведена рассчитанная в соответствии с уравнением (9.5)
зависимость общего уровня шума от рабочего давления и производительно-
сти. Результаты расчета сопоставляются с экспериментом.
9.2.4. Винтовые насосы
Уравнение (9.5) неприменимо к винтовым насосам, так как по-
тери масла у них в результате утечки значительно выше, чем у других гидро-
статических насосов, в связи с чем импульсное выравнивание давления ие на-
блюдается. Для винтового насоса характерно, скорее, постепенное выравни-
вание давления. Поэтому винтовой насос занимает промежуточное место
между гидростатическим и гидродинамическим насосами. Кроме того, изме-
нения объема транспортируемой жидкости довольно велики и возрастают
с увеличением давления. Измерения показали, что суммарный уровень шума
в транспортируемой жидкости зависит исключительно от давления. Резуль-
Рис. 9.8. Зависимость суммарного
уровня шума в масле для винтового
насоса от рабочего давления и про-
изводительности (на стороне нагне-
тания внутренний диаметр трубо-
провода 2,4 см).
таты таких измерений для винтового иасоса показаны на рис. 9.8. Из экспе-
риментальных данных, полученных на насосах с трубопроводами, внутренний
диаметр которых 2,4 см, выведена следующая эмпирическая формула:
= [20 1g Др + 164] дБ. (9.6)
9.2.5. Гидродинамические насосы
Наряду с кавитационными шумами, которые возникают в про-
цессе всасывания и иа выходе у лопастей рабочего колеса, имеется и другая
причина шума центробежных насосов. Каждый раз, когда лопасть рабочего
колеса проходит мимо одной из стационарных направляющих лопастей илн
около кромки выходного отверстия, в транспортируемой жидкости возникает
пульсация давления. Эти пульсации, т. е. переменное давление в перекачи-
ваемой жидкости, можно приближенно определить по формуле [2]:
Lg = [296 + 20 1g Др + 20.1g Q — 20 lg дБ ( (9.7)
где a — наружный радиус рабочего колеса, см; ^ — ширина рабочего колеса
на внешнем радиусе, см;
SK = (N)(Q)'l2(&pr3/i. (9-8)
Здесь Af — в 1/мии.
9.3. СПЕКТР ШУМА НАСОСОВ
На рис. 9.9 приведены измеренные спектры, шума некоторых на-
сосов в транспортируемой жидкости на стороне давления в типичном для
них режиме работы. Частота основного тона всех спектров определяется
217
произведением количества перекачиваемых объемов жидкости за одни обо-
рот z на частоту вращения.
Шум, обусловленный короткими импульсами выравнивания давления,
характерный для крыльчатых и аксиально-поршневых насосов, содержит
большое число обертонов. Поэтому прн узкополосном анализе получают чи-
сто линейный спектр, на котором имеются частоты до пятидесятого порядка.
Импульс давления, вызываемый изменением потока шестеренных, винто-
Рис. 9.9. Третьоктавные спектры насосов на стороне на-
гнетания при частоте вращения около 1500 об/мии.
1 — шестеренный насос; 2 — крыльчатый насос; 3 — аксиально-
поршневой насос; 4 —винтовой насос; 5 — центробежный насос.
вых н центробежных иасосов, более длителен, и шум этих насосов определя-
ется прежде всего основным тоном.
Если шум в основном характеризуется кавитацией, то он имеет широко-
полосный спектр, дискретные частоты которого значительно менее заметны.
9.4. ВОЗБУЖДЕНИЕ СТЕНОК ТРУБ
В стенках трубопроводов за насосом как следствие пульсации
давлений в транспортируемой жидкости возбуждается вибрация, которая
суммируется с вибрацией, обусловленной колебаниями корпуса насоса. При-
ближенно вибрации, вызванные пульсацией давлений в жидкости, можно
оценить, основываясь на .предположении о тесной взаимосвязи параметров
звука в жидкости (С[, pi) и колебаний стенок трубы (с2, р2). Прн этом еле-
218
дует применить принцип равномерного распределения энергии по каждому
из собственных колебаний (подраздел 17.4.4.2). Взаимосвязь между пере-
менным давлением в жидкости и колебательной скоростью стенки трубы
тогда можно приближенно установить, используя следующее выражение:
Зр?С1У^(1 + -^), (9.9)
где Л — толщина стенки трубы, см; г — внутренний радиус трубы, см.
Подставляя в уравнение (9.9) характеристики масла н стали, разницу
между уровнем звука в масле LM и уровнем звуковой вибрации трубы Lk
рассчитаем по формуле
(дБ)-LK (дБ) = |s6-5lg(rf) + 10 lg(\ + 16-^-) j дБ, (9.10)
где f — частота, Гц.
Рис. 9.10. Разность
между уровнем звука
в масле L ”Q и уровнем
скорости звуковой
вибрации Ls трубо-
провода.
Следствием вышеуказанных допущений о сильной взаимосвязи звука
в жидкости и вибрации в трубе, а значит, о равномерном распределении
энергии по собственным колебаниям, является условие: длина трубопровода
за насосом должна быть не менее нескольких- метров, и трубопровод дол-
жен иметь несколько изгибов, способствующих возбуждению вибрации зву-
ком в жидкости. Если к насосу присоединен короткий отрезок трубы, то
пользоваться уравнением (9.10) не рекомендуется.
Результаты расчета и эксперимента для трубопровода длиной 6 м,
имеющего г=1,2 см и Л=0,2 см, представлены на рис. 9.10.
Зная характеристики насоса и коэффициенты излучения трубопроводов,
можно оценить звукоизлучение системы трубопроводов.
9.5. ВОЗМОЖНОСТИ СНИЖЕНИЯ ШУМА В ЖИДКОСТИ
9.5.1. Меры обесшумливания для различных типов насосов
Из подраздела 9.2 следует, что для снижения шума в жидко-
сти за насосом необходимо уменьшить пульсацию давления в транспортируе-
мом потоке и перепад давлений, а также постараться «смягчить» этот про-
цесс, т. е. исключить неравномерность в ускорениях потока.
9.5ЛЛ. Шестеренные насосы. Чтобы уменьшить перепад давлений в жид-
кости, перекачиваемой через насос и находящейся в системе трубопроводов,
рекомендуется использовать регулировочные и разгрузочные пазы в диске
шестерни. За счет регулировочного паза удлиняется время выравнивания
219
давления и тем самым уменьшается число высокочастотных составляющих
шума. Уравновешивается давление в полостях между зубьями и стороной
давления насоса. Исследования уровней шума показывают сиижеине уровней
звукового давления на 3 дБ на характеристике А при его изменении от 4
до 25 дБ.
Снижение шума может быть достигнуто также с помощью разгрузочного
паза. После того как жидкости из впадины между зубьями перенесена на
сторону нагнетания, шестерни при дальнейшем вращении переносят с собой
некоторый остаточный объем жидкости. Зубья шестерен входят в зацепле-
ние, а пространство между зубьями, заполненное остаточной жидкостью,
уменьшается. Поскольку жидкость практически несжимаема, в этой поло-
сти возникают большие давления, приводящие к деформации зубьев и из-
менению передаточного числа. Разгрузочный паз соединяет полости между
зубьями шестерен со сторонами давления или разрежения. При правильном
выборе расстояния от разгрузочного паза до полюса зацепления можно
достичь значительного снижения уровней излучаемого воздушного шума —
до 10 дБ(А). Расстояние Id, мм от разгрузочного паза до полюса зацепле-
ния определяется из следующих зависимостей:
зацепление без бокового зазора
Ч=т тп cos’ (9Л!)
зацепление с боковым зазором
zd2 = <9,12)
где т — модуль шестерен; аш — угол зацепления.
Под углом зацепления подразумевают угол между касательной в точке
зацепления обеих шестерен и линией их зацепления, т. е. между перпенди-
кулярами к касательным обоих зубьев в момент, когда окружность пересе-
кается точкой зацепления.
Для предотвращения кавитации предлагается увеличить угол входа по-
тока транспортируемой жидкости со стороны разрежения насоса, с тем
чтобы возросла ширина потока и улучшилось наполнение полостей между
зубьями.
К другим мерам по снижению щума относится выбор наиболее рацио-
нальных систем зацепления и соответствующих типов подшипников (напри-
мер, игольчатых).
9.5.1.2. Аксиально-поршневые насосы. Добиться уменьшения перепадов
давления между транспортируемой жидкостью в цилиндре и стороной дав-
ления можно регулированием давления таким образом, чтобы давление
в цилиндре в момент соединения со стороной давления было равно дав-
лению в системе. Тем самым в значительной мере снижаются пики давления
и обеспечивается понижение уровня звукового давления (по сравнению с си-
стемой без предварительной компрессии) приблизительно иа 5 дБ. Естест-
венно, что предварительную компрессию нужно регулировать с учетом по-
стоянного изменения давления в системе.
Изменение мертвой точки хода поршня осуществляется за счет смеще-
ния осн поворота блока цилиндров илн с помощью наклонной шайбы.
Другим решением является использование разгрузочного канала [1].
Предполагается в перемычках сделать отверстия, соединенные дроссельным
каналом, благодаря чему можно избежать резкого уравновешивания давле-
ний и устранить компрессию в жидкости в мертвой точке хода поршня. Со-
ответствующий подбор канала позволяет снизить уровень шума в диапазоне
средних и высоких давлений (до 200 атм) на 10—15 дБ.
9.5.1.З. Центробежные насосы. На шум центробежных насосов оказы-
вает влияние прежде всего изменение числа рабочих и направляющих лопа-
ток, а также радиального зазора между направляющим и рабочими ко-
лесами.
220
Установлено, что пульсацию в жидкости, а также переменные давления
иа направляющих и рабочих лопатках можно значительно снизить, если учи-
тывать следующее:
с целью снижения переменных давлений
-^^#=1,2. 3. . (9.13)
«2
для уменьшения пульсации давлений
— #=1.2, 3 . . .
«2
(9.14)
где i=l, 2, 3...; «1 —число направляющих лопаток; п2 — число рабочих ло-
паток. Эти неравенства должны выполняться вплоть до максимально воз-
можно большого порядка i частоты возбуждения.
Из-з’а погрешностей изготовления возникают дополнительные помехи,
которые неизбежны у литых конструкций рабочих и направляющих колес.
9.5.2. Меры снижения шума в системе трубопроводов
Очень эффективной мерой снижения шума является установка
вблизи места возникновения переменных давлений эластичного слоя, вырав-
нивающего импульсы давлений во времени, «растягивающего» их, как ми-
нимум, на несколько миллисекунд. Та-
кие слои в виде гидроаккумуляторов
с гибкой мембраной сходны с уравни-
тельными трубами в глушителях и тем
эффективнее, чем ближе находятся
к источнику звука и чем эластичнее.
Если. необходимо заглушить шум
в трубопроводе, используют такие же
эластичные слои, которые отражают
звук, предотвращая его дальнейшее
распространение. При давлении мень-
ше 3 атм применяют вставки из мягкой
резины, облицовку труб микропористой
резиной и т. п. Сложнее конструкция
жидкостного глушителя, используемого
тогда, когда гидростатическое давле-
ние превышает 10 атм и мягкие слои
подвергаются сильным нагрузкам. Так
К баллону
2 .3 ,4-
вИййИЯ
Рис. 9.11. Принципиальная схема
масляного глушителя.
/ — клапан; 2— демпфирующее покры-
тие; 3 —эластичный слой; 4— фольга;
5 — перфорация в трубе; 6 — масло-
провод.
называемые армированные шланги не-
эффективны для акустических целей
из-за слишком большой жесткости. Одна из разновидностей конструкций,
оправдавших себя для высоких давлений, приведена на рис. 9.11. Глушитель
представляет собой перфорированную трубу, облицованную снаружи акусти-
чески мягким слоем. В пространстве, где находится акустически мягкий слой,
может создаваться противодавление, способствующее возможно малому
сдавливанию материала слоя. Эффективность глушителя будет наибольшей,
если давление в гидравлической системе и противодавление в глушителе
совпадут (эффективность ДЬ«20 дБ прн длине глушителя около 50 см).
Поскольку звук в жидкости и вибрация стенок труб тесно взаимосвя-
заны, для достижения максимального звукоглушения необходимо предот-
вращать распространение по трубам звуковой вибрации. Этого можно до-
стичь комбинированным применением жидкостного глушителя с компенсато-
ром нз мягкого материала (например, резины), сильным демпфированием
или использованием задерживающих масс (подраздел 18.3).
221
9.6. ЛИТЕРАТУРА
1. Kahrs М. Die Verbesserung des Umsteuervorgangs schitzgesteuerter
Hydro-Axialkolbenmaschinen mit riilfe eines DruckausgTeichskanals.— Olhy-
draulik und Pneumatik. 12, 1968, 9—15.
2. Simpson H. C., Macaskill C., Clark T. A. Generation of hydraulic noise
in centrifugal pumps.— Proceedings Inst. Meeh. Eng., 181,1966—1977, Part ЗА.
10. ШУМ ЗУБЧАТЫХ
ПЕРЕДАЧ
X. А. МЮЛЛЕР
10.1. ОЦЕНКА ШУМА ПЕРЕДАЧ
10.1.1. Общий уровень шума
Зубчатые передачи оказываются зачастую «неприятными» источ-
никами шума. Излучаемые ими тональные составляющие воспринимаются
как довольно резкие, хотя и могут лишь незначительно превышать фоновый
уровень широкополосного шума. Повышенная негативность субъективного
восприятия тональных составляющих иногда учитывается введением «то-
нальной поправки» к замеренному уровню (см. табл. 5.8). Поэтому шум
зубчатых передач является предметом обширных исследований. Правда, не-
смотря на это, до сих пор не удалось разработать для них удовлетворитель-
ную всеобъемлющую теорию.
На основе результатов многочисленных измерений было доказано, что
определенная часть мощности, передаваемой приводом, преобразуется в звук.
Акустический коэффициент полезного действия, т. е. отношение звуковой
мощности к переданной механической мощности, равен примерно 10~в—10~8
и зависит от качества механической обработки передачи. На рис. 10.1 при-
ведена зависимость уровня звукового давления на характеристике А от ме-
ханической мощности передачи (параметр — точность обработки). Под
«уронем 3 м» подразумевают средний уровень шума на огибающей пере-
дачу полусфере (измерительной поверхности) с радиусом 3 м.
Измерения на уровне «шума помехи» являются недостоверными, так как
полученный результат не определяется шумом передач.
У передач в обычном исполнении уровни шума могут быть рассчитаны
по уравнениям:
Lpj4 = 56+101gPg дБ (А) (10.1)
или
L3MA = 38-|-101gPg дБ (А), (10.2)
где L?а — уровень звуковой мощности на характеристике A; Pg — переда-
ваемая механическая мощность, Вт; 7-зма — уровень на расстоянии 3 м (ха-
рактеристика А).
Для передач с механической обработкой повышенного качества резуль-
тат расчета может быть уменьшен до 20 дБ.
Шум, излучаемый передачей, зависит как от переданного крутящего мо-
мента, так и от частоты вращения шестерен. При удвоении крутящего мо-
222
Рис. 10.1. Уровень шу-
ма зубчатых передач на
характеристике А.
Диапазон А в настоящее
время может быть обеспе-
чен за счет мер по шумо-
глушению (капотирование).
Диапазон В достигается за
счет очень высокой точности
обработки и весьма значи-
тельных экономических за-
трат. Диапазон С обеспечи-
вается за счет высокой точ-
ности обработки и значи-
тельных экономических за-
трат. Диапазон D достижим
при обычных методах обра-
ботки. Диапазона Е следует
избегать.
Уровень 3 м — уровень шу-
ма на расстоянии 3 м от пе-
редачи.
Передаваемая механическая мощность,кВт
Ьр,ДБ
Рис. 10.2. Зависимость уровня
звукового давления от крутя-
щего момента.
1 — высококачественная опытная
передача; 2 — судовая передача;
3 — 3 дБ при удвоении крутящего
момента.
Рис. 10.3. Зависимость
уровня звукового давле-
ния от частоты враще-
ния передачи.
1 и 2 — высококачественная
опытная передача; 3 — 6 дБ
при удвоении частоты вра-
щения передачи.
Частота Вращения ,о5/мин
223
мента уровень шума повышается примерно на 3 дБ, а при удвоении ча-
стоты вращения-шестерен — на 6 дБ. На рис. 10.2 и 10.3 приведены соответ-
ствующие зависимости для передач с прямозубыми цилиндрическими шестер-
нями.
10.1.2. Спектры шума
10.1.2.1. Спектры воздушного шума. Характерные спектры воз-
душного шума передач приведены иа рис. 10.4. На октавных спектрах от-
четливо распознается частотный максимум, определяемый частотой зацеп-
Рис. 10.4. Октавные
спектры различных пере-
дач.
1 — мельничная передача,
104 дБ(А); 2 — высококаче-
ственная передача, 99 дБ
(А); 3 —судовая передача
(до притирки), 89 дБ(А);
4 — судовая передача (после
притирки), 86 дБ(А).
Рис. 10.6. Область разброса (с 7О°/о-
иой вероятностью) октавных спект-
ральных уровней 45 передач (Р —
разность между октавным уровнем
и уровнем шума на характери-
стике 4).
Рис. 10.5. Область разброса октав-
ных спектральных уровней раз-
личных типов передач (Р— раз-
ность между октавным уровнем
и уровнем шума на характери-
стике А).
1 — цилиндрические и конические пере-
дачи, ^=1500 об/мин; 2 — планетарная
передача, ^=1500 и 3000 об/мин.
ления зубьев. Это частота fz—nz, где п — частота вращения шестерен, аг —
число зубьев.
Анализ результатов измерений позволяет установить характер н диапа-
зон изменений спектров шума передач (рис. 10.5). Приводимые данные яв-
224
ляются результатом измерений 26 цилиндрических и 16 планетарных пере-
дач. На рис. 10.6 приведены данные 45 измерений на других передачах.
Около 70% замеренных октавных уровней располагают в пределах диапа-
зонов разброса данных, показанных на рисунках.
10.1.2.2. Спектры звуковой вибрации. На средних и высоких частотах
уровень звуковой вибрации иа опорах передач приблизительно соответствует
уровню их воздушного шума [пороговый уровень звукового давления р0=
= 2’10“4 мкбар (2'10-5 Нм-2), а пороговый уровень скорости vo=5X
Х10-8 м/с]. На низких частотах уровень звуковой вибрации, как правило,
несколько выше уровня воздушного шума.
10.2. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ШУМА ПЕРЕДАЧ
10.2.1. Идеальная передача
Шум в передаче возникает в результате воздействия перемен-
ных сил, которые характерны для зубчатых передач и обусловлены измене-
нием во времени зацепления зубьев. Это означает, что даже идеальная пе-
редача не может быть полностью бесшумной.
В соответствии с принципом зацепления (на перпендикуляре к касатель-
ной к боковой поверхности зубьев в точке их касания всегда находится по-
люс зацепления) иа шестерню в радиальном направлении действует сила
(рнс. 10.7). Это сила, определяемая линией зацепления, кроме того, воздей-
ствует иа валы, подшипники н корпус передачи. Если сила переменна, то
возникает вибрация и звукоизлучение стенок корпуса.
Другая сила; действующая тоже в радиальном направлении, образуется
в процессе скольжения боковых поверхностей зубьев.
Более важным фактором, чем указанные механизмы шумообразования,
является неизбежная деформация передачи под нагрузкой, приводящая к на-
рушению принципа зацепления зубьев. Деформацию зуба передачи можно
определить, зная его жесткость и передаваемый момент. На рис. 10.8 пока-
зана деформация зуба при нагрузке в зависимости от зацепления.
Податливость зубьев приводит к неравномерному ходу зубчатых колес,
или к так называемой «погрешности вращения».
Из-за деформации зубьев вращение носит «толчковый характер», благо-
даря чему динамические нагрузки нередко значительно превышают статиче-
ские. На рис. 10.9 приведены значения коэффициента динамичности, изме-
ренного на четырех различных зубчатых шестернях. Под коэффициентом ди-
намичности понимают отношение максимальной нагрузки к «статической»,
т. е, к нагрузке, определяемой равномерным крутящим моментом. Для при-
веденных иа рис. 10.9 результатов при частоте вращения шестерен до
2000 об/мин коэффициент динамичности составляет менее двух.
Резкий подъем значений коэффициента до 3,4 наблюдается иа более вы-
соких оборотах и объясняется влиянием резонанса.
Шумоизлучение тесно взаимосвязано с деформацией зубьев, пропорцио-
нальной коэффициенту динамичности [5].
Из вышесказанного следуют некоторые рекомендации по изготовлению
передач с минимальной «погрешностью вращения», т. е. с плавным ходом.
Из рассмотрения процесса изменения нагрузки на зубья и связанной с этим
изменением деформации можно заключить, что увеличение числа зубьев и
коэффициента перекрытия благоприятно сказывается иа плавности хода. Ре-
зультаты замеров на шестернях с различным числом зубьев при прочих
равных условиях подтверждают данное предположение (рис. 10.10) [1].
Более плавное зацепление можно получить также в результате примене-
ния шестерен с косыми зубьями. Из рис. 10.11 следует, что уровни шума
снизились иа 8—10 дБ вследствие повышения коэффициента перекрытия
в случае использования зацепления с косыми зубьями. Однако необходимо
8 Заказ № 740 225
Рис. 10.7. Взаимодействие сил, возникающих в зубчатом зацеплении: а —
окружная сила; б—сила трения; в — сила, вызванная ударом при за-
цеплении.
/ — линия зацепления; 2 — окружность, проходящая по впадинам цилиндрического
колеса; 3 —основная окружность; 4 — начальная окружность; 5 — окружность го-
ловок.
U— тангенциальная сила; R — радиальная сила; N — нормальная сила; Р^— сила
трения.
Деформация зу8а, мкм
Рис. 10.8. Зависимость деформа-
ции зубьев от зацепления.
/ — теоретическая деформация; 2 — за-
меренный прогиб; 3 —двойное зацепле-
ние; 4 — одинарное зацепление.
Рис. 10.9. Дополнительные дина-
мические силы на зубьях.
226
Рис. 10.10 Зависимость
уровня звукового давления
от числа зубьев прн посто-
янных диаметре шестерни
и передаточном отношении.
Частота, вращения шестерни.,
о5/мин
Рис. 10.11. Влияние коэффициента
перекрытия на звукоизлучение
(Md=100 Н • м, ширина зубьев
30 мм).
/ — коэффициент перекрытия 1,6, угол
скоса 0°; 2 — коэффициент перекры-
тия 2,3, угол скоса 38°.
Рис. 10.12. Влияние упругого
крепления зубчатого венца иа
звукоизлучение.
1, II, III — окружная сила, равная со-
ответственно 4250; 2900; 1500 Н.
/ — жесткое крепление; 2—12 втулоч-
ных пружин 0 6 мм; 3 — б втулочных
пружин 0 6 мм.
Рис. 10.13. Уровень звукового дав-
ления и уровень ускорения при
вращении передачи.
I, 2, 3 — нагрузка на зубья, равная со-
ответственно 120, 60 и 30 Н/мм.
8*
227
учитывать, что при косом зацеплении возникает дополнительная сила, дей-
ствующая в осевом направлении. Этого дефекта нетрудно избежать, если
использовать приводы с шевронными зубьями.
Можно попытаться ослабить передачу переменных сил от зубчатого
венца иа диск колеса и тем самым на корпус привода и одновременно ком-
пенсировать различие в деформации зубьев с помощью эластичной установки
венца. Для этого венец следует установить на втулочных пружинах [4]. Как
видно из рис. 10.12, эффективность применения втулочных пружин дости-
гает 5 дБ. Она тем выше, чем меньше число пружин и окружная скорость
шестерни.
Использование пластмассовых
шума. Исследовались шестерни с
Рис. 10.14. Средний уровень зву-
кового давления передачи в кор-
пусах из различных материалов
(500—300 об/мин)
/ — полиамид; 2 —сталь; 3 — чугун.
втулок не привело к заметному снижению
вибродемпфированиым диском. Из-за вы-
сокой жесткости этих деталей резуль-
таты не были существенными [4].
Взаимосвязь звукоизлучения ше-
стерни и нагрузки на зубья рассматри-
валась в зависимости от ускорения
вращения. Замеры подтвердили тот
факт, что при удвоении частоты вра-
щения шестерен уровень шума повы-
шается на 6 дБ, а при удвоении крутя-
щего момента — на 3 дБ (рис. 10.13).
В результате измерений на экспе-
риментальной передаче было установ-
лено, что приблизительно 15% от до-
полнительных динамических нагрузок
на зубья воздействуют на корпус и оп-
ределяют уровень его колебаний [3].
Если предположить, что на низких ча-
стотах корпус привода колеблется как
абсолютно жесткое тело, то более вы-
сокие уровни колебаний будут у лег-
ких корпусов (и соответственно более
значительное звукоизлучение). Уровни
шума корпусов приводов из различных
материалов приведены иа рис. 10.14 [5]. Кяк и следовало ожидать, звукоиз-
лучеиие пластмассовых корпусов оказалось выше. Установлено, что звукоиз-
лучение компактных (малогабаритных) корпусов машин можно хорошо опи-
сать излучателем нулевого порядка. Коэффициент излучения его выше ча-
стоты /0 —-----равен примерно единице, а ниже ее падает иа 6 дБ на ок-
я а
таву — см. подраздел 18.5 (с — скорость звука, d — диаметр сферического
излучателя, за который можно принять линейный размер корпуса) [2].
Если собственная частота стенок корпуса приблизительно совпадает
с частотой возбуждения fz, то на этой частоте, как правило, наблюдается
повышенное звукоизлучение. Последнее -можно понизить путем вибродемп-
фирования корпуса или его оребрения [3].
Звукоизоляция стального корпуса обычно вполне удовлетворительна.
10.2.2. Влияние погрешностей изготовления
Общеизвестно, что неточности при изготовлении зубчатых пере-
дач и шестерен могут привести к усиленному шумообразованию. Например,
погрешность в делении, даже при работе без нагрузки, приводит к ударам
в зацеплении, а излучаемый шум практически не зависит от передаваемого
момента (рис. 10.15). То же можно отнести к погрешностям в угле зацеп-
ления (рис. 10.16).
Погрешности профиля, т. е. отклонение от идеальной формы зубьев, про-
являются в излучаемом шуме в процессе контакта однух зубьев с другими.
228
Рис. 10.15. Влияние погрешности
деления иа звукоизлучение.
1, 2, 3 — погрешность деления, равная
соответственно 50, 40 и <6 мкм.
90.
Удельная нагрузка на. зуд,
Рис. 10.16. Влияние погрешности
угла зацепления на звукоизлуче-
ние (ft — отклонение профиля на
делительном круге из-за погреш-
ности угла зацепления).
229
Эти погрешности, как правило, объясняются погрешностями зуборезного
станка. Если они появились, то обнаруживаются практически иа всех
зубьях. В шуме выделяется частота, определяемая частотой вращения ше-
стерен, числом зубьев и периодичностью погрешности. В противоположность
двум вышеназванным погрешностям погрешность профиля приводит к ха-
рактерной зависимости уровней шума от частоты вращения шестерен
(рис. 10.17). Погрешность профиля становится особенно заметной, если число
отклонений, отнесенное к периметру колеса, кратно целому числу.
Влияние осевых смещений на звукоизлучение показано иа рис. 10.18.
Биение зубчатых колес проявляется через модуляцию частоты зацепления
зубьев.
Сильный шум наблюдается также в том случае, когда масло, остаю-
щееся между зубьями, ие успевает быстро вытечь.
10.3. КОНСТРУКЦИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЕ
МАЛОШУМНЫХ ПЕРЕДАЧ
До сих пор не разработаны методы количественной оценки со-
ставляющих шума передач. Поэтому приходится пользоваться правилами
конструирования и изготовления, основанными на качественных оценках,
которые подчас несколько противоречат одна другой.
10.3.1. Конструирование передач
При конструировании зубчатой передачи с заданным передаточ-
ным отношением и крутящим моментом следует учитывать, что скорость
скольжения профилей зубьев и радиальные составляющие сил зацепления
должны быть минимальными. Во избежание отклонений от идеальной линии
зацепления нагрузка на зубья предусматривается небольшой, а жесткость
зубьев — высокой. По той же причине следует стремиться к повышению
жесткости валов, подшипников н находящихся одна против другой опор.
Импульс зацепления, определяющий шумность передачи, кроме того,
ослабляется при уменьшении окружной скорости и массы (махового мо-
мента) шестерен, а также при повышении коэффициента перекрытия. Резкое
снижение шума наступает каждый раз, когда коэффициент перекрытия при-
нимает целочисленное значение. Использование косозубого или клинового
зацепления способствует снижению ударных нагрузок.
Крутильные колебания валов с зубчатыми колесами не должны попадать
в диапазон критических частот, который определяется частотой вращения и
зацеплениями зубьев.
Чем тяжелее и жестче корпус, тем ниже уровень звуковой вибрации к
тем меньше звукоизлучение. Правильный выбор отверстий для выхода масла
и их количества предотвращают усиленное шумообразование из-за сжима-
ния масла.
10.3.2. Изготовление передач
Предпосылкой для изготовления малошумных передач является
высокая точность зуборезного оборудования, позволяющая выдерживать не-
обходимые допуски в отношении точности деления н формы профилей
зубьев. Передаточные отношения в передачах зуборезных станков не дол-
жны быть целочисленными, чтобы компенсировать возникающую периодич-
ность погрешностей. Следует устранять радиальные биения, перекосы, воз-
можные ошибки угломера путем тщательного крепления обрабатываемых
шестерен. Разумеется, должна быть обеспечена тщательная балансировка
шестерен.
При сборке передач необходима точная центровка шестерен и валов.
Погрешности формы профилей, как следствие неточностей зуборезного
станка, могут быть устранены притиркой.
230
10.3.3. Установка передачи
Следует избегать перекоса корпуса передачи. Плохо центрован-
ные валы и муфты могут быть причиной периодического изменения крутя-
щего момента и способствовать повышенному шумообразованию.
10.4. ВТОРИЧНЫЕ МЕРЫ ПО СНИЖЕНИЮ ШУМА
Поскольку полностью избежать шума передач невозможно, ча-
сто необходимо применять дополнительные меры по снижению шума, т е.
такие, которые не связаны с механизмом возникновения шума. При этом
следует учитывать три механизма ценообразования:
1. Звукоизлучение корпуса передачи.
2. Передача звуковой вибрации на фундамент.
3. Передача звуковой вибрации на приводные и ведомые валы.
Влияние излучения воздушного шума корпусом передачи может быть
уменьшено в результате капотирования. Установка слоя изоляции толщиной
5—10 см из эластичных минераловолокнистых плит и из непроницаемой обо-
лочки с массой иа единицу площади около 10 кг/м2 (стальной лист толщи-
ной 1,5 мм) снижает шумность приблизительно на 20 дБ. Жесткое соедине-
ние кожуха с корпусом передачи уменьшает эффективность этих мер. Более
высокого эффекта достигают применением свободно'установленных капотов.
Чтобы избежать повышения уровней под капотом, его внутреннюю поверх-
ность облицовывают звукопоглотителем. С помощью таких капотов можно
добиться эффекта снижения шума от 20 до 50 дБ — в зависимости от кон-
структивного оформления стенки капота.
Поскольку уровень звуковой вибрации передачи соответствует уровню
воздушного шума, снижение вибрации между передачей и капотом должно
соответствовать уменьшению шума за счет установки капота.
Для необходимого ослабления вибрации при использовании малых пе-
редач достаточно разместить последние на тяжелом фундаменте. В случае
применения больших передач и легких фундаментов (на судах, самолетах
и автомобилях) зачастую нельзя обойтись без мер по снижению звуковой
вибрации. Поэтому обычно используют эластичную установку передач.
В связи с тем, что частота зацепления зубьев, которая определяет уровень
вибрации, обычно выше 100 Гц, в качестве амортизаторов применяют срав-
нительно жесткие пружины. Во многих случаях наиболее низкая собствен-
ная вертикальная частота крепления составляет около 50 Гц, просадка —
около 0,1 мм. Собственные частоты эластичного крепления не должны
совпадать с частотой вращения вала и с частотой зацепления зубьев (под-
раздел 18.2).
Прн эластичной установке требуется эластичное соединение валов, по-
зволяющее компенсировать смещение передачи под нагрузкой или смещение
фундамента. Кроме того, снижается передача звуковой вибрации через во-
допроводы.
Радиальная жесткость муфт выбирается, как правило, значительно ниже
общей жесткости эластичной опоры. Крутильная жесткость определяется соб-
ственной крутильной частотой системы муфта — валопровод, которая не дол-
жна попадать в диапазон .частот возмущающих сил, характеризуемый ча-
стотой вращения вала и частотой зацепления. Как правило, крутильная ча-
стота системы бывает ниже частоты возбуждения.
10.5. ЛИТЕРАТУРА
1. Attla A. Y. Effect of change of pitsch on gear noise.—J. Sound and
Vib., 18, 1971, 129.
2. Gosele K. Berechnung der Luftschallstrahlung von Maschinen aus ihrem
Korperschall.—VDI-Ber., 135, 1969.
231
3. Hermann J. Ober den Einfluss des Gehauses von Zahnradgetrieben und
konstruktive Massnahmen zur Gerauschminderung.—Industrie-Anz., 85, 1963,
1989 und 86, 1964, 25.
4. Hosel Th. Gerauschminderung bei Zahnradern durch korperschalldam-
mende Schichten und drehelastische Federung zwischen Radkranz und
Nabe.— Konstruktion. 18, 1966, 368.
5. Opitz H. Moderne Produktionstechnik. Essen, Girardet, 1970, S. 315.
11. АВИАЦИОННЫЙ шум
E. А. МЮЛЛЕР И к. МАНАТ
11.1. ВВЕДЕНИЕ
Для самолетов и авиационных двигателей с достаточной сте-
пенью точности можно предположить осевую симметричность звукового поля.
Иначе говоря, уровень шума L
Рис. 11.1. Схема для иллюстра-
ции принятых обозначений.
1 — источник; 2 — приемник.
зависит только от г и 0 или от а и 0
(рис. 11.1). В последующем изложении
исходят из этого допущения и используют
следующие основные понятия:
Д(0, г) при постоянном г — полярная
характеристика направленности;
L(0, d) при постоянном d — линейная
характеристика направленности;
Мах£(0, г) — полярный максимальный
уровень;
MaxL(0, d)—линейный максималь-
ный уровень.
При прямолинейном полете самолета
на расстоянии d от точки наблюдения из-
меряемый уровень шума обозначается
L(t, d), где t — время. Max L(t, d) —мак-
симальный уровень пролета.
11.2. ЗВУКОИЗЛУЧЕНИЕ
11.2.1. Самолеты с реактивными двигателями
11.2.1.1. Причины шумообразования. Шум обусловлен следую-
щими причинами-, реактивной струей, турбиной, компрессором, воздуходув-
кой. Вклад каждой из составляющих в основном зависит от двух факторов:
степени двухконтуриости двигателя (байпасное отношение);
нагрузки.
Пример зависимости максимального уровня шума пролета от обоих вы-
шеуказанных факторов для двигателей с одинаковой максимальной тягой
приведен на рис. 11,2 [10, 12].
Реактивная струя н турбина излучают звук преимущественно позади
себя, а компрессор и воздуходувка — спереди и позади. На рис. 11.3 даны
линейные характеристики направленности двигателя при различных нагруз-
ках, с байпасным отношением, приблизительно равным единице. Максимум
232
на характеристике наблюдается при в «40° и большой мощности двига-
теля—от реактивной струи, при ©«70° С и низкой мощности —от турбины,
при 0=120—130°—от компрессора и воздуходувки.
Тенденции в двигателестроении направлены па создание двигателей
с высоким байпасным отношением (до восьми). На сверхзвуковых транс-
портных самолетах, наоборот, применяют одно- или двухконтурные двига-
тели с низким байпасным отношением.
11.2.1.2. Шум реактивной струи. Шум струи вызывается ее турбулент-
ной зоной смещения. По теории Лайтхилла звук излучается совокупностью
акустических квадруполей. Суммарная излучаемая мощность звука Р рас-
считывается по формуле (подраздел 8.2.4) [26—28]:
где рс — плотность в зоне смешения; U — скорость истечения струи со-
пла (для самолета в полете это скорость струи относительно окружающего
воздуха); 5 — площадь выходного сечеиия сопла; Со — скорость звука в ок-
ружающей невозмущенной воздушной среде.
При дозвуковой скорости потока (число Маха M = t//c0<l) приблизи-
тельно половину звуковой мощности создает та часть струи, которая рас-
положена в интервале между х=0 н x=4D (х—расстояние от среза сопла
вдоль оси струи и D — диаметр выходного сечения сопла). Основная частота
излучения (максимум в спектре) находится в диапазоне от 0,2 до 0,4 U/D.
Для реайтивных двигателей при одинаковой тяге с увеличением байпасного
отношения скорость U меньше, a D больше, т. е. обусловленный струей
спектральный максимум стремится к более низким частотам.
Полярная характеристика направленности шума струи, определяемая
конвекцией квадрупольных источников, рассчитывается по формуле (при
Мс<1):
L(0, г)=£0(г) —501g (1—Мс cos 0), (11.2)
где Мо = ^с/со — число Маха конвекции квадрупольных источников.
Для той части струи, которая в основном обусловливает звукоизлучение,
L/c«0,5C/. На рис. 11.4 показана измеренная характеристика направленности
[30] в полосе частот, звуковая мощность которой определяется реактивной
струей.
Полярный максимальный уровень шума в соответствии с теорией Лайт-
хилла для малых чисел Маха также должен быть пропорционален U8. На
рнс. 11.5 приведены данные измерений шума реактивных двигателей и мо-
делированных струй. Экспериментальные кривые соответствуют закону про-
порциональности U6 только в области, где число Маха близко к единице.
Отклонения прн небольших скоростях струи большей частью зависят от по-
мех в потоке до выходного сечения сопла, для которого характерно моно-
польное и дипольное излучение. Создаваемый в этом случае шум при низ-
ких скоростях истечения может иметь большую интенсивность, чем в зоне
смешения струи [3, 8]. Кроме того, имеют значения резонансные явления
в камере сгорания и сопле, а также турбулентность на выходе из сопла.
Опыты на моделированных струях, где помехи были устранены благодаря
тщательно подобранной форме сопла, подтвердили приемлемость закона
пропорциональности U8 для 0=90° при числах Маха вплоть до М=0,3 [29].
Выше М«1,5 звуковая мощность также возрастает слабее, чем в со-
ответствии с законом пропорциональности Us. Причиной этого является
уменьшение коэффициента турбулентности с увеличением скорости струи.
Для высоких скоростей струи (например, в ракетах) применима формула
(подраздел 8.2.4) [28]:
р 6-i(r3(-^-pcc/3s). (и.з)
233
Рис. 11.2. Максимальный уровень шума пролета для самолетов,
оборудованных четырьмя реактивными двигателями с одинако-
вой максимальной тягой и различным байпасным отношением Б.
Дистанция пролета rf=320 м.
/—двухступенчатая воздуходувка с входным направляющим аппаратом;
2 — одноступенчатая воздуходувка без входного направляющего аппарата',
Рис. 11.3. Линейная харак-
теристика направленности
двигателя с произвольно
выбранной точкой отсчета
в зависимости от его мощ-
ности (в процентах от мак-
симальной мощности) при
максимальной тяге 67 000 Н
и байпасном отношении
около единицы.
234
Разработан метод расчета звукового спектра во время воздействия мак-
симального уровня шума пролета исходя из следующих характеристик дви-
гателя: тяга, масса, поток, площадь выходного сечения сопла.
Снижение шума струи с помощью трубчатых глушителей используется
на практике только в одноконтурных двигателях. Зависимость эффективно-
сти глушителей от их характеристик, а также данные о снижении тяги
в случае применения глушителей приведены в работе [40]. Обзорные мате-
риалы по шуму реактивных струй для М>1 рассмотрены в работах [11, 43],
соосные струн — в [3, 5], форсажные камеры — в [13], упрощенные модели
шумообразования вихрями —в [39], теория шумообразования в дозвуковых
и сверхзвуковых потоках — в [34].
Рис. 11.4. Полярная характеристика,
направленности реактивного двига-
теля с .произвольной точкой отсчета
в октавной полосе 75—150 Гц, изме-
ренная на стенде при максимальной
тяге. Расстояние до точки измерения
г=45 м.
Рис. 11.5. Зависимость упрощенного
расчетного полярного максимального
уровня L в функции от числа Маха М
по результатам измерений реактив-
ных двигателей (заштрихованная об-
ласть) и моделированных струй (ро—
плотность невозмущенной воздушной
среды)
1 — характеристика пропорциональности С/8;
2— характеристика пропорциональности U*.
11.2.1.3. Шум компрессоров и воздуходувок. Шумность компрессоров и
воздуходувок рассмотрена в подразделе 8.3. В настоящем подразделе приве-
дены дополнительные сведения, относящиеся к реактивным двигателям.
Спектр компрессоров и воздуходувок складывается из широкополосного
шума н тональных составляющих. Причиной широкополосного шума явля-
ется турбулентный поток, набегающий на лопатки ротора и статора,
а также неравномерный (в том числе в радиальном направлении) срыв вих-
рей с самих лопаток. Эти явления вызывают неравномерные пульсации
аэродинамических возмущений, воздействующих на лопатки, которые приво-
дят к звукоизлучеиию дипольного характера. Наличие в спектре тональных
составляющих обусловлено периодическими колебаниями аэродинамических
сил. Эти силы объясняются в основном взаимодействием лопаток с потоком,
прошедшим через направляющий аппарат. Указанные источники звука также
носят дипольный характер. Основной тон имеет частоту BN, где В — число
лопаток ротора, a У — частота вращения ротора.
Во входном и выходном каналах вращающиеся поля звукового давле-
ния возбуждают собственные моды каналов, которые, по-разному затухая,
распространяются в сторону входа и выхода и в окружающее пространство.
Основными конструктивными параметрами компрессоров и воздуходу-
вок, определяющими звукоизлучение. являются скорость движения концов
235
Лопастей, число лопаток статора и ротора, расстояние между статором И
ротором, диаметр компрессора или воздуходувки. При увеличении расстояния
между входными лопатками -и ротором уровень шума сначала понизится,
а затем примет постоянное значение. Если совсем удалить входные лопатки,
то из-за снижения помех набегающему на ротор потоку звукоизлучение еще
больше уменьшится. Затухание мод при распространении в канале зависит
от импеданса стенки, от частоты и скорости потока [16].
Если скорость движения концов лопастей превышает скорость звука,
то образуются ударные волны, которые иеидентичны одна другой вследствие
различающихся лопаток. При распространении ударных волн по направле-
нию ко входу их небольшая неидентичность мо^ет возрасти. Тем самым на
входе давление распределится таким образом, что период его изменения
по окружности будет 2п, а ие 2л/В. Это распределение давления при вра-
щении лопастей со скоростью, равной частоте вращения ротора ДГ, и обус-
ловливает излучение основного тона с частотой N, а также соответствующих
обертонов («зуммер-тон», «комбинированный тон»). Уровни этих тонов мо-
гут доминировать в спектре.
Теоретическое рассмотрение звукоизлучения осевыми компрессорами и
воздуходувками ограничивается в основном расчетом звукоизлучения при
заданных амплитудах составляющих Фурье аэродинамических сил. Расчет
амплитуд только на базе конструктивных параметров двигателя затрудни-
телен.
Следует отметить ряд теоретических работ, в которых рассматриваются
процессы шумообразования:
широкополосный шум [9];
дискретные тона [2];
распространение тонов во входном и в выходном каналах [24];
отдельные (комбинированные) тона на концах лопаток при числе
Маха М8>1 [15];
прохождение звука через направляющий аппарат [21].
Теория образования тонов открытым ротором приведена в подраз-
деле 11.2.4.
Методы прогнозирования. В качестве приближенной формулы
для расчета линейного максимального уровня на выходе воздуходувки
в скатной полосе с частотой BN на расстоянии d==60 м используют:
L = 50 1g Us + 20 lg D — 17, (11.4)
где Us~2nNra — скорость движения концов лопаток, м/с (г8— расстояние
от конца лопатки до оси ротора); D — диаметр компрессора, м.
Методы прогнозирования, при использовании которых применяют другие
параметры двигателя, изложены в работе [41].
Снижение шума. Основными мерами по снижению шума воздухо-
дувок и компрессоров служат [1, 17, 33, 37, 40]:
1. Звукоизоляция обивки двигателя, в особенности за счет звукопогло-
щающей облицовки входных и выходных каналов.
2. -Отказ от установки входных направляющих лопаток.
3. Увеличение расстояния между ротором и выходными направляющими
лопатками.
4. Получение минимально возможных скоростей движения 'концов ло-
паток.
5. Установка максимально возможного числа входных направляющих
лопаток по сравнению с числом лопаток ротора.
6. Повышение (вплоть до скорости звука) скорости потока на входе.
Мероприятие по п. 1 можно использовать иа обычных двигателях с низ-
кой степенью двухконтурности. Ожидаемый эффект приведен на рис. 11,6.
Обширный материал по вопросам снижения шума и экономического эф-
фекта рассмотрен в работе [38]. Мероприятия п. 1 практически осуществимы
236
только для воздуходувок, звуковая мощность которых в основном сконцен-
трирована в диапазоне высоких частот. Поскольку высокочастотный шум
при распространении в атмосфере и в помещениях ослабляется в большей
мере, чем низкочастотный, указанное мероприятие имеет небольшое значе-
ние для населения, живущего в удалении от аэропорта.
Применение в будущем двигателей с высокой степенью двухкоитурности
приведет к снижению шума, в
вследствие более низкой ско-
рости истечения, а также бла-
годаря использованию меро-
приятий пп. 2—5. Использова-
ние мероприятий п. 1 имеет
значение для жителей вблизи
аэропортов только при посадке
самолета.
Мероприятия п. 6 эффек-
тивны для сверхзвуковых са-
молетов при полете с дозвуко-
вой скоростью во время посад-
ки и взлета с задросселирован-
ными двигателями (при мало-
шумном способе взлета и по-
садки).
11.2.1.4 . Спектры шума.
Примеры зависимости спектров
шума от нагрузки на двига-
тель при различной тяге и рав-
ном удалении от самолета при-
ведены на рис. 11.7. Использо-
ваны средние значения ряда за-
меров. Каждый из октавиых
уровней, приведенных на ри-
сунке,— это максимальное зна-
чение соответствующего октав-
ного уровня во время пролета.
Моменты возникновения мак-
симальных значений шума во
время пролета, как правило, не
совпадают из-за различий в ха-
- рактеристиках направленности
частности, из-за уменьшения шума струи
Рис. 11.6. Третьоктавные спектры двига-
теля самолета ДС-8 в момент воздействия
максимально воспринимаемого уровня шу-
ма (PNL): а — взлет, высота пролета
260 м; б — посадка, высота пролета НО м.
-------.в случае применения мер по снижению
шума двигателя; °--° при неиспользовании та-
ких мер.
на разных частотах.
На рис. 11.8 показаны третьоктавные спектры на максимуме восприни-
маемых уровней шума (PNL) с учетом тональной поправки для самолетов,
приведенных в табл. 11.1.
Рис. 11.7. Максимальные значения
октавных уровней шума проле-
тающего самолета ДС-8-62, обо-
рудованного четырьмя двигате-
лями ЛТЗД-ЗВ с удлиненными вы-
ходными каналами воздуходувки
(высота пролета 300 м) при раз-
личной тяге на одном двигателе.
237
Таблица 11.1 Характеристики самолетов и условия их полета
Тип самолета к 3 и w л 3 2 « и £ а* g со Ч SSh Тип двигателя Степень двух- контурности Расстояние до самолета в мо- мент пролета d, м Спектры шума на рис. 11.8
Взлет Посадка
NA265 9 2XJT12A-8 0 600 ПО 1
«Сейбрлайнер» В727 77 ЗХ7Т8Д 1.1 1.5 300 290 2
ДС-8-50 143 4Х /ТЗД-З 350 340 3
В747-100 320 4Х Л9Д-3 5 700 ПО 4
Рис. 11.8. Третьоктавные спектры (1—4) при взлете (а) и посадке (б) само-
летов в соответствии с табл. 11.1.
В отличие от рис. 11.7 на рис. 11.8 приведены не средние значения шума
по многим пролетам, а спектры, измеренные на отдельных пролетах.
11.2.2. Самолеты с поршневыми или турбовинтовыми
двигателями
Поршневые двигатели встречаются сейчас практически лишь на
спортивных или пассажирских самолетах. Шум в основном создается двига-
телем и винтом. Механизм шумообразования от винта рассмотрен в подраз-
деле 11.2.4. Характеристика направленности шума самолета с поршневым дви-
гателем показана иа рис. 11.9.
Характерный спектр двухмоторного поршневого самолета массой от 1,5
до 4,5 т приведен на рис. 11.10.
238
Турбовинтовой двигатель занимает промежуточное место между реак-
тивным и поршневым. Такие двигатели в настоящее время используют На
небольших пассажирских самолетах местных авиалиний. Они, правда, ВСе
больше вытесняются самолетами с ре-
активными двигателями.
Спектры шума при взлете и По-
садке самолета местных авиалиний
F-27 приведены на рис. 11.10.
Рис. 11.9. Типовая полярная ха-
рактеристика направленности са-
молета с поршневым двигателем.
Рис. 11.10. Октавные спектры
шума самолетов с двумя поршне-
выми двигателями и с турбовин-
товым двигателем (дистанция про-
лета rf=300 м).
/—взлет поршневого самолета; 2 —
взлет турбовинтового самолета; 3 — по-
садка турбовинтового самолета.
11.2.3. Вертолеты
Основными источниками шума вертолета применительно к даль-
нему полю являются роторы и роторные двигатели (рис. 11.11). У вертоле-
тов с поршневым приводом звук создается преимущественно двигателем.
Многие вертолеты снабжены газотурбинными двигателями, причем шум ре-
активной струи и турбины ниже, чем шум ротора. Шум компрессора в ос-
новном высокочастотный и незначителен на больших расстояниях (в этом
случае эффективны мероприятия, снижающие шум).
На рис. 11.12 приведены примеры шумности вертолетов различных ти-
пов, причем в качестве характеристики используется максимальный воспри-
нимаемый уровень шума (PNL, дБ) на расстоянии rf=75 м. Некоторый раз-
брос в значениях уровней (заштрихованные зоны на рисунке) вызван тем,
что замеры производились в режимах полета с набором высоты и полета иа
постоянной высоте (экстремальные режимы работы двигателя, связанные
с его «рокотом», не учитывались).
Приводимые ниже характеристики роторов в определенной мере можно
отнести к пропеллерам или рабочим колесам воздуходувок и компрессоров.
11.2.3.1. Шум ротора. Спектр шума, излучаемого ротором, образуется
тональными составляющими (шум вращения) с основной частотой BN (под-
раздел 11.2.1.3) и широкополосным шумом. В спектре шума ротора верто-
лета может обнаружиться до 50 гармоник основного тона. Причиной появ-
ления тональных составляющих служат аэродинамические силы, воздейст-
вующие на лопасть. Их можно разложить на стационарные (подъемная сила
н сопротивление) и переменные составляющие. Первые вследствие вращения
лопастей обусловливают звукоизлучение. Для винтов самолета эти силы
239
оказываются основной причиной появления в шуме тональных составляю-
щих. У ротора вертолета они определяют только основной тон и самые низ-
кие гармоники. Более высокие гармоники обусловлены преимущественно пе-
ременными силами [16]. Основной причиной возникновения переменных аэро-
Рис. 11.11. Узкополосный спектр шума вертолета UH-1A. Полоса 6 Гц.
Тяга ротора 27 000 Н, скорость концов лопастей 220 м/с, расстояние до
точки замера г—60 м.
/—суммарный уровень звукового давления; 2 —главный ротор (тональные состав-
ляющие); 3 — хвостовой винт; 4 — главный ротор (широкополосный шум); 5 —хво-
стовой винт с приводом под углом 90°; б — хвостовой винт с приводом под углом 42е;
7 — гармоники главного ротора; § —гармоники хвостового винта.
динамических сил является взаимодействие лопасти ротора с вихревым сле-
дом предыдущей лопасти. Кроме того, несимметричное обтекание лопастей
при поступательном движении вертолета приводит к периодическим измене-
ниям аэродинамических сил (скорость полета и скорость движения лопастей
Рис. 11.12. Зависимость макси-
мального уровня шума пролета
вертолетов от максимальной
взлетной массы. Расстояние d =
= 75 м.
/ — поршневой привод; 2 —газотур-
бинный привод.
попеременно складываются и вычитаются). Широкополосный шум возникает
вследствие неравномерно изменяющихся аэродинамических сил, воздейст-
вующих на лопасть, которые образуются из-за турбулентностной спутной
струи, вызванной предыдущей лопастью.
Зависимость от параметров. Эксперименты показали, что ин-
тенсивность тональных составляющих возрастает приблизительно пропорцио-
нально десятой степени скорости концов лопастей Us, в то время как ин-
240
тенсивность широкополосного шума примерно пропорциональна Us6. С уве-
личением числа лопастей В при постоянной тяге уровень дискретных тонов
снижается (на 4—5 дБ с каждой дополнительной лопастью), а уровень ши-
рокополосного шума характеризуется зависимостью (—101gВ), При посто-
янных значениях В и Ua и переменном шаге винта тональные составляющие
изменяются лишь незначительно, а интенсивность широкополосного шума
приблизительно пропорциональна квадрату тяги.
Характеристика и а п р а в л ей и о ст и. На рис. 11.13 приведены
В} град.
Рис. 11,13. Полярные характери-
стики направленности вертолетов
в режиме зависания. Уровни гар-
монических составляющих отно-
сятся к тональному шуму. При
оси ротора, направленной вниз,
©=0°. Расстояние до точки за-
мера г=75.
/ — плоскость ротора; 2 — уровень
высокочастотных составляющих; 3 —
уровень низкочастотных составляющих;
4 — общий уровень шума.
характеристики направленности, измеренные ниже плоскости вращения винта.
При горизонтальном движении верто-
лета характеристики уже ие симмет-
ричны относительно оси ротора. Звуко-
излучение увеличивается в направле-
нии движения вертолета и уменьшается
в противоположном направлении.
Рокотание ротора. Если
вихрь, сорвавшийся с одной из лопа-
стей, проходит вблизи от последующих
лопастей (например, при спуске верто-
лета с пониженной мощностью двига-
теля), на частоте и на более высо-
ких, чем обычные, гармониках резко
возрастает звукоизлучение. Причина
этого явления — мгновенное резкое из-
менение подъемной силы лопасти при
прохождении около вихря или возник-
новение сверхзвуковых скоростей на
лопастях.
Методы прогнозирова-
ния. Спектр тональных составляющих
рассматривается в [25]. При прогнози-
ровании широкополосной составляющей
спектра используют методы, описанные
в работе [6], в частности, применяют
следующую формулу:
L = 10 lg (y6sC3LBSB) — С, (11.5)
где L — полярный максимальный уро-
вень; Cl — коэффициент подъемной
силы; — площадь лопасти ротора:
С=80 на расстоянии 30 м от верто-
лета. В некоторых работах значение С
является функцией других параметров.
Иногда принимается зависимость уровней шума от тяги ротора и скоро-
сти движения концов лопастей.
11.2.3.2. Теоретическое рассмотрение процесса образования тонального
шума ротора. При расчете тонального спектра аэродинамические составляю-
щие силы FA и Fw от лопастей ротора записываются в виде ряда Фурье
(рис 11.14)
где J2=2jt/V; М, если лопасть ротора занимает положение, соответствующее
Если звуковое давление р в точке Р дальнего поля записать в-виде
р = Re J 2 p^MQ (/-r/Co)
I n=l
(H.7)
241
то получим
—/О “
₽" 2nv JL х
X f-4 пЛь cos 0+ («--ft)-Ь- (nM sin 0)е' (ч - Яч> , (11.8)
где !т — функция Бесселя порядка т=п — k, M=Ra$Q/co— число Маха ско-
рости лопасти в условной точке
Рис. 11.14. Образование то-
нального шума лопастью ро-
тора
приложения силы (для винта Яэф^О.вЯв).
У ротора с числом лопастей В рп=Ь,
если п иецельнократио В. При периодиче-
ском изменении силы из-за прохождения
лопастей ротора через спутные струи Bl
от направляющих лопаток Аь = №\ = 0,если
k иецельнократио Bl.
Для определения амплитуды звукового
давления n-й гармоники необходимы все
гармонические составляющие аэродинами-
ческих сил. Однако из-за' особенностей
функции Бесселя на п-ю гармонику прак-
тически влияют лишь те значения Аь и Wk,
для которых |п—6|<rtJ4lsin©|. В особом
случае Ab = ITfe = 0 при |й|>1 (только если
силы стационарные) выражение для звуко-
излучения винта сводится к формуле
Л. Я. Гутина, полученной им в 1936 г. [14].
Практическое применение теории за-
труднено тем, что коэффициенты Фурье Ak
и Wk, как правило, неизвестны. Из экспе-
риментов, проведенных иа роторах верто-
летов, получены приближенные значения
этих коэффициентов: Ai«O,O5Ao,
Ал~й-2-5 для больших k.
11.2.4. Самолеты с укороченным или вертикальным взлетом
Для эксплуатируемых и находящихся в стадии разработки само-
летов с укороченным или вертикальным взлетом применяют и предполагают
использовать различные типы двигателей. Поэтому обобщенные выводы о при-
чинах шумообразования таких самолетов сделать весьма затруднительно.
В соответствии с работами [4, 36] у самолетов гражданских вариантов макси-
мальный уровень шума пролета на расстоянии 150 м не должен превышать
95 PNL, дБ.
Дополнительная литература:
обзор проектов самолетов с вертикальным и укороченным взлетом
с оценкой их ожидаемой шумности [36, 42];
шум подъемных двигателей, в частности двигателей RB202 [44].
П.3. ОЦЕНКА ВОСПРИЯТИЯ АВИАЦИОННОГО ШУМА
В этом подразделе приведены данные, с помощью которых можно
оценить максимальный уровень шума пролета и продолжительность шума,
которые характеризуют наземный шум пролета пассажирских и спортивных
самолетов. Приведенные значения являются сильно упрощенными и усред-
ненными. В действительности получаемые при каждом отдельном пролете
242
результаты могут существенно отклоняться от средних. В связи с тем, что
указанные данные используют при строительстве аэропортов и в градострои-
тельных целях, при их отборе учитывалась перспектива развития самолетов
и двигателей в ближайшем будущем.
11.3.1 , Величины, характеризующие шум пролетающих самолетов
Рис. 11.15. Схематическое изображе-
ние шума L(t) при пролете самолета.
Оценка шумового воздействия самолета сводится к определению
максимального уровня шума пролета Атах (рис. 11.15) и продолжительности
шума.
В качестве уровня шума L используется уровень шума La или воспри-
нимаемый уровень шума PNL. 'Продолжительность шума оценивается:
продолжительностью максималь-
ного шума fio, под которым под-
разумевается шум с уровнями,
превышающими Ашах—10 дБ
(рис. 11.5);
«эффективной продолжительно-
стью» /Эф-
Последняя определяется по фор-
муле
10£'шах/1° J 10L<'>/lodi. (11.9)
На практике берется конечный
интервал интегрирования [35], при-
чем, как правило, .он принимается
равным /io-
Часто из двух характеристик
PNLmax и /Эф образуют так назы-
ваеваемый «эффективный воспринимаемый уровень шума» EPNL, который и
определяет воздействие:
EPNL = PNLmax + 10 1g
= 101g ГД- j“ 10PNL «)/“) di
(11.10)
где /q—10 c.
11.3.2 . Оценка продолжительности шума
Для источника шума со сферической характеристикой направ-
ленности, перемещающегося прямолинейно в непоглощающей среде со ско-
ростью U на расстоянии d от наблюдателя можно записать (идеальный слу-
чай):
t1Q = 6d/U, t9^ = nd/U. (11.11)
Измеренные значения шума самолетов, показывают, что если d/[/<10 с,
то величина /|0 приблизительно пропорциональна отношению d/U. Значения
коэффициента пропорциональности изменяются от 2,4 до 3,4, причем меньшие
значения относятся к реактивным самолетам, а более высокие — к винто-
вым. При больших значениях отношения d/U величина /ю возрастает мед-
леннее, приближенное значение величины /Эф = 0,5/ю. Эмпирическая формула
для расчета приведена в работе [35].
243
11.3.3 . Приближенные значения
различных типов
и для самолетов
В табл. 11.2 и на рис. 11.17 приведены ориентировочные значе-
ния максимального уровня шума Ьд на характеристике А и продолжи-
тельности шума /ю для самолетов различных типов. Эти значения относятся
к новым или будущим самолетам. Например, для самолетов с максимальной
взлетиой массой Стах от 30 до Г70 т они рассчитаны только иа двухкоитур-
ные двигатели. Учтено ожидаемое в будущем улучшение характеристик дви-
гателей [38].
Пример поэтапного использования таблицы и рисунка для точки за-
мера Р, которая находится на горизонтальной плоскости, проходящей через
Рис. 11.16. Схемы для расчета
этапов полета 1—3: а — взлет;
б — посадка.
/ — траектория полета; 2 — проекция
траектории.
взлетную полосу, приведен ниже
(рис. 11.16).
Этап 1. Определяется di — рас-
стояние от точки Р до проекции
(«следа») траектории полета на го-
ризонтальную плоскость. При по-
Рис. 11.17. Кривые для расчета
величины L;(а).
садке пассажирских самолетов их траектория, как правило, на расстоянии
нескольких километров совпадает с осью взлетно-посадочной полосы. При
взлете же траектория зависит от установленных коридоров взлета.
Этап 2. Определяется высота полета h. При взлете й'= (х — x0)tg а, где
х—это расстояние SF, замеренное вдоль следа траектории полета; S—на-
чало разбега, а Хо и tg а принимаются по табл. 11.2. При заходе на посадку
й—ytgP, где у=ЕА замеряется вдоль следа траектории (А — точка касания,
у пассажирских самолетов обычно в 300 м от начала приземления); Р—угол
планирования (зависит от способа посадки, иапример, при посадке по прибо-
рам Р=2,5 — 3°).
На практике значение Хо и а зависят в основном от взлетиой массы G,
от скорости ветра в направлении полета и плотности воздуха. Приближенно
хо ~ G*. ______
Этап 3. Рассчитывается расстояние до траектории
(расхождение между рассчитанным таким образом расстоянием и точным
его значением невелико, и им можно пренебречь).
