Тема 5. Вібрації, шуми та методи вимірювання їх параметрів

 

Вид заняття: лекція

Час: 2 години

 

Навчальні питання:

1. Вібрації.

2. Шуми.

 

 

 

Література

 

1. Посудін Ю.І. Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища.- К.: Світ, 2003.- 288 с.

2. Посудін Ю.І. Фізика і біофізика навколишнього середовища.- К.: Світ, 2000.- 303 с.

3. Ситник К.М., Брайон А.В., Гордецкий A.P., Брайон А.П. Словарь-справочник по экологии. - К.: Наукова думка, 1994. - 665 с.

4. Иванов В.И. Курс дозиметрии. – М.: Энергоиздат, 1988. - 399 с.

 

1. Вібрації

 

1.1. Оцінка вібрацій

Вібрації (від лат. vibratio «коливання») - механічні коливання матеріальних систем, що відбуваються з великою (більше одного коливання за секунду) частотою та невеликою амплітудою.

Транспортні засоби, промислові агрегати, будівельні механізми й машини є джерелами вимушених і механічних коливань, що утворюються в ґрунті. Основна частина коливальної енергії переноситься поверхневими хвилями, які поширюються в приповерхневому шарі ґрунту (10...15 м). Землетруси є також джерелами коливань земної поверхні та підземних поштовхів, що викликаються природними чинниками.

Динамічний вплив джерел вібрації оцінюють швидкістю вібрації, яка вимірюється в мм/сек. Нормою вібраційних впливів є рівень 0,12 мм/сек. Інтенсивність вібраційного поля залежить від відстані до джерела.

Вібрацію оцінюють за рівнями коливальних (вібраційних) швидкостей в октавних смугах частот (в децибелах).

Типові значення вібраційних швидкостей для різних джерел вібрації наведено в табл. 5.1.

Таблиця 5.1. Основні джерела вібрацій

Джерело	Вібраційна швидкість, мм/с
Рейковий транспорт	0,3...160
Промислові установки	0,05...5
Будівельна техніка	0,002...1,6
Автотранспорт	0,005...0,07
Денний фон у місті	0,006...0,02
Нічний фон у місті	0,003...0,01
Безпечний «геологічний» рівень	0,225
Безпечний фізіологічний рівень	0,12

 

1.2. Перетворювачі вібрацій

Залежно від параметрів, що вимірюються (зміщення, швидкість, прискорення, фаза, частота), розрізняють такі прилади як віброметри, велометри, акселерометри, фазометри, частотоміри. Пристрій, що перетворює вібраційні параметри у відповідний електричний сигнал, називається перетворювачем. Розглянемо принцип дії основних типів перетворювачів.

Перетворювачі опору. В основі принципу дії цих приладів лежить перетворення механічного руху в зміну електричного опору за допомогою реостата або напівпровідника, що викликає відповідні зміни напруги чи струму в системі реєстрації. Схему такого перетворювача наведено на рис. 5.1.

 

Рис. 5.1. Перетворювач опору

 

Конструкція складається з провідника (мідь або нікель), розміщеного у цементі між паперовими шарами.

П’єзоелектричні перетворювачі ґрунтуються на явищі п’єзоелектричного ефекту - здатності деяких матеріалів (кварц, турмалін, сульфат натрію) утворювати електричні заряди під час деформації або механічної напруги.

Типовий п’єзоелектричний перетворювач, що використовується як акселерометр, зображено на рис. 5.2.

Під час вібрування основи на поверхнях кристалу виникає напруга, пропорційна прискоренню. Перевагою такого перетворювача є компактність, висока чутливість, здатність давати показники в широкому частотному діапазоні.

 

Рис. 5.2. П’єзоелектричний перетворювач

 

Електродинамічні перетворювачі. Принцип дії перетворювача цього типу полягає у виникненні напруги на кінцях провідника у формі котушки під час його руху в магнітному полі. Схему електродинамічного перетворювача наведено на рис. 5.3.

