Дипломная (вкр): Математические методы и модели в оценке уровня воздушного шума

Математические методы и модели в оценке уровня воздушного шума

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования государственное

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра интеллектуальных информационных систем

ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ В ГАК

Заведующий кафедрой

канд. физ. -мат. наук, доцент

____________К. И. Костенко

июня 2014 г.

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ (ДИПЛОМНАЯ) РАБОТА

математические методы и модели в оценке уровня воздушного шума

Работу выполнил___________________________________ В. С. Москаленко

Факультет компьютерных технологий и прикладной математики

Специальность 280101 «Безопасность жизнедеятельности в техносфере»

Научный руководитель,

д-р физ.-мат. наук, профессор__________________________ А. В. Смирнова

Нормоконтролер,

ассистент____________________________________________ А. П. Лебедева

Краснодар 2014

РЕФЕРАТ

Работа 81 страница, 24 рисунка, 14 таблиц, 11 источников.

ШУМ, ШУМОВОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ, ЗВУКОИЗОЛЯЦИЯ, УПРУГАЯ СРЕДА, ЧАСТОТА, РЕЗОНАНС

Объектом исследования являются процессы распространения звука в различных механических системах.

Цель работы - построение решения уравнения колебаний упругого слоя, моделирующего междуэтажное перекрытие в строительных конструкциях, построение решения уравнения потенциалов скоростей распространения звука.

В процессе работы использовались методы дифференциальных уравнений и сопротивления материалов.

В результате исследования сформулирована и решена краевая задача о колебаниях упругого слоя, вызванных периодической нагрузкой, приложенной к его верхней грани.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Звук и акустика

. Шум

. Классификация и физические характеристики шума

. Влияние шума на организм человека

. Методы защиты от шума

. Звукоизоляция

. Методы решения задач теории упругости

.1 Полная система уравнений теории упругости

.2 Решение задач теории упругости в перемещениях

. Методы решения задачи для нахождения резонансной частоты колебаний

.1 Вывод формулы для нахождения резонансной частоты колебаний

.2 Нахождение резонансных частот колебаний

.2.1 Рассчитаем значения и при плотности и толщин

.2.2 Рассчитаем значения и при плотности и толщин

.2.3 Рассчитаем значения и при толщине и плотностях

.2.4 Рассчитаем значения и при толщине и плотностях

.2.5 Рассчитаем значения и при толщине и плотностях

. Методы решения задачи по нахождению потенциала скоростей

. Нахождение потенциала скоростей

. Методы решения задачи по нахождению скорости и давления

. Нахождение резонансных частот потенциала скоростей

. Нахождение и анализ скорости и давления

Заключение

Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Существует своеобразный и очень опасный для здоровья человека вид загрязнения среды обитания - шумовое загрязнение. Сильный продолжительный и особенно постоянный шум - скрытый и опасный враг человека и многих живых существ.

По данным австрийских исследователей, «шумовое загрязнение», характерное сейчас для больших городов, сокращает продолжительность жизни их жителей на 10-12 лет. Для сравнения, та же статистика утверждает, что курение табака сокращает жизнь человека в среднем на 6-8 лет. Отсюда легко сделать вывод, что негативное влияние на человека от шума мегаполиса на 36% более значимо, чем от курения табака.

Человек почти никогда не бывает в абсолютной тишине, даже в период внутриутробного развития он различает окружающие звуки и слышит стук материнского сердца. А взрослея, мы незаметно привыкаем к шуму грузовиков на улицах, грохоту промышленных станков и иного оборудования. Повсюду человека преследуют разнообразные шумы: магнитофоны, телевизоры, реклама в магазинах и даже в общественном транспорте. Всё это раздражает и мешает нам, это - шум. И не зря сегодня говорят о шумовом загрязнении окружающей среды.

За скорость и комфорт, за удобства связи и передвижения, за облегченный быт и совершенствование производства мы расплачиваемся своим здоровьем, в том числе и подвергаясь постоянному шумовому воздействию. В целях борьбы с шумовым загрязнением окружающей среды особое внимание стали уделять шумовым характеристикам при проектировании и строительстве новой техники и оборудования.

Шум определяют как всякий нежелательный для человека звук. Другими словами, это звук, оцениваемый негативно и наносящий вред здоровью. С физической точки зрения шум - это беспорядочное сочетание звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Проявление вредного воздействия шума на организм весьма разнообразно.

К настоящему времени накоплены многочисленные данные, позволяющие судить о характере и особенностях влияния шумового фактора на слуховую функцию. Течение функциональных изменений может иметь различные стадии.

