Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и постановка задач исследования 11
1.1 Описание объекта исследования И
1.2 Влияние шума на человека и нормирование шума на 17
космической станции в условиях полёта
1.3 Воздушный шум, характеристики шума в обитаемых отсеках МКС и сравнение с нормами
1.4 Процессы шумообразования и шумозащита в обитаемых отсеках 29
1.5 Снижение шума, воздействующего па космонавтов 40
1.6 Задачи исследования 46
Выводы по главе 46
ГЛАВА 2. Теоретическое описание процессов образования звуковых полей внутри МКС
2.1 Основные допущения и этапы выполнения расчетов акустического 48
поля внутри обитаемого космического модуля, границы исследований
2.1.1 Основные допущения 48
2.1.2 Границы расчетов 49
2.1.3 Порядок выполнения расчетов 50
2.2 Вывод формул для расчёта воздушного шума в помещениях космической станции
2.2.1 Общие положения 52
2.2.2 Точечный источник вблизи отражающей поверхности. Схема 1 55
2.2.3 Точечный источник располагается в замкнутом объеме за панелью.Схема 2 57
2.2.4 Прохождение звука через экран. Схема 3 58
2.2.5 Линейный излучатель в помещении. Схема 4 60
2.2.6 Линейный источник за панелью рабочего отсека. Схема 5 60
2.2.7 Образование звуковых полей в несоразмерных соединяющихся объёмаСхемаб 62
2.2.8 Источник шума в воздуховоде за панелью с решёткой. Схема 7 63
2.2.9 Прохождение звука из воздуховода через панель в помещение. Схема 8 65
2.2.10 Прохождение звука из решётки в трубопроводе, через решётку в панели в помещение. Схема 9
2.2.11 Источник под капотом, излучающий в помещение. Схема 10 68
2.2.12 Звукоизлучение через экран в каюту Схема 11 69
2.2.13 Агрегат под капотом, излучающий звук в каюту. Схема 12 70
2.2.14 Звук проникает из пространственной конструкции. Схема 13 72
2.2.15 Протяжённые источники. Схема 14 73
Выводы по главе 82
CLASS ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований CLASS 84
3.1 Основные задачи эксперимента и перечень серий измерений. 84
3.1.1 Основные задачи 84
3.1.2 Состояние МКС 84
3.1.3 Серии измерений 87
3.2 Используемое оборудование 90
3.3 Определение акустических характеристик па рабочих местах и местах отдыха
3.4 Определение коэффициента звукопоглощения. 94
3.5 Определение звукоизоляции 96
3.6 Определение затухания по воздуховодам 97
3.7 Определение акустических характеристик постоянных 98 источников шума
3.8 Обработка результатов экспериментов 101
Выводы по главе 103
Глава 4. Экспериментальные исследования акустических свойств обитаемых отсеков
4.1 Общие положения 104
4.2 Определение приведенной звукоизоляции панелей 105
4.2.1 Звукоизоляция пола в рабочем отсеке №2 105
4.2.2 Звукоизоляция потолка и боковых панелей в РОЇ 107
4.2.3 Измерение звукоизоляции двери каюты правого борта 109
4.3 Определение коэффициента звукопоглощения 111
4.3.1 Время реверберации 111
4.3.2 Коэффициент звукопоглощения 112
4.4 Определение затухания. УЗД и УЗ по всей длине служебного модуля 112
(СМ) и по отдельным его частям
4.5 Затухание УЗД и УЗ по воздуховоду служебного модуля СМ «Звезда» 119
4.6 Сравнение расчетов с экспериментом 121 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 126
Глава 5 Рекомендации по снижению шума в служебном модуле СМ МКС и других аналогичных объектах
5.1 Рекомендации по снижению шума на МКС 127
5.1.1 Классификация способов снижения шума. Выбор наиболее эффективных предложение собственных методов.
5.1.2 Расчет акустического поля при применении предлагаемых методов снижения шума.
5.2 Концепция перспективного межпланетного корабля 132
5.2.1 Межпланетный экспедиционный комплекс (МЭК) 132
5.2.2 МОК Межпланетный орбитальный корабль. Общая структура и состав межпланетного орбитального корабля
5.2.3 Конструкция и компоновка 137
5.2.4 Бортовые системы межпланетного орбитального корабля 139
5.2.5 Система обеспечения теплового режима (СОТР) 140
5.2.6 Система искусственной тяжести (СИТ) 141
5.3 Предполагаемые акустические характеристики марсианского корабля 141
5.4 Рекомендации по снижению предполагаемого уровня шума на перспективной станции. Расчетная эффективность предложенных методов
Выводы по главе 156
Заключение 157
Литература 159
- Воздушный шум, характеристики шума в обитаемых отсеках МКС и сравнение с нормами
- Вывод формул для расчёта воздушного шума в помещениях космической станции
- Определение акустических характеристик па рабочих местах и местах отдыха
- Измерение звукоизоляции двери каюты правого борта
Введение к работе
Проблема повышенных уровней шума на борту пилотируемых космических аппаратов, появилась с возникновением космической техники. Этой проблеме уделялось внимание как в СССР [10, 12, 13], так и в США [11, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20], по американской пилотируемой программе нами обнаружен больший объём информации.