 

        

Рис. 5.3. Електродинамічний перетворювач  Рис. 5.4. Диференційний перетворювач

 

Диференційний перетворювач. Конструкція цього типу перетворювача передбачає наявність первинної котушки в центрі і двох вторинних котушок по боках. Всі три котушки мають спільне магнітне осердя, механічно пов’язане з об’єктом, що вібрує. Первинна котушка приєднана до джерела струму (рис. 5.4). Під час руху осердя завдяки явищу електромагнітної індукції на вторинних котушках виникають напруги, які дорівнюють одна одній, але змінюються в протифазі, коли осердя знаходиться посередині. За зміщення осердя на клемах вторинних котушок виникає різницева напруга, величина якої залежить від зміщення осердя, а полярність - від напрямку його руху.

Фотоелектричний перетворювач складається з електричного моста, одне плече якого - фоторезистор, який розміщують на тілі, що коливається, і освітлюють через діафрагму. Під час коливань відбуваються зміщення фоторезистора, рівень освітлення змінюється, що впливає на величину опору цього плеча і дисбаланс моста.

Лазерний віброметр. На об’єкт, вібрації якого оцінюються, спрямовують випромінювання СО2-лазера (10,6 мкм). Відбите випромінювання накладається на падаюче випромінювання і утворює биття, характер якого залежить від руху об’єкта. Для збільшення чутливості приладу промінь лазера модулюють за частотою. Перевагою приладу є висока чутливість, що досягає 50 нм, а також здатність дистанційного вимірювання вібрацій.

 

1.3. Оцінка землетрусів

Землетруси характеризуються графічним розподілом місць виникнення поштовхів (гіпоцентрів), інтенсивністю, тривалістю, механізмами виникнення та руйнуваннями, які вони спричинюють. Залежно від глибини h виникнення гіпоцентрів (яка може простягатися до 700 км) землетруси ділять на поверхневі (h < 30 км), проміжні (Н =30...300 км) і глибокі (h > 300 км). Розміщена над гіпоцентром ділянка земної поверхні, в межах якої інтенсивність поштовхів досягає найбільшої величини, називається епіцентром.

Є два підходи до оцінки інтенсивності землетрусів.

Перший пов’язаний з вимірюванням енергії, що вивільнюється під час геофізичного процесу. Для цього використовують шкалу Ріхтера. Інтенсивність землетрусів змінюється в широких межах - від тих, що викликають легкі тремтіння земної кори, які реєструються лише чутливими приладами, до тих, що спричиняють руйнування будинків. Енергія вимірюється сейсмографом -приладом, шкала якого побудована у логарифмічному масштабі. Шкалу Ріхтера наведено в табл. 5.2.

 

 

Таблиця 5.2. Шкала Ріхтера оцінки інтенсивності землетрусів

Бал	Енергія, Дж
1...2	4,47∙1 05
3	7, 94∙1 07
4	2,51∙109
5	7,94∙1010
6	2,51∙1012
7	7.94∙1013
8	2,51∙1015

 

Так, інтенсивність 2 бали звичайно відповідає мікро-землетрусам; вони не відчуваються людиною, а лише апаратурою. Землетруси інтенсивністю 4,5 бала й більше реєструються сейсмографами у всьому світі. Великі землетруси мають інтенсивність 8 балів і більше. Але шкала Ріхтера не враховує пошкоджень й руйнувань, спричинених землетрусом. Крім того, логарифмічний масштаб, покладений в основу шкали Ріхтера, призводить до певних непорозумінь за спроби інтерпретувати землетруси населенням: так, землетрус інтенсивністю 6 балів може бути оцінений як вдвоє більший, ніж землетрус інтенсивністю 3 бали.

Інший підхід враховує не параметри саме землетрусу, а його вплив на людей. У даному випадку використовується модифікована шкапа Меркаллі.

Схему типового приладу для оцінки землетрусів (сейсмографа) наведено на рис. 5.5. Основу приладу складає котушка, приєднана до тіла маятника, що рухається у магнітному полі. Цей рух супроводжується виникненням у котушці електричного струму, що вимірюється.

