Акустика — одна из самых древнейших областей знания, акустика — это наука о звуке. Она зародилась как музыкальная, основателями которой были великий греческий математик Пифагор и великий греческий философ Аристотель. Но по мере развития и усложнения цивилизации границы акустики расширялись, предметом акустики стали распространение звуковых волн в различных средах, речь, генерация звука источниками и пр. В её развитии приняли участие великие и выдающиеся учёные: Леонардо да Винчи, Г. Галилей, Р. Гук, И. Ньютон, О. Френель, Г. Юнг, Г. Гельмгольц, Дж. Рэлей, У. Сэбин, Г. Бэлл, Ш. Эдисон, Дж. Лайтхилл, Л. М. Бреховских и др. В начале XX века появился новый раздел акустики — виброакустика — наука о борьбе с шумом. Шум — настоящее бедствие машинной цивилизации. Шум — чума XX века, как образно выразился великий учёный Л. Пастер. Под действием повышенного шума к началу XXI столетия находится каждый второй житель Земли, шум — причина многих заболеваний и дискомфорта в городах. Проблема защиты от шума — важная научная и практическая проблема, в решении которой заняты сотни тысяч человек, решению этой проблемы посвятили свои труды выдающиеся учёные И. И. Клюкин, Е. Я. Юдин, Г. Л. Осипов, М. С. Седов, Б. Д. Тартаковский, В. И. Заборов, А. С. Никифоров, В. Т. Ляпунов,.
A.Г. Мунин, Л. Л. Мясников, сэр Дж. Лайтхилл, М. Крокер, Л. Беранек, М. Хекл, 3. Маекава, У. Куртце, Е. Скучик, Э. Л. Мышинский, Ю. П. Щевьев,.
B.Ю. Кирпичников, Ю. А. Круглов, К. В. Фролов и др.
Проблема борьбы с шумом становится всё более актуальной. В новых условиях развития рыночных отношений обязанность каждого производителя продукции, создающей шум, предпринять эффективные меры по его снижению в соответствии с действующими нормами. Это является обязательным требованием глобального рынка по обеспечению совместимости новой продукции с требованием защиты окружающей среды и обеспечения безопасности работающих.
Основными источниками шума являются средства транспорта (в основном автомобили), силовые установки, системы вентиляции, электрифицированный инструмент и т. д. Одним из наиболее распространённых источников являются также и строительно-дорожные машины, в обслуживании которых заняты сотни тысяч человек. Строительно-дорожные машины (СДМ) заняты в многочисленных видах работ в городах и населённых пунктах (прокладка дорог и коммуникаций, сооружение зданий, выполнение работ по благоустройству и т. д.), где они являются заметным источником акустического загрязнения. Таким образом, проблема защиты от шума СДМ имеет двойственный характер — это проблема защиты обслуживающего персонала (операторов) СДМ и проблема снижения шума от работающих машин в окружающей среде.
Шум в кабинах СДМ и в окружающей среде зависит от типа машин, интенсивности её источников, характера выполняемой работы, года выпуска и т. д. Уровни звука на рабочих местах операторов СДМ, эксплуатирующихся в нашей стране в основном лежат в диапазоне 75−90 дБА (при норме 80 дБА), что говорит об актуальности снижения шума. Внешний шум машин характеризуется уровнями 80−95 дБА (на расстоянии 7,5 м) при норме шума в жилой застройке 55 дБА (в дневное время), и 45 дБА (в ночное время), что не позволяет использовать большинство СДМ для работы в городах ночью, а в дневное время вводить определённые ограничения.
В области виброакустики СДМ ведутся исследования, сложились научные школы, среди которых наибольшую известность имеет школа под руководством д.т.н. проф. Н. И. Иванова. Вопросами шумозащиты на СДМ (и близких к ним типах машин) посвятили исследования Г. М. Курцев, Л. Ф. Дроздова, В. Я. Балакирев, В. И. Поварков, Д. А. Куклин, В. М. Куликов, Ю. Ф. Устинов, В. Ю. Кирпичников, В. А. Казаков и др. Большую работу по снижению шума СДМ ведут известные фирмы «Caterpillar», «Komatsu», «Volvo» и др. Основное направление работ здесь — разработки шумозащиты путем проведения специальных экспериментов без глубоких научных обобщений акустических процессов.