Акустическое и вибрационное воздействие на человека носит сложный характер. Характеристика виброакустической энергии в космическом полете изменяется в зависимости от режима полета. Наибольшие уровни были зафиксированы во время взлета, набора высоты и вхождения корабля в атмосферу при посадке. Члены экипажа корабля "Меркурий" (первый полёт 5.5.1961 А.Шепард [21]) отмечали сильные вибрации приблизительно на 110-120-й секунде полета. Это явление было названо "Пого" по названию детской игрушки, которая воспроизводит вертикальную вибрацию. Источник вибрации создавал колебания с частотой 11 Гц и определялся работой бустерного топливного насоса первой ступени носителя, который вибрировал в продольном направлении. При этом было зафиксировано вибрационное ускорение от +0,5 до +6,0g при линейном ускорении от 3,1 до 4,4g. В течение этой фазы взлета воздействие было таким, что члены экипажа отмечали пелену перед глазами.
Из-за высокого уровня шума во время запуска корабля "Аполлон" (первый полёт 11.10-21.10 1968 Шира, Эйзел, Каннингем [21]) члены экипажа испытывали некоторые трудности в использовании речевой связи. Ускоритель ракеты "Сатурн-V" создавал самый высокий уровень шума в кабине по сравнению с другими двигателями. Исследователи экспериментально установили, что максимальное затухание шума происходило в гермошлеме и телефонных заглушках. Исследования, выполненные в реверберационной камере, показали, что решение задачи улучшения речевой связи можно получить путем применения большего усиления сигнала в телефонах во время взлета. Во время полета к Луне экипаж "Аполлона" также ощущал высокий уровень шума. Шум уменьшали путем дополнительного закрепления шумящего оборудования на короткие периоды времени. При наземных испытаниях было определено, что главными источниками шума являются электрический преобразователь, компрессор космических скафандров, кабинные вентиляторы и гликолевый насос. Эти системы как отдельно, так и в составе агрегатов создавали шум, превышающий 80 дБ [22].
В программе "Скайлэб" (первый полёт 25.5 - 22.6 1973 Конрад, Вейц, Кервин [21]) проблема шума была, прежде всего, связана с ухудшением разборчивости речи и конкретными ощущениями членов экипажа. "Скайлэб" был одним из наиболее тихих космических кораблей, главным образом из-за большого внутреннего объема, что приводило к значительным удалениям друг от друга шумящего оборудования. Однако при оценке обитаемости члены экипажей жаловались на некоторые расстройства сна и проблемы, связанные с речевым общением. Последние были следствием низкого атмосферного давления и большого времени реверберации в объеме станции. Часто приходилось кричать, чтобы речь была понята на большом расстоянии. Увеличенная продолжительность экспедиции породила также наибольшее число жалоб на шум. Пред. и послеполетные аудиограммы, полученные у членов экипажа "Скайлэба", показали временное снижение порога слуха, несмотря на относительно низкие уровни шума, измеренные на орбите [23].
Шумовая обстановка на "Шаттле" (первый полёт 12.4 - 14.4 1981 Дж.Янг, Р.Криппен [21]) создавалась главным образом вентиляторами системы жизнеобеспечения и веіггиляторами охлаждения электронного оборудования. Уровни, измеренные при работе этих систем, находились в пределах критерия шума-55 (NC-55). Для связи между различными отсеками часто требовалось повышать голос. Не было отмечено прямых жалоб на неприятные ощущения, связанные с шумом. Однако специально проведенный опрос членов экипажей показывает, что около 75% опрошенных рекомендовали понизить уровни шума на орбите.
Общий уровень звукового давления, измерений при наземной имитации полета "Аполлона" был на уровне 80 дБ. Сравнительная характеристика спектрального уровня шума "Скайлэба", "Спейс-Шаттла" и "Спейслэба» (первый полёт 28.11 1983 [21]) представлена на рис 1.11. Уровень шума на "Спейс Шаттле" измерялся на средней палубе корабля. Уровень шума в "Спейслэбе" усреднялся по всему внутреннему объему, не включал измерения, проведенные на концах переходного туннеля. Уровни акустической нагрузки на "Скайлэбе", "Спейс Шаттле" и "Спейслэбе" составлял 64, 76 и 68 дБ соответственно.
