PARTEA a IV -a - VIBRAII I ZGOMOTE

Principiul 11

Aciuni unilaterale care afecteaz mediul nconjurtor vor fi evitate. Msuri privind mediul nconjurtor, care implic probleme transfrontiere, sau probleme globale de mediu, vor fi, pe ct posibil, bazate pe consens internaional.

(Declaraia de Rio 1992)

Capitolul 11. Surse de vibraii i zgomote

11.1 Consideraii generale

11.2 Efecte ale zgomotelor i vibraiilor

11.3 Metode i echipamente de zgomotelor i vibraiilor

msurare a

11.4 Surse de vibraii i zgomote

Capitolul 11 Surse de vibraii i zgomote

11.1 Consideraii generale

Undele sonore sunt unde mecanice longitudinale, ce se pot propaga n solide, lichide i gaze. Particulele materiale care transmit o astfel de und oscileaz n direcia de propagare a undei nsi.

Undele longitudinale din aer, atunci cnd vin n contact cu urechea, dau natere senzaiei de sunet. Deci, putem afirma c sunetul reprezint vibraia acustic capabil s produc o senzaie auditiv.

Urechea omeneasc este sensibil la undele din intervalul de frecven situat ntre aproximativ 20 - 20 000 Hz.

Subliniem c 1Hz reprezint frecvena unui fenomen periodic, a crui perioad este de 1s. Cele mai simple unde sonore sunt undele sinusoidale de frecven i amplitudine cunoscute.

Cnd acestea ajung la ureche, provoac vibraia, cu aceeai frecven i amplitudine, ai particulelor de aer din apropierea timpanului. Aceste vibraii pot fi descrise ca variaii ale presiunii aerului din acel punct.

Un aspect esenial al propagrii undelor de toate felurile este transferul de energie. Intensitatea I a unei unde se definete ca media n timp a vitezei cu care energia este transportat de ctre und prin unitatea de suprafa perpendicular pe direcia de propagare. Mai pe scurt, intensitatea este puterea medie transportat prin unitatea de suprafa.

De exemplu intensitatea unei unde sonore avnd amplitudinea maxim tolerabil de urechea omeneasc este de 1,06 10"4 W/cm2,

Puterea total transportat printr-o suprafa de ctre o und sonor este egal cu produsul dintre intensitatea undei pe acea suprafa i aria suprafeei.

Deoarece urechea este sensibil la un interval larg de intensiti, scala logaritmic a intensitilor este mai comod dect scala aritmetic. Deci, nivelul de intensitate sonor Ns al unui sunet va fi Ns = 10 log l/l0, unde l0 este o intensitate arbitrar de referin considerat a fi 10"12 W/m2, ceea ce corespunde celui mai slab sunet care poate fi auzit.

Nivelul de intensitate sonor se msoar cu decibeli, a zecea parte dintr-un bel, acesta fiind unitate adimensional pentru compararea valorilor puterilor (respectiv intensitilor).

Nivelul unei intensiti sonore Ns de 1 bel corespunde unei puteri medii de 10~11,9 W/m2. Dac intensitatea unei unde sonore este egal cu l0 respectiv 10"12 W/m2, nivelul ei de

intensitate sonor este de 0 dB. (Ns = 10log l0/lo) Intensitatea maxim pe care o poate suporta urechea, de aprox. 1W/m2, corespunde unui

nivel de intensitate sonor de 120dB, numit prag de durere. Din diferite studii s-a observat c urechea are sensibilitatea maxim fa de frecvenele

situate ntre 2000 i 3000 Hz, unde pragul de audibilitate, cum este numit, este de aproximativ 5dB. Nivelul de trie. Introducerea unei scri de msura pentru evaluarea subiectiv a intensitii

sunetului se bazeaz pe legea fiziologic a lui Weber-Fechner. Potrivit acesteia, senzaia subiectiv fiind proporional cu logaritmul zecimal al excitaiei, dac se atribuie nivelului de referin al intensitii acustice senzaia zero, atunci nivelul intensitii exprimat n B reprezint o msur potrivit i pentru nivelul de trie acustic.