В последние 30−40 лет наблюдается тенденция ужесточения норм шума в т. ч. и на СДМ. Так норма внешнего шума СДМ ужесточилась на 10−12 дБА (за рубежом), а норма шума на рабочих местах на 5 дБА (в нашей стране). Ужесточение норм шума, появление новых строительных технологий, увеличение производительности и мощности СДМ потребовало выполнения новых исследований в области борьбы с шумом, в том числе уточнения методов расчёта ожидаёЧюй шумности, разработки методов разделения вклада источников шума, разработки новых и уточнения имеющихся расчётных схем и математических моделей шумообразования, широкой проверки получаемых результатов на разнообразных типах машин, разработки и апробации новых средств шумозащиты. Заметим, что если раньше, когда шум СДМ отличался более высокими уровнями, шумо-защита могла быть выполнена, минуя научные исследования (интуитивно, по образцам менее шумных машин и т. д.), то в настоящее время, когда идёт массовое снижение шума СДМ, шумозащита для менее шумных машин зачастую не может быть осуществлена без проведения специальных исследований. Это объясняется сложностью процессов шумообразования, когда вклад различных источников в процессы шумообразования становится близким друг к друг у и выявить один источник на фоне других (для снижения его вклада) представляется весьма затруднительным.
Цель работы: развитие научных основ оценки процессов шумообразования и снижения шума на СДМ различных типов.
Научная новизна:
1. Разработка комплекса расчётных схем и математических моделей шумообразования на СДМ различных типов.
2. Разработка расчетного метода определения вклада различных источников в процессы образования внутреннего и внешнего звуковых полей СДМ.
3. Разработка метода расчёта эффективности и выбора ограждающих конструкций СДМ.
4. Классификация СДМ и источников шума по степени шумности и процессам шумообразования.
5. Разработка теоретических положений генерации шума при взрывном источнике возмущения.
Практическая полезность:
1. Получены акустические характеристики основных типов СДМ и их источников.
2. Разработаны рекомендации по снижению шума СДМ.
3. Установлена связь акустических характеристик ограждающих конструкций с их конструктивным исполнением.
4. Разработаны ограждающие конструкции шумозащиты рабочих органов СДМ.
5. Определены параметры вклада источников воздушного шума для основных типов СДМ во внешнее и внутреннее звуковые поля.
6. Определены параметры вклада звуковой вибрации во внутренние поля исследуемых СДМ.
7. Получены практические результаты снижения шума на СДМ на основании предложенных рекомендаций.
Внедрение результатов исследования: в научно технической документации, при разработке конструкций СДМ известной зарубежной фирмы, на отдельных типах СДМ.
Апробация работы: Материалы диссертации доложены: в лаборатории борьбы с шумом и вибрацией ИГД им. А. А. Скочинского (г. Люберцы, 1985 г.), в научно-исследовательской группе № 2 Военно-инженерной академии им. В. В. Куйбышева (г. Москва, 1985 г.), на научно техническом семинаре Северо-Кавказского научного центра высшей школы (г. Новочеркасск, 1985 г.), на заседании кафедры охраны труда Ленинградского механического института (г. Ленинград, 1986 г.), на секции учёного совета ЦНИИПОДЗЕММАШ (г. Москва, 1987 г.), на семинаре «Борьба с шумом и звуковой вибрацией» научного совета по акустике АН СССР (г. Москва,.