244
245
Таблица 11.2. Данные для оценки уровня и tio Ддя различных типов самолетов
Тип двигателя, количество двигателей ®тах’ т Примеры марок самолетов Взлет Посадка
Длина раз- бега х0, м 8 Расчетная кривая (рис- 11.17) А. ДБ (А) w/э ‘Ь Расчетная кривая (рис. А- ДБ (А) Е &
Поршневой: 1 <2 Спортивные и небольшие пас- 300 0,10 А 57 0,08 А 50 0,09
сажирские самолеты
2 <5 То же 500 0,10 А 62 0,06 А 52 0,08
Турбовинтовой <20 «Кинг Эр», «Джетстрим», 800 0,10 А 63 0,05 В 53 0,06
F = 27
Реактивный: 1 <30 «Корвет», HFB-330, VFW614, F= 28 1400 0,16 В 74 0,04 С 58 0,04
2 30—60 ВАС-111, ДС-9, В-737 1700 0,16 В 75 0,03 С 62 0,04
3 50—100 Трайдент, В-727 2700 0,12 В 76 0,03 с 63 0,04
1700 0,16
4 100—170 В-707-320В 3000 0,09 в 80 0,03 с 67 0,04
ДС-8-50, 61, -62, -63 1900 0,14
3 >180 ДС-10, L-1011 3000 0,09
1900 0,14 в 76 0,03 с 64 0,04
4 >300 В747, В747В 3000 0,09 в 80 0,03 с 65 0,04
1900 0,14
4 ~340 В2707-300 3000 0,13 А 96 0,03 А 70 0,04
(сверхзвуковые пас-
сажирские самоле-
ты)
Примечание. При двух значениях х0 и tga верхнее значение приводится для ° ~ Gm«x нижнее значение —для Ся 0,8
(G —взлетная масса. Gmax— максимальная взлетная масса).
Этапг4. С графика иа рис. 11.17 снимается величина L,(d). Кривая, с ко-
торой снята эта величина, находится по.табл. 11,1. Определяется Ллтах =
= Lj-|-A (значение А берется из табл. 11.2).
Кривые на рис. 11.17 рассчитаны при распространении звука в направле-
нии воздух —земля, при температуре воздуха 15°С, влажности 70%. Если
величина у (рис. 11.16) оказывается меньше 10°, то начинает проявляться
влияние земли, особенно при большом удалении от взлетной полосы [7]. Если
спектр содержит тональные составляющие, то рассчитанная .величина LA max
корректируется тональной поправкой, которая соответствует такой же по-
правке, используемой при расчете уровней PNL [19]. Максимальная по-
правка — 4 дБ (А).
Этап 5. Рассчитывается продолжительность шума tio=qd, причем q при-
нимается по табл. 11.2. Для значения д4>30 с можно приближенно считать
/ю=30 с.
Рис. 11.18. Зависимость максимального
уровня шума пролета (L^max. ДЬ) от
расстояния до траектории для вертоле-
тов (включая тональную поправку, рав-
ную 2 дБ).
Кривая «г Двигатель
1 >4500 Поршневой
2 Газовая турбина
3 <4500 Поршневой
4 Газовая турбина
Расчет сверхзвукового пассажирского самолета.
Данные, приведенные для расчета в табл. 11.2, основываются на проекте
США В2707-300 [40]. Применение в этом проекте одноконтурного или двух-
контурного двигателя с низкой степенью двухконтурности вследствие дроссе-
лирования тяги после взлета (это возможно иа высоте свыше 300 м) позво-
ляет значительно снизить шум. В соответствии с работой [40] максимальный
уровень шума пролета (при одном и том же d} уменьшается приблизительно
на 12 дБ. При этом подъем траектории dh/dx снижается от значений
tga=0,13 до приблизительно равных 0,06.
Расчет вертолетов. На рис. 11.18 приведены значения ^лшах
в функции от d для четырех типов вертолетов. Кривые отражают прибли-
зительные значения воспринимаемых уровней шума как при взлете, так и при
посадке. Траектория полета сильно зависит от местных условий. Если под-
робные данные о иих отсутствуют, то можно принять х0=0, tga=tgP = 0,2.
При оценке продолжительности шума полагаем, что tio/d*sO,l с/м.
11.3.4 . Типовые американские предписания для самолетов
Иммиссия («шумовое облучение») от вновь проектируемых и
эксплуатируемых самолетов может быть определена в соответствии с авиа-
ционными правилами США, регулирующими порядок регистрации самолетов
и выдачи свидетельств на их пригодность. По этим правилам эффективный
воспринимаемый уровень шумности EPNL должен соответствовать допусти-
246
мым уровням EPNLq в трех точках измерения (подраздел 11.3.1). Данные
для выбора таких точек (посадка, «полоса отчуждения», взлет) приведены
в табл. 11.3.
Таблица 11.3. Данные для выбора точек измерения в соответствии с авиационными
правилами США (рис. 11.6)
Точка измерений X, м у, м di> м d. м Примечание
Посадка «Полоса от- Зависит 2150 0 648 113 -700 ₽ = 3° Самолеты с числом
чуждения» от условий реактивных дви- гателей больше
То же Взлет То же 6480 — 463 0 -500 Зависит от условий Прочие самолеты В точке замера dft/dx > 0,04
Точка измерения в «полосе отчуждения» расположена на линии, па-
раллельной проекции траектории самолета на поверхность земли, удаленной
от этой проекции иа расстояние dh м в том месте, где EPNL максимален.
При замерах в «полосе отчуждения» и при взлете самолет должен иметь
взлетную массу Стах. Над точкой • измерения при взлете минимальная кру-
тизна траектории должна составлять 0,04 (таким образом, как правило,
возможно дросселирование двигателей). Допустимое значение EPNL0 рас-
считывается по следующей формуле:
EPNL0 = 108 4-—lg (Gmax/Go) EPN дБ, (11.12)
lg
где С=2 для посадки и полосы отчуждения; С=5 для взлета; Go=272 т.
Уравнение можно использовать при условии, что 34 т<Огаах^272 т. При
массе более 272 т EPNLo=108 EPN дБ, а менее 34 т EPNL0=102 EPN дБ
при посадке и в «полосе отчуждения» и 93 EPN дБ при взлете. Разрешается
превышение допустимых значений в одной из точек измерения на 2 дБ, если
соответственно понижаются уровни в других точках. У больших самолетов
часто уровни в «полосе отчуждения» понижены, а при пбсадке соответственно
повышены.
11.4. ОЦЕНКА АВИАЦИОННОГО ШУМА
Разработан ряд критериев, оценивающих иммиссию авиационного
шума в отношении человека. Каждый критерий является частным случаем
общего оценочного показателя Q [22]. Исключение составляет английский
«индекс оценки уровня шума» (Noise and Number Index —NNI). Значение Q
можно рассчитывать из следующей зависимости:
<2 = tig [-L Jb/i-1oLi/4] + c,
(11.13)
где А —коэффициент, возможные значения которого рассматриваются ниже,
а также в подразделе 5.4; Т — время, в течение которого фиксируются все
шумы пролета в контрольной точке измерения; g\- — поправочный коэффи-
циент, позволяющий оценивать весомость того или иного фактора при изме-
247
рениях, например, повышать значимость ночного шума по сравнению с днев-
ным; ti — продолжительность г-го шума (подраздел 11.3.1); — максималь-
ный уровень шума пролета.
Ёсли в (11.13) при определенном i заменить продолжительность ti иа
а уровень L, на L,— k 1g 2, то значение l-го слагаемого ие изменится.
Тот факт, что воздействие шума с равнозначными значениями /i-10L</ft
одинаково воспринимается человеком, впервые экспериментально был уста-
новлен в работе [23]. В соответствии с исследованиями различных авторов
оптимальные значения k при характеристиках пролета составляют от 10 до 13,
т. е. удвоение продолжительности эквивалентно изменению уровня на
3—4 дБ. Поэтому возникла необходимость характеризовать каждый шум
пролета «эффективным воспринимаемым уровнем шумности» EPNL (подраз-
дел 11.3.1).
Если в (11.13) принять, что при неизменном Т каждый шум пролета
с уровнем Li возникает п раз (общее число серии пролетов составит пЛГ),
и Lt заменить иа Li — 61g л, то значение Q не изменится. Увеличение повто-
ряемости пролетов и снижение уровней взаимно приблизительно компенсиру-
ются. Впервые это было установлено в 1963 г. Доказано, что 6««15 (удвое-
ние повторяемости эквивалентно снижению уровней иа 4,5 дБ). Если
обобщить результаты исследований, то получим 6=13,3 (удвоение продолжи-
тельности или повторяемости эквивалентно изменению уровня на 4 дБ), при-
чем это значение одинаково приемлемо как для соотношения уровень — про-
должительность, так и для соотношения уровень — повторяемость.
В табл. 11.4 приведены показатели, которые следует использовать при
расчете Q и международных оценочных величин. Это следующие показатели:
Таблица 11.4. величины, используемые в уравнении (11.13)
Величина LFNS„ ПО ISO R507 WECPNL-2 по ICAO NEF. США NNI**, Великобри- тания Чк‘ ФРГ
Lt PNLTM3 PNLTM3 PNLTM3 PNLTM3
ft ^эф ta Гэф 'а* 10 с ^10
gi 1 1б I6 1 а) 1,5 б) 1д
10в 16,7s — 0 5®
Т Не регламентируется
k 10 10 10 10 13,3
L 0 0 —48,65 -40,6 0
Прим ечание. а- интервал интегрирования (/|0, мин. причем — вре-
мя, в течени которого PNLT>90 PN дБ; б — с 7 до 22 ч; в — с 22 до 7 ч; г — ин-
тервал интегрирования д — с 6 до 22 ч; е — с 22 до 6 ч; ж — ввести в уравнение (—5 1g NY, з — PNLTM — максимальное значение PNL при пролете с учетом тональ-
ной поправки.
эквивалентный воспринимаемый уровень шума L?n эк [19];
Корректированный эквивалентный непрерывный воспринимаемый уровень
шума WECPNL-2 (вариант международной организации гражданской авиа-
ции ICAO);
прогнозируемое шумовое воздействие NEF;
индекс оценки уровня шума NNI;
эквивалентный уровень длительного шума АЭк, для случаев: а) воздей-
ствие шума только в дневное время, в период с 6 до 22 ч, что соответствует
времени 2Т/3 и g,i=l,5, и б) воздействие шума в любое время суток, причем
348
для ночного шума gt—5 (Ьж—максимальное значение уровня, принимаемое
из расчета по случаям а или б; это предотвращает занижение оценки дневных
уровней шума при незначительном или полном отсутствии движения само-
летов в ночное время).
Из практики известно, что население начинает реагировать на авиацион-
ный шум при достижении значений Лэк = 62 дБ (А). По закону ФРГ об авиа-
ционном шуме район вокруг аэропорта, в котором зафиксированы уровни
шума больше ЛЭк=б7 дБ (А) и £Эк=75 дБ (А), является «зоной защиты».
Размер таких зон в принципе рассчитывается из «объема воздушного движе-
ния» в данном аэропорту:
где ид — среднее количество взлетов и посадок в час самолетов с максималь-
ной взлетной массой Gk-
Площадь зоны, ограниченной значениям Л9К=Ло» приблизительно про-
порциональна V, причем коэффициент пропорциональности составляет при-
мерно 1,5 км2 на 100 т/ч при Lo, равном соответственно 67 дБ (А) или 75 дБ (А)
или 75 дБ (А).
11.5. ЗВУКОВОЙ УДАР
11.5.1. Определение и описание
Самолет, летящий со сверхзвуковой скоростью, создает аэроди-
намический поток, приводящий к звуковому удару. Поток образуется в основ-
ном волнами сжатии, отходящими от передних и задних частей • фюзеляжа
Направление
попета
Рис. 11.19. Схемати-
ческое изображение
ударной волны само-
лета : а — изменение
избыточного давле-
ния Др в зависимо-
сти от времени t; б —
схема фронта ударной
волны.
1 — пик избыточного давления Лршах; 2 — пульсация давления; 3 — первый удар; 4 —
второй удар; 5~ затухание; 6 — отраженные волны; 7 — поверхность земли.
и крыльев, а также «веером» волн расширения, располагающимся между
ними. С увеличением расстояния от самолета волны сжатия накладываются
одна на другую, что приводит к резкому подъему давления в начале и
в конце этой системы воли. Подобные подъемы давления называют скачками
уплотнения (ударными волнами). Упомянутая система -волн следует вместе
с самолетом, имеет почти коническую форму, как правило, достигает поверх-
249
ности земли и в зависимости от ее особенностей отражается и рассеивается
(рис. 11.19,6). Система волн давления, образуемая падающими и отражен-
ными волнами, воспринимается как ударная волна. Схематическое изобра-
жение изменения избыточного давления Др (эпюра или «факсимиле» избы-
точного давления) от такого удара иа поверхности земли при постоянной
скорости полета приведено на рис. 11.19, а.
Время Д/ от начала удара до второго пика давления называют общей
длительностью. Как правило, на эпюре избыточного давления из-за неболь-
ших отклонений в атмосферном давлении наблюдаются незначительные флюк-
туации, а кривая давлений может иметь резкое илн скругленное окончание.
Вследствие сходства эпюры избыточного давления при звуковом ударе с ла-
тинской буквой N возникающее возмущение часто называется N-образиой
волной.
Эпюра давления ударной волны от одного самолета при его движении
может резко изменяться, например уже через 100 м форма пика изменится
от остроконечной до закругленной. При этом могут также значительно из-
меняться время нарастания давления т и значение максимального избыточного
давления ДрШах-
Время т изменяется обычно от 1 до 30 мс (среднее значение 10 мс),
время Д£—от 100 до 400 мс. Из-за довольно существенного расхождения
во времени, между двумя ударами человек воспринимает их обычно как
сдвоенный удар. В случае наличия на поверхности земли растительного по-
крова или построек, а также при атмосферных возмущениях два звуковых
удара, даже если самолет движется с постоянной скоростью, могут слиться
в открытом пространстве в один глухой удар или быть слышимы как не-
сколько ударов подряд. Внутри зданий звуковой удар часто воспринимается
в виде одного глухого удара.
H.5J. Величины, описывающие звуковой удар
Измеряемые значения времени нарастания т оказываются больше,
чем следовало бы ожидать из теоретического рассмотрения плоского скачка
уплотнения с учетом треиия и теплопроводности. Причины этого еще не совсем
ясны, ио можно предположить, что имеют значение повышение плотности
воздуха при возникновении и распространении скачка уплотнения, турбу-
лентность в нижних слоях атмосферы, а также эффект фокусирования вслед-
ствие перепадов температуры и скорости ветра. В некоторых опубликован-
ных результатах исследований ссылаются на трудности выполнения точных
измерений.
Время Ы возрастает с повышением длины самолета и в меньшей сте-
пени с увеличением высоты полета.
Понятие максимального избыточного давления Дртах часто используется
(особенно при социологических и психологических исследованиях) в каче-
стве весьма значимого фактора оценки воздействия звукового удара на чело-
века. При оценке воздействия звукового удара на здания и сооружения чаще
применяется показатель «характерного» избыточного давления Дрс=4//Д/, где
/ — максимум неопределенного интеграла «скачка давления» j pit. Для У
о
ВОЛНЫ при Т = 0 Дртах=Дре.
При равномерном горизонтальном полете Дрюах зависит от высоты по-
лета, массы (подъемной силы), формы самолета и числа Маха М. Предпо-
лагаемые значения Дршах для некоторых типов самолетов приведены иа
рис. 11.20.
Хуже поддаются анализу случаи прямолинейного полета самолетов
с ускорением, выполнения разворотов, перехода в пикирование и т. д. Во всех
этих случаях величины Дрт8.х могут возрастать из-за фокусирования. У граж-
данских самолетов это наблюдается в основном только при переходах от
дозвуковых скоростей к сверхзвуковым. У самолетов, показанных на рис. 11.20,
250
Рис. 11.20. Расчетное максимальное изоыточное давле-
ние Аршах вдоль проекции траектории полета самолетов
типа «Конкорд» и проекта самолета В2707-300 с макси-
мальной взлетной массой 341 т при стандартных пара-
метрах атмосферы (США), ровной поверхности земли
и без учета воздействия ветра.
/ — самолет «Конкорд»; 2 — проект самолета В2707-300. При фо-
кусировке ДртаХ«300<750 Н/м5.
Рис. 11.21. Энергетическая спектральная плотность w в полосе
шириной 1 Гц при звуковом ударе (Д/=350 мс, т=8 мс).
251
величина Дршах сразу за упомянутым переходом может быть в 2—4 раза
выше, чем через несколько сотен метров полета. На рис. 11.20 это явление
видно в районе отметки 200 км после старта (см. также подраздел 11.5.3).
Величина Дртах может также возрастать из-за дополнительных отраже-
ний от неровностей поверхности земля и от зданий (например, в трехгран-
ных внутренних углах Дртах повышается в четыре раза). Однако эти изме-
рения имеют лишь местное значение.
Наиболее точное представление о звуковом ударе можно получить, зная
его энергетический спектр. Пример такого спектра для N-образной волны
с конечным временем нарастания приведен на рис. 11.21 [20]. В соответствии
с этим рисунком частотная характеристика достигает максимума на относи-
тельно низкой частоте 0,55/Д^, что имеет значение для оценки возникновения
колебаний зданий почвы. Распределение энергии на высоких частотах в ос-
новном определяется временем нарастания т (излом огибающей энергетиче-
ского спектра). От этих частот зависит громкость звука и появление «эф-
фекта испуга».
11.5.3. Зона звукового удара
Во время сверхзвукового полета на поверхности земли по обе
стороны от проекции траектории полета слышен звуковой удар. Этот участок
поверхности земли называют зоной звукового удара. Размеры зоны зависят
от характеристик самолета, профиля полета, а также от атмосферных усло-
вий. Й1ирина зоны определяется в основном рефракцией звуковых волн при
Рис. 11.22. Зависимость
ширины зоны звукового
удара b на высоте
уровня моря от высоты
полета h без учета воз-
действия ветра для стан-
дартных параметров ат-
мосферы (по нормам
США).
/ — осевая линия зоны; 2 —
граница зоны; 3 — ширина
зоны.
Рис. 11.23. Схемати-
ческое изображение
зоны звукового удара.
1 — старт; 2 — взлет; 3 —
полет со сверхзвуковой
скоростью; 4 — фронт
ударной волны; 5 —по-
садка; S — приземление;
7 — граница зоны; 's-
зона звукового удара;
Р —эпюра Лрщахв попе’
речной плоскости; 10 —
эпюра Дртах вдоль осе-
вой линии; 11 — «под-
кова» .
252
их распространении от самолета в атмосфере с учетом того, что скорость
звука увеличивается по мере приближения к земной поверхности вследствие
повышения температуры. Звуковые волны из-за рефракции отклоняются
вверх и на определенном расстоянии от проекции траектории полета вообще
не достигают земной поверхности. Это расстояние ограничивает ширину зоны
(рис. 11.22). Ширина зоны увеличивается с высотой полета и со скоростью
самолета. Следствием рефракции является также то, что самолет, летящий
в стратосфере со скоростью, соответствующей М.^1,15, не создает на земле
звукового удара.
Схематическое изображение зоны звукового удара приведено на рнс. 11.23.
Особенно следует обратить внимание на район фокусирования, который после
старта имеет форму подковы. Глубина «подковы» на осевой линии зоны со-
ставляет всего 30—100 м и сходит на нет у границ зоны. Причем ширина
зоны звукового удара в этом месте сразу после достижения самолетом сверх-
звуковой скорости составляет 25—35 км. На осевой линии зоны звукового
удара величина ДрШах может иметь, значения, указанные на рис. 11.20, и
становиться значительно меньше на границах зоны. Местоположение подковы
трудно точно установить (у гражданских самолетов оно отличается на
±6 км), поэтому область возможного появления подковы, несмотря на ее
сравнительно небольшую площадь, довольно значительна. Измерение парамет-
ров звукового удара рассматривается в работе [18].
11.5.4. Воздействие звукового удара на человека
Многочисленные практические наблюдения, например за воздей
ствием артиллерийских выстрелов или взрывов в нескольких метрах от чело-
века, позволяют сделать вывод о том, что повреждение слуха от звукового
удара гражданских сверхзвуковых самолетов маловероятно. В гораздо боль-
шей степени проявляется «эффект испуга», а также его физиологические и
психологические последствия (изменение частоты дыхания, нарушение сер-
дечной деятельности, мышечные реакции). Других физиологических послед-
ствий, кроме вышеупомянутых, установлено не было. Однако следует иметь
в виду, что соответствующих результатов накоплено недостаточно.
Для определения громкости звукового удара имеется два метода расчета,
которые используют энергетический спектр удара, правда, результаты расчета
не всегда полностью соответствуют опытным данным [20]. Упрощенная оценка
громкости звукового удара возможна на основе следующего выражения [32]:
L = [79 + 20 1g (Дртах - 12,5 1g т) ] дБ,
где Apmai — максимальное избыточное давление, Н/м2; т — время нараста-
ния давления, мс.
Из формулы видно, что громкость нарастает с повышением избыточного
максимального давления, понижается с уменьшением времени нарастания
давления и не зависит от общей продолжительности. Указанную формулу
используют лишь для приближенных оценок, так как нахождение точных зна-
чений Дртах и т часто затруднено. Кроме того, следует учитывать, что гром-
кость звука определяется только энергетическим спектром, а значения т,
получаемые из эпюры давления, несмотря на неизменный энергетический
спектр, могут значительно различаться из-за турбулентности атмосферы, обус-
ловливающей фазовые различия между составляющими Фурье эпюры дав-
лений.
Оценка громкости звука N-образной волны в лабораторных условиях по-
казало хорошее совпадение с расчетными значениями громкости в диапазоне
изменения Дртах от 40 до 115 Н/м2.
Как правило, в одной точке в одно и то же время прослушиваются не-
сколько звуковых ударов, определяющих негативное воздействие на чело-
века. Экспериментально силу такого негативного воздействия находят как
путем сравнения с воздействием дозвуковых самолетов с реактивными
двигателями, так и непосредственно в результате использования оценочных
253
тестов. В наиболее полных исследованиях проверялось воздействие на чело-
века звуковых ударов с различными значениями Артах. Участники экспери-
мента должны были высказать мнение, считают ли они приемлемым воздей-
ствие на них в течение дневного и вечернего времени (но не ночью) 10—15
звуковых ударов в открытом пространстве с определенным значением Дртах.
При ударах с ДрШах=36 Н/м2 отрицательных ответов не было, к ударам
с Дртах = 100 Н/м2 (среднее значение для больших гражданских самолетов,
рис. 11.20) до 40% участников отнеслось отрицательно, а удары с Артах —
= 172 Н/м2 всеми участниками опытов были восприняты как неприемлемые.
Проведенные в 1964 г. в Оклахома-Ситн соответствующие опыты, но при
воздействии 8 ударов в день и с меньшими значениями Дршах, привели
к схожим результатам. Эти, а также другие результаты способствовали
тому,, что некоторые государства начали подготавливать законодательные
меры по предотвращению полетов гражданских сверхзвуковых самолетов над
своей территорией.
Отправные данные для расчета негативного действия серии звуковых
ударов в течение определенного времени (например, за один день) и за про-
должительный период приведены в работе [31].
До сих пор недостаточно исследован такой важный вопрос, как влияние
звуковых ударов на сон человека. Мало или совсем не исследовано влияние
ударов на протекание заболеваний и на деятельность, связанную с необхо-
димостью особого покоя, исключающую «эффект испуга».
Точные сведения о реакции человеческого организма на звуковой удар
получить довольно трудно, с одной стороны, вследствие статистических от-
клонений в записи пиковых значений избыточных давлений, а с другой сто-
роны, из-за индивидуальности восприятия этих давлений каждым человеком.
11.5.5. Воздействие звукового удара на животных
Последствия воздействия звукового удара ня животных изучались
лишь эпизодически. Отмечена особая роль реакции испуга, в частности, па-
ническое бегство стада с соответствующими последствиями.
11.5.6. Воздействие звукового удара на строения
и поверхность земли
Статический и динамический результат воздействия звукового
удара на строения зависит как от характера нарастания давления, так и от
свойств самих строений. Можно утверждать, что при равномерном горизон-
тальном полете известных типов сверхзвуковых самолетов на заданной вы-
соте их воздействие на несущие конструкции сооружений пренебрежимо мало.
Существует некоторая опасность разрушения оконных стекол, прочность ко-
торых ниже стандартной, и в случае, когда они подвергаются дополнитель-
ным нагрузкам нз-за неточностей установки. Такие повреждения, как осыпа-
ние шпаклевки с крыш или штукатурки со стен, в равной мере могут про-
изойти под воздействием сильного ветра. При хорошем состоянии штукатурки
каких-либо нарушений опасаться не следует. Измерения ускорений для эле-
ментов конструкций зданий показали, что под влиянием звукового удара они
равнозначны ускорениям, обусловленным хлопаньем дверей н шагами людей.
Об «эффекте накопления» результатов воздействия на конструкции многих
звуковых ударов в течение ряда лет пока ничего не известно. Правда, можно
предположить, что срок жизни сооружений из-за упомянутого эффекта мо-
жет уменьшиться.
Каких-либо негативных результатов воздействия звукового удара на дру-
гие самолеты н планеры как в воздухе, так и на земле ожидать не следует,
поскольку они рассчитаны на более значительные динамические нагрузки, чем
те, которые обусловлены звуковым ударом. Тот же вывод можно распро-
странить на суда.
254
Колебания поверхности земли (при различных почвах), вызванные зву-
ковыми ударами со значениями Дртах, изменявшимися от 24 до 240 Н/м2, из-
меренные в процессе специальных экспериментов, показали, что их скорость
составляет 5-10~5 — 5-10~4 м/с (для сравнения — скорость колебаний почвы
под влиянием движения человека массой 90 кг примерно равна 10“4 м/с).
Колебания охватывают только тонкий поверхностный слой почвы, а их ско-
рость в среднем примерно в 100 раз ниже предельных значений, установлен-
ных в США для взрывных работ. Поэтому каких-либо заметных результа-
тов воздействия звуковых ударов вряд ли следует ожидать. Попытка в экспе-
риментальных целях вызвать лавину под воздействием 18 звуковых ударов
со значениями Дршах = 500 Н/м2 окончилась неудачей. Тем не менее нельзя
исключить возможность передвижки неустойчивых масс почвы или снега
в результате воздействия звуковых ударов.
11.6. ЛИТЕРАТУРА
1. Acoustical Society of America. Symposium on Aircraft Noise: Acousti-
cal duct treatments for aircraft.—J. Acoust. Soc. .Am., 48, 1970, 779—842.
2. Barry B., Moore C. J. Subsonic fan noise.—J. Sound Vib., 17, 1971,
207—220.
3. Bushell K. W. A survey of low velocity and coaxial jet noise with
application to prediction.—J. Sound Vib., 17, 1971, 271—282.
4. Cheeseman I. C. The noise of rotorcraft and other VTOL aircraft a
review —Aeron. J. Roy. Aero. Soc., 75, 1971, 406—412.
5. Dahlen H. On the noise emission of coaxial jets (jet noise).— Short
Course on Aircraft Noise, Tullahoma/Aachen, 1971, Paper 6 II.
6. Davidson I. M., Hargest T. J. Helicopter noise.— J. Roy. Aero. Soc.,
69, 1965, 325—336.
7. Delany M. E.f Bazley E. N. A note on the effect of ground absorption
in the measurement of aircraft noise.—J. Sound Vib., 16, 1971, 315—322.
8. Ffowcs Williams J. E., Gordon C. G. Noise of highly turbulent jets at
low exhaust speeds.—AIAA J., 3, 1965, 791—793.
9. Ffowcs Williams J. E., Hawkings D. L. Theory relating to the noise
of rotating machinery.— J Sound Vib., 10, 1969, 10—21.
10. Fllntoff J. L. The Ansty Noise Facility — its design, instrumentation
and future commitments.—Aeron. J. Roy. Aero. Soc., 75, 1971, 397—406.
11. Goetz О. K. Supersonic jet and rocket noise data. Short Course on
Aircraft Noise. Tullahoma/Aachen, 1971, Paper No. 2.
12. Greatrex F. B., Bridge R. The evolution of the engine noise problem.—
Airchaft Eng., Feb. 1967. p. 6—10.
13. Gruschk-a H. D. Noise from afterburning (combustion noise). Short
Course on Aircraft Noise.— Tullahoma/Aachen, 1971, Paper 8.
14. Gutin L. Uber das Schallfeld einer rotierenden-Luftschraube.— Phys.
Z. d. Sowjetunion, 9, 1936, 57—71.
15. Hawkings D. Multiple tone generation by transonic compressors.—J.
Sound Vib., 17, 1971, 241—250.
16. Hubbard H. H., Lansing D. L., Runvan H. L. A review of rotating
blade noise technology.— Symp. on Aerodynamic Noise, Loughborough Uni-
versity of Technology, 14—17. Sept. 1970, Paper D. 1.
17. Hubbard H. H., Maglieri D. J., Copeland W. L. Research approaches
to alleviation of airport community noise.—J. Sound Vib., 5, 1967, 377—390.
18. International Organization for Standardization: Acoustics — descripti-
on and measurement of physical properties of sonic bangs (sonic booms).—
Draft ISO — Recommendation, No. 2249.
19. International Organization for Standardization: Procedures for des-
cribing aircraft noise around an airport.—ISO—Recommendation R 507, 2nd
edition, June, 1970.
20. Johnson D. R., Robinson D. W. The subjective evaluation of sonic
bangs.— Acustica, 21, 1-969, 307—318.
255
21. Koch W. On the transmission of sound waves through a blade row.—
J. Sound Vib.,-18, 1971, 111—128.
22. Корре E., Matschat K., Muller E. A. Abstract of a procedure for the
description and assessment of aircraft noise in the vicinity of an airport—
Acustica, 16, 1965/66, 251—253.
23. Kryter K. D., Pearsons K. S. Some effects of spectral content and
duration on perceived noise level.—J. Acoust. Soc. Am., 35, 1963, 866—883.
24. Lansing D. L. Exact solution for radiation of sound from a semiin-
finite circular duct with application to fan and compressor noise.— NASA
SP-228, 1969, 323—334.
25. Leverton J. W. The sound of rotorcraft.—Aeron. J. Roy. Aero. Soc.,
75, 1971, 385—397.
26. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically.— 1. General
theory.—Proc. Roy. Soc. (London), A211, 1952, 564—587.
27. Lighthill M. J. On sound generated aerodynamically. II. Turbulence as
a source of sound.—Proc. Roy. Soc., A222, 1954, 1—32.
28. Lighthill M. J. Jet noise.—AIAA J., 1, 1963, 1507—1517.
29. Lush P. A. Measurements of subsonic jet noise and comparison with
theory.— J. Fluid Meeh., 46, 1971, 477—500.
30. Marsh A. H., McPike A. L. Noise levels of turbojet-and turbofan-
powered aircraft.—Sound 2, 1963, No. 5, p, 8—It.
31. Matschat K-> Muller E.— A., Obermeier F. On the assessment of the
annoyance of a series of sonic boom exposures.— Acustica, 23, 1970, 49—50.
32. May D. H. The loudness of sonic booms heard outdoors as simple
functions of overpressure and rise time.— J. Sound Vib., 18, 1971, 31—43.
33. McPike A. L. Evaluation of advances in engine noise technology.—
Aircraft Eng. May 1970, 16—22.
34. Mohrlng W., Muller E.— A., Obermeier F. Schallerzeugung durch
instationare Stromung als singulares Stbrungsproblem.—Acustica, 21, 1969,
184—188.
35. Muller J. L. Calculation of aircraft noise duration.—J. Sound Vib.,
16, 1971, 581—592.
36. Neue V/STOL-Projekte „Made in Germany".— Interavia, 25, 1970,
50—55.
37. Powers J. O. Jet engine noise data from subsonic aircraft. Short Co-
urse on Aircraft Noise, Tullahoma/Aachen, 1971, Paper No 1.
38. Rohr Corporation: Economic impact of implementing acoustically
treated nacell and duct configurations applicable to low bypass turbofan en-
gines.—FAA—NO—70—11, July, 1970.
39. S.-ur-Rahman. Berechnung der Schallerzeugung beim frontalen Zu-
sammenstoss zweier Wirbelpaare.—Acustica, 24, 1971, 50—54.
40. Schairer G. S., O. Keefe, J. V. Johnson P. E. Perspective of SST air-
craft noise problem. I. Acoustic design considerations. II. Thrust losses and
installation factors. J. Aircraft, 8, 1971, 19—25, 72—76.
41. Smith M. J, T.r House M. E. Internally generated noise from gas tur-
bine engines.— Measurement and prediction.—J. of Engineering for Power/
Trans, of the ASME, April 1967, S. 177—190. .
42. Szienkier T. K. Neueste zivile V/STOL-Flugzeugprojekte von Haw-
ker Siddeley Aviation.— Flugrevue u. Flugwelt International Nr. 6/1971,
S. 59—62, 71—74 Nr. 7/1971, S. 35—38, 43—46.
43. Wagner F. R. Supersonic jet noise. Short Course on Aircraft Noise.
Tullahoma/Aachen, 1971, Paper No. 7.
44. West R. G. Fan lift in VTOL design.— Aeron. J. Roy. Aero. Soc., 73,
1969, 657—664.
12. ПРОБЛЕМА ШУМА НА СУДАХ
М. ХЕКЛ И К. ГАЙКЕ
12.1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ
Проблема шума в судостроении состоит из следующих задач;
а. Защита команды и пассажиров от шума машин, вспомогательных ме-
ханизмов и гребного винта. Задача заключается в том, чтобы по возможности
не превышать допустимых значений уровней шума, приведенных в табл. 5.11,
5.14 и 5.17 [1].
б. Снижение звукоизлучения в окружающее пространство (в атмосферу)
как один из аспектов защиты окружающей среды. Задача особенно актуальна
для судов внутреннего плавания, а также при заходах судов в порты, при-
чем в этих случаях превалирует необходимость снижения шума выхлопа.
Допустимые уровни шума на расстоянии 25 м для судов, плавающих по
Рейну — 82 фона, а для судов на Баварских озерах — 72 фона.
в. Уменьшение звукоизлучения в окружающее пространство с целью
обеспечения слышимости сигналов и команд.
г. Снижение звукоизлучения в воду, в основном применительно к воен-
ным кораблям, научно-исследовательским и рыболовным судам. По этому
параметру допустимые уровни шума не опубликованы. Задача заключается
в том, чтобы излучение в воду «было как можно меньше».
д. Устранение помех гидролокатора от шумов, создаваемых на судне
или самим судном.
Для решения упомянутых задач существуют ряд принципиальных воз-
можностей;
использование малошумных машин, вспомогательных механизмов и греб-
ных винтов;
выбор общего расположения помещений на судне таким образом, чтобы
расстояние от источников шума до тех мест, где шум должен быть снижен,
было возможно больше;
такая установка источников шума, прн которой на корпус судна пере-
дается меньше звуковой и вибрационной энергии;
применение шумоглушащих устройств в помещениях;
другие мероприятия.
12.2. ИСТОЧНИКИ ШУМА
Основными источниками шума на судах являются двигатели
(включая передачи) и гребной винт. Наряду с этим нельзя не учитывать
вспомогательные механизмы. Каждый из этих источников излучает воздуш-
ный шум, который не только прослушивается на расстоянии, ио и возбуж-
дает колебания окружающих корпусных конструкций. Многие источники ге-
нерируют также звуковую вибрацию, которая через фундамент передается
на корпус судна и на определенном удалении, как правило, влияет на шум-
ность больше, чем излученный источником воздушный шум. Поэтому знание
механизмов возбуждения и передачи звуковой вибрации оказывается решаю-
щим для снижения шума на судах.
12.2.1. Двигатели
На современных судах в качестве двигателей используют исклю-
чительно дизели или газовые и паровые турбины. Применяемые иногда элек-
тромоторы (например, гребные электродвигатели в дизель-электрических
установках) как источники шума имеют второстепенное значение.
9 Заказ № 740 257
12.2.1.1. Вопросы шумообразования в дизелях рассматривались в раз-
деле 7. В нем приведены формулы (7.3) — (7.7), позволяющие рассчитать
уровни воздушного шума и звуковой вибрации дизеля. Эти формулы при-
менимы для амортизированных машин. Уровни звуковой вибрации жестко
установленных судовых дизелей ниже на 3—5 дБ на низких частотах. Из
указанных формул следует, что шум и вибрация дизеля тем меньше, чем
меньше частота вращения У и чем больше масса на единицу мощности
т!Рц, особенно на высоких частотах. Этот факт ие следует обобщать в том
плане, что низкооборотные дизели во всех случаях лучше высокооборотных.
Установка на амортизаторы средне- и высокооборотных двигателей
(#>800 об/мин) не встречает обычно больших затруднений, в то время как
амортизация очень тяжелых низкооборотных дизелей #(<400 об/мин) до-
статочно проблематична. Из-за лучшей балансировки и низкочастотного шума
выхлопа шести- и двенадцатицилнндровые дизели предпочтительнее четырех-
илн восьмицилиндровых.
Какие-либо надежные количественные данные о шуме выхлопа вряд ли
можно привести. Отметим лишь, что, как правило, необходимо применение
глушителей (раздел 15) и что утилизационные турбины, если не считать
обусловленного ими высокочастотного шума, с акустической точки зрения
полезны .(подраздел 7.3.2).
12.2.1.2. Передачи. Быстроходные высоконагруженные передачи на неко-
торых судах являются источником весьма неприятного шума, которому при-
сущи дискретны^ составляющие в диапазоне от 500 до 1000 Гц в зависимости
от частоты вращения передач. Механизм шумообразования, требования
к шуму и меры по его снижению описаны в разделе 10. Если применяемых
мер оказывается недостаточно, то, чтобы получить малошумный привод, его
нужно установить на амортизаторы. Целесообразно разместить двигатель и
передачу на общей раме, а раму амортизировать (рис. 12.7). Трудности за-
ключаются в том, что передача не может служить упорным подшипником для
восприятия упора гребного винта, и поэтому между передачей и гребным
валом нужно установить громоздкую эластичную муфту, которая будет пе-
редавать значительные крутящие моменты.
12.2.1.3. Газовые турбины. На современных быстроходных судах (напри-
мер, контейнеровозах) в качестве главных двигателей используют газовые
турбины. К сожалению, о таких установках накоплено мало акустической
информации. Можно попытаться разработать эмпирические формулы для
расчета уровней шума и вибраций судовых газовых турбин с общепринятыми
легкими кожухами [по типу формул (7.3)—(7.7)]. Ниже приведены такие
формулы.
Третьоктавные уровни звуковой мощности газовой турбины с кожухом,
состоящей из газогенератора, ходовой турбины и отводов (т. е. без шума
впуска и выхлопа), рассчитываются по формуле (в диапазоне 63—10000 Гц
уровни приблизительно постоянны):
Lp * 68 + 10 lg PN + Ю 1g P/PN дБ. (12.1)
Третьоктавные уровни звукового давления на расстоянии 1 м от турбины
определяются из выражения
Lp « 68 + 5,5 lg PN + Ю lg P/PN дБ. (12.2)
Третьоктавный уровень скорости вибрации рамы выше амортизаторов
можно получить из формулы
LvK76+5,51gPN + 101gP/PN-131g^- дБ, (12.3)
где Рл — номинальная мощность, кВт; Р — выходная (отдаваемая) мощ-
ность, кВт; f — частота, Гц.
Если сравнить эти выражения с подобными формулами для дизелей, то
окажется, что звукоизлучение и звуковая вибрация газовой турбины прибли-
зительно иа 10 дБ ниже, чем дизеля с #=1200—1500 об/мин (при равной
258
мощности). Если же учесть шум впуска и выхлопа, то будет ясно: газовая
турбина уступает дизелю, так как для нее характерны транспортировка боль-
ших объемов воздуха и, значит, наличие каналов большого сечения с очень
высокими уровнями шума (до 140 дБ). Если для дизелей главной задачей
является создание эффективной виброизоляции, то при использовании газо-
вых турбин основное внимание следует уделять постановке хороших глуши-
телей с эффективностью до 40 дБ и звукоизоляции стенок каналов.
На передачи газовых турбин распространяются рекомендации подраз-
дела 12.2.1.2.
12.2.1.4. Основными источниками шума паровой турбины, используемой
в качестве главного двигателя на судах, служат передачи (подраздел 12.2J.2),
паровые редукционные клапаны (подраздел 8.5) н воздуходувки котлов
(подраздел 8.3). Кроме того, следует учитывать звукоизлучение от много-
численных трубопроводов.
12.2.2. Гребной винт
Гребной винт создает в воде высокие переменные давления, ко-
торые при своем распространении возбуждают сильную звуковую вибрацию
наружной обшивки -корпуса судна. Определяющим в механизме возникнове-
ния шума от винта является наличие или
отсутствие кавитации (подраздел 8.2.2).
Если некавитирующие винты возбуждают
практически только низкочастотный шум
(в диапазоне, определяемом произведе-
нием частоты вращения вала на число ло-
пастей и первыми десятью гармониками
этой частоты), то кавитирующие винты
Рис. 12.1. Типичная частотная характеристика уровней шума в воде, опре-
деляемого кавитирующими винтами.
— мощность на гребном валу, л. с.; R —расстояние от винта, м.
Рис. 12.2. Уровни звуковой вибрации обшивки кормовой оконечности судна
вблизи гребного винта н на насадке носового подруливающего устройства.
/ — носовое подруливающее устройство; 2— гребной винт с малым зазором; 3 — греб-
ной винт с большим зазором
Lv~ октавные уровни скорости, дБ (относительно 5-10 8 м/с).
«ответственны» за очень широкополосный шум, который при излучении
в воду превосходит все другие судовые источники, а за счет возбуждения
звуковой вибрации в обшивке определяет шумность в большом числе судо-
9*
259
вых помещений. Критерием начала кавитации служит число кавитации о
[уравнение (8.2)]. Из рис. 8.2 видно, что при о<0,7 (для надводных судов
при окружных скоростях гребного винта свыше 18 м/с) следует ожидать на-
чала кавитации. Ориентировочные значения уровней шума в воде от кавити-
рующих гребных винтов приведены на рис. 12.1. Иногда винты создают
очень резкий дискретный тон (пение винтов), частота которого составляет от
500 до 1500 Гц, причем уровни шума на этой частоте могут превышать на
10—30 дБ значения уровней, приведенных на рис. 12.1. Примеры уровней
звуковой вибрации обшивки кормовой оконечности судна над гребным вин-
том помещены на рис. 12.2. Большое значение для возбуждения звуковой
вибрации имеет расстояние между лопастями гребного винта и обшивкой
S)
Рис. 12.3. Меры по снижению возбуждения звуковой вибрации
от работающего гребного винта и носового подруливающего
устройства: а — резиновая мембрана при гребном винте с ма-
лым зазором; б — пенопластовый слой при гребном винте
с большим зазором; в—носовое подруливающее устройство.
1 — ниша в обшивке; 2 — эластичный слой; 3 — резиновая мембрана;
4 — слой пенопласта с закрытыми порами и стойкой к истиранию на-
ружной поверхностью толщиной не менее 30 мм; 5 — демпфированная
наружная обшивка; 6~ наружная труба насадки; 7 — эластичные эле-
менты, установленные в зазоре, заполненном воздухом или пенопла-
стом; 8 — уплотнение; 9 — внутренняя труба насадки.
судна, так называемый зазор. Следует ожидать, что при увеличении зазора
уровни звуковой вибрации резко понижаются. Однако в этом случае зона
возбуждения вибрации несколько увеличивается [2]. В качестве меры по сни-
жению звуковой вибрации от винта рекомендуется установка резиновой
мембраны или нанесение слоя пенопласта (подраздел 12.3).
12.2.2.1. Носовое подруливающее устройство. На некоторых судах для
повышения маневренности предусматриваются носовые подруливающие
устройства. Это гребной винт, установленный в канале, расположенном в но-
совой части судна поперек его продольной плоскости. Как и гребной винт,
носовые подруливающие устройства являются весьма активными источниками
звуковой вибрации судна (рис. 12.2). Поэтому при их изготовлении следует
применять амортизаторы или, по крайней мере, использовать тяжелое вибро-
поглощающее покрытие для демпфирования прилегающих к нему конструк-
ций (рис. 12.3).
12.23. Вспомогательные механизмы
Па вспомогательные дизели распространяются рекомендации под-
раздела 12.2.1.1. Обычно требования к способу крепления вспомогательных
дизелей достаточно высоки, так как они ра’ботают во время стоянок в пор-
266
тах и тогда определяют уровень шума в каютах. Правда, амортизацию этих
дизелей довольно просто осуществить. Вспомогательный дизель и генератор
можно разместить на единой жесткой раме, которую затем установить иа
амортизаторах, благодаря чему отпадает необходимость в эластичной муфте
между этими агрегатами.
Гидравлические устройства характерны неприятными на слух тональными
составляющими с основной частотой, располагающейся в интервале между
100 и 500 Гц (раздел 9). Поскольку передача звука в этом случае в основ-
ном происходит по трубам, воздействие шума указанных устройств может
ощущаться на довольно большие расстояния. При одинаковых производитель-
ности и напоре самые шумные — шестеренные насосы, менее шумны аксиальио-
поршневыс и лопастные, а самые тихие — роторные насосы. Наиболее эффек-
тивными мерами по снижению шума этих устройств и систем служит уста-
новка жидкостных глушителей и виброизоляции трубопроводов (подраз-
дел 9.5.2).
Многочисленные судовые насосы обычно не выделяются на фоне других
источников шума, если они не установлены в непосредственной близости к жи-
лым помещениям, не кавитируют и если по обеим сторонам насоса преду-
смотрены компенсаторы (рис. 12.10).
Механизм шумообразования вентиляторов рассматривался в подраз-
деле 8.3. Как специфичный фактор на судах следует выделить шум, созда-
ваемый не только «большими вентиляторами» в установках кондициониро-
вания воздуха, но также многочисленными малыми вентиляторами различного
электронного и другого оборудования. Такие устройства зачастую опреде-
ляют уровень шума в радиорубках, в штурманских рубках и постах управ-
ления.
12.3. ОБЩЕЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОМЕЩЕНИЙ
При проработке общего расположения помещений на судне сле-
дует соблюдать два основных правила:
концентрация источников шума в пределах ограниченного района, пред-
почтительно в кормовой части судна;
удаление на возможно большее расстояние помещений, к которым пред-
являются повышенные требования по шумности, от района концентрации ис-
точников (рис. 12.4).
Рис. 12.4. Примеры удачного
(а) и неудачного (б) размеще-
ния помещений на судне.
К — каюта; Кл — кладовая; П —
пост; С — столовая; РО — румпель-
ное отделение; М — мастерские;
Пр — прачечная; МО — машинное
отделение; ДГ — дизель-генератор-
пая; Г — помещение гидравличе-
ских машин; Т —трап.
7
Выхлоп
8 8орт
12.4. МЕРЫ ПО ПРЕДОТВРАЩЕНИЮ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ШУМА
И ЗВУКОВОЙ ВИБРАЦИИ ОТ ИХ ИСТОЧНИКОВ
Конструкция судна в целом благоприятствует хорошему рас-
пространению шума и звуковой вибрации, поэтому, как правило, невозможно
обеспечить удовлетворительную акустическую обстановку только в резуль-
тате использования малошумпых источников и за счет соответствующего
261
размещения помещений и источников. Рекомендуется применять меры для
предотвращения распространения шума и вибрации от источников непосред-
ственно в районе их расположения.
12.4.1. Виброизолирующее крепление
На судах с дизелями (/V>400 об/мин) и турбинами в качестве
главных двигателей их виброизолирующее крепление является одной из
главных мер по снижению шумности судна. Основные рекомендации по
этому вопросу приведены в подразделе 18.2. На судах следует предусматри-
вать следующие меры:
основную частоту виброизолирующего крепления на амортизаторах (ре-
зиновых или сильно демпфированных металлических) обеспечивать в интер-
вале 5—10 Гц, что достигается соответствующим расчетом (рис. 12.5, а);
Рис. 12.5. Примеры виброизолирующих креплений: а—однокаскад-
ное крепление компрессора; б — двухкаскадное крепление дизеля.
/ — амортизаторы; 2 — общая рама; 3 — судовой фундамент; 4 — стальной мас-
сив промежуточной рамы; 5 — поддон рамы из швеллера промежуточной ра-
мы; 6 — демпфирующий слой.
при повышенных требованиях к эффективности виброизолирующего кре-
пления применять двухкаскадную амортизацию (рис. 12.5, б);
в трубопроводах охлаждающей воды и в трубопроводах выхлопа ис-
пользовать эластичные вставки (компенсаторы) (рис. 12-9 и 12.10);
применять эластичные муфты;
в случаях жестких ограничений перемещений виброизолирующего креп-
ления по отношению к корпусу судна использовать пневматические амор-
тизаторы с регулировкой давления.
Из упомянутых мер наибольшие сложности встречаются при использо-
вании эластичных муфт, особенно если необходимо обеспечить передачу зна-
чительных крутящих моментов. Предпочтение следует отдавать эластичным
муфтам с резиновыми элементами или пневмобаллонамн. Разумеется, общая
жесткость эластичной муфты должна быть меньше жесткости амортизато-
ров, "установленных между двигателем и фундаментом.
Примеры перепадов уровней звуковой вибрации, измеренной над и под
амортизаторами, приведены на рис. 12.6. Следует учитывать, что перепад
уровней звуковой вибрации не обязательно является лучшим показателем
эффективности виброизолирующего крепления двигателя. Решающий фактор,
определяющий возбуждение звуковой вибрации корпуса судка,— это пере-
данная на него звуковая мощность, которая зависит от «кинетической энер-
гии» двигателя, массы т, основной частоты крепления и виброизоляции
262
амортизатора ц2/^1- Таким образом, небольшая энергия звуковой вибрации
корпуса связана с действием источника, обладающего малой энергией (не-
большие массы, колеблющиеся с малыми скоростями), или с низкой основ-
ной частотой крепления, либо с большим перепадом уровней па амортизато-
рах (амортизаторы малой жесткости при высоком импедансе под ними).
Йа практике разница в пере-
даче звуковой вибрации при жест-
ком и однокаскадном виороизоли-
рующем креплении двигателя дости-
гает на судах 10—15 дБ, а для лег-
ких механизмов — 20 дБ и более.
При двухкаскадной системе крепле-
ния можно достичь снижения уров-
ней на средних и высоких частотах
на 30—50 дБ.
Наиболее распространенные си-
стемы виброизолирующих креплений
приведены на рис. 12.7.
Рис. 12.6. Примеры перепадов уровней звуковой вибрации при одно-
и двухкаскадных виброизолирующих креплениях оборудования иа судах
(замеры проводились над и под амортизаторами).
1 — сравнительно жесткое однокаскадное виброизолирующее крепление вспомогатель-
ного механизма; 2 — сравнительно эластичное однокаскадное виброизолирующее
крепление дизеля; 3~ двухкаскадное виброизолирующее крепление дизеля.
Рис. 12.7. Принципиальные схемы креплений главных двигателей с приво-
дами иа судах: а — дизель-электрический привод с двухкаскадным вибро-
изолирующим креплением дизеля и генератора (лучшее решение); б — дви-
гатель и привод на общей раме с виброизолированным креплением (хоро-
шее решение); в — двигатель на однокаскадном виброизолирующем креп-
лении с небольшой эластичной муфтой и жестко закрепленный привод
с демпфированным фундаментом (удовлетворительное решение); г—жест-
кое крепление двигателя и привода (неудовлетворительное решение).
/ — дизель: 2 —генератор; 3 — промежуточная рама, масса которой должна состав-
лять. как минимум, половину суммарной массы дизеля и генератора; 4 — гребной
электродвигатель; 5 —глушитель выхлопа; 6 — трубопровод выхлопа; 7 — амортиза-
торы; 8 — кожух двигателя; 9 — главный двигатель; /б —привод; // — эластичная
муфта; /2 — упорный подшипник; /3—глушитель выхлопа с виброизолирующим
креплением; 14 — трубопровод выхлопа с виброизолирующим креплением; 15 ~
демпфирующее покрытие.
263
12.4.2. Кожухи (капоты)
Зачастую в непосредственной близости от машин уровни воз-
душного шума настолько высоки, что нахождение рядом обслуживающего
персонала становится нетерпимым. В таких случаях эти машины закрыва-
ются кожухами, стенки которых, как правило, выполнены -из стального ли-
ста толщиной 2—3 мм (часто демпфированного покрытием или из слоистого
вибропоглощающего материала типа сандвич), имеющего с внутренней сто-
Рис. 12.8. Кожух быстроходного дизеля.
/ — фундамент; 2 — эластичное уплотнение; 3 — амортизаторы; 4 — люк для
обслуживания с уплотнением; 5 — люк для обслуживания; 6 — отверстие для
отвода газов с глушителем; 7 — трубопровод впуска с глушителем; 8 — трубо-
провод выхлопа с глушителем; 3 — уплотнение; 10 — стальной лист толщи-
ной 2 мм; 11 — слой минеральной ваты толщиной 50—80 мм; 12 — отверстие
для валопровода; 13 — перфорированный лист с защитой от брызг; 14 — под-
дон для масла; 15 — акустическое уплотнение с небольшим зазором для вало-
провода; 16 — виброизолирующие прокладки; 17 — вентиляция кожуха (дости-
гается подачей воздуха снизу).
роны звукопоглощающую облицовку (рис. 12.8). С помощью кожухов уро-
вень воздушного шума в машинном отделении может быть снижен иа 15—
20 дБ (А). На уровни воздушного шума в помещениях, смежных с машинным
отделением, эта мера часто не влияет, так как передача звуковой энергии
из машинного отделения в смежные и более удаленные помещения осуще-
ствляется звуковыми вибрациями. Лишь при двухкаскадной амортизации
машин и механизмов на средних частотах шумность в смежных помещениях
будет определяться передачей через переборки воздушного шума, а ие зву-
ковой вибрацией фундамента. Поэтому применение двухкаскадной аморти-
зации следует сопровождать капотированием соответствующих машин и ме-
ханизмов. Следует также иметь в виду, что днище источника шума также
должно быть звукоизолировано. Это лучше всего достигается установкой
кожуха на промежуточную раму двухкаскадной амортизации [3].
264
12.4.3. Глушители
На дизелях обычно используют реактивные глушители или ком-
бинацию из реактивных и активных глушителей, позволяющую уменьшить
шум выхлопа приблизительно на 40 дБ. Реактивные глушители судовых ди-
зелей можно представить себе как укрупненный вариант конструкции, изо-
браженной на рис. 7.2. Пример комбинации реактивно-активного глушителя
приведен на рис. 12.9, а. Как видно из него, чтобы обеспечить требуемую
эффективность, глушители должны иметь довольно большие размеры.
Рис. 12.9. Пример реактивно-активного глушителя: а — конструкция глу-
шителя; б—'Схема крепления к судовому перекрытию.
1 — отверстие; 2 — полость; 3 — звукопоглотитель; 4 — камеры; 5 —патрубок; 6 —
эластичная вставка (компенсатор); 7 — температуростойкий наполнитель из мине-
ральной ваты с удельной массой 50 Кг/м3; 8—стенка глушителя; 9—стальные про-
кладки 2X20 мм; 10— асбестовая прокладка; 11 — амортизатор; 12 — стальные про-
кладки 2X30 мм; 13 — демпфированная кница; 14 — демпфированная корпусная кон-
струкция.
У глушителей газовых турбин впускной или выхлопной каналы должны
быть разделены на ряд каналов с меньшим сечением (не более 200 мм).
В противном случае на высоких частотах снизится эффективность глуши-
теля, что связано с доминированием основной волны (раздел 16). Каналы
разделяют путем установки в них продольных перегородок.
В вентиляционных установках, системах вентиляции машинных отделе-
ний, на впускных отверстиях, в вентиляторах кожухов, а также в качестве
глушителей передачи речи по системах вентиляции помещений («телефон-
ный эффект») используются почти исключительно облицовка в трубопрово-
дах или глушители пластинчатого типа. При хорошем исполнении шумоглу-
шеппе составляет 2,5 l/h дБ, где I — длина облицованного участка трубопро-
вода, a h—ширина канала между слоями облицовки.
265
Наряду с конструкцией существенное внимание следует уделять месту
установки глушителя и способу крепления. Чтобы избежать шумных уча-
стков на трубопроводах, глушитель желательно размещать непосредственно
на источнике шума. Если это-невозможно (например, на выхлопных трубо-
проводах), необходимо тщательно виброизолировать трубопровод и глуши-
тель (вследствие высоких температур в выхлопных устройствах нужно
применять металлические амортизаторы). Рекомендуется устанавливать за-
держивающие массы и предусматривать демпфирование (рис. 12.9, б). Тру-
бопроводы выхлопа по возможности не следует крепить эластично к легким
переборкам и другим подобным конструкциям, так как эластичные про-
кладки эффективны лишь тогда, когда они значительно податливее осно-
вания.
12.4.4. Изоляция трубопроводов
Шумообразование за счет системы трубопроводов обусловлива-
ется или звукоизлучением стенок трубопровода или возбуждением через
опору трубопровода конструкции, к которой он прикреплен. Первый меха-
низм проявляет себя либо в больших трубах, по которым с большой ско-
а)
Рис. 12.10. Гибкие вставки для
трубопроводов: а — резиновый па-
трубок; б — резиновый патрубок
с дополнительным фиксатором
положения фланцев.
1 — резиновая или резинокордная стен-
ка шланга; 2 — резиновые прокладки.
Рис. 12.11. Виброизолирующие крепления трубопроводов:
а — изолирующее крепление трубопровода при проходе через отвер-
стие в конструкции; б — изолирующая опора трубопровода.
/—резиновые шайбы; 2 —защитный кожух; 3 —переборка; 4 — фланцы; 5 —
труба; 6 — перфорированная резиновая прокладка (твердость 40 по шору),
состоящая из двух частей и приклеенная к хомуту; 7 — хомут с кницей.
266
ростью транспортируется поток газа (пара), либо вблизи кавитирующих
клапанов (подраздел 8.5). Наиболее действенной мерой по снижению пря-
мого излучения от трубопроводов является их наружная облицовка звуко-
изолирующими слоями. Более важен второй механизм шумообразования,
т. е. возбуждение звуковой вибрации корпусных конструкций через Крепле-
ние трубопровода. Чтобы снизить шум, определяемый этой причиной, реко-
мендуется устанавливать между источником шума (двигателем, насосом и
т. д,) и трубопроводом гибкие вставки. Такие элементы (компенсаторы, па-
трубки, шланги) зачастую нужны и для компенсации разницы в перемеще-
ниях амортизированного агрегата и жестко установленного трубопровода.
Гибкие вставки для трубопроводов нужно изготовлять из возможно более
мягкой резины (рис. 12.10). Если вследствие высоких температур обяза-
тельно применение металлических компенсаторов, то на концах должны
быть предусмотрены прочные фланцы, которые используются также в каче-
стве задерживающих масс. Кроме того, следует избегать любых жестких
соединений трубопроводов с корпусом судна. Это можно осуществить в ре-
зультате виброизолирующего крепления трубопровода к корпусным кон-
струкциям или подобного же оформления мест прохода трубопровода через
вырезы в конструкциях (рис. 12.11).
12.4,5. Демпфирование
Вибропоглощающие покрытия, листы из слоистых конструкци-
онных материалов (сандвич-материалы) применяют на судах для того,
чтобы демпфировать кожухн н легкие переборки, устранить резонансы фун-
даментов (особенно промежуточных рам) и ослабить вибрации при распро-
странении на большие расстояния (демпфирование тонких пластин рассмат-
ривается в подразделе 18:4). Для расчета демпфирования фундаментов (на-
пример, под жестко установленными передачами) или промежуточных рам,
состоящих из балок и листов металла, простые методические указания по
выбору минимальной массы демпфирующего покрытия отсутствуют. Как
правило, необходимо выдерживать соотношение масс покрытия и фунда-
мента (рамы), составляющее не менее 15%. Покрытие необходимо разме-
щать там, где предполагаются максимальные амплитуды звуковой вибрации,
т. е. скорее на тонких стенках, чем на тяжелых полках, с тем чтобы воз-
можно обльшая часть энергии колебаний конструкции поглощалась мате-
риалом демпфирующего покрытия.
12,4.6. Распространение звуковой вибрации
Ослабление уровней звуковой вибрации на стальных судах
в радиусе примерно 5—-10 м от ее источника составляет примерно 1 дБ на
1 м расстояния во всем диапазоне звуковых частот. На больших расстоя-
ниях от источника ослабление вибраций выражается значением лишь 0,5 дБ
на 1 м расстояния (на рис. 12.13 и 12.4 приведено также соответствующее
снижение уровней воздушного шума) ’. Демпфированием корпусных кон-
струкций можно ослабить вибрацию до 2 дБ на 1 м и даже больше1 2.
12.5. ЗАЩИТА ОТ ШУМА ОБИТАЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЙ
Если в результате использования малошумных машин, соответ-
ствующего размещения помещений и источников шума и применения мер
по предотвращению распространения от иих шума и звуковой вибрации не
1 Затухание звуковой вибрации в корпусе зависит также от виброизолирующих
свойств корпусных конструкций, при этом наиболее существенно влияние угловых соеди-
нений корпусных перекрытий (палуб с бортами и переборками, бортов с переборками
и т .п.).— Прим. ред. перее.
2 Это значение, как и другие количественные оценки данного подраздела, весьма
— Условны, так как они не учитывают многообразия конструктивных параметров корпусов
судов различных типов.— Прим. ред. перее.
267
удалось в требуемых пределах снизить шумность в помещениях, применяют
дополнительные меры. Наиболее известные из них — использование звукопо-
глотителей, установка зашивок в помещениях, подвесных подволоков и пла-
вающих полов, а в ряде случаев установка эластичных креплений надстроек
или блоков жилых помещений.
В качестве звукопоглотителей применяют звукопоглощающие подволоки,
состоящие из перфорированных листов с находящимися за ними слоями зву-
копоглощающих материалов. Коэффициент звукопоглощения для частот выше
400 Гц должен быть в среднем не менее 0,8. Звукопоглощающие подволоки
Рис. 12.12. Варианты конструкций зашивки переборки (а) н плава-
ющего пола (б).
/ — зашивка с удельной массой G, кгм/м1; 2 —Z-профиль; 3 — резиновый
амортизирующий элемент; 4 — опора; 5 — минеральная вата; 6 — защитная
пленка; 7 —шпилька; 8— крепежный элемент; 9 — уплотнительный угольник;
10 — пористая резина; 1J — войлочная прокладка; /2—покрытие пола (уста-
навливается не всегда); /3—плавающий пол (ксилолит, бетон); 14 — арма-
тура (требуются предосторожности, чтобы не превратить ее н звуковой мо-
стик); /5 —прокладка из картона или пленки; 16 — слой звукопоглотителя
(минераловолокиистые маты или плиты); 17 — стальная палуба.
поглощают воздушный шум, проникающий через двери, поэтому их рекомен-
дуется устанавливать в шахтах трапов и соединяющихся с ними коридорах.
Зашивки, плавающие полы и подвесные подволоки способствуют сни-
жению звукоизлучения переборками и другими судовыми перекрытиями
(подраздел 17.1.4). Достигаемое благодаря этому снижение воздушного
шума (с учетом неизбежных звуковых мостиков) на практике составляет
5—10 дБ(А). Масса и расстояние от основной конструкции всех зашивок
должны быть возможно ббльшими. Необходимо стремиться к значениям про-
изведения Gd>36, где G—масса единицы площади зашивки, кг/м2, ad —
расстояние между зашивкой и корпусной конструкцией, см (рис. 12.12). При
жестком соединении зашивок с корпусными конструкциями (звуковые мо-
стики) существенно снижается их эффективность. Поэтому крепление по
возможности .следует осуществлять с помощью амортизирующих элементов.
