Введение
Актуальность темы: Ускоренное развитие и внедрение научно-технических разработок в промышленности и агропромышленном комплексе (АПК) вывели проблему охраны труда в ряд важнейших общегосударственных задач. Защита работников от воздействия вредных производственных факторов является актуальной задачей охраны труда.
В соответствии со ст. 16 Федерального Закона от 17.07.99 г. № 181- ФЗ «Об основах охраны труда в Российской Федерации» машины, механизмы и другое производственное оборудование должны соответствовать требованиям охраны труда.
Процесс индустриализации сопровождается ростом шумоизлучения, составляющим приблизительно 5 дБА каждые 5-10 лет.
Результаты анализа аудиометрических исследований показывают, что при работе в течение 20 лет в условиях уровня звука 95 дБА уже через 10 лет около 10% работающих могут получить профессиональное повреждение слуха. Кроме этого, общая заболеваемость в производственных помещениях с шумными технологическими процессами на 25% выше, чем в малошумных.
Длительное воздействие шума снижает остроту слуха и зрения, повышает кровяное давление, утомляет центральную нервную систему, в результате чего ослабляется внимание, увеличивается количество ошибок в действиях работающих, что зачастую приводит к увеличению риска получения профессионального заболевания и может также явиться причиной несчастного случая.
К сожалению, в последние годы в связи с замедлением процесса обновления основных производственных фондов, наметилась неблагоприятная тенденция увеличения количества профессиональных заболеваний, причиной которых является несовершенство технологических процессов и износ оборудования, который на 2003 год, составляет в целом по промышленности порядка
6
80 %. Это в свою очередь приводит к повышению уровня шума машин и механизмов.
Вследствие этого предприятия с шумными технологическими процессами несут значительные экономические потери, вызываемые простоями оборудования из-за болезни или преждевременного ухода на пенсию персонала. Тенденция к росту социальных и экономических потерь сохраняется.
Снижение шума промышленного оборудования или на рабочих местах работающих сопровождается повышением производительности труда, уменьшением числа профзаболеваний.
Таким образом, проблема борьбы с шумом является актуальной и имеет большое научное и социально-экономическое значение.
Для снижения уровня шума в производственных помещениях разработано множество различных методов и способов защиты, выбор которых для практического применения определяется индивидуально, в каждом конкретном случае множеством факторов.
Наиболее универсальными и широко применяемыми на практике как самостоятельно, так и в комплексе с другими средствами и методами защиты от шума, является звукоизоляция, которая подразделяется на: ограждающие конструкции, звукоизолирующие кабины, пульты управления, кожухи и экраны. Экраны применяют для снижения уровня звукового давления на рабочих местах и в местах постоянного пребывания людей от источников шума, создающих уровни звукового давления в расчетных точках, превышающих допустимые не менее чем на 10 дБ и не более чем на 20 дБ, в области прямого звука.
Основной (наиболее часто используемой) конструкцией экранов является: твердый лист или щит из металла, дерева, фанеры, пластмассы, стекла, облицованный со стороны источника шума звукопоглощающим материалом толщиной не менее 50-60 мм.
Объектом и предметом исследования являются акустические экраны в традиционном исполнении и акустический экран с воздушным регулируемым
7
т промежутком, а также процесс шумооборазования в производственных поме-
щениях.
Цели и задачи исследования:
Улучшение условий труда работников АПК за счет применения системы шумозащиты на основе новых конструктивных решений, удовлетворяющих современным техническим, акустическим, санитарно- гигиеническим и противопожарным требованиям.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ профессиональной заболеваемости работников, работающих в шумных производствах.
2. Провести теоретические и экспериментальные исследования процесса шумообразования в производственных помещениях.
3. Провести сравнительный анализ акустических материалов, используе-# мых для борьбы с повышенным шумоизлучением в производственных помещениях.
4. Разработать инженерное решение, удовлетворяющее современным требованиям, предъявляемым к акустическим экранам.