1987 г.), секции научно-технического совета Государственного Макеевского научно-исследовательского института по безопасности работ в горной промышленности (г. Макеевка, 1987 г.), научно-техническом семинаре по борьбе с шумом и вибрацией в строительстве (Ленинград, 1989 г.), научно-практической конференции «Акустическая экология-90» (Ленинград 1990 г.), заседание семинара № 7 «Научные и технические проблемы в области экологии» второй Петербургской международной конференции «Научные и технологические парки» (Санкт-Петербург, 1991 г.), научно-практической конференции «Промышленная экология-97» (Санкт-Петербург, 1997 г.), четвёртой Всероссийской научно-практической конференции «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1999 г.), Первой, Второй, Третьей Всероссийских школах семинарах «Новое в теоретической и прикладной акустике» (Санкт-Петербург, 2001, 2002, 2003 гг.), The 4th International Symposium «Transport Noise-2002» (St. Petersburg, 2002), the 9th International Congresses on Sound and Vibration (USA, 2002), 10th International Congresses on Sound and Vibration (Sweden, 2003), 11th International Congresses on Sound and Vibration (Russia, 2004) and 12th International Congresses on Sound and Vibration (Portugal, 2005), Второй Международной научно-технической конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов ELPIT 2005» (Тольятти, 2005 г), заседаниях кафедры «Экология и БЖД» БГТУ «ВОЕНМЕХ» (Санкт-Петербург, 2002, 2003, 2004 и 2005 гг.), научно-практической конференции с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» (Санкт-Петербург, 2006 г).
По теме диссертации опубликовано 43 печатных работы, в том числе монография объёмом 7 п.л. и получено 1 авторское свидетельство.
На защиту выносятся:
— расчётные акустические модели внутреннего и внешнего звуковых полей СДМ;
— математическое описание образования внутреннего и внешнего звуковых полей для различных расчётных схем СДМ, в т. ч. СДМ со взрывным источником;
— расчетные методы определения вклада источников воздушного шума основных типов СДМ;
— классификации акустических характеристик и источников шума СДМ;
— выполнение расчётов по определению вклада источников шума во внутреннее и внешнее звуковые поля основных типов СДМ;
— определение акустических характеристик источников шума основных типов СДМ;
— определение акустических характеристик основных конструкций шу-мозащиты СДМ;
— разработка рекомендаций по снижению шума различных типов СДМ;
— разработка ограждающих шумозащитных консгрукций и исследование их эффективности на СДМ различных типов.
Автор выражает признательность научному консультанту проф. Н. И. Иванову за консультации и неизменную поддержку, моим коллегам Г. М. Курцеву, Д. А. Куклину, A.M. Вельбелю и сотрудникам кафедры «Экология и БЖД» БГТУ «ВОЕНМЕХ» за помощь в работе.
Выводы по главе.
1. На основании выполненных исследований разработаны общие рекомендации по снижению внешнего и внутреннего шума на строительно-дорожных машинах. Внешний шум: применение ограждающих конструкций на рабочие органы, увеличение звукоизоляции капота, применение звукопоглощения, ликвидация открытого проема в нижней части капота, уменьшение шума вентилятора. Снижение шума в кабине: увеличение звукоизоляции пола и перегородки между капотом и кабиной, увеличение эффективности глушителей шума выпуска ДВС, применение звукопоглощения в кабине и под капотом. Наибольший эффект достигается применением звукоизоляции и звукопоглощения в звукоизолирующих кабинах, звукоизолирующих капотах, звукоизолирующих ограждающих конструкциях на рабочие органы.
2. Получены характеристики звукопоглощения в замкнутых конструкциях: значение коэффициента звукопоглощения кабин на низких частотах 0,07−0,13, на высоких — 0,2−0,25- капотов соответственно 0,07−0,15 и 0,2−0,25, при этом с увеличением частоты значения коэффициента звукопоглощения монотонно возрастают. При увеличении звукопоглощения в 1,5−2 раза может быть достигнута добавочная эффективность 2−4 дБ в среднечастотном диапазоне.
3. Получены значения звукоизоляции элементов ограждения кабин и капотов. Элементы ограждения кабин обладают высокой звукоизоляцией (за очень небольшим исключением), звукоизоляция панелей достигает 35−45 дБ на высоких частотах, а приведенная звукоизоляция кабин достигает 20−40 дБ в диапазоне 63−8000 Гц для всех исследованных кабин. Звукоизоляция ограждений капотов и их приведенная звукоизоляция существенно ниже, чем кабин и не превышает 10−20 дБ в том же частотном диапазоне. Увеличение приведенной звукоизоляции капотов и кабин лежит на пути выявления «слабых» элементов и повышения их звукоизоляции.