Pe baza a numeroase cercetri efectuate cu metoda comparaiei subiective s-au stabilit nivelul de trie corespunztoare domeniului de audibilitate (fig.11.1).

nlimea sunetelor. n ceea ce privete nlimea sunetului, care este corelat cu frecvena, cercetrile au artat c pentru frecvenele situate sub 500 Hz, urechea efectueaz o analiz de frecven n benzi de lrgime absolut constante de 100 Hz i abia peste 500 Hz, benzile de trecere devin procentual constante i egale cu 1/3 octava. Dac acestor intervale, denumite grupe de frecven, li se atribuie o anumit scar a senzaiei de nlime, se verific i aici legea iui Weber-

Fechner, dar numai pentru valori ale frecvenelor ce depesc 500 Hz. Pe aceast linie se accept ca definiie a noiunii de zgomot" orice sunet care depete

limita de circa 35-40 dB, provocnd disconfort subiecilor.

fig. 11.1 Curbele de acelai nivel de trie corespunztoare domeniului de audibilitate 11.2 Efecte ale zgomotelor i vibraiilor

11.2.1 Efectele zgomotelor i vibraiilor asupra organismului uman

Omul civilizaiei tehnice actuale are ca nsoitor permanent zgomote de diverse proveniene care, n funcie de nivelul lor de trie, genereaz efecte de natur i gravitate diferite, (fig. 11.2)' [6]

Fig. 11.2 Surse de zgomot i efectele lor asupra organismului uman Primele care se manifest sunt efectele psihice nedorite, i anume la niveluri de trie, cu

mult inferioare fa de acelea la care apar leziuni ale urechii interne sau se constat o pierdere ireversibil a sensibilitii auditive.

S-a constatat c zgomote de intensitate sczut, dar suprtoare, care ptrund n locuina

omului din circulaia exterioar sau din ncperile nvecinate, datorit aciunii lor permanente, ziua i noaptea, se constituie n nite iritani cronici ai organismului uman.

Zgomotele pot ajunge la urechea intern i prin conducie osoas. Astfel, zgomote izolate de numai 40-50 dB sunt suficiente pentru a perturba odihna normal din timpul nopii. n timpul zilei nocivitatea acelorai zgomote de intensitate sczut depinde n primul rnd de gradul de solicitare psihic a organismului uman. Deosebit de afectai de aceste zgomote sunt cei care presteaz o munc intelectual sau presupune un grad de concentrare sau atenie deosebit. n acelai timp organismul uman este supus unei suprasolicitri nervoase de durat care, prin efectul su cumulativ, conduce la afeciuni psihice sau organice grave ca: hipertensiunea arterial, diferite nevroze etc.

Evaluarea nocivitii acestor zgomote slabe este dificil pentru c influeneaz ntr-un mod diferit sntatea unor oameni care presteaz acelai gen de activitate. Adaptarea organismului uman la aciunea zgomotelor este foarte limitat, aa-numita obinuin la zgomot manifestndu-se dup un anumit timp ca o stare patologic de mbolnvire.

Destul de nocive i imediate sunt efectele unor zgomote cu nivele de trie mai ridicate, ce

depesc cu 40-50 dB pe cele corespunztoare gradului de audibilitate. n aceste cazuri, apar modificri n starea i funcionarea organelor de sim i interne. De exemplu, s-a constatat o cretere a presiunii intracraniene, modificarea cordului i a respiraiei, o scdere a acuitii uzuale i altele.

La creterea n continuare a nivelului de trie, modificrile funcionale ale sistemului nervos central i vegetativ pot deveni ireversibile sau pot fi nsoite i de anumite leziuni organice.

Deoarece depind de factori obiectivi, efectele duntoare ale zgomotelor se accentueaz ns dac acioneaz discontinuu sau sub form de impulsuri, dac apariia lor este imprevizibil sau dac sunt nsoite de vibraii mecanice. Zgomotele foarte puternice al cror nivel de intensitate depete cu 85-90 dB pragul de audibilitate, pe lng faptul c pot reduce la zero inteligibilitatea vorbirii, cauzeaz o pierdere treptat, pn la surditate, a sensibilitii auditive. Surditatea permanent poate s apar dup numai 4-5 ani de activitate n mediu cu zgomot deosebit de intens (ex. industria siderurgic, textil etc). Afeciunile organului auditiv sunt nsoite aici i de agravarea tulburrilor psihice i fiziologice amintite mai sus.

