Механические колебания

К механическим колебаниям относятся: вибрация, шум, инфразвук, ультразвук.

Общим свойством этих физических процессов является то, что они связаны с переносом энергии. При определенной величине и частоте эта энергия может оказывать неблагоприятное воздействие на человека: вызывать различные заболевания, создавать дополнительные опасности. Поэтому необходимо изучить свойства этих опасных явлений, уметь измерить параметры колебаний и знать методы защиты от них.

Вибрация.

Вибрацией называются механические колебания, испытываемые каким-то телом. Причиной вибрация являются неуравновешенные силовые воздействия.

Вибрация находит полезное применение в медицине и в технике, однако длительное воздействие вибрации на человека является опасным. Опасна вибрация при определенных условиях и для машин и механизмов, так как может вызвать их разрушение.

Различают общую и локальную (местную) вибрации. Общая вибрация вызывает сотрясение всего организма, местная воздействует на отдельные части тела. Иногда работающий может одновременно подвергаться общей и местной вибрация (комбинированная вибрация).

Вибрация нарушает деятельность сердечно-сосудистой и нервной систем, вызывает вибрационную болезнь. Особенно опасна вибрация на резонансных или околорезонансных частотах (6-9 Гц).

Основными параметрами, характеризующими вибрацию, являются: амплитуда смещения, то есть величина наибольшего отклонения колеблющейся точки от положения равновесия; амплитуда колебательной скорости и колебательного ускорения; период колебаний Т – время между двумя последовательным одинаковыми состояниями системы; частота f, связанная с периодом известным соотношением:

.

В силу специфических свойств органов чувств человека для характеристики вибрации используют среднеквадратические скорости:

.

Защита от вибрации.

Существует несколько основных направлений борьбы с вибрацией.

Борьба с вибрацией в источнике её возникновения предполагает конструирование и проектирование таких машин и технологических процессов, в которых исключены или снижены неуравновешенные силы, отсутствует ударное взаимодействие деталей, вместо подшипников качения используются подшипники скольжения. Применение специальных видов зацепления и чистоты поверхности шестерён позволяют снизить уровень вибрации на 3-4 дБ. Устранение дисбаланса вращающихся масс достигается балансировкой.

Отстройка от режима резонанса достигается либо изменением характеристик системы (массы и жесткости), либо изменением угловой скорости. Жесткостные характеристики системы изменяются введением в конструкцию рёбер жёсткости или изменением её упругих характеристик.

Вибродемпфирование – это снижение вибрации объекта путём превращения её энергии в другие виды (в конечном счете – в тепловую). Увеличения потерь энергии возможно достичь разными приемами: использованием материалов с большим внутренним трением; использованием пластмасс, дерева, резины; нанесением слоя упруго-вязких материалов, обладающих большими потерями на внутреннее трение (рубероид, фольга, мастики, пластические материалы). Толщина покрытий берется равной 2-3 толщинам демпфируемого элемента конструкции. Хорошо демпфируют колебания смазочные масла.

Виброгашение – это способ снижения вибрации путем введения в систему дополнительных реактивных импедансов (сопротивлений). Чаще всего для этого вибрирующие агрегаты устанавливают на массивные фундаменты. Одним из способов увеличения реактивного сопротивления является установка виброгасителей. Наибольшее распространение получили динамические гасители.

Виброизоляция – это способ уменьшения вибрации защищённого объекта посредством введения в систему упругой связи, препятствующей передаче вибрации от источника колебаний к основанию или смежным элементам конструкций. Эффективность виброизоляции оценивается коэффициентом передачи.

Примером виброзащиты могут служить также гибкие вставки в воздуховодах, «плавающие полы», виброизолирующие опоры (для изоляции машин с вертикальной возмущающей силой).

В промышленности находит применение активная виброзащита, которая предусматривает введение дополнительного источника энергии (сервомеханизма), с помощью которого осуществляется обратная связь от изолируемого объекта к системе виброизоляции. Для защиты от вибрации применяются специальные средства индивидуальной защиты (рукавицы, перчатки).

Шум.

Всякий нежелательный звук принято называть шумом. Шум вреден для здоровья, снижает работоспособность, повышает уровень опасности. По этой причине необходимо предусматривать меры защиты от шума.

Физические характеристики шума.

Шум – это механические колебания, распространяющиеся в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Частицы среды при этом колеблются относительно положения равновесия. Звук распространяется в воздухе со скоростью 344 м/с. Шум создаётся источником, который имеет определенную мощность Р. Мощность, приходящаяся на единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения звука, называется интенсивностью звука I. Если источник шума находится в сфере радиуса г, то средняя интенсивность звука на поверхности этой сферы равна I _ср = Р /4πг² (Вт/м²⁾.

Слуховой аппарат человека наиболее чувствителен к звукам высокой частоты. Поэтому для оценки шума необходимо знать его частоту, которая измеряется в герцах (Гц), то есть числом колебаний в секунду. Ухо человека воспринимает звуковые колебания в пределах 16-20 000 Гц. Ниже 16 Гц и выше 20 000 Гц находятся соответственно области неслышимых человеком инфразвуков и ультразвуков.

Зависимость уровней от частоты называется спектром шума. Спектры шума (как и вибрации) бывают дискретными, сплошными и смешанными. У сплошных спектров интервалы между частотными составляющими бесконечно малы.