4. Выполнены испытания ограждающих конструкций плоской, замкнутой, Ги П-образной форм из различных материалов. Испытания замкнутых конструкций из различных материалов показали, что эффективность ограждений, начиная с октавной полосы 125 Гц, составляет: для брезентовых ограждений — 2−10 дБ (10 дБ А), для ограждений из звукопоглощающих матов — 7−18 дБ (15 дБА), для металлических ограждений — 2−16 дБ (14 дБА) и для металлических ограждений со звукопоглощением — 5−18 дБ (18 дБ А).
При удвоении площади звукопоглощения П-образных ограждений эффективность ограждения возрастает на 4−5 дБА (3−6 дБ в диапазоне частот 500−8000Гц). Изменение формы ограждения от плоской и далее к Г-образной, П-образной и замкнутой обеспечивает соответственно эффективность: 11, 13, 15 и 16дБА.
5. Проверка и внедрение разработанных рекомендаций были выполнены на взрывогенераторной установке, баровой грунторезной и сваебойной машинах, а также на дизель-молоте. В основном шумо-защита осуществлялась звукоизолирующими ограждениями различного конструктивного исполнения (плоские акустические экраны, кожухи, пространственные звукоизолирующие ограждения). Применением этих конструкций удалось заметно (от 10 до 20 дБА) снизить шум как на рабочих местах, так и в окружающей среде. Конструкции шумозащиты технологичны, просты в изготовлении и приняты для внедрения.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
1. Исследованы акустические характеристики 33 строительно-дорожных машин различного назначения и конструктивного исполнения. Получены гистограммы распределения УЗ исследованных машин: наружный шум почти 40% машин не превышает 80 дБ А, 40% машин имеют характеристики 81−90 дБ Ашум в кабинах и на рабочих местах более 20% машин превышает 90 дБА, шум почти 60% находится в диапазоне 75−90 дБА.
2. Разработана классификация строительно-дорожных машин по степени их шумностивсе машины разбиты на 9 классов от акустически комфортных машин (шум в кабине до 60 дБА, а внешний до 70 дБА) до невыносимо шумных машин (свыше 105 и свыше 110 дБА).
Получено, что около 80% исследованных машин по степени шумности относятся к I-VI классам шумностимашины классов шумности IV-IX имеют шумовиброактивные органы.
3. Выполнены исследования основных источников шума, а также особенностей процессов шумообразования в источнике. Разработана классификация источников по степени их шумности (I-VI классы) и по функционально-конструктивному исполнению ИШ (I-II1 группы). Исследование процессов шумообразования, а также полученные характеристики спектров шума основных источников (средне-высокочастотные) позволяют рекомендовать в качестве основной меры по снижению шума на строительно-дорожных машинах — установку звукоизолирующих ограждений.
4. Выполнены исследования особенностей шумообразования на взрывогенераторной установке. Из физических соображений обосновано отсутствие затухающих пульсаций облака взрывных газов около г = гкр и их дальнейшее расширение при г > rhp. Предложена струйная модель движения газов при г > гкр на основании которой доказана определяющая роль закономерностей турбулентного смешения воздуха и газов на движение последних и получена количественная оценка звуковой мощности, излученной зоной смешения: Lm= 127.153 дБ. Получены аналитические выражения для расчета октавных и интегральных уровней давления последовательности УВ, доказана их независимость от частоты взрывов. Предложена полуэмпирическая формула для расчета приведенного радиуса заряда ЖВС, предложен метод акустического контроля качества взрывов, обоснована возможность проведения достоверных измерений шума обычным шумомером (на высокой взрывной частоте).