Однако в некоторых местах (окна, двери, часть мебели) зачастую нельзя
избежать жестких соединений. Их неблагоприятное воздействие будет ме-
нее заметно, если применять сильно демпфированные листы с малой изгиб-
ной жесткостью (например, сандвич-материалы).
268
В некоторых случаях целесообразно главное внимание уделять не тому,
чтобы возможно меньше допустить распространение звуковой вибрации по
корпусу судна, а тому, как «акустически развязать» обитаемые помещения
и остальное судно. Это достигается объединением ряда помещений в блоки
и установкой их как целого на амортизаторах. Правила выбора параметров
такие же, как при любом другом проектировании виброизолирующего крепле-
ния (основная частота крепления 5—10 Гц и т. д.) [4].
12.6. УРОВНИ ШУМА НА СУДАХ
На рис. 12.13 и 12.14 приведены результаты измерений уровней
шума на некоторых дизельных судах. Из рисунков видно, что наиболее вы-
сокие уровни отмечаются рядом с машинным отделением, над гребным вин-
том и иногда вблизи ходового мостика (шум выхлопа). Измерение на судне
уровней шума ниже значений 50 дБ (А)
возможно при наличии малошумной вен-
тиляции и отсутствии помех от внешних
шумов (например, от ветра). Очевидно,
необходимы определенные затраты, чтобы
уровни шума вблизи основных источников
удовлетворяли требованиям санитарных
органов.
й) |4<7|Й?1
awpiiwl_____________________
[gWflft а» /
I 88 I /
5/
Рис. 12.13. Уровни шума на небольшом судне с жестко установленными глав-
ным двигателем (дизелем) и приводом: а — уровни шума в различных поме-
щениях на полном ходу в дБ (А); б —спектры шума в двух помещениях.
1 — машинное отделение, 107 дБ(А); 2 — жилое помещение, 74 дБ(А);
Рис. 12.14. Октавные уровни шума на судне с двухкаскадной амортизацией
главных двигателей (дизелей) и жесткой установкой привода: а — уровни
шума в различных помещениях на полному ходу, дБ (А); б — спектры шума
в пяти помещениях.
/ — выгородка машинного отделения для дизелей, 112 дБ(А); 2 — машинное отделение,
93 дБ(А); 3 — помещение руленой машины, 95 дБ(А); 4 —пост управления, 65 дБ(А);
5 — каюта, 55 дБ(А).
269
12.7. ЛИТЕРАТУРА
1. Клюкин И. И. Борьба с шумом и звуковой вибрацией на судах. Л.,
Судостроение, 1971.
2. Pohl К. Н. Das instationare Druckfeld in der Umgebung eines Schiffs-
propellers und die von ihm auf benachbarten Flatten erzeugten periodischen
Krafte.—Schiffbautechnik, 6, 1956, 107—119.
3. Walter H. Fortschrittliche Larm- und Vibrationsbekampiung auf den
Grossbaggern „Rudolf Schmidt* und „Johannes Gahrs**.—Schiff und Hafen,
14, 1962, 85.
4. Wragge F. Larmbekampfung auf Seeschiffen am Beispiel des elastisch
aufgestellten Deckshauses.— Schiff und Hafen, 25, 1973, 633—635.
13. ШУМ РЕЛЬСОВОГО
ТРАНСПОРТА
К. ШТЮБЕ
13.1. ТРАНСПОРТ ДАЛЬНЕГО СООБЩЕНИЯ
13.1.1. Внешний шум
13.1.1Л. Шум на перегонах. Спектры шума вблизи железнодо-
рожных путей при движении рельсового транспорта (усредненные данные)
показаны на рнс. 13.1.
Таблица 13.1. Шум проходящих железнодорожных поездов
Отстояние точки замера от путей, м Высота точки замера над верхней кромкой рельса, м Скорость движения поезда, км/ч
60 80 120 ,60 200 240
Уровень шума, дБ и дБ (А)
ж я X я X в S X X X X
10 25 25 50 100 2 1,2 3,5 3,5 3,5 90 84 85 81 76 85 78 80 75 70 93 87 88 84 79 89 82 94 79 74 96 90 91 87 82 95 88 90 85 80 99 93 94 90 85 99 92 94 89 84 102 96 97 93 88 102 96 97 93 88 - 105 98 100 95 90
В табл. 13.1 приведены усредненные данные о шуме поездов на перего-
нах (в случае дизельной и электрической тяги) со щебеночной постелью, при
хорошем состоянии рельсовых путей, в условиях свободного распространения
звука над травянистым покровом вокруг путей. Разброс результатов измере-
ний составляет ±4 дБ(А), а в 90% случаев ±2 дБ(А). При неровной по-
270
верхиости рельсов н колес данные таблицы должны быть увеличены иа
5 дБ (А), а прн значительной волнистости поверхностей — еще больше (до
15 дБ(А). Рельсы на бетонных шпалах приблизительно на 2 дБ(А) «тише»,
Рис. 13.1. Третьоктавные уровни внешнего шума же-
лезнодорожных поездов, проходящих со скоростью
120 км/ч. Рельсы уложены на щебеночной постели.
Усреднение по измерениям шума семи поездов.
1— расстояние 10 м, высота над рельсами 2 м, шум
96 дБ(А); 2 —расстояние 25 м, высота над рельсами 12 м,
шум 89 дБ(А); 3 — расстояние 50 м, высота над рельсами
1,2 м, шум 84 дБ(А>; 4 — расстояние 100 м, высота над
рельсами 1,2 м, шум 79 дБ(А)
Рис. 13.2. Влияние изменения скорости проходящих по-
ездов на внешний шум. Усреднение по измерениям шума
38 поездов.
/ — разница уровней шума AL при изменении скорости от 80
до 120 км/ч; 2 — разница уровней шума АД при изменении
скорости от 80 до 150 км/ч
чем па деревянных. Так же различаются мокрые и сухие рельсы. Часть
спектра рис. 13.1 выше 500 Гц характерна для -скорых поездов. Уровни
шума на частотах ниже 500 Гц при возрастании скорости движения свыше
80 км/ч практически не увеличиваются (рис. 13.2).
271
В случае удвоения скорости движения U уровни шума Да в интервале
скоростей от 60 до 240 км/ч возрастают приблизительно на 10 дБ (А),
а уровни Длин — тойько на 6 дБ. С удвоением расстояния от рельсов (при
высоте точки измерения 3,5 м) в интервале расстояний от 15 до 100 м
уровни шума снижаются на 5 дБ (А). В диапазоне частот от 125 до 500 Гц
уровни снижаются до 8 дБ, что следует учитывать иа больших расстояниях
(подраздел 14.4.1).
Рис. 13.3. Третьоктавные уровни внешнего шума проходя-
щего электровоза. Скорость 80 км/ч, расстояние 25 м, вы-
сота над грунтом 1,6 м.
/—движение по стальному мосту, рельсы уложены без щебеноч-
ной постели, 95 дБ(А); 2 — движение ио стальному мосту, рельсы
на щебеночной постели, 82 дБ(А); 3 — движение на перегоне,
рельсы на щебеночной постели, 76 дБ(А).
стот от 200 до 1000 Гц. При удалении точек замеров от путей на расстоя-
ние свыше 25 м измерять следует на высоте 3,5 м, чтобы избежать влияния
звукопоглощения поверхностью земли. Слой снега высотой не менее вы-
соты рельса обладает существенным звукопоглощением.
Шум товарных вагонов имеет низкочастотные составляющие (ниже
400 Гц), которые оказывают влияние уже на малых скоростях движения.
При дальнейшем повышении скоростей начинает сказываться составляющая
шума, обусловленная взаимодействием рельса и тележки вагона. Электро-
возы и тепловозы с хорошими глушителями впуска и выхлопа не выделя-
ются в общем шуме поезда. Шум вентиляторов на скоростях ниже 80 км/ч
сопоставим с шумом движения. Шум паровозов может превышать шум по-
езда приблизительно на 10 дБ (А).
Снижение уровней шума движения поезда за счет установки вдоль пу-
тей щитовых экранов высотой 1—2,5 м над рельсами па расстоянии 3 м от
рельсов составляет 9—14 дБ (А) на уровне высоты рельсов при удалении от
путей на 100 м- Если высота экрана превышает 1,5 м над рельсами, имеет
смысл нанести на его сторону, обращенную к путям, звукопоглощающее по-
крытие. Растительные экраны (кустарники, деревья) эффективны лишь при
значительной глубине звукозаш.итной полосы. Расчеты указывают на то, что
272
если глубина лесной полосы, проросшей густым кустарником, равна 50 м,
то обеспечивается снижение шума поезда, идущего со скоростью 120 км/ч,
наб—ЮдБ(А).
13.1.1.2. Шум на мостах. В прошлом рельсы крепились непосредственно
к стальной конструкции мостов, Однако в случае такого крепления возни-
кающая при движении поезда звуковая вибрация лишь незначительно зату-
хает на пути от рельсов к излучающим поверхностям моста. Например, при
движении по мосту электровоза со скоростью 80 км/ч на расстоянии 25 м
от него шум достигает 95 дБ (А) (рис. 13.3). После крепления пути к обыч-
ным шпалам и укладки их на щебеночное основание шум на таком же мо-
сту снизился до 82 дБ (А). Испытания, проведенные на 22 мостах различ-
ной конструкции из разных мате-
риалов при неодинаковом крепле-
нии рельсов, показали, что шум
от локомотивов, движущихся со
скоростью 60 км/ч, изменялся от
92 дБ (А) (стальной мост с не-
посредственным креплением рель-
сов без щебеночной засыпки) до
74 дБ (А) (железобетонный мост
с деревянными шпалами и щебе-
ночной постелью) на расстоянии
25 м от путей, что соответство-
вало шуму движения на перегоне,
равному 75 дБ (А) на таком же
расстоянии. Результаты экспери-
ментальных исследований соответ-
ствовали теоретическим расчетам.
Следует отметить, что указанные
выше уровни шума, превышаю-
щие на 5 дБ (А) шум локомотива,
относятся к поезду.
13.1.1.3. Энергетический экви-
валентный уровень длительного
шума. На рис. 13,4 приведены
энергетические эквивалентные
уровни длительного шума ЕЭк
(подраздел 5.5) поездов, движу-
Число пар поездов 8 час
Рис, 13.4. Энергетический эквивалентный
уровень длительного шума ЕЭк рель-
сового транспорта в свободном про-
странстве. Рельсы уложены на щебеноч-
ной постели, расстояние от осевой ли-
нии рельсов 25 м, высота над рельсами
3,5 м.
1 — поезда дальнего следования; 2—поезда
местного сообщения; 3 — пригородные поезда;
4 — городской транспорт.
щихся на перегоне по путям, уло-
женным на щебеночном основании.
Эти уровни выведены в результате измерений шума поездов различных типов
при разнообразных условиях и скоростях движения (40—200 км/ч). В случае
удвоения скорости движения значение Ьэк возрастает на 3—7 дБ (А). Макси-
мальный уровень шума наиболее быстрых и шумных поездов (при плотности,
движения 10 поездов в час) в среднем на 18 дБ (А) выше соответствующего
значения L0K. Если пути проходят по плотно застроенным улицам, то значе-
ние Аэк повышается примерно на 5 дБ (А),
Оценка значений LBK возможна на основе следующей расчетной зави-
симости:
Г„ |б0 + 10 lg N - Кв 1g ЛБ <А). (13-1)
где N — число поездов, проходящих за час в обоих направлениях; а — от-
стояние места измерения от рельсов, м; Ке«10 при а^25 м Кя«14 при
25<аг^100 м и Ке~16—20 при а>]00 м; Kv = 0 при движении в городе,
/<i> = 5 при движении в пригороде, К® = Ю при местном сообщении и К„ = 15
при дальнем сообщении; Кв ^8 дБ (А) — поправка, характеризующая усло-
вия застройки вдоль путей.
273
13.1.1.4. Сверхскоростной рельсовый транспорт. Результаты измерений
шума движения сверхскоростного транспорта (на воздушной и магнитной
подушке) практически отсутствуют. Однако известно, что уровень шума
французского поезда «Эротрен» на воздушной подушке с газотурбинным
двигателем и воздушным винтом при скорости 250 км/ч на расстоянии 25 м
от пути составил 108 дБ (А). У аналогичного поезда, но с линейным электро-
двигателем измерен уровень шума в 80 дБ (А). У обычного поезда при тех
же скоростях движения ожидаемый уровень шума должен составить
100 дБ(А). Поезда на воздушной подушке более шумны, чем поезда на
магнитной подушке. Приводы типа газовой турбины и реактивного двига-
теля имеют более высокие уровни шума, чем линейные электродвигатели.
Уровни шума от бесконтактной передачи энергии поезду (электрическая
дуга), а также шум движения при скоростях свыше 300 км/ч пока неиз-
вестны.
13.1.2. Звуковые вибрации
Исследовано влияние семи способов крепления рельсов на бе-
тонном основании на уровни скорости звуковой вибрации L» (рис. 13.5).
При удалении иа 6 м от путей и измерении на свае, идущей от них, в диа-
пазоне частот от 25 до 500 Гц уровни вибрации расположились в полосе
шириной 11 дБ, причем спектр, замеренный в случае использования щебе-
ночной засыпки, оказался иа 3 дБ лучше (начиная с 50 Гц), чем средний
уровень вибрации при других вариантах крепления.
На рис. 13.6 приведены результаты измерений распространения звуко-
вой вибрации в грунте. С удвоением расстояния от путей суммарный уро-
вень снизился приблизительно иа 6 дБ.
13,1.3. Внутренний шум
Часть воздушного шума при качении колес вагона по рельсам
передается через пол, окна, стены вагона (а при движении в тоннеле — че-
рез потолок) в его внутренний салон. Кроме того, от колеса вагона на дру-
гие конструктивные элементы вагона передается звуковая вибрация, в ре-
зультате чего в процессе шумоизлучения в пассажирском салоне добавля-
ется еще одна составляющая воздушного шума.
Посередине пола пассажирского вагона (под ним) при скорости 120 км/ч
общий уровень шума достигает 115 дБ или 110 дБ(А). Обычно стремятся
к тому, чтобы шумность внутри вагона не превышала 90 дБ и 65 дБ (А).
Измерения показали: снаружи под полом вагона уровень шума на 21 дБ (А)
выше, чем иад его крышей, и иа 10—15 дБ(А) выше, чем у стен вагона.
Эти данные следует учитывать при формулировании требований к звукоизо-
ляции наружного ограждения вагона (пол, стены с окнами, крыша). Спектры
шума внутри вагона резко снижаются по мере увеличения частоты
(рис. 13.7), в связи с чем прежде всего необходимо повышать шумо- и виб-
роглушение на частотах от 250 до 2000 Ги. За последние 20 лет удалось
снизить шумность внутри вагонов приблизительно на 15 дБ (А), что в основ-
ном обеспечивает комфорт. На рис. 13.8 приведены результаты измерения
звукоизоляции вагонных полов различной конструкции. Над тележками уро-
вень шума примерно от 5 дБ (А) (общий вагон) до 15 дБ (А) (купейные
вагоны) выше, чем в средней части вагона. В современных вагонах с пнев-
морессорами уровень шума на 4 дБ (А) ниже, чем в таком же вагоне
с металлическими рессорами. При некачественной поверхности рельсов и ко-
лес уровни шума в вагоне повышаются на 5 дБ (А) и более (рис, 13.9).
Удвоение скорости движения приводит к повышению уровней шума
в вагоне приблизительно на 9 дБ (А) (общий уровень повышается на 6 дБ).
В современных спальных вагонах при скорости движения 120 км/ч уровень
шума в концевых купе достигает 67 дБ (А), а в середине вагона — 52 дБ (А)
(рис. 13.10). Уровень шума в вагонах менее современной конструкции на
274
Рис. 13.6. Средние третьоктавные уровни горизонтальной вибра-
ции, вызываемые движением тепловоза на грунте с растительно-
стью по обе стороны от рельсов, уложенных на щебеночной по-
стели: а — скорость тепловоза 80 км/ч, точки замеров располо-
жены на расстоянии 15 м по обе стороны от рельсов; б — ско-
рость тепловоза 120 км/ч
/ — средний уровень звуковой вибрации; 2 — максимальный разброс; 3 —
точки замеров на расстоянии 7,5 м в сторону от рельсов; 4 — точки за-
меров на расстоянии 15 м от рельсов; 5 —точки замеров на расстоянии
30 м от рельсов.
Рис. 13.5. Третьоктавный уровень звуковой вибрации Lv
на головке рельса, на бетонной основе н на поверхно-
сти грунта при скорости поезда 120 км/ч.
1 — рельсы уложены на щебеночной постели и бетонной основе,
118 дБ на рельсах и 98 дБ на основе; 2 — рельсы иа бетонных
шпалах и щебеночной постели, 119 дБ на рельсах и 100 дБ
на шпале; 3 —рельсы на бетонной основе (без щебеночной по-
стели); жесткое крепление к основе, 117 дБ на рельсах н
105 дБ на основе; 4 —рельсы на бетонной основе (без щебе-
ночной постели), усредненные данные при семи видах нежест-
оп кого крепления.
5 дБ (А) выше. Неприятные ощущения вызывает шум колодочных тормозов,
повышающий шумность в вагоне иа 13 дБ (А). В вагонах с дисковыми тор-
мозами шум возрастает всего на 2 дБ (А).
В кабинах машинистов маневровых тепловозов уровень шума должен
быть достаточно низким, чтобы обеспечить восприятие акустических сигна-
лов. Шумность в 72 дБ (А), замеренная на современных тепловозах при ско-
рости 20—30 км/ч и полной нагрузке, удовлетворяет указанным требова-
Рис. 13.7, Третьоктавный уровень внутреннего шума в пассажирском вагоне
поезда дальнего •следования. Рельсы уложены на щебеночной постели.
1 — скорость 160 км/ч, 72 дБ(А); 2 — скорость 120 км/ч, 66 дБ(А); 3 — скорость 80 км/ч,
62 дБ(А).
Гц кГц
Рис. 13.8. Фактическая звукоизоляция вагонных полов различных типов,
/—рассчитанная по закону массы звукоизоляция одностенной конструкции при нор-
мальном падении звука; 2—пол из двухслойного композитного стального листа, масса
55 кг/м2, толщина 36 мм средняя звукоизоляция Rm =52,5 дБ), см подраздел 17.1.1);
3 — двухсменный пол с внешней облицовкой, масса 56 кг/м2, толщина 58 мм, 7?т=50дБ;
4 — двухстенный пол без облицовки, масса 37 кгс/м2, толщина 44 мм, /?т=45 дБ; 5 —
требуемая звукоизоляция для перегородок в жилых помещениях R т'=49 дБ.
ниям. В то время как на паровозах, движущихся со скоростью 120 км/ч,
уровни шума в кабинах машинистов достигали 98 дБ (А), в кабинах совре-
менных магистральных тепловозов шумнорть составляет менее 95 дБ (А),
а в последнее время даже меньше 80 дБ (А). Уровни шума в расположен-
ном за стенкой кабины моторном отсеке достигают 110—120 дБ(А). Таким
образом, обеспечивается шумоглушеиие,' эффективность которого должна со-
ставлять до 40 дБ. В кабине машиниста шумность при движении тепловоза
с работающим двигателем всего на 3 дБ выше, чем шум качения при вы-
ключенном двигателе (рис. 13.11). На современных электровозах, движу-
щихся со скоростью 120 км/ч, уровень шума в кабине машиниста равен
77 дБ (А).
276
Рис, 13.9. Изменение внут-
реннего шума в пассажир-
ских вагонах поездов даль-
него следования.
1 — разность уровней шума при
движении в тоннеле и в откры-
том пространстве, AL=6 дБ(А);
2 —разность уровней шума при
движении в тоннеле по неглад-
ким и гладким (или отшлифо-
ванным) рельсам, AL=4,5 дБ
(А); 3 — разность уровней шу-
ма в вагонах, установленных
на обычных тележках со
стальными рессорами, и в ва-
гонах на пневматических амор-
тизаторах, AL = 3,5 дБ,
Рис. 13.10. Изменение внут-
реннего шума в спальных
вагонах поезда при скоро-
сти 120 км/ч.
/—вагон с колодочными тор-
мозами; разность уровней шума
при торможении и движении;
2 — вагон с дисковыми тормо-
зами; разность уровней шума
при торможении и движении;
3 — купе в средней части ва-
гона; разность уровней шума
при движении в тоннеле
и в открытом пространстве.
Рис. 13,11. Третьоктавный
уровень шума тепловоза
мощностью 2000 л. с. при
скорости ПО км/ч. Рельсы
уложены па щебеночной
постели.
/ — в 100 см от обреза выхлоп-
ной трубы, 103 дБ(А); 2 —
в моторном отделении в 25 см
от головок цилиндров, 115 дБ
(А), 3 —в кабине машиниста
при работающем дизеле, 75 дБ
(А); 4 — в кабине машиниста
при отключенном дизеле во
время движения тепловоза,
72 дБ (А),
277
13.2. ПРИГОРОДНЫЙ ТРАНСПОРТ
Внешняя шумность пригородных электропоездов видна на
рис. 13.12. Как показывает сравнение с рис. 13.4, шум дальних поездов зна-
чительно выше. Причина этого заключается, очевидно, в том, что электро-
поезда оснащены пневморессорами и «защитными юбками», которые экра-
нируют шум на частотах выше 250 Гц, а также дисковыми тормозами.
Уровни шума в салоне электропоезда, движущегося со скоростью
120 км/ч, превышают шумность в вагоне скорого поезда всего на 3 дБ (А),
хотя пригородные электропоезда имеют на каждой оси приводные электро-
двигатели. Т1ри движении электропоезда в тоннеле со скоростью 60 км/ч уро-
Рис. 13.12. Третьоктавный уровень внешнего шума элек-
тровоза. Рельсы уложены на щебеночной постели. Точки
замеров — на расстоянии 25 м и иа высоте 3,5 м над рель-
сами.
/ — скорость 120 км/ч, 79 дБ(А); 2 — скорость 100 км/ч, 77 дБ(А);
<3 — скорость 80 км/ч, 76 дБ(А); 4 —скорость 60 км/ч, 73 дБ(А).
вень шума в моторном вагоне возрастает с 65 до 74 дБ (А). С удвоением
скорости шумность в вагоне увеличивается до 73 дБ(А). В кабине машини-
ста уровень шума при скорости 60 км/ч составляет 68 дБ (А), а при скоро-
сти 120 км/ч — 79 дБ (А).
13.3. ГОРОДСКОЙ ТРАНСПОРТ
13.3.1. Метрополитен
Результаты измерений внешнего шума от проходящих поездов
метрополитена при движении в открытом пространстве (без отражающих
предметов и. строений) приведены иа рис. 13.13. В случае движения поезда
по насыпи на высоте второго этажа уровни шума на этой высоте около до-
мов, находящихся на расстоянии около 20 м от насыпи, повышаются на
3 дБ (А) (по сравнению с условиями открытого пространства), а на высоте
первого этажа — на 4—5 дБ (А). Увеличение расстояния до застройки с 20
до 50 м приводят к снижению уровней шума около дома иа 10 дБ.
Средние уровни внутреннего шума в вагоне поезда метрополитена (иа
высоте 1,2 м от пола вагона) при движении в открытом пространстве по
278
путям, проложенным на щебеночной постели со скоростью 40 км/ч состав-
ляет 62 дБ (А), а со скоростью 60 км/ч — 69 дБ (А). Уровни шума при раз-
гоне поезда возрастают до 72 дБ (А), а при торможении — до 74 дБ (А).
Из рис. 13.14 видны уровни скорости звуковой вибрации, вызываемой
движением поездов метрополитена в открытом пространстве. Более эффек-
тивно поглощается грунтом высокочастотная часть спектра вибраций.
Уровни шума поезда метрополитена, движущегося в тоннеле со скоро-
стью 60 км/ч, составляют 90—100 дБ (А). Некачественность пути повышает
уровни шума на 10 дБ (А), а удвоение скоро-
сти движения—еще на 10 дБ (А).
Шум на станциях при разгоне поезда и
торможении и обычном потолке без звукопо-
глощающей облицовки достигает 80 дБ (А),
а при наличии такой облицовки—74 дБ (А);
среднее время реверберации соответственно 2
и 1 с. Рекомендуется, чтобы время ревербе-
рации на станциях было меньше 2 с.
Поезд, движущийся по тоннелю, возбуж-
дает звуковую вибрацию, которая передается
Рис. 13.13. Усредненные третьоктавные уровни внешнего шума поездов метро-
политена при движении со скоростью 40 км/ч. Рельсы уложены на щебеноч-
ной постели. Точки замеров на расстоянии 7,5 м и на высоте 1,25 м иад рель-
сами.
1 — средние значения. 75 дБ(А); 2 — разброс уровней.
Рис. 13.14. Третьоктавные уровни звуковой вибрации поезда метрополитена
при движении в открытом пространстве со скоростью 60 км/ч. Рельсы уло-
жены на щебеночной постели.
/ — подошва рельса; 2—шпала; 3 —край постели; 4~ 7,5 м от края постели; 5 — 15 м
от края постели.
от рельсов на конструкции тоннеля, а также на расположенные над ним
здания. Желательно, чтобы создаваемый в них таким образом воздушный
шум был ограничен уровнями в 35 дБ(А). Максимумы уровней скорости
вибраций, измеренные на стенке тоннеля и стене подвала, расположенного
на расстоянии 14 м от тоннеля, при скорости поездов 60 км/ч располагаются
в интервале частот от 40 до 70 Гц (основной тон изгибных колебаний колес-
ной пары) и составляют соответственно 60 и 47 дБ.
Некоторые изменения конструкции пути (установка под рельсы плит из
пробки, повышение высоты засыпки с 30 до 70 см, засыпка под щебеночную
постель песка) не привели к снижению вибрации стенки тоннеля. В отличие
от этого установка под щебеночную засыпку (толщиной 45 см) шерохова-
того трехслойного резинового мата толщиной 3 см приводит к уменьшению
279
Рис. 13.15. Разность уровней звуко-
вой вибрации на стенках тоннеля
при движении поезда метрополитена
по рельсам, уложенным на щебеноч-
ной постели и на специальных осно-
ваниях.
1 — бетонная плита толщиной 40 см. ус-
тановленная па резиновых прокладках без
щебеночной постели1, 2 —бетонная ванна
толщиной 60 см па резиновых амортиза-
торах и щебеночная пастель толщиной
30 см; 3 — крепление рельсов па двухко-
нусных резиновых элементах без щебе-
ночной постели.
уровней вибрации, начиная с частоты 50 Гц (при 250 Гц снижение соста-
вило 10 дБ). Аналогичный эффект достигается при укладке под щебеночную
постель минераловолокнистых плит толщиной 10 см.
В тех случаях, когда щебеночная засыпка не предусматривается, уровни
звуковой вибрации стенок тоннеля повышаются. Крепление рельсов на ре-
зиновых конусных амортизаторах (нагружаемых на сдвиг) приводит к тому
же эффекту, что использование щебеночной засыпки (рис. 13.15).
Дополнительный эффект около 10 дБ по сравнению со щебеночной за-
сыпкой получают при установке рельсов на щебеночной засыпке в бетонный
желоб толщиной 60 см, который
укладывается иа резиновые аморти-
заторы, работающие на сдвиг. Еще
более эффективна установка рель-
сов на бетонные шпалы (без щебе-
ночной засыпки). Последние укла-
дывают (с цементной заливкой)
в сменные бетонные желоба протя-
женностью 70 см и общей высотой
40 см, крепящиеся к резиновым
амортизаторам (рис. 13.15). Сниже-
ние уровней вибраций на стенке
тоннеля до значений около 50 дБ
при скорости 60 км/ч, получаемое
в результате этого, достаточно,
чтобы исключить влияние вибраций
на здания, находящиеся по обе сто-
роны от тоннеля, но не ла те, кото-
рые расположены непосредственно
над ним. Правда, воздушный шум
в вагонах при указанном креплении
рельсов повышается примерно на
8 дБ(А). Замена резиновых аморти-
заторов плитами из прессованной
пробки приводит к потере эффекта
по уменьшению вибраций на часто-
тах менее 63 Гц. Удвоение скорости
движения с 40 до 80 км/ч вызывает
повышение уровней вибрации кон-
струкций тоннеля на 4—9 дБ. С уд-
воением нагрузки на ось вагона
уровни вибрации увеличиваются
примерно на 3 дБ. Качественная
щи звуковой вибрации в тоннеле, но
амортизация вагона не влияет на
на иих существенное влияние оказывает толщина стенок тоннеля. Удвоение
толщины стенок (или глубины залегания тоннеля) приводит к снижению
уровней вибрации» приблизительно на 12 дБ. Следует иметь в виду, что
длина путей со специальными конструкциями их крепления должна быть иа
15 м больше длины зданий, находящихся над тоннелем. Изношенная по-
верхность рельсов и колес (еще без волнистости) может полностью свести
иа нет эффект применения специальных виброизолирующих конструкций,
используемых для крепления путей.
Уровни шума внутри современных вагонов метрополитена при движении
в тоннеле со скоростью 60 км/ч не превышают 75 дБ (А), в то время как
в вагонах более ранних конструкций они достигали 95 дБ (А). При удвоении
скорости движения шумность внутри вагона повышается на 6—8 дБ (А).
Если в тележках вагонов, а также между тележкой и вагоном применены
резинометаллические амортизаторы, то дополнительная амортизация ободов
колес и установка тележек на пневмоамортизаторы не приводит к снижению
шума внутри вагона. Удвоение нагрузки на ось вагона повышает уровень
шума в вагоне на 3 дБ (А).
280
13.3.2. Трамвай
Внешний шум трамвая при движении по путям на щебеночной
засыпке со скоростью 40 км/ч иа расстоянии 7,5 м от рельсов и высоте иад
рельсами 1,25 м составляет 81 дБ (А), а при скорости 60 км/ч — 86 дБ (А).
Ёсли между рельсами применено асфальтовое покрытие, то уровни шума
трамвая при скорости 40 км/ч составляют 87 дБ (А), а при скорости
60 км/ч — 91 дБ(А). Во время движения трамвая по бетонному мосту
уровни шума в среднем возрастают на 4 дБ (А).
На рис, 13.16 данные о шуме трамвая при разгоне и торможении,
а также на подземных станциях приведены в сравнении с уровнем его
шума на перегоне со скоростью 40 км/ч.
Рис. 13.16, Третьоктавные уровни внешнего шума трамвая.
Рельсы уложены на щебеночной постели.
/ — разгон и торможение на подземной станции, точки замера на рас-
стоянии 1,5 м от вагона и на высоте 1,25 м над площадкой, 89 дБ(А);
2 — движение на перегоне со скоростью 40 км/ч, расстояние 7,5 м, вы-
сота над рельсами 1,25 м, 82 дБ(А); 3 — разгон и торможение на
перегоне, расстояние 7,5 м, высота 1,25 м, 79 дБ(А).
Энергетический эквивалентный уровень длительного шума LSK при дви-
жении to трамваев в час, движущихся со скоростью 40 км/ч, на расстоянии
25 м от путей и высоте 3,5 м над путями составил 60 дБ (А)—кривая 4
на рис. 13.4.
Средний уровень скорости вертикальных звуковых вибраций, возбуж-
даемых при движении трамвая со скоростью 40 км/ч, в основании рельса
равен 105 дБ, а при скорости 60 км/ч— 108 дБ, На шпале уровень вибрации
составляет 84 и 86 дБ соответственно, на краю засыпки под рельсами —
77 и 78 дБ, в 7,5 м от путей—67 и 69 дБ, а в 15 м от путей — 63 и 66 дБ.
При замерзшем грунте зимой уровни вибрации на расстоянии 13 м от путей
повышаются на 5 дБ, особенно заметно иа частоте 40 Гц.
Применение резиновых прокладок под рельсами при укладке их иа про-
дольны^ бетонных желобах обусловливает снижение уровней вибрации
в сравиеиии с укладкой рельсов на мелкую галечную засыпку (рис. 13.17).
Это приводит также к уменьшению внешнего шума трамвая на 2—3 дБ (А)
на расстоянии 8,5 м от путей. В результате применения резиновых вставок
в колесах трамвая не получают каких-либо преимуществ на самых важных
низких частотах в сравнении с цельнометаллическими колесами. Средние
281
уровни воздушного шума внутри трамвая и разброс значений уровней при
нх измерениях приведены на рис. 13.18. Разброс значений шума связан не
только с конструкцией вагонов, но н с состоянием пути. При движении
трамвайных вагонов по асфальтированными путям и бетонным мостам
уровни шума могут увеличиваться до 9 дБ (А).
Рис. 13.17. Разность уровней звуко-
вой вибрации от трамваев, движу-
щихся со скоростью 40 км/ч по рель-
сам, уложенным на слой мелкого
щебня толщиной 4 см, и по рельсам
на резиновых прокладках толщиной
1,7 см.
/ — вагон с облегченными дисками колес;
2 — вагой с облегченными демпфирован-
ными дисками колес; 3 — вагон с коле-
сами, имеющими резиновую концевую
вставку; 4 —вагон с колесами, имеющими
две кольцевые резиновые вставки; 5 —
средний уровень.
Рис. 13.18. Усредненные третьоктав-
ные уровни внутреннего шума трам-
ваев, движущихся со скоростью
40 км/ч. Высота точек замеров 1,2 м.
/ — средние значения, 74 дБ(А); 2 —раз-
брос уровней.
13. А. СНИЖЕНИЕ ШУМА
Допустимые значения уровней внутреннего и внешнего воздуш-
ного шума для современного рельсового транспорта указаны в табл. 13.2.
Ниже приведены основные рекомендации по борьбе с шумом на рельсо-
вом транспорте:
а. Внешний шум, звуковая вибрация н внутренний шум в значительной
мере определяются состоянием поверхности рельсов и колес.
б. Стыки рельсов способствуют повышению уровней шума по сравне-
нию с бесстыковыми путями до 10 дБ.
в. Пневмошины на вагонных колесах метрополитена (парижский метро-
политен) в сравнении с цельнометаллическнми колесами современных ваго-
нов в акустическом плане не имеют существенных преимуществ.
г. Шум (визжащие тона), возникающий вследствие трения колеса
о рельс на закруглениях пути, а также при использовании колодочных тор-
мозов, можно снизить применением резиновых вставок в обод колеса и сма-
чиванием контактных поверхностей (временная мера).
д. Переход от щебеночной засыпки пути к укладке пути на бетонные
плиты и установке его на амортизаторы 'приводит к существенным измене-
ниям. уровней звуковой вибрации (от 4-8 до —10 дБ) и уровней воздуш-
ного шума (до 4-5 дБ).
282
Таблица 13.2. Допустимые уровни внутреннего и внешнего воздушного шума La
для современного рельсового транспорта при движении по путям
на щебеночной постели
Внутренний шум, ДБ (А) Внешний шум на расстоянии 25 м от путей и при высо- те 3,5 м над путями
Вид транспорта 60 км/ч 120 км/ч S № 120 км/ч £эк при 10 поездах в час
Скорый поезд, спальный вагон 50 60 80 90 75
Скорый поезд, «сидячий» вагон 60 70 80 90 75
Вагон-ресторан 60 70 80 90 75
Пассажирский поезд, сидячий вагон 60 70 80 90 70
Электропоезд 70 75 75 80 65
Метрополитен, открытое простран- ство 70 — 75 — 60
Метрополитен, тоннель 75 — 95 —
Трамвай 80 — 75 — 60
Электровоз, кабина машиниста 75 80 75 85 —
Тепловоз, кабина машиниста 80 85 80 90 —
е. Уровни .воздушного шума прн движении по мостам повышаются в за-
висимости от конструкции моста и системы крепления путей до 18 дБ по
сравнению с уровнями шума на открытых перегонах со щебеночной за-
сыпкой.
ж. Иммисия шума на расстоянии 100 м от рельсовых путей может быть
понижена на 15 дБ(А) с помощью устанавливаемых вблизи рельсов экра-
нирующих щнтов высотой около 2 м. Прн движении поездов в выемках
уровень шума уменьшается в зависимости от их глубины (от 3 до 15 м)
на 5—15 дБ (А).
з. На станциях метро шум разгона и торможения поездов может быть
снижен на 6 дБ (А) за счет использования звукопоглощающей облицовки
стен н потолков.
и. Степень передачи звуковых вибраций от рельсов иа соседние строе-
ния определяется системой крепления рельсов, особенностями конструкции
тоннеля н поглощающими свойствами грунта.
к. Передача звуковой вибрации от колеса к вагону и тем самым уро-
вень воздушного шума в нем зависят от способа крепления осей, от кон-
струкции тележки и способа крепления вагона к ней. При хорошей аморти-
зации осей дополнительная амортизация колес или использование пневмо-
амортизации вагона не приводит к дальнейшему повышению эффекта.
л. Уровень воздушного шума внутри вагона в первую очередь зависит
от звукоизоляции его корпуса.
м. Уровень воздушного шума в кабинах машинистов определяется шу-
мом двигателей, шумом качения, а также эффективностью средств шумо- и
виброглушения.
283
14. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА
В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Л. ШРАЙБЕР
14.1. ВВЕДЕНИЕ
Уровень звукового давления, созданный источником звука в од-
ной из точек свободного пространства («приемник»), зависит от особенно-
стей источника звука (спектр излучаемой звуковой мощности, характери-
стика направленности), от геометрии звукового поля (расположение «при-
емника» относительно источника звука, поверхности земли и объектов в зву-
ковом поле), от влияния земной поверхности и от погодных условий. Влия-
ние погоды тем сильнее, чем дальше удалены друг от друга источник звука
и приемник и чем ближе они находятся к поверхности земли. Поскольку
сила и направление ветра, температура, относительная влажность и давле-
ние воздуха подвержены нерегулярным изменениям в зависимости от места
и времени, в отношении ожидаемых уровней звука на больших расстояниях
от источника (более 100 м) можно делать лишь статистические оценки, при-
чем погрешность тем больше, чем значительнее расстояние до источника.
Ниже последовательно рассматриваются все факторы, влияющие на рас-
пространение звука, и приводятся рекомендации для учета их воздействия
при планировании шумозащитных мероприятий. Обычно, если нет особых
оговорок, исходят из следующих упрощений.
Линейность. Считается, что можно пренебречь нелинейными членами
волнового уравнения (1.28). Это условие практически всегда выполняется,
за исключением зоны, близко расположенной к исключительно мощным ис-
точникам звука.
Плоские звуковые волны. Считается, что звуковое давление р и колеба-
тельная скорость звуковой волны v связаны между собой равенством
р (() = ргоИ =/ТрД (14.1)
где рс — волновое сопротивление воздуха; I — интенсивность звука.
Если v является составляющей скорости в направлении распространения
звука, это условие не выполняется лишь в ближнем поле источника звука
(подраздел 1.2.1.3).
Некогерентность. Предполагается, что при наложении нескольких i зву-
ковых волн с эффективным звуковым давлением pi суммарное эффективное
звуковое давление ____
и тем самым суммарный уровень звукового давления
icy„=fl0lg£10°JM дБ (14.3)
При широкополосном шуме и усреднении во времени данное условие почти
всегда выполнимо.
Продолжительный шум. В этом случае используются энергетические
представления и усредненные во времени значения квадрата звукового дав-
ления. Выведенные зависимости применимы только для стационарных со-
284
стояний, но не для разовых кратковременных звуковых явлений (импуль-
сов). Если источники звука имеют изменяющиеся во времени уровни звуко-
вой мощности, указанные представления используются при условии усред-
нения во времени.
Точечные источники звука. Ниже рассмотрены сначала источники звука,
размеры которых малы по сравнению с расстоянием от источника звука до
приемника. Дороги и промышленные районы можно считать некогерентнымн
линейными илн плоскими источниками звука (подраздел 14.6.2).
14.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В СРЕДЕ
БЕЗ ПОГЛОЩЕНИЯ
С увеличением расстояния от источника звука излучаемая им
звуковая мощность Р распределяется на все большую площадь (исключе-
нием является распространение звука в канале). Интенсивность звука опре-
деляется как
dS
(14А)
Уровень звукового давления при беспрепятственном распространении звука
в среде без поглощения с увеличением расстояния от источника также моно-
тонно уменьшается. При этом говорят о «геометрически обусловленном па-
дении уровней» «геометрический спад уровня») или «падении уровня вслед-
ствие расходимости (дивергенции)» в отличие от ослабления звука из-за
поглощения в среде при его распространении (затухание).
14.2.1. Неограниченное звуковое поле
Источник звука, помещенный в начале сферических координат,
создает в невозмущенной однородной среде без поглощения в точке со сфе-
рическими координатами г, ф и 0 звуковое давление, квадрат которого оп-
ределяется из выражения
р’(г, ф, 0) = -Щ^(ф, 0), (14.5)
г dQ
дР
где ----(ф, 0)—звуковая мощность, излученная на единицу телесного
ЭЙ
угла в направлении (ф, 9).
Суммарная звуковая мощность, излученная таким источником звука,
4л
С ЬР
р= <14’6)
J du
о
При ненаправленном источнике звука излученная звуковая мощность
распределяется равномерно во всех направлениях. Тогда квадрат звукового
давления на расстоянии г будет
= <14-7)
а уровень звукового давления запишется в виде
L(r)^LP —11—201g — дБ, (14.8)
го
где Lp — уровень звуковой мощности источника при го=1 м.
Разница между уровнями звуковой мощности и звукового давления
в соответствии с уравнением (14.8) видна из рнс. 14.1.
285
Для направленного источника звука в уравнениях (14.7) и (14.8) вме-
сто действительно излученной звуковой мощности подставляется условная
звуковая мощность в соответствии с выражением
дР
РЧ- 8 = 4ялГ(ф’ 0,1 <14-9)
т. е. мощность ненаправленного источника, который создает в направлении
(q>, 0) такое же звуковое давление, как и направленный звуковой ис-
точник *.
В дальнейшем будут рассматриваться только ненаправленные источники.
Если источник размещен на боль-
Рис. 14.1. Разность уровней зву-
ковой мощности LP и звукового
давления L при ненаправленном
источнике звука в зависимости
от расстояния г в случае распро-
странения звука без поглощения.
При излучении звука только в верх-
нее полупространство (источник
на поверхности) значения ЛЬ
уменьшаются на 3 дБ,
шой звукоотражающей поверхности, то
излучаемая звуковая мощность распре-
деляется только в полупространство и
уровень звукового давления повышается
по сравнению с получаемым из уравне-
ния (14.8) на 3 дБ**.
14.2.2. Источник звука
над поверхностью
Если источник звука Q,
характеризуемый звуковой мощностью
Р, находится на высоте h над плоской
поверхностью (рнс. 14.2) с коэффици-
ентом звукопоглощения ав н коэффи-
циентом отражения р=1—ав, то кпри-
емнику Е наряду с прямым звуком от
источника поступит звук, отраженный
от поверхности, причем можно пред-
ставить, что это как бы прямой звук
от зеркального изображения действи-
тельного источника Q? со звуковой мощ-
ностью рР. Результатом этого является
повышение звукового давления у при-
емника Е. Если высота источника
звука н приемника над поверхностью
мала по сравнению с расстоянием
между ними, то считают, что источник
звука находится на поверхности земли,
так как в данном случае действительный источник звука и его зеркальное
отображение практически одинаково удалены от приемника н при падении
звука практически по касательной к поверхности р«1. Правда, для низких
частот действительный и зеркальный источник звука не всегда можно счи-
тать некогерентным (подраздел 14.4.1).
Необходимо учитывать повышение уровня звука в результате отраже-
ния в тех случаях, когда вблизи источника звука и приемника имеются до-
полнительные плоскости или поверхности (стены, здания, большие пред-
меты). Если отражающие плоскости н радиусы их кривизны велики по
сравнению с длиной звуковой волны, можно применять метод зеркального
отображения. В примере, приведенном на рнс. 14.3, за приемником распо-
ложена стена дома. От стены дома отражается как прямой звук от дей-
ствительного источника Q, так и звук от первого зеркального источника Q'.
На практике используют другие представления характеристики направленности
(например, индекс направленности), которые позволяют учитывать направленность из-
лучения непосредственно поправкой, к уровню звукового давления,— Прим. реЗ. перев.
** Мощность излучения источника вблизи отражающей поверхности удваивается,
кроме того, по сравнению с открытым пространством.— Прим. ред. перее.
286
Поэтому квадрат звукового давления у приемника приблизительно удваи-
вается по сравнению с изображенным на рис. И.2, т. е. уровень звукового
давления повышается на 3 дБ.
Повышение уровня звука в результате отражения прежде всего имеет
значение тогда, когда звук отражается в теневую зону, т. е. в зону, в ко-
торую не попадает прямой звук от источника.
Рис. 14.3. Отражение звука, излу-
чаемого действительным источни-
ком Q и его зеркальным отобра-
жением Q', от стенки, расположен-
ной за приемником Е, Уровень
звука повышается еще примерно
на 3 дБ по сравнению с уровнем
иа рис. 14.2.
Рис. 14.2. Зеркальное отра-
жение источника звука по
отношению к поверхности
земли или к другой плоской
поверхности.
14.2.3. Образование зоны звуковой тени
За звуконепроницаемыми препятствиями (стена, вал, холм, ряд
домов), размеры которых больше длины звуковой волны, образуется «зву-
ковая тень». Если звуковые волны прн своем распространении встречают
Рис. 14.4. Образование за звуконепроницаемым препят-
ствием зоны звуковой тени, в которую звуковые волны
попадают только вследствие дифракции.
препятствие и ие поглощаются им, они отражаются от него, изменяя направ-
ление распространения. Образуемая в результате звуковая тень, не является
абсолютной «зоной тишины», так как часть звуковых волн огибает кромки
препятствия (рис. 14.4).
Звуковое давление в теневой зоне может быть рассчитано на основе
законов дифракции [4]. Звуконепроницаемое прямолинейное препятствие,
имеющее большую протяженность в направлении, перпендикулярном направ-
лению распространения звука, обусловливает снижение уровня на прием-
287
нике за препятствием от точечного источника звука в сравнении со свобод-
ной звуковой волной, которое рассчитывается по следующей формуле:
/ /2nN \
Аа = 201g -^--= + 5 дБ. (14.10)
\ th/2nN /
Число Френеля N определяется нз выражения
2
N=± — (а + »~ <t),
(14.11)
где А, — длина волны; а + Ь — «свободный» путь от источника звука до при-
из расстояния от источника до верх-
ней кромки препятствия а и от верх-
ней кромки препятствия до прием-
ника о (так же определяется это
расстояние, когда препятствие ниже
визирной линии, направленной от
источника к приемнику); d — рас-
стояние по визирной линии от источ-
ника звука до приемника (рис. 14.5).
Формула (14.10) применима при
условии N>—0,2. Знак (—) перед
формулой (14.11) используется в том
случае, когда препятствие ниже ви-
зирной линии от источника звука до
приемника.
При малых числах Френеля сле-
дует использовать график на
рис. 14.5, где для этого случая при-
ведены откорректированные по ре-
емника за препятствием, складывается
Рис. 14.5. Зависимость снижения
уровней звука при использовании
очень длинного препятствия (экрана)
по сравнению с его свободным рас-
пространением от числа Френеля N.
Препятствие расположено перпенди-
кулярно визирной линии источник
звука — приемник.
1 — практически достигаемое максималь-
ное значение.
зультатам эксперимента значения
разности уровней А2. Однако при
малых теневых углах (0 на рис. 14.5)
часто наблюдаются существенные
отклонения фактически измеренных
значений от рассчитанных по фор-
муле (14.10) или определенных по
рис. 14.5 (подраздел 14.6.2).
Выполняя соответствующие рас-
четы, протяженные источники звука
(улицы, площадки с машинами)
подразделяют на более короткие.
При нескольких препятствиях, расположенных одно за другим, для
каждого следующего в качестве приемника принимают ближайшую точку hi
верхней кромке последующего (очередного) препятствия, лежащую в нт-
правлении визирной линии, соединяющей действительный источник с дейст-
вительным приемником, а в качестве источника для каждого следующею
препятствия принимают точку на верхней кромке предыдущего препятствия,
служившую ранее приемником.
14.2.4. Диффузное рассеяние
На небольших препятствиях, которые не являются причиной об-
разования ярко выраженной звуковой тени, часть падающей на них звуковой
мощности рассеивается в разных направлениях. Если между источником звука
и приемником располагается много таких препятствий, например деревья
(подраздел 14.4.2), машины, трубопроводы, то это рассеяние приводит к до-
288
полнительному снижению уровня звука (дополнительное затухание). Диффуз-
ное рассеяние может возникнуть также н в воздухе из-за неоднородности по-
следнего. Оно проявляется в дополнительном снижении уровня (при свобод-
ном распространении звука) или в повышении уровня в зоне звуковой теин.
14.3. ЗАТУХАНИЕ ЗВУКА В РЕЗУЛЬТАТЕ
ПОГЛОЩЕНИЯ (ДИССИПАЦИИ) В ВОЗДУХЕ
Воздух является поглощающей средой. Вследствие теплопровод-
ности и вязкости воздуха при распространении звука возникают потерн энер-
гии, объединяемые понятием «классическое поглощение». Эти потери, однако,
незначительны по сравнению с молекулярным поглощением, которое объясня-
ется процессами релаксации молекул в воздухе.
Снижение уровней звука в результате поглощения (диссипации) пропор-
ционально пройденному звуком отрезку цути. Числовые значения приведены
на диаграмме рис. 14.6 [3]. Аналитические выражения для расчета постоянной
затухания (затухание на единицу расстояния) приведены в работе [1]. В авиа-
ции для расчета распространения шума самолетов в воздухе используют бо-
лее высокие значения постоянной [5], которые получены опытным путем.
Влияние дождя, тумана и снега на затухание звука незначительно. Только
при очень густом тумане в лабораторных условиях было отмечено ощутимое
изменение затухания, в то время как натурные измерения не привели к ста-
тистически достоверным результатам, указывающим на изменение этой харак-
теристики. Однако слышимость источников звука при сильном тумане или
снежном покрове может быть выше из-за естественного понижения уровня
фонового шума.
14.4. ВЛИЯНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ПОЧВЫ, РАСТИТЕЛЬНОСТИ
И ЗАСТРОЙКИ НА РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА
При распространении звука вблизи поверхности земли ряд фак-
торов в дополнение к поглощению в воздухе обусловливают повышенное за-
тухание. Это затухание непропорционально расстоянию между источником
и приемником.
14.4.1. Дополнительное затухание звука
над поверхностью земли
Если источник звука находится над поверхностью земли, то на
приемнике прямой звук интерферирует со звуком, отраженным от земли (под-
раздел 14.2.2, рис. 14.2). Прн очень низких частотах (ниже 100 Гц) звуковые
давления обоих лучей сннфазно складываются и уровень звукового давления
превышает (до 3 дБ) уровень при некогерентных источниках. На высоких
частотах, наоборот, с падением звука в направлении, близком к касательной,
наблюдается значительное фазовое расхождение. В результате отраженный
звук в определенном диапазоне частот может не усилить, а почти полностью
подавить прямой. Этот диапазон частот зависит от высоты источника и при-
емника н расстояния между ними, а также от особенностей земной поверх-
ности. Описанное явление проиллюстрировано на примере одного из экспери-
ментов, проведенного над песчаной поверхностью (рис. 14.7).
При большом удалении от источника звуком, отраженным от поверхно-
сти земля можно пренебречь, т. е. считать, что просто происходит излучение
в открытое пространство.
10 Заказ № 740
289
Рис. 14.6. Зависимость постоянной затухания в воздухе от температуры для частот 125, 250, 500, 1000, 2000 и
4000 Гц при различной относительной влажности (в процентах).
а — постоянная затухания; Т — температура.
14.4.2. Дополнительное затухание звука в пространстве,
покрытом древесной растительностью
Звук, распространяясь по древесному массиву, сильно рассеива-
ется. Часть звуковой энергии теряется из-за поглощения почвой или листвой,
а часть рассеивается в атмосфере. Однако вблизи источника уровень звука
вследствие отражений может несколько повыситься (рис. 14.8).
Рис. 14.7. Зависимость снижения
уровня звука при измерениях над
песчаной поверхностью в направ-
лении ветра от частоты колебаний
в случае удаления от источника
звука г. Начальный уровень заме-
рен на расстоянии 5 м от источ-
ника. Источник звука (громкого-
воритель) и микрофон располага-
лись на высоте 5 м от поверхно-
сти земли.
Сведения, приводимые в литературе о дополнительном затухании звука
при наличии растительности, довольно сильно различаются. При оценке по
минимальным значениям для того, чтобы достичь ощутимого снижения уровня
звука (5—10 дБ), требуются довольно широкие полосы посадок (50 м и бо-
лее) с густой и крупной листвой. В зимнее время уровень звука при распро-
странении через лиственный лес снижается значительно меньше.
Рис. 14 8. Зависимость энерге-
тического эквивалентного уров-
ня длительного шума, приве-
денного к одинаковой плотно-
сти движения автотранспорта
(средние значения по боль-
шому числу измерений) от рас-
стояния до автострады при из-
мерении на лугу /ив лесу
(бору) 2. Высота установки
микрофона над поверхностью
земли 4 м.
L3(< — нормированный усредненный
уровень звукового давления, дБ(А).
Поскольку на дополнительное затухание звука в лесу существенное влия-
ние оказывает рассеяние, не совсем правильно считать, что затухание пропор-
ционально расстоянию. Тем не менее большинство авторов постоянную зату-
хания рассчитывают в децибелах на метр. Среднее значение постоянной зату-
хания для различных лесов можно принять [2]
алеск0,01 (f)1/3 дВ/м, (14.12)
где f — частота, Гц.
По другим данным среднее значение постоянной затухания почти не за-
висит от частоты и составляет примерно 25 дБ на 100 м?
10* 291
14.4.3. Дополнительное затухание звука
в застроенном пространстве
В застроенном пространстве уровень транспортного и производ-
ственного шума по сравнению со свободным пространством снижается силь-
нее ка 10—15 дБ (А). Спад уровнен шума может быть очень неравномерным
из-за влияния зон звуковой тени.
14.5. ВЛИЯНИЕ НЕОДНОРОДНОСТИ ВОЗДУХА
На больших расстояниях от источника звука измеренные уровни
могут существенно отклоняться как в большую, так н особенно в меньшую
сторону от тех значений, которые можно было ожидать вследствие «геомет-
рического падения уровня», рассеяния в воздухе, «затенения» или поглощения
звука почвой. Это объясняется тем, что воздух не является однородной непо-
движной средой.
14.5.1. Градиент скорости ветра
Из опыта известно, что сильное влияние на распространение
звука имеет направление ветра. Звук по ветру слышен на более далеком рас-
стоянии, чем против ветра. Это объясняется тем, что движение воздуха у по-
верхности земли замедляется из-за тре-
ния и наличия препятствий. Скорость
ветра возрастает с увеличением высоты.
Скорость звука относительно поверхно-
сти слагается из скорости звука в непо-
движной среде и скорости движения воз-
духа, поэтому звуковые волны с высо-
той распространяются по ветру быстрее,
против ветра — медленнее. Звуковой луч
по ветру преломляется по направлению
к земле, а против ветра — от земли
(рнс. 14.9)* На звук, преломляющийся
Рис. 14.9. Отклонение звуковых лучей по ветру (/) и против ветра (2).
Рис. 14.10. Усредненное изменение градиента скорости ветра в полночь
(/) и в полдень (2) при изменении высоты
Гс—градиент скорости ветра на 100 м высоты, м/с; йср—средняя высота слоев
воздуха толщиной по 10 м каждый над поверхностью земли, м.
к земле, влияют наличие растительности, застроек, а также неровности по-
верхности и другие препятствия. В результате этого затухание звука может
уменьшиться или исчезнуть. Напротив, при распространении звука против
ветра образуется теневая зона, в которую прямой звук вообще не попадает.
При постоянном градиенте скорости ветра c'=dc/dz (z—высота над поверх-
292
ностью) звуковые лучи образуют ряд криволинейных линий, которые можно
приближенно описать дугой окружности радиусом
Як ------, (14.13)
с' COS ф
где ср — угол между направлением ветра и направлением приемник — ис-
точник.
Для градиента скорости ветра 0,1 м/с на 1 м высоты радиус кривизны
составляет около 3,4 км. Расстояние Хз от источника звука, находящегося на
высоте Zg над поверхностью, до границы те-
невой зоны при расположения приемника на
высоте zE можно рассчитать по формуле
* у с cos ф 4 '
Если приемник и источник звука распо-
ложены на высоте 5 м над поверхностью,
а градиент скорости ветра составляет 0,1 м/с
на 1 м высоты, то граница теневой зоны рас-
полагается на расстоянии примерно 370 м от
источника. Граница теневой зоны, как пра-
вило, нерезко выражена. Существует пере-
ходная зона, в которой падение уровня звука
происходит более или менее быстро.
Градиент скорости ветра, как правило,
зависит от высоты. Некоторые значения гра-
диента ветра приведены на рис. 14.10.
14.5.2. Температурный градиент
Скорость звука пропорциональна
корню нз абсолютной температуры, поэтому
распространение звука зависит от наличия
в атмосфере слоев воздуха с различной тем-
пературой. Однако такая зависимость значи-
тельно слабее влияния градиента скорости
ветра. В ясную ночь, когда поверхность
земли остывает, наблюдается температурная
инверсия. С увеличением высоты температура
и скорость звука возрастают и звуковые вол-
ны (так же, как при распространении по
ветру) преломляются в направлении к земле.
Днем, когда земля прогревается солнечными
Рис. 14.11. Усредненная за-
висимость температурного
градиента воздушного слоя
высотой 7—17 м над по-
верхностью от времени су-
ток для января (/) и июня
(2).
Г -р— градиент температуры на
100 м высоты.
/ — восход солнца в нюне; ZZ —
восход солнца в январе; III —
заход солнца в январе; IV —
заход солнца в июне.
лучами, температура по мере
увеличения высоты уменьшается, звуковые лучи отклоняются вверх и вокруг
источника звука, образуется (при безветрии) круговая граница тени. Иначе
говоря, звуковые лучи независимо от направления распространения при оп-
ределенном расстоянии от источника не достигают поверхности земли. Две
кривые изменения температурного градиента в течение суток приведены на
рис. 14.11.
Если результаты влияния градиента скорости ветра и температурного гра-
диента взаимно дополняются, то расстояние от источника звука до границы
тени определяется по формуле
-----тНУъ+Г'Л <14Лб)
--COS ф-
где Т'— температурный градиент; Го — абсолютная температура, К.
293
Рекомендации по оценке падения уровней звука в зависимости от темпе-
ратурного градиента и. градиента скорости ветра в переходной и теневой зо-
нах указаны в работе [6].
Градиент скорости ветра н температурный градиент могут резко изме-
няться с увеличением высоты и расстояния до источника. При необычных по-
годных условиях на высоте от нескольких сотен метров до нескольких кило-
метров иногда образуются звукопроводящие слои, а на поверхности земли за
теневой зоной возникает зона с повышенными уровнями звука.
14.5.3. Турбулентность
При порывистом ветре, т. е. при неустойчивой турбулентной ат-
мосфере, в направлении ветра наблюдается дополнительное неравномерное
падение уровней, что приводит к их резким флюктуациям [6].
14.6. УЧЕТ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ
ПРИ РАСПРОСТРАНЕНИИ ЗВУКА
14.6.1. Локальные источники звука
Разница между уровнем звуковой мощности LP ненаправленного
источника звука у поверхности земли и уровнем звукового давления L (г) на
расстоянии г, м складывается из падения уровня в результате расходимости,
из повышения уровня вследствие отражения и из спада уровня, вызванного
дополнительным затуханием, которое обусловлено различными факторами
(все уровни в децибелах):
L(r)=Lp-8-20Jgr + 41-^3-.B(/)r-C'(r)-D(r), (14.16)
где At—повышение уровня при отражении звука от земли (первое отраже-
ние исключается, так как оно уже учтено во втором члене); Д2 — падение
уровня в результате «затенения^; В (?) — спад уровня на каждый метр рас-
стояния при рассеянии звука в воздухе; С(г) —спад уровня в результате за-
тухания под влиянием особенностей поверхности земли, растительности и за-
стройки; D(r) —спад уровня при затухании из-за воздействия погодных ус-
ловий.
Отдельные члены формулы (14.16) взаимозависимы
14.6.1.1. Повышение уровня в результате отражения. Если отражающие
поверхности расположены очень близко от источника звука или приемника,
то на каждое отражение следует увеличивать уровень звука приемника
на 3 дБ.
14.6.1.2. Падение уровня в результате затенения. Для зеркально отражен-
ных источников звука снижение уровней вследствие затенения может быть
значительно меньше, чем для действительных источников, т- е. при экраниро-
вания следует особо учитывать все зеркально отраженные источники.
Падение уровней'от препятствия можно рассчитать с помощью диаграмм,
показанных на рнс. 14.12. По этим диаграммам получаются несколько более
низкие значения, чем на рис. 14.5. Это объясняется тем, что в последнем гра-
фике не учтено влияние поверхности земли. Для расчета снижения транспорт-
ного и широкополосного производственного шума можно на диаграмме
рнс. 13.12 принимать расчетную частоту равной 500 Гц. Шумы, спектр кото-
рых содержит в основном высокочастотные составляющие, в случае использо-
вания указанного выше метода будут иметь завышенные уровни на прием-
нике, а очень низкочастотные шумы (например, шум трансформатора) —
заниженные уровни. Создавая диаграммы, представленные на рнс. 14.12,
294
Рис. 14.12. Расчет падения уровней звука на препятствии: а — диа-
грамма для расчета падения уровней на протяженном препятствии; б —
диаграмма для расчета вспомогательных параметров Zi и
1 — источник звука; 3 — звуковой экран; 3 — приемник.
Я —высота экрана, м-, R — расстояние от источника шума до препятствия, м;
D — расстояние от препятствия до приемника, м; Zi и гг — компоненты показа-
теля экранирования.
295
предполагали, что звук распространяется прямолинейно. При инверсии темпе-
ратуры и встречном ветре эффективная высота препятствия уменьшается в ре-
зультате искривления звуковых лучей вниз. Поэтому рекомендуется в качестве
эффективной высоты препятствия принимать не высоту h над прямой, соеди-
няющей источник звука н приемник, а высоту h’ над базовой дугой окружно-
сти с радиусом 5000 м, проходящей через центр источника и центр приемника
(рис. 14.13). На рис. 14.14 приведена высота таких дуг над прямыми, соеди-
няющими источник звука и приемник прн различных расстояниях между
ними.
Падение уровней в результате образования теневых зон, определяемое
влиянием градиентов скорости ветра и температуры, а также под воздей-
ствием препятствий взаимозависимо. При совместном влиянии обусловливаю-
щих факторов такое падение всегда
ниже, чем сумма эффектов при их раз-
дельном влиянии.