Astfel, dup numai 3-4 ani de lucru ntr-o industrie zgomotoas, circa 70 % din muncitori sufer de afeciuni nervoase (dureri de cap, ameeli, stare de fric, iritabilitate sau stare emotiv semnificativ etc), aproape 40 % sunt bolnavi de gastrit sau ulcer duodenal i aproximativ 10 % prezint hipertensiune arterial.

Aciune negativ asupra organismului uman o au i vibraiile cu o frecven mai mic de 20 Hz (infrasunete). O prim situaie este cea n care vibraiile, acionnd simultan cu zgomote, de intensitate apreciabil, sunt sesizate de alte organite ale urechii interne i conduc la o suprasolicitare a ntregului organ auditiv. Din figura 11.3 rezult c aceste organite au maximum de sensibilitate n jurul frecvenei de 1 Hz.

Analog, ca la nivelurile de intensitate i trie ale zgomotelor, s-au introdus i pentru vibraii niveluri de intensitate i trie numite vibrar i respectiv pal.

Nivelul de trie a vibraiilor n pali este egal cu nivelul de intensitate n vibrri la frecvena de

referin de 1 Hz. Pentru aceast frecven se admite c limita de percepere a acceleraiei valoarea de referin : a0=3,16x10"3 m/s2. n prezent se mai utilizeaz i nivele n dB cu valorile de referin a0=10'5m/s2 pentru acceleraie, v0=10"8 m/s pentru viteza i x=10"11 m pentru elongaie.

Efectele vibraiilor i zgomotelor se manifest, funcie de energia i direcia lor de aciune, prin deplasri relative, ruperi ale ligamentelor sau chiar hemoragii ale organelor interne.

O alt situaie este aceea n care numai anumite pri ale corpului omenesc, ndeosebi minile, sunt supuse direct aciunii vibraiilor produse de diverse unelte i instalaii. Astfel, se cunoate sindromul de degete albe" la muncitorii ce utilizeaz fierstraie mecanice i care const ntr-o degradare treptat a esutului nervos i vascular al minilor pn la pierderea complet a sensibilitii tactile.

11.2.2 Efectele vibraiilor asupra utilajelor. Fenomenul de oboseal a materialelor

Astzi se consider c oboseala este rezultatul unor curgeri locale de material sau, altfel spus, rezultatul combinaiei dislocaiilor i a concentrrilor locale de tensiuni. Orice alunecare intercristalin este nsoit de o distrugere de material.

Primul semn vizibil al oboselii materialului, l constituie apariia aa-numitelor benzi de alunecare. Sub influena continu a vibraiilor, benzile de alunecare progreseaz i dau natere unor mici fisuri care se propag apoi prin material. Prin creterea fisurii, tensiunea n materialul rmas devine att de mare nct propagarea fisurii se accentueaz i se produce distrugerea prin oboseal.

11.3 Metode i echipamente de msurare a zgomotelor i vibraiilor

Msurarea i analiza de vibraii i zgomot presupun o atenie cu totul deosebit. Acestea se pot face:

-pentru caracteristicile undei elastice la propagarea ei n mediul solid (vibraii), lichid (hidroacustic), gazos (acustic);

-pentru determinri fiziologice i medicale; -pentru caracteristicile aparaturii folosite n scopurile de mai sus, ale aparaturii de comunicaii,

de nregistrare i de redare a sunetului. La msurarea zgomotului, se folosesc mai multe instrumente diferite. Instrumentul principal

folosit la msurarea zgomotului este un manometru de sunet. Anterior, se folosea un simplu manometru de sunet cu indicator. Astzi se folosesc instrumente

digitale avansate capabile s indice valoarea medie i nivelul de zgomot msurat n multe feluri. n esen, blocurile de msur sunt indicate n fig. 11.4.

Aceste aa-numite manometre de sunet integrate sunt capabile s msoare nivelul de zgomot msurat, echivalent, constant.

