Сопоставление колебательных процессов. Энергия незатухающих гармонических колебаний

В таблице 6.1 представлены характеристики рассмотренных колебательных процессов

Таблица 6.1. Характеристики свободных и вынужденных колебаний

На рис. 6.8. представлены Колебательные явления различной физической природы.

Рис. 6.8. Колебательные явления различной физической природы

Вибрация

Человек постоянно испытывает различного рода вибрационные воздействия в транспорте, на производстве, в быту. Колебания, возникшие в каком-либо месте тела (например, руке рабочего, держащего отбойный молоток), распространяются по всему телу в виде упругих волн. Эти волны вызывают в тканях организма переменные деформации различных видов (сжатие, растяжение, сдвиг, изгиб). Действие вибраций на человека обусловлено многими факторами, характеризующими вибрации: частотой (спектр частот, основная частота), амплитудой, скоростью и ускорением колеблющейся точки, энергией колебательных процессов.

Продолжительное воздействие вибраций вызывает в организме стойкие нарушения нормальных физиологических функций. Может возникнуть «вибрационная болезнь». Эта болезнь приводит к ряду серьезных нарушений в организме человека.

Влияние, которое вибрации оказывают на организм, зависит от интенсивности, частоты, длительности вибраций, места их приложения и направления по отношению к телу, позе, а также от состояния человека и его индивидуальных особенностей.

Виды вибраций

в зависимости от источника возникновения:

– локальная вибрация, передающаяся человеку от ручного механизированного (с двигателями) инструмента;

– локальная вибрация, передающаяся человеку от ручного немеханизированного инструмента;

– общая вибрация 1 категории – транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах транспортных средств, движущихся по местности, дорогам и пр.

Пример: тракторы, грузовые автомобили;

– общая вибрация 2 категории – транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений и т. п.

Пример: краны, напольный производственный транспорт;

– общая вибрация 3 категории — технологическая вибрация, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.

Пример: станки, литейные машины.

– общая вибрация в жилых помещениях и общественных зданиях от внешних источников.

Пример: вибрация от проходящего трамвая.

– общая вибрация в жилых помещениях и общественных зданиях от внутренних источников.

Пример: лифты, холодильники.

Вибрация возникает в самых разнообразных технических устройствах вследствие несовершенства их конструкции, неправильной эксплуатации, внешних условий (например, рельеф дорожного полотна для автомобилей), а также специально генерируемая вибрация.

Вибрации в технике, конструкциях:

Вибрационные сита;

Вибрационные дробилки;

Соломотряс и очистка зерноуборочного комбайна;

Вибрационные транспортеры;

Бетоноуплотнительные машины (глубинные вибраторы, виброрейки, виброопалубка);

«Разгрузочные вибраторы» железнодорожных вагонов;

Виброшлифмашины;

Инфразвуковые боевые генераторы;

Геофизические сейсмоиммитаторы;

Вибромассажеры; игровые симуляторы (в компьютерных гаджетах, джойстиках) для повышения реалистичности игры.

Сопутствующий эффект вибрации:

Работающие электродвигатели, особенно плохо сбалансированные;

Работающее дерево-, и металлообрабатывающее оборудование;

Газотурбинные двигатели самолетов и др. транспортных средств;

Судовые дизельные двигатели и трансмиссия;

Двигатели внутреннего сгорания и трансмиссия автомобилей;

Вибрация трансформаторов и соленоидов;

Дрожание нагревательных обмоток муфельных печей;

Дрожание водопровода и систем отопления при наличии «воздушных пробок»;

Вибрации металлоконструкций;

Вибрации железобетонных конструкций вследствие теплового нагрева;

Низкочастотные вибрации музыкальных установок;

Вибрации ракетных двигателей при работе;

Вибрации газопроводов, углепроводов и нефтепроводов при перекачке сырья;

Вибрации нагнетателей на газоперекачивающих агрегатах;

Вибрации насосов на нефтеперекачивающих системах;

Вибрации башен, дымовых труб, антенн, при знакопеременных ветровых нагрузках;

Вибрации ручного электроинструмента: дрели, отбойные молотки;

Плохое состояние дорожного покрытия (для автомобилей), рельсы (для поездов) и др.

Природные вибрации: землетрясения, атмосферные разряды.

Вибрации в живых организмах:вибрации напряженных мышц; вибрации сопровождающие дыхание (храп); вибрации голосовые: низкие частоты речи человека.

