Акустические колебания. Шум.

В современном мире в условиях НТП шум стал одним из серьезных отрицательных факторов окружающей среды. Рост городов, бурное развитие транспорта, внедрение в производство и быт техники сопровождается увеличением акустического загрязнения. Источником шума являются колебания, возникающие при соударении, трении, скольжении твердых тел, истечении жидкостей, газов и т.д. В последние годы рост шума в городах связан с резким увеличением движения транспорта (автомобильного, рельсового, воздушного). Существующие источники шума можно представить схемой.

Уровень шума в крупных городах сегодня достиг интенсивности промышленных шумов (80-100 дБ). В настоящее время шум рассматривается как один из факторов, вызывающий повышенную заболеваемость. Длительное воздействие шума может привести к развитию такого профессионального заболевания, как "шумовая болезнь".

Защита городской, производственной и жилой среды от шума имеет большое гигиеническое и социально-экономическое значение. В ряде документов, принятых в нашей стране и за рубежом, направленных на охрану окружающей среды, подчеркивается необходимость снижения уровня шума.

Физические характеристики шума. Шумом называют нежелательный звук или совокупность беспорядочно сочетающихся звуков различной частоты и интенсивности, оказывающих неблагоприятное воздействие на организм, мешающих работе и отдыху.

По физической сущности шум - это механические колебания частиц упругой среды (газа, жидкости, твердого тела), возникающие под воздействием какой-либо возмущающей силы. Регулярные периодические колебания называют звуком, а непериодические, случайные колебательные процессы - шумом.

Основные физические характеристики звуковых волн: частота, длина волны, интенсивность, звуковое давление.

Частота колебаний f- число полных колебаний, совершенных в течение одной секунды. Единица измерения частоты - герц (Гц) равна одному колебанию в секунду.

Акустические колебания, частотой 16 Гц - 20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц называются инфразвуком, выше 20 кГц - ультразвуком (неслышимые звуки).

Расстояние между двумя соседними сгущениями или разрежениями в звуковом поле характеризует длину волны - l, которая измеряется в метрах и связана с частотой f и скоростью звука с следующим соотношением:

.

с - скорость звука в среде распространения для воздуха 334 м/с при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении.

Распространение звуковых волн сопровождается переносом энергии в пространстве. Количество энергии переносимое звуковой волной за 1 с через площадь в 1 м², расположенной перпендикулярно направлению распространения звуковой волны называется интенсивностью или силой звука (I) и измеряется, Вт/м.

Распространяясь в упругой среде в виде чередующихся участков сгущения и разряжения, звуковая волна оказывает на нее давление. Звуковое давление (Р) представляет собой переменное давление, возникающее дополнительно к атмосферному, в той среде, через которую проходят звуковые волны. Звуковое давление измеряется в Паскалях (Па).

Минимальное звуковое давление Р₀ и минимальная интенсивность звука I₀, различаемые ухом человека, называются пороговыми. Интенсивности едва слышимых звуков и звуков, вызывающих болевые ощущения, отличаются друг от друга в миллион раз. Поэтому для оценки шума удобно измерять относительные уровни значений интенсивности и звукового давления в логарифмических единицах, взятые по отношению к пороговым значениям Р₀ и Iо.

Единица измерения уровней звукового давления и интенсивности звука - децибел (дБ). Уровень интенсивности звука определяется по формуле:

,

где I - интенсивность звука в данной точке, Вт/м; I₀ - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, равному 10¹² Вт/м² при частоте 1000 Гц. Уровень звукового давления определяется по формуле:

,

где Р - звуковое давление в данной точкеПа; Р₀ - пороговое звуковое давление, равное 2 × 10¹⁵ Па.

Так как органы слуха человека обладают неодинаковой чувствительностью к звуковым колебаниям различной частоты, весь диапазон частот на практике разбит на октавные полосы.

Октава - полоса частот с верхней граничной частотой fв, которая равна удвоенной нижней частоте fн, т.е.

Октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой

По официальной классификации шумы подразделяются:

- по характеру спектра на широкополосные (с непрерывным спектром шириной более одной октавы), и тональные, в спектре которых имеются выраженные дискретные тона;

- по временным характеристикам на постоянные (уровень за 8 час. раб. день изменяется не более 5 дБ), и непостоянные (уровень меняется за 8 час. раб. дня не менее 5 дБ). Непостоянные делятся: колеблющиеся во времени - постоянно изменяются по времени; прерывистые - резко прерываются с интервалом 1 с. и более; импульсные - сигналы с длительностью менее 1 с.