La msurarea zgomotului este important s se calibreze instrumentul de msurare. Acest lucru se face de obicei cu ajutorul unui calibrator acustic. Calibratorul acustic este un aparat fixat microfonului instrumentului care are ca mrime de ieire un anumit nivel de presiune a sunetului. Manometrul de sunet este astfel etalonat nct s indice nivelul corect de presiune a sunetului.

Zgomotul este de obicei msurat prin poziionarea instrumentului de msurare direct la punctul de testare, apoi prin msurarea propriu-zis.

nregistrrile testrii pot fi trecute pe hrtie, dar cel mai adesea la instrumentul de msurare este ataat un printer sau un nregistrator de nivel. Cnd se ataeaz un printer, valorile msurate pot fi printate, de asemenea, pe o band de hrtie. Cnd se ataeaz un nregistrator de nivel se poate printa un grafic, care arat variaia n timp a zgomotului.

n cazul unor analize avansate ale zgomotului, zgomotul este de obicei nregistrat pe band, apoi analizat ntr-un laborator.

Astzi exist sisteme de msurare bazate pe computer. n principiu, astfel de sisteme de msurare constau dintr-un microfon ataat la un computer. Aceasta nseamn c ntreaga prelucrare de date se efectueaz cu ajutorul computerului. Zgomotul poate, de exemplu, s fie nregistrat pe banda in-situ i apoi analizat cu ajutorul computerului n laborator.

11.3.1 Probleme legate de msurarea zgomotului

Legat de msurarea zgomotului, pot aprea probleme i trebuie luate n considerare anumite puncte importante:

- este esenial ca toate condiiile de funcionare ale ntreprinderii s fie respectate simultan cu efectuarea msurtorilor. Sursa de zgomot cea mai important a ntreprinderii trebuie de exemplu s fie n funciune n momentul msurrii.

- trebuie avut grij ca nivelurile de zgomot msurate s nu fie afectate de interferena extern; msurtorile trebuie efectuate n momentele n care interferena extern este nesemnificativ sau nivelul interferenei externe trebuie determinat i sczut din nivelul de zgomot msurat.

- msurtorile de zgomot sunt foarte dependente de condiiile meteorologice n special cnd se efectueaz msurtori la distan mare de sursa de zgomot. De obicei zgomotul este msurat n urmtoarele condiii:

* viteza vntului < 5 m/s * direcia vntului s fie de la surs de zgomot spre punctul de msurare * fr inversiune * fr strat de zpad

11.3.2 Raportul de msurare

Dup efectuarea msurtorilor de zgomot se elaboreaz un raport de msurare a acestuia. Raportul trebuie s conin urmtoarele puncte:

* scopul msurtorilor, * nregistrrile de testare, * gradul la care nregistrrile de testare sunt nedefinite, * o schem care s conin indicarea punctelor de msurare, * o schem care s arate poziia surselor de zgomot, * descrierea condiiilor operaionale, * descrierea metodei de msurare, * descrierea instrumentelor de msurare folosite,

* descrierea condiiilor de msurare (interferena extern i condiii meteorologice), * natura zgomotului (tonuri i impulsuri), * numele operatorului, * numele ntreprinderii care a comandat msurtoarea, * numele institutului care face msurarea.

11.3.3 Calcularea zgomotului

Dup cum s-a mai menionat anterior, este posibil s se calculeze nivelul zgomotului. [7] n anumite cazuri ar fi mai adecvat s se calculeze dect s se msoare nivelul zgomotului. La calcularea nivelului zgomotului, se evit problemele de interferen extern i de condiii

meteorologice. Prin msurarea zgomotului, se obine doar o cifr pentru sarcina total de zgomot. La calcularea nivelului de zgomot se calculeaz contribuiile individuale ale celor mai semnificative surse de zgomot ale ntreprinderii. n consecin, este posibil s se determine sursele cu cel mai mare impact i sursele ce trebuie supuse controlului de zgomot, dac trebuie redus sarcina total de zgomot. Acesta este probabil cel mai important avantaj al calculrii nivelului de zgomot.