Проблемы, связанные с повышенным шумом, наблюдались и на советских кораблях (серий «Восток», «Восход», «Союз»), а так же на станциях (серий «Салют» и «Мир»). К сожалению, сведений об акустической обстановке на отечественных кораблях и станциях, крайне мало. В открытой литературе достаточно достоверные сведения приведены для станции «Мир». Так по сведениям Института медико-биологических проблем [24], занимающегося вопросами воздействия шума, у космонавтов, пробывших достаточно продолжительное время на станции «Мир» наблюдалось стойкое снижение слуха. Кроме того, наблюдалось нарушение сна, так как при включении вентилятора в каюте уровень звука поднималось до 65 дБА. При включении ассенизационного устройства, находящегося в непосредственной близости к каюте, УЗ возрастали до 70 дБА, в то время как санитарные нормы рекомендуют для сна уровни звука от 30 до 45 дБА. Космонавтам было разрешено спать при выключенном вентиляторе, однако из-за того, что углекислый газ скапливается в области органов дыхания, их самочувствие ухудшалось. Уровень звука у рабочего стола доходил до 69 дБА при рекомендуемых для работы уровнях звука 60 дБА.
Неясность некоторых психофизических реакций на первых этапах развития пилотируемых полетов явилась толчком для изучения и анализа параметров шума и вибрации на борту корабля. Акселерометры и микрофоны для измерения уровней структурной вибрации и воздушного шума были установлены вігутри. Затем данные по телеметрии передавались в центр управления полетом для записи и последующего анализа.
Сразу же были подтверждены высокие уровни шума и вибрации, измеренные в течение взлета, набора высоты и спуска с орбиты. В то же время инженерно-психологический анализ показал, что нарушение деятельности при действии этих факторов полета было незначительным, поэтому все внимание на виброакустическое окружение было перенесено на орбитальную фазу полета. Измерение же параметров шума и вибрации на орбите заинтересовало исследователей только тогда, когда космические экспедиции сделались длительными, особенно на "Скайлэбе".
Программа "Скайлэб" была первой, в которой проведена достаточно полная борьба с шумом уже в процессе проектирования, и результаты ее были учтены при проектировании внутрикабинной системы вентиляции [16].
Программа на орбите включала измерение уровня шума с помощью портативного шумомера, которое проводилось в различных точках внутрешіего объема [17].
Орбитальные измерения шума и вибрации проводились также на кораблях "Спейс Шаттл" и "Спейслэб" портативным измерителем уровня звука. Для измерения вибрации, создаваемой бортовыми системами или деятельностью космонавтов, использовались либо постоянно закрепленные акселерометры, либо электромеханические преобразователи, временно размещенные в различных местах кабины. Обработка сигналов и анализ данных обычно проводились в центре управления полетом на Земле, при этом данные либо передавались по телеметрии, либо записывались на борту.
Для космической станции "Фридом" (космическая станция "Фридом" не была создана) была разработана постоянно действующая виброакустическая система слежения (VAMS) [22], позволяющая получить сжатую информацию. Система преобразования сигнала, соединенная с процессором, должна была непрерывно измерять виброакустические характеристики среды во многих точках космической станции.
Проблема снижения шума возникла вновь с началом проектирования в 1993 г и с началом развертывания 20 ноября 1998 года Международной космической станции - МКС (ISS). Основная задача при проектировании космического корабля состоит в обеспечении безопасности и комфорта экипажа. Окружающая среда должна отвечать исключительно высоким требованиям к работоспособности космонавтов.
С точки зрения акустики космический корабль должен быть спроектирован таким образом, чтобы предупредить потери слуха, свести к минимуму нарушение разборчивости речи и уменьшить неприятные ощущения, связанные с раздражающим действием шума. Акустические нормы должны учитывать три фактора: сохранение слуха, речевой связи и комфорта.
Как и показал прогноз специалистов, которые разрабатывали средства снижения шума на станции «Мир», шум в обитаемых отсеках международной космической станции (МКС), значительно превышает нормативные значения, принятые согласно ГОСТ 50804-95 и SSP 50094 от 1996 года. Это произошло в связи с тем, что процессы шумообразоваиия на подобных объектах были недостаточно изучены, и им не уделялось должного внимания на этапе проектирования. Это привело к бесконечным доработкам в целях снижения шума, которые производились на уже летающих модулях! Акустический дискомфорт, который испытывают космонавты и астронавты, пребывающие на МКС, ставят под угрозу их здоровье и работоспособность, так как экипажи должны проводить там достаточно большой период времени, который может достигать 60-ти суток. Надо отметить, что кратковременное нарушение слуха может возникнуть у человека, в момент пребывания его в зоне повышенного шума, за гораздо меньший период (7-Ю суток), а необратимые процессы нарушения слуха могут начаться, с учетом индивидуальных особенностей организма человека, уже через 15-20 суток. Кроме того, шум, а также вибрация, которая может его сопровождать, оказывают значительное действие на само оборудование для проведения экспериментов и опытов.