Особенности восприятия звука человеком. Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в диапазоне частот от 16-20 Гц до 20000 Гц. Границы частотного восприятия зависят от возраста человека, состояния органа слуха. Так у пожилых людей верхняя граница слышимой области ниже и составляет 12000-10000 Гц.

Область слышимых звуков ограничена 2-мя кривыми (рис. 2.1). Нижняя кривая - порог слышимости (сила едва слышимых звуков различной частоты), верхняя - порог болевого ощущения (сила звука, при которой нормальное слуховое ощущение переходит в болезненное). Слуховой аппарат человека наиболее чувствителен к звукам средних и высоких частот (800-4000 Гц) и наименее чувствителен к низким частотам (20-100Гц).

Рис. 2.1. Слуховой диапазон.

Для стандартного тона частотой 1000 Гц порог слуха молодого человека составляет 0 дБ, что соответствует звуковому давлению Ро=2 × 10^-5 Па, и интенсивности 1=10^-12 Вт/м². Болевым порогом считается звук интенсивностью 140 дБ, что соответствует звуковому давлению Р==200 Па, и 1=102 Вт/м².

Звуковые ощущения оценивают и по порогу дискомфорта, наблюдаемому при уровне звукового давления более 120 дБ, при котором появляется ощущение касания, слабой боли, щекотания.

Влияние шума на организм. Интенсивное шумовое воздействие вызывает в слуховом анализаторе изменения - специфическую реакцию организма: происходит возбуждение клеток анализатора и его утомление, затем стойкое снижение остроты слуха.

Утомляющее и повреждающее слух действие шума пропорционально его высоте (частоте). Наиболее выраженные и ранние изменения наблюдаются на частоте 4000 Гц. При этом импульсный шум действует более неблагоприятно, чем непрерывный. Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ едва заметно, потеря слуха более чем на 20 дБ начинает серьезно мешать человеку, особенно когда к этому добавляются возрастные изменения слуха.

В развитии профессиональной тугоухости имеют значение суммарное время воздействия шума в течение рабочего дня и наличие пауз, а также общий стаж работы. Начальные стадии профессионального поражения наблюдаются у рабочих со стажем 5 лет, выраженные (поражение слуха на все частоты, нарушение восприятия шепотной и разговорной речи) - свыше 10 лет.

Шум, являясь общебиологическим раздражителем, оказывает влияние не только на органы слуха, но и на многие органы и системы организма, в первую очередь на ЦНС, функциональные изменения, в которой происходят раньше, чем наблюдается нарушение слуховой чувствительности. Поражение нервной системы под действием шума сопровождается раздражительностью, ослаблением памяти, апатией, эмоциональной неустойчивостью, замедлением скорости психических реакций, нарушением сна и т.д. Шум увеличивает напряжение физиологических функций в процессе труда и снижает работоспособность. Действие шума может привести к заболеваниям ЖКТ, к сдвигам в обменных процессах, нарушению функционального состояния ССС.

Звуковые колебания могут восприниматься не только органами слуха, но и непосредственно через кости черепа (костная проводимость). Уровень шума, передаваемого этим путем, на 20-30 дБ меньше уровня, воспринимаемого ухом. При высоких уровнях шума передача за счет костной проводимости возрастает и усиливает вредное действие на организм человека. При действии высоких уровней шума (более 145 дБ) возможен разрыв барабанной перепонки (рис. 2.2.).

Рис. 2.2. Воздействие шума на организм человека.

Таким образом, воздействие шума может привести к сочетанию профессиональной тугоухости (неврит слухового нерва) с функциональными расстройствами центральной нервной, вегетативной, сердечно-сосудистой и других систем, которые могут рассматриваться как профессиональное заболевание - шумовая болезнь. Случаи заболевания встречаются у лиц, работающих на ткацких станках, с рубильными, клепальными молотками, обслуживающих прессо-штамповочное оборудование, у испытателей - мотористов и других профессиональных групп, длительно подвергающихся интенсивному шуму.

Нормирование уровня шума. Возрастающее неблагоприятное действие шума на организм человека имеет существенные социально-гигиенические и экономические последствия, поэтому проблема борьбы с шумом приобретает важное значение.

Основой всех правовых, организационных и технических мер по снижению производственного шума является гигиеническое нормирование его параметров с учетом влияния на организм.

При нормировании шума используют два метода: по предельному спектру шума; уровню звука в дБ. Первый метод является основным для постоянных шумов и позволяет нормировать уровни звукового давления в восьми октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Совокупность 8 допустимых уровней звукового давления называется предельным спектром. Шум на рабочих местах не должен превышать допустимых уровней, значения которых приведены в нормах ГОСТ 12.1.003-83, соответствующих рекомендациям Технического комитета акустики при Международной организации по стандартизации.

