Материал: Белов БЖД

6.6.3. Защита от шума, электромагнитных полей и излучений Уровень интенсивности в свободном волновом поле. Уравнение плоской волны, не затухающей с расстоянием, в комплексной форме имеет вид

U=u_me^j(wt-kr)

здесь u_m = u_m^jфu – комплексная амплитуда; r – радиус-вектор рассматриваемой точки; k –волновой вектор, численно равный волновому числу

k=w/c=2π/λ

где с λ – соответственно скорость распространения и длина волны.

Распространение волны всегда связано с переносом энергии, которая количественно характеризуется мгновенным вектором плотности потока энергии It. На практике обычно пользуются понятиеминтенсивности волныI, которая равна модулю среднего значения вектора It за время, равное периодуTполного колебания. Найдем интенсивности звука и электромагнитной волны. Для этого введем понятие импеданса среды при распространении волны.

Комплексным импедансом среды при распространении звуковой волны назовем отношение

где риv– соответственно звуковое давление и колебательная скорость.

Комплексным импедансом среды при распространении электромагнитной волныназовем отношение поперечных составляющих электрического(Е)и магнитного(Н)полей в данной точке:

z=E/H

Положив u=pдля звука иu=Eдля электромагнитного поля, можно для определения интенсивности звуковой волны или для определения интенсивности электромагнитной волны использовать одну и ту же формулу*:

i-^^-^-^^ ^w

где

При заданных стандартом референтных значениях. I*U*Z* удовлетворяющих условиюI* =U*/Z* из соотношения (6.25) следует

L_I=L_U+L_Z

**Числовые значения референтных величин различны для звука и ЭМП.

L_I=101gI/I*, *(6.26)–

где L_U=201gu_эф/Г*Г;L_Z=101gz/z* уровни величинI,U,Z. Суммарная интенсивность некогерентных источников

Следовательно, уровень суммарной интенсивности

где Lit,ип –соответственно уровень интенсивностиi-го источника и число источников. Если всеписточников имеют одинаковый уровень интенсивности, равныйLt, то уровень суммарной интенсивности будет равен

L_IE=L_I+101gn

Источники направленного действия характеризуют коэффициентом направленности,равным отношению:

Ф=I/I_H

где I–интенсивность волны в данном направлении на некотором расстоянииrот источника направленного действия мощностьюW,излучающего волновое поле в телесный угол Ω;Iн=W/(4πr²) –интенсивность волны на том ж е расстоянии при замене данного источника на источник ненаправленного действия той же мощности. В общем случае в сферической системе координат, характеризуемой угламиøи φ, коэффициент направленности φ= φ(ø). Для осесимметричных источников коэффициент направленности не зависит от координаты ф и ф=ф(ø). Таким образом, интенсивность можно выразить через мощность источника следующим образом:

При необходимости учесть затухание в уравнение (6.23) вводят вместо волнового числа kкомплексное волновое числоfc, иликоэффициент распространения k:

где γ и δ – соответственно коэффициент фазы и коэффициент затухания. Амплитуда затухающей волны будет равна um(δ)=u_meδraинтенсивность волны будет затухать по закону:

На расстоянии rзатухание в децибеллах

где δо = 8,686δ – коэффициент затухания, выраженный в децибелах на единицу длины.

Полагая Wx=I*Se из выражения (6.28) находимуровень интенсивности с учетом затухания:

где SeиLw=101gW/W* –соответственно единичная площадь и уровень мощности относительно референтного значенияW*:

Таким образом, уровень интенсивности в данной точке определяется через уровень мощности и коэффициент направленности. Формула (6.29) справедлива в свободном волновом поле,т. е. поле, не имеющем границ, от которых могло бы происходить отражение волн. Свободное поле можно создать и в помещении, если сделать последнее из материала, полностью поглощающего энергию падающей волны. Величину 101gфназываютпоказателем направленностии обозначают ПН.

Таблица 6.7. Коэффициент затухания звука в воздухе, дБ/км

Для звука коэффициент затухания δо зависит от частоты звука, температуры, давления и относительной влажности воздуха. При нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха, равной +20 °С , значения коэффициента δо даны в табл. 6.7. Для электромагнитной волны, распространяющейся в воздухе, δо≈0 (см. ниже). Следует иметь в виду, что в реальных условиях уровень затухания зависит также от погодных условий (дождь, снег, туман и т. д.), наличия растительности (трава, кустарник, деревья и т. д.), состояния атмосферы (ветер, туман, турбулентность, температурные градиенты и т. д.), наличия отражающих поверхностей (земля, преграды, экраны и т. д.) и ряда других факторов и вычисляется по формуле где eS(i) – уровень

затухания при наличии i-го фактора. Если затуханием можно пренебречь (S= 0), то уровень интенсивности:

Диффузное волновое поле в изолированных объемах.Волновое поле называютдиффузным,если усредненная по времени объемная плотность энергииW=Wgодинакова во всех точках, а поток энергии через единичную площадку в любой точке и в любом направлении постоянен и равен1g

Энергия волны в объеме d V равна ck=WgdK В диффузном поле эта энергия распределяется равномерно во все стороны пространства 4я. Следовстгельно, на телесный угол dQ = d5fcos6/r² приходится часть энергии, равная d^ == w^cosOd V(\S/^nr¹. В сферической системе координат с полярным углом 9 элементарный объем d^=" AinOdOdcpdr и полная энергия через площадку d*? найдется в результате следующего интегрирования:

Откуда следует, что поток энергии через единичную площадку

Ig=Wgc/4=Iв/4

Таким образом, поток энергии через единичную площадку в диффузном волновом поле в четыре раза меньше интенсивности Iв бегущих волн с той же объемной плотностью энергии. Для бегущей со скоростью с волны интенсивностьI = cw,гдеw –усредненная объемная плотность энергии. При наличии диффузного поля понятие интенсивности теряет смысл.

Понятие диффузного поля часто используют при определении плотности потока энергии Iпв изолированных объемах. Под изолированным объемом понимается пространство, огражденное стенками (например, производственное помещение, кабина, пространство под кожухом машины и т. д.). Волны в изолированных объемах, многократно отражаясь, образуют поле, которое изменяется при изменении геометрических размеров, формы и других характеристик источника.

Волновое поле в каждой точке изолированного объема можно представить в виде совокупности волн, непосредственно приходящих в эту точку от источника, именуемую как прямая волна, и совокупности волн, попадающих в нее после отражений от границ изолированного объема – отраженная волна.

Плотность энергии Wп в любой точке изолированного объема будет складываться (рис. 6.38) из плотности энергии w прямой волны и плотности энергииWgпри диффузном поле отраженной волны:Wп = w +Wg. Умножив это уравнение на скоростьс, получим