5. Провести лабораторные исследования, промышленные испытания и, внедрения разработанного АЭ.
Практическая ценность результатов исследования:
Разработана конструкция переносного акустического экрана с использованием пеностекла для звукоизоляции машин и механизмов на предприятиях АПК. Предложенная конструкция отличается от существующих простотой, технологичностью и высокой эффективностью в снижении шума на пути распространения как в производственных помещенияхугак и на открытой местности. Предложен комбинированный метод расчета шумовых полей в производственных помещениях.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач, в ходе исследования, был использован системный подход, охватывающий методы обобщения и анализа факторов* шумных технологических процессов на производстве, аналитические исследования, методы математического моделирования, лабораторных и экспериментальных исследований.
Основные положения., выносимые на защиту:
1. Результаты аналитических и экспериментальных исследований акустических свойств пеностекла.
2. Оценка конструктивных и акустических параметров, влияющих на эффективность работы акустического экрана.
3. Разработанный переносной акустический экран с использованием пено-' стекла на рабочих местах в производственных помещениях.
4. Практические рекомендации в использовании высокоэффективных и экономически целесообразных средств защиты от шума в условиях с шумными технологическими процессами.
Научная новизна работы:
1. Усовершенствована методика расчета шумовых полей в производственных помещениях, отличающаяся тем, что позволяет рассчитать уровень звукового давления в любой точке помещения для модели направленно-рассеянного отражения, когда расчет энергии первых отражений производится' методом мнимых источников, а энергия всех последующих отражений оценивается на основе метода изображений.
2. Разработана и обоснована конструкция акустического экрана с воздушным регулируемым промежутком, что дает повышение эффективности экрана во всём диапазоне нормируемых частот.
3. Установлены новые закономерности распространения и поглощения звуковых волн акустическим экраном с регулируемым воздушным промежутком, которые используются при проектировании новых средств защиты от шума.
Апробация работы.
Основные результаты работы доложены и обсуждены:
На семинарах и конференциях кафедры «Безопасность жизнедеятельно-сти» Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова, ученом совете инженерного факультета Белгородской государственной сельскохозяйственной академии.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав основных разделов, списка литературы, приложений.
10
1. Современное состояние проблемы снижения шумового загрязнения производственной среды на предприятиях агропромышленного комплекса.
1.1. Анализ методик расчета шумовых полей в производственных помещениях и эффективности акустических экранов.
В настоящее время,благодаря научно обоснованным методам расчетов и > исследований., с достаточной точностью определено распространение звуко- \/ вых волн в закрытых помещениях и на открытом воздухе [1, 10, 33, 34, 41, 50, 56, 96, 97], снижение шума в помещениях и на открытой местности методами звукоизоляции и звукопоглощения [8, 10, 31, 74, 90].
До настоящего времени не существует единой теории, объясняющей все акустические процессы в помещениях и позволяющей с единых позиций ре- шать конкретные задачи оптимизации в помещениях разного назначения. В теоретических и практических расчетах применяют три существующих теории- статистической, волновой и геометрической [128].
В статистической теории акустические процессы в помещении рассматриваются как постепенный спад энергии многократно отраженных преградами помещения волн. Этот спад происходит после прекращения действия источника звука [50].
Метод, предложенный У.Сэбином, [95,96] основан на модели идеального помещения, в котором звуковое поле после прекращения действия звукового сигнала,может быть рассчитано на основе статистического рассмотрения процесса затухания звука.
При этом предполагается, что амплитуда и фазы отраженных звуковых волн распределены хаотически. Принятое допущение позволяет считать, что средние значения звуковой энергии по различным направлениям одинаковы, т.е. звуковое поле изотропно, и средняя по времени плотность звуковой энергии в любой точке помещения тоже одинакова. Такое звуковое поле называет-
11
ся диффузным. Его рассмотрение дало возможность пренебречь явлениями интерференции и применить при расчетах энергетическое суммирование. Этот подход подобен используемому в кинетической теории газов и основан на математической теории вероятности. Л. Бреховских [15] показал, что для помещений, линейные размеры которых велики по сравнению с длиной волны, получаются достаточно удовлетворительные результаты.