La calcularea nivelului de zgomot se selecteaz nti sursele cele mai importante, apoi se determin nivelul de putere a sunetului al acestor surse . Aceasta se poate efectua ntr-unui din modurile urmtoare:

* prin msurarea zgomotului lng surs. Se efectueaz o aa-numit msurtoare de nivel a puterii sunetului sursei. n principiu, se msoar nivelele de zgomot la mai multe puncte situate ntr-un careu de msurare care nconjoar sursa de zgomot.

* n anumite cazuri, se pot obine informaii asupra nivelului puterii sunetului sursei, de la productorii din interior.

* informaii asupra nivelului puterii sunetului sursei pot fi de asemenea obinute din

manualele de referin etc. * se pot aplica valori sau niveluri ale puterii sunetului sursei obinute la amplasamente

similare. Pe baza determinrii nivelului de putere a sunetului sursei, se poate calcula contribuia

surselor la punctele selectate de calcul. n principiu, calculele sunt fcute prin includerea unor factori de corecie. Factorii de corecie sunt efectul calculat al aciunii zgomotului n timpul transmisiei de la surs la punctul de calculare.

* se calculeaz atenuarea datorat distanei, pe baza distanei dintre surs i punctul de calculare.

* se calculeaz absorbia n aer, pe baza lungimii cii de transmisie. De obicei se aplic valori de atenuare corespunztoare la 15C i 70 % umiditate relativ a aerului.

* se ine cont de reflexie n cazul n care sursa zgomotului este poziionat lng suprafee; se calculeaz barierele de zgomot pe baza poziiei lor i modelului lor fizic.

* se calculeaz atenuarea datorat vegetaiei pe baza ntinderii i nlimii vegetaiei, ca i a nivelului sursei i a punctului de recepie.

* se calculeaz atenuarea datorat terenului pe baza condiiilor de teren i suprafaa ca i a nivelului sursei i a punctului de recepie.

Dup ce s-au calculat contribuiile surselor individuale, sarcina total de zgomot poate fi calculat prin adunarea acestor contribuii.

n practic se aplic un program de computer pentru modelarea calculelor. Este de dorit o verificare a rezultatelor calculului cu ajutorul msurtorilor de orientare.

11.3.4 Aspecte economice

Din descrierile anterioare se desprinde complexitatea deosebit pe care o pot atinge msurrile de vibraii i zgomot, analiza semnalului i implicit diversitatea i complexitatea de alctuire a schemelor. [6]

Deoarece elementele componente sunt relativ costisitoare, proiectarea experimentului, a schemelor de msurare i control trebuie s considere nu numai posibilitile tehnice, ci i pe cele economice.

Astfel, msurrile de zgomot ntr-o hal industrial, la intervale mari de timp, interesnd mai mult prin efecte i mai puin prin depistarea cauzelor individuale de vibraii i zgomot de maini, necesit o aparatur compact, simpl, mobil i puin costisitoare.

Schemele simple sunt suficiente i pentru controlul echilibrrii n rotaie prin vibraie etc. Analiza n banda ngust de frecvene, monitoringul n flux sau cu ntreruperi, analiza

semnalelor tranzitorii, msurrile n condiii simulate, prelucrarea datelor pe calculator oblig la cheltuieli suplimentare, aa cum rezult i din figura 11.5, de zece ori mai mari dect costul unei aparaturi simple.

Msurtori de vibraii

Un instrument pentru msurarea vibraiilor const, n esen, din blocurile din fig. 11.6. Accelerometrul fixat la obiectul n vibraie convertete acceleraia vibraiei ntr-o tensiune electric proporional. Preamplificatorul convertete impedana ridicat a traductorului ntr-o impedana mult mai cobort, astfel nct putem utiliza cable lungi ntre preamplificator i instrumentul indicator. Reelele de integrare permit msurarea att a parametrilor vitez i deplasare, ct i a acceleraiei. Filtrele trec sus i jos, reduc posibilitatea de interferene cu zgomote de frecvene coborte i ridicate, eliminnd i rezonana accelerometrului. Dup amplificare i detectare corespunztoare, semnalul poate fi prezentat pe un instrument etalonat n uniti de vibraie.