Падение уровней вследствие зате-
нения и под воздействием особенностей
поверхности также взаимозависимо. При
Рис. 14.13. Метод построения базовой
соты h' препятствия 1 вместо высоты h.
Q — источник звука; Е — приемник,
Рис. 14.14. Зависимость высоты базовой дуги Лд над прямой, соединяющей ис-
точник звука и приемник, от удаления от источника или от приемника. Пара-
метр — расстояние между источником и приемником.
очень малых теневых углах (9 на рис. 14.5) с помощью препятствия можно
в ряде случаев ослабить только звуковой луч, отраженный от поверхности
(подраздел 14.4.1). Если препятствие низкое, уровень звука может иногда
даже повыситься. При высоких препятствиях влияние поверхности умень-
шается, так как иа уровень звука мало влияет звуковой луч, распространяю-
щийся вблизи поверхности.
14.6.1.8, Ослабление уровней в результате рассеяния в воздухе. При пла-
нировании мер по борьбе с шумом рекомендуется использовать в расчетах
значения затухания в воздухе на 1 м пути при 15° С и относительной влаж-
ности 70%, приведенные ниже:
f, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000
В дБ/м 0,2 0.3 0,7 1,6 4,0 9,7 27,6
Затухание звука, вызванное турбулентностью, туманом и подобными ат-
мосферными условиями, учитывать при расчетах не следует;
14.6.1.4. Влияние поверхности, растительности, застройки. Определяя
влияние указанных факторов, необходимо различать следующие случаи:
а) звук распространяется не вблизи поверхности земли (например, между ис-
точником и приемником находится долина). Тогда С(г)=б; б) источник и
приемник удалены один от другого на большое расстояние (г>500 м). Для
открытого пространства С(г)=3 дБ в связи с отсутствием звуковой волны,
отраженной от поверхности земли. С затуханием звука, вызванным влиянием
растительности и застройки, следует считаться только в том случае, когда он
распространяется через ннх. Тогда предлагается построить вспомогательную
дугу радиусом 5000 м, проходящую через источник и приемник, и не прини-
296
мать во внимание растительность и застройку, оказавшуюся ниже этой дуги;
в) расстояние между источником и приемником меньше 500 м. В этом случае
в открытом пространстве существенна интерференция прямого звука и звука,
отраженного от земли. В диапазоне частот 100 Гц С(г) изменяется от 0
до —3 дБ, а для частот />100 Гц — от 0 до 3 дБ.
14.6.1.5. Воздействие погодных условий. С увеличением расстояния от источ-
ника звука влияние погодных условий на уровни звука все более увеличи-
вается (рис. 14,15). Вследствие
инверсии скорости ветра н темпе-
ратуры при небольшой скорости
ветра и устойчивой погоде уровни
звука достигают максимальных
значений, которые, правда, ни-
когда практически не превышают
уровней, обусловленных «геомет-
рическим спадом», с учетом
искривления звуковых лучей и
ослабления, вызванного поглоще-
нием в воздухе (подраздел
14.6.1.2). Прн планировании меро-
приятия по снижению шума це-
лесообразно принимать в расчет
последние. Если желательно все
же учесть погодные условия, ре-
комендуется использовать следую-
щее выражение:
где г — расстояние, м.
Сравнение результатов расче-
тов по этой формуле с данными
многочисленных измерений «энер-
Рис. 14.15. Зависимость изменения уров-
ней звука, измеренных около промыш-
гетического среднего годового
уровня» показывает, что значение
расчетных данных примерно на
2 дБ выше. «Энергетический сред-
ний годовой уровень» — это уро-
вень, который соответствует сред-
ним значениям квадрата звуко-
вого давления, полученного в ре-
зультате многочисленных измере-
ний в различное время суток и
ленных установок с практически неиз-
мененной звуковой мощностью по отно-
шению к их энергетическому среднему
(за год) значению о.т расстояния до ус-
тановки при различной высоте измере-
ний h.
L—icp—разность между измеренным уров-
нем в дБ(А) и энергетическим средним уров-
нем; / — расстояние от «акустически средней»
точки установки.
время года прн разных погодных
условиях. Значения D(r), рассчитанные но формуле (14.17), в натурных усло-
виях даже в случае самых неблагоприятных погодных условий, оказываются
выше не более чем на 3 дБ. Формула (14.17) выводилась из условия исполь-
зования ее для расчета широкополосных производственных шумов в дБ (А).
Можно предположить, что D(r) в определенной степени не зависит от частоты.
D(r) =
1
14.6.2. Линейные и плоские источники звука
Транспортные пути (улицы, дороги, железные дороги) и про-
мышленные предприятия и районы представляют собой концентрированное
скопление источников звука, распределенных по линии или на плоскости. Уро-
вень звукового давления в зоне действия этих источников рассчитывается по
формуле (14.3) исходя из уровней отдельных источников звука.
297
Транспортные пути или их отрезки можно рассматривать при расчетах
как равномерно распределенные некогерентные линейные источники звука,
а промышленные районы —как некогерентные плоские источники звука.
В частности, имеются в виду расчеты среднего временного значения квадрата
звукового давления или энергетически эквивалентного уровня длительного
шума (усредненный уровень) по уравнению (5.5).
Ниже приведены некоторые формулы и рекомендации. В случае излуче-
ния звука бесконечным линейным источником его уровень А (г) по мере уда-
ления от источника в среде без поглощения снижается на 3 дБ при каждом
удвоении расстояния (цилиндрическая волна):
ГИ = Л(г1)-10|е('-Ч'] = Лр.-Г1018(—) + з1 дБ, (14.18)
\ ri J L \ ro / J
где ^-(ri) —уровень звукового давления па расстоянии r(; Lp —уровень зву-
ковой мощности, излучаемой участком источника длиной 1 м; го=1 м.
Рис. 14.16. Линейный источ-
ник звука конечной длины.
Рис. 14.17. Падение уровня звука, обу-
словленное экранированием точечного
(I) и линейного (2) источников.
Уровень звукового давления, создаваемый отдельными частями линейного
источника в среде без поглощения (рис. 14.16), рассчитывается по формуле
L(r) = Lp, + [101g(^-j-3] дБ, (14.19)
где Да=аг—at.
Каждая часть такого линейного источника, видная со стороны приемника
под одинаковыми углами Да, обусловливает равноценный вклад в уровень
звука (в среде без поглощения).
Для расчета уровня звука, создаваемого линейным источником конечной
длины I при расстоянии от центра источника до приемника а>1/л, можно
также использовать равенство
L (a)-LP-8-201g^j дБ. (14.20)
Ослабление уровней звука с увеличением расстояния в результате погло-
щения при излучении очень длинных линейных источников несколько больше,
чем при излучении точечных источников (случай, когда поглощение пропор-
ционально расстоянию). У дорог, не приподнятых над поверхностью земли,
ослабление уровней в результате влияния поверхности сравнительно высоко.
Оно составляет около 6 дБ (А) при каждом удвоении расстояния до 200 м,
в то время как «геометрический спад» равен 3 дБ(А)—см. рис. 14.8. При
расчете экранирующих устройств, расположенных параллельно линейным ис-
точникам звука, следует учитывать, что число Френеля для неперпендику-
298
лярных препятствию сечений (проводимых через источник и приемник)
меньше, чем для перпендикулярных. Поэтому падение уровня на препятствии
при равной высоте и одинаковом расстоянии от него для линейного источ-
ника ниже, чем для точечного (рис. 14.17).
Уровень звукового давления плоских источников вблизи от них умень-
шается весьма медленно. Лишь с удалением от источника на расстояние
г £>0,4^5 можно использовать для расчетов в среде без поглощения фор-
мулы (14.8), (14.20) или следующее выражение:
A- LP«- 11-Ю lg~ дБ,
(14.21)
где Lp —уровень звуковой мощности, излученный иа 1 м2 площади; S—
площадь источника звука.
14.7. ЛИТЕРАТУРА
1. Bass Н. Е., Bauer H.-J., Evans L. В. Atmospheric absorption of sound:
Analytical expressions.—J. Acoust. Soc. Amer, 52, 1972. 821—"825
2. Beranek L. L. '(Hrsg,b.): Noise and vibration control (Chapter 7: Sound
Propagation Outdoors). New York, McGraw-Hill, 1971.
3. Harris С. M. Absorption of air versus humidity and temperature.— J.
Acoust. Amer. Soc., 40, 1966, 148—159.
4. Kurse U. J., Anderson G. S. Sound attenuation by barriers,— Applied
Acoustics, 4, 1971, 56—74.
5. Society of automotive engineers: Aerospace recommended practice.—
ARP 866 “Standard values for atmospheric absorption as a function of tem-
perature and humidity for use in evaluating aircraft flyover noise". Aug. 1964.
6. Wiener F. M., Keast D. N. Experimental study of the propagation of
sound over ground.— J. Acoust. Soc., 31, 1959, 724—733.
15. ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ
Ф. МЕХЕЛЬ
15.1. ВВЕДЕНИЕ
Под звукопоглощением понимается преобразование звуковой
энергии в тепловую при падении звуковых волн на ограждение помещений.
Глушители, имеющие открытые отверстия и каналы, ослабляют звук на пути
его распространения в результате поглощения звука или его отражения.
Звукопоглощение характеризуется, как правило, коэффициентом
поглощенная энергия
падающая энергия
(1Б.1)
Эту величину при нормальном падении звука на поверхность материала отно-
сительно легко измерить в акустически жесткой трубе с помощью акустиче-
ского интерферометра (рис. 3.4). Если же рассматривать звук, падающий на
поверхность со всех направлений, то определение коэффициента звукопогло-
щения по формуле (15.1) становится более затруднительным. Как правило,
299
в таком случае используют реверберационный метод и специальную ревербе-
рационную камеру, с помощью которых получают так называемый коэффи-
циент звукопоглощения по Сэбину асэб. Этот коэффициент при малых зна-
чениях хорошо соответствует формуле (15.1), ио при значениях а>0,8 воз-
можны значительные расхождения. Тем не менее коэффициент звукопоглоще-
ния асэб широко применяется на практике, прежде всего из-за простоты его
измерения. Известно значение данного коэффициента для наиболее часто ис-
пользуемых конструкций.
Во многих случ.аях (например, прн разработке схем звукопоглощения по-
мещений) эмпирический метод измерения коэффициента звукопоглощения не
совсем пригоден, так как он предлагает только количественные оценки влия-
ния отдельных параметров на звукопоглощение конструкции. Более целесо-
образно определить частотную характеристику коэффициента звукопоглоще-
ния исходя непосредственно из данных о материале и конструктивных осо-
бенностей схемы звукопоглощения. Основная задача настоящего раздела —
описание таких методов.
Наиболее часто встречаются при последующем изложении следующие па-
раметры: постоянная распространения Г и волновое сопротивление Za пори-
стых звукопоглотителей, входной импеданс стенки Zi со звукопоглотителем.
Знание Г и Za необходимо потому, что эти параметры позволяют доста-
точно полно описать пористые поглотители. Например, они дают возмож-
ность рассчитать звукоизоляции) толстых пористых слоев или. эффективность
звукопоглощающего материала, находящегося между двумя стенками. Зна-
ние Zj, необходимо, чтобы на основе принципа согласования [уравнение
(1.43)] вывести коэффициенты отражения и поглощения (раздел 15.3). Кроме
того, как показано в разделе 16, знание импеданса стенки или его обратной
величины—проводимости — имеет решающее значение при определении шу-
моглушения в каналах.
15.2. ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ
И КОНСТРУКЦИИ
В наиболее распространенных схемах звукопоглощения приме-
няют следующие звукопоглощающие материалы и конструкции:
пористые звукопоглотители (например, волокнистые или пенопластовые
с открытыми порами);
резонансные звукопоглотители (как правило, в виде резонаторов Гельм-
гольца) — см. рнс. 15.8;
панельные звукопоглотители (из задемпфнрованных пластин, работающих
в условиях резонансных колебаний);
комбинации из указанных выше поглотителей.
15.2.1. Пористые поглотители
Известны поглотители в виде плит, войлока или формованных
элементов, изготовляемых из стекловолокна, минерального волокна и органи-
ческих волокон (древесная масса, кокс, шерсть), а также из пенопласта с от-
крытыми порами (часто пенополиуретан). В настоящем разделе рассматри-
ваются в основном волокнистые поглотители, так как поглотители из пено-
пласта с открытыми порами пока еще изготовляются по довольно сложной
технологии. Однако многие результаты, связанные с использованием волокни-
стых материалов, могут быть распространены и на пенопластовые поглотители.
15.2.1.1. Структура волокнистых поглотителей. Наиболее часто применяе-
мые волокнистые поглотители из стекло- или минераловолокна состоят из во-
локон диаметром примерно от 2 до 20 мкм, а чаще всего от 4 до 10 мкм.
Особенности технологии изготовления плит из минераловолокйа таковы, что
волокна укладываются послойно, иными словами, параллельно поверхности
плиты, хотя их ориентация в плоскости плиты носит статический характер.
300
Структурная анизотропия плит волокнистого поглотителя приводит к аку-
стической неоднородности свойств, которая характеризуется неоднозначностью
таких показателей, как сопротивление потоку, декремент затухания для раз-
ных направлений. Однако на наиболее важные показатели — волновое сопро-
тивление _Z0 и постоянную распространения Г—анизотропия влияет очень
слабо. Практически волокнистые поглотители можно рассматривать как ани-
зотропные.
Волокна в плите поглотителя взаимно скрепляются в местах перекрещи-
вания синтетическими смолами (например, фенольными). В большинстве слу-
чаев плиты содержат некоторое количество гранулированного наполнителя
(диаметром менее 100 мкм) — от 10 до 30% от массы волокна, который бо-
лее пли менее равномерно распределен по объему плиты или сосредоточен
па концах волокон.
Наполнитель способствует акустической изотропии и увеличению потерь
в материале.
Объемная масса волокнистых поглотителей из стекло- и мннераловолокна
составляет обычно 30—200 кг/м8, чаще всего от 80 до 130 кг/м3. Плотность
стекла равна около 2,4 г/см8, поэтому пористость волокнистых поглотителей
о —отношение объема пор к общему объему материала — достигает обычно
95—98%. Поры таких поглотителей в отличие от пор пенопластов практиче-
ски все взаимно соединены (открытые поры), и воздух в них полностью
включается в процесс распространения звука.
15.2.1.2. Механизм действия волокнистых поглотителей. Переменное дав-
ление в звуковой волне приводит к возвратно-поступательным колебательным
движениям воздуха в порах звукопоглотителя. При обтекании воздухом во-
локон поглотителя возникают вязкие силы трения, а также специфические
потери звука в местах сужения и изломов пор между волокнами-. Это основ-
ные причины поглощения акустической энергии при распространении звука
поперек волокна и на высоких частотах.
В поле звуковой волны воздух попеременно сжимается н расширяется.
При- этом изменяется температура воздуха. Вследствие хорошего его контакта
с большой площадью волокон и их относительно высокой теплопроводности
наблюдается интенсивный теплообмен между воздухом и волокнами. На низ-
ких частотах это приводит к изотермическому процессу сжатия воздуха вме-
сто обычного адиабатического. В процессе перехода нз одной формы состоя-
ния в другую в результате теплообмена с волокнами возникают тепловые по-
тери. Они особенно велики при распространении звука параллельно волокнам.
Наконец, на поглощение акустической энергии за счет пористого звуко-
поглотнтеля может повлиять третий механизм потерь энергии. Это колебания
волокон (каркаса пористого поглотителя), возбуждаемые трением воздуха.
Насколько можно предположить на основе исследований, колебания волокон
имеют значение на частотах ниже 300 Гц. Вряд ли следует ожидать резо-
нанса всего каркаса поглотителя, так как диаметр волокон в поглотителе,
особенности их взаимного контакта н площадь контактов очень разнооб-
разны, Поэтому все поглотители теоретически рассматриваются исходя из
предположения, что они имеют жесткий каркас.
15.2.1.3. Расчет постоянной распространения и волнового сопротивления.
Целью теории поглотителей является описание распространения звука в по-
ристых поглотителях или вывод формул для расчета постоянной распростра-
нения^ и волнового сопротивления Za плоской волны. Эти величины опреде-
ляются нз следующих формул:
/ л л — Гх fat
р(х, 0 = ре ~ е , (15.2)
Р(х, О9 = t')y. (15.3)
Волновое сопротивление Za в соответствии с формулой (15.3) выведено
нз условия, что входящие в формулу параметры пространственно усредняются
в направлении, перпендикулярном распространению звуковой волны, в доста-
точно большой области по сравнению с размерами поглотителя.
301
Пористый поглотитель описывается также эквивалентной (комплексной)
плотностью р9ф и эквивалентным (комплексным) модулем сжатия (объемной
упругости) Кэф воздуха в порах (обе величины пространственно усреднены):
£ = /®/р,*«эФ. (|5Л)
15.2.1.4. Теория квазиоднор.одного поглотителя. Сложность разработки
любой теории поглотителя заключается в установлении простых и достаточно
точных взаимосвязей характеристик поглотителя. Теория квазиоднородного
поглотителя (ТКП) в интересах простоты отказывается от учета почти всех
характеристик структуры поглотителя. Исключение составляет условие, со-
гласно которому элементы структуры (волокна и поры) должны распреде-
ляться равномерно и быть небольшими по сравнению с длиной волны.
К параметрам, которые использует ТКП наряду с пористостью о, отно-
сятся аэрогидродинамическое сопротивление г (иногда обозначаемое 3) и
структурная постоянная %. Удельное аэрогидродинамическое сопротивление
определяется из формулы
____1 Др
vx tax ’
(15.6)
где Др — перепад давлений на участке Дх; vx — скорость в поглотителе (в ус-
ловиях статики — скорость потока) в направлении х.
Единицы измерения г : IT • с • м'4= Ю-3 дин-с • см-4= 10-3 рел/см.
Структурная постоянная % находится нз уравнения равновесия
Ро dux । др
(15.7)
о dt дх
В то время как для волокнистых поглотителей %«1, для пенопластов
y^Vk/Ув (Уь — это объем воздуха, участвующего в сжатии под воздей-
ствием звуковой волны, a Vb— объем воздуха, ускоряющегося под воздей-
ствием звуковой волны). В последнем случае обычно %>1. Однако эта вели-
чина может зависеть от частоты, что затрудняет ее определение (подраз-
дел 15.2.1.7). Из формул (15,2) и (15.7) с учетом условий неразрывности
[уравнение (1.236)]
Ро = i a? „ея,
р дх сг dt ' ( S'8)
получим
j(0 .--------- 1 _________
£= -у- /%(!-№) и га = рос~/%(1-)7Й). (15.9)
В формуле (15.9) Q = oxpo/ra —это вспомогательная величина, найденная
из отношения инерционной силы сохро/сг к силе трения г (т. е. своего рода
разность числа Рейнольдса), а с—скорость звука. Поскольку ТКП не позво-
ляет получить какие-либо сведения о переходе от адиабатической скорости
звука Со (скорость звука в открытом пространстве) к изотермической скоро-
сти звука Ci<co, данный эффект следует учесть в- дальнейшем. Используя
понятия Ао = и/со и Zo = poCo, можно записать следующие выражения:
= / /хн'(1~№); УЖ' (15.10)
302
У основных волокнистых поглотителей х«1, о~1, Po^l,2 кг/м3 и
5- 10-3<r<0,2 (Н с• см-4), т. е. Q> 1, в связи с чем получим
Z^/Z,. pU(l-/r/2mp„). (15.11)
В этих равенствах на высоких частотах %'=1,4, а на низких частотах
у/=1,0. Граница между понятиями «низкие» и «высокие» частоты проходит
в интервале между 100 и 300 Гц.
Разложив коэффициент распространения Т=Г'+}Г" на две составляю-
щие— коэффициент затухания Г' и волновое число Г"=а>1са (с —фазовая
скорость звука в поглотителе), на основе анализа формул (15.9) — (15.11)
можно сделать следующие выводы (рис. 15.1 и 15.2):
1. На высоких частотах (соЗ>г/2ро) волновое сопротивление поглотителя
стремится к значению Z -*-Z<>I<j. У высокопористых поглотителей (сг~1) оно
хорошо согласуется с сопротивлением окружающей среды. Частота, па кото-
рой наблюдается хорошее согласование, тем ниже, чем меньше удельное аэро-
гидродинамическое сопротивление г.
2. Реактивная часть волнового сопротивления является упругой характе-
ристикой (ImZ <0).
3. Рассогласованность на низких частотах обусловлена прежде всего ре-
активной, а не активной частью волнового сопротивления.
4. Фазовая скорость звука в поглотителе са всегда меньше скорости звука
в открытом пространстве с0 (на низких частотахса = -ь На высо-
ких частотах (со>г/2ро) значение с приближается к Со.
5. Затухание звука в поглотителе, отнесенное к длине волны звука в от-
крытом пространстве на низких частотах, обратно пропорционально частоте
Г'Х0 = 2лГ7^о ~ я УкУ/а/арх — 4,34а 1/ — г//р0 дБ, (15.12)
а затухание на единицу длины по толщине поглотителя приблизительно по-
стоянно ----
Г' к 4,34а 1/ дБ/м, (15.12а)
~ V 7. Z. 0
где г — в Н-с-м-4, Zo — в Н • с • м-3, а / — в Гц. Зависимость от частоты х'
приведена выше, а частотные характеристики для % и г указаны в разделе
6. Для хорошего согласования сопротивления поглотителя с сопротивле-
нием окружающей среды, а также для высокого затухания нужно, чтобы зна-
чения а н % по возможности были близки к единице. В то же время требова-
ния к удельному аэродинамическому сопротивлению г в отношении хорошего
согласования и повышенного затухания оказываются различными.
15.2.1.5. Модель Рэлея. Эта модель заменяет реальный поглотитель со-
вокупностью цилиндрических отверстий радиусом а, параллельных направле-
нию распространения звука в материале поглотителя. Число отверстий
в материале поглотителя вначале не принимается во внимание, так как рас-
сматривается распространение звука в одном отдельно взятом отверстии. В ре-
зультате расчета определяется-постоянная распространения Г звуковой волны
в отверстии (и в поглотителе) и волновое сопротивление Z'a сечения отвер-
стия по отношению к усредненной скорости. Входное волновое сопротивление
поглотителя в таком случае j
= <15J3)
где а — пористость реального поглотителя, модель которого используется
в расчете.
303
Рис. 15.1. Нормированная
распространения пористого
соответствующая теории квазиоднород-
ного поглотителя (в функции от £2) и
модели Рэлея (в функции от ц).
постоянная
поглотителя,
Рис. 15.2. Нормированное волновое сопротивление пористого поглоти-
теля, соответствующее теории квазноднородного поглотителя (в функ-
ции Q) и модели Рэлея (в функции от ц). Параметр — пористость ст.
Если допустить в первом приближении, что вязкость влияет только на эф-
фективную плотность рэф, а теплообмен с пористой стенкой — только на эф-
фективный модуль сжатия /Сэф воздуха в порах, то модель Рэлея приводит
к следующим выражениям [5]:
£эф ~
Ро_______________
2 It (ц
(15.14)
58Ф =
*'PS
2(x'+l)/i (Вц/—1)
BpV — i'«(flii V — i'i
(15.15)
где
В =
1,0 (для воздуха),
(15.16а)
|i = а Vтр„Л)
(Л — динамическая вязкость воздуха, кг/м -с; ро— плотность воздуха, кг/мэ;
а —радиус пор, м; Jo и Ji — функции Бесселя нулевого и первого порядков;
/ — коэффициент теплопроводности воздуха, м2/с; — статическое давление
воздуха).
По формулам (15.4) и (15.5) рассчитывается коэффициент распростране-
ния Г и волновое сопротивление Za.
Параметр ц, как и Q, выражает отношение инерционных сил к силе тре-
ния. Величина ц<С1 свидетельствует о ламинарности потока в порах, что по-
зволяет применить формулу Пуасселя
(15.166)
(15.17а)
и соответствующие приближенные зависимости
(15.176)
(15.17в)
Если ц.» 1, что говорит о наличии турбулентности, то можно использо-
вать трактовку Гельмгольца
— (2ч®Р»)’/2.
са
(15.18а)
а также следующие приближенные выражения:
Ьф ~ Р(
(15.186)
(15.18в)
Сэф ~ з Ро L
Ъ^Р,
8
305
Показатели наиболее широко применяемых звукопоглощающих материа-
лов в общепринятом диапазоне частот не соответствуют самым малым и са-
мым большим значениям ц.
Результаты расчета Г и Za по формулам (15.4), (15.5), (15.14) и (15.15)
приведены на рис. 15.1 и 15.2. Для сравнения на этих же рисунках нанесены
кривые, рассчитанные по формуле (15.10) в соответствии с теорией квазиод-
нородного поглотителя. Если известна величина р, (т. с. эффективный радиус
пор), то из рисунков можно непосредственно получить значения Г н Za (под-
раздел 15.2.1.7).
15.2.1.6. Статистически усредненные величины для волокнистых поглоти-
телей. В работе [3] в результате большого числа измерений выпускаемых про-
мышленностью волокнистых звукопоглощающих материалов выведены фор-
мулы для расчета коэффициента распространения Г=Г'-\-]Г" и волнового
сопротивления Za=R +jXa'-
R„/Z0 = l + 0,0571 (р„ГгГ°’7Я.
X«/Z„ = 0,0870 ШИ”0'732,
ГХ = 0,189 М/г)”0'596,
Г'/fe» = 1 + 0,0978(р»-°'™“.
(15.19)
(15.20)
(15.21)
(ft. 22)
Отклонение измеренных значений от полученных расчетом по этим фор-
мулам, как правило, возрастает с увеличением отношения f/r. Формулы реко-
мендуется использовать в интервале 10^f/r^l000 (/—-в Гщ г — в Рэл/см,
т. е. Ю-8 Н-с/м4). В этом случае отклонения расчетных значений от изме-
ренных меньше, чем разброс при измерениях, обусловленный технологиче-
скими причинами, и составляет не более ±20%.
15.2.1.7. Характеристики пористых поглотителей. Зная характеристики ма-
териала и структуру пористых поглотителей, можно предсказать его акусти-
ческие свойства. Такие характеристики в основном выведены из теории ква-
зиоднородного поглотителя, хотя эта теория малопригодна для предсказания
акустических свойств.
Пористость определяют или в результате погружения образца в смачи-
вающую, не растворяющую его жидкость, или сравнением статической сжи-
маемости объема воздуха с образцом поглотителя и без него. У волокнистых
поглотителей плотность ро материала волокон значительно выше, чем плот-
ность (объемная плотность) рд всего поглотителя (50—200 кг/м3). Значение
о вычисляют из следующего выражения:
g=1-p/pg- (15.23)
Удельное аэродинамическое сопротивление г определяют, используя урав-
нение (15.6), по формуле
— 1 Др tS Др
v кх V кх’
(15,24)
где Др — постоянное дополнительное давление воздуха над образцом мате-
риала; / — время продувания; S — площадь поперечного сечения образца;
Дх — толщина образца материала; о — скорость воздушного потока; V —
объем продуваемого воздуха (при нормальном давлении).
На рис. 15.3 и 15.4 даны значения удельного аэродинамического сопро-
тивления некоторых общеупотребительных волокнистых материалов в зави-
симости от объемной массы. Тот же показатель приведен на рис. 15.5 для
различных марок плит из силана (изовера).
306
Рис. 15.3. Зависимость удельного
сопротивления продуванию про-
мышленно выпускаемых звуко-
поглощающих -материалов от плот-
ности
/ — каолиновая вата; 2 — супертопкое
стекловолокно; 3 — стекловолокно типа
изовер; 4 — минеральное волокно без
связующего (типа изовер); 5—базаль-
Рис. 15.4. Зависимость удельного
аэродинамического сопротивления
волокнистых материалов от плот-
ности.
Плотность, кг/м3
Рис. 15.5. Удельное аэродинамиче-
ское сопротивление плит из сила-
нового волокна (изовер).
1 — плита с малым количеством связу-
ющего или без него; 2 — плита с по-
вышенным количеством связующего.
9 — стекловолокно; О — минеральное
волокно.
1-—ультратонкое стекловолокно типа
изовер; 2 — хлопок; 3 — пенопласт; 4~~
камилитовая минеральная вата; 5 —
стекловойлок без связующего; 6 —
стекловойлок со связующим; 7—алю-
миниевая вата.
Рис. 15.6. Зависимость удельного
аэродинамического сопротивления
плит из стекловолокна от диа-
метра волокон,
1 — стекловолокно; 2 — минеральное
волокно.
307
На рис. 15.6 показано влияние диаметра волокон плит из стекловолокна
(при различной объемной массе) на удельное аэродинамическое сопротивле-
ние. Удельное сопротивление замерялось при перпендикулярном к поверхно-
сти плит направлении потока воздуха. Некоторые другие данные приведены
в табл. 15.1.
Таблица 15.1. Удельное аэродинамическое сопротивление волокнистых
поглотителей в потоке, перпендикулярном (J.) и параллельном (II)
поверхности плиты
Материал Направление потока по отно- i шению к поверх- ности Ъ а g а Пористость, % Удельное аэро- динамическое сопротивление, Рэл/см (ИРНХ Хс/м‘) Средняя толщи- на волокон, мкм Эффективный радиус пор, мкм
Силан । 116 94,5 34,0 4-5 68
супертонкий И 108 95,0 23,4 4-5 88
Силан ± 112 95,0 39,0 3 63
тонковолокнн- II 112 95,0 23,1 3 68
стый Силан ± 94 96,0 9,3 15 122
грубоволок- II 96 95,5 7,1 15 142
ни стый Герике IV _L 50 97,8 10,5 4-5 117
Герике IV II 50 97,8 6,0 4-5 144
68 97,0 18,0 4-5 95
Герике IV II 58 97,0 7,5 4-5 125
Герике IV _L 106 95,0 39,2 4—5 71
II 106 95,0 21,2 4—5 93
Стилит 9 ± 80 96,5 8,63 — 120
Исходя из теории квазиоднородного поглотителя [уравнение (15.9)] и на
основе измеренных волновых сопротивлений можно определить удельное аэро-
динамическое сопротивление
/ Zn \г
= — <ор0о Im . (15.25)
\ /
Аэродинамическое сопротивление, полученное в результате акустических
измерений, как правило, меньше определенного в результате статических из-
мерений. Разница тем больше, -чем больше объемная масса. Отклонение, до-
стигающее 50—100%, наблюдается у материалов с объемной массой 80—
120 кг/м3 (на низких частотах). Отметим, что величина и зависит от частоты
н возрастает по мере ее увеличения (в диапазоне от 500 до 1000 Гц иногда
до 50%).
Удельное аэродинамическое сопротивление полученное в результате
акустических измерений, называют динамическим сопротивлением.
Указанные обстоятельства при точных расчетах ставят под вопрос воз-
можность применения теории квазиоднородного поглотителя (ТКП), в кото-
рой используется статически определенное аэродинамическое сопротивление.
Структурная постоянная % ।(безразмерная) — это показатель, введенный н
применяемый только в ТКП, Ее' физическая интерпретация относительно не-
сложна только для геометрически простых конструкций (набор трубок и ша-
308
риков и т. д.). Во всех других случаях ее приходится уточнять на основе аку-
стических измерений с использованием формулы (15.10) и следующего вы-
ражения:
X=a2^e(ZJ/Z0)2.
(15.26)
Как видно из формулы (15.26), структурная постоянная зависит от ча-
стоты и обычно понижается с ее возрастанием. Часто используемое прибли-
женное значение 1 для волокнистых поглотителей в точных расчетах при-
менять не рекомендуется. Например, у поглотителей из силана (нзовера)
структурная постоянная в диапазоне частот от 200 до 4000 Гц уменьшается
от х«6-до у^\.,4. Точных данных о взаимосвязи структурной постоянной
с другими параметрами в литера-
туре не приводится.
Эффективный радиус пор аВф»
применяемый в моделе Рэлея на-
ряду с пористостью, может быть
получен из результатов измерений Г
и Za реального поглотителя и со-
поставления с теоретическими зна-
чениями [4]. В противоположность
параметрам гд и х в соответствии
с ТКП величину пЭф можно опреде-
лить с достаточной точностью (эта
характеристика не зависит от ча-
стоты), а также можно установить
взаимосвязь данной характеристики
со статически измеряемой характе-
ристикой г. Зависимость между г и
яЭф для материалов, указанных
в табл. 15.1, видна из рнс. 15.7.
Применяя прямую интерполяцию,
можно записать (г, Рэл/см, т. е.
103 Н-с/м4, аЭф, 10“4 м):
ar = 14/ag. (15.27)
15.2.1.6 . Уточненные теории по-
ристого поглотителя. В последнее
Рис. 15.7. Зависимость статически
измеренного сопротивления продува-
нию г от эффективного радиуса пор
Саф.
время разработан ряд теорий, более точно учитывающих микроструктуру
пористых волокнистых поглотителей, Однако для практического применения
онн оказываются еще слишком усложненными [1].
Теорию квазиоднородного поглотителя целесообразно использовать при
качественной оценке процесса звукопоглощения. Для количественных оценок
данного процесса рекомендуются эмпирические формулы (15.19) — (15.22).
Более точные расчеты (погрешность расчетов не больше погрешности,
обусловливаемой разбросом характеристик при изготовлении материалов) вы-
полняют обычно на основе модели Рэлея, т. е. по формулам (15.12) —
(15.18) и рис. 15.1 и 15.2. Эффективный радиус пор аэ$ определяют по фор-
муле (15.27) с использованием статически измеренного удельного аэродина-
мического сопротивления. На основе рассчитанных таким образом парамет-
ров Г н Za вычисляют звукопоглощение систем поглотителей по формулам
подраздела 15.3.
15,2.2. Резонансные поглотители
Под резонансными поглотителями в прикладной акустике часто
понимают резонансные системы типа масса — пружина, называемые резона-
торами Гельмгольца, где колеблющаяся масса соответствует массе воздуха
309
в узком отверстии или в щели пластины, а пружина — упругому объему воз-
духа в полости резонатора за пластиной. Схематическое изображение резо-
натора Гельмгольца приведено на рис. 15.8.
Круговую собственную частоту соо системы с массой т на пружине,
жесткость которой s, находят по формуле
(Оо = 2л/0 = Уз/т- (15.28)
15.2.2.1. Жесткость, масса и собственная частота. Жесткость пружины
в формуле (15.28) рассчитывают из выражения
(15.29)
и колеблющуюся вместе
Рис. 15.8. Схема резонатора
Гельмгольца.
где S— площадь поперечного сечения горлышка резонатора; V—объем
внутренней полости резонатора.
Alacca tn включает массу воздуха mh = poSl в горлышке резонатора глу-
с ней присоединенную массу окружающего
воздуха тгп=ро(А/;4-Д/а). Из этого сле-
дует выражение для расчета собственной
частоты резонатора Гельмгольца
f0 = Л/ ----------------. (15.30)
2л V V (I + Mi + Д/а)
Введенные в формулу (15.30) попра-
вочные коэффициенты Мг н Ма зависят от
формы горлышка и от площади попереч-
ного сечения. Хотя, строго говоря, Д/г¥=
#=Д/а, в дальнейшем считается, что обе
эти характеристики приблизительно равны.
Для некоторых простых конфигураций ве-
личина Д/=ДГ{=Д/0 принимается в соот-
ветствии с табл. 15.2 н рис. 15.9—15.11.
15.2.2.2. Импеданс и «звукопоглощаю-
щее сечение». Рассматривается свободно
в акустическом экране резонатор Гельм-
не влияющих один на другого.
В последующих формулах коэффициенты, заключенные в угловые скобки
<...>, относятся к резонатору на акустическом экране. В случае свободно
подвешенного резонатора эти коэффициенты равны единице.
Звукопоглощение резонатора описывается с помощью условной характе-
ристики — звукопоглощающее сечение А. Под ней понимается условная пло-
щадь сечения, перпендикулярного направлению распространения падающей
волны, через которую свободной волной (при отсутствии резонаторов) пере-
дается мощность, равная поглощаемой резонатором.
Предполагается, что линейные размеры свободно подвешенного резона-
тора малы по отношению к длине волны, поэтому в первом приближении
можно пренебречь рассеянием на корпусе резонатора, а также что акустиче-
ский экран резонатора, расположенного на нем, значительна больше длины
волны. Если принять отверстие резонатора закрытым акустически жестко,
то звуковое давление рл=<2>р<, а колебательная скорость |сч| =
= <2>|рл|/|2д|. Импеданс горлышка резонатора
подвешенный или установленный
гольца или группа резонаторов, i
Zh = Ri + Rr + — (/«m + s//<o)
(15.31)
складывается из внутреннего сопротивления потерь Ri, активного сопротив-
ления излучения Rr и реактивных сопротивлений массы и упругости. Реак-
тивное сопротивление излучения уже учтено в поправочном коэффици-
енте А/.
310
Мощность потерь в резонаторе вычисляется из выражения
Ph = у I <-'h \2 RlS = I р, |® SRJ\ Zh р. (15.32)
Тем самым звукопоглощающее сечение
Рис. 15.10. Зависимость отноше-
ния А//6 от отношения bja для
эллиптического отверстия в пла-
стине.
Рис. 15.9. Поправочный коэф-
фициент А/ для горлышка ре-
зонатора типа трубы ради-
усом а.
Таблица 15.2. Поправочный коэффициент А/
Типы отверстий Д?
Круглое отверстие в протяжен- ной стенке Эллиптическое отверстие в про- тяженной стенке (рис. 15.10) Щель в протяженной стенке Резонатор с узкой полостью без экранирующей стенки около горла (рис. 15.9) Круглые отверстия, равномер- но расположенные на пла- стине (рис. 15.11) Ряд щелей, равномерно распо- ложенных на пластине (рис. 15.11) Примечание а — радиус между центрами отверстий; е — оть (площадь перфорации): а <. X(l, Xj 0,785д < А/< 0,85а Т 2 А/ = Д Ь J [1 — (1 — 6W) cos® 0]—, 0 Л/ = —In (c„/ft)-0,107 Я Л/ = 0,79а (1 — 1,47 /s+ 0,47е32), s = ла1 id? . . 6 , . / HS \ А/ st In sin / л \ 2 / 8 = bld отверстия; Ь — ширина щели; d — расстояние ошенис площади отверстий к общей площади - длина звуковой волны; b < %,d < %.
311
На резонансной частоте /о мнимые части уравнения (15.31) исчезают
(индекс 0 обозначает наступление резонанса), и тогда выражение (15.31)
принимает вид
А — <4>
(15.34)
Если сопротивление излучения Rr&
чаю поршневых колебаний мембраны с
<2>n2a2Zo/X2, что относится к слу-
окружностью 2па^Ко, то величина
Ао может быть рассчитана по
формуле
ло
<2> ?2 RitRr
Л °<1+адг)8'
(15.35)
Когда Ri=RT, т. е. при согла-
совании сопротивления внутрен-
них потерь с сопротивлением из-
лучения, звукопоглощающее сече-
ние достигает максимальных зна-
чений, и тогда
•^отах — < Aq. (15.36)
Рис. .15.11. Зависимость отношения Д//а
для пластины с круглыми отверстиями
или отношения Д(/6 для пластины со
щелевыми отверстиями от коэффици-
ента перфорации стенки е.
1- — =0,79 (1-1,47 /ё + 0,47 Кеа);
А* __ 1 / sin ппе
Ъ л \ мле / ’
п=1
Так как а<Х0, максимум зву-
копоглощающего сечения на резо-
нансе значительно больше сечения
горлышка резонатора.
Частотную характеристику
звукопоглощающего сечения мож-
но вывести, приняв R=Ri+RT и
добротность Q=s/2nfoSR, а также
введя функцию рассогласования
А
^0
1
1 -р QB0a
(15.37)
, Al I , , л
3---------- -----In sin----8.
Рис. 15. 12. Нормированная частотная
характеристика отношения А/Ао при
различных значениях добротности в со-
ответствии с формулой (15.37).
На рис. 15.12 представлены
кривые, рассчитанные по формуле
(15.37) при некоторых значениях
Q. Видно, что полуширина этих
кривых соответствует значениям
Zo/Q-
Таким-образом, добротность Q
влияет на форму кривых погло-
щения, а последний член в фор-
муле (15.35)—коэффициент со-
гласования — определяет высоту
этих кривых на резонансе. Опти-
мизация поглощения, т. е. макси-
мально высокое затухание на ре-
зонансе при возможно большой
полуширине кривой, заключается
в придании небольших значений
величине Q, когда Ri = R?.
312
Наиболее трудно определяемые параметры резонатора — его внутреннее
активное сопротивление Ri и его составляющие Ri — Ru+Ri2-JrRi3+Ri4- Прк
этом Rii — удельное акустическое сопротивление пористого материала в гор-
лышке резонатора или за ним, R,2— вязкое сопротивление при обтекании
острых кромок и неровностей на входе и выходе горлышка, Ris=4Rv— вяз-
кое сопротивление потоку экрана с отверстиями резонатора, Ru—2lRvla—
вязкое сопротивление стенкн цилиндрического горлышка. Для воздуха
(ц= 1,86• 10-5 кг/см) сопротивление
% = /w7= 8,7-10-»У7 кг/с.м!, (15.38)
где /—частота, Гц.
Удельное акустическое сопротивление Ra при обтекании кромок вход-
ного и выходного отверстий приближенно характеризуется сопротивлением
h^Za 2a<h<lw/4- ZaAlSlm/^
Rii=rh/e f<ii=rh Rti=rh.
Рис. 15.13. Принципиальные схемы размещения аэродинамиче-
ских сопротивлений в резонаторе Гельмгольца и соответствую-
щие удельные акустические сопротивления Ru (г—удельное
сопротивление продуванию пористого материала толщиной Л).
Ris, когда кромки хорошо округлены. Если же отверстия имеют острые
кромки и выступающие неровности, Ri2 может повыситься настолько, что
будет Ri2^>R13+Ra- Средних установившихся значений Rt2 привести нельзя,
что является недостатком расчета .резонатора Гельмгольца.
Если необходимо сильно заглушить резонатор, то суммы сопротивлений
+ Ra оказывается недостаточно. Поэтому за горлышком резонатора
устанавливают пористые материалы (ткань, войлок и др.). Необходимо учи-
тывать рекомендации рис. 15.13.
Если известно сопротивление Ri, то можно из вышеприведенных формул
рассчитать резонансную частоту, звукопоглощающее сечение на резонансе и
добротность, а затем оптимизировать соотношение этих величин примени-
тельно к конкретным условиям.
15.2,2.3, Решетчатые резонаторы. Для решетчатых резонаторов, пред-
ставляющих плоскую систему конструктивно взаимосвязанных резонаторов,
применимы те же выводы, что для отдельных резонаторов. Резонансная ча-
стота рассчитывается по формуле (15.30) при соответствующей корректирую-
щей поправке. Удельный акустический импеданс определяется по фор-
муле (15.31) с использованием равенства Zyaq-Zhlz (s — коэффициент пер-
форации). Расчет звукопоглощающего сечения осуществляется иначе (в на-
стоящем подразделе не рассматривается), чем вышеприведенный, так как
для решетчатых поглотителей нельзя применять значение сопротивления из-
лучения, используемое для поршневых колебаний малой мембраны.
313
15.2.3. Панельные поглотители
Панельные поглотители — это селективные поглотители, эффек-
тивные только в узкой полосе частот и применяемые в основном для звуко-
поглощения на низких частотах. Инерционным элементом такой колебатель-
ной системы является пленка или тонкая пластина. Упругость данной коле-
бательной системы — это упругость воздушной прослойки между пленкой
(тонкой пластиной) и стенкой или изгибная жесткость тонких пластин и
мембранная жесткость закрепленных по контуру пленок. Как правило, на
практике упругость такого поглотителя является комбинацией обоих указан-
ных механизмов — упругости воздушной прослойки и жесткости пленки (тон-
кой пластины). Имеется еще один вариант конструкции, когда небольшие и
сравнительно жесткие пластины податливо крепятся на контуре, так Что
на суммарную упругость конструкции влияет податливость этого крепления
(часто с учетом упругости воздушной прослойки).
15.2.3.1. Панельные поглотители с малой изгибной жесткостью. Эти по-
глотители представляют собой гибкую, ненатянутую (или натянутую весьма
слабо) пленку, размещаемую на расстоянии lw от стенки. Таким образом,
мембранной жесткостью пленки по сравнению с упругостью воздушной про-
слойки можно пренебречь.
Если m"=p?h—масса пленки на единицу площади {h — толщина
пленки), a s"=poco2/lw — жесткость на единицу площади воздушного проме-
жутка за пленкой, то собственная частота такой системы определится из
формулы ____
G)o =2nf0 = ys"/m" = СаУро/m''lw (15.39)
Подставив в эту формулу характеристики воздуха, получим следующее
выражение (т"—в кг/м* lw— в см):
/„ = 600/У тЧи- (15.39а)
Если условие /юСА,о не выполняется, возникают многочисленные резо-
нансные частоты (On (n=0, 1, 2, ...), которые определяются из следующих
уравнений:
&пт" — росо etg или
со
jg __ Pplw (15 40)
с0 с0 т"
Для решения этих уравнений можно использовать диаграмму рис. 15,14.
Удельный акустический импеданс пленочного поглотителя рассчитыва-
ется по формуле
=/сот" + ~ (15.41)
/©
причем активное сопротивление R складывается из сопротивления излучению
Яг = роСо (при условии, что линейные размеры пленки больше длины звуко-
вой волны Хо) и сопротивления внутренних потерь зависящих от кон-
кретных особенностей конструкции.
Формулы (15.39)—(15.41) применимы только в случае нормального па-
дения звука или когда воздушная прослойка разделена перегородками на
ряд объемов, причем расстояние между перегородками меньше, чем Х0/2. При
наклонном или диффузном падении звука на поглотитель, не разделенный на
объемы, звукопоглощение снижается. В случае введения в воздушную про-
слойку перегородок поглощение возрастает с уменьшением расстояния между
перегородками, пока это расстояние не достигнет значений, равных 6/ш.
Дальнейшее уменьшение расстояния между перегородками практически не
приводит к какому-либо эффекту.
314
15.2.3,2. Панельные поглотители с пористым звукопогдотителем . На
практике часто встречаются поглотители, которые состоят из пленки перед
акустически жесткой стеной с пористым поглотителем за пленкой. Смысл
этой схемы обычно состоит в защите пористого поглотителя от грязи и пыли.
Такой комбинированный поглотитель можно представить или как пористый
поглотитель с дополнительной массой т" и дополнительным удельным аку-
стическим сопротивлением jam", последовательно соединенным с импедансом
Z/ пористого поглотителя, или как панельный поглотитель с малой изгибной
жесткостью, с дополнительными потерями звука в упругой воздушной про-
слойке.
Рис. 15.14. Диаграмма для определения собственной частоты/о
панельного поглотителя, имеющего малую нзгнбную жесткость,
при массе пленки на единицу площади tn" (кг/м2) и расстоя-
нии lw (м) от акустически жесткой стенки. Штриховой линией
показан пример решения формулы (15.40) при т"=0,15 кг/м2,
/ш = 0,1 м; результат /о=44О Гц.
Заполнение воздушной прослойки панельного поглотителя пористым ма-
териалом приводит к дополнительному затуханию вследствие поглощения
звука при распространении в воздушной прослойке. Эффективность поглоти-
теля в случае наклонного падения, звука снижается.
При нормальном падении звука удельный импеданс стенки такого по-
глотителя (масса пленки на единицу площади т") с пористым поглотите-
лем толщиной 1К, расположенным перед акустически жесткой стенкой, опре-
деляют по формуле
Z = jam" + Za cth Г/ш. (15.42)
Величины Za и Г рассчитывают по формулам (15.2) и (15.9).
Резонанс в колебательной системе находят из следующего условия:
о0т'' Im [Za (®о) cth Г (о0) lw] = 0. (15.43)
В связи с трудностями в решении этого равенства приблизительные рас-
четные оценки могут быть выполнены па основе уравнения (15.40), причем
Со должно быть заменено фазовой скоростью звука св в поглотителе. Эта
315
замена немаловажна, так как панельные поглотители используются в ос-
новном на низких частотах, где величины Го и са существенно различаются.
Для оценки звукопоглощения при определении импеданса стенки второй
член формулы (15.42) должен быть рассчитан или замерен (если Za и Г
известны; то используются зависимости из подраздела 15.2.1.8).
15.2.3.3. Панельные поглотители с податливым закреплением на кон-
туре. Если у панельного поглотителя контур закрепляется податливо (напри-
мер, на дискретных или протяженных прокладках из пористой резины) и
если не учитывать изгибную жесткость поглотителя, то такое крепление
имеет жесткость $е, вычисляемую по изменению высоты прокладок Дх под
влиянием изменения давления Др на пластине площадью SP, так что se=
—SpSp/&.x. В том случае, когда между пластиной и стеной (как это обычно
бывает) имеется воздушный промежуток толщиной lw, суммарная жесткость
s определяется жесткостью упругой прокладки se и жесткостью воздушного
промежутка sl (уплотнение по кромке пластины не требуется, если линей-
ные размеры пластины значительно больше lw):
s = s, + sL=se + ftflSl,/lw
(15.44)
Резонансная частота вычисляется по формуле
т"
(15.45)
Таким образом, податливость на контуре приводит к повышению резо-
нансной частоты по сравнению с частотой при использовании поглотителя
без упругих опор (подраздел 15.2.3.1). Частота может быть понижена за
счет увеличения массы поглотителя на единицу площади т". Следует учи-
тывать, что если механические потери Ri останутся неизменными, то повы-
сится добротность. Панельный поглотитель при большой жесткости крепле-
ния по контуру (по сравнению с жесткостью воздушного промежутка) эф-
фективен только в узкой полосе частот.
15.2.3.4. Упругие пластины. В панельном поглотителе учитывается из-
гибная жесткость колеблющейся пластины. Если пренебречь жесткостью
воздушного промежутка (по сравнению с жесткостью пластины), то резо-
нансные частоты поглотителя будут определяться собственными частотами
изгибных колебаний пластаны, которые зависят от характеристик ее мате-
риала и линейных размеров, а также от условий крепления на контуре и
геометрической формы.
На рис. 15.15 представлены различные геометрические формы пластин,
для которых ниже приведены основные собственные частоты при жестком
закреплении на контуре. Применяются следующие условные обозначения:
fo—-самая низкая (основная) собственная частота, Гц; Е—модуль нор-
мальной упругости, Н/м2; р — плотность материала пластины, кг/м3; ц,—
коэффициент Пуассона; ft—толщина пластины, м; а и 6 —линейные раз-
меры пластины, м; а — угол между сторонами пластин, рад; Л=
=й/2л;УЕ/12р (1 — pi8) —вспомогательная величина.
Основная собственная частота прямоугольной пластины (рис. 15.15, а)
Л = VU (а* + М) + Ш- (15.46а)
а2й2
Для прямоугольного треугольника (рис. 15.15,6)
А, = Л 63’28 + аф. (15.466)
316
Для равнобедренного треугольника (рис. 15.15, в)
Рис. 15.15. Формы и линейные размеры пластин, используемые
при расчете их основной собственной частоты f0, при жестком
креплении по контуру.
Частота сектора кругового кольца (рис. 15.15,0)
f„ = Л.---—-------/А ГА_ ((,«+ _ AL aV-------—ab (as + 4») +
а’ (Ь - а)4 1 5 [ 30 30 5 ' ’
iaV 3a’-+3l>* + Sab ln Al _|_ AL [А а* + m A. aV _
Ьг-а* а .А Ю5 [ 3 3
_ 8aV AAA+AL ln Al + А_ LA (а« + i4) _ A. aV _
b2 — a2 а А 630 L 15 15
----Aajfas+^ + ^S’AAin All71. (15.46а)
15 b — a a JJ
Для расчета прямоугольной пластины можно использовать формулу
h = qifc (1=1,2, •••), (15.47)
из которой находят более высокие значения собственных частот, а при
(?г = д0=1 получают формулы для определения основной частоты
V- ю?
Гц (15.48)
317
и частоты совпадения,
со т /~
2я V Е
Гц,
(15.49)
h
необходимые при оценки звукоизоляции стен.
В табл. 15.3 приведена размерная вспомогательная величина у, исполь-
зуемая в формуле (15.48), и безразмерная вспомогательная величина qx,
используемая в формуле (15.47), при различных отношениях сторон а/b пря-
моугольной пластины при разных условиях закрепления на контуре.
Таблица 15.3. Вспомогательные величины у и qi для расчетов по формулам
(15.47) и (15.48)
Вспомога- тельная величина Соотношение сторон пластины а/Ъ
0.2 0,6 1,0 2,0 3,0 4,0
Все стороны пластины свободно оперты
т 42 59,7 149 267 500
Qi — 1,72 2,51 3,36 3,98 3,68
Qs — 3,1 2,51 1,66 1,46 1,21
<7з ,— 3,95 4,1 4,0 4,38 4,0
У 70 80,3 112 293 597 1080
Qi 1,06 1,42 2,02 2,74 2,83 2,79
Q2 2,61 2,45 2,02 1,32 1,18 1,09
Qs 2,77 2,91 2,99 3,02 3,05 2,84
Одна сторона а закреплена жестко, все остальные свободны
У 48,3 56 71 155 295 497
Q1 1,08 1,49 2,21 3,22 3,57 3,79
Qz 3,08 2,84 2,5 1,74 1,37 1,2
Qs 3,18 3,38 3,58 3,95 4,01 4,03
Две стороны а закреплены жестко, остальные свободны
Т 69 74,7 87,8 165 303 523
Qi 1,03 1,34 1,89 3,17 3,63 3,77
Qz 2,61 2,6 2,42 1,78 1,41 1,18
Яз 2,70 3,03 3,76 4,00 4,04
15.3. РАСЧЕТ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ
Основной задачей теории звукопоглощения является определе-
ние отраженной или поглощенной части звуковой энергии, падающей на пре-
граду, или, другими словами, получение коэффициентов отражения R и зву-
копоглощения а, которые связаны соотношением
а = 1 — | £|2.
Хорошее звукопоглощение достигается при а->1, а |А?|->0. На практике это
означает, что для получения |Д] = 0,1 необходимо, чтобы величина а=0,99.
Достижение значений менее 15% в большинстве случаев можно рас-
сматривать как практически полное звукопоглощение.
318
15.3.1. Нормальное падение звука
Наиболее простой является взаимосвязь между коэффициентом
отражения R и входным, импедансом поверхности Z\ при условии нормаль-
ного падения звука. В этом случае принцип согласования [уравнение (1.43)]
выражается в форме1
_ Zi~Zo 4ReZpc0
R = ^=1--и а = -----------=4 0 °----
“ 21 + Z0 [R^1+Vo]a+[I”21]2
(15.50)
У поглотителей с относительно малым значением пористости а (напри-
мер, перфорированной пластины) Z\ относится ко всей площади. Иначе го-
воря, если Zi—это «внутренний импеданс» поры или отверстия, то Zi_=
= Zi7<r.
Из формулы (15.50) видно, что |R[-»-0 при Zi-*-Z0, т. е. акустическое со-
противление поглотителя не должно быть больше сопротивления воздуха.
Поскольку величина ]Z/| обычно имеет порядок величины Zo (за исключе-
нием резонаторов в области резонанса), стремятся к получению возможно
большего значения пористости (как правило, для волокнистых поглотителей
и=0,§5—0,98). Эффект применения слоя из перфорированной жести перед
поглотителем соответствует эффекту от уменьшения пористости поглотителя,
в особенности иа средних и высоких частотах, и ухудшает условие согласо-
вания Z^Zq2.
15.3.1.1. Пористый поглотитель с бесконечно большой толщиной слоя.
Случай бесконечно большого по толщине пористого поглотителя может реа-
лизоваться при условии, если толщина слоя а и внутреннее затухание Г' так
велики, что наблюдается существенное ослабление звуковой волны, отражен-
ной от задней стенки поглотителя, к моменту ее попадания на его переднюю
стенку (F'd>2). В этом случае импеданс стенки Z{ равен волновому сопро-
тивлению Za [уравнения (15.3), (15.9), (15.19) и (15.20)], поэтому для опре-
деления коэффициента отражения может быть использовано следующее вы-
ражение: 7 ___7
Я (15.51)
£а + г0
Как уже указывалось в подразделе 15.2.1.3, значение Za на низких ча-
стотах значительно отличается от значения волнового сопротивления воз-
духа Zo, но приближается к нему на средних и высоких частотах. Поэтому
даж$ в случае бесконечно большой толщины слоя на низких частотах сле-
дует примириться с относительно малым коэффициентом звукопоглощения.
15.3.1.2. Пористый поглотитель с конечной толщиной слоя перед акусти-
чески жесткой стенкой. В данном случае взаимодействие падающей и отра-
женной звуковых волн приводит к следующему выражению для сопротивле-
пия стенки: Z1 = Zocth£d. (15.52)
Если подставить это выражение в формулу (15.50), то можно сделать
следующие выводы:
I. Для dCZ.e/4, т. е. при тонких слоях поглотителя и низких частотах,
значение cth_Td всегда велико, а следовательно, несогласованность значений
Zt и Zq обусловливает малое поглощение. Поэтому нет звукопоглощающих
лакокрасочных покрытий и звукопоглощающих обоев.
1 В разделе 1 акустические импедансы (отношение давления к скорости) в отличие
от механических импедансов (отношение силы к скорости имеют индекс " . В настоя-
щем разделе этот индекс не используется, так как здесь речь идет только об акустиче-
ских импедаисах.
2 Это не совсем'верно. Рациональным выбором конструктивных параметров зашивки
можно добиться частичной взаимной компенсации упругого и инерционного сопротивле’-
ния зашивки и звукопоглощающего слоя в определенном диапазоне частот, так что
мнимая часть результирующего входного импеданса всей конструкции уменьшается и
звукопоглощение возрастает.— Прим. ред. перев.
319
2. В случае r"d=2n;dAa (приблизительно F"d>2) значение cth£d->l
Наличие у поглотителей задней стенки не имеет значения, если внутреннее
затухание в поглотителе Г' достаточно велико, т. е. такое затухание равно-
сильно, по существу, слою бесконечной толщины.
3. При невысоком внутреннем затухании в поглотителе с возрастанием
частоты значение cth_Td достигает первого максимума, когда d«ta/4 (пер-
вый максимум поглощения). Минимум поглощения при d=Xa/2, а также по-
следующие максимумы поглощения при d=3/4Xa или d=5/4Xff и практиче-
ски встречающихся коэффициентах затухания Г' на значении коэффициента
поглощения не сказываются.
Рассчитывая пористый поглотитель, приходится идти на компромисс,
чтобы удовлетворить требованию Za-+Z0 (важно для звукопоглощения на
высоких частотах) и требованию, согласно которому величина Г' должна
быть возможно большей (важно в целях обеспе-
чения малых толщин поглотителя). В соответ-
ствии с формулами (15.9) и (15.10) первое тре-
бование предполагает большое значение пара-
метра Й, а второе требование, наоборот,— малое
значение Й.
15.3.1.3. Слой поглотителя на некотором рас-
стоянии от акустически жесткой стенки. Принци-
пиальная схема размещения звукопоглотителя,
приведенная иа рис. 15.16, часто встречается иа
практике -(например, подвесной потолок).
О пользе такой схемы размещения свидетель-
ствуют не только архитектурные данные, но и
акустические и экономические расчеты.
Из предыдущего подраздела следует, что
Е слои поглотителя, прилегающие к стенке, относи-
j тельно слабо повышают звукопоглощение, в то
время как слои, отнесенные от стены на расстоя-
ние, приблизительно равное Х/4, довольно эф-
фективны.
Расчет осуществляется по вышеприведенной
схеме с учетом предположения, что в воздушном
две звуковые волны. Вычисляется импеданс задней
Zq,]<q
1-5.16. Принципиаль-
схема размещения
звукопоглотителя
некотором расстоя-
Рис.
иая
слоя
на
нии от акустически жест-
кой стенки.
промежутке образуются
стенки поглотителя
— /Zg Ctg A0Ztei.
(15.53)
Отражение от задней стенки определяется из выражения
z„ —г„
R. --------=2-,
-1 +
а входной импеданс передней стенки поглотителя в таком случае находится
по следующим формулам: Z2ch£d-}-Zflsh Fd -1 -° Zoch£d+Zashrd _ 1 + ^=S- th rd -Z ~ Z2 - H^thfd (15.54a) (15.546)
= z Aik ~h ‘ (15.54в)
320
В формуле (15.54в) значение Zh — это входной импеданс слоя погло-
тителя на акустически жесткой задней стейке (Z2=oo), a Zw~ входной им-
педанс акустически мягкого слоя (Z2=0), например при отстоянии его от
стенки Zw=X0/4. Считается, что _____
<15's5a)
При импедансе стеики, рассчитываемом по формулам (14.54), коэффи-
циент отражения определяется из (15,50).
При малой толщине воздушного промежутка lw (если Zw/Xo<l/8) в фор-
муле (15.54в) практически всегда |Zu>|, и тогда
Если толщина слоя поглотителя будет достаточно большой, то
|Zh/Z2|>i, a Zi«Zfc. Наибольшие размеры воздушного промежутка на
низких частотах не очень сказываются на звукопоглощении при наличии до-
статочно толстого слоя поглотителя. Если и поглотитель тонкий, так что
внутреннее затухание в нем f'dCl, то в этом случае проводится разложе-
ние в ряд до первого члена значений ctgWw в формуле (15.53) и ch/Г'
в формуле (15.54а—в). Входной импеданс тонкого поглотителя с малым
воздушным промежутком находят по формуле
7 7
-------=----------Sdk---. (15.56)
I j. -° 1 -°
+ Zo F"d Z„ cad
Таким образом, начиная уже с небольших толщин lw, если и d явля-
ются величинами одного порядка, можно уменьшить сильное рассогласова-
ние импеданса тонкого слоя поглотителя перед жесткой стенкой Z&. (При-
менение пленок и тканей перед акустически жесткой стенкой рассматрива-
ется в подразделе (15.3.1.4).)
Если толщина воздушного промежутка Ztt=Xo/4, то Zz=Q, и в соответ-
ствии с формулой (15.54в) импеданс
(,5-б7>
У поглотителей, толщина которых небольшая (d<Xa/8), величина
th£d<l. В этом случае можно за счет воздушного промежутка на резо-
нансе Х0/4 уменьшить рассогласованность поглотителя (|Z0|>Zq), что обычно
достигается иа низких частотах, и тем самым снизить R.
Если на частотах толщина воздушного промежутка Zw=Xo/2 (и кратна
этой величине), значения Z2 сильно возрастают, и тогда в соответствии
с формулой (15.54в) Z[=Zzk. Поэтому слой поглотителя, несмотря на нали-
чие воздушного промежутка, воздействует так же, как если бы он находился
перед жесткой стеикой. Однако, поскольку данное условие антирезонаиса
воздушного промежутка реализуется только на относительно высоких часто-
тах, внутреннее затухание в поглотителе предотвращает влияние задней
стенки и величина Zx приближается к значению Za, так что провалов в ха-
рактеристике поглотителя на этих частотах (при не слишком тонких погло-
тителях) обычно не наблюдается.