Пауль Сэбин - в 1929 г. заметил, что влажность воздуха в измерительной камере влияет на время реверберации на частотах более 2000 Гц [95].
Эрвин Майер обнаружил тот же эффект для частот выше 3,2 кГц [86]. Более точное исследование этого явления было сделано в 1931 г. Верном Кнуд-сеном. Он определил, что поглощение звука в сухом воздухе больше, чем во влажном, и на верхних звуковых частотах больше, чем на нижних. При относительной влажности 100 % поглощение звука в воздухе сильно увеличивается для всех частот.
В статистической теории отзвук рассматривается как затухание последовательного ряда отраженных звуковых импульсов, излученных источниками звука.
Акустику помещений с позиции волновых колебательных процессов анализировал Дж. В. Стретт, Бейль, Курант, Шустер и Ветцман, Кнудсен, Морз, Болж и другие [1]. Среди разработчиков волновой теории в нашей стране следует в первую очередь назвать И.Г.Дрейзена, В.В. Фурдуева, [42, 95, 96, 97].
Идеи, положенные в основу волновой теории, были впервые высказаны Дж. В. Стреттом. В «Основах акустики», изданных впервые в 1877 г., приводится необходимый математический аппарат, причем со ссылкой на решение волнового уравнения для трехмерного пространства.
Большинство исследователей полагают, что волновая теория основана на анализе действия объемных электромагнитных резонаторов [1, 126]. Действительно, в обеих теориях есть много общего, включая расчетные соотношения.
Из волновой теории вытекает, что помещения простой правильной геометрической формы менее удовлетворяют условию диффузности поля, чем
12
помещения сложной геометрической формы и с непараллельными стенами, косо поставленными плоскостями или выпуклыми поверхностями.
Принципиальное различие подходов к объяснению акустических процессов статистической и волновой теориями заключается в том, что в одном случае процесс отзвука рассматривается с помощью теории вероятности и усред-ненно, а в другом с волновых позиций определяются отклонения фактического хода процесса от «среднего».
При уменьшении длины волны волновые законы приближаются к законам геометрической оптики. Точно также, в помещениях ?размеры которых весьма велики по сравнению с длиной волны, можно пользоваться законами геометрической оптики, строить пути звуковых лучей, находить точки фокусов, определять запаздывание начальных отражений, т.е. использовать весь арсенал геометрической теории [34, 1, 42, 51, 112].
Геометрическая (лучевая) теория акустических процессов в помещениях основана на законах геометрической оптики. Движение звуковых волн рассматривают подобно движению световых лучей. В соответствии с законами геометрической оптики при отражении от зеркальных поверхностей угол отражения равен углу падения, и падающий и отраженный лучи лежат в одной плоскости. Это справедливо, если размеры отражающих поверхностей много больше длины волны, а размеры неровностей поверхностей много меньше длины волны.
Геометрическая теория более приложима к анализу акустических процессов в помещениях больших размеров.
Статистическая и волновая теории особенно применимы к помещениями сравнительно малых размеров.
Вопросам снижения шума на производстве и в быту придается большое значение.
Звукоизоляция - один из эффективных способов борьбы с шумом, которому в нашей стране и за рубежом посвящено большое число исследований. Значительный вклад в развитие этой области науки внесли советские ученые
13
*¦ И.И. Боголепов, В.И. Заборов, Н.Н. Исакович, И.И. Клкжин, Л.М. Лямшев,
А.С. Никифоров, Г.Л. Осипов, М.С. Седов, Л.П. Борисов, Д.Р. Гужас и др. Среди зарубежных авторов следует отметить фундаментальные работы Л. Бе-ранека, Л Кремера, Е. Майера, К. Вестпфаля, М. Хекля.