Для создания нормальной акустической обстановки в обитаемом служебном модуле МКС не подходят некоторые классические приемы, применяемые на практике. Например, ограничение времени пребывания в зашумленной зоне невозможно, исходя из назначения станции, а использование средств индивидуальной защиты (беруши и наушники) не всегда возможно, т.к. при этом демаскируется также и полезный сигнал, нарушается речевая связь и т.п. Единственный путь нормализации шума на станции - это снижение интенсивности источников шума и повышение акустических защитных свойств конструкций и помещений за счет дополнительных вибродемпфирующих и звукопоглощающих облицовок и применения звукоизоляции. Имеющиеся проблемы с повышенным шумом на МКС связаны с тем, что проблемы шума не были изучены в полной мере с использованием новейших достижений в этой области. Отметим, что проблема снижения шума необычайно важная для сохранения здоровья экипажей МКС, становится едва ли не решающим фактором космических полетов, занимающих целые годы (например, полет космического корабля на Марс).
Цель настоящей работы:
Разработать научные основы снижения шума на борту пилотируемых космических станций.
Научная новизна:
В диссертации разработаны и обоснованы научные методы определения ожидаемой шумности и разделения вклада источников шума в зоне обитания космонавтов. При этом решены следующие научные задачи:
1. обоснованы и разработаны основные расчетные схемы для описания звуковых полей в замкнутом объеме обитаемого отсека;
2. разработана методика разделения вклада источников шума в процессы шумообразования;
3. разработаны математические модели, описывающие вклад источников шума в процессы;
4. разработаны научно обоснованные требования к шумозащите в обитаемом отсеке. Практическая ценность работы:
1. Получены акустические характеристики основных источников шума, а также акустические параметры исследуемого объекта в целом и отдельных элементов МКС.
2. Получены результаты разделения вклада основных источников шума в процессы шумообразования и требования к шумозащите.
3. Разработаны рекомендации по снижению шума в обитаемом отсеке МКС. Внедрение результатов работы в НПО «Энергия»:
Результаты исследований используются РКК «Энергия» для снижения шума в обитаемых отсеках МКС.
Апробация работы:
Результаты исследований доложены на следующих семинарах и конференциях: Гагаринские чтения. Международная молодёжная научная конференция, 2000, Москва; The 6th International Symposium Transport Noise and Vibration, St. Petersburg, Russia, 4-6 June 2002; Вторая Всероссийская школа-семинар «Новое в теоретической и прикладной акустике» Санкт-Петербург 17-18 октября 2002г, БГТУ «Военмех», С.-Петербург; Третья Всероссийская школа-семинар «Новое в теоретической и прикладной акустике» С.Петербург 23-24 октября 2003г., БГТУ «Военмех», С.-Петербург; Научно-практическая конференция с международным участием «Защита населения от повышенного шумового воздействия» С.-Петербург 21-22 марта 2006 г.
Публикации: Опубликовано 7 работ в журналах, трудах конференций и конгрессов, в т.ч. в журнале «Безопасность жизнедеятельности», список ВАК.
На защиту выносятся:
— расчетные математические модели, описывающие процессы шумообразования в обитаемом отсеке МКС;
— методика разделения вклада источников шума, результаты разделения источников шума на МКС и требования к шумозащите;
— отдельные элементы методики выполнения исследований шума в обитаемом отсеке МКС;
— рекомендации по снижению шума в обитаемом отсеке МКС.
— расчеты предполагаемых уровней шума на перспективном межпланетном орбитальном корабле (МОК), рекомендации по снижению шума на МОК.
Воздушный шум, характеристики шума в обитаемых отсеках МКС 25 и сравнение с нормами
Шумовое воздействие может реализоваться через физиологические сдвиги и изменение работоспособности. На рис. 1.6 представлены уровни шума, которые вызывают различные виды неблагоприятных реакций.
Физиологические реакиии. Основной физиологический эффект шумового воздействия - это нарушение слуха. Временное смещение порогового слуха (ВСП) представляет собой преходящее повышение индивидуального порога восприятия звука. Возникновение и выраженность слуховых нарушений зависят от длительности шумовой экспозиции, физических параметров звука (интенсивность, частота, ширина спектра) и характера воздействия (непрерывное или прерывистое). Временное смещение порога слуха индивидуально в своих проявлениях, но обычно возникает тогда, когда общий уровень превышает 75дБ. Вероятность ВСП возрастает с увеличением интенсивности и длительности воздействия (вплоть до экспозиции в среднем 6 ч, после чего наступает плато).