5. Разработаны основные расчетные схемы для внешнего и внутреннего звуковых полей, получены математические модели, описывающие образование внешнего и внутреннего звуковых полей с учётом акустической мощности источников, расстояния от источника до расчётной точки, акустических свойств и характера звукового поля замкнутого объёма, из которого излучается звукзвукоизоляции, площади ограждающих панелей и их ориентации в пространстве, расположения источника звука, звукопоглощения отражающей поверхностизвукопоглощающих свойств и геометрических размеров капота и кабины, расстояния от источника до кабиныдифракционных свойств кабины, размеров излучателей звука, расположения источника в пространстве, звукопоглощающих свойств ограждающих конструкций и дифракции звука через их элементы. Полученные выражения стали основой для совершенствования методов расчета шума, которые были выполнены для 12 типов строительно-дорожных машин различного конструктивного исполнения.
6. С использованием современной нормативно-методической документации (ГОСТы, стандарты ИСО) были разработаны методики по определению внешнего и внутреннего шума испытываемых машин, определению акустических характеристик источников шума в натурных условиях, а также характеристик звукопоглощения замкнутых объемов и звукоизоляции элементов ограждений в натурных условияхразработан стенд для испытания ограждающих конструкций различных размеров, формы и конструктивного исполнения с использованием искусственного источника шума.
Для обработки результатов измерений использованы стандартные методикипогрешность измерения акустических характеристик шума машин не превышает 1−2 дБА (при доверительной вероятности 0,95) — погрешность определения эффективности шумоза-щитных конструкций при доверительной вероятности 0,68, при числе измерений п = 3 не превышает 2−4 дБА.
7. Реализация результатов научных исследований выполнялась путем расчетов образования звуковых полей. Расчеты по вкладу источников во внешнее и внутреннее звуковые поля, а также расчеты вклада звуковой вибрации в процессы шумообразования в кабинах методом конечных элементов были выполнены на примере 6-ти типов строительно-дорожных машин (бульдозер, погрузчик, погрузчик-экскаватор, автогрейдер, виброкаток и спецназначения). На примере исследованных машин показаны преимущества разработанного метода, позволяющего выделить превалирующие источники, а также разработать научно обоснованные мероприятия по шумозащите.
8. Выполнена проверка разработанного метода расчета, которая показала, что в кабинах и во внешнем звуковом поле в диапазоне частот ль 63 Гц до 8000 Гц отклонение рассчитанных УЗД от экспериментальных в основном не превышает ±4 дБ, а УЗ — 3 дБА.
9. На основании выполненных исследований разработаны общие рекомендации по снижению внешнего и внутреннего шума на строительно-дорожных машинах. Внешний шум: применение ограждающих конструкций на рабочие органы, увеличение звукоизоляции капота, применение звукопоглощения, ликвидация открытого проема в нижней части капота, уменьшение шума вентилятора. Снижение шума в кабине: увеличение звукоизоляции пола и перегородки между капотом и кабиной, увеличение эффективности глушителей шума выпуска ДВС, применение звукопоглощения в кабине и под капотом. Наибольший эффект достигается применением звукоизоляции и звукопоглощения в звукоизолирующих кабинах, звукоизолирующих капотах, установкой ЗИ ограждающих конструкций на РО, вибропоглощающих покрытий на панелях кабины ВГ установки.
10. Выполнены исследования акустических свойств основных штатных ограждающих конструкций шумозащиты СДМ: получены значения звукопоглощения и звукоизоляции звукоизолирующих капотов и кабин, показаны пути их совершенствования и возможный эффект шумоглушения.
11. Выполнены исследования эффективности шумозащиты ограждающих конструкций на ШВА рабочих органах, определена связь акустической эффективности этих конструкций с их материалом, формой и размерами.
12. Проверка и внедрение разработанных рекомендаций были выполнены на взрывогенераторной установке, баровой грунторезной и сваебойной машинах, а также на дизель-молоте. В основном шу-мозащита осуществлялась ЗИ ограждениями различного конструктивного исполнения (плоские акустические экраны, кожухи, пространственные звукоизолирующие ограждения, модернизированные панели кабины). Применением этих конструкций удалось заметно (от 10 до 20 дБА) снизить шум, как на рабочих местах, так и в окружающей среде. Конструкции шумозащиты технологичны, просты в изготовлении и приняты для внедрения заводом-изготовителем, фирмой-производителем СДМ, мостоотрядом МО-19.