Однако, с одной стороны, накоплен значительный экспериментальный материал, на основании которого получен ряд эмпирических зависимостей звукоизоляции от частоты и других параметров, которые ее определяют.
С другой стороны, решены многие задачи по звукоизоляции, представляющие интерес для практики, но ввиду громоздкости полученных результатов они остались известными лишь узкому кругу специалистов. Практически ими не пользуются. Примером может служить использование однородной пластины. Если звукоизоляция тонкими пластинами рассматривается почти во всех обзорных работах, то о применении толстой пластины, упоминается вскользь.
С помощью звукоизолирующих преград легко снизить уровень шума на 30-40 дБ.
В работах Л.П. Борисова, Д.Р. Гужаса, Л.М. Лямшева, М.С. Седова, Л.П. Тимофеенко, И.И. Клюкина т др. [8, 10, 47, 94] исследованы процессы звукоизоляции однослойными плоскими пластинами, двухслойными и многослойными конструкциями, рассмотрены вопросы звукоизоляции цилиндрическими оболочками, кожухами, кабинами и экранами.
Одним из методов снижения шума как на открытой местности, так и в производственных помещениях является метод экранирования, использующий методы звукоизоляции и звукопоглощения.
Метод экранирования применяется, в первую очередь, в больших шумных помещениях со свободной планировкой технологических участков, где другие методы снижения шума (звукоизоляция, звукопоглощение, демпфирование) малоэффективны или неприемлемы с технико- экономической точки зрения. Использование акустических экранов и выгородок в шумных производственных помещениях целесообразно в том случае, когда уровень звукового давле-
14
ния прямого звука от ближайшего источника шума намного выше, чем уровни, создаваемые в той же точке соседними источниками шума или отраженным звуком [8, 86, 33, 72, 100, 109, 129].
Наиболее распространенным материалом для изготовления экранов являются стальные или алюминиевые листы толщиной 1...3.мм, покрытые слоем минеральной ваты толщиной 50-60 мм и перфорированным листом (сеткой) [101, 108].
Пористая звукоизолирующая облицовка на экранах при наличии запыленности в цехе требует периодической очистки от пыли, поскольку снижение коэффициента звукопоглощения облицовки уменьшает эффективность экрана. Такого недостатка лишен нгумозащитный экран, звукопоглощение в котором осуществляется резонирующими полостями, размещенными на пластинах со стороны источника шума [71, 74, 108, 109].
Экран включает основание, звукопоглощающие элементы в форме полых полуцилиндров с отверстиями, прикрепленные к основанию и расположенные параллельными рядами. Полуцилиндры выполнены с диафрагмами, расположенными перпендикулярно к их продольной оси, причем диаметры элементов смежных рядов выполнены переменными, увеличивающимися по высоте пластины. Плоские пластины основания выполняются преимущественно из плотного материала типа бетона и жестко соединены между собой опорными стойками. Полости элементов разделены диафрагмами, устанавливаемыми перпендикулярно к продольной оси элементов, на расстоянии, соизмеримом с половиной длины волны экранируемого звука.
В зависимости от спектральных характеристик источника шума и его габаритных размеров высота пластин и количество параллельных рядов звукопоглощающих элементов варьируются в широких пределах.
В работах [8, 13, 101, 108] авторы предлагают экраны в виде подъемных кулис или плотного занавеса, опускаемого при необходимости. Такие экраны целесообразно применять, если в шумном помещении установка экрана на пол затруднена по технологическим причинам.
15
Л.П. Тимофеенко [108] предлагает легкий инвентарный экран в сочетании с объемными звукопоглотителями, размещаемыми в фокусе вогнутых экранов. Такое устройство для снижения шума включает отражающие звук экраны, выполненные в виде вогнутых относительно источника шума пневматически напряженных линз с внутренними ребрами жесткости.
Звукопоглотитель, например, в виде конусообразного тела вращения, размещен в фокусе отражающих элементов. Заданная форма линзы образуется в результате наполнения её воздухом или каким-либо газом. Звукопоглотитель, размещенный в фокусе линз, где концентрируется звуковая энергия, работает в этом случае наиболее эффективно.