Instrumentele utilizate n mod curent pot consta din uniti compacte sau din instrumente separate, cu un accelerometru i preamplificator conectate ca un sistem de detecie i de conversie separat.

Pentru msurarea forelor dinamice, utilizm acelai set de aparate, nlocuind accelerometrul cu un traductor de for sau cu un cap de impedana.

Aparatul folosit n prezent pentru msurtori de vibraii se numete msurtor universal de vibraii", i este un aparat portabil universal capabil s msoare acceleraia, viteza i deplasarea. Se mai pot folosi analizoare de vibraii portabile, nregistratoare de trepidaii etc.

11.4 Surse de vibraii i zgomote

Principalele tipuri de surse care produc vibraii i zgomote pot fi clasificate dup cum urmeaz:

- maini i procese tehnologice (maini-unelte, maini textile, ventilatoare etc); - subansamble i organe de maini (mecanisme cu roi dinate, rulmeni etc); - instalaii sanitare i de condiionare a aerului; - mijloace de transport (zgomot exterior urban).

Din punct de vedere al ingineriei mediului este interesant a analiza aceast ultim categorie de surs: transportul urban.

n centrele populate, sursele de zgomot sunt numeroase. Cele mai importante pot fi, totui, considerate urmtoarele: transportul urban, zborul avioanelor, circulaia liber pe strzi, antierele de construcii, circulaia trenurilor, echipamentele cu manipulani i pietonii. n funcie de zona n care locuiete sau lucreaz, o persoan va suferi influen negativ a unora sau altora din sursele enumerate mai sus.

n ultimii ani, n marile centre urbane, un numr tot mai mare de persoane sunt afectate de zgomotul ambiant. Studii sistematice recente au stabilit modul n care se distribuie diferitele tipuri de zgomot ambiant n reclamaiile populaiei referitoare la zgomot, (tabelul 11.1.) [6]

Distribuia pe tipuri de zgomot a reclamaiilor referitoare la zgomot

Tabelul 11.1. Surse Procente

% Specificaie Procente

%Transport 37.4 Transport rutier

Transport aerian Parcuri, ncrcri, opriri Transport feroviar Transport naval

46,4 28,3 19,3

5,3 0,5

Meteuguri i activiti comerciale

35,7 Zgomote de producie, reparaii Instalaii de condiionare a aerului Restaurante, baruri Comer i distribuie

49,9 19,5 19,0 11,6

Vecini 17,9 Instalaii casnice Animale (cini) Copii i adolesceni Instalaii de nclzire

46,8 25,5 14,8 12,8

antiere de construcii

7,2 Nespecificate Unelte pneumatice Maini Baterii piloi Vehicule (buldozere etc.)

38,4 21,1 17,3 15,4 15,4

Alte surse 1,7 - -

Aa cum rezult i din tabelul 11.1, ponderea cea mai mare n zgomotul urban o deine transportul rutier. Creterea puterii motoarelor cu care se echipeaz autovehiculele i creterea vitezei de deplasare a acestora, corelate cu creterea numrului de autovehicule, sunt de natur s complice problema combaterii zgomotului n oraele mari. Principalele surse de zgomote i vibraii la autovehicule sunt motoarele i caroseriile. Deosebit de important este, de asemenea, mbrcmintea strzilor i neuniformitile acestora.

Zgomotul motoarelor este determinat n principal de sistemele de admisie i de evacuare. Cele mai zgomotoase sunt motoarele cu rcire cu aer, cele n doi timpi, precum i motoarele

Diesel. Nivelurile globale maxime ale zgomotelor de motoare sunt de 110-112 dB. Cea mai intens surs de zgomot la autovehicule o constituie sistemul de evacuare.

Distribuia spectral i nivelul componentelor sale depind de numrul de cilindri, de numrul de timpi, de cilindree, de puterea motorului, de fazele de distribuie a gazelor, de construcia sistemului de evacuare. Pentru reducerea zgomotului n sistemele de evacuare se pot folosi atenuatoare (evi de eapament) active, reactive i combinate. Atenuatoarele active se bazeaz pe principiul absorbiei energiei acustice.

Atenuatoarele reactive (filtre acustice) conin n construcia lor rezonatori i camere de detent.