Помимо действия шума на органы слуха установлено его вредное влияние на многие органы и системы организма, в первую очередь на центральную нервную систему, функциональные изменения в которой происходят раньше, чем диагностируется нарушение слуховой чувствительности; привести к заболеваниям желудочно-кишечного тракта, сдвигам в обменных процессах (нарушение основного, витаминного, углеводного, белкового, жирового, солевого обменов), нарушению функционального состояния сердечно-сосудистой системы. Звуковые колебания могут восприниматься не только органами слуха, но и непосредственно через кости черепа (так называемая костная проводимость). Воздействие шума может привести к сочетанию профессиональной тугоухости (неврит слухового нерва) с функциональными расстройствами центральной нервной, вегетативной, сердечно-сосудистой и других систем, которые могут рассматриваться как профессиональное заболевание - шумовая болезнь.

Самые разнообразные специфические и неспецифические воздействия на организм, включая социальные, вызывают мобилизацию клеточных и гуморальных факторов иммунитета. Повышение иммунитета приводит к возрастанию устойчивости к инфекциям и опухолям. Однако резкое повышение иммунитета ведет к гиперчувствительности и аутоиммунным заболеваниям.

Таким образом, здоровье следует рассматривать как динамический процесс в условиях постоянного влияния на человеческий организм природных и искусственно создаваемых факторов окружающей среды. Все эти факторы тесно взаимосвязаны между собой и в одних случаях способствуют укреплению здоровья, а в других - вызывают болезни.

Воздействие шума на организм человека зависит от силы звука, точнее - давления. Шум в 30 дБ составляет естественный и нормальный шумовой фон, без которого невозможна жизнь человека. Допустимы без причинения серьезного вреда для здоровья человека непродолжительные воздействия шума до 80 дБ. Со 130 дБ шум дает ощущение боли, а достигнув 150 дБ становится для человека непереносимым. В жестокие средние века был даже вид казни “под колокол” - колокольный звон убивал. Сравнивая эти цифры с тем, какого уровня достигает шум вокруг нас, нельзя оставаться спокойным за свое здоровье, шумовое загрязнение окружающей среды уже случилось и становится всё больше!

Если в прошлом веке шум на улицах ещё не превысил 80 дБ, то сегодня он достиг 100 дБ и продолжает постепенно расти. По исследованиям, проведенным в разных странах, экологи пришли к неутешительному выводу, что ежегодно шумовое загрязнение окружающей среды городов увеличивается на 1 дБ. На оживленных магистралях городов даже ночью шум не утихает ниже 70 дБ, несмотря на то, что по санитарным нормам, чтобы не ухудшать слух находящихся поблизости людей, он не должен быть выше 40 дБ.

Даже сравнительно небольшой шум создает серьезную нагрузку не только для слуха, но и воздействует на нервную систему. Все люди по-разному реагируют на шум в зависимости от состояния здоровья и возраста, вида занятий. Замечено также, что шум, создаваемый самим человеком, его не беспокоит. В то же время любой посторонний шум может вызывать у человека заметное раздражение. Отсутствие тишины, особенно во время отдыха, приводит к быстрой утомляемости. Шумы высокого уровня могут стать достаточной причиной для развития на почве стрессов бессонницы и неврозов. Вот такие последствия несет нам шумовое загрязнение окружающей среды, не говоря уже о падении остроты или полной потери слуха. Влияние шума на организм человека лишь недавно стало предметом специальных исследований. Воздействие шумов на функции организма изучает сегодня целая отрасль медицинской науки - аудиология. Природные шумы (морской прибой, шорох листвы, дождь, журчание ручья) показали при исследованиях благотворное влияние на человечка, успокаивая его, навевая спокойный сон. Именно слух дает возможность принимать и анализировать все многообразие звуков вокруг нас. Слух постоянно работает и подвергается шумовым раздражениям, ухо человека не снабжено никакими защитными приспособлениями. Поэтому важно принимать меры защиты от шумового загрязнения окружающей среды.

. Звук и акустика

Звук - это колебания, т.е. периодическое механическое возмущение в упругих средах - газообразных, жидких и твердых. Такое возмущение, представляющее собой некоторое физическое изменение в среде (например, изменение плотности или давления, смещение частиц), распространяется в ней в виде звуковой волны. Область физики, рассматривающая вопросы возникновения, распространения приема и обработки звуковых волн, называется акустикой. Звук может быть неслышимым, если его частота лежит за пределами чувствительности человеческого уха, или он распространяется в такой среде, как твердое тело, которая не может иметь прямого контакта с ухом, или же его энергия быстро рассеивается в среде. Таким образом, обычный для нас процесс восприятия звука - лишь одна сторона акустики.

