CC BY
49
ГИАБ. Горный информационно-аналитический бюллетень / MIAB. Mining Informational and Analytical Bulletin, 2022;(3):165-180 ОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯ / ORIGINAL PAPER
УДК 331.45 DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_165
ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ ЗВУКОПОГЛОЩАЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ КОНСТРУИРОВАНИИ СРЕДСТВ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОРГАНА СЛУХА
М.Л. Рудаков1, Н.Е. Дука1
1 Санкт-Петербургский горный университет, Санкт-Петербург, Россия, e-mail: [email protected]
Аннотация: Представлен аналитический обзор основных научных трудов, посвященных изучению акустических свойств различных материалов, которые могут применяться в производстве средств индивидуальной защиты органа слуха. Отмечены основные негативные последствия длительного воздействия производственного шума на работников угольной промышленности. На основании проведенного обзора сделан вывод о том, что вопрос создания и исследования универсального эффективного звукопоглощающего материала остается актуальным на сегодняшний день. В связи с этим цель работы состояла в изучении свойств звукопоглощения двух пористых материалов и одной акустической мембраны. Главным критерием оценки исследуемых образцов являлась возможность поглощения шума, генерируемого горной техникой при подземной добыче угля в средних и высоких диапазонах частот. В соответствии с акустическими расчетами были определены значения коэффициентов звукопоглощения. Полученные акустические характеристики были сравнены с нормативными требованиями для установления класса шумозащиты. Определен наиболее подходящий по эффективности материал. Предложено сочетание акустических материалов, которое позволит поглощать производственный шум во всем частотном диапазоне. Приводится сравнение с существующим на рынке техническим устройством. Сделан вывод о необходимости продолжения работ по изучению свойств звукопоглощения комбинации нескольких акустических материалов.
Ключевые слова: защита от шума, звукопоглощение, производственный шум, нейросен-сорная тугоухость, источники шума, средства индивидуальной защиты, пористые материалы.
Для цитирования: Рудаков М. Л., Дука Н. Е. Изучение свойств звукопоглощающих материалов при конструировании средств индивидуальной защиты органа слуха // Горный информационно-аналитический бюллетень. - 2022. - № 3. - С. 165-180. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_165.
Analysis of properties of deafeners to design personal ear protectors
M.L. Rudakov1, N.E. Duka1
1 Saint-Petersburg Mining University, Saint-Petersburg, Russia, e-mail: [email protected]
Abstract: The article reviews some basic researches into acoustic properties of different materials suitable for manufacturing of personal hearing protection devices. The major after-effects of long-term noise exposure of personnel in the coal mining industry are listed. Based on the
© М.Л. Рудаков, Н.Е. Дука. 2022.
review, it is summarized that it is of the current concern to create a universal effective deafener. To this end in view, acoustic absorption properties of two porous materials and one acoustic membrane are studied. The main assessment criterion is the ability to absorb noise generated by mining machines during underground coal cutting in the medium- and high-frequency bands. The acoustic design provides the acoustic absorption ratios. The found acoustic characteristics are compared with the regulatory requirements to determine the noise protection class. The best effective deafener is identified. The authors propose a combination of deafeners to ensure industrial noise absorption within the whole frequency range. The result is compared with the device available on the market. The authors come to a conclusion on the need to continue the studies into the properties of a combination of acoustic materials to absorb sound. Key words: noise protection, acoustic absorption, industrial noise, perceptive deafness, noise sources, personal protectors, porous materials.
For citation: Rudakov M. L., Duka N. E. Analysis of properties of deafeners to design personal ear protectors. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2022;(3):165-180. [In Russ]. DOI: 10.25018/0236_1493_2022_3_0_165.
Введение
Одним из основных вредных производственных факторов, воздействующих на горнорабочих, является технологический шум. Длительное воздействие высоких уровней звука может привести к временному или постоянному повреждению слухового нерва, что в свою очередь влияет на социальную и трудовую жизнь рабочего. Последствия воздействия повышенного уровня шума в течение рабочей смены могут выражаться в проявлении таких заболеваний, как тиннитус (звон в ушах), нейросенсорная тугоухость, артериальная гипертензия, нарушение сна, постоянные головные боли [1, 2]. Исследования, проведенные В. Чангом, К. Вангом, Р. Алянином, М. Галямовым и Э. Абдракхмановой доказывают, что человек, подвергающийся постоянному воздействию повышенного уровня шума, в среднем тратит на 10 — 20% больше физических и психических усилий для того, чтобы поддерживать свою работоспособность, в сравнении с достигнутой в условиях с уровнем звука ниже 70 дБА [3]. Установлено, что производственный шум
может способствовать увеличению интенсивности заболеваемости рабочих в целом на 10-15% [4, 5].
В соответствии с представленными сведениями Минтруда Российской Федерации за 2019 г., профессиональные заболевания органа слуха были выявлены у 19% работников угольной промышленности [6]. В свою очередь, по данным Национального института охраны труда США (NIOSH) потеря слуха из-за промышленного шума, а именно нейросенсорная тугоухость, является наиболее распространенным профессиональным заболеванием на угольных предприятиях в Соединенных Штатах. Произведенный анализ профессиональных заболеваний за 5 лет выявил 1349 шахтеров, у которых была установлена нейросенсорная тугоухость и тиннитус [7, 8]. Средний порог слышимости «здоровых» шахтеров, вышедших на пенсию, был на 20 дБ выше, чем у населения в целом [9].
Подобная ситуация с шумовым воздействием наблюдается по всему миру в горнопромышленном комплексе. Так, например, исследование на угольных шахтах Южной Африки показало, что
в среднем за год около 70% сотрудников подвергались воздействию уровня шума, превышающего установленный законодательством нормативный уровень воздействия в 85 дБА [10].
