Акустические колебания

Одним из важнейших условий безопасной жизнедеятельности человека является поддержание оптимального состояния физической среды обитания.

Под физической средой обитания понимают совокупность факторов, оказывающих на организм человека энергетическое воздействие. Одним из таких факторов физической природы является акустическое поле – область пространства, в котором распространяются акустические (звуковые) волны.

По своей физической сущности акустические волны представляют собой механическое колебательное движение упругой среды (газовой, жидкой или твердой). Упругие волны, воспринимаемые ухом человека, называют звуком, а совокупность звуков, оказывающих неблагоприятное воздействие на человека, называют шумом.

Воздействию акустических полей человек подвергается в различных сферах среды обитания: на производстве, в быту, в городской среде.

Интенсивными источниками шума являются городской транспорт, промышленные предприятия, авиатранспорт. И поэтому большое число людей, особенно жителей крупных городов, оказываются в неблагоприятных условиях акустической среды.

2.3.1. Воздействие шума на организм человека

Неблагоприятные воздействие акустической среды на условия жизни и здоровье людей проявляется в четырех аспектах: психологическом влиянии шума, в изменениях со стороны слуха, во влиянии шума на сон и в возникновении физиологических эффектов.

Воздействие шума на организм человека может проявляться как в виде специфического поражения органа слуха, так и нарушений со стороны многих органов и систем.

Орган слуха как биологическая система в условиях шума выполняет две противоречащие друг другу функции: с одной стороны, он снабжает организм сенсорной информацией, что позволяет ему приспосабливаться к окружающей среде, а с другой, обеспечивает самосохранение, т.е. противостоит повреждающему действию акустических сигналов. Для осуществления первой функции орган слуха должен обладать высокой чувствительностью к сигналам, несущим информацию, а для реализации второй функции слуховая чувствительность должна снижаться, чтобы приспособиться к шуму. И в такой шумовой обстановке организм вырабатывает компромиссное решение, выражающееся в снижении слуховой чувствительности, т.е. внутренней адаптации органа слуха.

Если человек ежедневно подвергается воздействию интенсивного шума, который постоянно и необратимо влияет на орган слуха, у него развивается тугоухость. Профессиональная тугоухость наблюдается у лиц, работающих в шумных цехах. Сущность возникновения тугоухости сводится к "акустическому травмированию", когда происходит переутомление и истощение клеточных элементов, участвующих в процессе звукового восприятия.

Между органами чувств человека существует тесное взаимодействие. Шум, действуя на орган слуха, непосредственно, через нервную систему, влияет на другие анализаторы, в частности, на орган зрения. Под действием шума происходит нарушение устойчивости ясного видения.

Значительному воздействию шума подвержена центральная нервная система, функциональные изменения в ней происходят раньше, чем нарушение слуховой чувствительности. При этом наблюдаются такие симптомы, как раздражительность, ослабление памяти, апатия, подавленное настроение. Установлено также, что у рабочих шумовых профессий происходят нарушения функций желудочно-кишечного тракта, нарушается витаминный, углеводный, белковый, жировой обмен, изменяется состояние сердечно-сосудистой системы.

Весь комплекс изменений в организме человека, вызванных воздействием шума, принято называть шумовой болезнью. Шумовая болезнь – это общее заболевание организма с преимущественным поражением органа слуха, центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, развивающееся в результате длительного воздействия интенсивного шума.

Шумовая болезнь характерна для целого ряда профессий в машинострое- нии, текстильной, горной, металлургической промышленности. Интенсивный шум возникает при работе дробильно-помольного оборудования, мощных электродвигателей, турбин, вентиляторов.

2.3.2. Ультразвук и инфразвук, источники возникновения и действие на организм человека

Ультразвук - колебания упругой среды с частотой более 20 кГц, которые не воспринимаются ухом человека. Он широко используется в различных областях техники и промышленности. Например, при дефектоскопическом контроле, структурном анализе веществ, для очистки и обезжиривания деталей, в процессах механической обработки твердых материалов, для ускорения химических реакций, электролитических процессов и т.д.

Значительное распространение получил ультразвук в медицине для диагностики и лечения ряда заболеваний.

Содержится ультразвук также в шуме ветра и моря, издается и воспринимается некоторыми животными (летучие мыши, рыбы, насекомые).

При действии ультразвука на организм человека происходят функ-циональные изменения со стороны центральной и периферической нервной системы, сердечно-сосудистой системы, слухового и вестибулярного анализаторов. Эти изменения имеют много общего с проявлениями воздействия высокочастотного шума, но имеется ряд особенностей. Прежде всего это сильные головные боли, головокружение, неуверенность походки, чувство давления в ушах, нарушение сна (сонливость днем).

