СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ 10
ИССЛЕДОВАНИЯ
1.1 Краткое описание объектов исследования 10
1.2 Нормирование шума в кабинах транспортных машин 14
1.3 Характеристики шума в кабинах С ДМ 15
1.4 Анализ процессов шумообразования в кабинах СДМ 19
1.5 Обзор методов расчет шума в кабинах 24
1.6 Снижение шума в кабинах СДМ 28
1.7 Постановка задач исследования 30
ГЛАВА 2 РАСЧЁТ И ИССЛЕДОВАНИЯ ШУМА В КАБИНАХ 33
2.1 Общее описание процесса образования звукового поля в ка- 33
бинах
2.2 Допущения и границы расчетов 34
2.3 Описание расчётных схем 35
2.4 Разработка и описание математических моделей. 37
2.4.1 Расчёт вклада шума от точечного источника в простран-
стве (полупространство) 37
2.4.2. Расчёт вклада шума от плоского источника в простран- 40
стве
2.4.4. Расчёт вклада от мнимого источника звука 42
2.4.5. Расчёт вклада от линейного источника в пространстве 43
2.5. Теоретические исследования процессов шумообразования в
кабине 47
Выводы по главе 57
ГЛАВА 3 МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕН-
ТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 58
3.1 Определение характеристик шума в кабине 58
3.2 Определение звукопоглощающих свойств кабины 60
3.3 Определение звукоизолирующих свойств элементов ограж-
дения кабины 62
3.4 Определение собственных частот колебаний кабины и воз-
душного объема 63
3.4.1 Определение собственной частоты колебаний кабины 63
3.4.2 Определение собственных частот колебаний воздушного
объема кабины 64
3.5 Исследование звуковой вибрации 65
3.5.1. Корреляционный анализ шума в кабине со звуковой вибра-
65
Их
3.5.2. Исследование эффективности виброизоляторов кабины 66
3.5.3. Измерение уровней вибрации на панелях ограждения каби-
ны 66
3.6 Определение равномерности звукового поля в кабине 67
3.7 Описание установки и проведение измерений по разделе-
нию структурного и воздушного шума в кабине 67
3.7.1. Описание установки 67
3.7.2 Условия измерений 69
3.7.3. Проведение измерений 69
3.8 Измерительная аппаратура 70
3.9. Обработка результатов измерения 71
Выводы по главе 74
ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПРОЦЕССОВ Ц1УМООБРАЗОВА-
НИЯ В КАБИНАХ 75
4.1 Общие положения 75
4.2 Исследования акустических свойств кабины 75
4.2.1. Сравнительный анализ спектра внешнего шума со спек-
тром шума в кабине 75
4.2.2. Исследование звукопоглощения в кабине 77
4.2.3. Звукоизоляция элементов ограэ/сдения кабины 80
4.3. Исследования резонансов звука в кабине 82
4.3.1 Расчетное и экспериментальное определение собственных
частот воздушного объема кабины 82
4.3.2 Определение первых собственных частот колебания пане-
лей кабины 84
4.3.3 Анализ узкополосных спектров воздушного шума в кабине
при работе ДВС 86
4.4 Исследования характера звукового поля в кабине 90
4.5. Проверка точности расчётов шума в кабине 93
4.6. Экспериментальные поправки в расчёты в зависимости от
режимов работы 94
4.6.1 Общие положения 94
4.6.2 Шум в кабине при различных режимах работы кондицио-
нера 94
4.6.3 Шум в кабине при передвижении 97
4.6.4. Изменения шума в кабине при изменении нагрузки
99
4.6.5 Поправки в расчеты на режимы работы 102
Выводы по главе 103
3
ГЛАВА V ИССЛЕДОВАНИЕ ЗВУКОВОЙ ВИБРАЦИИ В КАБИ- 105
НЕ
5.1 Общие положения 105
5.2 Анализ спектров звуковой вибрации 105
5.3 Корреляционный анализ при одновременных измерениях 108
шума в кабине и вибрации элементов ее ограждения
5.4 Определение эффективности опытного шумозащитного 111
устройства
5.5. Снижение вклада воздушной составляющей в кабине при- 114
менением опытной шумозащиты
5.6. Экспериментальное определение переходной функции ме- 116