Допустимый уровень вибрации. Нормирование технологической вибрации как общей, так и локальной производится в зависимости от её направления в каждой октавной полосе (1,6 – 1000 Гц) со среднеквадратическими виброскоростями (1,4 – 0,28)10−2м/с, и логарифмическими уравнениями виброскорости (115 – 109 дБ), а также виброускорением (85 – 0,1 м/с²). Нормирование общей технологической вибрации производится также в 1/3 октавных полосах частот (1,6 – 80 Гц).

Измерение вибрации. Для измерения вибрации и дополнительной оценки уровня шума применяются специализированные виброметры, виброскопы и универсальные шумовиброметры.

Воздействие на организм человека.Действие вибраций на человека различно. Оно зависит от того, вовлечён ли в неё весь организм или часть, от частоты, силы и продолжительности и прочих факторов. Воздействие вибрации может ограничиться ощущением сотрясения (паллестезия) или привести к изменениям в нервной, сердечно-сосудистой, опорно-двигательной системах. При хроническом воздействии вибрации на человека в условиях производства возможно развитие профессионального заболевания – вибрационной болезни. Заболевание характеризуется стойкими патологическими нарушениями в сердечно-сосудистой и нервной системе, а также в опорно-двигательном аппарате и высокой инвалидизацией. В Российской Федерации вибрационная болезнь находится на одном из первых мест среди хронических профессиональных заболеваний.

Но вибрация в небольшой степени и в небольших количествах оказывает положительное влияние на человека.

На рисунке 6.9 приведены области частот вибрации, оказывающие вредное действие на человека и системы его органов.

Рис. 6.9. Области частот вредного воздействия вибрации на человека

Основные формулы

Звуковые волны и шум

Физика звуковых волн

Акустикав широком смысле – это раздел физики, изучающий упругие волны от самых низких частот до самых высоких. В узком смысле – учение о звуке.

Звук в широком смысле – упругие волны, распространяющиеся в газообразных, жидких и твердых веществах; в узком смысле – явление, субъективно воспринимаемое органами слуха человека и животных.

С акустическими колебаниями и волнами человек встречается постоянно. Существует большое многообразие волновых процессов: волны, порождаемые землетрясениями, звуковые волны, распространяющиеся в воздухе, волны механических колебаний в натянутых струнах музыкальных инструментов. Несмотря на большое разнообразие, в колебательных процессах наблюдаются одни и те же закономерности, которые описываются одинаковыми математическими и физическими моделями и исследуются общими методами.

Несмотря на большое многообразие волновых процессов, в природе можно сформулировать следующее определение, справедливое для любых видов волн. Волной называется любое изменение (возмущение) состояния среды, распространяющееся с конечной скоростью и несущее энергию.

Все волны можно разделить на два типа: упругие и электромагнитные. Упругие волны или акустические – это волны, связанные с колебаниями частиц при механической деформации упругой среды (жидкой, газообразной, твердой). При этом имеет место перенос энергии упругой деформации при отсутствии переноса вещества.

Примером акустических волн являются звуковые волны, представляющие собой чередующиеся области повышенного и пониженного давления воздуха, расходящиеся от источника звука. В акустической волне частицы среды совершают колебания вокруг точки покоя.

Звуковые волны относятся к упругим волнам, которые, в свою очередь, относятся к механическим волнам. Характерной особенностью механических волн является то, что они распространяются в материальных средах (твердых, жидких или газообразных) и не распространяются в вакууме. В отличие от электромагнитных волн, которые способны распространяться и в пустоте (например, световые волны).

Звуковые волны – продольные, их колебания (сжатия) происходят в направлении распространения волны. Это связано с тем, что в жидкостях и газах упругая деформация сдвига не возникает. Если один слой жидкости или газа сместить на некоторое расстояние относительно соседнего слоя, то никаких касательных сил на границе между слоями не появляется. Силы, действующие на границе жидкости и твердого тела, а также силы между соседними слоями жидкости всегда направлены по нормали к границе – это силы давления. То же относится к газообразной среде. Следовательно, поперечные волны не могут существовать в жидкой или газообразной средах.

Звуковые волны распространяются в однородных средах с некоторой постоянной скоростью υ. Скорость распространения – это расстояние, которое пробегает волна за секунду. Например, скорость распространения звуковой волны (скорость звука) – около 330 м/с. Например, при температуре 20 С скорость распространения продольных волн в воде υ ≈ 1480 м/с, в различных сортах стали υ ≈ 5–6 км/с.