Модифікація сейсмографа передбачає застосування допоміжної котушки, всередині якої розміщено дзеркальце гальванометра (рис. 5.6), на яке подається світловий промінь. За виникнення електричного струму дзеркальце обертається, що викликає зміну кута відбивання світлового променя. Таким чином, коливання рухомої частини сейсмографа фіксуються системою реєстрації приладу у вигляді сейсмограми, яка демонструє значне підсилення амплітуди коливань під час землетрусу.

 

..

Рис. 5.5. Схема типового    Рис. 5.6. Схема модифікованого сейсмографа:

сейсмографа: 1 - котушка,      1 - котушка, 2 - тіло, 3 - пружина,

2 - тіло, 3 - пружина,       4 - магніт, 5 - додаткова котушка,

4 - магніт, 5 - система       6 - дзеркальце

реєстрації

 

2. Шуми

 

2.1. Визначення і характеристики шуму

Є кілька визначень терміну шум.

Перше визначення: шум - це звукові коливання, інтенсивність і частота яких змінюються несподівано та аперіодично.

Згідно з другим визначенням, шум є звук, що накладається на інший звук і взаємодіє з ним, тобто він небажаний для нашого слуху.

За третім визначенням - це будь-який звук, що заважає людині. Наприклад, звуки музики корисні для музиканта і є шумом (згідно з другим визначенням) для людей, що розмовляють, або шумом у третьому визначенні для людини, котра хоче заснути.

Величина миттєвої амплітуди шуму описується нормальним (гаусовим) розподілом (рис. 5.7).

Якщо середня потужність (сума інтенсивностей всіх гармонік, що складають шум) є сталою величиною в певному частотному діапазоні, такий шум називають білим. У цьому випадку шум містить усі звукові частоти. Якщо шум переважно складається з високочастотних звукових коливань, він називається фіолетовим (за аналогією з світловими коливаннями). Коли ж домінують низькочастотні звукові коливання, шум називають рожевим.

Важливим параметром шуму є рівень інтенсивності звуку L, яка вимірюється в децибелах (дб).

 

Рис. 5.7. Гаусовий розподіл миттєвої амплітуди шуму

 

Шум буває побутовим, виробничим, промисловим, транспортним, авіаційним. Типові значення рівнів інтенсивності шуму наведено в табл. 5.3, а джерел шуму - в табл. 5.4. Рекомендовані норми шуму в приміщеннях і на територіях становлять: 30...35 дб - на територіях заповідників; 34...37 дб - в спальних приміщеннях (будинки, лікарні, квартири); 56...66 дб - в приміщеннях магазинів, заводів тощо.

Якщо діють два або більше нескорєльованих джерел шуму, сумарний шум визначається розрахунковим методом.

Шумове забруднення навколишнього середовища стало великою загрозою для здоров’я людини. Протягом дня мешканці великих міст змушені терпіти шумові перевантаження на рівні 65...70 дб і більше. Є прямий зв’язок між інтоксикацією шумом і серцевими хворобами. В районах великих аеропортів, де рівень шумів досягає 100 дб, збільшився продаж снотворних ліків, а діти цих районів гірше засвоюють навчальний матеріал. Шум у 90 дб викликає різноманітні фізіологічні порушення. Верхня межа для людини становить 140 дб, при 160...170 дб відбувається руйнування барабанної перетинки вуха людини. Крім того, шум може бути причиною руйнування органу Корті, бо найбільш уразливими серед усіх елементів слухового аналізатора від дії шуму високої інтенсивності є волоскові клітини внутрішнього вуха. Причому, якщо волоскові клітини зазнають серйозного пошкодження, вони вже не здатні відновлювати своїх функцій і бути заміщеними іншими клітинами. Наслідком цього буває часткова або повна втрата слуху.