15.3.1.4. Пластины, пленки, ткани перёд акустически жесткой стенкой.
Звукопоглощение панельных поглотителей пластин и пленок можно опреде-
лить, если в формуле (15.50) вместо _Z\ применить удельные акустические
11 Заказ № 740 321
импедансы. В подразделе 15.2.3 в активное сопротивление поглотителя
иногда включалось сопротивление излучения Rr. При расчетах по формуле
(15.50) эта составляющая не должна учитываться.
Входной импеданс Z1 в случае пористой ткани на расстоянии lw от аку-
стически жесткой стенки можно рассчитать, сложив сопротивление продува-
нию RB=Ap/Av данной конструкции с импедансом Z2 воздушного проме-
жутка, получаемого по формуле (15.53):
= (15.58)
Если сопротивление продуванию очень велико, а масса ткани на еди-
j&maRs
ницу площади пг" мала, то RB заменяется на показатель —'
i\s
Максимумы поглощения наблюдаются при U=2n+X0/4, а минимумы —
при 7w=2n/4Xo (п=0, 1, 2, ...)• Максимумы коэффициента звукопоглощения
определяются по формуле
____7?sZp
(Rs И- ^о)2
атах — 4
(15.59)
а предельное значение атах=1 достигается при RB=Z0.
15.3,2. Наклонное падение звука
При наклонном падении звука следует различать поглотители,
в которых звук не распространяется параллельно стенке внутри поглотителя
(пористые поглотители с поперечными перегородками, резонаторы Гельм-
гольца с разделенными воздушными полостями, разделенные панельные по-
глотители), и поглотители, в которых наблюдается такое распространение.
Первый тип поглотителя характеризуется также тем, что импеданс
стенки не зависит от угла падения. Это условие точно выполняется для мо-
дели Рэлея. Как будет показано ниже, оно в определенной мере применимо
к пористым поглотителям на низких частотах, а именно, в тех случаях, когда
фазовая скорость са в поглотителе значительно ниже скорости звука в сво-
бодном поле, поскольку звуковые волны в поглотителе отклоняются в на-
правлении нормали к его поверхности. Отсюда коэффициент отражения опре-
деляется из согласования импеданса стенки с акустическим сопротивлением
Zo/cos @1 в функции от угла падения 0Ь с учетом формулы (1.43)
Z. —Zft/cosQ. Z, cos©, — Z,
р (q \ _ —j-— v_______£_ _ —1_____J- *
—k 17 Zj + Zjj/cos©! Z1cos01 + Z(
(15.60)
Как видно, при заданном угле падения наилучшее согласование дости-
гается, если импедансы стенки |Zi|>20. И наоборот, при рассогласованном
импедансе стенкн |Zi[>Zo на некоторых-углах наблюдаются максимумы по-
глощения с относительно хорошим согласованием.
15.3.2.1. Наклонное падение звука на пористый поглотитель. В поглоти-
теле второго типа при полубесконечиой протяженности поглощающего слоя
звук распространяется параллельно стенке (рис. 15,17). В целях упрощения
рассматриваются только изотропные поглотители, в которых Zo и Г не зави-
сят от направления. Постоянные распространения для воздуха и Г_для
поглотителя раскладываются по направлениям координат (например,
»feocos©i; koy = ko sin 0J. Падающая на поверхность поглотителя звуковая
волна возбуждает его с пространственной периодичностью в направлении у
(так называемая длина следа волны 0J. Звукован волна в поглоти-
322
теле должна образовать на его поверхности подобный след Xo/sin ©2. Это
следует из закона преломлении
sin ©х
sin ©2
(15.61)
Приняв допущение о равенстве давлений, нормальных скоростей и плот-
ности потока по обе стороны граничной поверхности, разделяющей погло-
титель и окружающую .среду, в результате некоторых промежуточных рас-
четов (которые здесь не приводятся) коэффициент отражения определим из
следующего выражения:
Z /cos 0, — ZJcos 0,
R = ?----°!----1, (15.62)
— ^/cosQg + Zo/cos0j
Используя формулу (15.61), можно записать
Z, = ZQ/cos @2 = Za/K 1 - (^2 sin» (15.63)
и равенство (15.62) представить в виде
Z. cos©. — Zn
R^- '--------1----
— Z^ cosQj^ + Zo
15.3.2.2. Наклонное падение звука на поглотитель с конечной толщиной
слоя, расположенный перед акустически жесткой стенкой. Расчет коэффи-
циента отражения выполняется по формуле (15.64), причем импеданс стенки
находится из следующего выражения:
Z
Z = -° cth (Rd cos е„). (15.6S)
—1 cos 02 '
В данной формуле угол ©2 (как и в подразделе 15.3.2.1) может быть заме-
нен углом ©ь С этой целью используется формула (15.61). Формула (15.50)
для коэффициента отражения при нормальном падении звука — частный слу-
чай формулы (15.64). В комплексной плоскости Z]cos©i можно вычертить
11* 323
кривые разных значений коэффициента поглощения а и по значениям компо-
нент импеданса стенки определять этот коэффициент (рис. 15.18). При ис-
пользовании рис. 15.18 для расчета наклонного падения звука в случае при-
менения пористых поглотителей Z\, как следует из формул (15.63) или
(15.65), также изменяется в функции от угла падения. Рис. 15.18 можно не-
посредственно использовать для расчета поглотителей с импедансом стенки
Zj, не зависящим от угла, а также для достаточно точного расчета звуко-
поглощения многих пористых поглотителей на низких частотах при @^0.
Ре(2(/г0)с»зв(
Рис. 15.18. Кривые равных значений коэффициента звукопогло-
щения а в комплексной плоскости нормированного импеданса
стенки Zi при падении плоской волны под углом ©ь
15.3.3. Диффузное падение звука
Знание коэффициента звукопоглощения поглотителей при диф-
фузном падении звука необходимо потому, что такое падение больше соот-
ветствует реальным условиям, а также измерениям в реверберационных ка-
мерах.
В настоящем разделе рассматривается случай, когда импеданс стенки
Z\ не зависит от угла падения. На рис. 15.19 приведены кривые равных зна-
чений коэффициента звукопоглощения в плоскости нормированного импе-
данса стенки [2]. Пунктирная кривая служит для определения активного со-
противления, обеспечивающего максимальное значение коэффициента звуко-
поглощения при заданном реактивном сопротивлении.
Если принять <р = = ф' + /<р", то коэффициент звукопоглощения при
диффузном падении звука будет
-8 1п (1+2ф'+2<Л+
। _±_ <р,2~5Р± и-* -51-1.
Ф" Ф'2+ф"2 1 ц- ф" ]
(15.66)
324
В случае диффузного падения звука на поглотитель с импедансом
стенки, не зависящим от угла падения, максимально достижимый коэффи-
циент звукопоглощения а=0,951 получается при чисто активном сопротив-
лении, приблизительно равном 1,6 Zq.
Рис. 15.19. Кривые равных значений коэффициента звукопогло-
щения Цдиф в комплексной плоскости нормированного импе-
данса стенки Z\ при диффузном падении звука.
15.4. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЯ
Звукопоглотители используются в глушителях шума, между двумя
стенками двухстенных конструкций и на стенах помещений в качестве обли-
цовки (например, звукопоглощающие потолки). Эффект, который может
быть достигнут при их использовании, рассматривается применительно
к глушителям в разделе 16, а применительно к двухстенным конструкциям —
в подразделе 17.1.4. Эффективность звукопоглотителей зависит от так назы-
ваемой площади звукопоглощения Л = а5, где S — площадь звукопоглоти-
теля. Если необходима хорошая слышимость в помещении, необходимо пре-
дусмотреть определенную площадь звукопоглощения, с тем чтобы получить
«оптимальное время реверберации». Если же в помещении нужно обеспечить
минимальную громкость, то площадь звукопоглощения должна быть воз-
можно большей, ибо снижение уровня звука AL в слабо заглушенном не
слишком низком помещении, площадь звукопоглощения которого до уста-
новки звукопоглотителей Ль а после установки, например звукопоглощаю-
щего потолка, Лг, определяется зависимостью
ДА = 10 1g Л2/Л дБ. (15.67)
Величина AZ, колеблется на практике (в зависимости от исходных зна-
чений Л1) от 3 дБ в служебных помещениях до 8 дБ в машинных отделе-
ниях. Вблизи источника шума такое снижение уровней может оказаться
325
недостижимым, поскольку формула (15.67) применима только для расстояний,
которые больше зоны действия прямого звука.
Для сравнительно низких помещений большой протяженности с сильно
заглушенным потолком (бюро и цеха) условия диффузного звукового поля,
из которого исходили при выводе формулы (15.67), не выполняются. Ско-
рее, звук распространяется подобно условиям свободного пространства (его
уровень снижается приблизительно на 6 дБ при удвоении расстояния). Если,
кроме того, в помещении находятся многочисленные параметры, рассеиваю-
щие звук (машины, экраны и т. д.), то хотя вблизи источника уровень шума
несколько возрастает из-за рассеивания от указанных предметов, на неко-
тором расстоянии от него он начинает быстро падать, так как звуковая энер-
гия при рассеивании поглощается
Рис. 15.20. Зависимость уровней звука
от удаления от источника.
1 — обычное помещение с малым звукопогло-
щением; 2 — обычное помещение с большим
звукопоглощением; 3 — низкое помещение
со слабо заглушенным потолком, ДА «101g
п/гг; 4— свободное пространство или пустое
низкое помещение с сильно заглушенным
потолком, ДД «201£Г]/гз; 5 — низкое помещение
с сильно заглушенным потолком (при нали-
чии отражающих предметов).
обобщенный и усредненный показатель
потолком.
На рис. 15.20 приведены дан-
ные о падении уровней звука
в обычных помещениях, в сво-
бодном пространстве и в низких
помещениях большой протяжен-
ности.
В заключение укажем некото-
рые основные результаты данного
раздела.
Звукопоглощение рассчитыва-
ется по формуле (15.50) прн нор-
мальном падении звука и по фор-
муле (15.64) при наклонном па-
дении. В обоих случаях должно
быть известно значение импедан-
са стенки со звукопоглотителем.
Методы расчета этой характери-
стики были приведены.
В настоящем разделе ие рас-
сматривались разнообразные типы
конструктивного оформления по-
глотителей, в частности, объемные
поглотители. Вместо локальных
акустических характеристик по-
глотителей применяется более
акустический импеданс. Если ло-
кальные характеристики поглотителя периодически изменяются, то более це-
лесообразно использовать теорию периодической решетки.
Применение теории периодических структур позволяет учесть перерас-
пределение отраженной звуковой энергии по определенным направлениям.
Однако на практике эти эффекты, как правило, не особенно существенны.
Большего внимания заслуживает эффект возникновения поверхностных волн
на поглотителе и передача таким образом звуковой энергии в граничной пло-
скости системы поглотитель — среда
15.5. ЛИТЕРАТУРА
1. Attenborough К. Scattering theory for sound absorbtion in fibrous me-
dia.— J. Acoust. Soc. Amer., 49, 1971, 1331—1338.
2. Davern W. A. Impedance chart for designing sound absorber systems.—
J. Sound Vib., 6, 1967, 396—405.
3. Delany M. E., Bazley _E. N. Acoustic characteristics of fibrous absor-
bent materials. Nat. Phys. Lab. Aero. Report Ac. 37. 1969.—Appl. Acoustics,
3, 1970; 105—116.
4. Mechel F., Royar J. Experimentelle Untersuchungen zur Theorie des po-
rosen Absorbers.— Acustica, 26, 1972, 83—96.
5. Цвиккер К., Костен К- Звукопоглощающие материалы. М„ ИЛ, 1952.
326
16. ГЛУШИТЕЛИ
Ф. МЕХЕЛЬ
Одна из задач технической акустики — предотвращение распро-
странения звука от источника в соседнее помещение. Наиболее эффективно
она осуществляется в результате применения звукоизолирующих преград и
кожухов, что во многом обусловлено отсутствием в ннх проемов и отвер-
стий. Тем не менее без отверстий часто не обойтись (проходы для вентиляции,
для трубопроводов, трасс кабелей и т. д.).
Чтобы «акустически закрыть» эта отверстия, следует выполнять их
в виде каналов, стенкн которых изнутри должны быть облицованы акустиче-
скими покрытиями. Это обеспечит шумоглушение за счет эффекта звукопо-
глощения. Необходимо стремиться к возможно меньшему просвету между
звукопоглощающими покрытиями, благодаря чему, образно говоря, н дверная
щель может стать эффективно заглушенным каналом.
В настоящем разделе описывается, от каких параметров зависит эффект
шумоглушения в каналах, как его рассчитать исходя нз характеристик при-
меняемых материалов (подраздел 16.9), и какие конструкции следует выби-
рать для достижения требуемого эффекта шумоглушения. В основном будут
рассмотрены глушители, в которых используются звукопоглощающие покры-
тия. Только .в связи с этим описываются эффекты, вызываемые изменением
сечения каналов (например, в их начале и в конце), а также наличием в них
поворотов и разветвлений. Так называемые реактивные глушители, действие
которых основано на отражении звука, обусловленном скачкообразным изме-
нением сечения, резонаторами н т. д., не рассматриваются. Некоторые све-
дения о ннх указаны в подразделе 7.2.3.
16.1. ФОРМА КАНАЛОВ
Типичная форма поперечных сечений каналов видна из рис. 16.1.
Квадратный канал (рис. 16.1, в) является во многих случаях наиболее удоб-
ным вентиляционным каналом. С акустической точки зрения для получения
Рис. 16.1. Форма сечения каналов.
необходимого проходного сечения S целесообразно придать каналу формы
вытянутого прямоугольника (рис. 16.1,а), причем каналы, в которых приме-
нены панельные глушители, будут в этом случае иметь сечение типа изобра-
женного на рнс. 16.1,6. В экспериментальных исследованиях наиболее пред-
327
почтительно использовать каналы с сечением, форма которого показана на
рис. 16.1,а, при ширине Ь<Х/4 (X, — длина звуковой волны).
Каналы практически не меняют своих свойств, если в их плоскостях
симметрии установить акустически жесткие стенки. Принято, что высота
h — это расстояние между внешней плоскостью звукопоглощающего покры-
тия н плоскостью симметрии (или установленной здесь акустически жесткой
стенкой). Для упрощения исходят из следующего предположения; звуковое
поле в направлении z (рис. 16.1) не изменяется, а размеры ка’нала в на-
правлении распространения звуковой волны значительно больше высоты h.
16.2. РАСЧЕТ ШУМОГЛУШЕНИЯ
Результативность действия звукоглушащего канала характери-
зует так называемая степень ослабления шума в канале глушителя Z>d, рас-
считываемая по формуле
р‘,
O,= 101g—= дБ, (16.1)
где /V— среднее во времени значение звуковой мощности на входе канала;
Ра*—среднее во времени значение звуковой мощности на выходе из канала;
—уровень звука перед входным сечением канала; Lh—уровень звука за
выходным сечением канала.
В этой приближенной формуле учитываются акустические характери-
стики помещений источника и приемника.
Наравне с указанной характеристикой используется эффективность уста-
новки глушителя в канале
De—L0 — Lm дБ, (16.2)
где Z-o — уровень шума в помещении приемника, когда в канале не приме-
нена звукопоглощающая облицовка стенок; Lm — уровень шума в помеще-
нии приемника в случае, когда в к ан применена звукопоглощающая обли-
цовка стенок.
При определении Lo канал такого же проходного сечения должен быть
выполнен из акустически жестких стенок, а отверстия боковых резонаторов
закрыты.
На обе характеристики шумоглушения влияют следующие факторы:
отражение звука на входе и выходе канала;
отражение звука, обусловленное изменением сечения канала и его по-
воротами;
собственное звукоглушение участков канала, облицованных звукопогло-
щающим материалом, при том же сечении.
Два первых фактора рассматриваются в подразделе 16.8.
Как правило, особенно в длинных каналах, превалирует последний фак-
тор. В связи с этим представляет интерес затухание звука £>дх на произ-
вольно выбранном участке канала длиной Дх при значительном удалении от
концевых сечений:
— &Рх
Дд, = 4,34 р^х дБ, (16.3)
где ДРя — потери активной мощности на отрезке длиной Дх; Рх — активная
мощность, поступающая в канал.
Формулу (16.3) можно переписать в следующем виде:
D. = -4,34—^;----- =4,34-Дх^-1пРл дБ. (16.4)
д* ’ р„ дх
328
Чтобы в канале постоянной конструкции величина D&x вдоль оси канала
не зависела от положения х, требуется, как правило, достаточно большое
удаление от концевых сечений. В этих сечениях (под влиянием особенностей
помещения источника и помещения приемника) возможно разнообразное
распределение звукового давления. Подобное распределение нетрудно пред-
ставить как комбинацию звуковых воли канала (так называемых мод, под-
раздел 16.4), поглощение которых различно, в связи с чем затухают они
неодновременно. В результате остается только одна (основная) мода с наи-
меньшим затуханием. При достаточной длине канала она и определяет сте-
пень затухания звука в канале. В дальнейшем поэтому прежде всего рас-
сматривается затухание в канале этой основной моды.
16.3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
16.3.1. Уравнения равновесия
Взаимосвязь между звуковым давлением р и вектором скорости
v=vx< vv, vz может быть установлена на основе закона Ньютона
др
<16-6>
Пользуясь зависимостью от времени в форме уравнение (16.5)
можно записать в виде
(16.5а)
-х k0Z0 дх ~J fe0Z0 ду ~г k0Z0 дг к
В приведенных формулах ро — плотность воздуха; feo=w/co=2n/Xo— вол-
новое число в свободном поле (со-—скорость звука, Хо—длина волны в сво-
бодном поле); Zq=PqCo — волновое сопротивление.
16.3.2. Проводимость
Поскольку в каждой точке звукового поля амплитуды скорости
и давления линейно взаимно связаны, проводимость G можно определить по
формуле
У = 6р. (16.6)
Если комплексное значение вектора звукового давления выразить через
его модуль и фазу в виде
Р (х, У1 = \р(х, "е£ 1:с'
где фаза находится по отношению к любому сигналу на заданной частоте,
то, например, у компонент вектора проводимости будет определяться следую-
щим выражением:
д д 1
----аг'8 ?(*») + / ln ! р (*• и) | • (16-6а)
оу оу J
G,
329
16.3.3. Энергетические соотношения
Плотность потока энергии / можно вычислить при комплексной
форме записи в виде:
I 1
/=-2-Repa*=—]p|2ReG, (16.7)
Направление потока энергии, таким образом, совпадает с направлением
векторов проводимости.
Для среднего во времени значения плотности энергии w и плотности
активной мощности I в звуковом поле без источников и приемников, т. е.
в свободном сечении канала, можно использовать следующее энергетическое
соотношение:
д д д ,
div/— ——1х-\—д— ^У~--------TTW‘ (16.8)
дх ду у dt '
Если средняя плотность энергии (например, для плоской бегущей .волны)
постоянна во времени, так что dw!dt=Q, то применимо соотношение
16.3.4. Волновое уравнение
Звуковое давление в свободном прямоугольном канале
(рис. 16.1,6) должно удовлетворять волновому уравнению (1.26) и может
быть представлено в следующем виде:
32р д2р
^+-^г+^=°- (,6Л0)
Для основной моды, распространяющейся в направлении +х,
р(х, и) = Рое~-‘ g И, (16.11)
где Г=Г'+;Г" — постоянная распространения (Г' — коэффициент затухания
в неперах на единицу длины, Г"=2п/Хк = со/Сф — фазовое волновое число
в радианах на единицу длины; Хк—модальная длина волны в канале; Сф—
фазовая скорость волны в канале); g(у) — функция поперечного распреде-
ления.
Если представить х-компоненту вектора проводимости в виде Gx =
= Gx'+jGx", то из уравнений (16.11), (16.5а) и (16.6) получим
0" = r7^ozo; G"x = r'/kozo. (16.12)
Продольная проводимость канала иа всем свободном поперечном сече-
нии канала постоянна.
После подстановки (16.11) в (16.10) можно записать
г (»)+(£2+ «$<(») = °. (16.13)
16.3.5. Краевые условия
Для описания звукового поля в канале пригодны только те ре-
шения уравнений (16.10) н (16.13), которые соответствуют краевым условиям
на стенках канала.
На акустически жестких стенках должны выполняться условия, что
G± =0 или а±=0. Индексом ± обозначены составляющие векторов, перпен-
дикулярные стенке.
330
На свободной поверхности звукопоглотителя y = h должно соблюдаться
условие равенства давлений
р(х, h) = p1{x, h) (16.14)
и условие равенства нормальных составляющих плотности объемного потока
1‘)=Чу1(Х’
Далее ограничиваются применением звукопоглотителей следующих основ-
ных типов:
1. С однородной поверхностью, не проводящей звуковых волн по своей
поверхности вдоль канала.
3. Из однородного изотропного объемно сжимаемого материала (напри-
мер, пористого поглотителя).
3. С четко выраженной продольной структурой, элементы которой перио-
дически повторяются и имеют не слишком малые размеры по сравнению
с длиной волны.
В первом самом простом случае прилегающие одни к другим участки
поглотителя вдоль его поверхности акустически не связаны между собой.
Поглотитель в каждой точке поверхности выражается единообразно с по-
мощью формул для локального импеданса стенки 2\=р!и_ц или ее проводи-
мости Gy=l/Z, что позволяет вместо уравнений (16.14) и (16.15) записать
следующее равенство:
Ч = 01- (16.16)
Примером такого типа поглотителя является слой пористого поглотителя
с близко расположенными (по сравнению с модальной длиной волны в ка-
нале) продольными тонкими перегородками («кассетный поглотитель»).
Если расстояние между перегородками достигнет Хк/2, то такой поглотитель
следует отнести к третьему типу. Поглотителем первого типа приближенно
можно считать и пористый поглотитель без перегородок, если скорость рас-
пространения звука в нем мала по сравнению с фазовой скоростью волны Сф
в канале. В этом случае звуковая волна в поглотителе сильно преломляется,
т. е. распространяется в ием в направлении, почти перпендикулярном к по-
верхности стенки. Аналогично можно рассматривать поглотитель, в котором
внутреннее затухание значительно выше затухания в канале. В обоих слу-
чаях в соответствии с подразделом 15.2.1 предполагаются высокие значения
сопротивления потоку. К поглотителям первого типа можно отнести также
решетчатые резонаторы .Гельмгольца с разделенным на ячейки воздушным
объемом н небольшим шагом решетки.
Характерным примером поглотителя второго типа являются пористые зву-
копоглощающие материалы. Для этого типа поглотителя краевые условия
в соответствии с (16.14) и (16.'15) можно дополнить требованием о том,
чтобы длина волны в поглотителе в направлении х была равна модальной
длине волны в канале.
Поглотители первого типа рассматриваются в подразделе 16.4.1, вто-
рого— в подразделе 16.4.2, а третьего — в работах [3, 6].
16.3.6 . Зависимость затухание — коэффициент затухания
Зависимость затухания Ддх от коэффициента затухания Г'
можно получить из выражений (16.4), (16.7), (16.11) и (16.12):
331
В связи с наличием указанной зависимости характеристику Г' иногда
называют коэффициентом затухания на единицу длины (в неперах) или еще
более кратко — коэффициентом затухания. Обычно принимают, что длина
Дх=Л, и тогда Dh — это затухание звука на участке канала длиной h, равной
высоте канала ',
Рд = 8,68Г'Л дБ. (16.18)
16.4. ПРЯМОУГОЛЬНЫЙ КАНАЛ, ТОЧНОЕ РЕШЕНИЕ
Точное решение волнового уравнения с учетом краевых усло-
вий применительно к прямоугольному каналу со звукопоглощающей облицов-
кой с постоянной локальной проводимостью и с изотропной (однородной)
облицовкой формально может быть получено достаточно просто [10].
16 .4.1. Облицовка с локальной проводимостью
Форму уравнения (16.11), удовлетворяющую волновому уравне-
нию (16.10) для акустически жесткой стенки (или плоскости симметрии) При
у=0 и vy (х, 0) =0, можно представить в виде:
р(х, у) — pQe~~ -Х cos 8 у, (16.19)
когда
е1 2 = Г + ^. (16.20)
Краевое условие (15.16) при y=h с учетом уравнения (16.5а) непосред-
ственно приводит к равенству, определяющему е:
£ ft tg 8 ft = jkohZQGv (16.21a)
Если принять
E = E' + jE" = (eft)2 = (Ehf (ft0ft)2 (16.2 16)
и
^> = kohZoGlt (16.21b)
то получим следующее равенство:
- iVJ ts = P- (16.21г)
Таким образом, расчет затухания в канале заключается в том, чтобы
при заданной проводимости Gi (и тем самым р) решить уравнения (16.21а)
или (16.21г) в отношении eft или Е, а затем определить по уравнению
(16.216) действительную часть значения Eh. Второй этап расчета относительно
прост, поскольку уравнение (16.216) можно записать в следующем виде:
Гй __________________
= 1, (16.22)
что сходно по форме с записью:
sh х = ]/ch2 х — 1.
Поэтому в расчете можно использовать таблицы комплексных гиперболи-
ческих функций. Кроме того, для решения уравнения (16.22) применяют диа-
грамму, показанную на рис. 16.2.
1 В отечественной литературе иногда используют термин «затухание на калибр (ус-
ловный диаметр) канала», который по своему смыслу близок к D^— Прим. ред. перее.
332
Другой этап расчета, а именно, решение уравнений (16.21а) или (16.21г),
более сложен, так кдк функция тангенса периодична, т. е. уравнение (16.21а)
пли (16.21г) может иметь сколь угодно большое число решений. Из этих ре-
шений, соответствующих различным формам волны в канале, интересно лишь
то, которое позволяет получить самое малое затухание. Рассчитать так на-
зываемую основную моду н ее затухание для каналов с высоким поглоще-
нием непросто, поскольку цифровые методы решения часто «перескакивают»
от моды к моде и не обеспечивают однозначного результата. Возможное гра-
фическое решение уравнения (16.21г) приведено на рис. 16.3, где в комплекс-
ной плоскости Р = Р'+/Р" содержатся кривые постоянных значений Е' и Е".
В литературе вместо нормированной проводимости Zo<?i часто исполь-
зуют нормированное сопротивление Z'/Zo= 1/(G]ZO), поэтому на рис. 16.4 при-
ведены кривые постоянных значений Е' н Е" в комплексной плоскости W,
причем
1 ctgl/E
W = = 1/p = j 6 v -
kQh Za yE
(16.23)
Соответствующие диаграммы указаны в работе [2].
Если необходимо определить импеданс Zt или проводимость Gi обли-
цовки, при которых обеспечивается максимальное затухание основной моды
в канале, то их можно получить из уравнения точки ветвления, а также по
рис. 1М при MZ& = 2,0+ /1,6. (16.24)
или из соответствующего уравнения для рис. 16.4
1
= 0,286 — / 0,249
Ао« Zo
или
Zj — (1,8 — J1,5). (16.25)
333
Рис. 16.3. Решение уравнения (16.21г) на комплексной плоскости р:
=feoftZoGt в виде кривых £'=const или E">=const.
334
ImW
Рис. 16.4. Решение уравнения (16.23) на комплексной плос-
кости нормированного импеданса W — l/k0hZ]/Zo.
335
Максимально достижимое теоретически затухание определяется по фор-
муле _______________________
Dh. max =8,68 Re]/ 3,42 —(М)2 + /6,24 дБ. (16.26)
Для низких частот (Ао/г<СЗ,42)
Dft, max ~ 19 ДБ.
Такое высокое значение Dh, max не реализуется в широком диапазоне
частот. Разделение поглотителя поперечными перегородками приводит к от-
клонению от теоретических предпосылок н снижению затухания. Если к тому
же учесть изменение рассеяния в поглотителях из-за технологических причин,
то становится оправданным использование формул подраздела 16.5 вместо
сложных формул настоящего раздела.
16 .4.2. Облицовка с однородным поглотителем
Часто применяемые облицовки из пористых поглотителей не пол-
ностью соответствуют облицовке с локальной проводимостью, поскольку при
таких поглотителях звук может распространяться параллельно продольной оси
канала. В области высоких затуханий становится заметным звукоизлучение
из поглотителя в свободное сечение канала, что приводит к уменьшению за-
тухания. Поэтому потенциально достижимое затухание в канале ограничено.
В соответствующем расчете [10] однородный изотропный поглотитель ха-
рактеризуется комплексным волновым числом Га и комплексным волновым
сопротивлением Za. Для расчета такого поглотителя с толщиной слоя d
можно применить следующие зависимости:
Рг (*, У) = Pie ~Х ch -* ?! (У ~ h — d), (16.27)
£2 + ef — Г2а = 0. (16.28)
Эти зависимости удовлетворяют волновому уравнению, краевым условиям
на акустически жесткой стенке канала при y—h-rd и равенству волновых
чисел продольных волн Г на поверхности раздела при y=h. Равенство зна-
чений давления и нормальной скорости, описываемых полученным уравне-
нием на разделительной плоскости при y=h, со значениями, определяемыми
уравнением (16.19), для волны в свободном сечении канала приводит совме-
стно с уравнениями (16.20) н (16.28) к уравнению, в неявном виде опреде-
ляющему Г:
— i tg ей = th еД (16.29)
й(Г0 ~ La_a
Из сопоставления с уравнением (16.21) видно, что правую часть равен-
ства (16.29) можно представить как проводимость стенки.
16 .4.3. Сопоставление разделенных (кассетных]
и неразделенных облицовок
Точные расчеты поглотителей с локальной проводимостью (16.21)
и облицовок из однородных поглотителей (16.29) сопоставлялись в работе [4].
Вследствие многозначности решений правой части уравнения (16.29)
определение численных значений по формулам (16.21) и (16.29), даже с по-
мощью ЭВМ, для некоторых типов поглотителей затруднительно.
336
Наиболее важные результаты сравнения разделенных и неразделенных
поглотителей следующие:
1. На низких частотах облицовка канала неразделенными поглотителями
может обеспечить более высокое затухание, чем облицовка кассетными по-
глотителями.
2. На низких и средних частотах затухание, полученное в результате при-
менения неразделенных поглотителей, лишь незначнтельн'о зависит от отно-
шения сопротивления потоку к волновому сопротивлению rd/Zo. Объемная
плотность поглощающих материалов, как правило, не имеет большого значе-
ния. Оптимальные величины rd определяются в интервале 80—140 Рэл
(800—1400 Н-с/м8).
3. Максимальное затухание, предсказываемое теорией для кассетных по-
глотителей, не обеспечивается без кассет. Снижение затухания тем заметнее,
чем меньше отношение rdfa и чем больше отношение толщины слоя погло-
тителя к свободному сечеиию канала dfh.
4. Максимальное значение затухания Dh без кассет, не зависящее от
отношений rdjZz и djh в довольно широком интервале их значений, для ка-
налов с формой сечения, показанной на рис. 16.1,6, составляет 3—4 дБ,
а для каналов с формой сечеиня в соответствии с рис. 16.1, в — 6—8 дБ.
5. С увеличением отношения d/ft, как правило, возрастает эффективная
полоса частот максимального затухания. Если отсутствуют номограммы для
точного расчета глушителей и выбора их параметров, то рекомендуется при-
менять приближенные зависимости.
16.5. ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ ЗАТУХАНИЯ В КАНАЛЕ
16.5.1. Относительная погрешность приближений
Приближенные зависимости обычно составляют для определе-
ния значений Е н J3 {уравнения (16.216) и (16.21в)], которые являются
как бы изначальными величинами. Наиболее удобная форма представления
£‘=^(р)1 Так как расчеты по приближенным формулам проще сопоставлять
вне зависимости от частоты.
Соотношение между относительной погрешностью &Е/Е_ величины Е н
относительной погрешностью Д(Гй)/(ГЛ) постоянной распространения Г
(действительная часть которой н определяет искомое затухание) имеет сле-
дующий вид:
Д (П) _ 1 АГ г, / м уп
(ГЛ) 2 Е [ "Ц ГН j J'
16.5.2. Приближенная формула Пининга
Эту широко известную формулу получают из уравнения (16.3).
Допустим, что падение мощности — ДРХ на отрезке длиной Дх канала со
свободным поперечным сечением S и периметром U на участке, облицованном
поглотителем, равно мощности, поглощенной поверхностью поглотителя (/Дх.
Если поглотитель имеет коэффициент поглощения а, то указанная мощность
приближенно определяется по формуле
— АР к-1-| р |2 Re G (/Лха. (16.30)
х 2
Мощность Pv в направлении распространения
p^-LlppReG^S. (16.31)
337
Тогда в соответствии, с (16.3) можно записать
Два первых члена формулы (16.32) заменяют эмпирическим коэффици-
ентом 1,5 и получают так называемую формулу Пининга
D .= 1,5 — аДх дБ.
§
(16.33)
Из-за больших допущений при построении формулы она позволяет только
грубо оценить затухание в канале, значение которого приближается к фак-
тическим результатам только при малом коэффициенте поглощения.
16.5.3. Приближенные формулы для расчетов
в соответствии с уравнениями (16.21)
При небольших значениях Е можно заменить в (16.21) функцию
тангенса на его аргумент и получить
Е^ jl=jkQhZ0Gv
(16.34)
Хотя такое допущение применимо для низких частот, для небольших
высот канала и малых значений проводимости стенки (при |₽|>0,5 погреш-
ность составляет свыше 30%), оно тем не менее существенно н указывает на
то, что при ReGi>:0 значения Е" всегда должно быть положительными,
в то время как Е' может принимать как положительные, так и отрицательные
значения. Более удачными оказываются следующие выражения:
или
(16.35)
3 15 + 5/₽±)Л15]Л15+ 10/₽ —3₽з
2 /J
/₽
(16.36)
которые можно получить, если разложить функцию тангенса до членов
третьего порядка или провести преобразование j/'E tg J/^E — E/J/^E ctgJ/'E
и разложить функцию котангенса до члена третьего порядка.
В то время как погрешность решения по (16.35) составит менее 10%
только в области —1^₽"^0,5 и О^Р'^1, такая же точность решения
согласно (16.36) достигается для основной моды во всем интересующем нас
диапазоне. При использовании (16.36) необходимо обращать внимание на
правильность выбора знака перед комплексным корнем. Если действительная
часть корня будет больше или равна нулю, то, как правило, Следует прини-
мать отрицательный знак.
Зависимость затухания в канале от проводимости стенок также можно
получить из волного уравнения, используя метод конечных разностей. Соот-
ветствующая формула имеет вид
(4-|-2^)-|-yi6+8/P-2g2
(16.37)
4 +/₽
338
16.6. ПОПЕРЕЧНОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ
ЗВУКОВОГО ПОЛЯ В КАНАЛЕ
Существует тесная взаимосвязь между поперечным распределе-
нием звукового поля в канале g(y) и продольным затуханием Г', причем Г'
можно определить или экспериментально или расчетом из величины g(y)-
16.6.1. Зависимость поперечного распределения
от продольного затухания
На основе формулы (16.17) можно записать следующее выра-
жение:
2Г'=-------^--^-Zx. (16.38)
Z* ox
Затем, используя энергетическое соотношение в форме (16.9), а также
формулы (16.6а) н (16.7), получим
оу х , оу
| р | Re С, Re С*
ReG ду -»
= 2^1410,,^-+ R-— (16.39)
Это равенство применимо для всех сечений канала при y=const. Так как
Re Ох=Л/Мо^о=^оАк2о, уравнение (16.39) примет вид
г' ta Оу R* о„ + 4 z« Re <16-39а>
Если использовать это уравнение на плоскости z/=0, то, поскольку в этом
случае Gv=0 (плоскость симметрии или акустически жесткая стенка), можно
получить следующее равенство:
(««)
В соответствии с уравнением (16.6а) правая часть этого равенства про-
порциональна кривизне фазовой характеристики! на' акустически жесткой
стенке. Поэтому формулу (16.40) можно использовать, если необходимо оце-
нить шумоглушение в канале при отсутствии возможности проводить измере-
ния микрофоном вдоль оси канала, но при условии, что будет сделано от-
верстие в боковой стенке канала. Дальнейшую взаимосвязь продольного за-
тухания в канале и поперечного распределения давления устанавливают из
волнового уравнения (16.10). При этом звуковое давление р(х, у) в направ-
лении х принимают пропорциональным е - . Отсюда следует:
(£2 + ^о)р(х- + ^ = 0-
339
Интегрируя указанное выражение по у в пределах от г/ = 0 до y=h, по-
лучают формулу
6
~(Х’
Числитель правой части указанной формулы в соответствии с уравне-
нием (16.6а) и краевым условием (16.15) имеет вид
д
Л) = -Wr
В связи с этим можно записать следующее уравнение:
iknhZn(L
(ГНУ+(к^=----------------------------(16.41)
——7гГр(х.
hp_(x, h) -
Если в уравнении (16.41) учесть поперечное распределение звукового
давления в форме g(y) =cos_ey, то опять получим исходное равенство (16.21).
Если же предположить, что звуковое давление по всему сечению канала при-
близительно постоянно', то знаменатель в уравнении (16.41)- станет равным
единице и оно будет соответствовать приближенной формуле (16.34).
Из уравнения (16.41) следует: разность между точным и приближенным
решением зависит только от отношения среднего по площади сечения звуко-
вого давления к звуковому давлению над поверхностью поглотителя. Эта
разница тем больше, чем ярче выражены особенности распределения звуко-
вого давления по поперечному сечению, по модулю и фазе.
16.6.2, Приближенная формула, учитывающая особенности
поперечного распределения звукового давления
~Гх
Приняв в знаменателе формулы (16.41) р_(х, у)=е ~ g\y)t со-
кратив член е ~ и представив правую часть формулы (16.41) в виде цеп-
(16.42)
получим формулу
(16.41) в следующем виде:
(16.43)
Если ограничиться только тремя членами дроби, то
105 + 45/Р ± Т/11 025 + 5250/3 — 160БР3
- = 20+2/р ' <16' 44>
340
Сравнение точных решений Е с приближенным решением по формуле
(1G.44) приведено на рис. 16.5. Кривые £,/To4 = const н £To4 = const, получен-
ные из точного решения уравнения (16.21г), показаны в комплексной пло-
скости приближенного решения £пр по формуле (16.44). При хорошем при-
ближении кривые E't04 и £"Точ должны располагаться близко к координат-
ным линиям. На рис. 16.5 наблюдается очень хорошее соответствие между
приближенным и точным решением. Относительная погрешность составляет,
как правило, менее 1%. Основным требованием является правильный выбор
знака перед корнем. При положительной действительной части подкоренного
выражения отрицательный знак следует принимать в области справа от
штрихпунктирной кривой. За нею нужно использовать знак плюс. Раздели-
тельная линия между положительной н отрицательной областью в ком-
плексной плоскости (3 близка к горизонтали, которая от точки ветвления идет
Рис. 16.5, Пример
решения формулы
(16.44). Кривые
Е точ = СОП81 и
£,',TO4=const полу-
чены из решения точ-
ной формулы (16.21г)
в отношении Епых и
расположены в плос-
кости Е„р, найден-
ного из формулы
(16.44).
вправо на высоте 1m (3=1,6 (па рис. 16.3 обозначена пунктиром). В плоско-
сти Р знак минус перед корнем формулы (16.44) следует ставить в области
ниже упомянутой горизонтали, а знак плюс — выше ее. При пересечении
этой разделительной линии нужно обязательно поменять знак перед корнем,
иначе погрешность может быть большой. На рис. 16.5 пунктиром нанесены
кривые, которые получены при неверном выборе знака (минус вместо плюс).
16.7. ДРУГИЕ ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ КАНАЛА
16.7.1. Круглое сечение
Ограничимся рассмотрением осесимметричного распределения
давления в трубе с внутренним радиусом h и облицовкой из поглотителя
с локальным импедансом (тип 1, подраздел 16.3.5), который описывается им-
педансом Zj или проводимостью Gi.
Поскольку и в этом случае самое малое затухание присуще самой низко-
частотной моде с аксиально симметричным распределением давления — вы-
сокочастотные моды рассматриваются в [9],— звуковое давление в канале
определяется по формуле
Р(*, ') = P„-r„ (er) е~-Х (16.45)
[/п(х)—это-функция Бесселя гс-го порядка]. Последовательность дальнейшего
расчета в принципе такая же, как и для прямоугольного канала. Только
341
cos_ey заменяется на 70(ег), a sin еу на — Jo (erj=/l(er). В результате
можно получить формулу, аналогичную формуле (15.21г),
Рис. 16.6. Решение формулы (16.46) для основной моды в ка-
нале кругового сечения.
Кривые равных значений. Е' и Е" на комплексной плоскости 0, найден-
ные с помощью этого уравнения, приведены на рис. 16.6. Если сравнить
рис. 16.3 и 16.6, т. е. затухание в прямоугольном и круглом каналах, то можно
убедиться, что кривые па том и другом рисунках аналогичны. Единственное
заметное различие — Re Е—Е' для круглого канала принимает более высокие
342
значения, что означает более высокое затухание при равных значениях Е".
Это относится также и к точке ветвления, которая на рис. 16.6 при
0 = 2,98 4-/ 1,98 (16.47а)
соответствует
£ = 7,23-|-/7,65. (16.476)
Тогда значение импеданса в этой точке равно
Zi
-~=koh(Q, 283 — /0,122), (16.47в)
zo
а коэффициент распространения
5, — J/7,23 + / 7,65 - (А0Л)2. (16.47г)
На низких частотах (А0А«С2,8) максимальное затухание составит
Dh к 26 дБ;
(16.47д)
16.7.2. Приближенная формула для канала с круглым
сечением
По аналогия с методами, использованными при выводе прибли-
женных зависимостей для каналов с прямоугольным сечением в подраз-
деле 16.6.1, формула (16.46) разлагается в цепную непрерывную дробь.
Это разложение применяется к следующей функции, полученной из
известных рекуррентных уравнений функции Бесселя:
7п-1 (*)
..., J". (16.48)
Найдем
х2
Fn (X) = 2п-----------------. (16.49)
2 (" + 1) “ =------------3----------------------
Цепная дробь сходится только при значениях n>|xj, однако и для
п< jx| до определенных значений I получены соответствующие приближенные
методы решения. Используя формулу (16.48), можно перепцеать формулу
(16.46) в виде Е F1Cvit <16'Б0)
Затем с учетом формулы (16.49) запишем
(16.51)
343
Если ограничиться тремя членами непрерывной дроби формулы (16.51),
то, решая квадратичное уравнение относительно Е, получим
96+ 36/0 ± 1/9216+ 2304/0—91202
- = 12 -i- jp ” (16.52)
Как и при расчете по аналогичной формуле для прямоугольного канала
(16.44), и в этом случае относительная погрешность прн расчете на основной
моде, вплоть до области, непосредственно примыкающей к точке ветвления,
составляет менее 1%. Знак перед корнем в формуле (16.52) выбирается
с применением тех же рекомендаций, что н для прямоугольного канала.
Разделительная линия на плоскости 0 проходит также почти горизонтально
на высоте Im0«l,2—1,25 параллельно вещественной оси вправо от точки
ветвления (пунктир на рис. 16.6). Знак минус применяется в области, распо-
ложенной ниже разделительной линии.
Формула (16.52) позволяет уменьшить трудности расчета затухания
в круглом канале, связанные с использованием комплексных функций Бес-
селя, так как вместо них в этой формуле применены комплексные корни.
16.7.3. Другие формы сечений каналов
При расчете затухания в каналах с другими формами сечений
можно исходить из того, что в соответствии с формулами (16.32) и (16.33)
снижение уровней звука определяет отношение U&x/S. Таким образом, зату-
хание звука на калибр Dh пропорционально
(16.53)
где U—облицованный поглотителем периметр канала; S—площадь свобод-
ного поперечного сечения канала.
Если исходить из того, что у канала с сечением щелевого типа (одной
поглощающей стенкой) Uh/S&l и что такой канал обладает расчетным за-
туханием Dh л в соответствии с указаниями подразделов 16.4—16.6, то у квад-
ратного канала (рис. 16.1, в) с тем же импедансом стенки затухание Dh □
можно определить по формуле
Dha = ~g~ dh II = 2Вл II .
у прямоугольного канала (рис. 16.1, а)
“ Dh I = (• + V4) Dh || ,
а для круглого канала примерно Dho—2Dh II .
16.8. ЗАТУХАНИЕ ВСЛЕДСТВИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СЕЧЕНИЯ
И НАПРАВЛЕНИЯ КАНАЛА
Кроме рассмотренного выше затухания па прямом отрезке ка-
нала всегда имеется дополнительное затухание, связанное с изменением по-
перечного сечения канала и его направления. При этом различают затухание:
на входе в канал;
па выходе из канала;
обусловленное изгибами канала;
при изменении сечения канала.
344
Механизм дополнительного затухания объясняется, с одной стороны, ча-
стичным отражением звуковой волны в местах изменения сечения и изгиба
канала, с другой стороны, образованием высокочастотных мод на выступах
в канале. Как известно, этим модам в каналах присуще повышенное зату-
хание и, таким образом, часть энергии, затрачиваемая на образование высо-
кочастотных мод, быстро рассеивается. Отсюда можно вывести основное
условие эффективного использования дискретных изменений в сечении и
в направлении канала: районы с подобными изменениями Должны быть
отделены один от другого участками канала, обладающими достаточной
степенью звукопоглощения.
Расстояние между указанными изменениями в конструкции каналов це-
лесообразно принимать равными не менее чем трем-четырем калибрам ка-
нала. В противном случае отраженные звуковые волны (в том числе высоко-
частотные моды) могут интерфе-
рировать, что вызывает провалы ------------~i--------------- -----------
в частотной характеристике зату-
хания. Если расстояние меньше
рекомендуемых, конструкция ста-
новится подобной активным глу-
шителям, параметры которых
обычно тщательно подбирают
в отношении частот эффективного
шумоглушения.
Рис. 16.7. Снижение уровня шума на
входе в звукопоглощающий канал при
статистическом падении звука на вход-
ное отверстие, расположенное близко
к стене.
16.8.1. Затухание
на входе
Если облицованный
канал выводится из помещения
источника шума через стенку, то
падающие под непрямым углом
к сечению входного отверстия ка-
нала звуковые волны могут воз-
буждать в канале высокочастот-
ные моды с повышенным затуха-
нием. На рис. 16.7 представлены результаты измерений снижения уровней
звука на входе в канал при диффузном распределении звуковых волн в по-
мещении, где размещается входной участок канала, и приведено значение
затухания на входе DBS.
Затухание на входе незначительно, если не считать частот, на которых
ширина канала больше половины длины звуковой волны. Если входное от-
верстие канала располагается очень близко к стенке, ограждающей поме-
щение, или на кромке стены (линия пересечения двух стен), то затухание
будет еще меньше. Такое затухание часто не учитывается в расчетах.
16.8.2. Затухание на выходе
Затухание на выходе из канала Ddwx рассматривают при усло-
вии, что в канале со звукопоглощающей облицовкой распространяется ос-
новная мода н что поперечное сечение помещения, в которое выходит канал
(помещение приемника), значительно больше поперечного сечения канала.
Первоначально считают: помещение приемника полностью поглощает по-
падающий в него звук, т. е. звук не отражается от ограждения помещения
к выходному отверстию канала.
На следующем этапе учитывают отражение от стенок помещения, при-
чем предполагают, что стены помещения приемника хорошо отражают звук.
Из величины йВых необходимо вычесть затухание на входе. Затухание на
выходе обусловлено отражением звука от конца канала, поэтому в первую
345
очередь нужно рассчитать коэффициент отражения н далее уже опреде-
лить затухание на выходе по формуле
Рвых= — 101g(l — |Др) дБ. (16.54)
Для расчета R звуковая волна на выходе нз канала (прн х«0) пре-
образуется в две составляющие: падающую волну —первый член в скобках
формулы (16.55)—и отраженную волну —второй член в скобках формулы
(16.55)
Р (X, y)=g (у) [е~-х + Яе+-*]. (16.55)
Тогда .в соответствия с формулой (16.5а) скорость в продольном на-
правлении будет равна
gt.y) - яг+!?] , (16.56)
Рис. 16.8. Затухание шума на выходе
нз каналов со звукопоглощающей
облицовкой (d//z=l) и без нее (d!h=
=0).
а импеданс в плоскости х=0 можно
вычислить из выражения
Р I _ . ko 7 1 +
U ' Г Z° 1 - 7?
(16.57)
Импеданс в соответствии
с (16.57) должен быть равен импе-
дансу излучения Z8 выходного сече-
ния канала. Поэтому коэффициент
отражения 7? определяется по фор-
муле
~ £s+/W£
г
— + —
lk0
Если вместо _ZS подставим (с не-
которым приближением) импеданс из-
лучения сферического излучателя, отнесенный к его площади, то получим
следующее равенство:
ОВЫХ = — 10 1g
4(Га4-/г0аГ"и)
(Га + I)2 4- (Г'ат-М2
(16.59)
Эффективный радиус а сферического излучателя рассчитывается в за-
висимости от площади выходного сечения S канала и телесного угла Q по
формуле а = У S/Q, причем О=4л, если выходное отверстие канала нахо-
дится в помещения, Q=2n, когда выходное отверстие расположено очень
близко к стене вдали от ее кромок, Q—л, если выходное отверстие нахо-
дятся иа линии пересечения двух стен, и О=л/2, когда выходное отверстие
предусмотрено в углу помещения.
346
В случае очень малого затухания Г'а->0 и Г"а-^коа н формула (16.59)
приводит к затуханию в очень длинном акустически жестком канале. На
рис. 16.8 приведены данные о затухании на выходе из заглушенного
прямоугольного канала и акустически жесткого канала (d—0) при различ-
ных телесных углах Q (толщина поглотителя d=h, удельное сопротивление
потоку г). Таким образом, затухание на выходе заметно прежде всего на
низких частотах. Если канал в районе выходного отверстия облицован зву-
копоглощающим материалом, то при Г'а<1 и r"a>koh затухание на выходе
снижается по сравнению' с затуханием акустически жесткого канала. Из
формулы (16.59) и из зависимости эквивалентного радиуса а от телесного
угла следует, что затухание на выходе канала понижается в случае переме-
щения выходного отверстия от центра стенки к ее кромке и от кромки к углу
помещения, причем максимум на 3 дБ при каждом из этих перемещений.
16.8.3. Затухание, обусловленное изгибами канала
Затухание вследствие изгиба (изменения направления) канала
вызывается отражением части звуковой энергии в ту часть кайала, которая
находится перед изгибом, а также звукопоглощением в результате падения
звука на облицованную стенку в месте изгиба канала и возникновением
быстро рассеивающихся высокочастотных мод в канале за счет падения
звука на его изгиб. В литературе помещены данные, позволяющие рассчи-
тать затухание только для каналов, имеющих акустически жесткие изгибы
[5]. При изгибе канала на 90° коэффициент прохождения Т (отношение ам-
плитуды прошедшей волны к амплитуде падающей волны) рассчитывается
по формуле
111=-------- —......:; 2.......---„„.z . (16.60)
koh 1/ [1 + 7ГЙГ ~ ctSa 1 + 4 ct82 (М)
а коэффициент отражения R составляет
l/i1+-ctg2 Г+4 ctg2
r L LlRo'1) J
(16.61)
Обе указанные величины при-
ведены на рис. 16.9.
Затухание на изломе канала
£)и находят из выражения
Dn = --20 1g | Т |. (16.62)
Сравнение расчетных данных
по формуле (16.62) с эксперимен-
тальными показывает хорошее их
совпадение, вплоть до области
2Zi/X^0,5. Выше этой частоты из-
меренные значения ниже расчет-
ных величин и зависят от формы
падающей волны.
Рис. 16.9. Коэффициент прохожде-
ния Т и коэффициент отражения R
изгиба на 90° в канале высотой Л,
имеющем жесткие стенки.
347
Из затухания на изгибе акустически жесткого канала можно прибли-
женно оценить затухание на изгибе канала с поглощающей облицовкой, если
к формуле (16.62) прибавить величину — 201g|7?J, причем | Я] — это коэф-
фициент отражения канала на соответствующей частоте при нормальном
падении звуковой волны н наличии звукопоглощающей облицовки.
На рис. 16.10 нанесены частотные характеристики затухания, на .изгибе
в случае различной толщины облицовки нз волокнистых материалов с нор-
мированным сопротивлением потоку rdjZf,. Кривые рассчитаны для шума
в октавных полосах частоты. При статистическом падении звука и при боль-
шой внутренней ширине канала h можно получить наилучшее совпадение
Рис. 16.10. Затухание шума на изгибе канала (угол изгиба 90°) при
акустически жесткой стенке (с///г = О) и поглощающей облицовке
(толщиной d) из волокнистого материала с нормированным сопро-
тивлением rd/Zt).
с результатами замеров, если ход кривой на рис. 16.10 после ее первого рез-
кого изгиба экстраполировать в сторону высоких частот.
Из рис. 16.10 видно, что затухание на изгибе велико прежде всего на
очень высоких частотах. Поскольку эффективность звукопоглощающей обли-
цовки прямых участков канала на этих частотах, как правило, снижается,
затухание на изгибе является подчас самым простым и достаточно эффек-
тивным средством ослабления высокочастотных составляющих шума. При
проектировании шумозаглушенных каналов следует использовать любой
подходящий изгиб для установки звукопоглощающей облицовки. Поскольку
определенная доля эффективности таких глушителей определяется повышен-
ным звукопоглощением высокочастотных мод, по возможности следует до-
биваться, чтобы перед изгибом и за ним участки канала имели звукопогло-
щающую облицовку длиной не менее 4ft.
16.8.4. Затухание при изменении сечения
Если в канале резко изменяется сечение (рис. 16.11), то в пло-
скости изменения сечения происходит отражение звука и возникают высоко-
частотные моды, приводящие к дополнительному затуханию.
348
Аналогично анализу, выполненному в подразделе 16.8.2, и в этом случае
затухание определяется коэффициентом отражения в плоскости изменения
сечения
Гс= — 10 lg (1 — [ А? |2) дБ.
(16.63)
В зависимости от изменения высоты канала (и возможно вследствие
различной его облицовки) в зоне 1 (до изменения сечения) и в зоне 2
(после изменения сечения”) для расчета коэффициента отражения использу-
ются различные выражения продольной проводимости:
Рис. 16.11. Канал с резко изменяющимся сечением.
Рис. 16.12. Функции q>(£) и ф(£) для расчета импеданса
изменения сечения по формулам (16.64) и (16.65) при па-
раметре где h и Й принимаются в соответствии
с рис. 16.11.
Плоскость изменения сечения акустически нагружена двумя последова-
тельно подключенными импедансамн Ze—Z/+jZt" (импеданс изменения се-
чения) и 72=1/6x2 (продольный импеданс облицовки канала).
Импеданс изменения сечения находится из следующих равенств:
, 1 И —hl H2—h2 И + 7Л 1
z‘ = Т z°k^ ~н~(' + 1п /Гл)=V W.-P © (16.64)
Н + h
1п77^ + 1п
(Д + Л)а
4ЙЯ
(16.65)
где с!ц —толщина вязкого пограничного, слоя у поверхности канала (в воз-
духе с!ц х 0,21 Vf где f — в Гц); <р(£) и ф(£)—функция от параметра £ =
—h/H (рис. 16.12).
Величина dp довольно мала, поэтому значения Zs' често значительно
меньше Zz и первым параметром обычно можно пренебречь. Аналогично
349
формуле (16.58) выражение для расчета коэффициента отражения прини-
мает следующий вид:
- ------------Г1— =------------—tv (16-66)
е+ьи/т-т ?;+'V«(t7+m
Затем в соответствии с формулой (16.54) определяется затухание в ме-
стах изменения сечения.
В случае h—Н величину Za в расчетах не учитывают, и формулу (16.66)
можно использовать для расчета дополнительного затухания в местах стыка
различных звукопоглощающих облицовок, которые обусловливают различ-
ные коэффициенты распространения.
16,9. ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗАТУХАНИЯ
Частотные характеристики затухания шума Рл рассматрива-
ются на примере характеристик каналов с пористыми звукопоглотителями
толщиной а (рис. 16.1, а и б).
Расчет производится'в следующей последовательности:
1. Определение значений волнового сопротивления Za и волнового числа
Га поглощающего материала в соответствии с формулами (15.19)-—(15.22)
подраздела 15.2.1.4 в качестве функций
Г d= f, (hJv, —
I. rd d\
(16.67)
2. Расчет нормированной входной проводимости fepfrZoGi облицовки
стенки, которая принимается локально действующей:
th rnd ( Г(4 ах
kahz^ = koh—^ = fslkjv, —; — =₽• (16.68)
*а/4) \ *0 п I
3. Расчет квадрата величины Е, нормированной по показателю попереч-
ного распределения, в соответствии с формулой (16.44), по возможности
в функции от параметров, используемых в формулах (16.67) и (16.68)
£ = <16-69)
\ Zq п /
4. Вычисление нормированного по высоте канала h коэффициента рас-
пространения Пг в канале
rh = y
(16.70)
5. Расчет затухания Dh в канале
Dh = 8,686 Re (Г/l) дБ.
350
Согласно формулам (16.67) — (16.70) величина зависит от отношения
высоты канала к длине звуковой волны в свободном пространстве (koh~
=2яь/Х), от сопротивления потоку rd звукопоглощающей облицовки (норми-
рованного по отношению к волновому сопротивлению в свободном поле Zo)
н от отношения толщины поглотителя d к высоте канала h.
16 .9.1. Нормированная проводимость стенки
На основе данных, приведенных в подразделах 16.4, 16.5, 16,9,
можно утверждать, что величина- ₽=feohZoG( полностью характеризует аку-
стические свойства облицовки, определяющие затухание. Годографы норми-
рованной проводимости стеики с пористым поглотителем прн отношении тол-
щины слоя и высоты канала djh=\ и при разных значениях нормированного
Рис. 16.13. Годограф для пористого звукопоглотители с нор-
мированным сопротивлением потоку rd]Z0 при отношении тол-
щин djh=\ в плоскости k0hZoGi (W.P.— точка ветвления).
351
сопротивления потока rdjZa приведены на рис. 16.13 в зависимости от пара-
метра koh.
Рис. 16.13 можно использовать также для других толщин поглотителя,
если заменить частотный параметр koh на kad и если вместо координаты
k^kZ^Gi применить градуировку оси по величине k$dZGGi. Из рис. 16.13
видно, что максимальное затухание, которое в соответствии с уравнением
(16.24) наблюдается в точке ветвления, у пористого поглотителя с отноше-
нием djh=\ отмечается при сопротивлении потоку rd/Zo=O,4 на частоте
&оЛ=1,15. Например, при толщине слоя облицовки d=10 см требуемое
удельное сопротивление потоку г да 1,65 Рэл/см (16,5 Н-с/м3). В случае та-
кого сопротивления объемная плотность силановых минераловатных материа-
лов должна быть около 8 кг/м3. При рыхлой структуре материала прак-
тически трудно обеспечить достаточную однородность облицовки. Поэтому
сопротивление потоку rdjZv звукопоглощающих облицовок каналов, приме-
няемых на практике, почти всегда выше единицы.
16 .9.2. Затухание панельных пористых поглотителей
На рис. 16.14—16.20 приведены частотные характеристики зату-
хания D/t панельных, поглотителен с отношениями толщин й?/Л=0,5; 1,0; 2,0
и 3,0. Из рисунков следует:
Рис. 16.14. Затуха-
ние шума Dh в ка-
нале с пластинчатым
пористым глушителем
при различных зна-
чениях сопротивления
потоку rdfZo и отно-
шении толщин djh =
= 0,5.
1. Увеличение затухания на низких частотах для не слишком больших
сопротивлений потоку (rd/Zo^lO) пропорционально квадрату частоты.
2. Повышенное затухание на низких частотах и зона максимального за-
тухания тем больше сдвигаются в область низких частот, чем больше отно-
шение djh.
3. Каждому отношению толщин djh. соответствует сопротивление потоку
rdjZQ с максимальным значением произведения среднего в этой области за-
тухания на ширину полосы. Знать точное значение сопротивления потоку не
обязательно.
4. Если сопротивление потоку превысит значение произведения согласно
п. 3, то частота максимального затухания резко сдвинется в сторону более
высоких частот.
5. До значений сопротивления потоку около rd/Z0«10 высокочастотный
максимум затухания (перед завершающим спадом затухания, наблюдаемым
с ростом частоты) почти не изменяется и относительно нечувствителен к из-
менениям значений сопротивления потоку rd.
352
Рис. 16.15. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой из панельного пористого
поглотителя при сопротив-
лении потоку rd/Z0=l, 2
и 4 н отношении толщин
d!h=\.
Рис. 16.16. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой из панельного пористого
поглотителя при сопротив-
лении потоку rd/Z0=I,5, 3
и 6 и отношении толщин
djh=\.
Рне. 16.17. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой из панельного пори-
стого поглотителя при со-
противлении потоку rdjZ^
= 0,5 и 1 и отношении
<*Л=2.
353
12 Заказ № 740
Рис. 16.18. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой из панельного пористого
поглотителя при сопротив-
лении потоку rd/Zo=2, 4 и 8
и отношении толщин d/h=2.
Рис. 16.19. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой из панельного пористого
поглотителя при сопротив-
лении потоку rd/Zo=O,5
и 1 и отношении толщин
d]h=3.
Рис. 16.20. Затухание шу-
ма Dh в канале с облицов-
кой • из панельного пори-
стого поглотителя при со-
противлении потоку rdjZo=*
=2, 4 и 8 отношении тол-
щин djh=3.
354
6. При относительно ровных (сглаженных) частотных характеристиках
(rd/Zo не слишком мало) затухание в диапазону средних частот Dh = 3 дБ.
7. По мере возрастания частоты затухание понижается примерно об-
ратно пропорционально квадрату частоты. Это область формирования «зву-
кового луча», в котором звуковая волна концентрируется вблизи оси канала
и лишь незначительно взаимодействует со звукопоглощающей облицовкой.
16 .9.3. Широкополосная звукопоглощающая облицовка канала
При выборе параметров глушителе^ общего назначения следует
считаться с возможностью воздействия на него широкополосного шума. Вы-
сокие значения затухания в узких полосах частот малозначимы, если возни-
Рис. 16.21. Упрощенные частот-
ные характеристики рациональных
широкополосных облицовок кана-
лов из пористого поглотителя.
кают в результате провалов в зату-
хании в других полосах частот.
В случаях, когда глушитель не рас-
0,1 02 O^Ofi 1 ’ 2 4 6 8 10
Рис. 16.22. Параметры глушите-
лей в соответствии с рис. 16.21.
считывается на применение в определенных Интервалах частот, нужно при-
менять облицовку, обеспечивающую в возможно большем диапазоне частот
максимальное шумоглушение. Особенно важг}Ь1 низкие частоты, поскольку
для повышения на них затухания (при мал^х значениях А0Л) нужно, как
правило, повысить отношение djh и тем самым увеличить поперечное сечение
глушителя. Как показывают рис. 16.14—16.20, Прн большом сопротивлении
потоку облицовки rdjZo затухание иа низких частотах сильно падает.