Распределение упругих волн по частоте. Проживая в мире различных волн, человек постоянно испытывает на себе влияние звука. Звуковые колебания – это не просто явление, сопровождающее его повсеместно, но и источник получения удовольствия, а также мощное информационное средство. Выполняя самые разнообразные функции, звук способен предостеречь об опасности, доставить удовольствие, стать средством общения. Мы с восторгом слушаем пение птиц, приятную музыку, вступаем в разговор с другими людьми. Звуковые колебания имеют важное значение не только для человека, но и для животных, которые используют звук, чтобы выжить.

Источники звука. Звуковые колебания вызывают вибрацией (механическим колебанием), которая зачастую глазу незаметна. К источникам звука можно отнести физические тела, осуществляющие колебания в секунду (дрожь или вибрацию) с частотой в 16-20000 раз.

Среди характеристик звука принято выделять два параметра:

тембр – частота звуковых колебаний;

громкость - амплитуда звуковой волны.

Единицей громкости звука принято считать 1 Бел (её назвали по имени одного из изобретателя телефона – Александра Грэхема Белла). Практически один Бел не используется, удобнее пользоваться децибелами, равными одной десятой Бел.

Чтобы иметь наглядное представление о размерности громкости следует принять во внимание, что

– 10 дБ – это шепот;

– 20–30 дБ соответствуют обычному шуму в жилом помещении;

– 50 дБ – это средней громкости разговор;

– с силой шума в 80 дБ работает двигатель грузовика;

– физиологический болевой порог у человека наступает при 130 дБ;

– 180 дБ может привести к разрыву барабанной перепонки.

Рассматривая звуковые колебания различной частоты, к высокочастотным волнам относят пение птиц, к низким звукам можно отнести звук мотора грузового автомобиля. Обладая всем спектром свойств и характеристик, которыми отличаются волны различной природы, звуковые волны нашли широкое применение в различных сферах.

Свойство жидкости проводить звук активно используется при разведке морских глубин. Всем известное эхо, например, применяется для определения расстояний в эхолокации. Ярким примером природных эхолокаторов можно назвать летучих мышей.

Шкала упругих волн. Звуковые колебания могут вызывать твёрдые тела (струна, земная кора), газообразные (струя воздуха), жидкие (морские волны). По частоте упругие волны разделяют на инфразвуки, слышимые звуки, ультразвуки и гиперзвуки. Шкала упругих волн представлена на табл. рис 7.1.

Таблица 7.1. Шкала упругих волн

Частота, Гц	Наименование	Способы возбуждения	Примечания
0,5 – 20	Инфразвуки	Колебания воды в больших водоемах, биение сердца	Предсказание погоды, диагностика заболеваний сердца
20 – 2*10⁴	Слышимые звуки	Голос человека и животных, музыкальные инструменты свистки, сирены, громкоговорители и т.д.	Для связи и сигнализации, а также измерения расстояний (звукометрия)
2*10^{4 –} 10¹⁰	Ультразвуки	Магнитострикционные пьезоэлектрические излучатели, свисток Гальтона; возбуждаются также некоторыми животными и насекомыми (летучие мыши, сверчки, саранча и т.д.)	Гидролокация, очистка деталей, дефектоскопия деталей и строительных конструкций, ускорение химических реакций, медецинские и биологические исследования, молекулярная физика
10¹¹ и выше	Гиперзвуки	Тепловые колебания молекул	В научных исследованиях

Действие на человека. Известно, что инфразвук способен оказать болезненное влияние на организм человека. При частотах 4-8 Гц ощущается вибрация внутренних органов, частота в 12 Гц провоцирует приступ морской болезни. Источниками инфразвука могут стать машины и механизмы с большими поверхностями, которые совершают механические колебания низкой частоты (механическое происхождение) или потоки жидкостей и газов с турбулентными свойствами (гидродинамическое или аэродинамическое происхождение). Для инфразвука характерно малое поглощение в различных средах, в связи с чем он может распространяться на большие расстояния. Это позволяет определять места сильных взрывов, предсказывать цунами, исследовать свойства водной среды

Звуковые волнылежат в диапазоне частот упругих волн, воспринимаемых ухом человека (от 20 Гц до 16-20 кГц). Источником звука могут быть любые явления, вызывающие местное изменение давления. Широко распространены источники звука в виде колеблющихся твердых тел, например диффузоры громкоговорителей, мембраны телефонов, струны и деки музыкальных инструментов.