Высокие уровни звукового давления (УЗД) наблюдаются для многих профессий угольного комплекса. Например, эквивалентный уровень звука для операторов непрерывного горного производства имеет значение 90 дБА и диапазон, который варьируется от 80 до 105 дБА [11, 12]. Основными способами борьбы с шумом в условиях подземной добычи является применения средств индивидуальной защиты органа слуха, изготовленных из специальных акустических материалов. В настоящее время СИЗ (средства индивидуальной защиты) органа слуха изготавливаются с применением классических абсорбируемых материалов и позволяют снижать общий уровень воздействия шума на 15 — 25 дБ [13]. Немаловажным аспектом изучения данной темы является то, что большая часть существующей информации о звукопоглощающих материалах устарела и имеет ограниченную ценность для текущих исследований.
Определено, что коэффициент звукопоглощения СИЗ органа слуха на низких частотах находится в зависимости от характеристик уплотняющего слоя наушников (амбушюров); на средних частотах — от характеристик наполнителя и особенностей конструкции корпуса чашки; на высоких частотах — от характеристик материала, из которого изготовлен корпус и шумозащитный слой наушников. В соответствии с этим проводятся работы по совершенствованию образцов СИЗ [14, 15].
В настоящее время изучаются такие материалы, как плотная резина, акустический поролон, синтетические и органические волокнистые материалы, металлические и базальтовые маты, гид-
рогели и гелиевые пластины, которые используются в качестве акустического абсорбента [16, 17]. Акустические поглощающие материалы можно разделить на одиночные резонаторные, перфорированные и микроперфорированные панели и мембранные абсорбирующие пластины. Материалы, основанные на резонансном поглощении наиболее распространены и дешевы, однако имеют ряд недостатков, связанных с невысокой эффективностью поглощения частот высокого диапазона, некоторых средних частот и коротким сроком службы [18].
Согласно проведенному анализу литературных источников Я.Г. Готлиб и Н.П. Алимов утверждают, что предел эффективности существующих противошумных наушников и вкладышей не превышает 37 дБ. При изучении технических характеристик средств индивидуальной защиты органа слуха от 3М, Peltor и Uvex было выявлено, что максимальное снижение эквивалентного уровня звука составляет 35 дБА [19]. Данное значение является максимальным показателем эффективности шумоподавления по SNR в соответствии с ГОСТ Р 12.4.212-99. Однако стоит отметить, что стоимость данных технических средств довольно высока.
Масштабное исследование эффективности применяемых СИЗ органа слуха было проведено Э. Байером, Д. Бабичем и Дж. Вайпперманом. Измерения проводились в 8 подземных угольных шахтах США. Исследовались участки с функционирующей лавой и участки с непрерывно работающими дизельными таранными машинами. На каждой шахте дозиметры и ушные микрофоны носили только работники забоя. Это связано с тем, что данные горнорабочие, предположительно, будут подвергаться значительному воздействию шума, а применяемое ими оборудование несет наибольшую опас-
ность для здоровья. Примечательно, что во всех исследуемых горных выработках дозы шума превышали допустимые пределы более чем на 100%, а среднее значение эквивалентного звукового давления под СИЗ органа слуха составляло не менее 90 дБА. В результате было выявлено, что даже на значительном расстоянии от очистного комбайна УЗД составил от 90 до 98 дБА [20]. Следовательно, применяемые защитные наушники на данных рабочих местах неэффективны, и необходим подбор СИЗ органа слуха на основе иных звукопоглощающих материалов.
Изучению вопроса определения коэффициента звукопоглощения ряда материалов в частотном диапазоне от 3000 до 6000 Гц посвящена исследовательская работа группы авторов М.В. Иванова, С.А. Гаврильева, С.А. Трофимова, Б.С. Ксенофонтова и О.А. Иванова [21]. Эксперимент проводился с экструдиро-ванными пенополистиролами фирм Ra-vatherm, URSA и Пеноплекс. В ходе исследования были получены следующие результаты: экструдированные пенопо-листиролы фирм Ravatherm и URSA имеют коэффициент звукопоглощения 0,5-0,7, однако, на границах исследуемого частотного диапазона эффективность звукопоглощения составляет 0,2-0,3. Эффективность пенополистирола производителя Пенофлекс в заданном частотном диапазоне составила 0,75-0,85. Несмотря на полученные значения, данный материал непригоден для создания из него средств индивидуальной защиты органа слуха. Данный факт обусловлен тем, что полученные результаты звукопоглощения достигаются при использовании материала толщиной, равной 60 мм, что является невозможным при конструировании защитных наушников.
К. Томозеи, В. Недеф и Г. Лазар в своих работах рассматривали вариации комбинирования различных акустиче-
ских материалов. Также авторы предположили, что эффективно использование конструкции наушников с двойными стенками и двойным экраном. Между двумя звукоизоляционными экранами из фольги авторы предлагают разместить акустический гель или гелиевую жидкость [22]. Данная конструкция не лишена ряда недостатков: сложность изготовления, недолговечность, невозможность применения в условиях подземной добычи угля.
Изучению свойств звукопоглощения волокнистых материалов различного генезиса посвятила свои труды группа авторов из Китая [23]. Предложенная исследователями эмпирическая модель выполняет функцию определения коэффициента звукопоглощения на основе легкого воздушного потока. С помощью данного способа были изучены различные волокнистые материалы, включая неорганические и металлические волокна, синтетические волокна, натуральные нановолоконные мембраны, пенопласт и композиты с внутренними порами. Авторами были отмечены преимущества некоторых материалов, например, неорганические и металлические волокна обладают коррозионной стойкостью, устойчивостью к высоким температурам и имеют длительный срок службы. В свою очередь, натуральные волокнистые материалы являются биоразлагаемыми, возобновляемыми и экологически чистыми. Нановолокнистые материалы легкие и обладают достаточной эффективностью в отношении поглощения низкочастотного шума. Авторами был сделан вывод о том, что по сравнению с натуральными волокнистыми материалами структурное разнообразие синтетических волокон может улучшить эффективность снижения шума. Волокнистый войлок является эффективным образцом в качестве звукопоглощающего материала вследствие большой задей-
ствованной поверхности и пористости. Данный материал имеет коэффициент звукопоглощения 0,98 в диапазоне частот выше 2000 Гц.