Тщательное исследование широкополосных глушителей показало, что
целесообразно принимать затухание на средних частотах Рл=3 дБ. В этом
случае можно подобрать рациональные комб^нацни отношений толщин d/h
и сопротивлений потоку rd/Zo, которые обесцечнвают построение частотных
характеристик затухания, позволяющих с приемлемой точностью оценить Dh
в зависимости от koh, как это показано в упрощенном виде на рис. 16.21.
Затухание возрастает пропорционально квадрату частоты до некоторой ниж-
ней граничной частоты (АОЛ)Н н значения затухания Dh — 3 дБ. Это затухание
остается приблизительно постоянным до верхней граничной частоты (koh)B.
Затем с возрастанием частоты наблюдается ег0 падение, обратно пропор-
циональное квадрату koh. Верхняя граничная частота при отношениях тол-
щин d/h^0,5 практически неизменна, а при меньших значениях этого отно-
шения она повышается. Параметры рациональных широкополосных глуши-
12* 355
телей с панельными поглотителями приведены на рис. 16.22 в зависимости
от отношения толщин. Среднегеометрическая частота полосы (Ло^ср"1
«= У (Л(Л1)о (М)н, а ее относительная ширина находится из выражения
Ahah : (А0Й)ср — [(М)в — (Й(Л)н) : V(feoft)B (6(Л)н*
Для принятых в расчетах сопротивлений потоку первые максимумы за-
тухания с Рь«3 дБ получены относительно низкими (рнс. 16.21, 16.22). От-
сутствие поперечных перегородок в поглотителе в основном отражается
только на первых максимумах, причем обычно дБ. Поэтому резуль-
таты расчета, приведенные на рис. 16.21 и 16.22, могут быть использованы
н для непанельных поглотителей, что подтверждается данными эксперимен-
тальных измерений. Верхняя граничная частота (частота формирования «зву-
кового луча») на рис. 16.21 н 16.22 остается неизменной. Ее можно повы-
сить, увеличив d/h или rdfZo, но, поскольку прн постоянном dfh повышение
rdfZv будет означать также увеличение нижней граничной частоты, затуха-
ние на высоких частотах поднимают в результате применения изгибов, для
чего каналу придают волнообразную форму. При постоянной толщине па-
нелей этого достигают зигзагообразным расположением перегородок в па-
нелях. Можно также нспользовать комбинацию волнообразной формы .ка-
нала и переменных параметров поглотителя, применив перегородки ромбо-
видной формы.
16.10. ВЛИЯНИЕ ПОТОКА
Учет влияния потока в глушителе выражается прежде всего
в необходимости определить падение (потери) давления в нем. Этот пара-
метр прн проектировании глушителей в потокопроводящих каналах является
одним из главнейших, так как он (помимо всего прочего) характеризует
минимальное расстояние между внутренними перегородками или звукопогло-
щающими облицовками в нем. Потерн давления зависят от формы встро-
енных в канал элементов и находятся из соответствующих справочных дан-
ных. Поток существенно снижает шумоглушение в канале; особенно сильно
он влияет на эффективность резонансных звукопоглотителей [7]. В поглоти-
телях типа резонатора Гельмгольца может возникать самовозбуждение и
усиление звука. Поэтому в звукопоглощающих облицовках потокопроводя-
щнх каналов нужно избегать систематических повторов в конструкции по-
верхности поглотителей (например, протяженной равномерной дырчатой и
щелевой перфорации нлн близко и равномерно расположенных выступов
мембранных поглотителей). Уменьшение затухания звука объясняется изме-
нением импеданса стенкн, находящейся в потоке.
Поток изменяет затухание звука в канале, даже если он облицован
поглотителем, импеданс которого под его воздействием не изменяется. Это
объясняется тем, что звуковая волна в канале движется вместе с потоком
[7]. Для расчетных оценок в области низких частот (диапазон частот, где
наблюдается повышение затухания) и в области высоких частот (диапазон
частот, где затухание понижается из-за образования «звукового луча») пред-
ложены соответствующие методы [7].
В канале со средней скоростью потока при чнсле Маха М==У/с0 на низ-
ких частотах можно нспользовать следующую зависимость между волно-
вым числом Ги потока и волновым числом Го без потока:
М ^0 —Со
' 2(1—М*) k.
(16.71)
4 (1 —
; — м!
356
Приводимые в этом разделе формулы применимы для каналов систем
вентиляции и кондиционирования воздуха при условии, что £/<50, м/с.
Если порядок величины Го близок значениям jko, а М«1, то формулу
(16.71) можно упростить
Re Гц к Rer0^ I - М J (16.72)
Погрешность расчета по формуле (16.72) составляет ие более 5%, если
£/^50 м/с. Если звуковая волна распространяется в направлении потока, то
число Маха считают положительным. При этом затухание с возрастанием
скорости потока понижается. В противном случае затухание увеличивается.
Хотя относительное изменение затухания, как правило, тем больше, чем
выше число М (так как на низких частотах 1т£о/&о>1), однако порядок его
меняется незначительно.
На высоких частотах (в области формирования «звукового луча») влия-
ние потока, как правило, становится более заметным. Оно сказывается
прежде всего в том, что профиль течения при распространении звука по
потоку обусловливает преломление звукового луча в направлении к стенке
канала. Кроме того, увеличение длины звуковой волны в канале при рас-
пространении в направлении движения потока позволяет сдвинуть начало
формирования звукового луча в область более высоких частот. Оба эффекта
способствуют повышению затухания при. распространении звука в направле-
нии движения потока и уменьшению его при распространении звука в об-
ратном направлении.
Эффект начала снижения затухания вследствие формирования звукового
луча в нешироких каналах проявляется в большей степени. Он выражается
следующей зависимостью:
(16.73)
причем так называемая «эквивалентная частота» /8Кв находится из формулы
<16-74>
Основываясь на этих результатах, можно построить кривую затухания
в потоке на основе соответствующей кривой для невозмущенного воздуха
(рис. 16.23). В горизонтальном и в вертикальном направлениях от точки ня
кривой при М=0 откладывается величина 10 lg(l+M) и таким образом
образуется кривая затухания в потоке. На рис. 16.23 изображено распро-
странение звука в направлении потока (М>0), а на рис. 16.24 —в обратном
направлении (М<0).
Изменение затухания в среднем диапазоне частот определяется с ис-
пользованием более точных теоретических предпосылок [1].
Поток является причиной образования дополнительного шума как перед
глушителем, так и за ним, что должно повлиять на расчет эффективности
глушителя и затухания в нем.
Эффективность глушителя в системе вентиляции можно рассчитать, ос-
новываясь на излагаемом ниже методе [8].
Расчет следует начать с приближенной оценки ожидаемого уровня шума
от вентилятора в канале без звукопоглощения, для чего нужно использовать
эмпирическую формулу (подраздел 8.4):
L = 55-|-Ю lg £/+ 20 lg Aps дБ, (16.75)
где £/—скорость потока, м/с; ДР4 — перепад давления (напор), мм вод. ст.
(9,8 Н/м2).
357
При переходе от шума в канале с сечением 5, м2 входного и выходного
отверстий к шуму в помещении с объемом V, м3 я временем реверберации
Т, с снижение уровней составит
в = 10,гиЬгдБ- (1676>
Формулы (16.75) и (16.76) можно использовать для расчета ожидаемых
уровней шума в помещении с каналом без глушителя
= 33 + 20 lg + Wig ГТ дБ, (16.77)
где W— кратность воздухообмена в помещении, 1/ч.
г Щ f iqf
Рис. 16.23. Построение кривой затухания в потокопроводящем канале на ос-
нове кривой затухания в канале без потока для области высоких частот при
распространении звука в направлении потока.
Рис. 16.24. Построение кривой затухания в потокопроводящем канале на ос-
нове кривой затухания в Канале без потока для области высоких частот при
распространении звука против направления потока.
Рекомендуемые величины W и Т для помещений различного назначения
даны в справочной литературе. Произведение WT обычно изменяется от 3 до
6, а чаще всего от 4 до 5 с/ч..
Допустимые уровни шума часто указываются в дБ (А), поэтому ниже
приведена формула пересчета ожидаемых уровней в помещениях в дБ (А);
спектральные характеристики шума современных вентиляторов
LnA =^П-К ДБ (А), (16.78)
Для центробежных вентиляторов с загнутыми вперед лопатками А=15,
а с лопатками, загнутыми назад, Х=10, для осевых вентиляторов К=3.
Если ожидаемые уровни шума в соответствии с формулами (16.77) и
(16.78) превышают допустимые, то нужно устанавливать глушитель. Разница
между теми и другими уровнями соответствует ориентировочному значению
требуемого затухания глушителя.
В более точных расчетах следует учитывать частотную характеристику
шума вентилятора, а также дополнительный шум потока в канале.
Уровень шума потока (на характеристике А) каналов с гладкими стен-
ками можно' оценить по следующей формуле:
^ = 6+501gt/+101gStf дБ (А), (16.79)
где Sa—площадь поперечного сечения канала и самом узком месте, м2;
U — максимальная скорость потока, м/с.
358
Уровень звуковой мощности Lp при встроенных в канал элементах, пе-
репаде давления (динамический напор) мм вод ст. и площади попереч-
ного сечения S, м2 определяется из выражения
Lp = 36 + 30 1g + Ю lg S дБ. (16.80)
Если встроенные элементы находятся у выхода из канала, то в каче-
стве Др8 принимается разница между напором перед встроенными элемен-
тами и статическим давлением в помещении, куда выходит канал. Получен-
ный в результате расчета по формуле (16.80) уровень шума должен быть
снижен на значение, рассчитанное по формуле (16.76).
Если уровни, определяемые по формуле (16.80), выше полученных по
формуле (16.75) и встроенные в канал элементы расположены перед глу-
шителем, то глушитель следует рассчитывать по формуле (16.80). В случае
расположения встроенных элементов за глушителем, в особенности на вы-
ходе из канала, эффективность глушителя снижается. Если таких элементов
нет, то минимальные уровни шума в канале определяются по формуле
(16.79) или из следующей зависимости [когда требуется оценка не в дБ(А)]:
Ls = Ю + 50 lg U + 10 lg S дБ. (16.81)
16.11. ТЕХНИЧЕСКОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ГЛУШИТЕЛЕЙ
В заключение приведены некоторые рекомендации, которые це-
лесообразно учитывать при проектировании н изготовлении глушителей.
Поверхность пористых звукопоглощающих облицовок в потокопроводя-
щих каналах должна быть достаточно износостойкой. При скорости потока
м/с, как правило, достаточно собственной прочности материала. Если
на облицовку нанесено мелкопористое лакокрасочное покрытие, допустимы
скорости потока 17^30 м/с. При больших скоростях (прежде всего на кром-
ках листов обшивки каналов и на их изломах) следует предусмотреть за-
щитные облицовки из перфорированной жести, металлических полос, про-
волочной сетки, стеклоткани и стекловойлока или соответствующих их ком-
бинаций. Защитные облицовки из толстых пленок позволяют существенно
снизить эффект звукопоглощения. В случае применения щитовых звукопо-
глотителей необходимо скруглять передние и задние кромки щитов. Это
приводит к уменьшению потерь давления и снижению шума потока. Смеще-
ние щитовых поглотителей (относительно собственных плоскостей), распо-
ложенных одни за другим, может сдвинуть начало формирования звуко-
вого луча в сторону более высоких частот, если поглотители установить на
кромках щнтов. Этот вариант конструкций рекомендуется использовать
только при ограниченной длине канала.
Затухания звука можно также достичь в результате удлинения глуши-
теля н установки щитов в один ряд при небольших потерях давления.
Элементы крепления звукопоглотителя не должны образовывать вы-
ступающих кромок, так как в противном случае это может привести к не-
приятному свистящему звуку.
Обшивка канала может уменьшить затухание звука. Это объясняется
передачей нзгнбных колебаний по обшивке канала через глушитель или зву-
коизлучением передней части глушителя с распространением звуковых волн
за глушитель. Вследствие этих причин максимально высокие значения зату-
хания в глушителе не превышают 40 дБ. Чтобы получить такое затухание,
нужно стенку глушителя акустически «развязать» с обшивкой канала (на-
пример, используя гибкие шланги), а сам глушитель ближе к его средней
части акустически «разделить». Материал стенки глушителя не должен быть
слишком легким. Нужно избегать крепления глушителя к вибрирующей кон-
струкции или использовать в этом случае виброизолирующне опоры.
Чтобы не допускать снижения эффективности глушителя из-за звуковой
вибрации и чтобы укоротить длину канала за глушителем и добиться пони-
женного уровня шума за глушителем, во многих случаях целесообразно ис-
пользовать в каналах несколько глушителей.
359
16.12. ЛИТЕРАТУРА
1. Hubert М. Schallausbreitung in durchstromten Kanalen.—Akustik und
Schwingungstechnik. Gemeinschaftstagung Berlin, 1970, Dusseldorf, VD1—Ver-
lag. 1971.
2. Kurze U. Untersuchungen an Kammerdampfern.— Acustica, 15, 1965,
139—150.
3. Kurze U. Schallausbreitung im Kanal mit periodischer Wandstruktur.—
Acustica, 21, 1969, 74—85.
4. Lenk A. Schallausbreitung in absorbierenden Kanalen.— Habilitations-
schrift der FakultSt fur Elektrotechnik, Dresden, Techn. Univ., 1965.
5. Lipper W. К. P. The measurement of sound reflection and transmis-
sion at rightangled bends in rectangular tubes.— Acustica, 4, 1954, 313—319.
6. Mechel F. Einfiuss der Ouerunterteilung von Absorbern auf die Schall-
ausbreitung in Kanalen.— Acustica, 16, 1965/66, 90—100.
7. Mechel F., Mertens P. Schallausbreitung in absorbierend ausgekleide-
ten Stromungskanalen bei hohen Windgeschwindigkeiten.— Acustica, 13, 1963,
154—165.
8. Schmidt H. Vereinfachte Bestihimung der Gerausche von Liiftungsan-
lagen und Ermittlung der erforderlichen Schalldampfer.— Heizg.— Luftg.— Ha-
ustechn, 1968, 260—265.
9. Scott H. L. The optimization of sound absorbers in circular ducts.— J.
Sound Vib., 16, 1971, 189—222.
10. Scott R. A. The propagation of sound between walls of porous mate-
rial.—Proc. Phys. Soc., London, 58, 1946, 358—368.
17. ШУМОГЛУШЕНИЕ В ЗДАНИЯХ
К. ГЁЗЕЛЕ
Защита помещений от шума, проникающего в них из других помещений
здания или снаружи, является комплексной проблемой. В первую очередь
имеет значение звукоизоляция перекрытий, стен, дверей и окон. Кроме того,
должна быть обеспечена изоляция звуковой вибрации, прежде всего на пе-
рекрытиях, в частности, для заглушения шума шагов. Наконец, звукоизоля-
ция должна учитываться при проектировании санитарно-технического и ин-
женерного оборудования зданий.
Ниже рассматриваются эти три главные задачи.
17.1. ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ
17.1.1. Общая характеристика
Под звукоизоляцией строительной конструкции понимается ее
свойство препятствовать передаче в соседнее помещение падающей на нее
звуковой энергии. Звукоизоляция между двумя помещениями зависит, как
правило, от конструкции разделительного элемента между ними (стена, пол
н т. д.). Качество звукоизоляции ограждающего элемента характеризуется
звукоизоляцией R, определяемой по формуле
Я = lOlg-^L,
2
(17.1)
360
где Pi — звуковая энергия, падающая на одну из сторон ограждения; Ра —
звуковая мощность, излучаемая другой стороной ограждения в соседнее по-
мещение.
Если применить это определение к звукопередаче из одного помещения
к другому через ограждение, то можно записать следующее выражение
(подраздел 3.3.3):
с
R = Lx-L2+ 101g—— дБ, (17.2)
^2
где Li — уровень звука в помещении источника; Lz—уровень звука в поме-
щении приемника; S — площадь разделительной стенки между помещениями;
Аг — эквивалентная площадь звукопоглощения в помещении приемника.
Поскольку передача звука осуществляется не только через разделяю-
щую два помещения преграду, но также частично по обходным путям (что
обычно наблюдается в строениях), в качестве меры звукоизоляции приме-
няют также понятие фактической звукоизоляции R'. Наличие штриха озна-
чает, что передача звука происходит не обязательно только через разделяю-
щую преграду. Для расчета этой величины используют также формулу
(17.2)
Для ориентировочной оценки звукоизоляции стен или потолков мебли-
рованных помещений последний член формулы (17.2) 101gS/A2 принимается
равным нулю.
В ряде случаев нецелесообразно использовать формулы (17.1) и (17.2),
так как иногда площадь конструкции, на которую падает звуковая энергия,
и площадь конструкции, которая излучает звук, невозможно определить или
они неодинаковы по значению. Поэтому находят так называемую нормиро-
ванную (или приведенную) разность уровней звука Dn, которая рассчиты-
вается из выражения
Dn = L1-L;i+ 101g А. дБ, (17.3)
Л2
где Ао=1О м1 2 —- эталонная площадь звукопоглощения в помещении прием-
ника.
Значение Ао приблизительно соответствует площади звукопоглощения не-
большого меблированного жилого помещения. В отдельных случаях, напри-
мер для большой гостиной нли ванной, целесообразно принимать другие
значения Ао, которые в большей мере соответствуют практическим условиям.
Звукоизоляция зависит от частоты. Для упрощения сопоставлений при-
меняются следующие величины, средние для диапазона частот от 100 до
3200 _
средняя звукоизоляция R или Rcp (когда R нанесено на логарифмиче-
скую шкалу частот, R или Rap есть результат простого усреднения по выше-
указанному диапазону частот);
оценочная звукоизоляция Rw (рекомендация JSO R717);
индекс звукоизоляции LSM.
При усреднении двух последних величин используется так называемая
нормативная кривая (рис. 17.1), которую перемещают по графику парал-
лельно оси ординат до тех пор, пока среднее по отдельным третьоктавиым
полосам отклонение в меньшую сторону от этой кривой измеренных значе-
ний будет не более 2 дБ [З]2.
1 В отечественной литературе, чтобы подчеркнуть большое влияние обходных пу-
тей. величину 7? иногда называют собственной звукоизоляцией, или звукоизолирующей
способностью.— Прим. ред. перев.
2 Это отклонение должно быть больше 1 дБ, но не превышать 2 дБ. Смещение нор-
мативной кривой производится на целое число децибел, поэтому LSM выражается це-
лым числом. В отечественной практике используется аналогичная величина — показатель
изоляции от воздушного шума — Ев, однако нормативная кривая в СССР проходит на
2 дБ выше, чем указано в рекомендации ISO R717.— Прим. ред. перев.
361
Этот кажущийся формальным метод учитывает неодинаковую чувстви-
тельность человеческого уха к различным частотам. Выполненное таким
способом усреднение соответствует измерениям шума с заданным спектром
на характеристике А шумомера [7].
Вышеуказанные средние значения взаимосвязаны:
Rw = LSM-j- 52; (17.4)
LSM«£—50. (17.5)
В дальнейшем вместо R будет в основном использоваться показатель Rw.
Рис. 17.1. Определение индекса звуко-
изоляции.
д' _ фактическая звукоизоляция; S — норма-
тивная кривая; а — кривая измеренных значе-
ний звукоизоляции легкой одинарной пере-
борки массой 150 кг/м2. Нормативная кривая
опускается на 8 дБ, чтобы среднее отклоне-
ние в меньшую сторону (в третьоктавных по-
лосах) от этой кривой для измеренных значе-
ний было от 1 до 2 дБ; таким образом, ин-
декс звукоизоляции LSM=8 дБ; б —кривая
измеренных значений звукоизоляции двойной
стенки дома (каждая толщиной 11,5 см) из
пустотелого кирпича. Нормативная кривая
поднимается на 14 дБ, чтобы среднее откло-
нение в меньшую сторону (в третьоктавных
полосах в диапазоне от 100 до 3200 Гц) от
этой кривой для измеренных значений соста-
вило не более 2.дБ; таким образом, индекс
звукоизоляции LSM=-f-14 дБ.
17.1.2. Измерение
Звукоизоляцию можно измерить в лаборатории и на готовом
объекте. В соответствии с формулой (17.2) в одном из двух помещений со-
здается звуковое поле, а затем измеряют уровни звука L\ и (обычно
в третьоктавных полосах частот). В том же диапазоне частот замеряют
время реверберации Т, с и определяют эквивалентную площадь звукопогло-
щения в помещении приемника A2=0,I6 V/Т, где V—объем помещения при-
емника, м®. В помещении источника предпочтительно создавать широкопо-
лосный шум, а анализ шума проводить в третьоктавных или октавных поло-
сах частот.
17.1.3. Однослойные (одностенные) конструкции
17.1.3.1. Основные положения. В стенах из материала с откры-
тыми порами (например, из неоштукатуренного пемзобетона) звукопередача
может осуществляться по узким воздушным каналам внутри стены. В этом
случае она определяется сопротивлением потоку материала стены и, как
правило, очень незначительна. Звукопередача может быть несколько сни-
жена за счет нанесения на такую стену слоя из сравнительно плотного ма-
териала, например штукатурки. Иногда бывает достаточно нанести слой
с одной стороны стенки. В монолитной плотной стенке возбуждаются из-
гибине колебания, что приводит к звукоизлучению в соседнее помещение.
Зависимость звукоизоляции однородной пластины от частоты можно на-
глядно представить, если величину R выразить через произведение толщины
пластины на частоту. Следует различать три частотных диапазона А, В и С
(рис. 17.2).
362
Диапазон А. На низких частотах величину R определяет в основном
масса пластины на единицу площади т", причем значение
R рассчитывается по формуле [3]
Диапазон В. В этом диапазоне наблюдается снижение звукоизоляции,
обусловленное процессом типа пространственного резо-
нанса (эффект совпадения «коинсиденс»); величина R
оказывается минимальной на так называемой частоте со-
впадения (критической частоте) fKp, рассчитываемой по
формулам (подраздел 18.5):
, с2 , f tn"
^ = ^г]/ 1Г’ <17-7)
/„„ = 6,4-10» у ]/ Гц, (17.8)
где В — изгибиая жесткость пластины; h— толщина пла-
стины, см; рр — плотность материала пластины, г/см3;
Е—модуль нормальной упругости; кгс/см2 (9,8-Ю4 Па).
Глубина минимума на частотной характеристике зву-
коизоляции прежде всего зависит от отношения Z/XKP
(Z — линейные размеры пластины, Хкр — длина звуковой
волны на критической частоте) и, кроме того, от демпфи-
рования пластины. Для толстых пластин такое отноше-
ние сравнительно невелико и четко обозначенный мини-
мум выражается почти плоским участком кривой
(рис. 17.5).
Диапазон С. Этот третий частотный диапазон расположен выше частоты
совпадения. Частотная характеристика R имеет вид пря-
мой линии, монотонно растущей с уклоном на 25 дБ на
каждую декаду. Звукоизоляция рассчитывается из сле-
дующего выражения, хорошо соответствующего экспери-
ментальным данным [10]:
R = [20 lg - ю lg 1 /~ bi. ] дБ. (I7 9)
L Pc 2r| V f J
Звукоизоляция, как видно из формулы (17.9), зависит от
коэффициента потерь пластины т), причем чем выше зна-
чения т), тем она больше. Для демпфирования пластины
могут быть достаточными потери вибрационной энергии
через места ее крепления.
363
Рис, 17.3. Зависимость
критической частоты
пластин из различных
материалов от их тол-
щины.
/—стекло; 2 — тяжелый бе-
тон; 3 —фанера; 4 —сплош-
ной кирпич; 5 —гипс; 6 —
жесткая волокнистая пли-
та; 7 — газобетон (700 кг/м3).
Штриховкой показана малая
изгибная жесткость
L5M,Дб sSj.
Рис. 17.4. Зависимость
показателей звукоизоля-
ции конструкций из ши-
роко используемых стро-
ительных материалов от
поверхностной массы;
а — средняя звукоизоля-
ция R; б — индекс звуко-
изоляции LSM и оце-
ненная звукоизоляция
Rw (т" — поверхностная
масса),
364
Рис. 17.5. Схематизированная ча-
стотная характеристика звукоизоля-
ции однородных однослойных стеиок.
Таким образом, при звукоизоляции решающее значение имеет частотный
диапазон, в котором расположена критическая частота (рис. 17.3). Обычно ее
пытаются разместить в верхней части рабочего диапазона частот или, если
это не удается, в нижней части.
Иными словами, стараются получить
возможно меньшее или возможно
большее значение изгибиой жестко-
сти пластины. Первое достигается
в результате изготовления пластины
из материалов с низким модулем
нормальной упругости (свинец, ре-
зина) или за счет дополнительного
утяжеления пластины такими мате-
риалами.
17,1,3.2, Строительные конструк-
ции. На рис. 17д4 приведены средняя
звукоизоляция R, индекс звукоизо-
ляции LSM н оценочная звукоизоля-
ция Ru) в зависимости от по-
верхностной массы т" однослойных
конструкций нз наиболее часто ис-
пользуемых строительных материа-
лов. Несмотря на разные значения
упругих постоянных у общеупотре-
бимых строительных материалов,
величина R для конструкций из них
обусловлена практически только поверхностной массой конструкции, так как
отношение р3/Ё, определяющее значения R, для всех этих материалов мало
различается.
Различия наблюдаются только у очень мягких материалов (свинец, ре-
зина) или у таких, как дерево [8]. Из-за превалирующего влияния поверхно-
Рис. 17.6. Снижение звукоизоляции многослойных одностенных кон-
струкций: а — разрез стены; б — частотная характеристика звукоизо-
ляции. Резонансные эффекты.
/—штукатурка; Д —слой из жесткого пенопласта; J—стенка из тяжелого бе-
тона толщиной 125 мм; 4 — без слоя пенопласта; б — со слоем пенопласта.
стной массы на величину R можно говорить о так называемом «законе
массы» в звукоизоляции однослойных пластин, впервые упомянутом Р. Бер-
гером.
365
Частотная характеристика R' для однородных стенок с поверхностной
массой свыше 30 кг/м1 2 показана на рис. 17.5. На низких частотах величина
R' практически не зависит от частоты, а на более высоких частотах (за кри-
тической частотой) монотонно возрастает на 25 дБ на декаду 4 *.
Большие полости в стенах и потолках могут привести к возникновению
резонансов в этих участках стенки и к ухудшению тем самым звукоизоляции
всей конструкции [8]. В таких случаях действие «закона масс» носит ограни-
ченный характер.
Многослойные стены, прежде всего стены, облицованные материалами
средней жесткости (плиты из жесткого пенопласта, легкие древесно-волокни-
стые плиты), могут иметь худшие характеристики звукоизоляции, чем следо-
вало бы ожидать исходя из значений их поверхностной массы (рнс. 17.6).
Этот эффект объясняется резонансными явлениями в системе наружные слои
(масса) — промежуточный слой (упругость) —основная стена (масса). В дан-
ном случае фактически рассматривались многостенные конструкции (подраз-
дел 17.1.4), у которых неудачно выбраны параметры.
17.1.4. Двустенные конструкции
17.1.4.1. Основные положения. Под двустенными конструкциями
понимают две массивные стены, разделенные упругим слоем, как правило,
слоем воздуха. Пример такой конструкции приведен на рис. 17.7, где пока-
зана система, состоящая из двух масс, со-
единенных упругостью. Здесь же представ-
лена частотная характеристика звукоизо-
ляции R такой конструкции - • --------
с одностенной. ”•
смотря на наличие промежуточного упру-
гого слоя, звукоизоляция не улучшается.
На резонансной частоте /к звукоизоляция
двустенной конструкции хуже, чем у од-
ностенной той же массы. Величина /я рас-
считывается из представления конструкции
в виде системы масса — упругость—масса
... ... формул:
заполнен
, J . в сравнении
На низких частотах, не-
(рис. 17.7) на основе следующих
промежуток между стенами
воздухом
t 6оо
/р = —Гц.
R Vm"d
(17.10)
промежуток между стенами заполнен
другим материалом
Рис. 17.7. Частотная характе- Г
ристика звукоизоляции дву- — 500 1/ —— Ги, (17.11)
стенной конструкции из тонко- V т'
листовых пластин. *
/ — одностенная конструкция; 2— т = ^1^2 f,01! “Ь ^2)» (17.12)
двустенная конструкция.
где mt" и т2"—поверхностная масса стен-
ки 1 и стенки 2, кг/м2; d—расстояние
между двумя стенками (см); s" — динамическая жесткость промежутка
между стенками, кгс/м3 (9,8 Н/м3).
1 Приведенные на рис. 17.5 графические зависимости относятся только к строитель-
ным конструкциям, которые обычно имеют сравнительно низкую критическую частоту
и довольно высокие потери. Для стальных конструкций с такой же массой на единицу
поверхности типовая частотная зависимость носит несколько иной характер (близкий
к указанному на рис- 17.7),— Прим. ред. перев.
366
Выше частоты fn. звукоизоляция значительно улучшается с увеличением
частоты. Приращение &R звукоизоляции по сравнению с одностенной кон-
струкцией составляет
ДЯ = 4018 М-Л дБ. (17.13)
Это приращение, определенное из анализа сильно идеализированной мо-
дели (рис. 17.7), характерно только для узкого диапазона частот. На высо-
ких частотах резко проявляется частота совпадения /кр стенок конструкции,
обусловливающая относительный мини-
мум звукоизоляции,
Из вышесказанного следует практи-
ческий вывод о том, что двустенные
конструкции имеют преимущество лишь
тогда, когда их резонансная частота
расположена на низких частотах, по
возможности даже ниже рабочего диа-
пазона частот. Если резонансная ча-
стота попадает в среднюю часть рабо-
чего диапазона частот, то эффектив-
ность использования двустенных кон-
струкций сомнительна (например, двой-
ная оконная рама с расстоянием между
стеклами от 5 до 10 мм).
17.1.4.2. Промежуток между стен-
ками. Для расчета резонансной частоты
/к наряду с поверхностной массой т"
стенок необходимо определить динами-
ческую жесткость s" промежутка меж-
ду стенками. Такие значения для
части используемых при заполнении
промежутка материалов приведены
в табл. 17.2. Немаловажно, крепится
ли такой материал к одной стенке или
к обеим (влияние контактной жестко-
сти). Самым распространенным вариан-
том двустенных конструкций является
воздушный промежуток без жесткой
связи одной стенки с другой. Мини-
мальную жесткость может обеспечить
Рис. 17.8. Пример повышения
звукоизоляции R двустенной кон-
струкции в результате установки
звукопоглотителя в воздушном
промежутке между стенками,
/-древесно-стружечные плиты толщи-
ной 13 мм; 2— воздушный промежу-
ток, заполненный минеральной ватой;
3 — незаполненный воздушный проме-
жуток.
наличие слоя минерального волокна в воздушном промежутке, если при этом
сопротивление продуванию будет составлять, как минимум, 5 Рэл
(•~--50 Н/м3). Тогда при условии, что получим жесткость в виде
1,13
—1---- кГс/см3 (9,8 Н/см8),
d
(17.14)
где d—толщина слоя воздуха, см.
В случае отсутствия звукопоглотителя воздушный промежуток обеспечи-
вает меньшую звукоизоляцию (рис. 17.8). Этот недостаток не заполненного
другим материалом воздушного промежутка можно частично устранить за
счет так называемого краевого поглощения [II], т. е. нанесения звукопогло-
щающего материала с открытыми порами по кромкам промежутка. Однако
полностью устранить данный недостаток нельзя.
17.1.4.3. Звуковые мостики. Из практических соображений в двустенных
конструкциях часто необходимо жесткое соединение стенок между собой. Эти
соединения становятся звуковыми мостиками и снижают звукоизоляцию на
высоких частотах. Они, тем более вредны, чем жестче на изгиб сами стенки,
367
т. е. чем ниже их критическая частота. Может получиться и так, что звуко-
изоляция двустенной конструкции (например, из гипсовых, пемзовых или га-
зобетонИых плит Толщиной от 50 до 1Q0 мм), в которой обнаружилось не-
сколько звуковых мостиков, окажется хуже, чем одностенной конструкции
той же массы. Напротив, у тонких стенок с малой жесткостью на изгиб и от-
носительно высокой критической частотой влияние звуковых мостиков прояв-
ляется значительно слабее. Отдельные точечные связи менее значимы, чем ли-
нейные соединения [9J Кроме того, отрицательный эффект звуковых мостиков
зависит от жесткости самого соединения. Чем ближе расположены соедини-
тельные элементы двустенной конструкции, тем это обычно хуже для сниже-
ния звукоизоляции. Не следует выбирать расстояние между ними меньше
600 мм.
17.1.4.4. Стенки двустенной конструкции. Изгибная жесткость стенок
имеет большое значение для звукоизоляции двустенных конструкций. Это
связано прежде всего с различием в характере звукоизлучения стенок ниже и
выше критической частоты при возбуждении в них изгибных колебаний. Ко-
лебания возникают под влиянием воздушного шума, а также через звуковые
Рис. 17.9. Увеличение звукоизоляции в двустен-
ных конструкциях за счет утяжеления стенок
(В — утяжеляющий слой).
мостики и из-за возбуждения от смежных конструкций. По этой причине стре-
мятся обеспечить максимально высокую критическую частоту fnp стенок
(стенки с малой изгнбной жесткостью). Кроме того, желательна максимально
высокая новерхностная масса стенок, чтобы при ограниченном, как правило,
расстоянии между стенками получить не слишком высокую резонансную ча-
стоту (подраздел 17.1.4.1). Обоим условиям можно удовлетворить в резуль-
тате утяжеления стенок (с внутренней стороны) материалом, который увели-
чивает массу конструкции, практически не повышая ее изгибную жесткость
(рис. 17.9). Ряд экспериментов указывает на предпочтительность высоких
демпфирующих характеристик у такого материала. На практике к участкам
стены прикрепляют панели из свинца, бетона, кирпича, битумного картона н
нз картонных сотов, наполненных песком.
17.1.4.5. Двустенные строительные конструкции. Индекс звукоизоляции
двустенных конструкций из несущих жестких на изгиб стенок (например, из
гипсовых и газобетонных плит толщиной 60—100 мм) равен от —5 до —2 дБ.
В средней части рабочего диапазона частот звукоизоляция этих конструкций
имеет провал, обусловленный эффектом совпадения. Звукоизоляцию можно
улучшить в результате дополнительного демпфирования звуковой вибрации
стенок, например, путем установки в соединениях стенок со смежными кон-
струкциями прокладок из битуминированного войлока или засыпкой между
стенками песка. В табл. 17.1 приведены показатели звукоизоляции конструк-
ций со стенками, имеющими малую жесткость на изгиб, изготовленными, на-
пример, из древесно-стружечных плит или плит из гипсового картона.
17.1.4.6. Зашивка. Часто ставится задача повысить звукоизоляцию моно-
литных стен. Это можно осуществить с помощью так называемых зашивок,
т. е. легких стенок с малой изгнбной жесткостью (древесно-стружечные плиты,
плиты из гипсового картона), которые в большинстве случаев крепятся к обо-
собленным стойкам. Промежуток между стеной и зашивкой можно рассмат-
ривать как упругий элемент. Повышение звукоизоляции легких монолитных
368
Рис. 17.10. Пример увеличения звукоизоляции легкой стены за счет
зашивки: а—разрез конструкции с зашивкой; б — частотная харак-
теристика звукоизоляции.
/ — стена из пемзобетона толщиной 60 мм; 2 —гипсовая панель толщиной
10 мм; 3—маты из рыхловолокнистого материала; 4 — конструкция с зашив-
кой; 5 — конструкция без зашивки.
Таблица 17.1 Показатели звукоизоляции двустенных конструкций
со стенками, имеющими малую изгибную жесткость
Материал стенки Вид соединения стенок Толщи- на стенок, мм Поверх- ностная звуко- изоля- ция, кг.'м1 Средняя звуко- изоля- ция, ДБ Индекс звуко- изоля- ции, ДБ
Древесно-стружеч- ные плиты, плиты из гипсового кар- тона Деревянные стойки 80—100 20—25 35—38 От —15 До —12
Плиты из гипсового картона Общие метал- лические стойки 125 30 46 —4
То же Без соедине- ния (раздель- ные стойки) 125 30 48 —2
Двухслойные плиты нз гипсового кар- тона То же 155 52 51 +3
Древесно-стружеч- ные плиты, утяже- лены изнутри свин- цовым листом тол- щиной 1 мм Деревянные стойки 80 35—40 43—45 —5
Легкие древесно-во- локнистые плиты толщиной 50 мм, оштукатурены Без соедине- ния 140 85 51 +3
369
стен с поверхностной массой около 50—100 кг/м2 составляет в среднем 15 дБ,
Чем тяжелее основная стена, тем меньше прирост звукоизоляции (рис. 17.10).
Конструкции зашивок можно также использовать тогда, когда к стене
крепится слой мягкого податливого материала (например, минераловолокни-
стые плиты), а затем на него наносится
штукатурка илн плиты из гипсового
картона. Получаемый с помощью таких
зашивок эффект, как правило, ниже, чем
у зашивок, не соединяемых со стеной,
поскольку жесткость промежуточного
слоя из какого-либо материала всегда
выше, чем жесткость воздушного про-
межутка.
При креплении зашивки на легком
деревянном обрешетнике прирост звуко-
изоляции составляет в среднем не бо-
лее 10 дБ.
17.1.5. Косвенные пути
передачи звука
В лабораторных условиях
можно получить очень высокие значе-
ния звукоизоляции двустенных кон-
струкций, например величина J?cp дости-
гает 60—70 дК Такие значения звуко-
Рис. 17.11. Пути передачи звука
в звукоизолируемое помещение:
через разделительную (звукоизо-
лирующую) конструкцию (/); по
примыкающей (смежной) кон-
струкции (2); от примыкающей
через разделительную конструк-
цию (5); от разделительной по
примыкающей конструкции (4).
изоляции на практике не достигаются, так как наряду с прямой передачей
звука через ограждения помещения наблюдается передача звуковой энергии
в соседнее помещение по примыкающим к данному перекрытию конструк-
циям (косвенные, или обходные, пути передачи звука) (рис. 17.11). В поме-
Рис. 17.12. Влияние способа крепления зашивки к стене на
величину фактической звукоизоляции на примере двух рас-
положенных друг над другом помещений, разделенных пла-
вающим полом.
I — без зашивки W; 2 — с зашивкой, прикрепленной к плитам из жест-
кого пенопласта (неудачный вариант); 3 —с зашивкой, прикрепленной
к плитам из минерального волокна (удачный вариант); 4 — плаваю-
щее перекрытие.
370
щенни с повышенными уровнями в указанных конструкциях возбуждаются
изгибные колебания, которые с незначительным ослаблением (от 3 до
10 дБ) передаются на стены и перекрытия соседнего помещения. В связи
с этим явлением ограничивается перепад в уровнях воздушного шума между
двумя помещениями до 50—55 дБ, а в отдельных случаях и до более низ-
ких значений. Звукоизоляцию, превышающую 55 дБ, можно получить лишь
при акустически правильном оформлении стыка между помещениями, по-
зволяющего нарушить передачу колебаний от конструкции к конструкции.
Так называемую фактическую (т. е. реализуемую с учетом обходных пу-
тей) звукоизоляцию R" одностенных конструкций можно приблизительно
оценить, определив звукоизоляцию У? конструкции, примыкающей к разде-
ляющей конструкции, и изоляцию разветвления. Последняя, в свою очередь,
рассчитывается нз отношения поверхностных масс примыкающей и разделяю-
щей конструкций.
Фактическая звукоизоляция тем меньше, чем меньше поверхностная
масса примыкающей конструкции, при условии, что речь идет о монолитных
стенах н перекрытиях. Поэтому для легких монолитных конструкций макси-
мально достижимая звукоизоляция ниже, чем для тяжелых.
Фактическая звукоизоляция резко ухудшается из-за резонансных явле-
ний в примыкающих конструкциях. На рис. 17.12 приведен пример снижения
звукоизоляции между двумя расположенными одно над другим помещениями,
стены которых были оклеены плитами из жесткого пенопласта, а затем ошту-
катурены. Штукатурка (масса) вместе с плитами (упругость) образует дина-
мическую систему с собственной частотой около 500 Гц. В результате влия-
ния резонанса иа этой частоте резко снизилась фактическая звукоизоляция.
Фактическая звукоизоляция может быть значительно повышена за счет
установки зашивок на примыкающие конструкции с применением эластич-
ного материала в промежутке между стеной и зашивкой, причем собственная
частота двустенной конструкции должна быть достаточно низкой, по возмож-
ности менее 100 Гц (рис. 17.12). Это позволяет получать очень высокие зна-
чения звукоизоляции.
17.1.6. Несплошность ограждающих конструкций
Звукоизоляция конструкций, имеющих двери и окна, а также
монтажные стыки, во многом определяется нарушениями сплошности кон-
струкции, которые влияют иа процесс передачи звука в изолируемое поме-
щение. По этому вопросу накоплено много данных.
17.1.6.1. Щель в монтажном стыке. В дальнейшем под звукоизоляцией
монтажного стыка будет пониматься звукоизоляция #щ такой условной стены
со стыком, у которой на 1 м2 площади приходится I пог. м стыка, причем
предполагается, что сама стена обладает очень высокой звукоизоляцией.
Звукоизоляцию стены со щелью на частотах, лежащих значительно ниже ре-
зонансной частоты /щ щели, можно рассчитать по следующей формуле:
Ящ = [20 1g ~ + 10 lg -j----3] дБ, (17.15)
где fo=l00 Гц. Остальные условные обозначения приведены на рис. 17.13.
Таким образом, звукоизоляция тем выше, чем глубже щель (более зна-
чительно инерционное сопротивление). Для щелей характерно наличие очень
неприятных частот пропускания, каждая из которых соответствует Х/2,
% и т. д. (X — длина звуковой волны) — корректированной глубине щели
(рис. 17.13, провал на частотах />0,5/^)..Падение звукоизоляции, наблюдае-
мое на высоких частотах, становится тем значительнее и захватывает тем
больший интервал частот, чем глубже щель.
17.1.6.2. Уплотнительные материалы. Для уплотнения зазоров в стыках
применяют так называемые манжетные уплотнения или прокладки из пено-
пласта. При незначительных давлениях в щели первые более эффективны.
Однако они плохо пригоняются к неровностям поверхности щели.
371
Рис. 17.13. Звукоизоляция щелей различной ширины Ь.
Длина щелей — 1 м.
1 — шель с уплотнением.
Рис. 17.14. Зависимость звукоизоляции щели в монтажном
стыке, уплотненной пенопластом с открытыми порами, от сте-
пени сжатия пенопласта.
1, 2 и 3 — соответственно 50, 33 н 20% первоначальной толщины; 4 —
максимальная измеренная величина; 5 — пенополиуретан.
372
Пенопластовые прокладки становятся эффективными лишь тогда, когда
продольная компонента гидродинамического сопротивления потоку S оказы-
вается достаточно большой. Звукоизоляцию щели иа низких и средних
частотах с учетом гидродинамического сопротивления можно рассчитать по
формуле
S4 = [201g^|-+101g///0-l] дБ, (17.16)
где Ео=1 Рэл (10 Н • с/м3) пороговое значение.
Пенопласты с открытыми порами, пока они несильно сжаты, обладают
лишь незначительным сопротивлением потоку (ниже 10 Рэл=100 Н'С/м3).
После сильного сжатия их звукоизолирующая способность резко возрастает
(рис. 17.14).
Рис. 17.15. Влияние воздушной полости, присоединенной к щели
шириной 2 мм, на звукоизоляцию щели.,
1 — без воздушной полости; 2 — с полостью.
17.1.6.3. Акустические фильтры. При незаделанных щелях хорошей изоля-
ции можно достичь присоединением к щели воздушной полости (рис. 17.15).
Получается акустический фильтр, резонансная частота которого рассчи-
тывается по формуле: ___
fRi = l,1.104]/"-^ Гц. (17.17)
Выше этого значения резонанса звукоизоляция конструкции повышается
по сравнению со звукоизоляцией при открытой щели. Данный расчет можно
применять для других конструктивных вариантов, например для многозвен-
ных фильтров. Подобные системы позволяют значительно улучшить звукоизо-
ляцию на высоких частотах, что особенно важно, если конструкции имеют
щели.
17.2. ИЗОЛЯЦИЯ УДАРНОГО ШУМА
(ШУМА ШАГОВ)
17.2.1. Характеристика междуэтажных перекрытий
В жилых зданиях, гостиницах, больницах часто возникают шумо-
вые помехи от шагов, передвижки стульев, работы кухонных приборов и т. п.
Это обусловлено тем. что в монолитных перекрытиях, если не приняты спе-
циальные меры, изгибные колебания могут возбудиться даже от незначи-
373
тельных переменных сил. Для измерений передачи ударного шума исполь-
зуют стандартную тональную машинку, обычно имеющую электропривод
(рис. 17.16). Октавные уровни шума L измеряют в находящемся под испы-
туемом перекрытием помещении. Эти уровни пересчитывают в так называе-
Рис. 17.16. Внешний вид
(а) и схема использова-
ния (б) тональной ма-
шинки.
1 — октавные фильтры; 2 —
анализатор.
мые приведенные уровни ударного шума Ln' в помещении с эталонным зву-
копоглощением Ло = 1О м2 по следующей формуле (рис. 17.16):
£>£+ iois4- дБ,
(17.18)
Где А — звукопоглощение в испытуемом помещении.
Величину L'n сравнивают с кривой нормативных значений (рис. 17.17).
Кривую нормативных значений перемещают по графику в направлении орди-
нат до тех пор, пока средние отклонения в меньшую сторону приведенных
уровней от нормативных значений станут не более 2 дБ. Значение (в деци-
белах), на которое передвинулась кривая, определяет показатель (индекс)
374
защиты от ударного шума шагов (TSM)1. В качестве примера значений TSM,
дБ можно назвать следующие:
Обычное монолитное несущее перекрытие без на-
стила .......................................От —10
до —20
Допустимые в исключительных случаях при рас-
чете звукоизоляции жилых зданий .... +3
Минимально допустимые для средств повышен-
ной защиты от ударного шума .............. 4-13
Практически достижимые для средств хорошей
защиты от ударного шума .....................От 4-13
до 4-25
С целью определения характеристики несущих перекрытий без настилов
введен еще один дополнительный показатель, который учитывает возмож-
Рис. 17.17. Определение приведенного
уровня ударного шума L'n и индекса
защиты от ударного шума шагов (TSM).
/ — нормативная кривая.
ность улучшения соответствующих свойств перекрытия в результате приме-
нения настила. Из двух несущих перекрытий, обладающих одинаковыми зна-
чениями TSM, одно может после установки настила стать лучше, чем дру-
гое. Это учитывается введением понятия «эквивалентный индекс защиты от
ударного шума» TSM8K [5].
17.2.2. Характеристика перекрытий с настилами
Защищенность от ударного шума монолитных перекрытий повы-
шается, если используются соответствующие настилы, а именно, плавающие
полы и эластичные покрытия. Эффективность применения настилов в зависи-
мости от частоты определяется измерениями приведенного уровня ударного
шума перекрытия без настила (Lno) и с настилом (Lnm)- Разница Д£, ха-
рактеризует эффективность (рис. 17.18)
AL = Ln0 — Lnm, (17.19)
Из значений AL в диапазоне частот от 90 до 4000 Гц по определенным
правилам рассчитывается среднее, получившее название показателя улучше-
ния защиты от ударного шума VM. Этот показатель в числовом выражении
' Рекомендации ISO R717 устанавливают аналогичную характеристику — индекс удар-
ного шума /р но нормативные значения уровней по этой рекомендации иа 3 дБ меньше.
В отечественной практике при вычислении показателя изоляции от ударного шума Еу
используется нормативная кривая, показанная на рис. 17.17,— Прим. ред. перез.
375
характеризуется возрастанием индекса защиты от ударного шума перекрытия
после установки оцениваемого иастила. Ниже приведены значения VM, дБ для
наиболее распространенных настилов:
Незначительная изоляция ударного шума. . . От 0 до 10
Удовлетворительная изоляция ударного шу-
ма (достаточная для высококачественных
несущих настилов при отсутствии особых
требований)............................ » 10 » 18
Хорошая изоляция от ударного шума . . » 19 » 23
Очень хорошая изоляция от ударного шума
(ковры или плавающие полы)............. » 24 » 35
Пользуясь эквивалентным индексом
несущих настилов (подразделы 17.2.1 и
защиты от ударного шума TSMSK
17.2.3, рнс. 17.20) и показателем
Рис. 17.18. Определение приведенного уровня ударного шума Ln (а).
Снижение ударного шума за счет использования покрытий и пла-
вающих полов (б).
I — несущее перекрытие: 2 —• перекрытие е плавающим полом; 3 — перекрытие
с плавающим полом и покрытием; 4— плавающий пол; 5~ покрытие.
улучшения защиты от ударного шума VM настила, можно довольно точно
рассчитать индекс защиты от ударного щума TSMf, готового перекрытия по
следующей формуле [5]:
TSMf = TSMsk + VM. (17.20)
17.1.3. Характеристика перекрытий без настилов
Восприятие ударного шума однослойными однородными пере-
крытиями без настила рассмотрено в работе [4]. Приведенный уровень шума
шагов Ln монотонно возрастает с увеличением частоты на 5 дБ на каждую
декаду. Удвоение толщины перекрытия снижает величину Ln приблизи-
тельно на 10 дБ (рис. 17.19).
Как однородные, так н неоднородные однослойные перекрытия подчи-
няются «закону массы» в отношении защиты от ударного шума, что видно на
графиках рис. 17.20, где эквивалентный индекс защиты от ударного шума
ТЗМэк представлен в зависимости от поверхностной массы перекрытий.
Изоляцию перекрытий от ударного шума можно повысить установкой
подвесных потолков. Это улучшение, правда, небольшое, так как наряду
с прямой передачей звука колебания перекрытия передаются на стены поме-
щения, если они сплошные (рис. 17.21). Применение подвесных потолков
376
снижает (при благоприятных условиях) приведенный уровень ударного шума
до значений, указанных на рис. 17.21. Опыт показывает, что подвесные по-
толки в зданиях с монолитными стенами приемлемы только для легких моно-
литных перекрытий.
Рис. 17.19. Приведенный уровень
ударного шума Ln для перекры-
тий из железобетонных плит раз-
ной толщины.
1 — нормативная кривая.
Рис. 17.20. Зависимость эквива-
лентного индекса защиты от удар-
ного шума TSM8k монолитных
однослойных несущих перекрытий
от их поверхностной массы т".
О — полое перекрытие; > —железобе-
тонное перекрытие.
Рис. 17.21. Схема перекрытия с подвесным потолком (а). Достижимые при
благоприятных условиях значения приведенных уровней ударного шума L'n
в результате применения подвесных потолков под монолитными перекры-
тиями в зданиях с монолитными стенами (б).
I — нормативная кривая.
В современных административных, учебных и других зданиях стены до-
ходят только до подвесного потолка и не достигают, монолитного перекрытия.
Для ннх снижение эффективности звукоизоляции, показанное иа рис. 17.21,
нехарактерно. Там, где подвесные потолки выполнены качественно (соблю-
дена, непроницаемость, воздушные промежутки заполнены минеральной ватой
377
и т. п.), можно достичь существенного улучшения защищенности от ударного
шума. Это позволяет отказаться от применения плавающих полов на пере-
крытиях, расположенных над такими потолками.
17.2.4. Характеристика покрытий
Покрытия изолируют ударный шум в силу их упругости, кото-,
рый как бы действует между массой ударяющего тела (например, иоги)
и перекрытием. Чем ниже динамическая жесткость покрытия, тем выше изо-
ляция [4]. Общераспространенные покрытия типа линолеума, пластмассовых
плит, паркета обладают незначительной изоляцией. Ее эффективность можно
существенно повысить применением прокладок из пробки, войлока, пенопла-
ста толщиной всего в несколько миллиметров. Наиболее эффективны ковоо-
вые покрытия.
Значения показателя улучшения защиты от ударного шума VM для наи-
более распространенных покрытий и полов приведены ниже.
Покрытия:
линолеум из ПХВ без подкладки ........... 3 — 7
» на пробковой прокладке толщиной
2 мм.................................... 15
покрытие из ПХВ с войлочной прокладкой тол-
щиной 3 мм ............................... 15 — 19
войлочный игольно-пробивной ковер.......... 18—22
толстый ковер ............................ 25 — 35
Цементные плавающие полы:
на гофркартоне............................ 18
на плитах из твердого пенопласта (жесткие) . , . Около 18
на плитах из твердого пенопласта (мягкие) » 25
на плитах из минерального волокна......... 27—33
17.2.5. Характеристика плавающих полов
Установка полов (независимо от их типа) непосредственно на
перекрытии ие приводит к заметному улучшению защищенности отх ударного
шума. Существенной изоляции можно достичь лишь тогда, когда пол уста-
навливается на эластичном слое (например, на прокладках из кровельного
толя или пластмассы).
Частотная характеристика. Эффект изоляции плавающего пола
начинает увеличиваться после основной собственной частоты fn крепления,
которая рассчитывается по формуле [!]:
Гя = 500 Т/ Гц.
Г те
(17.21)
где s" — динамическая жесткость эластичной прокладки, кгс/см3
(9,8-10е Н/м3); те" — поверхностная масса пола, кг/м2.
Снижение шума шагов ДЕ определяется из выражения [9]:
ДЕ=401§///д дБ. (17.22)
На рис. 17.22 приведены измеренная и расчетная величины ДЕ для пла-
вающего пола. Из рисунка видно, что иа частотах, превышающих критиче-
скую, расчетные значения ие соответствуют экспериментальным *.
1 Формула (17.22) справедлива для меньших частот, нежели частота первого вол-
нового резонанса по толщине упругого слоя, который можно в первом приближении
определить условием Л=сп/2йсл, где сп—скорость продольных волн в слое; йсл—тол-
щина слоя. Из этого условия следует, что т. е. диапазон применимости формулы
(17.22) весьма ограничен.— Прим. ред. перге.
378
Динамическая жесткость s" упругих слоев есть сумма жестко-
стей его структуры и воздуха (17.14), причем предполагается, что сопротив-
ление потоку материала упругого слоя достаточно высокое.
Данные о динамической жесткости обычно применяемых материалов при-
ведены в табл. 17.2. Взаимосвязь между динамической жесткостью s" упру-
гих слоев и степенью улучшения защиты от ударного шума VM для некото-
рых распространенных конструкций плавающих полов видна нз рис. 17.23.
Рис. 17.22. Снижение ударного шума AL вследствие применения плава-
ющего пола из цементной плиты толщиной 35 мм, установленного на
прокладку из минерального волокна толщиной 15 мм.
7 —расчетные значения по формуле (17.22); 2 — экспериментальные значения.
Рис. 17.23. Зависимость показателя улучшения защиты от ударного
шума VM в результате применения плавающего пола от динамической
жесткости упругого слоя s".
Жесткие соединения плавающего пола с несущим перекрытием и со стен-
ками (звуковые мостики) существенно снижают его эффективность.
Таблица 17.2. Средние значения динамической жесткости некоторых упругих
слоев
Материал Толщина, мм Динамическая жесткость, кгс/см3 (9,8- 10е н/мз)
Стекломаты:
из минерального волокна 20 1
из кокосового волокна 12 3
из пробковой крошки Плиты: 7 15
из минерального волокна 10 2
из жесткого пенополистирола 15 3—20
из древесного волокна 25 20
пробковые 10 50
Пакеты с песком 25 30
379
Ниже приведены значения индекса защиты от ударного шума TSM, дБ
для некоторых конструкций плавающих полов:
Плавающий пол!
без звуковых мостиков ........................+11
с одним звуковым мостиком ................... О
с десятью звуковыми мостиками ............. -~7
Перекрытие без пола ........................ —17
Влияние звуковых мостиков может быть учтено расчетом на основе ра-
боты (2}. Результаты расчетов хорошо совпадают с экспериментом [6J. Влия-
ние звуковых мостиков между аналогичным покрытием (зашивкой) и несу-
щим перекрытием проявляется более резко, чем между полом и стенами.
Изоляция последних ухудшается прежде всего на высоких частотах. Этот не-
достаток, если он своевременно замечен, можно устранить установкой тонких
прокладок, например из войлока, под покрытие полов или стен.
17.2.6. Характеристика некоторых распространенных перекрытий
Характеристика защищенности от ударного шума перекрытий
в новых многоквартирных домах, построенных за последние годы, снабжен-
ных в большинстве случаев плавающими полами, приведена на рис. 17.24.
В среднем степень защиты их от ударного шума составляет +13 дБ.
Рис. 17.24. Зависимость
распределения перекрытий
в домах новой постройки
(в процентах) от степени
их защищенности от удар-
ного шума.
1 — недостаточная; 2 — доста-
точная; 3 —хорошая.
TSM—-индекс защиты от удар-
ного шума.
17.3. САНИТАРНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ
И ИНЖЕНЕРНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЗДАНИИ
17.3.1. Шум санитарно-технического оборудования
17.3.1.1. Характеристика шума арматуры. Следует различать ре-
зультаты измерений шума арматуры в зданиях и в лабораторных условиях.
Шум арматуры в зданиях измеряется на характеристике А шумомера
при работе арматуры в соседних помещениях, а результаты измерений пере-
считываются иа стандартное звукопоглощение в помещении м2.
В лабораторных условиях измеряют шум арматуры на специальном
стенде в соответствии со стандартной методикой. Результат измерений пред-
ставляют в виде так называемого уровня шума арматуры Lag, дБ(А), при-
близительно соответствующего уровню шума от той же арматуры в по-
строенном здании при заданных условиях компоновки. Калибровка стенда
стандартизована. В зависимости от шумности арматура подразделяется на
группы и получает сертификат от компетентной организации. Для определен-
ных схем планировки зданий в жилых и других помещениях допускается
380
применение арматуры только группы I. Ниже приведены уровни шума арма-
туры для некоторых ее категорий:
без класса 1дв>30 дБ(А);
группа II Lag=21—30 дБ(А);
группа I Lag^20 дБ (А).
17.3.1.2. Причины шумообразования в арматуре. Вопреки многим утверж-
дениям, шум от вытекающей жидкости возникает в арматуре, а не в трубо-
проводе. Это касается и трубопровода, который выполнен неудачно.
Шум, возникающий в арматуре, передается по воде иа трубопровод, а за-
тем на стены и перекрытия здания. Поэтому водяные глушители предпочти-
тельнее применять между арматурой н трубо-
проводом.
Шум в арматуре возникает прежде всего
в местах резкого изменения сечения иа седле
Рис. 17.25. Водоразборная арматура
до (а) н после (б) применения мер, спо-
собствующих снижению шума прибли-
зительно на 20 р$з(А) прн том же рас-
ходе воды — увеличен диаметр седла
клапана V, сопротивление потоку на вы-
ходе предусмотрено большим и мало-
шумным W, использовано так называе-
мое S-образиое подключение к водопро-
воду, более благоприятное для прохож-
дения потока.
Рис. 17.26. Зависимость уровня
шума арматуры Lag от макси-
мального расхода воды через
нее (при полностью открытом
клапане).
О -- серийно выпускаемая арма-
тура; 4—улучшенные лаборатор-
ные образцы; 9 — вновь выпускае-
мая арматура.
клапана (рис. 17.25). Последние исследования показали, что ои значительно
снижается с увеличением диаметра седла клапана. При большом диаметре
седла (например, если d=20 мм вместо d—З мм) арматуру можно сделать
практически малошумной. Для подавления кавитации сопротивление потоку
на выходе арматуры должно быть малошумиым. Эффективны простые пер-
форированные диафрагмы или трубки.
Шум арматуры зависит от расхода жидкости (рис. 17.26). Удвоение рас-
хода приводит к повышению уровней шума на 12 дБ(А).
Задача снижения шума часто используемой арматуры считается ре-
шенной.
17.3.1.3. Изоляция трубопроводов. Для снижения шума от арматуры при-
меняют виброизолирующие крепления трубопроводов. Разработано несколько
вариантов бугелей (хомутиков), виброизоляпия которых при испытаниях
в лабораторных условиях составила от 5 до 15 дБ (А). Однако на практике
результаты гораздо менее значительны. Это можно объяснить тем, что и
после применения указанных виброизолирующих креплений остаются еще
жесткие связи трубопровода со стенами (например, через арматуру). Если и
их удается исключить, то можно ожидать снижения шума на 10—15 дБ(А).
381
17.3.2. Шум отопительных систем
Звуковая мощность котельной отопительной установки при ис-
пользовании в качестве топлива мазута возрастает приблизительно пропор-
ционально теплопроизводительности (рис. 17.27). При работе небольших уста-
новок возникает гудение (часто 30—50 Гц), которое прослушивается в со-
1111 1111 ___L
2-/»Ч 6810s г frio5
Теплопроиз6одителъность,ккал[ч
седних помещениях. Этот шум объ-
ясняется автоколебаниями в про-
цессе горения, а его частотный диа-
пазон определяется конфигурацией
топки; отверстие для забора воздуха
служит как бы резонатором Гельм-
гольца.
В больших отопительных уста-
новках преобладает высокочастот-
ный шум, вызываемый, с одной сто-
роны, процессом сгорания, а с дру-
Рис. 17.27. Зависимость уровня шума
на характеристике А в котельных,
оборудованных котлами, работаю-
щими на мазуте, от теплопроизводи-
тельностн.
гой — работой воздуходувок. Шумность в вышерасположенных жилых по-
мещениях определяется в основном проникающим через перекрытия воздуш-
ным шумом. Поэтому следует обращать внимание на хорошую звукоизоля-
цию перекрытий котельных (тяжелое перекрытие, плавающий пол в помеще-
ниях). Отопительное оборудование на чердаках и крышах зданий хорошо
изолируется от расположенных ниже помещений благодаря установке его
на плавающее бетонное основание.
17.3.3. Шум лифтов
Шум лифтов обусловлен в основном машиной лифта. Через креп-
ление машины н фундамент звуковая вибрация от нее передается на здание.
Шум неприятен прежде всего для жильцов квартир, расположенных этажом
ниже. Чаще всего источником повышенного шума является привод машины.
Снижение шума лифта зависит от применения строительно-технических мер
(например, от того, предусмотрен ли между шахтой лифта и самим зданием
разделительный шов) и мер по виброизоляцин машины.
17.4. АКУСТИКА ПОМЕЩЕНИЙ
X. КУТТРУФ
17.4.1. Распространение звука в помещениях
17.4.1.1. Волновая теория. Звуковое поле в помещении определя-
ется волновым уравнением (1.23в), а для периодических процессов — форму-
лой (1.26). Из этих уравнений следует, что звуковое давление в закрытом
помещении можно представить в виде суммы собственных функций в соот-
382
ветствии с уравнением (1.46), причем как собственные функции, так и ком-
плексные собственные частоты зависят от краевых условий на ограждении
помещения. Собственные функции и собственные частоты некоторых геомет-
рически простых помещений указаны в подразделе 1.8. Там же приведена
формула для расчета собственных частот в помещениях, имеющих различ-
ные геометрические формы. Из этой формулы путем интегрирования полу-
чают выражение для расчета количества собственных частот в интервале от
О до f:
(17.23)
где V — объем помещения, м3.