Ультразвуковые волныпо своей природе не отличаются от волн звукового диапазона, однако человеческим ухом они уже не воспринимаются. Диапазон их частот лежит от 16-20 кГц до 1 ГГц. В связи с малой длиной волны распространение ультразвуковых волн существенно зависит от молекулярной структуры среды. Это позволяет, измеряя скорость распространения и затухание волн, судить о свойствах среды, определять наличие неоднородностей и дефектов.

Применение. Особым видом звуковых колебаний является ультразвук, весьма эффективное средство в руках медиков и других исследователей. К таким колебаниям относятся волны с частотами за 20 000 Гц. Этот вид колебаний обладает целым рядом уникальных свойств. Проходя через воду, ультразвук вызывает её кипение (кавитацию) с возникновением гидравлического удара. С помощью ультразвука можно отрывать элементы от поверхности металла, дробить твердые тела. Ультразвук позволяет смешивать жидкости, которые в обычных условиях не смешиваются, к примеру, эмульсии с масляной основой. Ультразвук позволяет производить омыление жиров. Этот принцип лежит в устройстве стиральных машин. Свойство ультразвука производить дробящий эффект нашло применение в ультразвуковых паяльниках.

Основными источниками ультразвуковых волн являются электромеханические преобразователи (пьезоэлектрические, электродинамические, электростатические и т.п.).

Источником гиперзвуковых колебаний (от 10⁹ до 10^{12 –}10¹³ Гц) является тепловое колебание атомов или ионов, составляющих кристаллическую решетку твердого тела. Это колебание можно рассматривать как тепловой шум – совокупность упругих продольных и сдвиговых волн.

Источниками гиперзвуковых колебаний могут быть пленочные пьезоэлектрические преобразователи, а также кристаллы, помещенные в объемный резонатор с электромагнитным колебанием сверхвысоких частот. В воздухе и жидкости гиперзвуковые колебания испытывают очень сильное затухание.

Звуки, встречающиеся в природе, разделяют на несколько видов.

Тон – это звук, представляющий собой периодический процесс. Основной характеристикой тона является частота. Простой тон создается телом, колеблющимся по гармоническому закону (например, камертоном). Сложный тон создается периодическими колебаниями, которые не являются гармоническими (например, звук музыкального инструмента, звук, создаваемый речевым аппаратом человека).

Шум – это звук, имеющий сложную неповторяющуюся временную зависимость и представляющий собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов (шелест листьев).

Звуковой удар – это кратковременное звуковое воздействие (хлопок, взрыв, удар, гром).

Объективные и субъективные характеристики звука. Само слово «звук» отражает два различных, но взаимосвязанных понятия:

– звук как физическое явление;

– звук – восприятие, которое испытывает слуховой аппарат (человеческое ухо) и ощущения, возникающие у него при этом. Соответственно характеристики звука делятся на объективные, которые могут быть измерены физической аппаратурой, и субъективные, определяемые восприятием данного звука человеком.

К объективным (физическим) характеристикам звука относятся характеристики, которые описывают любой волновой процесс: частота, интенсивность и спектральный состав. В таблицу 7.2. включены сравнительные данные объективных и субъективных характеристик.

Частота звука измеряется числом колебаний частиц среды, участвующих в волновом процессе, в 1 секунду.

Интенсивность волны измеряется энергией, переносимой волной в единицу времени через единичную площадь (расположенную перпендикулярно направлению распространению волны).

Спектральный состав (спектр) звука указывает из каких колебаний состоит данный звук и как распределены амплитуды между отдельными его составляющими. Различают сплошные и линейчатые спектры.

Таблица 7.2. Объективные характеристики механических волновых процессов

Величина и ее обозначение	Уравнение для определения единицы измерения	Единица измерения	Сокращенное обозначение
Частота			Гц
Звуковое давление р		ньютон на квадратный метр (паскаль)
Плотность звуковой энергии		джоуль на кубический метр
Поток звуковой энергии (звуковая мощность)		ватт	Вт
Интенсивность звука I		Ватт на квадратный метр

Субъективные и характеристики звука

Субъективные характеристики	Объективные характеристики
Высота звука	Высота звука определяется частотой волны
Тембр (окраска звука)	Тембр звука определяется его спектром
Громкость (сила звука)	Сила звука определяется нтенсивностью волны (или квадратом ее амплитуды)

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 811; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!