Таблиця 5.3. Типові значення рівнів інтенсивності звуку

Джерело звуку	Рівень інтенсивності звуку, дб
Пошкодження барабанної перетинки	160
Поріг болісних відчуттів	130
Відбійний молоток	100
Автомобільний сигнал на відстані 6 км	90
Голосна розмова	80
Міська вулиця	75
Спокійна бесіда	55
Шум у кімнаті	40
Шум, при якому можна спати	35
Відкрита місцевість	10

 

Таблиця 5.4. Основні джерела шуму

Джерела	Еквівалентний рівень шуму, дб
Промислові
Газотурбінні енергетичні установки	100...110
Компресорні станції	100
Металургійні заводи	90...100
Будівельні підприємства	90...95
Машинобудівні заводи	80
Друкарні	72...76
Транспортні
Автотранспорт (на відстані 7,5 м)	77...83
Залізничний транспорт (на відстані 20 м)	90...101
Авіаційний транспорт (під трасою)	98...105

 

Для кількісної оцінки впливу шуму на слух використовують параметр, що характеризує зміну слухової чутливості - індукований шумом пороговий зсув (ІШПЗ), що визначається шляхом вимірювання порогу слухової чутливості до і після дії шуму. Цей зсув може бути тимчасовим або постійним, залежно від параметра шуму (інтенсивності, тривалості, частотного складу). Як правило, проміжку часу в 4 хв. достатньо, щоб визначити характер ІШПЗ у людини.

Слух має здатність відновлюватися після припинення дії шуму на рівнях інтенсивності, що не перевищують 30 дб, вже через 16...24 хв. Слід зазначити, що для помірних рівнів шумового впливу процес відновлення слуху характеризується лінійною залежністю від часу у логарифмічному масштабі. Вплив більших рівнів інтенсивності викликає незворотні пошкодження волосових клітин, що призводять до сталого пирогового зсуву. Експерименти на тваринах, які зазнали впливу акустичного шуму різної частоти, з наступним гістологічним аналізом кількості пошкоджених волосових клітин у внутрішньому вусі свідчать про те, що поріг слухової чутливості зменшується в межах 103...104 Гц. Кількість волосових клітин, що залишилися, може досягати при цьому лише 40 відсотків від норми.

Звичайно вплив шуму на людину залежить як від рівня інтенсивності звуку, так і тривалості дії джерела шуму.

 

2.2. Вимірювання рівнів шуму

Для оцінки рівнів шуму використовують шумоміри і аналізатори шуму. Принцип дії шумоміра полягає в перетворенні звукового тиску в електричний сигнал мікрофоном. Цей сигнал підсилюється і калібрується. Типовий діапазон рівнів інтенсивності, що оцінюються шумоміром, становить 30...140 дб. Розглянемо основні конструкції мікрофонів, призначених для вимірювання шумів.

Конденсаторний мікрофон складається з двох пластин, одна з яких займає фіксоване положення, а друга є діафрагмою (рис. 5.8). Під впливом звукової хвилі діафрагма вигинається, відстань між пластинами і ємність конденсатора відповідно змінюються, що викликає зміну електричного сигналу в системі реєстрації.

П'єзоелектричний мікрофон також містить діафрагму, але вона з’єднана з п'єзокристалом, що під впливом звукової хвилі перетворює механічні коливання діафрагми на електричний сигнал.

 

Рис. 5.8. Схема конденсаторного мікрофона

 

Електретний мікрофон ґрунтується на використанні електрета - діелектрика, що довго зберігає поляризований стан після зняття зовнішньої дії, яка викликає поляризацію. Таким електретом у даній конструкції мікрофона є полімерна плівка, з’єднана з металізованим електродом, що утворює з фіксованим електродом конденсатор (рис. 5.9). Під впливом звукової хвилі величина заряду на обкладинках конденсатора завдяки електретному ефекту, змінюється, що зумовлює відповідну зміну електричного сигналу.

 

Рис. 5.9. Схема електретного мікрофона

 

Аналізатори частоти шуму, що працюють у режимі реального часу або використовуючи швидке Фур’є перетворення, дають змогу оцінити шумовий сигнал на кожній частоті одночасно. Результати аналізу виводяться на дисплей і визначають залежність рівня інтенсивності звуку від частоти.

 

 

Курс «Методи вимірювання параметрів навколишнього середовища»