В связи с тем, что в помещениях объемом свыше 100 м3 в звуковом диа-
пазоне частот появляется очень большое количество собственных частот, а лю-
бая резонансная кривая имеет определенную ширину, прн тональном возбуж-
дении с плавно меняющейся частотой трудно различать отдельные собственные
частоты или резонансы помещений. Обычно наблюдающаяся неравномерность
частотных характеристик помещений объясняется взаимодействием много-
численных собственных колебаний, которые из-за случайности фазовых со-
отношений усиливаются или ослабляются. Средний интервал между сосед-
ними максимумами частотной характеристики может быть получен из сле-
дующего выражения:
<Д/>
(17.24)
где Г—время реверберация помещения, с (подраздел 17.4.1.3).
Значения звукового давления р в соответствующих точках помещения на
определенной частоте находят нз распределения Рэлея:
1 -Р/2°2 „
№(p)dp=~—е Ppdp,
(17.25)
где Ор2 — квадратичное стандартное отклонение от среднего значения звуко-
вого давления.
Таким образом, в определенной точке помещения н на известной частоте
значение звукового давления р измеряется с погрешностью dp, что должно
учитываться в методиках измерений.
Если в момент времени t=0 источник звука резко отключится, то зату-
хающее звуковое поле будет представлять собой сумму собственных коле-
баний
p(()=2Bn,p»'’/”“f с S/,< п₽и г>°-
п
(17.26)
Коэффициенты Вп зависят от типа и местоположения источника звука,
а также от спектра звукового сигнала. Процесс затухания называют ревербе-
рацией. Она оказывает большое влияние на восприятие звука и акустику по-
мещения. Постоянные затухания бп обычно настолько близки, что можно ис-
383
пользовать их среднее значение. Падение звуковой энергии в определенной
точке помещения описывается экспоненциальной функцией
a»(f)=tM 26f для t>0,
(17.27)
где w — плотность энергии.
17.4.1.2. Геометрическая акустика помещения. Если длина звуковых волн
мала по сравнению с размерами помещения, то при описании распространения
Рис. 17.28. Зеркальное отображе-
ние источника звука, расположен-
ного в помещении, огражденном
плоскостями.
Рнс. 17.29. Распределение зер-
кальных отображений источ-
ника звука, расположенного
s прямоугольном помещении.
звука явлениями интерференции можно пренебречь и считать, что он распро-
страняется прямолинейно с постоянной скоростью (звуковые лучи). При на-
ложении нескольких звуковых лучей их интенсивность суммируется. Подоб-
ные упрощения почти всегда допустимы для больших помещений.
В случае падения звукового луча на поверхность, ограждающую поме-
щение, как правило, отражается только часть звуковой энергии. Отношение
иеотраженной интенсивности 1о—/от к интенсивности /о падающего луча (илн
пучка лучей) называют коэффициентом звукопоглощения стены:
(17 28)
' о
Коэффициент звукопоглощения является обычной функцией частоты и
угла падения. Прн отражении от гладкой поверхности применим известный из
оптики закон отражения, согласно которому угол падения равен углу отра-
жения. Если на стене имеются неровности, не слишком малые в сравнении
с длиной волны, или импеданс стенки периодично (или непериоднчно) изме-
няется, то часть отраженного звука рассеивается во многих направлениях.
Если помещение ограждено ровными поверхностями, то процесс отраже-
ния звука может быть смоделирован с помощью так называемых зеркальных
отображений источников. В этом случае находят зеркальные отображения ос-
новного источника звука Q в виде мнимых источников первого порядка Qi',
384
а затем зеркальные Отображения последних в виде мнимых источников вто-
рого порядка Q" н т. д. (рис. 17.28). Каждый мнимый источник создает та-
кой же звуковой сигнал, как и основной, а прн учете звукопоглощения
стенки — соответственно пониженной интенсивности.
Особенно наглядно указанный метод используется для прямоугольного
помещения, в котором мнимые источники образуют равномерную простран-
ственную решетку (рис. 17.29). Если основной источник пошлет звуковой им-
пульс, то последний через определенное время достигнет точки наблюдения
в виде прямого звукового луча. Сигналы от мнимых источников (отраженные
лучи) приходят в точку наблюдения с некоторой-временной задержкой, обус-
ловленной дополнительным расстоянием. Эти сигналы ослабляются при отра-
жении от стенки и, кроме того, вследствие сферичности распространения ин-
тенсивность звуковых волн обратно пропорциональна квадрату пройденного
Рис. 17.30. Временная по-
следовательность отражений
звука от стенок прямоуголь-
ного помещения размером
40X25X8 м.
пути. На рис. 17.30 показано
падение уровней отраженного звука по отноше-
нию к уровням прямого звукового луча. Плотность отраженных сигналов во
времени возрастает в соответствии со следующим выражением:
-----— ~ 4ПС А ч .
df---V
(17.29)
Энергия звукового луча понижается при каждом отражении иа величину
(1—а), поэтому интенсивность отраженного звукового луча, попадающего
в точку_наблюдения по истечении времени I, пропорциональна (1—a)nt/(c/)2,
причем п— среднее число отражений, с. Среднее понижение энергии звуко-
вого луча в единицу времени вследствие отражений соответствует зависи-
мости (17.27):
Е (t) ~ ent (17.30)
В случае непрерывных звуковых сигналов, которые можно трактовать как
серию часто следующих один за другим импульсов, с помощью диаграммы
отражения по типу показанной на рис. 17.30 можно описать временную по-
следовательность прихода в точку наблюдения звукового сигнала.
Отраженные сигналы, как правило, поступают в точку наблюдения из
самых различных направлений, если элементы ограждения помещения (или
почти вся поверхность ограждения) не облицованы эффективным звукопогло-
тителем. Когда количество звуковой энергии, поступающей в какие-либо точки
помещения со всех направлений, одинаково (прн стационарно работающем
источнике), звуковое поле называют полностью диффузным. Между таким
P/jlS Заказ № 740 3 85
звуковым полем и образуемым единственной плоской звуковой волной име-
ются поля, относящиеся к переходным вариантам, которые можно количе-
ственно охарактеризовать с помощью диффузности по направлениям.
17.4.1.3. Реверберация и стационарная плотность энергии диффузных зву-
ковых полей. В настоящем подразделе рассматриваются полностью диффуз-
ные звуковые поля на достаточно высоких частотах. Такое звуковое поле мо-
жет быть охарактеризовано следующим образом:
а) стационарная плотность энергии w во всех точках поля одинакова;
б) между стационарной плотностью w и энергией I, проходящей в одном
направлении через условную единичную площадку за единицу времени, су-
ществует зависимость
l = --w, (17.31)
в) на каждый элемент площади поверхности стен за единицу времени па-
дает равное количество энергии.
Из выражения (17.31) при учете указанных допущений следует, что зву-
ковой луч отражается от стены п раз в секунду
cS
П = (‘7-32)
где S — общая площадь ограждения в помещении.
В связи с этим выражение (17.30) может быть преобразовано в зави-
симость:
cst
— In с1-а)
Е(0 = £ое (17.33)
Последнее выражение представляет собой временную характеристику ре-
верберации, г. е. затухание звуковой энергия в помещеиин после выключения
источника звука или излучения импульса.
На практике при записи реверберации, когда фиксируется временная за-
висимость lg[£(O/£o], всегда наблюдаются отклонения от расчетных значе-
ний, определяемых выражением (17.33). Эти записи содержат неравномерные
флюктуации значений реверберации во времени, которые объясняются нере-
гулярной интерференцией отраженных сигналов. Кроме того, запись ревербе-
рации часто не имеет вид прямых линий. Это свидетельствует о том, что не
все собственные колебания затухают одинаково быстро (подраздел 17.4.1.1).
Отметим также, что до сих пор не учитывалось затухание при распростране-
нии звука в воздухе. Этот фактор может быть учтен введением в выражение
(47.33) сомножителя e~mct, где т—постоянная затухания в воздухе.
В формулах (17.30) и (17.33) значение а принимается не зависящим от
места и направления падения звука. Если а — функция от 0, его значение оп-
ределяется из выражения
л/2
а' = 2 J а (0) sin Ocos0d0, (17.34)
6
где 0 — угол падения.
В случае, когда значение а на отдельных элементах ограждения не оди-
наково, используют следующую формулу:
“='у2‘5л’ (17-36>
г
где S; — площадь элементов ограждения; at — коэффициент звукопоглоще-
ния элементов ограждения.
386
Под временем реверберации Т подразумевается время, в течение которого
звуковая энергия падает до одной миллионной доли своего первоначального
значения, т. е. уровень звукового давления понижается на 60 дБ.
Из формулы (17.33), учитывая затухание звука в воздухе в виде мно-
жителя e~mct н принимая во внимание численное значение скорости звука
в воздухе, получают зависимость для времени реверберации:
V
(17.36)
Т = О,163
4mV — Sin (1 —a)
В формуле (17.36), которую обычно называют формулой Эйринга, все
линейные размеры выражаются в метрах, значение т, м-1, а время Т, с.
Если средний-Коэффицнент звукопоглощения а значительно меньше еди-
ницы, то 1п(1 — a) «а. С учетом этого получают более простую формулу
Сэбнна:
V
Т =0,163
4тГ + Sa
(17.37)
На практике последнюю формулу часто используют и обычно пренебре-
гают членом 4mV.
Если источник звука излучает в помещение в единицу времени постоян-
ную акустическую мощность Р, то устанавливается такое стационарное со-
стояние, которое характеризуется равенством за единицу времени подводи-
мой и поглощенной энергии. Последнюю можно выразить путем дифферен-
цирования по времени выражения (17.33):
dE cSE , , — cSa ~
—— -------In (I — a) « -------- E при a< 1.
d( 4V 4V
(17.38)
Отсюда получим стационарную плотность энергии
4Р - ,
~ при а < 1
s cSa
(17.39)
и значение усредненного во времени квадрата звукового давления
4Ррс ~ р Трс*
Sa ~ 13,8V
(17.39а)
Плотность энергии и квадрат звукового давления локально постоянны,
если не считать некоторых флюктуаций, объясняемых статистической теорией
и здесь не учитываемых. Эти флюктуации вызваны, с одной стороны, изме-
няющимися в зависимости от места фазовыми соотношениями собственных
колебаний (раздел 17.4.1.1), а с другой стороны, систематическими отклоне-
ниями значений падающих отраженных волн вблизи ограждения помещения
(вследствие интерференции) от полученных по формуле (17.39).
На плотность энергии диффузного поля, определяемую выражением
(17.39), накладывается энергия прямого звукового поля источника звука,
плотность которой в случае сферического источника
Р
иь ---------
4лсга
(17.40)
На определенном расстоянии обе плотности становятся одинаковыми
где Гн, м; V, м3; Т, с.
Р213*
причем
(17.41)
387
При направленном Излучении максимальное значение гв на множитель
VG больше, чем следует из выражения (17.41), причем G характеризуется
отношением максимальной интенсивности звука /Шах к его средней интен-
сивности /:
С = 4лга Г™х . (17.42)
17.4.2. Техника измерений
17.4.2.1. Измерение реверберации. Хотя известны приборы, из-
меряющие время реверберации в автоматизированном режиме, широко ис-
пользуется запись кривой реверберации в логарифмическом масштабе с по-
следующим определением ее среднего наклона. Общеупотребительный изме-
рительный тракт приведен на рис. 17.31. Шум в помешении возбуждается
Рис. 17.31. Измерительный тракт для определения вре-
мени реверберации.
Г — громкоговоритель; М — микрофон; Ф,—• фильтры; С само-
писец.
в стационарном режиме через громкоговорители белым шумом или воющим
тоном. В измерительный тракт помимо микрофона входят усилитель,
фильтры (октавные, а лучше третьоктавные) и логарифмический самопи-
сец, который после выключения возбуждения записывает процесс ревер-
берации, как правило, в диапазоне уровней звука от 40 до 50 дБ. При
меньших требованиях к точности измерений стационарное возбуждение
можно заменить импульсным. Время реверберации определяется из сред-
ней скорости падения уровней &L/M, дБ/c в соответствии с выражением
Т = 60 ) (17.43)
Незначительные флюктуации времени реверберации, обусловленные
сложными явлениями биений, в основном могут быть устранены при ис-
пользовании метода интегрированного импульсного ответа, который базиру-
ется на следующем уравнении:
< ’(<)> =J [g(x)]adx = f[g(x)ladx-f[g(x)ladx, (17.44)
t о о
где —’Требуемая «очищенная от флюктуации» кривая ревербера-
ции; g(x)—импульсный ответ помещения в определенной точке (как пра-
вило, с использованием фильтра).
На рис. 17.32 приведен измерительный тракт, используемый в методе
импульсного ответа как один из вариантов уравнения (17.44). В помещение
подается импульсное возбуждение. Сигнал с микрофона возводится в квад-
рат и интегрируется до конца процесса звучания. Результирующий сигнал
первоначально накапливается, например, в виде заряда на конденсаторе.
388
После этого процесс повторяется с изменением полюсов интегратора, на
выходе которого возникает напряжение, пропорциональное <A2(f)>, и за-
писывается с помощью самописца постоянного тока.
Время реверберации при изогнутости прямых спада становится доста-
точно неопределенным. В этом случае для получения основной информа-
ции, по-видимому, предпочтительнее ориентироваться на начальный наклон
кривых (подраздел 17.4.2.3).
Рис. 17.32. Тракт для измерения времени реверберации импульсным
методом.
ГИ — генератор импульсов; Г — громкоговоритель; М— микрофон; Н — нако-
питель; С —самописец.
непосредственно наблюдается на
Рис. 17.33. Принципиальная схема,
позволяющая использовать опера-
ционный усилитель для учета
влияния инерции слуха при записи
серий отраженных импульсов.
17.4.2.2, Исследование структуры импульсного ответа. Иногда пред-
ставляют интерес детали импульсного ответа, т. е. процесс их образования
из отдельных отражений. Отраженный импульс получают при возбуждении
в помещении коротких тональных импульсов, причем обычно стремятся
к высокому временному разрешению. Найденный с помощью направлен-
ного микрофона импульсный ответ или непосредственно наблюдается на
осциллографе или предварительно вы-
прямляется и оценивается с помощью
элемента RC, учитывающего слуховой
рефлекс (рис. 17.33). Временная по-
стоянная этого элемента должна быть
равна приблизительно 25 м • с.
Если воспользоваться такими «реф-
лектограммами», то можно определить
«полезные» и «вредные» отраЬкения.
Это помогает при оценке разборчивости
речи. Скрытые периодические состав-
ляющие лучше всего можно найти
в процессе автокорреляционного ана-
лиза импульсного ответа.
Чтобы узнать, откуда поступают
отдельные отражения звука, обычный
микрофон заменяют направленным мик-
рофоном с достаточным разрешением.
(Иногда целесообразно, используя прин-
цип взаимности, вместо источника звука
фон, а на место приемника поместить
пользовании стационарных источников звука можно определить стационар-
ную направленность распределения звука и найти диффузность по направ-
лениям.
установить ненаправленный микро-
направленный источник). При ис-
Данные об однородности звукового поля в помещении получают также
из корреляции звуковых давлений в двух точках помещения. Этот метод
представляет наибольший интерес для контроля измерений в реверберацион-
ных камерах (подраздел 17.4.2.3).
17.4.2.3, Йзмерение звукопоглощения. Коэффициент звукопоглощения
для плоских не колеблющихся совместно систем звукопоглотителей прн
нормальном падении звука наиболее целесообразно измерять с помощью
трубы Кундта (рис. 3.4), а локально реагирующие системы при всесторон-
389
нем падении звука рассчитывать исходя из импеданса стенки, замеренного
тем же способом (подраздел 16.3.3).
Поглощение неплоских звукопоглотителей и колеблющихся поверхно-
стей (древесные зашивки и т. д.) должно определяться в реверберацион-
ной камере, измерение в которой обеспечивает наиболее достоверные ре-
зультаты, поскольку ее звуковое поле более близко к реальному звуковому
полю больших помещений. Кроме того, звукопоглотители можно разместить
в камере так, как они будут применены на практике (подраздел 3.3.3.4).
Надежные результаты измерения получаются только при достаточно
Диффузном звуковом поле, что обеспечивается значительной асимметрией
формы камеры или установкой свободно висящих и неравномерно располо-
женных рассеивающих элементов.
Неточности в измерениях возможны вследствие так навиваемого эф-
фекта кромок (из-за рассеяния звука на свободных кромках испытуемого
образца), а также при повышении звукового давления перед акустически
жесткими стенками. Если влияние последнего эффекта можно в какой-то
мере учесть при расчете, то на первый воздействуют в результате уста-
новки образца на одной стенке по возможности компактно. Измеряя по-
глощения различных по значению н по форме образцов, ориентировочно
оценивают влияние эффекта кромок.
Измерения в реверберационной камере допустимы лишь в том случае,
если все размеры помещения, как минимум, в несколько раз больше длины
звуковой волны, или, точнее, значение минимальной частоты достоверных
измерений должно соответствовать следующему неравенству:
/::» 1000/’,'|Л (17.45)
где f выражается в Гц, а V, м3.
17.5. ЛИТЕРАТУРА
1. Cremer L. Naherungsweise Berechnung der von einem schwimmenden
Estrich zu erwarteuden. Verbesserung.— Fortschr. und Forsch, im Bauwesen,
1952, H. 2, S. 123.
2. Cremer L. Berechnung der Wirkuag von Schallbrucken — Acustica, 4,
1954, 273.
3. Cremer L. Der Sinn der Sollkurven. In: Schallschutz von Bauteilen.
Berlin, Ernst und Sohn, 1961, S. I.
4. Cremer H. und L. Theorie der Entstehung des Trittschalls.— Frequez, L,
1948, 61.
5. GOsele K. Die Beurteilung des Schallschutzes von Rohdecken.— Ges.—
trig., 85, 1964, 261.
6. Gosele K. Schallbriicken bei schwimmenden Estrichen und anderen
schwimmepd verlegten Belagen.— Helt 35 der Schriftenreihe „Berichte aus
der Bauforschung1*, 1964, S. 23.
7. Gosele K. Zur Bewertung der Schalldammung von Bauteilen.—Acu-
stica, 15, 1965, 264—270.
8. Gosele K. Zur Luftschalldammung von einschaligen Wanden und Dec-
ken.— Acustica, 20, 1968, 334.
9. Heckl M. Untersuchungen uber die Luftschalldammung von Donpel-
wanden mit Schallbriicken.—Congress — Report III of the 3rd ICA —Con-
gress, 1959, S. 1010.
10. Heckl M. Die Schalldammung von homogehen Einfachwanden end-
licher Grosse.—Acustica, L0, 1960, 98—108.
11. Meyer E. Die Mehrfachwand als akustisch — mechanische Drossel-
kette.—ENT, 12, 1935, 393.
390
18. ИЗОЛЯЦИЯ И ПОГЛОЩЕНИЕ
ЗВУКОВОЙ вибрации
М. ХЕКЛ, й. НУЧ
18.1. ВВЕДЕНИЕ
Поскольку звук распространяется не только в газах и жидко-
стях, но и в твердых телах, одними из важнейших задач прикладной аку-
стики являются максимально возможное предотвращение возбуждения зву-
ковых вибраций в конструкциях, их ослабление при распространении,
а также снижение звукоизлучения (изыскание возможностей воспрепятство-
вать переходу вибрационной энергии в акустическую энергию колебаний
окружающей среды). Для этого существует четыре возможности:
1. Виброизоляция, т. е. отражение в определенных местах звуковой
вибрации вследствие применения эластичных прослоек (амортизаторов),
а также в результате частичной замены материала конструкции, по кото-
рой распространяется звуковая вибрация, ее размеров, установки задержи-
вающих масс и внесения других неоднородностей.
2. Увеличение расстояния, т. е. использование того факта, что с удале-
нием от источника вибрации энергия колебаний распределяется на все
большую площадь, а энергетическая плотность понижается.
3. Вибропоглощение (вибродемпфирование), т. е. превращение энергии
звуковой вибрации в тепло, например, в случае применения вибропогло-
щающих материалов, вследствие трения контактирующих поверхностей
и т. д.
4. Понижение звукоизлучения, например, в результате сокращения по-
верхности излучения или уменьшения коэффициента излучения.
Разумеется, для того чтобы достичь оптимального результата, на прак-
тике указанные выше меры, как правило, применяют комбинированно.
Звуковая вибрация в теле конечных размеров представляет сложное
сочетание различных типов волн, поэтому весьма затруднительно найти ре-
шение задач изоляции и поглощения вибрации в наиболее общей поста-
новке (подраздел 1.2.2.1). Ниже рассматриваются только наиболее важные
конкретные случаи. Некоторые объекты, например машины, «компактны» на
низких частотах, т. е. их размеры обычно значительно меньше длины волн
звуковой вибрации. Такие объекты можно рассматривать или как абсо-
лютно жесткие массы или как безмассовые пружины, что позволяет иногда
избежать решения задач в волновой постановке. Систему с сосредоточен-
ными параметрами можно рассматривать не только как предельный случай
суперпозиции многих волн, но и, наоборот, волновые процессы в сложных
телах описывать как результат взаимодействия многих масс и пружин.
Этим часто пользуются на практике, когда требуется определить движение
сложных тел,— метод конечных элементов [21]. Согласно данному методу
тело с распределенными параметрами заменяется некоторым числом п. то-
чечных масс, взаимосвязанных чисто упругими элементами, что позволяет
описать движение тела с помощью квадратной матрицы, причем ее поря-
док п достигает иногда нескольких сотен.
Прн расчете стержней и пластин также допускаются упрощения, по-
скольку по крайней мере один из нх размеров может быть намного меньше
длины волны. Предполагают, что решающее значение принадлежит изгиб-
ным волнам, а волны остальных типов должны учитываться только в ис-
ключительных случаях. Лишь на очень высоких частотах, особенно в ульт-
развуковом диапазоне, необходимо принимать во внимание волны всех ти-
пов. Подобные задачи в настоящем разделе не рассматриваются, а неко-
торые сведения о ннх можно найти в литературе [2, 4, 11].
391
18.2. ИЗОЛЯЦИЯ НА НИЗКИХ ЧАСТОТАХ
(ВИБРОИЗОЛИРУЮЩЕЕ КРЕПЛЕНИЕ)
Одна из самых важных мер, используемых в виброизоляции,—
применение виброизолирующего- (эластичного) крепления. Последнее вклю-
чает амортизаторы (резиновые или металлические упругие элементы, мнне-
раловолокнистые и пенопластовые плиты и т. д.), на которые устанавлива-
ется возбуждающее вибрацию устройство (машина, механизм) или обору-
дование, защищаемое от вибрации (рис. 18.1). Амортизация обеспечивает
снижение передачи возбуждающей силы выше основной частоты fo крепле-
ния, за что, однако, «расплачиваются» усилением передачи в зоне резонанса.
Оценивая влияние такого крепления на передачу ударного возбуждения, сле-
дует отметить, что хотя ударный импульс целиком передается через него,
характер изменения во времени переданного за опору возмущения станет ме-
Рис. 18.1. Примеры виброизолирующих креплений: а — изоля-
ция вертикальных колебаний; б — изоляция колебаний при
вращении.
у
нее резким, причем тем более «мягким», чем ниже основная частота. Одна
из основных задач при выборе параметров виброизолирующего крепления —
смещение основной частоты fo ниже диапазона частот возмущающих сил,
действующих при эксплуатации данного устройства. Вторая основная за-
дача — обеспечение высокой виброизоляции и особенно исключение провалов
в частотной характеристике виброизоляции путем подбора соответствующих
материалов [5, 13].
18.2.1. Основная частота
Решающими параметрами виброизолирующего крепления, обес-
печивающими изолирующий эффект, служат жесткость ь' применяемых пру-
жин (амортизирующих элементов) и эффективная масса т эластично уста-
навливаемой системы. Эти два параметра определяют основную частоту
упрощенной системы масса — пружина (рис. 18.1,о):
f, = —УТ7т Гц. (18.1а)
Для вращательного движения вместо формулы (18.1а) применяют сле-
дующее выражение:
f° = ^/s77a Гц. (18.16)
В этих формулах а — сумма жесткостей амортизаторов, Н/м; т — эффектив-
ная масса эластично установленного устройства, кг; Sr—крутильная жест-
кость, Н • м/рад; 0 — момент инерции, кгс/м2.
392
%,см
Рис. 18.3.-Диаграммы для расчета основных частот двухкаскад-
ных виброизолирующих креплений: а — верхней основной частоты
fi! б — нижней основной частоты fu.
2
7Пу /П?2
393
Для практических расчетов иногда удобнее использовать техническую
систему единиц. Тогда для пружин ______
= 5 Гц, (18.2а)
а для плоских мягких слоев
/о = 500 j/"~ Гц, (18.25)
где s и s" — жесткость кгс/см (9,8 Н/см) и кгс/см3 (9,8 Н/см3); т и т" —
масса, кг или кг/м2 соответственно.
Если изолируемый агрегат установлен непосредственно на пружины
(•амортизирующие элементы) и в движении принимает участие вся масса
агрегата, т. е. динамическая масса равна массе агрегата (подраздел 18.2.2.2),
то между основной частотой системы и статической просадкой амортизато-
ров £, см (рис. 18.2) существует следующая простая взаимосвязь:
А, = 5//|" Гц. (18.3)
Отметим еще раз, что чем ниже основная частота, тем выше изоляция
звуковой вибрации.
В тех случаях, когда применение простых систем виброизоляции не
обеспечивает нужного эффекта, для агрегатов с повышенной виброактивно-
стью применяют двухкаскадное виброизолирующее крепление (рис. 18.3).
Такие системы крепления имеют две основные частоты, рассчитываемые по
формуле ____________________
fi п=4- да+?!+© ± +ay - (is-ч
Соответствующие условные обозначения и диаграммы Для расчета верх-
ней основной частоты fi и нижней основной частоты /ц приведены на
рис. 18.3.
15,2.2. Выбор параметров виброизолирующего крепления
18.2.2.1. Жесткость амортизирующих элементов. При определе-
нии жесткости 5 амортизирующих элементов обычно исходят из пропорцио-
нальности между нагрузкой F и смешением £ (6J, т. е.
s = F/l. (18.5)
Жесткость в этом случае — постоянная величина, не зависящая от на-
грузки. Если амортизатор изготовлен из однородного материала с модулем
нормальной упругости Е, причем площадь элемента 8, а толщина d, то его
жесткость
s=ES/d. (18.5а)
Считается, что модуль Е не зависит от нагрузки. Это условие заложено
при выводе формулы (18.3) и в соответствующем графике на рис. 18.2.
При исполнении некоторых вариантов крепления, особенно, например,
высоконагруженных амортизаторов, используемых в низкочастотных подве-
сах, вышеприведенное допущение ие выполняется, поскольку амортизаторы
с увеличением нагрузки становятся более жесткими. В таком случае полу-
чают нелинейную характеристику амортизирующего элемента, касательная
к которой и используется для определения основной, частоты (рис. 18.5).
В связи с этим в формулах (18.1) и (18.2) следует применять определение
жесткости в виде
AF
(18.56)
394
Таблица 18.1. Жесткости и основные частоты резинометаллических амортизаторов под нагрузкой
Размеры амор- тизаторов, Мм Твер- дость ShA Нагрузка, кгс см2 (9,8 Н см2 — 9,8- 10J Ра)
вертикальная сдвиговая
В н h 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 0,5 1,0 2,0
50 45 25 40 64 (18) 68 (13) 70 (И) 72 (9) 72 (8) 8(9) — —
50 45 25 55 115 (24) 116 (17) 116 (14) 116(12) 120 (11) 15(12,5) 7(6) 6(4)
50 45 25 65 164 (29) 166 (21) 166(17) 180 (15) 190 (14) 22 (15) 15 (8,5) 12 (5,5)
50 70 50 40 24(11) 24 (7,5) 24(6) 24 (5,5) 24(5) 3 (5,5) 2,4 (3,5) —
50 70 50 55 38 (14) 40 (10) 40 (8) 40(7) 42 (6,5) 55 (7,5) 5(5) 3,5 (3)
50 70 50 65 60 (17,5) 60 (12) 60 (10) 60 (8,5) 64 (8) 9 (9,5) 8 (6,5) 7(4)
100 60 30 40 200 (22,5) 200 (16) 200 (13) 200 (11) 200 (10) 20 (10) 17 (6,5) 14(4)
100 60 30 55 260 (30) 270 (21,5) 270 (18) 270 (15) 280 (14) 35 (13) 32 (9) 30 (6)
100 60 30 65 620 (36) 540 (26) 540 (21,5) 550 (19,5) 580 (17) 52 (16) 52 (11,5) 52 (8)
Примечания 1, Значения жесткости указаны на единицу длины (цифры без скобок). 2. В скобках приведены значения основной
частоты при условии, что нагрузка создается только массой виброизолированного агрегата. 3. В — ширина резинометаллического плоского
амортизатора; Н — общая высота амортизатора с учетом толщины двух металлических пластин сверху и снизу резинового элемента; п~
толщина слоя резины; L > 2В — длина амортизатора.
Как правило, жесткость, определяемая по формуле (18.56), выше, чем
полученная из отношении суммарной нагрузки к суммарному смещению. Это
часто приводит к тому, что при увеличении массы амортизируемого объекта
основная частота пружины, рассчитанная по формуле (18.1), понижается
только до граничного значения, после чего может снова возрасти [13]. Ука-
занная частота для некоторых случаев приведена на рис. 18.4 ив табл. 18-2.
Для резинометаллических элементов граничная частота находится в районе
5 Гц при сжимающих нагрузках и в районе 3 Гц при сдвиговых.
Таблица 18.2. Модуль нормальной упругости Е, максимально допустимая
нагрузка и самая низкая основная частота плит из некоторых
материалов (толщина 30—60 мм)
Материал Модуль нор- мальной упру- гости. кгс/смг (9,8 Н/см2 = = 9,8-10» Ра) Максимальная нагрузка, кгс/см2 (9,8 Н/см2 = = 9,8-10» Ра) Минимальная основная частота, Гц
Плиты:
минерально-волокни- стые 1,5-4 0,1 20
из кокосового волокна 2,5-5 0,1 20
из вспененной пласт- массы 3-6 — —
из мягких волокон 100 0,1 20
легкие древесно-стру- жечные 60—170 — —
пробковые легкие 100 0,5 20
» средние 150 0,5 20
» жесткие 300 10 20
Пенопласт с закрытыми по- 4,5-7 — —
Стиропор (10—20 кг/м3) 3—30 0,1
Вспененный полистирол 50—240 0,5-2,5 10—25
Неармированные эластоме- ры, форм-фактор 2 500 24—250 8
Увеличение жесткости, обусловленное повышением нагрузок, особенно
резко проявляется у таких материалов, как пенопласты, пробка, минераль-
ная вата, и не очень резко выражено у резины и резиноподобных материа-
лов. Это не относится к металлическим пружинам, хотя и у них иа высоких
частотах наблюдаются определенные эффекты (подраздел 18.2.3). В пневма-
тических амортизаторах жесткость практически не изменяется.
Значения жесткости (или характеристики жесткости) амортизирующих
элементов приведены в табл. 18.1 и на рис. 18.4 и 18.5. В табл. 18.1 для не-
которых видов резины, отличающихся твердостью (по Шору А), приведена
жесткость на единицу длины (в сантиметрах) при различных нагрузках. Для
резинометаллических элементов не рекомендуется выбирать большие на-
грузки, нежели указанные в таблице. Таким образом, если на элемент, у ко-
торого 5=50 мм, /?=45 мм, £=120 мм, твердость по Шору A ShA=55,
действует нагрузка в 200 кгс, давление составит 200/(В£) =3,25 Н/см2,
а жесткость около 116 • (£)/см«1,4 10е Н/м.
На рис. 18.4 приведены характеристики fi-образных стальных лент, ко-
торые применяют в качестве линейных амортизирующих элементов для ма-
шин или их элементов, занимающих площадь большой протяженности, так
как они, в противоположность локальным амортизирующим элементам, ие
передают высоких сосредоточенных нагрузок на основание. В этом случае
396
Рис. 18.4. Характеристики стальных й-образных пружин (/“-вертикаль-
ная нагрузка на 1 пог. м).
Кривые................................... a б в г
Ширина 5, см ............................ 3 3 10 10
Номинальная нагрузка, Н/м ............ 5000 10 000 20 000 30 000
Минимальная основная частота, Гц......... 7 7 7 7
Жесткость в линейном диапазоне. Н/м2. ... 106 210е 4-10й 6- 10е
Рис. 18.5. Характеристики плоских виброизолирующих элемен-
тов: a — перфорированная резиновая плита; б — монолитная
резиновая плита (ширина 20 см, толщина 0,5 см, толщина
0,8 см).
/ — максимальная нагрузка Fmax.
397
основная частота рассчитывается исходя из жесткости элемента на единицу
длины s, Н/м2 и виброизолируемой массы на единицу длины т', кг/м
1
2л
л/Гц.
Г т
(18.6)
На рис. 18.5 приведены характеристики плоских амортизирующих эле-
ментов, которые используют под фундаментными плитами. Другие данные
о жесткости указаны в табл. 17.2 и 18-2. В'обоих случаях речь идет о зна-
чениях жесткости в диапазоне линейности. В связи с тем, что жесткость
представленных материалов не всегда обратно пропорциональна толщине,
в табл. 17.2 в качестве показателя исполь-
Рис 18.6. Зависимость модуля
нормальной упругости Е моно-
литного листа резины от форй-
фактора Ф (отношения нагру-
женной поверхности к свобод-
ной поверхности).
зуется жесткость на единицу площади или
модуль Е иа единицу толщины. В табл.
18.2 показателем выбран, модуль нормаль-
ной упругости Е. Для монолитной резины
табл. 18.2 данных не содержит, так как
модуль упругости резины во многом зави-
сит от формы образца—форм-фактора
(рис. 18.6), поскольку ее податливость оп-
ределяется возможностью поперечной де-
формации. Применяя виброизолирующее
крепление, необходимо следить за тем,
чтобы амортизаторы нагружались равно-
мерно, для чего их нужно устанавливать
на равном расстоянии1 от центра тяжести
(или центральных осей) амортизируемого
объекта. Чтобы не снизить эффективность
виброизолирующего крепления, подключае-
мые к амортизируемому устройству систе-
мы должны быть разъемными; между уст-
ройством и системами следует применять
гибкие вставки. Для низкочастотных креп-
лений выполнить указанное требование за-
частую бывает непросто. Нужно иметь
в виду, что на основной частоте /0=5 Гц
просадка -виброизолирующих 'элементов
равна 10 мм, а значит, динамическая нагрузка, составляющая 10% рт массы
виброизолируемого устройства, приводит к переменной просадке около 1 мм.
Если основная частота крепления находится вблизи частоты возбуждения,
т. е. в области резонанса, то указанная выше динамическая просадка (осо-
бенно при дисбалансе устройства и значительных динамических нагрузках)
может существенно увеличиться. Амплитуды, которые еще более возрастают
под влиянием «эффекта рычага», особенно в местах подключения трубопро-
водов. в эластичных муфтах и т. п., довольно сложно компенсировать.
18.2- 2.2. Динамическая масса. В основу предыдущих рассуждений, осо-
бенно это касается формулы (18.1), положена предпосылка, что в виброизо-
лирующем креплении амортизируется абсолютно жесткая масса, каждая
точка которой (если не рассматривать движение вращения) имеет одну и
ту же амплитуду. Для 'многих машин и механизмов (двигателей, станков
и т. д.) на обычно интересующих нас низких частотах это условие выполня-
ется, т. е. в качестве т можно принимать массу машины. Однако основную
частоту ряда констру/сций, на амортизатор которых действуют большие ста-
тические силы (и поэтому могут увеличить их жесткость), определяет только
относительно неболырая масса, крепящаяся непосредственно к амортизатору.
Например, лифт всей своей массой (включая кабину, и противовес) нагру-
жает амортизаторы, но для их виброизолирующего эффекта имеет значение
только масса двигателя, располагающегося непосредственно над амортизато-
рами. Аналогично основную частоту виброизолирующего крепления рельсов
398
определяет (из-за мягкой подвески вагона на тележке) только масса вагон-
ной тележки и отрезка рельса между опорами, хотя амортизатор сжимается
под действием общей массы поезда. То же характерно для установок зна-
чительной протяженности (например, большие амортизированные балки или
плиты, крановые пути, печатные машины или здания на пружинах). Масса,
определяющая основную частоту их крепления, меньше их общей массы, так
как зоны, удаленные от амортизаторов на расстояние, превышающее поло-
вину длины волны, по существу, «динамически отключены» от амортиза-
торов.
Правда, в вышеприведенных случаях тоже можно использовать фор-
мулу (18.1), если вместо т ввести динамически эффективную массу тааа,
т. е. учесть только ту часть массы, которая имеет ту же амплитуду, что и
верхняя часть амортизатора. Очень непросто выразить эту долю массы, ко-
личественно зависящей к тому же от частоты. Нередко приходится прини-
мать во внимание, что /пДИн значительно меньше массы, покоящейся иа
амортизаторах, и что нижняя граничная основная частота, выводимая нз
максимально допустимой нагрузки (рис. 18.4, табл. 18.2), повышается про-
порционально коэффициенту V ш/тдин-
18.2. 2.3. Специальные крепления. Для виброизолирующих креплений си-
стем с вращательным движением, особенно для эластичных муфт, харак-
терны те же закономерности, что для поступательно движущихся систем
масса — пружина. Однако определение и ® часто затруднительно, так как
на практике встречаются очень значительные нагрузки, например, из-за пере-
дающегося момента, и редко можно найти достоверные данные о динами-
ческом поведении крутильно-упругих пружин (эластичных муфт). Еще более
сложным становится определение основных частот, когда приходится учи-
тывать многие виды движений (например, комбинацию вертикальных пере-
мещений с горизонтальными и крутильными). В таких случаях основные ча-
стоты находят путем приравнивания нулю детерминанта, коэффициенты
которого рассчитаны для геометрически простых систем или приняты на ос-
нове результатов тщательных экспериментов.
Интересный вариант 'виброизолирующего крепления, часто используе-
мого в автомобилестроении,— саморегулирующиеся опоры, работающие
с применением пневматики или гидравлики. В этих устройствах жесткость
амортизатора регулируется подобно давлению в кузнечных мехах, так что
появляются противосилы, которые поддерживают минимальными амплитуды
движения илн передаваемые креплением переменные снлы [5].
18.2.3. Эффективность виброизолирующего крепления
Для характеристики эффективности виброизолирующего крепле-
ния используются, как минимум, три различающихся показателя. Наиболее
просто измерить перепад уровней ДЕк. Его получают путем третьоктавного
или октавного анализа уровней звуковой вибрации иад и под амортизирую-
щим элементом и последующего нахождения разности Между результатами
этих измерений. Для потребителя наибольший интерес представляет «внесен-
ная виброизоляция» ДЕв, под которой понимается снижение первоначаль-
ного уровня звуковой вибрации под влиянием установки амортизаторов.
В качестве третьего показателя, особенно часто используемого при теорети-
ческих рассмотрениях, служит отношение возмущающих усилий, действую-
щих выше н ниже внброизолирующего крепления. Его можно представить
в виде перепада сил F0/Fi нли логарифмического перепада 10lg(FD2/F;2).
Все три показателя имеют свои области применения и ограничения, но они
не заменяют друг друга, так как численные значения для одного н того же
виброизолирующего крепления неодинаковы (рис. 18.8).
При расчете показателей принято рассматривать чисто гармонические ко-
лебания и использовать спектральное разложение сложных процессов. Кроме
тоУо, целесообразно использовать понятие «импеданс в точке» [3]. Под ним
399
понимается отношение возмущающей силы F и скорости о, вызванной этой
силой в точке возбуждения [уравнение (1.21)]:
Z = Fjv. (18.7)
Аналогично для крутильных колебаний по возмущающему моменту и
угловой скорости можно рассчитать импеданс относительно к моменту.
Как правило, Z—величина комплексная и зависит от частоты. Примеры
ее расчетных значений приведены в табл. 18.3.
Если соотношение сил и скоростей в системе масса — упругость выразить
через импеданс, то, используя условные обозначения рис. 18,7, получим:
F.-fi = zA = (is.8)
Г- ,
к
I Vo
Рис. 18.7. Схема и условные обозначения к формулам
(18.8) н (18.9). Импеданс массы Zm=j<om, импеданс
упругости Zp=S/j<o, импеданс фундамента Zi=*Ftlvi.
Используя выражения для импеданса массы и импеданса упругости
(рис. 18.7), можно записать:
&LK = 10lg vj/t,? = 101g 11+ Z,/ZF |2 = 10 lg 11 + iaZJs |2 дБ;
, ZA F
= 10igll —4*0-------z-l--Г дБ;
I s Zi 4- [
10lg Fg/F;=101g|l + ^-4-^-|’= loig|l—^--)-^~-|5дБ. (18.9b)
(18.9а)
= 10
(18,96)
Вышеприведенные формулы позволяют объяснить некоторые, иногда не-
ожиданные, результаты. В частности, для очень часто встречающегося слу-
чая (например, амортизированные рельсы метро на тяжелом бе-
тонном основании тоннеля) «внесенная виброизоляция» меньше перепада
уровней. В определенном диапазоне частот возможно даже
(как у легкой машины на тяжелом жестком фундаменте с высокой основной
частотой вибронзолирующего крепления) почти полное отсутствие «внесен-
ной виброизоляцин», несмотря на значительный перепад в уровнях. Другими
•словами, при жестком креплении к тяжелому фундаменту механизм стоял
бы устойчиво, а будучи установленным на амортизаторах, он сильно тря-
сется (в противоположность фундаменту), отчего создается иллюзия высо-
кой виброизоляции. Из вышеприведенных формул следует: для хорошей
вибронзоля^ни необходимо, чтобы импеданс упругого элемента Zp был значи-
тельно меньше импеданса массы Zm и импеданса фундамента Z . Практиче-
ски это означает, что виброизолирующее крепление, размещенное на легком
податливом фундаменте (например, амортизированные рельсы на легком
стальном мосту или амортизированный двигатель на легком судовом фун-
даменте), не очень эффективно. В некоторых случаях целесообразно искус-
ственно повышать импеданс фундамента, например, установкой под аморти-
заторы больших дополнительных масс.
400
Таблица 18.3 Импедансы стержней и пластин
Элементарные конструкции Динамическая схема Формулы импедансов
Абсолютно жесткая Безынерционно упругая Полубесконечный про- дольно-нагруженный стержень Конечный, жестко за- крепленный на одном ионце, продольно-на- груженный стержень Конечный, свободный, продольно-нагружен- ный стержень Бесконечный, изгибио- нагруженный стержень Полубесконечный, из- гибно-нагруженный стержень Конечный, изгибно-на- груженный стержень Бесконечная, изгибно- нагруженная пластина Конечная, изгибно-на- груженная пластина Примечание. 5 — модуль нормальной упругост ми, формула (18.13)J; В — изг тины; ft —толщина пластина дня в точке возбуждения; (й D г/ Li_J Ш глощадь сечения стер> и [комплексный для ибная жесткость стера ; kB — 1л!св ==)/~a2pS — собственная часто 7, == /(В/П Z = S//(B Z=S/Bp z := -/я /ё₽ ctg (/р/ё <oi) Z = jS V'Ep tg (/i>ZE o>() Z='2pScB(l+/) Z - i pScB (1 + /) Bk3„ Z=—?-X jis 1 Ц- chfeBl cos kBl
sin kDlchkBl — shfeBJ cos kBl Z=S V~Dfh = /Ёр/З pASn. x 4/w (V-t Фп (*<>• gp) i"1 jjLin o2„-«>a j кня; 5ПЛ — площадь пластины; £— атериалов с Внутренними потеря- ми; D — изгибная жесткость плас- В ; <рл (х0, у0) — собственная функ- са.
401
Результаты измерений на некоторых виброизолирующих креплениях
приведены на рис. 18.8 и 12.6. Перепад уровней только в некотором срав-
нительно узком диапазоне частот имеет- частотную характеристику, ожидае-
мую на основе довольно приближенных оценок н описываемую зависимостью
20 lg[l—(f/fo)2]- Причина этого в том, что импеданс фундамента, который
Рис. 18.8. Экспериментальные значения перепадов Д£к и «внесенной
виброизоляции» ДДе, измеренные на некоторых виброизолирующих
креплениях: а — на рельсе метро, установленного на виброизолирую-
щем креплении (возбуждение от поезда метро); б — на двигателе
лифта, установленном на виброизолирующем креплении (возбужде-
ние при нормальной работе лифта).
/ — бетонная плита толщиной 40—60 см; 2 — крепежный болт; 3 —перфориро-
ванная резиновая пластина; 4 — тонкая прокладка; 5—рельс; 6 — стальная
плита; 7 —пружинная скоба; 8 — кабина с противовесом; 9 — бетонное пере-
крытие толщиной 20 см.
влияет на перепад уровней, как правило, не возрастает с увеличением ча-
стоты, подобно импедансу массы, а наоборот (если не считать встречаю-
щихся иногда существенных отклонений), скорее постоянен (табл. 18.3, им-
педанс пластин).
Перепад уровней практически не растет на высоких частотах, начиная
с определенной, частоты, также под влиянием инерционности упругого эле-
мента, поскольку его размеры становятся сопоставимыми или оолыие длины
упругой волны. Третья причина —- передача через воздух —здесь ие рас-
сматривается [18]. Указанный выше эффект проще всего разобрать на прн-
402
мере упругого элемента с площадью сечения S, высотой d, изготовленного
из материала плотностью рис модулем нормальной упругости Е. Тогда
жесткость упругого элемента составит s=ESja, масса элемента mr — pSd и
длина продольной волны в элементах
а на частоте (Гц)
/к = V^F = Я!о V mi/mF (18J0)
по высоте упругого элемента разместится половина длины продольной волны.
Вблизи частоты /к и на частотах />/к в упругом элементе наблюдаются ре-
зонансные эффекты (стоячие волны), приводящие к тому, что импеданс
упругого элемента в среднем по частоте становится значительно выше, чем
следует из его вышеуказанного значения s/j®, а перепад уровней снижается.
Как показывают простые расчеты, те же явления возникают в упругих эле-
ментах, работающих не только в условиях растяжения — сжатия, ио и из-
гиба, сдвига или кручения. И в этих случаях приближенно применимо ра-
венство (18.10), только с иными числовыми коэффициентами. На практике
масса упругого элемента редко превышает 1/1000 от виброизолируемой массы
(исключение — пневматические амортизаторы), а значит, в первом прибли-
жении нужно считаться с тем, что, начиная с частоты примерно в 100 раз
более высокой, чем основная частота виброизолнрующего крепления, допу-
щение о безынерционностн упругого элемента и формулы (18.8) и (18.9) не-
применимы. Как показывают более точные расчеты, в диапазоне виб-
роизолирующие свойства крепления очень сильно зависят от внутренних по-
терь в материале упругого элемента. Поэтому низкочастотные виброизоли-
рующие крепления, в которых используются металлические упругие элементы,
обычно менее эффективны, чем крепления с резиновыми упругими элемен-
тами, по своей природе склонными к высоким внутренним потерям.
18.3. ИЗОЛЯЦИЯ ЗВУКОВОЙ ВИБРАЦИИ
18.3.1. Снижение вибрации при распространении звука
Как и при снижении воздушного шума, звуковая вибрация
уменьшается в результате удаления от ее источника. Если не принимать во
внимание ослабления уровней вибрации из-за внутреннего трения в мате-
риале (необратимый переход вибрационной энергии в тепло), то можно ис-
пользовать эффект уменьшения плотности энергии при ее распределении на
все большую площадь по мере увеличения расстояния от источника (под-
раздел 18.4).
Применительно к одномерным структурам (длинные балки, трубопро-
воды и т. д.) из этих рассуждений следует, что звуковая вибрация почти
не ослабляется с увеличением расстояния, если нет отвода энергии в точках
крепления ит. п. (действительно, по амортизированным трубопроводам звуко-
вая вибрация, почти не уменьшаясь, передается на большие расстояния).
Для юбширных двумерных структур (большие пластины или плоские ре-
шетки) снижение звуковой вибрации, если не считать очень ограниченного
ближнего поля, пропорционально периметру «огибающей линии» (фронту
волны) и составляет с удвоением расстояния 3 дБ (раздел 1.2.1.3).
Из этого следует, что можно прийти к ложным заключениям, если ха-
рактеризовать снижение вибраций с удалением от источника в децибелах
на метр, т. е. в неявном виде предпосылать спад амплитуд вибрации по
403
экспоненте. Например, в уплотненном грунте вблизи от небольшого источ-
ника вибраций’ (вибратор, машина с дисбалансом) даже на низких частотах,
менее 200 Гц, падение уровней составляет несколько децибел на метр, в то
время как в том же грунте и на тех же частотах вблизи от мощного источ-
ника, например от метро, или на большом расстоянии от любого источ-
ника— менее 1 дБ на 1 м. Аналогичную картину можно наблюдать в зда-
ниях, где вблизи источника уровни звуковой вибрации падают на 4—6 дБ
на этаж, а на некотором удалении (через 3—4 этажа) — всего лишь на 2—
3 дБ на этаж.
18.3.2. Изменение материала и сечений конструкций,
угловые соединения
Если упругая волна наталкивается на дискретную неоднород-
ность материала или на его неодинаковые размеры, то часть вибрационной
энергии отражается от неоднородности и тем самым ослабляется прошедшая
1(Г! tfBBtir’ Ш»! fU1! Htl<’ ‘tSSili’i ‘tcM’2 iMf'J
а = 71г/Л, &-'ll, /Л,
Рис. 18.9. Изоляция звуковой вибра-
ция в стержнях разными видами не-
однородностей: а—изменение сече-
ния (продольные и изгибные колеба-
ния); б—Г-образное соединение (из-
гибные колебания); в—крестообраз-
ное соединение (изгибные колеба-
ния), а — Т-образное соединение (из-
гибные колебания); ' д — упругие
вставки и задерживающие массы.
/ — изгибные колебания; 2 — продольные
колебания; 3 — упругая вставка (изгнб-
пые колебания); 4 — упругая вставка или
задерживающая масса (продольные коло
бания); 5 — задерживающая масса (изгнб-
ныс колебания).
404
Таблица 18.4. Коэффициенты прохождения для продольных и изгибных яолн
Вид неоднородности Схема Расчетные формулы
Изменение сечения Изменение материала Упругая вставка Задерживаю- щая масса Изменение сечения Изменение материала Г-образиое соединение Крестообразное соединение П р о д о л ь u2;Pz 1 Vf=V1+ + $ - .. 771 U И з г и б н ) QI ^12 j Чп”' ы е во Т ~ 4 [ ы е в о Л к ы г=4[о|'2+о-1'2]-а / £iPi У'4 . \ ^аРа / \ ^аРа / т = [1 + Жр)’]-1; frp = T " Si/fiP, т = П + (Игр),1-1; _ 1 /Гр л т н ы Г п-5/4+ о-3/4 + Г
1о-2+о-1'2 + 2 + о3/4 + о5/4 1 2 -г
+ 1 -j- о1/2 + -Lg2 т_Г 2/^Г(1+х)(1+ф) [ х(1 + тр)2 + 2ф (1 +%а т -- 2 [©-б'4 + о54]-2 Т1! = 1[а-=">+о5«]-2, тм = у [1 + 2а5'2 + о5]
405
Продолженне-табл. 18.4,
Вид неоднородности Схема Расчетные формулы
Т-образиое соединение Упругая вставка Задерживаю- щая масса Примечая модуль нормал инерции; з— жест» дуль сдвига упруг держивающей мае i_JL_ т 1 п . LT ' не. Et и Е2_р/и р2, ьной упругости, плотное ость упругой вставки; т эй вставки; /р —длина у Ы. K. = hJV\2, К,= fl й1 (для пластин), о = 32/ т12 = [/2 а-5/4 + с5'4/т<2]—2, т„ = [2 + 2а5'2 + 1 а5]-' t = [1 + (Игр)8!-1, у,з_ 1,8п2Р1 ]/~£1Р1 h/p J 2L- - Г 2л3р, V£,p, K& ) т=1 для f<0,5)s, т~[1+Мгр]-1 для )>2/s, 2л X2 V p2 2P1S?K, ]ЛЁ^ lp ли3 И ft2(o = Л2/Л1), S, и S2 (<J = Sj/S,), Ki и ть, толщина, площадь сечения, радиусы — масса задерживающей массы; Gp— мо- пругой вставки; К — радиус инерции за- V Р,Егк| КА ?! (для стержней).
через нее волна. Этот процесс тщательно исследовали применительно к про-
дольным и изгибным волнам на пластинах н стержнях [3]. Коэффициенты
прохождения были рассчитаны как по амплитуде колебаний Т, так и по
энергии вибраций т:
, (18.11)
Т= Р2/Р1 = m2c2”2^(micit'i+) = 7,2—(18.11а)
где Р\, и1+ — вибрационная энергия и скорость колебаний волны, падающей
на неоднородность; Р2, Уг — вибрационная энергия и скорость за неоднород-
ностью; /п/, Ci — линейная масса вибропровода и групповая скорость упру-
гих волн в нем до неоднородности; т2', с2— линейная масса вибропровода
и групповая скорость упругих волн в нем за неоднородностью.
406
При выводе этих формул подразумевается, что распространение упругих
волн за неоднородностью осуществляется беспрепятственно, т. е. что за не-
однородностью отсутствуют обратные волны. Передача упругих волн в сла-
бодемпфированный элемент конечной длины (стержень и пластину) рас-
сматривается в подразделе 18.4.4. Формулы для расчета т в наиболее рас-
пространенных случаях приведены в табл. 18.4 и на рис. 18.9.
Если в стержне или пластине имеется упругая вставка или задерживаю-
щая масса, то эффективность двух близких неоднородностей, получающихся
при этом, начинает проявляться лишь с некоторой частоты, т. е. при f>frp-
В табл. 18.4 приведены также формулы для расчета величины /гр. Коэффи-
циенты выведены на основе приближений, из-за которых в них не отража-
ются некоторые интересные, но действующие в узких частотных интервалах
эффекты, например, частотные «зоны прозрачности», когда т=1, и «зоны
запирания» при т=0. Кроме того, не, учтен процесс трансформации изгибных
волн в продольные (и обратно) на всех несимметричных неоднородностях.
Эти явления подробно рассматриваются в работе [3]. Отметим, что если за-
держивающая масса устанавливается на готовую конструкцию, то следует
особенно строго проследить за жесткостью крепления. Рекомендуются свар-
ные или высококачественные клеевые соединения; резьбовые же соединения
на высоких частотах не обеспечивают достаточной жесткости.
По данным табл. 18.4 можно рассчитать виброизоляцию неоднородности
и перепад уровней по обе ее стороны *.
Виброизоляция Л? — 10 lg (1/т) дБ. Перепад уровней (дБ) рассчитывается
из выражения
&L = 10 lg — « R + 10 lg + 10 lg (2 - г)
of 1 P1S1C1
где и c2—групповая скорость изгибных волн по обе стороны неоднород-
ности (с индексом 1 до нее и индексом 2 после нее).
18.4. ДЕМПФИРОВАНИЕ ЗВУКОВЫХ ВИБРАЦИЙ
Процесс необратимого преобразования (рассеивания) вибра-
ционной энергии в тепловую послужил основой для создания очень эффек-
тивного и в настоящее время широко используемого метода ослабления
звуковой вибрации вследствие целенаправленного демпфирования. Иначе
говоря, применяя соответствующие материалы и конструкции, преобразуют
вибрационную энергию в тепло. Для -этого используют конструкционные
материалы с необходимыми показателями внутреннего трения или поверх-
ностное трение между контактирующими конструктивными элементами,
а также наносят на конструкции из слабо демпфированных материалов
(металлы) покрытия из сильно демпфирующих материалов (полимеры, пе-
сок). Во всех случаях согласно линейной теории звуковых процессов демп-
фирование звуковой вибрации характеризуется коэффициентом потерь
энергии колебаний rj, который можно определить по формуле
где де'п — вибрационная энергия, теряющаяся в системе за круговой цикл
колебания; Wr— вибрационная энергия, вновь поступившая в систему.
1 Формулы табл. 18.4. применимы только в области частот, где не проявляются вол-
новые эффекты в упругой вставке или по высоте жесткой преграды. Кроме того, эти
выражения соответствуют нормальному падению воли на преграду и не учитывают эффек-
тов вдоль преграды, возникающей при косом падении волн. В табл. 18.4 значения тол-
щины пластин (или поперечные размеры стержней), лежащих в одной плоскости, по-
мимо жестких стыковых соединений принимается одинаковыми. Поэтому формулы дан-
ной таблицы пригодны больше для качественной характеристики, а не для количествен-
ных практических оценок.— Прим. ред. перее.
407
Таблица 18.5. Взаимосвязь коэффициента потерь с другими показателями
демпфирования
Показатели демпфирования Расчетные формулы
Коэффициент потерь энергии колеба- ний Полуширина резонансной кривой Время реверберации Логарифмический декремент Фазовый угол между напряжением и деформацией Добротность Ослабление уровня продольных коле- баний на единицу длины очень длин- ных стержней Ослабление уровня изгибных колеба- ний на единицу длины очень длин- ных стержней Среднеквадратичная скорость конеч- ной системы (пластина, полый ци- линдр и т. д.) при широкополосном возбуждении со многими резонан- сами Примечание. Хп — длина продол ны, м; Р — поступающая в систему мощнс системы. п-А- 2л»\ = T=2,2/(iif) X = г)Л г 1П1 {£} Ф = arctg —— Re {£} Q = 1/ri D = 27,2i]/Xn дБ/м _ 13,6г) D С дБ/м Хи 2 Р ЭФ (влгт) ьной волны, м; Хи — длина изгибной вол- сть звуковой вибрации; т— общая масса
Коэффициент потерь некоторых материалов практически не зависит от
частоты, температуры и характера распространения колебаний. Однако это
свойственно не всем материалам.
В теоретических исследо'ваниях понятием «коэффициент потерь» удобно
пользоваться потому, что его можно трактовать как мнимую часть упругой
постоянной, т. е. если в известных формулах и уравнениях заменить модуль
нормальной упругости, модуль сдвига или изгибную жесткость выраже-
ниями
Е=Е(1+/П); С? =(?(!+ft]); 8 = 8(1-f-ft), (18.13)
то в периодических процессах при Зависимости от времени в форме
влияние демпфирования окажется учтенным. Из этих расчетов нетрудно
также установить взаимосвязь коэффициента потерь с другими показате-
лями демпфирования (табл. 18.5) '.
1 Соотношения, приведенные в табл. 18.5, справедливы лишь при малых значениях
ть что определяется условием tgcp"»ср, при этом Т| =» lm (E)/Re (Е) <1. — Прим. ред. перев.
408
18.4.1. Коэффициент потерь энергии колебаний
различных материалов и конструкций
В табл. 18.6 наряду с другими важными механическими харак-
теристиками приведены значения коэффициента потерь различных материа-
лов (методы измерений этого параметра описаны в подразделе 3.3.4.2).
Коэффициент потерь таких материалов, за исключением асфальта, в обще-
принятом диапазоне частот н температур [20—10 000 Гц, (—30° С) — 100° С]
более или менее постоянен. Используя указанные значения, цужно иметь
в виду, что соответствующие измерения выполнялись на однородных образ-
цах в лабораторных условиях на установках, исключающих побочный уход
энергии. Такие условия на практике фактически не встречаются, поскольку
все конструкции состоят обычно из ряда деталей и каким-то способом за-
креплены, что приводит или к трению контактирующих поверхностей, или
к отводу энергии из системы. В результате наблюдаются дополнительные по-
тери энергии. Значения коэффициента потерь, измеряемые в реальных усло-
виях, редко опускаются ниже 10~3 (исключение составляют такие специаль-
ные конструкции, как колокола, гонги, камертоны и т. д.). Несмотря на это,
лабораторные исследования коэффициента потерь представляют большую
ценность. Данный показатель, особенно если он мал,— чувствительный ин-
дикатор изменений внутренней структуры материала (от отжига, холодной
прокатки и т. п.). Поэтому измерения коэффициента потерь часто выполняют
в процессе исследования свойств материалов для получения сведений об их
внутренней структуре (механическая спектроскопия).
Таблица 18.6. Физико-механические характеристики некоторых материалов
в нормальных климатических условиях
Материал Плотность, кг/м<| Модуль нормаль- ной упругос- ти Е, кН/мм2 Модуль сдвига кН/мм2 Коэф- фи- циент Пуас- сона Скорость продольной волны, м/с Коэффициент потерь
АЛЮМИНИЙ 2700 72 27 0,34 5200 <10—4
Асфальт 1800—2300 7,7—21 — — 1900—3200 0,05—0,3
Свинец И 300 17 6 0,43 1250 ю-3—ю-2
Сталь 7800 200 77 0,31 5100 ~ю-4
Стекло 2500 60 4900 ~10-8
Дерево 400—800 1—5 — 2000—3000 —-Ю-2
Медь 8900 125 45 0,35 3700 -2-10—3
Легкий бетон 1300 3,8 — — 1800 ~ю-2
Латунь 8500 95 36 0,33 3200 <10-3
Оргстекло 1150 5,6 — 2000 -2-10-2
Никель 8900 205 77 0,3 4800 <ю-3
Тяжелый бетон 2300 26 — — 3500 (4-8)-10-3
Кирпич 1900—1100 16 2500—3000 -ю-2
Цинк 7100 13 5 0,33 1350 <Ю-3
Олово 7300 4,4 1,6 0,39 780
Практические значения коэффициентов потерь ряда конструкций без при-
менения специальных средств демпфирования (вибропоглощающие покрытия,
слои песка и т. д.) следующие'.
а) здания из бетона или кирпича — Г|~ 10~2 (частотно-независим);
14 Заказ № 740
409
г) металлические конструкции из
иородных деталей малой толщины
б) металлические конструкции, состоящие из сравнительно малого коли-
чества разнородных деталей относительно большой толщины (например, кор-
пус судна),— Г|«3* 10_3 на частотах /<500 Гц и г|~10~3 на частотах
/>1000 Гц;
в) металлические конструкции, включающие относительно большое коли-
чество разнородных толстостенных деталей (мотор) или малое количество
тонкостенных деталей (автомобиль),— Г] аь10_2;
г) металлические конструкции из относительно большого количества раз-
' ----” ..... (небольшие сложные машины)—г)«
л’бИО"2 на частотах /<5ОО Гц и
г]Л5 10~2 на частотах />1000 Гц.