Распространение колебательного движения в среде называется звуковой волной. Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля при распространении звуковой волны будет наблюдаться деформация среды, т.е. зона сжатия и разряжения.

Такая деформация приведет к изменению давления в среде. Разность между атмосферным давлением и давлением в данной точке звукового поля называется звуковым давлением (Р). Звуковое давление выражается в паскалях (Па). Сила звука может характеризоваться и количеством звуковой энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью звука (I). За единицу измерения интенсивности принят Вт / м2. За единицу частоты колебаний принят герц (Гц), равный 1 колебанию в секунду.

Интенсивность звука I в свободном поле связана с звуковым давлением, Вт / м2

 ,     (1)

где Р - среднеквадратичное значение давления (Па),

рс - удельное акустическое сопротивление среды (для воздуха - 4,44 Нс / м3, для воды - 1,4 х 106 Нс / м3).

Скорость звука в газовой среде определяется по следующей зависимости:

,   (2)

где К - показатель адиабата (К= 1,44),

Р - давление воздуха (Па),

 - плотность воздуха (кг/м3) .

Скорость звука зависит от свойств среды. Звуки в изотропной среде могут распространяться в виде сферических, плоских и цилиндрических волн. Когда размеры источника звука малы по сравнению с длиной волны, звук распространяется по всем направлениям в виде сферических волн. Если размеры источника больше чем длина излучаемой звуковой волны, то звук распространяется в виде плоской волны. Плоская волна образуется на значительных расстояниях от источника любых размеров. Скорость звука в воздухе при t= 200 0С и давлении 760 мм рт. ст, V= 436 м/с; в воде - 1484 м/с; в стали - 5000 м/с, в бетоне - 4000 м/с.

Если на пути распространения звуковой волны встречается препятствие, то в силу явления дифракции происходит огибание волнами препятствий. Величина огибания тем больше, чем больше длина волны по сравнению с размерами препятствия.

При длине волны меньшей размера препятствия, наблюдается отражение звуковых волн и образование за препятствием «звуковой тени» (шумозащитные экраны). Графическое изображение частотного состава шума называется спектром.

Сложно предположить, когда появился звук. Не будет ошибкой сказать, что он зародился вместе с Землей, когда из Хаоса возникла земная твердь, омываемая океанами и обдуваемая ветром. Животные и люди, населившие планету гораздо позже, обрели возможность улавливать, распознавать, а затем воспроизводить звуки. Это было необходимо им для выживания, так как звуки информировали их об опасности.

Много позже, в 1500 году, ученый Галилео Галилей решил систематизировать знания человека о звуке и заложил основы науки под названием акустика (от греч. «акуо» - слышу). Таким образом, возраст акустики 508 лет. За это время акустика значительно продвинулась в своем развитии и сегодня специалисты выделяют около 15 разделов акустики.

Общая (физическая)акустика - теория излучения и распространения звука в различных средах, теория дифракции, интерференции и рассеяния звуковых волн. Линейные и нелинейные процессы распространения звука.

Архитектурная акустика - законы распространения звука в закрытых (полуоткрытых, открытых) помещениях, методы управления структурой поля и т. д.

Строительная акустика - защита от шума зданий, промышленных предприятий (расчет конструкций и сооружений, выбор материалов и т. д.).

Психо-акустика - основные законы слухового восприятия, определения связи объективных и субъективных параметров звука, определения законов расшифровки «звукового образа».

Музыкальная акустика - проблемы создания, распространения и восприятия звуков, используемых в музыке.

Био-акустика - теория восприятия и излучения звука биологическими объектами, изучение слуховой системы различных видов животных и др.

Электро-акустика - теория и практика конструирования излучателей и приемников, преобразующих электрическую энергию в акустическую и наоборот, а также всех элементов современных звуковых трактов записи, передачи и воспроизведения звука.

Аэро-акустика (авиационная акустика) - излучение и распространение шумов в авиационных конструкциях.

Гидро-акустика - распространение, поглощение, затухание звука в воде, теория гидроакустических преобразователей, теория антенн и гидроакустических эхолокаторов, распознавание движущихся объектов и др.

Акустика транспорта - анализ шумов, разработка методов и средств звукопоглощения и звукоизоляции в различных видах транспорта (самолетах, поездах, автомобилях и др.).

Медицинская акустика - разработка медицинской аппаратуры, основанной на обработке и передаче звуковых сигналов (слуховые аппараты, диагностические приборы).