Необратимая потеря слуха, или обусловленный шумом необратимый сдвиг порога, может явиться результатом воздействия интенсивного звукового импульса или кумуляции повторяющегося (или экстремального) временного смещения порога слуха.
Развитие потери слуха может идти двумя разными путями. В первом случае интенсивные импульсы шума приводят к структурным повреждениям или внутреннего уха, или/и барабанной перепонки; во втором — длительные экспозиции даже умеренного по силе шума могут приводить к потере слуха в результате дегенеративных изменений волосковых клеток, расположенных вдоль базилярной мембраны внутреннего уха. Это явление привлекло внимание исследователей и специалистов в космической области, так как оно имеет прямое отношение к проблеме обитаемости и его можно предупредить. Необратимая потеря чувствительности к низким частотам - фактор более значимый, так как при этом повышается порог слуха человека по отношению к речевому спектру, что может отражаться на разборчивости воспринимаемой речи [26]. Кроме рассмотренного выше феномена потери слуховой чувствительности, шум влияет еще на ряд физиологических проявлений:
- внезапный импульс интенсивного шума запускает акустический рефлекс. Он сопровождается расширением зрачка, спазмом периферических сосудов, изменением частоты сердечных сокращений, удлинением и замедлением дыхательных движений. Реакция эта быстропроходящая [27];
- длительная шумовая экспозиция приводит к отклонению от нормы сердечного ритма [28]; - отмечено изменение в химическом составе крови, включающее увеличение концентрации кортикостероидов и изменение уровня сахара [28]; - в крови возникает дисбаланс магния, натрия, калия и кальция [28]; - шум высокой интенсивности вызывает сокращение мышц среднего уха; - шум высокой интенсивности может приводить к изменениям перцептивных клеток, воспринимающих звук, и влиять на функциональный и психологический статус центральной нервной системы [14].
Некоторые исследования показали, что при уровнях шума меньших 95 дБА многие неблагоприятные эффекты, например гипертензия и нарушение сердечного ритма, обычно не возникают, однако длительные шумовые экспозиции даже на более низких уровнях связывают с возникновением язвенной болезни.
Влияние шума на работоспособность Важность высокого уровня работоспособности космонавтов в полете определяется постоянным дефицитом времени и серьезными последствиями, к которым могут привести ошибочные действия. Обычно воздействие шума на состояние здоровья и работоспособность выражается в нарушении речевой связи, неприятных ощущениях и расстройствах сна.
Вопросам нарушения речевой связи уделено особое внимание, поскольку это может подвергнуть опасности членов экипажа и увеличить вероятность операторской ошибки. При крайних значениях уровней шума речь может быть полностью замаскирована, что ведет к потере важной информации.
Как известно, спектр речевого сигнала лежит в диапазоне от 200 до 6000 Гц с интенсивностью примерно от 55 до 80 дБА при нормальных голосовых усилиях. Разборчивость речи существенно ухудшается в случаях, когда уровни шума превышают 50 дБА в частотных полосах речевого спектра. Более подробно это показано в табл. 1.2 Влияние шума на разборчивость речи более выражено в помещениях, имеющих высокую реверберацию, так как в этом случае прямой сигнал накладывается на отраженный. Крайне малых значений периода реверберации желательно также избегать, так как в этом случае амплитуда произнесенных слов быстро падает и речь плохо слышится на другом конце кабины корабля.
Раздражение от шума определяется как "нежелательность" конкретного звука. Это сильно зависит от отношения слушателя к источнику звука. Прерывистый шум или шум, который составляется из чистого синусоидального тона, обычно считается более неприятным. Но особенно шум неприятен при негромком разговоре.
Вопрос о нарушении сна в космическом полете вызывал интерес в прошлом и продолжает оставаться актуальным и сегодня. Высокие уровни окружающего шума приводят к задержке засыпания и могут будить спящего или переводить его в фазу поверхностного сна. Сон не нарушается при уровнях шума до 65 дБА. Однако внезапный источник шума может приводить к нарушению сна и при 50 дБА [29]. Исследователи считаю:, что женщины легче просыпаются от шума, чем мужчины, а старшие по возрасту быстрее, чем молодые
Инфразвуковой шум (ниже 16 Гц) также производит неблагоприятное воздействие на обследуемых. При низкочастотном шуме люди страдают бессонницей, ощущают чувство сдавливания головы, головную боль, вибрацию тела, нарушение мышления [30]. Считается, что комбинация слышимого шума и инфразвука приводит к сонливости [31].