Большое значение на практике
(наряду с металлами и строитель-
ными материалами) имеют поли-
мерные материалы. Для них ти-
пична сильная зависимость коэффи-
циента потерь от температуры и от
частоты. Это видно, например, из
рис. 18.10 [1]. Ниже так называе-
мой температуры стеклования, ана-
логично многим полимерам, модуль
упругости находится в пределах
5* 103 Н/мм2, а коэффициент потерь
составляет около 10-2. В переход-
ной зоне от температуры стеклова-
ния к температуре размягчения ко-
эффициент потерь поднимается до
весьма высоких значений. Именно
этот диапазон температур исполь-
зуется для демпфирования звуко-
вых вибраций полимеров. Естест-
венно, желательно иметь
значения коэффициента
в возможно более широком диапа-
зоне температур. Однако оказыва-
ется, что ширина такого диапазона
у смесей полимеров тем меньше,
чем выше максимальные значения
коэффициента потерь [8]. Схожи
в этом плане н специальные сплавы,
коэффициент потерь которых может
достигать очень высоких для ме-
таллов значений порядка 104
высокие
потерь
184.2. Комбинации материалов с большими
и малыми коэффициентами потерь
Материалы с хорошими прочностными характеристиками в боль-
шинстве случаев обладают невысокими демпфирующими свойствами, в то
время как материалы со значительными показателями демпфирования (по-
лимеры в переходной зоне) чаще всего не отличаются хорошими прочност-
ными характеристиками. Поэтому целесообразно применять комбинации из
материалов обоих типов. На практике-это выражается в том, что на ме-
таллические пластины, трубы, стержни и т. д. до их использования в кон-
струкции (саидвич-материалы) или после этого (вибропоглощающие покры-
тия) наносят слои пластмасс с высокими внутренними потерями. Необхо-
димо применить материал с максимальными значениями коэффициента
потерь, а также позаботиться о том, чтобы слой демпфирующего материала
410
воспринимал по возможности большую часть энергии звуковой вибрации.
Например, практически бесполезно наносить -демпфирующее покрытие там,
где амплитуды колебаний конструкции малы, или использовать материал
с очень высоким коэффициентом потерь, но низкими упругими характеристи-
ками, из-за чего он почти не в состоянии воспринимать энергию’ вибрации.
В то время как еще нет возможности рассчитать показатели потерь
сложных структур (куполообразные конструкции, пластины с ребрами
Рис. I8.II. Коэффициент потерь т| пластины с нанесенным на
нее однослойным жестким вибропоглощающим покрытием.
Fi, dt — модуль нормальной упругости и толщина пластины; Е2, Т)а, di —
модуль нормальной упругости (реальная часть), коэффициент потерь
и толщина покрытия.
жесткости и т. д.) в комбинации из несущей конструкции и демпфирующего
материала, для однородных плоских пластин и стержней они в основном
исследованы [7, 12, 14, 17]. В случае изгибных колебаний таких конструк-
ций при односторонних вибропоглощающих покрытиях коэффициент потерь
может быть определен из рис. 18.11, правда, лишь в диапазоне частот ниже
f < Vpi/fi EjApadi. Основной вывод, следующий из диаграмм, приведен-
ных на этом рисунке, состоит в том, что произведение £2т)2 должно при-
нимать возможно большие значения, а также в том, что эффект растет
пропорционально квадрату отношения толщин. Поэтому рекомендуется при-
менять относительно жесткие толстые покрытия из материалов с высоким
внутренним трением. Хорошим покрытием для демпфирования нзгнбных
колебаний тонких листов можно считать такое, у которого яг
~3-10_3, Н/мм2, da=2di и г]«0,08.
14*
411
В случае продольных колебаний листов с вибропоглощающим покрытием
или применения сандвич-материалов коэффициент потерь в 10—100 раз ниже,
чем при изгибных колебаниях.
Для листов из сандвич-материалов (рис. 18.12) расчет коэффициента
потерь более сложен. Используя обозначения рис. 18.12, можно рассчитать
коэффициент потерь таких листов:
Э 1 +(2+ у) X + (1 + У) (1 X2 ’
причем
1 __ £1^1 + / 1 1 \
у 12^3 \ + ’
X = —(— ----------1-----!—'l;
A2d2 \ £xdx E^dg /
да _ ш "I f__________(Pi^i +
V [E,d1+E3dl)[l + XY/(t+X)]
Рис. 18.12. Лист из сандвич-материала (слоистый конструкци-
онный вибропоглощающий материал): а — поперечный разрез;
б — результаты измерений коэффициента потерь.
/ — оптимальный лист сандвича из стального листа (di—2 мм, cG—dj»
>d2); 2 — сандвич из древесно-стружечных плит (di=13 мм; di=d3»d2).
G2—реальная часть модуля сдвига; т|2 — коэффициент потерь; Е{,
Е3 — модули упругости; р(, р3 — плотность.
Основная отличительная особенность этих формул состоит в том, что
они указывают на зависимость коэффициента потерь от частоты, причем эта
зависимость имеет максимум
Лтах = --------------)1-аГ - =, (18,15-)
2 + у+2]/ (1 + У)(1 -Н)
который располагается на частоте __________
, ~ 1 ^2 + т12
Zmax~ 2л адл
Расчет по формуле (18.16) приводит к достаточно точным результатам,
если d^d3.
1/
V 19а.
412
18.4.3 Демпфирование вследствие поверхностного трения
Демпфирование вследствие поверхностного трения хотя и явля-
ется достаточно важным процессом, тем не менее сравнительно мало иссле-
довано. Точно известно, что демпфирование можно повысить за счет перио-
дического всасывания и выдавливания воздуха с поверхности контактирова-
ния двух деталей и связанных с этим процессом вязких потерь энергии
(«газовая пульсация») [10, 19].
Демпфирование в результате по-
верхностного трения в резьбовых со-
единениях, в стыках и т. п. аналогично
демпфированию путем засыпки песка
[6]. Этот вид демпфирования распро-
странен на практике, с одной стороны,
в связи с простотой и дешевизной,
а с другой стороны, в противополож-
ность полимерам, из-за отсутствия не-
обходимости обеспечивать термостой-
кость, так что его можно использовать
для демпфирования горячих трубопро-
водов. Данные замеров коэффициентов
потерь при использовании песка приве-
дены на рис. 18.13.
18.4.4 Совместное
применение виброизопяции
и демпфирования
18.4.4.1. Снижение уровня
звуковой вибрации в результате допол-
нительного демпфирования. Часто Воз-
никает вопрос, какая эффективность
может быть получена вследствие при-
менения средств демпфирования. Ответ
на этот вопрос зависит, в частности, ог
исходного демпфирования, т. е.-от коэф-
фициента потерь rji, до принятия мер по
дополнительному демпфированию, а так-
же от характера возбуждения демпфи-
руемой конструкции (чисто резонансное
или широкополосное), от ее размеров,
и, наконец, от того, используются ли
совместно виброизоляция и демпфиро-
вание.
Если конструкция возбуждается чи-
стым тоном и частоты возбуждения
Рис. 18.13. Коэффициент потерь
стальной пластины толщиной
8 мм с равномерно распределен-
ным по ней слоем песка (сухой
песок, зернистость 9).
1 — пластина без песка, ’установлена
на четырех резиновых опорах; 2, 3, 4
и 5 — слой песка с поверхностной мас-
сой соответственно 2, 5, 10 и 20 кг/м2.
совпадают с собственными частотами, то при одном и том же уровне воз-
буждения повышение коэффициента потерь до значения т]п приводит к ос-
лаблению уровней звуковой вибрации на величину
&L « 20 1gт|Л/г)Г дБ.
(18.17)
На практике чисто резонансное возбуждение встречается очень редко.
Значительно чаще наблюдается возбуждение широкополосными шумами.
Если в возбуждаемой полосе частот отсутствует резонансная частота (на-
пример, небольшие толстые пластины на низких частотах), то эффекта от
дополнительного демпфирования практически не будет, так как уровень зву-
ковой вибрации определяется только массой и упругостью, но не потерями
энергии. Если в полосе возбуждения находится одна или несколько резо-
нансных частот (как чаще всего и бывает), то уровни на резонансах сни-
зятся на вышеуказанную величину. Однако поскольку резонансные кривые
413
расширяются, снижение уровня звуковой вибрации в полосе частот достиг-
нет в среднем только величины
AL « 101g дБ. (18.18)
В случае постоянного возбуждения снижение уровня воспринимается как
уменьшение громкости. При импульсном возбуждении (отдельные удары)
снижение уровня принимают, скорее, за сокращение длительности шума.
Достигаемое на практике ослабление уровня вследствие дополнительного
демпфирования составляет 5—10 дБ. Из-за изменений в характере излучения
(раздел 18.5) снижение уровней воздушного шума может оказаться меньше
снижения уровней вибрации.
Если пластина (балка, труба и т. д.) такая большая, что произведение
длины волн, укладывающихся на пластине, на коэффициент потерь т]п
больше 0,2, вышеприведенные выводы не все-
гда применимы, поскольку резонансы почти ие
выражены. В этом случае пластину можно
считать бесконечной. При локализованном
возбуждении звука с удалением от места воз-
буждения в ней наблюдается дополнительное
снижение уровня звука по сравнению с уров-
нем звука недемпфированной пластины
(табл. 18.5).
18.4.4.2. Снижение звуковой вибрации при
совместном использовании средств виброизо-
ляцни н демпфирования. Один из наиболее
эффективных методов снижения звуковой виб-
рации и шума заключается в комплексном ис-
пользовании средств виброизоляции и демпфи-
рования. Применительно к проблеме звуковой
вибрации это выражается в том, чт.о иа не-
котором расстоянии от источника вибрации
осуществляют меры по виброизоляции (упру-
гая вставка, угловое соединение и т. д.),
а в зоне, где в результате многократных от-
ражений плотность энергии наибольшая, при-
меняют средства демпфирования. Таким образом, вибрационная энергия кон-
центрируется в определенном небольшом районе и там с возможной эффек-
тивностью преобразуется в тепло.
На практике важное значение имеют изгибные колебания стержней.
Приводимые ниже формулы выводились для этого вида колебаний, Рассмат-
ривая два конечных стержня, при стационарном режиме колебаний
(рис. 18.14) можно записать следующие уравнения энергетического баланса:
Р + Р21 — Pvl + Рц'
0 р 12 = РР2 + Р21 > (18.19)
где Р—колебательная энергия, подаваемая в систему извне; Pvl, Pv2~
колебательная энергия, преобразованная в тепло соответственно в стерж-
нях 1 и 2\ Р\, Р2— колебательная энергия, падающая на соединение двух
стержней соответственно от стержней 1 и 2; Р|2, Р21— колебательная энер-
гия, попадающая от стержня 1 в стержень 2 и, наоборот, от стержня 2
в стержень 1.
В случае широкополосного возбуждения системы в точке от силы F
(эффективное значение)
Р = F 2 Re {1/Z}.
Предполагается, что можно использовать «статистические» допущения,
т. е. что в рассматриваемых полосах частот содержится не менее четырех
собственных частот обоих стержней. Кроме того, уровни скорости стержней
414
Рис. 18.14. Схема и услов-
ные обозначения для урав-
нений (18.19) и (18.20).
1 — стержень I с pi, С|, f|.; 2 —
стержень 2 с ps, чц; з —
место соединения с коэффици-
ентом прохождения т.
от точки к точке изменяются не слишком сильно. Стержни могут быть не
обязательно равной длины. С учетом допущений получим:
Р13 = тРр, Р21 = тР2;
PV1 = (18.20)
Р1 = рАл'”?; р2 = Р252сЯ
Из этих уравнений следует:
Pici5i 1 "Л 1
— = -------------------- 1------------------ ; (18.21а)
pf P2C2S2 1 + Vhi
-9 P
t»2 = ------------------------------------------ -
PaS2Z2m К “7^ + ’Ъ(1 + ‘»г1Ч1/тс1)1
L *2C1 J
[P
=-------------------. (18.216)
-V [^7^7 + M1 + Л) ]
Первая запись уравнений (18.21a) и (18.216) выводится непосредственно
из уравнений (18.19) и (18.20). Вторая запись их служит обобщением, кото-
рое получают, используя принцип взаимности или закономерности так назы-
ваемого статистического энергетического анализа [9, 15, 20], и которое может
быть использовано для любых комбинаций одно-, двух- или трехмерных
систем (стержни, пластины, объем!. В этих уравнениях trt\ и /Пг—общая
масса соответствующей системы, ДЛ^ и AW2— число собственных мод в воз-
бужденной полосе частот (табл. 1.7). Величины xi2i И r|i2 характеризуют
передачу энергии от системы 2 к системе 1 или, наоборот, от системы 1
к системе 2. Если известны коэффициент прохождения и групповые скорости
изгибных волн се, то для двумерных систем можно записать:
а для трехмерных систем
cs,St
12 ncoSj
cg St
1112 ’
(18.22)
где S—площадь поверхности, разделяющей объемы Vt и 14; L —длина ли-
нии, разделяющей плоскости St и S2.
Наиболее важный вывод из формул (18.21а) и (18.216) заключается
в том, что меры по виброизоляции эффективны только при соответствующем
демпфировании. Как следует из формулы (18.21а), разность в уровнях зву-
ковой вибрации стержней 1 и 2 существенно зависит от отношения T|2/r|i или
от отношения Г|2/т, т. е. от соотношения поглощаемой (рассеиваемой) и вы-
водимой из элемента системы мощности, причем в случае i)2i>r)2 или
т>р2Х2со/с2 внброизоляция неэффективна. Аналогично анализ формулы
(18.216) показывает, что существен не только коэффициент прохождения, но
также отношение tjj/t. Низкие уровни скорости достигаются лишь при хоро-
шей изоляции (т«С1) и хорошем демпфировании. Поскольку часто не уда-
ется достичь высокой виброизоляции, вполне возможен случай, когда Т|1>т)2.
415
В этом случае, т. е. при сильной связи и низком демпфировании, формула
(18.21а) приобретает следующий вид:
v2 ~ AW,
т2
(18.23)
Практические примеры таких сильно связанных систем приведены на
рис. 18.15. Из него видно, что формула (18.23) применима также для ком-
Рис. 18.15. Соотношение скоростей в сильно связанных си-
стемах а и б (т]21 >т]2) •
I — древесно-волокнистая плита толщиной 2(1 мм со штукатуркой
слоем 15 мм; 2 — бетон 140 мм толщиной; 3 — возбуждение; 4 —
алюминиевый стержень 3X35 мм; 5 — алюминиевая пластина тол-
щиной 3 мм; 6 — по формуле (18 23).
бииаций стержней с пластинами и что легкая пластина может иметь более
высокие уровни скорости, чем непосредственно возбужденная тяжелая пла-
стина. Кроме того, представляет практический интерес то, что формула
(18.23) определяет по крайней мере некоторое предельное значение для о22.
18.5 . ШУМОИЗЛУЧЕНИЕ, ОБУСЛОВЛЕННОЕ
ЗВУКОВОЙ ВИБРАЦИЕЙ
Звуковая вибрация представляет самостоятельный интерес лишь
при очень высоких ее уровнях в связи с вибрационной усталостью материа-
лов и конструкции. Проблема звуковой вибрации не имела бы существенного
значения для снижения шумности, если бы не было обусловленного ею зву-
коизлучения. Излучение простыми телами шума уже рассматривалось в под-
разделе 1.4 (табл. 1.5). Там же был введен коэффициент излучения а [фор-
мула (1.39)].
416
Исходя из вышеизложенного, можно записать для воздушного шума
в помещении при комнатной температуре [3]:
10 1g о = Lp - Lv - 10 lg 3 дБ, (18.24)
где Lp — уровень звуковой мощности (относительно 10~12 Вт); L„ — средний
уровень скорости (относительно 5-Ю-8 м/с); 3—площадь излучающей по-
верхности, м2.
Из формул, приведенных в табл. 1.5, следует, что для компактных тел
(двигатели, приводы и насосы с толстостенными корпусами, но не. меха-
низмы, имеющие легкие корпуса) со средними размерами I в диапазоне
частот k0l>3 или при Z>X0/2, т. е. при />170/ (/ — в м) в воздухе, коэффи-
циент излучения о«1. Для более низких частот <у<1.
Для плоских тел соотношения несколько более сложные, так как излуче-
ние в большой степени определяется отношением Хи/Хо (Хи — длина изгибной
волны, Хо — длина волны в окружающей среде), а также характером возбуж-
дения, закреплением по кромкам и их неоднородностью.
Поскольку длина изгибной волны и длина звуковой волны по-разиому
зависят от частоты, на определенной граничной (критической) частоте /кр
выполняется условие Хи = Хо, из которого вытекает следующая формула для
вычисления /кр, Гц: ____
(18-25>
где Со — скорость звука в окружающей среде; т" — масса пластины на еди-
ницу площади; В — изгибная жесткость пластины; сп — скорость продольной
волны в материале пластины (табл. 18.6); d --толщина пластины.
Для некоторых наиболее важных строительных материалов значения
критической частоты (при излучении в воздух) приведены на рис. 18.3.
В случае излучения в воду величина /кр должна быть увеличена примерно
в 18 раз по'сравнению с излучением в воздух.
При оценке излучения от изгибных колебаний ниже критической частоты
можно исходить из правильного, но упрощенного представления о том, что
воздух непосредственно перед пластиной не сжимается, а циклично переме-
щается от подъема к впадине волны (гидродинамическое короткое замыка-
ние). Хотя вблизи пластины и создается звуковое давление, оно очень
быстро убывает с удалением от нее, и звуковая мощность в дальнее поле
не излучается (рис. 18.16). Таким образом, источниками излученной звуковой
мощности остаются зоны по краям пластины, в точке возбуждения и, воз-
можно, на неоднородностях, рядом с которыми нет условий для гидродина-
мического короткого замыкания. Остановимся на выводах, представляющих
практический интерес:
1. Введение ребер жесткости при неизменной вибрационной скорости
приводит к усилению звукоизлучения ниже критической частоты. В этом
случае эффективный (Излучающий) периметр U равен сумме периметра всей
пластины и удвоенной длине ребер жесткости.
2. Закрепленная по кромкам пластина, как правило, излучает лучше, чем
пластина со свободными кромками, у которой возможно дополнительное
короткое замыкание между двумя ее сторонами. Экстремальный случай ко-
роткого замыкания между лицевой и обратной сторонами пластины наблю-
дается у перфорированных пластин, действительно излучающих очень слабо.
3. В процессе излучения конечных пластин при их точечном возбужде-
нии звуковая мощность в диапазоне частот /</Кр излучается как зоной
возбуждения, так и кромками пластины. Излучаемая кромками звуковая
мощность пропорциональна среднеквадратичной скорости пластины, т. е. она
уменьшается по мере повышения ее демпфирования. Излучаемая зоной воз-
буждения звуковая мощность пропорциональна квадрату силы возбуждения
и-почти не зависит от демпфирования. Таким образом, при увеличении демп-
фирования всегда остается излучение зоной возбуждения. Поэтому часто
417
даже существенное дополнительное демпфирование, обеспечивающее большое
снижение уровней звуковой вибрации, позволяет незначительно уменьшить
уровни воздушного шума.
На частотах />/Кр коэффициент излучения постоянен, и звукоизоля-
цию /? толстых стенок [формула (18.2)] можно определить также на основе
измерений их вибрационной скорости с помощью следующего выражения:
R = LPl— \ — 6 ЛБ-
где Lpi—уровень звукового давления в помещении источника звука; Lv2 —
уровень вибрационной скорость стенки в помещении приемника звука.
Рис. 18.16. Звукоизлучение пластинами: а—бесконечно большая пла-
стина; б — бесконечная пластина, возбуждаемая в точке, демпфирован-
ная; в — закрепленная пластина; г—пластина с ребрами жесткости;
д — пластина со свободными кромками.
S — излучающая поверхность; U — периметр.
Процесс излучения труб кругового сечения радиусом а в частотном диапа-
е f>c0/2na (длина волны в среде излучения меньше окружности трубы)
логичен таковому у пластин той же толщины. Если радиус трубы на-
столько мал, что /<с0/2ла (водопроводные трубы), интерес представляет
только изгиб трубы как балки. В этом случае можно использовать формулы
для круговых цилиндров по табл. 1.5.
18.6 . ЛИТЕРАТУРА
b Becker G. W., Oberst Н. Uber das dynamische Verhalten linearer, ver-
netzter und gefullter Kunststoffe.—Kolloid Z., 148, 1956, 6—16.
2. Bergmann L. Der Ultraschall., Stuttgart, Hfrzel. 1954.
3. Cremer L., Heckl M. Korperschall, Кар. V. Berlin, Springer, 1967.
4. Fliigge S. (ed.) Handbuch der Physik, Band IX/2.—Berlin, Springer,
I9G2.
413
5. Harns С. M., Crede D. E. (ed.) Shock and vibration handbook, vol. 2
and 3. New York, McGraw-Hill, 1961.
6. Kurtze G. Korperschalldammung durch kornige Medien.—Acustica, 6,
1956, 154—159.
7. Kurtze G. Bending wave propagation in multilayer plates.— J. Acoust.
Soc. Amer., 31, 1959, 1181—1201.
8. Linhardt F., Oberst H. Uber die Temperaturabhangigkeit schwingungs-
dampfender Kunststoffe.— Acustica, II, 1961, 255—264.
9. Lyon R. H., Maidanik G. Power flow between linearly coupled oscilla-
tors.— J. Acoust. Soc. Amer., 34, 1962, 623—639.
10. Maidanik G. Energy dissipation associated with gas pumping at
structural joints.— J. Acoust. Soc. Amer., 40, 1966, 1064—1072.
11. Mason W. P. (ed.) Physical Acoustics, vol. I. New York. Academic
Press, 1964.
12. Oberst H. Uber die Dampfung der Biegeschwfngungen diinner Bleche
durch festhaftende Belage.—Acustica, 2, 1952, 184—194.
13. Rausch E. Maschinenfundamente und andere dynamisch beanspruchte
Baukonstruktionen. Diisseldorf, VDI — Verlag, 1959. Dazu Erganzungs-
band 1968.
14. Ross D., Ungar E. E., Kerwin E. M. Damping of plate flexural vibra-
tions by means of viscoelastic laminal. Structural damping (ed. J. E. Ru-
zicka).— Amer. Soc. of Meeh. Engineers, 1959.
15. Scharton T. O., Lyon R. H. Power flow and energy sharing in ran-
dom vibration.— J. Acoust. Soc. Amer., 43, 1968, 1332—1343.
16. Snowdon J. C. Vibration and shock in damped mechanical systems.
New York, Wiley, 1968.
17. Tartakowskil B. D., Rybak S, A, On vibration of layered plates
with losses. 4th ICA—Congress Kopenhagen, 1962, Paper P 43.
18. Tukker J. C. Prediction of structure borne sound levels.— J. appl.
Acoustics. 5, 1972, 255—265.
19. Ungar E. E., Carbonell J. R. On panel vibration damping due to
structural joints.— AIAA J., 1966, 1385—1390.
20. Ver I. L,, Holmer С. I. Interaction of sound waves with structures.
Chapt. 11'in: Noise and vibration control, (ed. L. L. Beranek). New York,
McGraw-Hill, 1971.
21. Whiteman J. R. (ed.). The mathematics of finite elements and appli-
cations. New York, Academic Press, 1970.
ПРИЛОЖЕНИЕ
Таблица 1. Соотношение между значениями величин в децибелах и значениями
отношений звуковых давлений или их квадратов
Значение величины, ДБ Отношение давлений р'Ро Отношение квадратов давлений 2 2 Р 'Ро Значение величины, ДБ Отношение давлений Р'Ро Отношение квадратов давлений 2, _2 Р 'Р()
0 1,000 1,000 6,0 1,995 3,981
0,1 1,012 1,023 7,о 2,239 5,012
0,2 1,023 1,047 8,0 2,512 6,310
о,з 1,035 1,072 9,0 2,818 7,943
0,4 1,047 1,096 10,0 3,162 10,000
0,5 1,059 1,122 20,0 10,000 102
0,6 1,072 1,148 30,0 31,620 103
0,7 1,084 1,175 40,0 102 104
0,8 1,096 1,202 50,0 316,2 10б
0,9 1,109 1,230 60,0 103 Ю3
1,0 1,122 1,259 70,0 3 162 107
2,0 1,259 1,585 80,0 104 108
3,0 1,413 1,995 90,0 31 620 I09
4,0 1,585 2,512 100,0 105 101и
5,0 1,778 3,162
Прим L =92,5 дБ Х1,585-1,122= Прим Чу« “ 10 >6 La = 82 дБ; . ер расчета промежуточных значений: «20 1g р'Р0 = io tg р2/р§; р.'р0 = 31 320.1,23». 1,059 = 4,13. И4; p2/pg = lO9x 1,78-10". 4р «сложения» уровней: ДБ; М = 93дБ; Ь2 = 90дБ; £3 = 88дБ; М = 88дБ; £.;; = 85дБ; gl0Li10 = юз (20+10+6,3+6,3+3,1+1,6) = Юз-47,3; LcyM 96,7 дБ,
420
Таблица 2. Соотношение между основными величинами в различных системах единиц
Величина си С ГС Техническая система Британская система Примечание
Длина 1 м 1 см - 10—2 м 1 М 1 ft = 1 фут = = 0,3048 м 1 in (дюйм) = 25,4 мм 1 фут = 12 дюймов 1 фатом = 2 ярдам = 1,829 м
Масса 1 кг 1 г - 10_3 кг 1 кг 11b (w) = — 1 фунт-масса (вес) = 0,4536 кг 1 слаг - 32,17 lb (w) == - 14,59 кг 1 lb (w) = 16 oz, (унций)
Площадь 1 м3 I см2 = 10-« м2 1 м2 1ft2 = 0,0929 м2 1 in2 = 6,452 см2 1 акр = 4047 м2
Объем 1 м3 1 см3 = Ю-s м3 1 м3 1ft3 = 0,0283 м3 1 in3 = 16,387 см3 1 галлон США = 3785 см3
Скорость 1 м-с-1 1 СМ-с—1 = = ю-2 М-с-1 1 м-С-1 lfts~1 = = 0,3048 м-с-1 1 км/ч = 0,2778 м-с-1 1 миля в час = 1,6093 км/ч= = 0,447 м-с-1 1 узел = 0,515 м-с-1
Ускорение 1 М-С~2 1 CM-C-2 = = ю-2 М-с-2 1 М-с-2 lft-s-2 = = 0,3048 м-с-2 1 g= 9,807 м-с-2= 32ft-s“2
Сила 1 Н = 1 кг X X м-с-2 1 дин = Ю-s Н 1 кгс = 9,81 Н lib (f) = 1 фунт- сила = 4,448 Н 1 дин — 1 г-см-с-2 1 паундаль = 0,03lib (f) = = 0,138 Н
422
Продолжение табл. 2
Величина СИ сгс Техническая система Британская система Примечание
Давление 1 Н-м-2 = = 1 Па- — 10-Б бар 1 дин-см-2 = = 10 мкбар — = 0,1 Н-м-2 1 кгс-см—2 = = 1 ат = 9,81 X X 104 Н-м-2 lib (f) in-2 = = 0,6894 Н-м-2 1 атм = 1,033 ат= 1,013 X X 10Б Н/м2 I мм вод. ст = 98,1 мкбар = = 9,81 Н-м-2
Энергия 1 Дж = = 1 Вт-с = = 1 Н-м 1 эрг = 10—7 Дж 1 кгс-м = = 9,81 Дж 11b (f)-ft = = 1,356 Дж 1 кал = 4,1868 Дж 1 ВТИ = 1 Британская теп- ловая единица = 1055 Дж= -- 252 кал
Мощность 1 Вт = — 1 Дж-с-1 1 эрг-с—1 = = ю-7 Вт 1 кгс-м-с-1 - = 9,81 Вт Ihp = 1 л. с. (британская) — = 745,7 Вт I л. с. = 75 кгс-м-с-1 = = 735,75 Вт
Жесткость 1 Н-м-1 1 дин-см-1 = = 10-3 Н-м-1 1 КГС-СМ-1 = = 981 Н-м-1 - 1 кгс-м-х= 0,981-106 дин X X см-1 = 0,981-Ю8 Н-м-1
Сопротивле- ние потока Приме? 1 Н-см~3 = = 1 кг-с-1 X X м-2 ание. 7'c=5(7'f 1 г-с~1-см-2 = — 1 Рэл = = 10 Н-см-3 — 32)/9; Tp^=32-f-9 с/5 (Гс — температура °C, Тр температура, °F —
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Авиационный шум:
взлет и посадка 247
время нарастания давления 250
зона защиты 249
зуммертон 236
избыточное давление 250
критерий иммиссии 247
максимальный уровень пролета 232
полоса отчуждения 247
продолжительность шума 243
спектры шума 237
ударные волны 249
фокусирование 250
широкополосный шум 240
Шум вращения 239
— реактивной струи 233
энергетический спектр 251
эффект испуга 253
Автомобиль:
повторяемость суммарных уровней
Шума 145
снижение дорожного шума 146
усредненный уровень дорожного
шума 144
шум ветра при движении автомо-
биля 144
—качения автомобиля 143
— ходовой части 143
шумоизлучение автомобиля 144
Адмитанс 22
Акустический класс машин 143
-КПД 15
Акустическое короткое замыкание 43
Амортизация судовых двигателей
262
Амортизированные блоки судовых
помещений н надстройки 269
Анализ шума:
октавный II
третьоктавный II
узкополосный II
Анализаторы 64
Антинсточник 31
Аэрогидродинамнческое
сопротивление 303
Байпасное отношение 195, 232
Ближнее поле:
гидродинамическое 14
источники шума потока 33
Вентиляторы:
аксиальные 197
радиальные 196
Виброизолирующие крепления 392
• судовые 262
Виброизоляция 391
Вибропоглощение 391
Внутреннее активное сопротивле-
ние 310
— резонатора 310
Воздействие шума на органы слуха:
-----внутренние органы 81, 82
—-------- психику 86
Воздушный звук 10
Волновое поле 36
Волновое сопротивление пористых
звукопоглотителей 300
Волновое число:
продольных волн 27
изгибных волн 31
Волны:
изгибные 19
крутильные 19
поперечные 19
продольные 19
растяжения — сжатия 19
Рэлея 22
Воспринимаемый уровень шума
(PNL) 94
Время анализа 65
— реверберация 74
Геометрический спад уровня
(дивергенция) 285
Гибкие вставки трубопроводов 266
Гидродинамическое короткое замы-
кание 417
Громкоговорители:
необратимые (ионофоны, коронар-
ные, пневматические) 58, 59
423
электродинамические 57
электромагнитные 58
электростатические 57
Громкость звука:
по Стивенсу 93
— Цвиккеру 94
Двигатели внутреннего сгорания:
активный глушитель 175
демпфирование 182
звуковое давление в выхлопе 173
изоляция передачи вибрации 182
интерференционный глушитель 176
капотирование 182
механизм шумообразования 172
передача звуковой вибрации 180
перекладка поршней 180
переменное давление в цилиндре
178
реактивный глушитель 175
режим «буксировки» 178
турбонагнетатель 177
уровень звуковой вибрации 181
уровень звуковой мощности 181
Динамическая жесткость воздушно-
го промежутка 367
— эффективная масса 398
Диссипация 289
Дифракция 287
Диффузное рассеяние 288
Длина звуковой волны 17
Жесткость:
изгибная 20
продольная 20
Закон преломления Снелиуса 32
— масс 365
Затухание в канале 328
Зашивки судовых помещений 268
Звук:
подводный 10
воздушный 10
Звуковая вибрация гребного винта
260
— мощность 13
— усталость 22
Звуковое давление:
амплитудное значение 11
корректированный уровень 11
эффективное значение 11
уровень 10
Звуковое поле:
диффузное 35
ограниченное 35
свободное 31
Звуковые мостикн 367
Звукоизоляция:
оценочная 361
средняя 361
фактическая 361
Звукопоглотители:
квазиоднородные 302
панельные 314
пористые (волокнистые) 300
резонансные 309
Звукопоглощающее сечение 310
Звукопроводящие слон 294
Зеркальное изображение
источника 287
Зона:
прозрачности (запирания) 407
прямого излучения источника сме-
щения 69
Излучение:
дипольное 27
квадрупольное 27
монопольное 27
плоских излучателей в акустически
жестком экране 30
тонких дисков 28
Измерительная поверхность:
показатель 133
усредненный уровень 133
Иммиссия шума 92
Импеданс:
акустический 14
входной (пластины) 22
излучения 28
механический (по силе) 22, 400
— (по моменту) 22
нормальный 34
собственно механический (преоб-
разователя) 43
собственно электрический (преоб-
разователя) 43
Импульс:
динамическая характеристика 96
поправка 113
продолжительность 135
усредненное значение шума 135
Индекс артикуляции: 101
— звукоизоляции 361
— ударного шума 344
Индивидуальные средства защиты
органов слуха 87
Индукция (магнитная) 149
Интенсивность шума 13
Интерференция 24
Кавитация:
звуковая мощность 186
звуковое давление 186
снижение шума 187
формы 185
число 185
Калибраторы:
вибростол 70
пистонфон 67
электростатический электрод 69
424
эталонный виброприемник 71
эталонный микрофон 69
Кинематическая вязкость 188
Классификация арматуры 381
— точности измерений
шумоизлучения 140
Когерентность (некогерентность) 190,
284
Колебательная скорость:
амплитудное значение. 13
эффективное значение 13
уровень 13
Коэффициент:
звукоизоляции 74
звукопоглощения 299, 384
излучения 30, 416
напора 199
отражения (по амплитуде) 34
поглощения звука (по энергии) 384
потерь связи 415
потерь энергии колебаний 407
преобразования 43
прохождения (по амплитуде) 406
прохождения (по энергии) 406
пьезоэлектрического преобразова-
ния 45
трансформации (чувствительность)
48
Кривые:
диапазонов громкости 80
порога слышимости 93
предельно допустимых уровней 99
предельных спектров 97
равной громкости 80
Критерий разборчивости речи 105
Линейность акустических процессов
173, 284
Магнитофоны 63
Максимально допустимое время воз-
действия шума 116
Микрофоны:
конденсаторные 50
ленточные 51
необратимые (высокочастотные
конденсаторные, тензометры, теп-
ловые зонды, угольные) 56
пьезоэлектрические 53
электретные 51
электродинамические 51
Модуль:
всестороннего сжатия 16
нормальной упругости 20
сдвига 20
Моды 36
Мощность:
звуковая (направленного, нена-
правленного источника звука) 13
механическая 15
электрическая 43
Направленность шумоизлучения 135
Насосы:
звуковое давление за счет импуль-
сного выравнивания, колебатель-
ное давление при выравнивании
объема 215
гидроаккумуляторы 221
гидродинамические 214
гидростатические 214
демпфирование и задерживающие
массы 221
жидкостный глушитель 221
направляющие и рабочие лопатки
221
полюс зацепления 220
предварительная компрессия
регулировочные и разгрузочные
пазы 219
спектры шума 218
уровень звукового давления вин-
тового насоса 217
------центробежного насоса 217
— звуковой вибрации 219
Огибающая поверхность 14
Органы слуха 77
Осциллографы 63
«Пение» гребных винтов 260
Передача зубчатая:
втулочные пружины 228
демпфирование и капотирование
231
коэффициент динамичности 225
— перекрытия 225
погрешность в делении и угле 228,
229
зацепления и профиля 228
погрешность вращения 225
принцип зацепления 225
спектры звуковой вибрации 225
— шума 224
уровень шума корпусов 228
эластичные опоры 231
Перепад уровней вибрации 399
Плавающий пол 268
Пластинчатые (кулисные) глушители
265
Плоские звуковые волны 284
Площадь звукопоглощения 74
Поглощение (демпфирование, дисси-
пация) 35
Пограничный слой 195
Подводный звук 10
Полоса частот 64
Полуширина резонансной кривой 76
Пористость звукопоглотителя 306
Порог слышимости:
временные изменения (TTS) 81
425
кривые 93
постоянные изменения (PTS) 81
Пороговое значение:
мощность 16
звуковое давление 10
колебательная скорость 13
ускорение 66
Последствия воздействия шума 98
Постоянная затухания 289
Преобразование Фурье 24
Преобразователи:
необратимые (вентильные) 42
обратимые 42
пьезоэлектрические 44
электростатические 44
электродинамические 45
электромагнитные 46
Приемники:
вибрации 55
градиента давления 48
давления 48
звука в воде (гидрофоны) 55
Принцип:
взаимности 24
моделирования 24
суперпозиции 24
Ферма 32
Продолжительность воздействия шу-
ма 112
— измерения шума 112
Радиальный уровень шума 135
Реверберационная камера 73
Регламентируемые значения шума 107
Резонанс 36
Рельсовый транспорт:
сверхскоростной транспорт 274
спектры внешнего шума 272
— внутреннего шума 274
— шума метрополитена 279
шум локомотивов 272
щитовые экраны 272
энергетический эквивалентный
уровень длительного шума 273
Самописцы уровня 63
Сечение рассеяния 32
Скорость:
групповая 415
колебательная 13
распространения 16
фазовая 21
Скорость распространения звуковых
волн
-----------в газе 17
--------------в--жидкости 17
---------------------'В-свободном простран-
стве 284
---------------в твердых телах 409
Собственные функции (моды) 36
Собственные частоты:
количество 37
основные 36
число в полосе 37—40
Сопротивление:
излучению 28—30
потоку 302
стенки со звукопоглотителей 319
Степень улучшения защиты от шума
шагов 376
Счетчики повторяемости уровней 63
Теневая зона (звуковая тень) 287
Точечный источник звука 285
Труба Кундта (импедансная) 389
Тугоухость 81
Турбулентная свободная струя 193
Турбулентные моли 196
Уравнение:
волновое 23
Грина 23
изгибных волн 26
интегральное 23
Лайтхилла 25
энергетического баланса 414
Уровень:
громкости звука 93
речевой помехи 105
энергетический среднегодовой 287
Ускорение:
амплитудные значения 66
уровни 66
эффективные значения 66
Характеристика:
жесткости амортизаторов 395
клапана 209
корректированная временная 94
частотная 62, 94
направленности (линейная, поляр-
ная) 232
потокопроводящей системы 199
температурная 66
частотная 66
Частота:
вынужденных колебаний 17
зацепления зубьев 225
резонансная частота щели 371
собственная 36
совпадения (критическая) 363
срыва вихрей^ 189
Число:
кавитации 185
Маха 183
Рейнольдса 188
426
Струхаля 189
Френеля 288
Чувствительность микрофона
------в диффузном поле 60
------в свободном поле 60
------по давлению 60
Шум судовых газовых турбин 258
— трубопроводов 206
Шумомеры:
импульсные 62
прецизионные 62
Эквивалентная плотность 305
Эквивалентные схемы (электриче-
ские) 47
Эквивалентный модуль сжатия 302
— уровень длительного шума (ус-
редненный уровень) 108
Электрические машины:
допустимые уровни шума 165
звуковая мощность аэродинамиче-
ского шума 158
звуковая мощность шума транс-
форматоров 167
звукоизлучение 157
капотирование 163
колеблющийся крутящий момент
163
причины шумообразования 149
силы Био-Савара (Лоренца) 144
— магнитострикционные 153
— Максвелла 152
сиренный тон 161
скос пазов 163
снижение аэродинамического шума
158
Эмиссия шума 98
Энергия (звуковая) 13
— плотность 16
Эффект:
Доплера 189
кромок 35
совпадения 363
Эффективность установки глушителя
в канале 328
Ядро постоянной скорости 194
АВТОРЫ
СПРАВОЧНИКА
X. Г. Дистель, докт. проф., Физико-техническое федеральное ве-
домство, Брауншвейг.
К. Гайке, инженер фирмы «Мюллер-ББМ», Консультационное
бюро по акустике, Мюнхен.
И. Гёрлих, инженер фирмы «Мюллер-ББМ», Консультационное
бюро по акустике, Мюнхен.
К. Гёзеле, докт. проф., Институт технической физики. Штутгарт.
Б. Грифан, докт., Институт гигиены и охраны труда, Эссен.
X. Куттруф, докт. проф., Институт технической акустики высшей
технической школы, Ахен.
К. Мачат, докт., Институт аэрогидродинамики им. Макса Планка,
Гёттинген.
Ф. Мехель, докт., Университет Саарбрюккена и фирма «Грюнд-
цвайг — Хартман», Людвигсхафен.
К. Мюле, докт., фирма «Мюллер-ББМ», Консультационное бюро
по акустике, Мюнхен.
Е. А. Мюллер, докт., проф., Институт аэрогидродинамики им.
Макса Планка, Геттинген.
X. А. Мюллер, фирма «Мюллер-ББМ», Консультационное бюро
по акустике, Мюнхен.
й. Нуч, инженер фирмы «Мюллер-ББМ», Консультационное бюро
по акустике, Мюнхен.
М. Пауль, докт., Отдел электротехники университета, Трир—Кай-
зерслаутерн.
М. Хекл, докт. проф., Институт технической акустики техниче-
ского университета, Зап. Берлин.
Г. Хюбнер, докт., фирма «Сименс», Зап. Берлин.
Л. Шрайбер, докт., фирма «Мюллер-ББМ», Консультационное
бюро по акустике, Мюнхен.
Б. Штюбер, докт., фирма «Мюллер-ББМ», Консультационное
бюро по акустике, Мюнхен.
К. Штюбер, докт., Федеральные железные дороги, Гаутинг.
Г. Янзен, докт. Институт гигиены и охраны труда, Эссен.
428
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие к немецкому изданию..................... 5
Предисловие к русскому изданию..................... 6
Условные обозначения............................... 7
Пояснения ......................................... У
1. Физические основы. М. Хекл..........................10
1,1, Введение....................................
1.2. Основные величины...........................
1.2.1. Звук в газах н жидкостях.................—
1.2.2. Звук в твердых телах (звуковая вибрация) 19
1.3. Основные уравнения.............................23
1.3.1. Звук в воздухе и в жидкостях.............—
1.3.2. Звуковая вибрация.......................26
1.4. Излучение......................................27
1.4.1. Звук в воздухе и в жидкости..............—
1.4.2. Звуковая вибрация.......................31
1.5. Распространение звука...........................—
1.5.1. Преломление.............................31
1.5.2. Рассеяние...............................32
1.6. Отражение звуковых волн........................33
1.7. Поглощение (демпфирование).....................35
1.8. Звук в ограниченном пространстве (стоячие волны) —
1.9. Литература.....................................41
2. Электроакустические преобразователи. М. Пауль . . —
2.1. Общие сведения...........................41
2.2. Теория электроакустических преобразователей . 42
2.2.1. Электромеханический преобразующий че- —
тырехполюсник.......................42
2.2.2. Физические принципы преобразования . 44
2,2.3. Электрические эквивалентные схемы . . 47
2.2.4. Чувствительность преобразователей ... 48
2.3. Техническое исполнение...............‘ . . . —
2.3.1. Микрофоны...........................—
2.3.2. Громкоговорители...................56
2.4. Литература................................59
4»
3. ТЕХНИКА АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ. X. Г. Ли-
стель ................................................60
3.1. Задачи...................................—
3.2. Измерительные приборы....................—
3.2.1. Общие требования'................—
3.2.2. Микрофоны........................—
3.2.3. Шумомеры .............................61
3.2.4. Дополнительные приборы...........63
3.2.5, Приборы для измерения вибраций . . . 65
3.2 6. Приборы для измерения акустического п
механического импеданса . ...................67
3.2.7. Методы калибровки микрофонов .... —
3.2.8. Методы калибровки приборов для измере-
ния вибраций.............................70
3.3. Проведение замеров.......................72
3.3.1. Подготовка аппаратуры............—
3.3.2. Учет уровня помех............... . —
3.3.3. Измерения воздушного шума........—
3.3.4. Измерения вибрации ......... 74
3.4. Литература...............................76
4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ШУМА НА ЧЕЛОВЕКА И ЗАЩИТА
ОРГАНОВ СЛУХА. Г. Янзен и Б. Грифан . ... 77
4.1. Устройство органов слуха.................—
4.2. Функции органов слуха....................78
4.3. Последствия воздействия шума на органы слуха 81
4.4. Последствия воздействия шума на другие органы 82
4.5. Воздействие на психику...................86
4.6. Индивидуальные средства защиты органов слуха 87
4.6.1. Заглушки (вкладыши)..............89
4.6.2. Наушники.........................90
4.6.3' . Шлемы ...............................—
4.7. Литература...............................91
5. РЕГЛАМЕНТАЦИЯ ШУМА, ВОСПРИНИМАЕМОГО
ЧЕЛОВЕКОМ (ПРЕДПИСАНИЯ, НОРМЫ, РУКО-
ВОДСТВА). Р. Герлих.................................—
5.Г. Введение.............•....................—
5.2. Основные физиологические характеристики шума 92
5.2.1. Уровень громкости, громкость......—
5.2.2. Корректированные уровни звукового дав-
ления -..................................94
5.2.3. Кривые предельных спектров........97
5.3. Последствия воздействия шума..............98
5.3.1. Тугоухость........................—
5.3.2, -Нарушение разборчивости речи . ... 101
5.3.3. Возбуждение вегетативной нервной сис-
темы (нарушение сна) . 106
5.3.4. Нарушение работоспособности ... . 106
430
5.3.5. Неприятные ощущения..................Ю7
5.4. Определение регламентируемых величин . ... —
5.4.1. Эквивалентный уровень длительного шума
(усредненный уровень)......................108
5.4.2. Измеряемые величины.................109
5Д4.3. Измерительные и дополнительные приборы 111
5.4.4. Условия измерений...................112
5,4.5. Продолжительность измерений .... —
5.4.6. Оценка результатов измерений регламенти-
руемых величия ............................. —
5.4.7. Специальные регламентируемые величины 115
5.4.8. Регламентация шума с- целью предотвра-
щения повреждения органов слуха............129
5.5. Требуемые величины (предельные значения, пре-
дельные спектры)................................131
5.6. Оценка шумоизлучения. Г. Хюбнер..............—
5.6.1. Характерные физические величины . . . —
5.6.2. Измерение характерных величин .... 136
5.7. Шум дорожного движения. Л. Шрайбер . . . 143
5.7.1. Автомобиль как источник шума .... —
5.7.2. Дорога как источник шума............144
5.8. Литература.................................146
6. ШУМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН. Г. Хюбнер . . 148
6.1. Шум вращающихся электрических машин ... —
6.1.1. Магнитный шум . . •...................—
6.1.2. Аэродинамический шум................158
6.1.3. Шум подшипников и щеток.............161
6.1.4. Вторичные меры по снижению шума . . 163
6.1.5. Предписания по замерам шума и предель-
ные значения уровней шума..................165
6.2. Шум трансформаторов..........................—
6.2.1. Магнитный шум.........................—
6.2.2. Меры по снижению шума...............168
6.3. Литература.................................170
7. ШУМ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
М. Хекл...........................................1^2
7.1. Введение................................. . . —
7.2. Шум выхлопа................................173
7.2.1. Возникновение шума...........—
7.2.2. Влияние выпускного трубопровода на шум
выхлопа....................................174
7.2.3. Глушители...........................175
7.3. Шум всасывания.............................176
7.3.1. Двигатель со свободным впуском ... —
7.3.2. Двигатель с наддувом................177
431
7.4. Излучение шума двигателем........................Ш
7.4.1. Влияние процессов' сгорания на шумооб-
разование.....................................178
7.4.2. Ударный шум............................180
7.4.3. Эмпирические формулы для оценки шума
двигателей....................................181
7.5. Меры по снижению шума............................—
7.6. Литература.....................................183
8. ШУМ ПОТОКОСОЗДАЮЩИХ И ПОТОКОПРОВО-
ДЯЩИХ МАШИН И УСТРОЙСТВ. Б. Штюбер и
М. Хекл...........................................183
8.1. Введение.........................................—
8.2. Возникновение шума потока....................—
8.2.1. Элементарные излучатели..................—
8-2.2. Кавитация..............................184
8.2.3. Обтекание кругового цилиндра . . . . 188
8.2.4. Свободная турбулентная струя .... 193
8.2.5. Турбулентный пограничный слой . . . 195
8.3. Вентиляторы..............................196
8.3.1. Характерные особенности...........—
8.3.2. Возникновение звука..............199
8.3.3. Приближенный расчет звукоизлучения . . 202
8.3.4. Снижение шума....................203
8.4. Трубопроводы.............................206
8.4.1. Препятствия в трубах'.............—
8.4.2. Снижение шума....................208
8.5. Регулирующая арматура.....................—
8.5.1. Снижение шума....................210
8.6. Шум воды в градирнях......................—
8.7. Печи, форсунки............................—
8.8. Литература...............................213
9. ШУМ НАСОСОВ. К- Мюле.........................214
9.1. Описание насосов..........................—
9.2. Причины возникновения шума...............215
9.2.1. Выделение газа и кавитация при всасы-'
вании . : : :............................—
9.2.2. Периодические колебания объемов перека-
чиваемой жидкости...............................—
9.2.3. Импульсные процессы выравнивания дав-
ления в потоке................................216
9.2.4. Винтовые насосы........................217
9.2.5. Гидродинамические насосы.................—
9.3. Спектр шума насосов..............................—
9.4. Возбуждение стенок труб........................218
432
9.5. Возможности снижения шума в жидкости . . . 219
9.5.1. Меры обесшумлпвания для различных ти-
пов насосов ................................ —
9.5.2. Меры снижения шума в системе трубопро-
водов ............................ • • • 221
9.6. Литература............................... 222-
10. ШУМ ЗУБЧАТЫХ ПЕРЕДАЧ. X. А. Мюллер
10.1. Оценка шума передач............................. . .
10.1.1. Общий уровень шума...........................
10.1.2. Спектры шума..........................224
10.2. Возникновение шума передач....................225
10.2.1. Идеальная передача................ . . —
10.2.2. Влияние погрешностей изготовления . . 228
10.3. Конструкция и изготовление малошумпых передач 230
10.3.1. Конструирование передач............—
10.3.2. Изготовление передач . —
10.3.3. Установка передачи...............231
10.4. Вторичные меры по снижению шума...........—
10.5. Литература.................................—
II. АВИАЦИОННЫЙ ШУМ. Е. А. Мюллер и К. Манат 232
11.1. Введение..................................—
11.2. Звукоизлучение.............................—
11.2.1. Самолеты с реактивными двигателями . —
11.2.2. Самолеты с поршневыми или турбовинто-
выми двигателями.........................238
11.2.3 . Вертолеты ..........................239
11.2.4 . Самолеты с укороченным или вертикаль-
ным взлетом..............................242
11.3 . Оценка восприятия авиационного шума .... —
11.3.1 . Величины, характеризующие шум проле-
тающих самолетов.........................243
11.3.2 . Оценка продолжительности шума . . . —
11.3.3 . Приближенные значения Елтах и ho
для самолетов различных типов............244
11.3.4 . Типовые американские предписания для
самолетов............................ .... 246
11.4 . Оценка авиационного шума...................247
11.5 , Звуковой удар..............................249
11.5.1 . Определение и описание................—
11.5.2 . Величины, описывающие звуковой удар 250
11.5.3 . Зона звукового удара.............. 252
11.5.4 . Воздействие звукового удара на человека 253
11.5.5. Воздействие звукового удара на животных 254
433
11.5,6 . Воздействие звукового удара на строения
и поверхность земли.......................254
11.6 . Литература...............................255
12. ПРОБЛЕМА ШУМА НА СУДАХ. М. Хекл и К. Гайке
12.1. Постановка проблемы..................... . 257
12.2. Источники шума..............................—
12.2.1. Двигатели..........................—-
12.2.2. Гребной винт......................259
12.2.3. Вспомогательные механизмы.........260
12.3. Общее расположение помещений..............261
12.4. ЭДеры по предотвращению распространения шума
и звуковой вибрации от их источников .......... 261
12.4.1. Вйбронзолирующее крепление........262
12.4.2. Кожухи (капоты).................... 264
12.4.3. Глушители . : :...................265
12.4.4. Изоляция трубопроводов............266
12.4.5. Демпфирование ;...................267
12.4.6. Распространение звуковой вибрации . . 267
12.5. Защита от шума обитаемых помещений .... —
12.6. Уровни шума на судах.......................269
12.7’ Литература.................................270
13. ШУМ РЕЛЬСОВОГО ТРАНСПОРТА. К. Штюбер . 270
13.1. Транспорт дальнего сообщения ...............—
13.1.1. Внешний шум.........................—
13.1.2. Звуковые вибрации.................274
13.1.3. Внутренний шум.....................’ —
13.2. Пригородный транспорт.....................278
13.3. Городской транспорт.........................—
13.3.1. Метрополитен........................—
13.3.2. Трамвай...........................281
13.4. Снижение шума.............................282
14. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЗВУКА В СВОБОДНОМ ПРО-
СТРАНСТВЕ. Л. Шрайбер...............................284
14.1. Введение . : : :............................—
14.2. Распространение звука в среде без поглощения 285
14.2.1. Неограниченное звуковое поле .... —
14.2.2. Источник звука над поверхностью . . . 286
14.2.3. Образование зоны звуковой тени .... 287
14.2.4. Диффузное рассеяние...............288
14.3. Затухание звука в результате поглощения (дис-
сипации) в воздухе..............................289
434
14.4. Влияние особенностей почвы, растительности И
застройки на распространение звука ................. 289
14.4.1. Дополнительное затухание звука над по-
верхностью земли -.........................
14.4.2. Дополнительное затухание звука в прост-
ранстве, покрытом древесной растительностью 291
14.4.3. Дополнительное затухание звука в заст-
роенном пространстве ...................... 292
14.5. Влияние неоднородности воздуха ....—
14.5.1. Градиент скорости ветра.............—*
14.5.2. Температурный градиент.............293
14.5.3. Турбулентность.....................294
14.6. Учет взаимодействия различных факторов при
распространении звука ................................ ~
14.6.1. Локальные источники звука ...... —
14.6.2. Линейные и плоские источники звука . 297
14.7. Литература.............................. 299
15. ЗВУКОПОГЛОЩЕНИЕ. Ф. МехелЬ......................—
15.1. Введение....................................—
15.2. Звукопоглощающие материалы и конструкции . 300
15.2.1. Пористые поглотители ’...................—
15.2.2. резонансные поглотители...............309
15.2.3. Панельные поглотители..................314
15.3. Расчет звукопоглощения........................318
15.3.1. Нормальное падение звука..............319
15.3.2. Наклонное падение звука................322
15.3.3. Диффузное падение звука................324
15.4. Эффективность звукопоглощения.............325
15.5. Литература . : :..........................326
16. ГЛУШИТЕЛИ. Ф. Мехель...........................327
16.1. Форма каналов ... *—
16.2. Расчет шумоглушения.......................328
16.3. Теоретические основы......................329
16.3.1. Уравнения равновесия...............—
16.3.2. Проводимость.......................—
16.3.3. Энергетические соотношения........330
16.3.4. Волновое уравнение.................—
16.3.5. Краевые условия ........................—
16.3.6. Зависимость затухания — коэффициент
затухания.................................331
16.4. Прямоугольный канал, точное решение .... 332
16.4.1. Облицовка с локальной проводимостью —
16.4.2. Облицовка с однородным поглотителем . 336
16.4.3. Сопоставление разделенных (кассетных)
и неразделенных облицовок..................—
435
16.5. Приближенный расчет затухания в канале . . 337
16.5.1. Относительная погрешность приближений —
16.5.2. Приближенная формула Пининга . . . —
16.5.3. Приближенные формулы для расчетов в
соответствии с уравнениями (16.21)...............338
16.6. Поперечное распределение звукового поля в кана-
ле ...................................... ....... 339
16.6.1. Зависимость поперечного распределения
от продольного затухания.....................
16.6.2. Приближенная формула, учитывающая
особенности поперечного распределения звуко-
вого давления..........................•• . 340
16.7. Другие формы поперечного сечения каналов . .341
16.7.1. Круглое сечение.....................—
16.7.2. Приближенная формула для канала с
круглым сечением............................343
16.7.3. Другие формы сечений каналов .... 344
16.8. Затухание вследствие изменения сечения и на-
правления канала.................................344
16.8.1. Затухание на входе.................345
16.8.2. Затухание на выходе..................—
16.8.3. Затухание, обусловленное изгибами канала 347
16.8.4. Затухание при изменении сечения . . . 348
16.9. Частотные характеристики затухания.........350
16.9.1. Нормированная проводимость стенки . 351
16.9.2. Затухание панельных пористых поглоти-
телей ............................' . . . . 352
16.9.3. Широкополосная звукопоглощающая об-
лицовка канала..............................355
16.10. Влияние потока.............................356
16.11. Техническое исполнение глушителей..........359
16.12. Литература.................................360
17. ШУМОГЛУШЕНИЕ В ЗДАНИЯХ. К. Гезеле ... 360
17.1. Звукоизоляция................................—
17.1.1. Общая характеристика.................—
17.1.2. Измерение...........................362
17.1.3. Однослойные (одностенные) конструкции —
17.1.4. Двустенные конструкции..............366
17.1.5. Косвенные пути передачи звука .... 370
17.1.6. Несплошность ограждающих конструкций 371
17.2. Изоляция ударного шума (шума шагов) . . . 373
17.2.1. Характеристика междуэтажных перекры-
тий ...............................................—
17.2.2. Характеристика перекрытий с настилами 375
17.2.3. Характеристика перекрытий без настилов 376
17.2.4. Характеристика покрытий.............378
17.2.5. Характеристика плавающих полов . . —
436
17.2.6. Характеристика некоторых распростра-
ненных перекрытий...........................380
17.3. Санитарно-техническое и ин?кенерпое оборудо-
вание зданий.....................................380
17.3.1. Шум санитарно технического оборудова-
ния —
17.3.2. Шум отопительных систем.............382
17.3.3. Шум лифтов............................—
17.4. Акустика помещений. X. Куттруф.............382
17.4.1. Распространение звука в помещениях . —
17.4.2. Техника измерений . 388
17.5. Литература.................................390
18. ИЗОЛЯЦИЯ И ПОГЛОЩЕНИЕ ЗВУКОВОЙ ВИБ-
РАЦИИ. м. Хекл, И. Нуч..............................391
18.1. Введение ....................................—
18.2. Изоляция на низких частотах (виброизолирую-
щее крепление)...................................392
18.2.1. Основная частота......................—
18.2.2. Выбор параметров виброизолирующего
крепления...................................394
18.2,3. Эффективность виброизолирующего креп-
ления ......................................399
18.3. Изоляция звуковой вибрации . . ...... 403
18.3.1. Снижение вибрации при распространении
звука .......................................
18.3.2. Изменение материала и сечений конструк-
ций, угловые соединения....................404
18.4. Демпфирование звуковых вибраций............407
18.4.1. Коэффициент потерь энергии колебаний
различных материалов и конструкций .... 409
18.4.2. Комбинации материалов с большими и
малыми коэффициентами потерь ....... 410
18.4.3. Демпфирование вследствие поверхностно-
го трения..................................413
18.4.4. Совместное применение виброизоляции и
демпфирования...............................—
18.5. Шумоизлучение, обусловленное звуковой вибра-
цией ............................................416
18.6. Литература................................418
Приложение......................................420
Предметный указатель.............................423
Авторы справочника .............................. 428
В 1981 г.
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«СУДОСТРОЕНИЕ»
ВЫПУСТИТ
НОВЫЕ КНИГИ:
Справочник по гидроакустике. 30 л. (Б-ка инженера-гидроакустика),
1 р. 80 к.
Справочник, подготовленный коллективом известных специали-
стов, охватывает все основные аспекты гидроакустики и позволяет
быстро найти необходимую информацию о технических характери-
стиках гидроакустических средств (ГАС), параметрах морской сре-
ды, сигналах, помехах, радиоэлектронных элементах станций и пра-
вилах их- эксплуатации на судах. В книге даиы также рекомендации
по проведению гидроакустических измерений и проектированию су-
довых ГАС.
Адресован специалистам судостроительной промышленности, мо-
жет быть полезен океанологам.
/МАТВИЕНКО в, Н., ТАРАСЮК Ю. Ф. Дальность действия гид-
роакустических средств,— 16 л., 1 р. .
В книге рассмотрены характеристики основных параметров сре-
ды, вызывающих изменение дальности действия гидроакустических
средств (ГАС) в океанах и морях, н даны практические рекоменда-
ции для оценки ожидаемой дальности действия ГАС с учетом ре-
альных характеристик водных масс, поверхности и дна моря. По
сравнению с первым изданием (1976 г.) новое дополнено данными
о приборах для расчета ожидаемой- дальности обнаружения под-
водных объектов.
Предназначена для инженеров-гидроакустиков и океанологов.
Будет полезна судоводителям и радионавигаторам.
НОВИКОВ Б. к., РУДЕНКО О. В„ ТИМОШЕНКО В. И.
Нелинейная гидроакустика.— 19 л., 1 р. 20 к.
В книге, один из авторов которой — докт. техн, наук В. И. Ти-
мошенко, научный руководитель работ по нелинейной гидроакустике,
рассмотрены вопросы теории, расчета, конструирования и испыта-
ний параметрических гидроакустических приборов, использующих
нелинейное взаимодействие акустических волн и сигналов. Приве-
дены основные характеристики нелинейных параметрических прибо-
ров: прецизионных эхолотов, гидролокаторов, приборов для переда-
чи телеметрической информации и т. д.
Рассчитана на инженерно-технических работников, занимаю-
щихся разработкой и эксплуатацией гидроакустической аппаратуры.
438
ГОМЗИКОВ Э. А., ИЗАК Г. Д. Проектирование противошумо-
вого комплекса судов,— 12 л., 70 к.
Авторы книги — специалисты-практики — впервые в отечествен-
ной и зарубежной литературе всесторонне рассматривают вопросы
выбора акустических характеристик судов при проектировании и
приводят расчеты показателей перспективных противошумовых
средств: амортизирующего крепления двигателей, зашивок помеще-
ний, надстроек и бескронштейновых гребных валов и др. Рассмат-
ривают результаты акустических испытаний судов и воздействие
шума на зону прибрежной жилой застройки.
Предназначена для работников проектно-конструкторских бюро
научно-исследовательских институтов судостроительной промышлен-
ности, занимающихся вопросами снижения шума. Книга должна за-
интересовать строителей речного флота.
СПРАВОЧНИК
ПО ТЕХНИЧЕСКОЙ
АКУСТИКЕ
Под редакцией
М. ХЕКЛА и X. А. МЮЛЛЕРА
Перевод с немецкого
Б. Д. ВИНОГРАДОВА и Н. М. КОЛОДРЦЕВА
Редактор А. И. Кускова
Художественный редактор S. А. Пурицкий
Технический редактор Р. К. Чистякова
Корректоры В. М. Альфимова, И. П. Острогорова
Оформление переплета художника В. И. Харькова
ИБ № 562
Сдано в набор 01.04.80. Подписано в печать 11.09.80. Формат
60X90'/ie. Бумага типографская № 3. Гарнитура шрифта литера-
турная. Печать высокая. Усл. печ. л. 27,5. Уч.-изд л. 34,5. Ти-
раж 9000 эка. Изд. № 3390—77. Заказ № 740. Цена 2 р. 50 к.
Издательство «Судостроение», 191065, Ленинград, ул. Гоголя, 8
Ленинградская типография № 4 Ордена Трудового Красного
Знамени Ленинградского объединения «Техническая книга»
им. Евгении Соколовой Союзполиграфпрома при Государствен-
ном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книж-
ной торговли. 191126, Ленинград, Социалистическая ул., 14.