В исследованиях [24], направленных на изучение шумоподавляющих характеристик пористых материалов, отмечено, что высокопористые полиуретаны особенно эффективны в диапазоне высоких частот, но не подходят для подавления низких и средних частот (от 60 до 2500 Гц). В связи с этим автором было предложено использование данных материалов для изготовления различных глушителей нестандартной формы, а не в качестве абсорбционного материала в СИЗ органа слуха.
Изучению звукопоглощения пористых материалов посвящены несколько исследовательских работ [25, 26]. Авторами сделан вывод о том, что наиболее эффективное поглощение производственного шума обеспечивают пористые проницаемые материалы из сферического порошка бронзы марки БрОФ10-1 с размерами частиц 350-400 мкм. Установлено, что оптимальная толщина слоя поглотителя составляет 3,5 мм. Стоит учитывать, что данный материал способен обеспечить эффективное звукопоглощение, если уровень производственного шума не превышает 100 дБ.
В научных исследованиях [27] в качестве звукопоглощающего материала рассматривается шерстяная абсорбционная плита, изготовленная с использованием традиционной нетканой технологии и грубой шерсти в качестве основного сырья, смешанного с тепло-связывающими волокнами. С помощью метода передаточной функции и метода трубки стоячей волны были изучены звукопоглощающие свойства шерстяных плит в диапазоне частот 250—6300 Гц с изменением толщины, плотности и глубины резонатора. Результаты указывают на то, что шерстяные плиты демон-
стрируют оптимальные свойства поглощения шума на высоких частотах (0,8-0,92), но на низких эффективность близка к 0. С увеличением толщины образца коэффициент звукопоглощения шерстяных плит увеличивался на низких частотах и уменьшался на высоких. Были достигнуты высокие значения коэффициента звукопоглощения при увеличении плотности и толщины до 40 мм. Шерстяные абсорбционные плиты возможно применять в конструировании СИЗ органа слуха, но в условиях подземной добычи угля возникает вопрос о долговечности и безопасности данного материала.
А. Патнаик [28] посвятил свои исследовательские труды изучению гибридных материалов и методов шумоподавления. Автором были рассчитаны акустические свойства нановолокон, используемых вместе с ПЭТ-матом (ПЭТ — полиэтилентерефталат). Значения коэффициента звукопоглощения для ПЭТ со слоем нановолокна увеличиваются на низкой частоте 125 — 1000 Гц. Максимальное увеличение наблюдалось на частоте 500 Гц, где значения коэффициента звукопоглощения составляли 0,40 для мата со слоем нановолокна и 0,20 без слоя нановолокна. При изучении диапазона частот от 1000 до 2500 Гц наблюдалось дальнейшее увеличение значений подавления шума для ПЭТ-мата со слоем нановолокна: при 1600 Гц значение коэффициента звукопоглощения явилось максимальным и составило 0,92. В высоком частотном диапазоне от 2500 до 5000 Гц эффективность звукопоглощения составила 55%. Также автором были исследованы характеристики слоистого полиакрилонитрила (ПАН) и нановолокна (Ри), полученные методом электроспиннинга. Средние диаметры полученных волокон ПАН и Ри составили 121 и 203 нм соответственно. Плотность слоев составляла 1,3 и 5 г/м2.
Данные слои были зажаты между двумя слоями нетканого материала (ПЭТ и шерсть) для получения окончательных образцов. По сравнению с ПЭТ и шерстяными матами значения звукопоглощения полученных материалов увеличились на частотах 50 — 6200 Гц. На частоте 2000 Гц коэффициент звукопоглощения достиг максимального показателя 0,71. В качестве звукопоглощающего материала автором были исследованы микро-перфорированные панели.
Отмечено, что данные материалы способны функционировать по принципу комбинированного активно-пассивного контроля шума. Главный критерий для использования рассматриваемых образцов панелей — наличие пор с размерами в субмиллиметровой области. Звуковые волны распространяются в микроперфорированной структуре, тем самым акустическая энергия преобразуется в тепло за счет трения между внутренней поверхностью перфорации и звуковой волной, распространяющейся в воздухе. Перфорация может быть выполнена в виде отверстий или пазов диаметром менее 0,3 мм. Автор отметил, что перфорации данного диаметра обеспечивают достаточное сопротивление звуковой волне для обеспечения широкого диапазона звукопоглощения (от 500 до 3500 Гц). Подобными исследованиями также занимались В.Ю. Радоуцкий, В.Н. Шул ьженко и М.Н. Степанова [29].
Научные работы [30, 31] посвящены изучению показателей поглощения звука многослойным микроперфорирован-ным панельным поглотителем (МРРА), передний слой которого изготавливается с помощью аддитивного производства. Слои МРРА печатаются с использованием полимерного материала. Пористый слой поглощающего материала прикреплен за слоем МРРА для создания многослойного акустического поглотителя. Для исследования влияния степени пер-
форации и глубины воздушного зазора за MPPA на коэффициент звукопоглощения были проведены испытания в трубке импеданса. Результаты измерений сравнивались с теоретическими расчетами. Было выявлено, что использование пористого звукопоглощающего материала вместе с MPPA расширяет полосу поглощаемых частот. Коэффициент звукопоглощения можно изменять от 0,8 до 0,98, варьируя коэффициент перфорации MPPA или глубину воздушного зазора за панелью.
Проблема выбора эффективного материала, обеспечивающего оптимальное соотношение эффективности звукопоглощения, стоимости и долговечности, в конструкции СИЗ органа слуха является актуальной и на сегодняшний день [32, 33].
Целью настоящего исследования является изучение свойств звукопоглощения в средних и высоких частотных диапазонах от шума горной техники акустического пенополиуретана SPG 2540, акустической мембраны Звукоизол ВЭМ 2 и вспененного пенополиуретана Би-пласт 5К; рассмотрение возможности дальнейшего применения данных материалов при конструировании защитных наушников.