Кроме того, было отмечено влияние шума на качество деятельности. Шум вызывает снижение внимания и может приводить как к положительным, так и к отрицательным психологическим реакциям.
При шуме [32] подвергаются наибольшему риску следующие виды деятельности: - действия, которые продолжаются долго, особенно если шум непрерывный; - действия, требующие поддержания постоянной позы и непрерывного наблюдения; - необходимость приложить усилие для начала действия, особенно если человек не может регулировать уровень шума; - действия, требующие всестороннего знания материала, большего чем механическое запоминание наизусть; действия, требующие определенной гибкости, такие, как реакция на внезапное изменение обстановки.
Вывод формул для расчёта воздушного шума в помещениях космической станции
Анализируя конструкцию СМ МКС, можно сказать, что источники звука расположены друг относительно друга на небольших расстояниях. Граница квазидиффузности поля может быть определена из формулы (2.2)
Учитывая, что суммарный объем СМ МКС составляет 46,7 м3, значения частот, начиная с которых звуковое поле может считаться квазидиффузным, составляют 150 Гц. Таким образом, методы статистической акустики могут применяться для расчетов ожидаемой шумности МКС при среднегеометрическом значении частоты не меньшем 125 Гц. Для частот Д/ соблюдается условие сравнимости размеров замкнутых объемов с длиной звуковой волны.
Однако, в диапазоне частот fH f fdu t резонансные явления в замкнутых объемах также не учитываются, что позволяет расширить частотный диапазон применения статистической теории акустики, считая нижнюю границу равной:
Это позволяет расширить частотный интервал и производить расчеты начиная с частоты 63 Гц. Для частот/ характер звукового поля определяется вынужденными колебаниями. В этом диапазоне частот необходимо вводить экспериментальную поправку.
Все излучатели звука МКС сведены к простейшим типам, что позволяет значительно упростить расчеты. Основная часть источников звука рассматривается как точечные источники, учитывая что их размеры малы в сравнении с расстоянием до расчетной точки, т.е. R MR»lmax;R llaJz, (2.3) где R - расстояние от ближайшей точки до поверхности излучателя, м; Атіах - максимальный размер излучателя, м.
Вторичные линейные излучатели (элементы ограждающего интерьера) являются линейными источниками при условии, что ЯД. Они излучают цилиндрические волны. Снижение УЗД при удвоении расстояния составляет 3 дБ.
УЗД плоских источников (СКВ1 и СКВ2, БМП) вблизи от них уменьшаются незначительно и зависят от площади источника звука S. Если расстояние от источника R 0.4-Js, уменьшение звукового давления необходимо учитывать при расчетах.
Таким образом, источники звука МКС рассматриваются как излучатели сферических, цилиндрических и плоских волн. Порядок выполнения расчетов.
В качестве исходной характеристики для расчетов, в результате которых от акустической характеристики источника, измеренной в ближнем звуковом поле, переходят к характеристикам вклада источника во внутреннее поле пилотируемой космической станции, используются уровни звуковой мощности.
Уровни звуковой мощности источника получаются вычислениями из соотношения: [3] Lw=Lp+10\g — , (2.4) где Lp - измеренные в ближнем звуковом поле УЗД (УЗ) источника, дБ (дБА); S - условная площадь, которая проходит через измерительные точки, заключающая источник звука в сферу, полусферу или параллелепипед, м2; So = 1 м2.
Далее составляются расчетные схемы для описания проникновения звука от источников во внутреннее звуковое поле.
В расчетной схеме показываются источники шума в конструкции станции, пути проникновения звука от каждого из источников в расчетную точку, расположение расчетных точек, наличие дополнительных преград и других особенностей по пути звука.
Применение базовых формул для расчетов на космической станции возможно только в отдельных частных случаях; в большинстве случаев специфика путей распространения звука требует разработки специальных формул, описывающих сложные процессы распространения звука.
Определив долю шума каждого из источников в расчетной точке рабочего отсека станции, мы имеем возможность найти общий уровень шума в данной расчётной точке. Сложение (энергетическое) вклада всех источников шума определяет суммарное поле внутри космического модуля. Конечный результат разделения и сложения берется в УЗД и УЗ.
Полученные расчетом значения сравниваются с экспериментом. Точность измеренных результатов определяется, в первую очередь, точностью информации об акустических характеристиках источников шума. Заметим, повышение точности этой информации может быть достигнуто определением УЗМ на специальных стендах. Важным этапом расчетов является выбор математических моделей для описания прохождения звука от источника в конечную точку. Выбор модели диктуется конструкцией машины и получаемой расчетной схемой.