жду вкладом звуковой вибрации и шумом в кабине
Выводы по главе 118
ГЛАВА VI РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ, МЕТОДИКИ РАС- 120
ЧЁТА ШУМА И АПРОБАЦИЯ ЛОКАЛЬНОЙ КАБИНЫ
6.1. Измерения шума в опытной локальной кабине 120
6.2. Рекомендации по снижению шума в локальной кабине 124
6.3. Методика и пример расчёта шума в кабине 124
6.3.1. Методика рас чёта 124
6.3.2. Пример расчёта шума в кабине погрузчика Ь 90Г 125
Выводы по главе 129
Заключение 130
Список литературы 133
Приложение 1. Процесс измерения шума и вибрации 144
Приложение 2. Определение акустических характеристик источников шума 151
Приложение 3. Шум гусениц 162
Приложение 4. Звукоизоляция элементов ограждения кабины 164 Приложение 5. Исследование равномерности звукового поля 170
Приложение 6. Акт внедрения 177
СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ
СДМ - строительно-дорожные машины;
УЗ - уровень звука, дБА;
УЗД - уровень звукового давления, дБ;
ДВС - двигатель внутреннего сгорания;
ЗИ - звукоизоляция, дБ (дБА);
311 - звукопоглощение;
ИИШ - искусственный источник шума;
НИЗ - искусственный источник звука РТ - расчётная точка;
УЗМ - уровень звуковой мощности, дБ (дБА).
ч
5
ВВЕДЕНИЕ.
Защита от повышенного шума - важная экологическая и социальная проблема современной цивилизации. Повышенный шум вызывает разнообразные заболевания, снижает степень комфорта проживания, уменьшает производительность труда на рабочих местах. Защита от шума выполняется в источнике образования, на пути распространения и на рабочем месте. Самой распространенной мерой снижения шума на рабочем месте оператора, водителя и пр. является заключение работающего в защищенное от акустических воздействий замкнутое пространство -звукоизолирующую кабину. Такие устройства шумозащиты нашли широкое распространение; они устанавливаются на грузовых автомобилях, самолетах, строительно-дорожных машинах, тракторах, в цехах и т.д. Звукоизолирущие кабины, в зависимости от конструкции и расположения, могут снижать уровни акустических воздействий на величину до 25 дБА и обеспечивать на рабочих местах акустический комфорт.
Кабины по назначению можно отнести к двум типам: стационарные кабины управления и наблюдения, располагаемые в цехах и др. рабочих помещениях, и кабины управления, устанавливаемые на транспортных машинах. Кабины первого типа не особенно оіраничеиьі в размерах и представляют собой звукоизолированные помещения; кабины второго типа имеют ограничения по размерам и массе. Они предназначены для размещения, как правило, одного оператора, поэтому представляют собой звукоизолирующие системы небольшого объема (до 2-3 м3). Для малых кабин характерна меньшая плотность собственных частот колебаний и большая неоднородность звукового поля. Такая кабина представляет собой сложную систему шумозащиты, элементами которой звуковая энергия преобразуется или перераспределяется за счет отражения, поглощения, дифракции и излучения звука. В кабине возникает сложное звуковое поле, природа которого не до конца изучена.
6
Термин «звукоизолирующая кабина» принят в нормативно-технической литературе [115] для стационарных кабин, снижающих воздушный звук. На кабины транспортных, и в частности строительно дорожных машин, действует также вибрация, создаваемая силовой установкой, поэтому, наряду с воздушным шумом от внешних источников, в кабине возникает структурный звук от действия вибрации. Для снижения структурного звука в кабине применяется виброизоляция, поэтому правильнее было бы назвать их звуко-«виброизолирующие кабины», но для краткости ограничимся термином «звукоизолирующие», но предполагая в них всегда наличие виброизоляции.