Методы исследования
Для оценки звукоизолирующих свойств акустического поролона SPG 2540, пенополиуретана Бипласт 5К и акустической мембраны Звукоизол ВЭМ 2 в качестве источника шума рассматривается горная техника, применяемая при разработке угольных пластов подземным способом: проходческий комбайн 1ГПКС-06, очистной комплекс КМ-130, ручной горный перфоратор HYCON HRD 100.
Значение уровней шума представлены в табл. 1.
Значения уровней звукового давления от оборудования нормируются в со-
Таблица 1
Уровни шума горного производственного оборудования Mining equipment noise levels
Величина Эквивалентные октавные уровни звукового давления, дБ L , экв дБА ^Атах* дБА
63 125 250 500 1000 2000 4000 8000
1ГПКС-06 77,3 79,5 83,0 90,3 90,9 88,0 83,6 78,9 95 97
КМ-130 80,3 82,5 85,2 89,5 92,5 93,8 92 87,6 99 104
HRD 100 84,3 87,7 90,0 91,3 94,9 95,6 94,0 89,9 101 109
ответствии с СП 51.13330.2011 «Защита от шума» [34].
По представленным данным можно сделать вывод о необходимости подбора материала для защитных наушников, который будет соответствовать 3-му классу акустической эффективности (поглощение шума до 110 дБ с коэффициентом звукопоглощения не менее 0,8 согласно Техническому регламенту Таможенного союза (ТР ТС) 19/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты»). Также стоит отметить, что основные превышения наблюдаются в диапазонах Н и М (среднечастотный шум и высокочастотный шум соответственно).
Расчетная формула коэффициента шумопоглощения пористых материалов представляет собой отношение интенсивности поглощенного шума к интенсивности падающего потока звуковой энергии [35]:
« = ///, (1)
погл' пад' 4 '
где /погл — интенсивность поглощенного шума; /пад — интенсивность поступающего шума.
Исходя из того, что звуковые потоки распространяются по всей толщине пористого материала (вспененный пенополиуретан толщиной 20 мм), и будут проходить минимум 8 слоев, получаем выражение:
X/
погл / *•} \
а = -•
Потери на демпфирование окружающим воздухом рассчитываются по формуле (3):
I = I -г, (3)
п п1 4 '
где / = / • т — прошедшая через материал звуковая энергия; 8 — коэффициент звукопоглощения.
Следовательно.отраженныйотпори-стого материала поток энергии определяется выражением (4):
/2 = 1,(1- т). (4)
Для нахождения данного значения воспользуемся формулой Пэриса [35]:
т= ^ ; (5)
безразмерный комп-
га „■/
где $ =
р-с
леке; / = со/271: — частота, Гц; т — поверхностная плотность материала, кг/м2; р — плотность воздуха, кг/м3; с — скорость звука в воздухе, м/с.
Коэффициент звукопоглощения используется для учета потери части звуковой энергии за счет перехода в тепловую. Данные потери энергии берутся пропорционально теоретическому количеству прошедшей энергии и выражаются формулой [35]:
е =
1 +
4 2
-а + О 3 3
(6)
или в сокращенной форме I = I • е,
V Пр '
где I — энергия диссипации; а — коэф -фициент звукопоглощения материала, м/с.
Таким образом, определяем интенсивности звукового потока, падающего и прошедшего через пористый материал, потери на демпфирование окружаю-
а~-
щим воздухом и получаем формулу для нахождения коэффициента звукопоглощения пористого материала:
а = 1 - т + т • е + т2(1 - е) + +т2(1 -е)е + т3(1 -е)2 + (7) +т3 (1 - е)2 е + т4 (1 - е)3 + т4 (1 -е)3 е После подстановки получаем:
V ^
1
4 2
-а + - Q 3 3
Y (
-1
h (1 + Q2 )
Л2
Q2
-1
1
42
а + Q 33
1
42
а + Q 33
h (1 + Q2 )
Q2
Y f
-1
i+-
1
4 2
—a + —Q 3 3
1
1+
1
4 2
-a + - Q 33
\
nV
h (1 + Q2)
Q2
-1
1+
1
4 2
— a + —Q 33
2
h (1 + Q2)
Q2
+1.
(8)
Исходные данные по исследуемым ма- щения мембраны Звукоизол учитыва-
териалам приведены в табл. 2. ется ее строение из нетканого полотна.
При использовании данного метода Таким образом, расчет акустической
для расчета коэффициента звукопогло- эффективности для данного материала
1
1
1
1
1
1
3
1
1
2
2
1
2
Таблица 2
Паспортные данные исследуемых материалов Specifications of test materials
——^Показатели Материал a (паспортное) р1, кг/м3 р при 20 °С, кг/м3 c при 20 °С, м/с d, мм d (пор), мм
Акустический пенополиуретан SPG 2540 0,6 22 22 343,1 20 0,01-0,5
Вспененный пенополиуретан Бипласт 5К 0,4 25 25 343,1 10 0,01-0,2
Звукоизол ВЭМ 2 0,6 1250 1250 343,1 2 -
упрощается — не рассматривается распределение энергии внутри материала.
Результаты
Полученные результаты акустической характеристики исследуемых материалов показывают, что для борьбы с шумом в средних и высоких частотных диапазонах предпочтительнее акустический пенополиуретан SPG 2540. Коэффициент звукопоглощения составил от 0,829 до 0,820. Так, в соответствии с ГОСТ 23499-2009 акустический пенополиуретан SPG 2540 относится к В-классу по коэффициенту звукопоглощения (рис. 1), и согласно ТР ТС 19/2011 «О безопасности средств индивидуальной защиты» данный материал соответ-
ствует 3-му классу шумозащиты и способен поглощать шум в среднем и высоком диапазонах до 110 дБ. Расчетные значения коэффициентов звукопоглощения исследуемых материалов представлены в табл. 3.
По полученным данным были построены диаграммы значений коэффициентов звукопоглощения (рис. 2).