В практике борьбы с шумом используются октавные полосы, то есть используется такой ряд среднегеометрических частот октавных полос: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Спектры представляются в виде таблиц или графиков.

Субъективное восприятие шума оценивается по кривым равной громкости.

Установлены следующие методы определения шумовых характеристик машин:

1) метод свободного звукового поля;

2) метод отражённого звукового поля (реверберационные камеры);

3) метод образцового источника шума;

4) метод измерения шумовых характеристик на расстоянии 1 м от наружного контура машины.

Методы борьбы с шумом.

Задачами акустического расчёта являются:

1) определение уровня звукового давления в расчётной точке, когда известен источник шума и его шумовые характеристики;

2) определение величины снижения шума;

3) разработка мероприятия по снижению шума до допустимой величины.

Для снижения шума могут быть применены следующие методы:

1) снижение шума в источнике;

2) изменение направленности излучения;

3) рациональная планировка предприятий и цехов, акустическая обработка помещений;

4) снижение шума на пути его распространения;

5) средства индивидуальной защиты от шума.

Измерение шума.

Измерение шума проводят с целью определения уровней звуковых давлений на рабочих местах и соответствия их санитарным нормам, а также для разработки и оценки эффективности различных шумоглушащих мероприятий.

Основным прибором для измерения шума является шумомер. В шумомере звук, воспринимаемый микрофоном, преобразуется в электрические колебания, которые усиливаются и затем, пройдя через корректирующие фильтры и выпрямитель, регистрируются стрелочным прибором.

Диапазон измеряемых суммарных уровней шума обычно составляет 30-130 дБ при частотных границах 31,5-8000 Гц.

Шумомеры имеют переключатель, позволяющий вести измерения по трем шкалам: А, В, С (или линейной шкале).

В шумомерах используют электродинамические и конденсаторные микрофоны.

Для определения спектров шума шумомер подключают к фильтрам и анализаторам.

В ряде случаев шум записывается на магнитофон (через шумомер) и затем в лабораторных условиях анализируется.

Измерение шума на рабочих местах промышленных предприятий производят на уровне уха работающего при включении не менее 2/3 установленного оборудования.

В настоящее время для измерений шума используют отечественные шумомеры Ш-70, прибор ИШВ в комплекте с октавными фильтрами. Для анализа шума применяют спектрометр С34.

Из зарубежных приборов хорошие характеристики имеют акустические комплекты фирм «RFT» и «Брюль и Къер».

Инфразвук.

Неслышимая человеком область колебаний. Обычно верхний границей инфразвуковой области считают частоты 16-25 Гц. Нижняя граница инфразвука не определена.

Инфразвук возникает в атмосфере, в лесу, на море (так называемый голос моря). Источником инфразвука является гром, взрывы, орудийные выстрелы, землетрясения.

Для инфразвука характерно малое поглощение. По этой причине инфразвуковые волны в воздухе, воде и в земной коре могут распространяться на очень большие расстояния. Это свойство инфразвука используется как предвестник стихийных бедствий, исследования свойств атмосферы и водной среды.

Защита от инфразвука представляет серьезную проблему.

Ультразвук.

Ультразвук находит широкое применение в металлообрабатывающей промышленности, машиностроении, металлургии. Частота применяемого ультразвука от 20 кГц до 1 МГц, мощность – до нескольких киловатт.

Ультразвук оказывает вредное воздействие на организм человека. У работающих с ультразвуковыми установками нередко наблюдаются функциональные нарушения нервной системы, изменения давления, состава и свойства крови. Часты жалобы на головные боли, быструю утомляемость, потерю слуховой чувствительности.

Ультразвук может действовать на человека, как через воздушную среду, так и через жидкую или твёрдую (контактное действие на руки).

Уровни звуковых давлений в диапазоне частот от 11 до 20 кГц не должны превышать соответственно 75-110 дБ, а общий уровень звукового давления в диапазоне частот 20-100 кГц не должен превышать 110 дБ.

Защита от действия ультразвука при воздушном облучении может быть обеспечена:

1) путем использования в оборудовании более высоких рабочих частот, для которых допустимые уровни звукового давления выше;

2) путем выполнения оборудования, излучающего ультразвук, в звукоизолирующем исполнении (типа кожухов); такие кожухи изготовляют из листовой стали или дюралюминия (толщиной 1 мм) с оклейкой резиной или рубероидом, а также из гетинакса (толщиной 5 мм); эластичные кожухи могут быть изготовлены из трех слоев резины общей толщиной 3-5 мм; применение кожухов, например, в установках для очистки деталей, дает снижение уровня ультразвука на 20-30 дБ в слышимом диапазоне частот и 60-80 дБ – в ультразвуковом;

3) путем устройства экранов, в том числе прозрачных, между оборудованием и работающим;

4) размещение ультразвуковых установок в специальных помещениях, выгородках или кабинах, если перечисленными выше мероприятиями невозможно получить необходимый эффект.

Защита от действия ультразвука при контактном облучении состоит в полном исключении непосредственного соприкосновения работающих с инструментом, жидкостью и изделиями, поскольку такое воздействие наиболее вредно.

Загрузка и выгрузка изделий должны производиться при выключенном источнике ультразвука. В тех случаях, когда выключение установки нежелательно, применяют специальные приспособления, например, изделия погружают в ванну в сетках, снабженных ручками с виброизолирующим покрытием (пористая резина, поролон).