В настоящее время в конструировании СДМ достигнут большой прогресс и на большинстве этих машин шум в кабине находится в диапазоне 70-80 дБА. Эти значения в основном соответствуют принятым в ЕС и нашей стране нормам (80 дБА), но здесь существует явное недоразумение. Принятая в нашей стране норма шума для водителей грузовиков составляет 70 дБА, а труд операторов современных СДМ требует не меньшей напряженности, внимания и пр. качеств, а также обработки акустической информации, что позволяет объективно повысить требования к акустическим характеристикам кабин. Западные фирмы-производители СДМ рассматривают фактор акустического состояния на рабочем месте как объективный показатель конкурентоспособности своей продукции, что подталкивает их к совершенствованию акустических качеств машин, в том числе, и кабин. Все необходимые элементы шумовиброзащиты кабин изучены хорошо и успешно применяются на практике, но сколько-нибудь заметного снижения шума в кабинах СДМ за последние полтора десятилетия не наблюдается. Это позволяет предположить, что процессы шумообразования в кабинах малых объёмов недостаточно изучены и это обстоятельство сдерживает прогресс в этой области.
Целью настоящей работы является изучение процессов
шумообразования в звукоизолирующих кабинах СДМ и снижение шума на
7
основе научно обоснованных методов анализа и рекомендаций по их усовершенствованию.
Научная новизна:
1. Предложены новые расчетные схемы, описывающие образование в кабине воздушного шума от пространственно ориентированных источников (линейных, точечных и плоских) звука.
2. Разработаны и экспериментально подтверждены формулы расчётов воздушного шума в кабине, учитывающие звуковую мощность и характер излучения источников, акустические свойства (звукопоглощение, звукоизоляцию) и геометрические размеры кабины и её элементов.
3. Впервые изучены особенности процессов поведения воздушной и структурной компоненты звука в зависимости от виброакустических свойств кабины.
4. Определён и апробирован новый метод экспериментального выделения компонент структурного и воздушного звука, позволяющий сформулировать новые методы оценки и прогнозирования уровня структурного шума.
Практическая полезность
1. Создано специальное оборудование, предназначенное выполнять выделение вклада воздушного и структурного звуков в акустическое поле кабин СДМ;
2. Разработаны рекомендации по проектированию локальных звукоизолирующих кабин в составе конструкции СДМ;
3. Разработана упрощённая экспериментально-теоретическая методика расчёта шума в звукоизолирующих кабинах СДМ.
Внедрение результатов работы было осуществлено для экскаватора ЭКГ 12 К фирмы «Картекс», Санкт-Петербург.
Апробация: результаты работы доложены на IV школе-семинаре «Новое
в теоретической и прикладной акустике» 21 ноября 2007 г. СПб., II
8
Всероссийской научно-практической конференции «Защита населения от повышенного шумового воздействия», 17-19 марта 2009 г. СПб., II Международном конгрессе ЕЬРГГ 2009 г., г. Тольятти, 19 сентября 2009 г., конференции Е1ЛЮ1УО№Е 2009, 26-28 октября 2009 ■ г., Эдинбург,
Шотландия.
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 8 работах; 4 работы выполнены в личном авторстве, доля автора в остальных от 40% до 70% в т.ч. одна работа в журнале по списку ВАК в личном авторстве - статья «Расчет ожидаемой шумности в кабинах при проектировании строительных машин», Безопасность жизнедеятельности, 2009, № 8, с. 35-40.
Автор приносит благодарность своим коллегам - сотрудникам кафедры «Экология и Безопасность жизнедеятельности» Балтийского государственного технического университета им. Д.Ф. Устинова.
9
ГЛАВА І. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.
1.1. Краткое описание объектов исследования.
Объектом исследования являются звукоизолирующие кабины, устанавливаемые на СДМ. В таких кабинах, как правило, располагается один оператор, осуществляющий управление машиной при передвижении (как транспортного средства) и при выполнении рабочих операций.
Из-за ограничений по весу и пространству кабины выполняются максимально небольших размеров и их объём, как правило, составляет от 1,7 до 2м3. (табл. 1.1).