Стоит отметить, что результаты математического расчета показателя пенополиуретана SPG2540 показывают высокий уровень сходимости с данными коэффициентов звукопоглощения, предоставленными производителями (рис. 3).
Ближайшим аналогом по эффективности исследуемого материала является готовое техническое устройство —
Рис. 1. Нормативные кривые, ограничивающие классы звукопоглощения и расчетная кривая акустического пенополиуретана SPG 2540
Fig. 1. Standard curves of acoustic absorption classification and theoretical curve of acoustic polyurethane foam SPG 2540
e1
3
• 2
g 250 500 1000 2000 4000 8000
^ Частота, Гц
"m* 1 —•—Акустический пенополиуретан SPG 2540 iâ 2 —•—Звукоизол ВЭМ 2
3 —•—Вспененный пенополиуретан Бипласт 5К
Рис. 2. Диаграммы значений коэффициента звукопоглощения исследуемых материалов Fig. 2. Diagram of acoustic absorption coefficients of test materials
Таблица 3
Значения коэффициента звукопоглощения в зависимости от материала в октавных полосах со среднегеометрическими частотами Acoustic absorption coefficient depending on material in octave bandwidths with geometric mean frequencies
Частота, Гц 250 500 1000 2000 4000 8000
Материал Коэфс >ициент звукопоглощения, a
Акустический пенополиуретан SPG 2540 0,302 0,591 0,829 0,867 0,853 0,820
Вспененный пенополиуретан Бипласт 5К 0,485 0,612 0,713 0,816 0,799 0,731
Звукоизол ВЭМ 2 0,917 0,961 0,717 0,552 0,399 0,282
<D i
g 0,8 я ' я о
В 0,6
о
s
g 0,4
u
g 0,2
я
я
■§• 0
m
3
0,84 0,85 0,84 0,82
оу Г 0,829 о/ - ^ 0,853
0,31/ у ( У 0,591 1
0 12 ),302
1
125 250 500 1000
1 —•— Паспортные данные
2 —•—Расчетные данные
2000 4000 8000 Частота, Гц
Рис. 3. Сравнение расчетных коэффициентов звукопоглощения SPG2540 с паспортными a Fig. 3. Comparison of calculated acoustic absorption coefficients of SPG2540 with rated values a
Рис. 4. Уровни ослабления шума наушниками 3M Peltor Optime Fig. 4. Levels of noise reduction by 3M Peltor Optime earmuffs
защитные наушники 3М РеНог Ор^те, имеющие общий коэффициент звукопоглощения 0,82 (уровни снижаемого шума представлены на рис. 4). Известно, что в частотном диапазоне от 100 Гц до 350 Гц данные наушники усиливают посторонние звуки, однако на частоте 3150 Гц ослабление составляет 29,5 дБ.
Весомым недостатком данного технического изделия является его конструкция: наушники оснащены уплотни-тельными прокладками, изготовленными
из материала, сочетающего в себе вспененную основу и жидкость. Следовательно, данные СИЗ органа слуха сложны и дороги в производстве.
При использовании комбинации акустического пенополиуретана SPG 2540 и Звукоизола ВЭМ 2 возможно добиться общего звукопоглощения 0,84, тем самым обеспечить защиту органа слуха от производственных шумов в высоких, средних и низких частотных диапазонах (рис. 5).
^ 250 500 1000 2000 4000 8000
"g* 1 —«—Акустический пенополиуретан SPG 2540 Частота, I ^ 2 —•—Звукоизол ВЭМ 2
Рис. 5. Диаграмма коэффициентов звукопоглощения для акустического пенополиуретана SPG 2540 и Звукоизола ВЭМ 2
Fig. 5. Diagram of acoustic absorption coefficients for acoustic polyurethane foam SPG 2540 and sound insulator Zvukoizol VEM 2
Выводы
1.В целях определения значения звукопоглощения акустического пенополиуретана SPG 2540, акустической мембраны Звукоизол ВЭМ 2 и вспененного пенополиуретана Бипласт 5К был выполнен теоретический расчет. Коэффициенты звукопоглощения составили для акустического пенополиуретана SPG 2540 — 0,71, акустической мембраны Звукоизол ВЭМ 2 — 0,63, вспененного пенополиуретана Бипласт 5К — 0,69. Установлено, что акустический пенополиуретан SPG 2540 поглощает до 85% шума в среднем и высоком частотном диапазоне (от 1000 до 8000 Гц). Акустическая мембрана Звукоизол ВЭМ 2 поглощает до 92% шума в низком частотном диапазоне (от 125 до 1000 Гц).
2. Результаты математического моделирования звукопоглощения показывают высокий уровень сходимости с паспортными значениями коэффициентов звукопоглощения. Полученные данные
свидетельствуют о том, что использование акустического пенополиуретана SPG 2540 обеспечит достаточно высокий уровень поглощения шума. В диапазоне частот от 1000 до 4000 Гц наблюдается снижение уровня шума на 65 — 75 дБ, что соответствует коэффициенту звукопоглощения 0,83-0,87. Следовательно, данный материал целесообразно применять с целью конструирования СИЗ органа слуха для рабочих мест, где используются проходческий комбайн 1ГПКС-06, очистной комплекс КМ-130 и ручной горный перфоратор HYCON HRD 100.
3. Толщина акустического пенополиуретана (20 мм) и акустической мембраны (2 мм) позволяет комбинировать их при конструировании универсальных защитных наушников. Данная комбинация имеет общий коэффициент звукопоглощения 0,87 и является перспективным материалом для дальнейшего изучения и использования.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дьякович М. П., Семенихин В. А., Раудина С. Н. Качество жизни, связанное со здоровьем, у пациентов с сенсоневральной тугоухостью профессионального генеза // Медицина в Кузбассе. — 2017. — № 4. — С. 80 — 85.
2. Madahana M. C., Nyandoro O. T., Moroe N. F. Engineering noise control for mines: Lessons from the world // South African Journal of Communication Disorders. 2020, vol. 67, no. 2, article 684. DOI: 10.4102/sajcd.v67i2.684.