Кроме общего воздействия на организм человека через воздух возможно локальное действие ультразвука при обслуживании ультразвуковых установок. Например, систематический контакт с источником ультразвука в жидкости может привести к парезу кистей и предплечий.

Инфразвук представляет собой механические колебания, распространяю- щиеся в упругой среде, с частотам менее 20 Гц. Инфразвуковые колебания подчиняются тем же закономерностям, что и звуковые, но низкая частота колебаний придает им некоторые особенности. Инфразвук отличается от слышимых звуков значительно большей длиной волны. Распространение инфразвука в воздушной среде происходит в отличие от шума на большие расстояния от источника вследствие малого поглощения его энергии. Воздействию инфразвука человек может подвергаться не только в производственной среде; многие явления природы - землетрясения, морские бури, извержения вулканов - генерируют инфразвуковые волны.

В производственных условиях инфразвуковые колебания образуются при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, промышленных вентиляторов и других крупногабаритных машин и механизмов. Источниками интенсивных инфразвуковых волн являются механизмы и агрегаты, имеющие поверхности больших размеров, совершающие вращательное или возвратно-поступательное движение с повторением циклов менее чем 20 раз в секунду (инфразвуки механического происхождения), и турбулентные процессы при движении больших потоков газов или жидкости (инфразвуки аэродинамического происхождения).

Мощным источником инфразвуковых волн при работе компрессоров является воздухозаборная система. Имеются инфразвуковые колебания также в авиационной и космической технике.

Инфразвук влияет на весь организм человека, отражается на его здоровье и работоспособности. В результате длительного действия низкочастотных колебаний у человека появляется повышенная утомляемость, слабость, раздражительность, нарушается сон, возможны нарушения психики. У лиц, находящихся на расстоянии 200-300 м от реактивных самолетов, появляется чувство беспричинного страха, повышается артериальное давление. При работе реактивных двигателей возникает сотрясение грудной клетки и брюшной полости, наступает состояние, напоминающее морскую болезнь.

Инфразвуки с частотой 2-15 Гц являются особенно опасными из-за резонансных явлений в организме. Наибольшую опасность представляет инфразвук с частотой 7 Гц, так как возможно совпадение его с ритмом биотоков мозга. При частотах от 1 до 3 Гц возможна кислородная недостаточность, нарушение ритма дыхания, при частотах 5-9 Гц появляются болезненные ощущения в грудной клетке, в нижней части живота. В диапазоне частот от 8 до 12 Гц возникают боли в пояснице, а при более высоких частотах - болезненные симптомы в полости рта, гортани.

2.3.3. Характеристика основных параметров шума

Основными параметрами, характеризующими шум как физический про- цесс, являются звуковое давление, частота, интенсивность, скорость распространения звука.

Звуковым давлением Р называют разность между давлением максимального сгущения среды, в которой происходит распространение звука, и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде. Единицей измерения звукового давления служит паскаль.

Частота звука - число полных колебаний за 1 секунду. Человек способен воспринимать органом слуха колебания с частотой от 20 до 20000 Гц. Ниже 20 Гц находится область инфразвука, а выше 20 кГц - область ультразвука, не слышимые человеком. Наибольшей чувствительностью человек обладает к звукам частотой от 800 до 4000 Гц.

Частотный состав шума характеризует его спектр, т.е. совокупность входящих в него частот. Если в составе шума преобладают звуки с частотой колебаний ниже 400 Гц, то шум относят к низкочастотному, при преобладании звуков с частотой в диапазоне 400-1000 Гц - к среднечастотному, свыше 1000 Гц - к высокочастотному.

Распространение звуковой волны сопровождается переносом энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью, или силой звука в данной точке. Единица измерения интенсивности - Вт/м².

Интенсивность звука и звуковое давление связаны следующим соотношением:

где r- плотность среды, в которой распространяется звуковая волна, кг/м³; с - скорость распространения звука в данной среде, м/с.

Произведение r^.с называют акустическим сопротивлением среды, которое характеризует звукоизолирующие свойства материалов.

Скорость распространения звука в газообразной среде с определяется по формуле

,

где k- показатель адиабаты; Р_ст - давление газа, Па; r_г- плотность газа, кг/м³.

В воздухе при нормальных условиях скорость распространения звука равна 344 м/c, при повышении температуры увеличивается примерно на 0,71 м/с на каждый градус.