Основные размеры некоторых кабин СДМ
Таблица 1.1.
№п/п Тип машины Размеры, м Объём, м3
1 Экскаватор 1*1,2*1,4 1,7
2 Погрузчик 1*1,3*1,4 1,8
3 Автогрейдер 1*1,4*1,4 2
Объём кабины - важный конструктивный показатель, связанный с процессами шумообразования. По волновой теории воздушный объём помещения представляет собой трёхмерную колебательную систему, обладающую спектром собственных частот [1, 2]. Чем меньше объём помещения, тем меньше плотность собственных частот и больше неоднородность звукового поля.
Общий вид расположения кабины на одной из исследуемых машин показан на рис. 1.1.
Кабины СДМ могут вплотную примыкать к капоту, в котором располагается основной источник шума - двигатель внутреннего сгорания (ДВС), а могут отделяться от капота воздушным промежутком. Это обстоятельство в немалой степени сказывается на образовании воздушной составляющей шума в кабине. Чем меньше источников шума подведено вплотную к кабине, тем шум в кабине
ю
меньше. Кабины, которые отделены от капота воздушным промежутком, условно названы нами локальными.
Рис. 1.1. Строительно-дорожная машина.
1-кабина, 2-капот, 3-рама, 4-ДВС (внутри), 5-воздушный промежуток Кабины устанавливаются на раму машины, на которой также установлены силовая установка и виброактивные рабочие органы - источники вибрации. Передаваемая на элементы кабины вибрация генерирует в кабине составляющую структурного звука.
Материалы для изготовления кабины, в основном, сталь, пластик и стекло. Кабина собирается из элементов с неодинаковыми материалами (дверь, пол, стекла, потолок), имеет большую площадь остекления (рис. 1.2), что снижает звукопоглощение внутри кабины [3-7].
її
Рис. 1.2. Вид кабины СДМ.
1-кабина; 2- остекление.
Особенности расположения кабины таковы, что звуковое поле на её внешних элементах распределено неравномерно (рис. 1.З.). Это обстоятельство усложняет её акустический расчёт и проектирование [54, 55].
б) о
Вид сверху
Рис. 1.3. Расчетная схема:
1 - кабина; 2 - впуск; 3 - капот для системы гидравлики; 4 - выпуск; 5 - капот ДВС; 6 - распределение звукового поля.
Все эти особенности конструкции кабины и её расположение в составе машины обуславливают наличие сложных акустических процессов, требующих специального изучения.
12
Для исследования выбирались машины с улучшенными акустическими характеристиками в кабине. Исследования процессов шумообразования проводились на экскаваторе «САТ 320 С», а сравнение результатов расчёта с экспериментом выполнялись на погрузчике Ь 90 Г «Уоіуо», а практическая апробация рекомендаций была выполнена на экскаваторе ЭКГ 12 К (табл. 1.2). Все машины имели кабины малых размеров.
Объекты исследования
Таблица 1.2
Тип и марка машины
Что выполнялось
Исследования
процессов
шумообразования
Volvo
Сравнение расчётов с экспериментом
Апробация
результатов
Экскаватор ЭКГ 12 К
Картекс
Вид машины
Экскаватор 320С
13
1.2. Нормирование шума в кабинах транспортных машин.
Повышенный шум оказывает на организм и его отдельные органы вредное действие. Под воздействием шума снижается слух (что может привести даже к глухоте), повышается кровяное давление, ухудшается качество перерабатываемой информации, возникают нервно-психичсскис расстройства и.др. Повышенный шум также заметно снижает производительность труда [8-13]. Так, известен эксперимент, согласно которому при работе экскаваторщика в шумонезащищённой кабине, производительность его труда снижалась на 12% [14].
Шум на рабочих местах нормируется и в нашей стране и за рубежом. Так, например, нормы шума в кабинах тракторов, принятые в Италии зависят от вида движителя и наличия кабины [15]:
- для колёсных тракторов с кабиной - 80дБА;
- для колёсных тракторов без кабины - 85дБА;
- для гусеничных тракторов с кабиной -90дБА.