3. Qi Z. Q., Wang H., Chang W, Wang Q. Analysis for the Influence of Industrial Noise on Brain Cognition of Workers // Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University. 2017, vol. 38, no. 11, pp. 1590 — 1594. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2017.11.015.
4. AlyaninA. F., GallyamovM. A., Abdrakhmanova E. N. Industrial noise. Problems and solutions // Oil and Gas Business. 2019, no. 2, pp. 128 — 142. DOI: 10.17122/ogbus-2019-2-128-142.
5. Sidorenko A. A., Sishchuk J. M., Gerasimova I. G. Underground mining of multiple coal seams: Problems and solutions // Eurasian Mining. 2016, no. 2, pp. 11 — 15. DOI: 10.17580/ em.2016.02.03.
6. Доклад о состоянии охраны труда в Российской Федерации, Министерство труда РФ, 2019. [Электронный ресурс] URL: https://eisot.rosmintrud.ru/monitoring-uslovij-i-okhrany-truda.
7. SangWoo T., Calvert G. M. Hearing difficulty attributable to employment by industry and occupation: An analysis of the national health interview survey — United States // Journal of Occupational and Environmental Medicine. 2008, vol. 50, no. 1, pp. 46 — 56. DOI: 10.1097/ JOM.0b013e3181579316.
8. Liebenberg A., Brichta A., Nie V., Ahmadi S, James C. Hearing threshold levels of Australian coal mine workers: a retrospective cross-sectional study of 64196 audiograms // International Journal of Audiology. 2021, vol. 60, pp. 1-12. DOI: 10.1080/14992027.2021.1884908.
9. Kan S., Azman A. S. Evaluating hearing loss risks in the mining industry through MSHA citations // Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2018, vol. 15, no. 3, pp. 246262. DOI: 10.1080/15459624.2017.1412584.
10. Edwards A. L., Dekker J. J., Franz R. M., van Dyk T., Banyini A. Profiles of noise exposure levels in South African Mining // Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2011, vol. 111, no. 5, pp. 315-322.
11. Чемезов Е. Н. Принципы обеспечения безопасности горных работ при добыче угля // Записки Горного института. - 2019. - Т. 240. - С. 649-653. DOI: 10.31897/ PMI.2019.6.649.
12. Nikulin A. N., Dolzhikov I. S., Golod V. A., Stepanova L. V. Assessment of noise impact on coal mine workers including way to/from workplace // Naukovyi Visnyk Natsional-noho Hirnychoho Universytetu. 2021, vol. 2020, no. 2, pp. 151-155. DOI 10.33271/nvn-gu/2021-2/151.
13. McDaid D., Park A., Chadha S. Estimating the global costs of hearing loss // International Journal of Audiology. 2021, vol. 60, pp. 1-9. DOI: 10.1080/14992027.2021.1883197.
14. Nikulin A., Ikonnikov D., Afanasev P. Application of individual mobile soundproof cabin at process operator working area // Journal of Engineering and Applied Science. 2020, vol. 23, pp. 333-340. DOI: 10.6180/jase.202006_23(2).0016.
15. Шувалов Ю. В., Бурлаков С. Д., Туча Н. А. Оценка воздействия и защита горнорабочих от негативного влияния окружающей среды // Записки Горного института. -2005. - Т. 164. - С. 128-133.
16. Харитонов В. И. Экспериментальное изучение эффективности противошумов для профилактики интенсивного шумового воздействия // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. - 2018. - Т. 26. - № 4. - С. 484-492. DOI: 10.23888/PAVLOVJ2018264484-492.
17. KovshovS., Istomin R., Sotiriu A. Industrial injuries appraisal in mines of JSC «SUEK Kuzbass» //Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, Switzerland. 2014, vol. 1001, pp. 414-420. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.414.
18. BuravovA. D., Zima M., Kovarskaya E. Z., Moskovenko I. B. Developing recommendations on the use of an acoustic method for quality control of products based on periclase, including periclase-carbon products // Refractories and Industrial Ceramics. 2014, vol. 55, no. 1, pp. 77-80. DOI: 10.1007/s11148-014-9663-6.
19. Gotlib Y., Alimov N. About the role of personal hearing protection from harmful effects of industrial noise in special assessment of working condition // Safety in Technosphere. 2015, no. 2, pp. 40-47. DOI: 10.12737/11332.
20. Bauer E. R., Babich D. R., Vipperman J. R. Equipment noise and worker exposure in the coal mining industry. Pittsburgh: National Institute for Occupational Safety and Health (NI-OSH), 2016. 85 p.
21. Иванов М. В., Гаврильев С. А., Трофимов С. А., Ксенофонтов Б. С., Иванова О. А. Исследование гидроакустических свойств материалов // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия Машиностроение. - 2018. - №4 (121). - C. 71-83. DOI: 10.18698/02363941-2018-4-71-83.
22. Tomozei C., Nedeff V., Lazar G. Actual stage of industrial noise reduction // Journal of Engineering Studies and Research. 2011, vol. 17, no. 4, pp. 89-96.
23. Tang X., Yan X. Acoustic energy absorption properties of fibrous materials. A review // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017, vol. 101, pp. 360-380. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.07.002.
24. Jones P. Prediction of the acoustic performance of small poroelastic foam filled mufflers: a case study // Acoustics Australia. 2017, vol. 38, no. 2, pp. 69 — 75.
25. Пилиневич Л. П., Тумилович М. В., Кравцов А. Г., Румянцев Д. М., Гриб К. В. Влияние размеров частиц порошка пористых материалов на снижение уровня аэродинамического шума // Доклады БГУИР. — 2019. — № 7-8 (126). — C. 109 — 116.
26. Cao L., Fu Q., Si Y., Ding B., Yu J. Porous materials for sound absorption // Composites Communications. 2015, vol. 10, pp. 25-35. DOI: 10.1016/j.coco.2018.05.001.