Для оценки воздействия шума на организм человека необходимо учитывать особенности восприятия звука органом слуха.

Минимальная величина звуковой энергии, способная трансформироваться в нервный процесс, т.е. воспринимаемая ухом человека как звук называется порогом слышимости или слуховым порогом и составляет 10^-12 Вт/м². Звуковое давление, соответствующее этой величине, равно 2^.10^-5 Па. Высший предел, при котором воспринимаемый звук вызывает болевое ощущение, соответствует силе звука 10² Вт/м², звуковому давлению 2 10² Па.

Орган слуха различает не разность, а кратность изменения абсолютных величин звукового давления (или интенсивности), т.е. обладает ступенчатостью восприятия. Установлено, что каждая последующая ступень восприятия отличается от предыдущей на 12,4 %, поэтому для физиологической оценки шума принята шкала логарифмических единиц, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием. По этой шкале увеличения интенсивности звука в 10, 100, 1000 раз соответствуют возрастанию на 1, 2, 3 единицы (lg 10 = 1; lg 100 =2; lg 1000 = 3). Логарифмическая единица, отражающая десятикратную степень увеличения интенсивности звука, в акустике называется белом (Б).

Преимуществом логарифмической шкалы измерений является также и удобство пользования ею, так как весь огромный диапазон звукового давления (от 2^.10^-5 до 2^.10² Па) и интенсивности (от 10^-12 до 10² Вт/м ) в этой шкале укладывается в 130-140 Б. На практике пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей - децибелом (дБ), которая соответствует примерно минимальному приросту силы звука, различаемому ухом. Логарифмические единицы позволяют оценивать звук не абсолютной величиной звукового давления или интенсивности, а их уровнем, т.е. отношением фактического давления или интенсивности к давлению и интенсивности, принятыми за единицу сравнения. Такой единицей принято считать минимальное давление 2^.10^-5 Па или минимальную интенсивность 10^-12 Вт/м² на частоте 1000 Гц.

Уровень звукового давления

дБ,

где Р_о = 2 10^-5 Па.

Уровень интенсивности звука определяют по формуле

дБ,

где I_о = 10^-12 Вт/м².

Оценка шума по уровню звукового давления не всегда достаточна, она справедлива лишь для принятого стандартного звука частотой 1000 Гц. Звуки, имеющие одну и ту же интенсивность, но разную частоту, на слух воспринимаются как разногромкие. Поэтому для сравнения между собой различных по частотному составу звуков в отношении их громкости используют единицы громкости - фоны. Громкость звука силой в 1 дБ при частоте 1000 Гц равна 1 фону. Есть и другая единица уровня громкости - сон. Соотношения между фоном и соном такие: 40 фон = 1 сон, 50 фон = 2 сона, 60 фон = 4 сона и т.д., т.е. с увеличением уровня громкости на 10 фонов уровень громкости в сонах возрастает в 2 раза.

2.3.4. Нормирование шума

Допустимые уровни шума на рабочих местах регламентируются следую- щими нормативными документами:

- ГОСТ 12.1.003-83. "Шум. Общие требования безопасности";

- Санитарные нормы 2.2.4/2.1.8.562-96 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки".

Нормирование ультразвука производится согласно ГОСТ 12.1.001-83 "Ультразвук. Общие требования безопасности".

При нормировании инфразвука на рабочих местах руководствуются санитарными нормами СН 2274-80, а в условиях городской застройки - "Санитарными нормами допустимых уровней инфразвука и низкочастотного шума на территории жилой застройки. СанНиП 42-128-4948-89".

Нормирование производственного шума ведется с учетом классификации по характеру спектра и по временным характеристикам.

По характеру спектра шум различают:

- широкополосный, с непрерывным спектром ширины более одной октавы;

- тональный, в спектре которого имеются выраженные тоны. Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шум подразделяют на:

- постоянный, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется не более чем на 5 дБ;

- непостоянный, уровень звука которого за 8-часовую рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых, общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется более чем на 5 дБ.

Непостоянные шумы, в свою очередь, подразделяют на:

- колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;

- прерывистые, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

- импульсный, состоящий из одного или нескольких сигналов, каждый длительностью менее 1 с, причем уровни звука изменяются не менее, чем на 7 дБ.