Согласно директиве ЕС принято решение о введении с 2006г. для всех рабочих мест нормы шума равной 80дБА [16].
В нашей стране нормы шума на рабочих местах приняты документами [17-18]. Согласно СИ нормы шума на рабочих местах водителей и обслуживающего персонала тракторов, строительно-дорожных и др. машин составляет 80дБА (заметим, что такая норма была принята на 10 лет раньше, чем в ЕС). Кроме этого, на рабочих местах водителей и обслуживающего персонала грузовых автомобилей норма шума на 10 дБА жёстче и составляет 70дБА. Сравнивая условия труда водителей грузовых автомобилей и операторов строительно-дорожных машин отметим, что, например, по характеру работы и напряжённости труда, требованиям к качеству воспринимаемой и перерабатываемой информации, эти профессии близки друг к другу. Поэтому логично рассматривать в перспективе ужесточения норм для операторов СДМ на ЮдБА. Это не только облегчит условия труда операторов, но заметно увеличит производительность их труда. Поэтому с учётом
14
конкурентноспособности СДМ логичнее ориентироваться на перспективную норму шума в кабинах СДМ равную 70 дБ А.
В заключении, отметим, что в отечественных санитарных нормах шума на рабочих местах, наряду с уровнями звука (УЗ), нормируются предельнодопустимые уровни звукового давления (табл. 1.З.).
Норма шумы на рабочих местах водителей обслуживающего персонала [17]
Таблица 1.3
Рабочее место Уровни звукового давления, дБ, з октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц Эквивале итные УЗ. дБА
31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
Рабочие места водителей и обслу ж и вающего персонала СДМ 107 95 87 82 78 75 73 71 69 80
Рабочие места водителей грузовых автомобилей 100 87 79 72 68 65 63 61 59 70
Отечественные нормы по полноте нормируемых параметров и принятым жёстким допустимым значениям УЗ и УЗД - одни из самых прогрессивных в мире, но нуждаются в некоторых уточнениях, суть которых была изложена выше..
1.3. Характеристики шума в кабинах СДМ.
Акустические характеристики в кабинах являются объективным показателем уровня качества и комфорта СДМ.
Были проанализированы характеристики шума, измеренные на рабочих режимах 33 СДМ разных марок. Часть этой информации была получена из литературы [19-38], а часть автором в процессе выполнения настоящих исследований [39-40].
15
Данные об акустических характеристиках в кабинах СДМ приведены в табл.
1.4, а проанализированные данные о распределении УЗ показаны на рис. 1.4.
Шум в кабинах строительно-дорожных машин и тракторов
Таблица 1.4
Ms п/п Тип машины (марка) Фирма (страна -изготовитель) Уровень звука, дБА
1 2 3 4
1 Каток «Delmag», (Великобритания) 78
2 Многоцелевая машина «Ahlmann» 73
3 Трактор «Steyr» (Великобритания) 75
4 Трактор «Titan» «Titan» Польша 75
5 Погрузчик 960F «Caterpillar» 70
6 Погрузчик «О&К» (Германия) 67
7 Трактор «Fendt-Farmer» Италия 71
8 Автосамосвал «Caterpillar» 77
9 Погрузчик ZI.60LS «Zettelmeycr» 71
10 Погрузчик ZLE «Zeppelin» 68
11 Колесный погрузчик «О&К» (Германия) 67
12 Экскаватор UB355 «Nobas» 71
13 Экскаватор М318 «Caterpillar» 72 .
14 Экскаватор «О&К» (Германия) 72
15 Автогрейдер II «Caterpillar» 75
16 Поірузчик AL60 «Silent» «Ahlman» 74
17 Трактор «New Holland» серия L США 73
18 Трактор «New Holland» серия М США 73
19 Трактор 8870 «Ford» (США) 74
20 Трактор «John Deere» 76
21 Пофузчик ТЧ 1-25,5 (Германия) 74
16
t
- Київ+380960830922