Определение акустических характеристик па рабочих местах и местах отдыха
Выбор аппаратуры диктовался как требованием к частотному и динамическому диапазонам измерений, так и самими условиями измерений. Для проведения измерений используется оборудование с достаточной разрешающей способностью и имеющее свидетельство о поверке.
Предпочтительным оборудованием являются интегрирующие шумомеры, регистраторы и вспомогательное оборудование, включая микрофон и кабель, которое должно отвечать требованиям для прибора класса 1.
Для проведения измерений используется ненаправленный микрофон, чтобы уменьшить возможные ошибки направленности. Микрофон и присоединенный к нему кабель выбирается так, чтобы их суммарная чувствительность незначительно изменялась в зависимости от диапазона температур при проведении измерений. До и после проведения измерений тракты для измерений шума калибруются. В данном конкретном случае для проведения измерений использовалась следующая аппаратура:
Измерения шума выполнялись следующей виброаустической аппаратурой: 2-х канальный анализатор 2900В фирмы «Ларсон-Дэвис» с полудюймовыми микрофонами и предуселителями той же фирмы; многоканальный магнитный регистратор GX-1 фирмы "Теас", усилитель микрофонов 2210 фирмы «Ларсон-Дэвис», 8 полудюймовых микрофонов «Ларсон-Дэвис», 8 предусилителей «Ларсон-Дэвис»; конденсаторные микрофоны фирмы «Ларсон-Дэвис» моделей 2540 и 2541 диаметром Vz дюйма предназначены для измерений в свободном поле.
Микрофон модели 2540 имеет частотный диапазон измерения 4 Гц - 40 кГц и верхний предел динамического диапазона 160 дБ, микрофон модели 2541 имеет частотный диапазон измерения 2.5 Гц - 20 кГц и верхний предел динамического диапазона 146 дБ. калибратор т. 4231, зав. № 2175769 (Bruel & Kjaer, Дания); усилитель т. LV-103 (RFT, Германия); прецизионный шумомер и анализатор спектров Октава-101А, зав. №02А010 генератора шума т. 1405 (Bruel & Kjaer, Дания); ненаправленный излучатель шума (Bruel & Kjaer, Дания); прецизионный третьоктавный анализатор т. 2260 («Investigator»), зав. № 2168581 (Bruel & Kjaer, Дания); микрофон т. 4189, зав. № 2143216 (Bruel & Kjaer, Дания); Исследований проводились на следующих объектах: СМ МКС «Звезда», в период нахождения его в условиях Земли. Эти исследования проводились сотрудниками РКК «Энергия». Контрольно-испытательный стенд КС СМ «Звезда» КИС - 416, находится в КИС РКК «Энергия», г. Королёв. Исследования проводились БГТУ «Военмех» совместно с сотрудниками РКК «Энергия». Исследование звукоизоляции штатной панели модулей МКС. Исследования проводились сотрудниками РКК «Энергия» на специальном стенде. Исследование акустической мощности некоторых источников шума. Часть этих работ проводились сотрудниками РКК «Энергия» на специальном стенде. Другая (исследование вентиляторов) проводилась БГТУ «Военмех» на стенде изготовителя вентиляторов «НИИХимМаш». Влажность, температура воздуха, атмосферное давление, вибрация и непостоянные магнитные поля были в пределах ограничений, определенных изготовителем аппаратуры.
Звуковой фон в каждой точке измерения был, по крайней мере, на 10 дБА ниже шума, производимого исследуемым оборудованием. Во время испытания, по возможности, сигнальные устройства в действие не приводились.
Определение акустических характеристик на рабочих местах и местах отдыха
Согласно ГОСТ 50804-95 [52] и SSP 50094 [53] от 1996 года для рабочих мест и мест отдыха с постоянным шумом устанавливаются следующие шумовые характеристики: 1) уровни звукового давления (УЗД) в дБ в октавных полосах частот 31.5, 63, 125, 250, 500,1000,2000,4000,8000 Гц. 2) уровни звука (УЗ) в дБА:
Характеристиками непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный уровень звука LA ,дБА: IV/ „(/) LA=10lg \dtjA (3.1) Л t Р 0\ 0 J где, PA(t) - текущее значение среднеквадратичного значения с учётом коррекции «А» шумомера, Па, t - время действия шума, час.
На рисунке 3.1 представлена схема служебного модуля МКС, а также показано расположение контрольных точек.
Контрольные точки измерения для определения акустических характеристик па рабочих местах (точки 1-6) расположены по оси модуля на расстояниях 0.8, 1.9, 3.5, 4.5, 6.5, и 8.2 м от среза переходной камеры соответственно (рис 3.1). Точки 1-3 находятся в большом диаметре рабочего отсека, точки 5-6 в малом диаметре и точка 4 на границе этих двух диаметров. Контрольные точки в местах отдыха (каюты правого и левого бортов) расположены на высоте 1.6 м от нижней панели кают. Учитывая симметричное расположение кают, для последующего расчета принята точка 7 в каюте, находящейся по левому борту.