Нормируемым параметром постоянного шума является уровень звуко-кового давления в децибеллах, устанавливаемый в зависимости от частотной характеристики и вида трудовой деятельности. Так как диапазон звуковых колебаний, воспринимаемых человеком, колеблется в широком интервале (от 20 до 20000 Гц), то в практике нормирования весь этот диапазон разбивается на октавные полосы. Октава - диапазон частот, в котором верхняя граница в 2 раза больше нижней. Например, 40-80 Гц, 80-160 Гц, 160-320 Гц и т.д. (табл.2.3).

Таблица 2.3

Допустимые уровни шума на рабочих местах (извлечение из ГОСТ 12.1.003-83)

Согласно ГОСТ 12.1.003-83 уровни звукового давления устанавливаются для восьми октавных полос, причем для обозначения частотного интервала применяют среднегеометрические величины - 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Согласно СН 3223-85 введены новые нормы на шум, по которым допустимые уровни шума в помещениях лабораторий с шумным оборудованием и на постоянных рабочих местах имеют меньшие значения (на 3-6 дБ), чем по ГОСТ 12.1.003-83. Так, с 1 января 1989 г. допустимым уровнем звука на рабочих местах будет 80 дБ, вместо 85 дБ.

Анализ допустимых уровней шума на рабочих местах (см.табл.2.3) показывает, что с увеличением частоты звука норма уровня звукового давления снижается.

Совокупность всех восьми по ГОСТ 12.1.003 - 83 уровней звукового давления называют предельным спектром. Каждый спектр имеет свой индекс. Например, ПС-60 означает, что допустимый уровень звукового давления для этого спектра на частоте 1000 Гц составляет 60 дБ.

Если для постоянного шума определяющими параметрами являются величины звукового давления и спектральный состав, то для непостоянного шума следует принимать во внимание длительность импульсов, их частоту следования, величину фонового уровня шума и др. Очевидно, что учитывать при нормировании все перечисленные параметры невозможно. Поэтому при нормировании непостоянного шума исходят из энергетической концепции и оценивают его при помощи эквивалентного (по энергии) уровня звука, предполагая, что изменения, наступающие в организме, возникают под действием энергии, которую несет в себе тот или иной уровень шума.

Нормируемым параметром непостоянного шума является эквивалентный (по энергии) уровень звука постоянного шума, оказывающего на человека такое же воздействие, как и непостоянный шум. Этот уровень измеряется специальными интегрирующими шумомерами или рассчитывается по формуле

, дБ,

где t_i - доля числа отсчетов в данном интервале уровней звука в общем числе отсчетов, %; L_i - средний уровень звука в данном интервале, дБ; i - 1, 2, 3 ... n - отсчеты уровней.

Для тонального и импульсного шума эквивалентные уровни звука принимаются на 5 дБ меньше значений, указанных в табл.2.3.

Согласно ГОСТ 12.1.003-83 допускается в качестве характеристики непостоянного шума использовать дозу шума. Доза шума Д (Па ч) - интегральная величина, учитывающая акустическую энергию, воздействующую на человека за определенный период времени:

Допустимая доза шума Д_доп. определяется по формуле

где Р_доп. - значение звукового давления, соответствующее допустимому уровню звука, Па; Т_р.д. - продолжительность рабочего дня, ч.

Нормирование постоянного шума для условий городской застройки не отличается от нормирования производственного шума, а при нормировании непостоянного шума в этих условиях пользуются эквивалентными уровнями звука L_экв. и максимальными уровнями звука L_max в дБ. Максимальный уровень шума - это уровень звука, соответствующий максимальному показанию шумомера в течение 1% времени измерения.

Допустимые уровни звукового давления на рабочих местах при эксплуа- тации ультразвуковых установок, нормированные в третьоктавных полосах частот, согласно ГОСТ 12.1.001-83 должны соответствовать следующим значениям:

Нормируемыми параметрами ультразвука, распространяющегося контактным путем, являются пиковое значение виброскорости в полосе частот 0,1-10 мГц или его логарифмический уровень, определяемый по формуле

Lv = 20 lg V/V дБ

где: V- пиковое значение виброскорости, м/с; V_о= 5^.10 м/c.

Допускается оценивать ультразвук при контактной передаче по интенсив- ности в Вт/см. Предельно допустимый уровень контактного ультразвука, установленный "Санитарными нормами и правилами при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый контактным путем на руки работающих" № 2282-80, составляет 110 дБ или 0,1 Вт/см для зон контакта рук с приборами и установками.

Нормируемым параметром инфразвука на рабочих местах является уровень звукового давления в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 и 31,5 Гц в дБ, определяемый по формуле

L_v = 20 lg P/P_одБ,

где Р_о = 2^.10^-5 Па.