Практика показывает, что брезентовые шторы обеспечивают снижение звука на 1-2 дБА, а экран, изготовленный из обычной отработанной конвейерной ленты, позволяет снизить шум на 10 дБА [108].
В зарубежной практике получили распространение переносные занавеси из легкого материала. Например, фирмой «Треллеборг» (Швеция) изготавливаются пленки из специальной резины размером 1x10 м, толщиной 2,5 мм. Эффективность звукопоглощения и звукоотражения зависит от их массы. Наибольший эффект достигается при плотности пленок не менее 2,8 кг/м3 [108].
Применяются также гибкие многослойные пленки. Так фирмой «Бастабел Эвиэйшен Продакс» (Великобритания) выпускаются занавеси для поглощения звука, изготовленные из освинцованной виниловой пленки в сочетании с звукопоглощающим пенопластом. Эти занавеси отличаются долговечностью, устойчивостью к огню и воздействию химических веществ. Степень поглощения шума зависит от материала занавесей и достигает 32 дБА на частоте 2000 Гц. Покрытие занавеса с одной стороны слоем вспененного материала дополнительно увеличивает коэффициент поглощения звука на этой частоте [74, 108].
Акустическую эффективность экрана, равную снижению уровня звукового давления в расчетной точке в условиях открытого пространства от К-то источника шума после установки экрана определяют по формуле [104,108]:
16
Мэкр =10- lg(l 0"A^№ +1(Г ^ +1 (Г*^ ) (1.1)
где: Alg^p акустическая эффективность экрана бесконечной протяженности в плане;
А1э/а> и AZ^cp - акустическая эффективность экрана бесконечной высоты; М'жр » &L"kp и ЬЬ'экр - определяются из рис. 1.1 [13] в зависимости от кратчайшего расстояния от поверхности К-ото источника шума до верхней и боковых границ экрана, от верхней и боковых границ экрана до расчетной точки и от расчетной точки до поверхности К-ого источника и элементов его поверхности.
111 ЛП
Рис. 1.1 Акустическая эффективность экрана
При установке экрана в помещении его эффективность снижается из-за появления поля отраженного от ограждающих поверхностей звука.
Снижение уровня звукового давления в расчетной точке помещения в этом случае по данным [13]:
где гк - расстояние от акустического центра к-ого источника шума до расчетной точки, м;
В и Вх - постоянные помещения соответственно до и после установки экрана.
17
Для оценки среднего по частоте снижения уровня звукового давления эк-" ранами при определенных соотношениях их высоты h к высоте помещения Н и различных способах установки звукопоглощающей облицовки представлены в работе [13] (прил.1). Приведенные значения получены при коэффициенте звукопоглощения акустически необработанных поверхностей помещения апов = °>5 и коэффициенте звукопоглощения облицовки а0БЛ = 0,9. Облицовка расположена со стороны источника шума.
Приближенный расчет эффективности сводится к расчету характеристики экрана-величины Кэ, которая зависит от размеров экрана, его расположения и частоты спектра шума.
При более точном расчете учитывается постоянная помещения и звукопоглощающие свойства облицовки. В этом случае выбор размеров и расчет выполняют согласно [104] по формуле:
AL = 101g-
20 .од.^-дх^) + 4-^2
B 1& ) (1.4)
где Lo - октавный уровень звукового давления в дБ в расчетной точке от источника шума, для которого предусматривается установка экрана;
LPo - октавный уровень звуковой мощности источника шума в дБ, для которого предусматривается установка экрана;
LPl - октавный уровень звуковой мощности в дБ каждого из источников шума в помещении;
В- постоянная помещения в м2;
-^-постоянная помещения в м2 после установки в нем звукопоглощающих конструкций и экранов;
А^экр - снижение экраном октавного уровня звукового давления в дБ в расчетной точке за экраном; |