Измерение звукоизоляции двери каюты правого борта
В целом заметны сильные резонансные явления, особенно на низких частотах. Видимо, это обусловлено в основном резонансами объемов, кроме того панели облицовки обладают малой жесткостью и плохо закреплены на силовой раме. Таким образом, панели облицовки становятся дополнительными источниками шума.
Воздуховоды станции имеют выходы в обитаемые отсеки в виде различных решёток. Шум от вентиляторов, распространяясь по воздуховодам, также проникает в рабочий отсек. Существенное количество звуковой энергии попадает в каюту через воздуховод. Поэтому интересным является вопрос о том, как звук затухает по длине воздуховодов.
Для выполнения расчетов также использовались результаты определения затухания по воздуховодам. В качестве примера (рис 4.22) показано затухание по главному воздуховоду служебного модуля. Затухание возрастает с увеличением частоты и достигает 50 дБ на высоких частотах, провалы на низких частотах объясняются резонансами воздушных объемов. В среднем затухание составляет 5.3 дБ/м.
На рис. 4.22, 4.23 мы видим, что затухание достаточно хорошее, но даже здесь наблюдаются провалы (на частотах 18-25 кГц.). Затухание шума по воздуховоду также резко падает начиная с 10000 Гц. Следует помнить, что данный воздуховод наиболее протяженный и затухание в нем максимальное. Воздуховоды, которые имеют выход непосредственно в каюты короче примерно втрое и ситуация там много хуже. Поэтому для снижения шума в помещениях станции требуется обратить пристальное внимание на воздуховоды. Необходима установка в сечении воздуховодов проходных глушителей, повышение жесткости стенок, а также увеличение их звукоизолирующей способности (например, необходимо в первую очередь исключить щели в воздуховодах). по акустическим свойствам конструкции служебного модуля СМ МКС, были проведены расчеты для проверки и подтверждения расчетных моделей.
Полученные сравнительные данные эксперимента и расчета приведены на на рис 4.24, 4.25,4.26,4.27,4.28,4.29,4.30. Всего расчеты выполнялись для 7 характерных (стандартных) точек.
Сравнение расчетных данных с экспериментом, показало, что отличие расчетных данных от экспериментальных не превышает ±2,5 дБ в диапазоне частот 63-8000 Гц, и не превышает ±1,5 дБА по УЗ, т.е. можно говорить о приемлемой точности выполненных расчетов.
Хотя точность моделей на низких частотах не велика, это не является причиной для отказа от нее. Статистическая теория тем не менее дает возможность достаточно надежно оценить уровни звукового давления.
На рисунках представленных ниже показаны результаты расчетов по расчетным моделям, приведенным в главе №2, а также данные по измерениям на летающем служебном модуле «Звезда» Международной космической станции и на земном аналоге служебного модуля.
1. Для замкнутых объемов служебного модуля МКС получены значения коэффициентов звукопоглощения (а). Значения коэффициентов звукопоглощения в запанельных объемах на низких частотах составило а =0.1 0.3, а на средних и высоких or =0.15 - 0.5; таким образом, при увеличении звукопоглощения в рабочих и запанельных отсеках шум может быть снижен, так как имеются резервы повышения их акустической эффективности введением звукопоглощающих конструкций.
2. Получены значения приведенной звукоизоляции. Приведенная звукоизоляция кабин в диапазоне 63-8000 Гц достигает 9-18 дБ -увеличиваясь от низких к высоким частотам, однако имеются провалы, в основном на низких частотах, что говорит о присутствии «слабых» элементов (проемов, щелей и пр.) в конструкции панелей рабочих отсеков.
3. Получены значения затухания шума по длине служебного модуля. Шум затухает равномерно по длине служебного модуля. Аномальная зона имеет место на расстоянии пяти метров от начала отсчета. Общий спад уровня звука по длине СМ достигает 20 дБА.
4. Получены значения затухания шума по длине воздуховода, затухание увеличивается с увеличением частоты звука. Удельное затухание достигает на низких частотах 0,8-1,2 дБ/м, на средних 2-2,8 дБ/м и на высоких 3-3,4 дБ/м.
5. Сравнение расчетных данных с экспериментом, показало, что отличие расчетных данных от экспериментальных не превышает ±2,5 дБ в диапазоне частот 63-8000 Гц, и не превышает ±1,5 дБА по УЗ, т.е. можно говорить о весьма высокой точности выполненных расчетов.