27. Hua Q., Yang H. Effect of thickness, density and cavity depth on the sound absorption properties of wool boards // Autex Research Journal. 2017, vol. 18, pp. 203 — 209. DOI:10.1515/ aut-2017-0020.
28. Patnaik A. Materials used for acoustic textiles / Acoustic Textiles. Textile Science and Clothing Technology. 2017, pp. 73 — 92. DOI: 10.1007/978-981-10-1476-5_4.
29. Радоуцкий В. Ю., Шульженко В. Н., Степанова М. Н. Современные звукопоглощающие материалы и конструкции // Вестник БГТУ имени В.Г. Шухова. — 2016. — № 6. — C. 76 — 81.
30. Zhengqing L., Jiaxing Z., Mohammad F., John D. Acoustic properties of multilayer sound absorbers with a 3D printed micro-perforated panel // Applied Acoustics. 2017, vol. 121, pp. 25 — 32. DOI: 10.1016/j.apacoust.2017.01.032.
31. Nansha G., Baozhu C., Hong H., Zhang R. Mesophase pitch based carbon foams as sound absorbers // Materials Letters. 2017, vol. 212, pp. 1 — 13. DOI: 10.1016/j.matlet.2017.10.074.
32. Смирнякова В. В., Скударнов С. М. Анализ условий труда работников угольной промышленности // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2015. — № S7. — С. 425 — 430.
33. Парханьски Ю. Риск травматизма рабочих угольных шахт и его гистерезис // Записки Горного института. — 2016. — Т. 222. — С. 869—876. DOI: 10.18454/PMI.2016.6.869.
34. СП 51.13330.2011. Свод правил. Защита от шума. Актуализированная редакция СНиП 23-03-2003 (утв. Приказом Минрегиона России от 28.12.2010 № 825)» [Электронный ресурс]. Доступ из справ.-правовой системы «КонсультантПлюс».
35. Иванов Н. И. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом. — М.: Логос, 2008. — 424 c. ЕШ
REFERENCES
1. Dyakovich M. P., Semenikhin V. A., Raudina S. N. Health-related quality of life in patients with sensorineural hearing loss of occupational genesis. Meditsina v Kuzbasse. 2017, no. 4, pp. 80—85. [In Russ].
2. Madahana M. C., Nyandoro O. T., Moroe N. F. Engineering noise control for mines: Lessons from the world. South African Journal of Communication Disorders. 2020, vol. 67, no. 2, article 684. DOI: 10.4102/sajcd.v67i2.684.
3. Qi Z. Q., Wang H., Chang W., Wang Q. Analysis for the Influence of Industrial Noise on Brain Cognition of Workers. Dongbei Daxue Xuebao/Journal of Northeastern University. 2017, vol. 38, no. 11, pp. 1590 — 1594. DOI: 10.12068/j.issn.1005-3026.2017.11.015.
4. Alyanin A. F., Gallyamov M. A., Abdrakhmanova E. N. Industrial noise. Problems and solutions. Oil and Gas Business. 2019, no. 2, pp. 128 — 142. DOI: 10.17122/ogbus-2019-2-128-142.
5. Sidorenko A. A., Sishchuk J. M., Gerasimova I. G. Underground mining of multiple coal seams: Problems and solutions. Eurasian Mining. 2016, no. 2, pp. 11 — 15. DOI: 10.17580/ em.2016.02.03.
6. Doklad o sostoyanii okhrany truda v Rossiyskoy Federatsii, Ministerstvo truda RF [Report on the state of labor protection in the Russian Federation, Ministry of Labor of the Russian Federation], 2019 available at: https://eisot.rosmintrud.ru/monitoring-uslovij-i-okhrany-truda. [In Russ].
7. SangWoo T., Calvert G. M. Hearing difficulty attributable to employment by industry and occupation: An analysis of the national health interview survey - United States. Journal of Occupational and Environmental Medicine. 2008, vol. 50, no. 1, pp. 46-56. DOI: 10.1097/ JOM.0b013e3181579316.
8. Liebenberg A., Brichta A., Nie V., Ahmadi S., James C. Hearing threshold levels of Australian coal mine workers: a retrospective cross-sectional study of 64196 audiograms. International Journal of Audiology. 2021, vol. 60, pp. 1-12. DOI: 10.1080/14992027.2021.1884908.
9. Kan S., Azman A. S. Evaluating hearing loss risks in the mining industry through MSHA citations. Journal of Occupational and Environmental Hygiene. 2018, vol. 15, no. 3, pp. 246262. DOI: 10.1080/15459624.2017.1412584.
10. Edwards A. L., Dekker J. J., Franz R. M., van Dyk T., Banyini A. Profiles of noise exposure levels in South African Mining. Journal of the Southern African Institute of Mining and Metallurgy. 2011, vol. 111, no. 5, pp. 315-322.
11. Chemezov E. N. Principles of ensuring the safety of mining operations in coal mining. Journal of Mining Institute. 2019, vol. 240, pp. 649-653. [In Russ]. DOI: 10.31897/PMI.2019.6.649.
12. Nikulin A. N., Dolzhikov I. S., Golod V. A., Stepanova L. V. Assessment of noise impact on coal mine workers including way to/from workplace. Naukovyi Visnyk Natsionalnoho Hirnycho-ho Universytetu. 2021, vol. 2020, no. 2, pp. 151-155. DOI 10.33271/nvngu/2021-2/151.
13. McDaid D., Park A., Chadha S. Estimating the global costs of hearing loss. International Journal of Audiology. 2021, vol. 60, pp. 1-9. DOI: 10.1080/14992027.2021.1883197.
14. Nikulin A., Ikonnikov D., Afanasev P. Application of individual mobile soundproof cabin at process operator working area. Journal of Engineering and Applied Science. 2020, vol. 23, pp. 333-340. DOI: 10.6180/jase.202006_23(2).0016.
15. Shuvalov Yu. V., Burlakov S. D., Tucha N. A. Assessment of the impact and protection of miners from the negative impact of the environment. Journal of Mining Institute. 2005, vol. 164, pp. 128-133. [In Russ].