В соответствии с гигиеническими требованиями уровни инфразвука на рабочих местах не должны превышать 105 дБ в октавных полосах частот 2-16 Гц, 102 дБ - на частоте 31,5 Гц.

Нормирование постоянного инфразвука на территории жилой застройки производится по уровню звукового давления L в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16, 31,5 Гц.

Нормируемым параметром непостоянного инфразвука на территории жилой застройки являются эквивалентные (по энергии) уровни звукового давления L_экв. в октавных или 1/3-октавных полосах с указанными выше среднегеометрическими частотами.

Санитарные нормы СН 2.2.4/1.8.562-96 регламентируют предельно допустимые уровни звука и эквивалентных уровней звука на рабочих местах с учетом тяжести и напряженности трудового процесса, а при нормировании шума в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки учитывается время суток.

2.3.5. Защита от шума

При разработке мер защиты от шума в первую очередь стремятся уменьшить или снизить шум в источнике возникновения, далее используют меры по уменьшению уровня шума на пути распространения. Снижение механического шума может быть достигнуто технологическими и техническими мерами:

- заменой ударных процессов безударными;

- заменой возвратно-поступательных движений деталей равномерным вращательным движением;

- заменой штамповки прессованием, клепки - сваркой;

- тщательной балансировкой вращающихся деталей;

- заменой металлических деталей неметаллическими;

- использованием прокладочных материалов в соединениях.

Ослабление аэродинамического и гидродинамического шума может быть достигнуто улучшением аэро- и гидродинамических характеристик машин и выбором оптимальных режимов их работы.

Для уменьшения шума на пути его распространения используют средства звукоизоляции:

- звукоизолирующие ограждения (стены, перекрытия, остекленные проемы, окна, двери);

- звукоизолирующие кабины;

- звукоизолирующие кожухи;

- акустические экраны.

Звукоизоляция ограждением (R) определяется по формуле:

, дБ,

где Р_пад - звуковая мощность, падающая на ограждение, Вт; Р_пр - звуковая мощность, прошедшая через ограждение, Вт.

При использовании звукоизолирующих кабин и кожухов их внутреннюю поверхность облицовывают звукопоглощающим материалом (минеральная вата, стекловолокно, гипс, капроновое волокно).

Акустические экраны изготавливают стационарными и передвижными, плоской или п-образной формы из твердых сплошных листов толщиной 1,5 - 2 мм с обязательной облицовкой звукопоглощающим материалом поверхности, обращенной к источнику шума.

Для снижения аэродинамического шума на пути его распространения устанавливают глушители. Глушители могут быть абсорбционные, реактивные и комбинированные. Абсорбционные глушители снижают звуковую энергию за счет звукопоглощающих материалов, применяемых в них, а реактивные - за счет отражения звука обратно к источнику. Комбинированные глушители способны и поглощать и отражать звук.

Снижение шума в помещениях может быть достигнуто с помощью акустической обработки их. Для этого используют звукопоглощающую облицовку и штучные звукопоглотители, располагаемые над шумящим оборудованием. Звукопоглощающая облицовка выполняется из звукопоглощающих материалов пористой структуры толщиной 20-200 мм. Выбор конструкции звукопоглощающей облицовки зависит от частотных характеристик шума и звукопоглощающих свойств конструкции. Когда свободная поверхность помещений недостаточна для облицовки звукопоглощающим материалом, используют штучные звукопоглотители, выполненные в виде объемных тел, заполненны звукопоглощающим материалом и подвешиваемых к потолку.

Акустические экраны применяются в сочетании акустической обработкой помещений, прежде всего потолка. Экраны могут быть стационарными и передвижными, плоской или П-образной формы, выполняют из твердых листов толщиной 1,5 - 2 мм с обязательной облицовкой поверхности, обращенной к источнику шума, звукопоглощающим материалом.

Снижение шума может быть достигнуто архитектурно-планировочными мероприятиями, предусматривающими взаиморасположение помещений и объектов с учетом их шумности. Шумные цехи располагают в глубине заводской застройки, удаляя от тихих помещений, ограждая зоной зеленых насаждений, поглощающих шум.

Когда мерами технологического, технического и планировочного характера не удается снизить уровень шума до допустимых значений, используют средства индивидуальной защиты органов слуха. К ним относятся наушники, шлемы, вкладыши. Наиболее простыми и доступными являются вкладыши, выполнение в виде тампонов из ультратонких волокон.