16. Kharitonov V. I. Experimental study of the effectiveness of anti-noise for the prevention of intensive noise exposure. Rossiyskiy mediko-biologicheskiy vestnik imeni akademika I.P. Pavlova. 2018, vol. 26, no. 4, pp. 484-492. [In Russ]. DOI: 10.23888/PAVLOVJ2018264484-492.
17. Kovshov S., Istomin R., Sotiriu A. Industrial injuries appraisal in mines of JSC «SUEK Kuzbass». Advanced Materials Research. Trans Tech Publications, Switzerland. 2014, vol. 1001, pp. 414-420. DOI: 10.4028/www.scientific.net/AMR.1001.414.
18. Buravov A. D., Zima M., Kovarskaya E. Z., Moskovenko I. B. Developing recommendations on the use of an acoustic method for quality control of products based on periclase, including periclase-carbon products. Refractories and Industrial Ceramics. 2014, vol. 55, no. 1, pp. 77-80. DOI: 10.1007/s11148-014-9663-6.
19. Gotlib Y., Alimov N. About the role of personal hearing protection from harmful effects of industrial noise in special assessment of working condition. Safety in Technosphere. 2015, no. 2, pp. 40-47. DOI: 10.12737/11332.
20. Bauer E. R., Babich D. R., Vipperman J. R. Equipment noise and worker exposure in the coal mining industry. Pittsburgh: National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH), 2016. 85 p.
21. Ivanov M. V., Gavriliev S. A., Trofimov S. A., Ksenofontov B. S., Ivanova O. A. Investigation of hydroacoustic properties of materials. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya Mashinostroenie. 2018, no. 4 (121), pp. 71-83. [In Russ]. DOI: 10.18698/0236-3941-2018-471-83.
22. Tomozei C., Nedeff V., Lazar G. Actual stage of industrial noise reduction. Journal of Engineering Studies and Research. 2011, vol. 17, no. 4, pp. 89-96.
23. Tang X., Yan X. Acoustic energy absorption properties of fibrous materials. A review. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2017, vol. 101, pp. 360-380. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.07.002.
24. Jones P. Prediction of the acoustic performance of small poroelastic foam filled mufflers: a case study. Acoustics Australia. 2017, vol. 38, no. 2, pp. 69 — 75.
25. Pilinevich L. P., Tumilovich M. V., Kravtsov A. G., Rumyantsev D. M., Grib K. V. Influence of the particle size of the powder of porous materials on the reduction of the aerodynamic noise level. Doklady BGUIR. 2019, no. 7-8 (126), pp. 109 — 116. [In Russ].
26. Cao L., Fu Q., Si Y., Ding B., Yu J. Porous materials for sound absorption. Composites Communications. 2015, vol. 10, pp. 25-35. DOI: 10.1016/j.coco.2018.05.001.
27. Hua Q., Yang H. Effect of thickness, density and cavity depth on the sound absorption properties of wool boards. Autex Research Journal. 2017, vol. 18, pp. 203 — 209. DOI:10.1515/ aut-2017-0020.
28. Patnaik A. Materials used for acoustic textiles. Acoustic Textiles. Textile Science and Clothing Technology. 2017, pp. 73 — 92. DOI: 10.1007/978-981-10-1476-5_4.
29. Radoutsky V. Yu., Shulzhenko V. N., Stepanova M. N. Modern sound-absorbing materials and structures. Vestnik BGTU imeni V. G. Shuhova. 2016, no. 6, pp. 76 — 81. [In Russ].
30. Zhengqing L., Jiaxing Z., Mohammad F., John D. Acoustic properties of multilayer sound absorbers with a 3D printed micro-perforated panel. Applied Acoustics. 2017, vol. 121, pp. 25 — 32. DOI: 10.1016/j.apacoust.2017.01.032.
31. Nansha G., Baozhu C., Hong H., Zhang R. Mesophase pitch based carbon foams as sound absorbers. Materials Letters. 2017, vol. 212, pp. 1 — 13. DOI: 10.1016/j.matlet.2017.10.074.
32. Smirnyakova V. V., Skudarnov S. M. Analysis of labor conditions of coal industry workers. MIAB. Mining Inf. Anal. Bull. 2015, no. S7, pp. 425 — 430. [In Russ].
33. Parkhansky Yu. The risk of injuries of coalmine workers and its hysteresis. Journal of Mining Institute. 2016, vol. 222, pp. 869 — 876. [In Russ]. DOI: 10.18454/PMI.2016.6.869.
34. SP 51.13330.2011. Svod pravil. Zashchita ot shuma. Aktualizirovannaya redakciya SNiP 23-03-2003 [SP 51.13330.2011. A set of rules. Noise protection. Updated version of Construction norms and regulations SNiP 23-03-2003]. [In Russ].
35. Ivanov N. I. Inzhenernaya akustika. Teoriya i praktika bor'by s shumom [Engineering acoustics. Theory and practice of noise control], Moscow, Logos, 2008, 424 p.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Рудаков Марат Леонидович1 — д-р техн. наук, профессор,
e-mail: [email protected],
ORCID ID: 0000-0001-7428-5318,
Дука Никита Евгеньевич1 — аспирант,
e-mail: [email protected],
1 Санкт-Петербургский горный университет.
Для контактов: Дука Н.Е., e-mail: [email protected].
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
M.L. Rudakov1, Dr. Sci. (Eng.), Professor, e-mail: [email protected], ORCID ID: 0000-0001-7428-5318, N.E. Duka1, Graduate Student, e-mail: [email protected], 1 Saint-Petersburg Mining University, 199106, Saint-Petersburg, Russia.
Corresponding author: N.E. Duka, e-mail: [email protected].
Получена редакцией 06.12.2021; получена после рецензии 12.01.2022; принята к печати 10.02.2022. Received by the editors 06.12.2021; received after the review 12.01.2022; accepted for printing 10.02.2022.