Второй метод нормирования общего уровня шума, измеренного по шкале А шумомера, которая имитирует кривую чувствительности уха человека, и называемого уровнем звука в дБА, используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, так как в этом случае мы не знаем спектра шума. Уровень звука (дБА) связанс предельным спектром зависимостью L_А=ПС+5.

Предельно допустимые нормы шумового воздействия на человека устанавливаются в децибелах (Дб). Под оптимальным шумовым фоном понимают энергию шума 20 Дб, городской шум имеет в среднем уровень 30-40 Дб, предельно допустимый шум для самолетов над землей - 50 дБ. Шум в 90 Дб вызывает болезненные ощущения.

ПДУ шума устанавливают органы здаровоохранения (в России - Госкомсанэпиднадзор). Совместно с этой службой строительные ведомства разрабатывают и утверждают санитарные нормы и правила, предусматривающие меры защиты от шума.

Уровни шумов от различных источников и реакция организма на акустические воздействия приведены в следующей таблице 2.1.

Источники акустического воздействия	Уровень звука, Дб	Реакция организма на длительное акустическое воздействие
Шум листвы, прибоя		Успокаивающее
Средней силы звуки в квартире, классе		Гигиеническая норма
Внутри здания, расположенного на магистра­ли		Появляется чувство раздражения, утомляемость, головная боль
Телевизор
Поезд (в метро и на железной дороге)
Кричащий человек
Мотоцикл
Дизельный грузовик
Реактивный самолет		Ослабление слуха, болезни нервно-психического стресса. Вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного, нарушает сон и психическое здоровье, ведет к глухоте.
Шум на текстильной фабрике
Сила звука плейера
Ткацкий станок
Отбойный молоток
Реактивный двигатель (при взлете на расстоянии 25 м)
Музыка на дискотеке

Меры борьбы с шумом. Для уменьшения уровней шума применяются технические, строительные и организационные мероприятия, а также средства индивидуальной защиты.

1. К техническим мерам относят:

а) Подавление шума в источниках. Снижение механических шумов достигается: улучшением конструкции машин и механизмов, заменой деталей из металлических материалов на пластмассовые, заменой ударных технологических процессов на безударные, нанесением смазки на трущиеся детали и рядом других материалов.

б) Предупреждение распространения шума - звукоизоляция и звукопоглощение.

При звукоизоляции уменьшается уровень шума, который распространяется за счет колебания преграды. Для звукоизоляции применяются плотные, жесткие, массивные перегородки. При этом ослабление зависит от массы перегородки, а не от ее материала. Большее ослабление достигается при слоистых перегородках, с воздушными промежутками между слоями.

При звукопоглощении звук ослабляется за счет поглощения звуковой энергии в порах материала перегородки (войлок, вата, пемза). Наряду с пористыми материалами для звукопоглощения применяются специальные мастики, которыми покрываются перегородки и отдельные части машин.

2. Строительные и организационные меры:

а) увеличение расстояния от источника шума - концентрация цехов с большим уровнем шума и удаление их от другихпроизводственных помещений.

Так как интенсивность шума в помещениях зависит не только от прямого, но и отраженного звука, который может быть уменьшен за счет увеличения площади звукопоглощения помещения, то необходимо применять:

б) покрытие внутренних поверхностей помещения звукопоглощающими облицовками;

в) размещение в помещениях штучных звукопоглощателей (объемные тела, заполненные звукопоглощающим материалом и подвешенные к потолку);

г) закрытие машин звукоизоляционными кожухами;

д) устройство экранов (с покрытием их звукоизолирующими материалами) между машиной и рабочим местом;

е) устройство звукоизолированных машин;

ж) рациональный режим труда и отдыха;

з) сокращение времени нахождения в шумовых условиях;

и) контроль уровней шума на рабочих местах.

В качестве звукопоглощающего материала применяют ультратонкое стекловолокно, капроновое волокно, минеральную вату, древесноволокнистые и минераловатные плиты и др. Толщина облицовок составляет 20-200 мм. В низких помещениях облицовывают только потолок, т.к. стены в них практически не влияют на отражение звука, а в высоких и вытянутых помещениях - облицовывают как стены, так и потолок. При некоторых производственных процессах, например, как клепка, обрубка, штамповка, зачистка трудно или невозможно эффективно снизить шум.

3. Индивидуальные средства защиты от шума.

В случае невозможности снижения шума до нормативного вышеуказанными методами применяются средства индивидуальной защиты - противошумы. Противошумы по ГОСТ 12.4.011-75 подразделяются на три типа: наушники, закрывающие ушную раковину; вкладыши, перекрывающие наружный слуховой канал (пробка); шлемы, закрывающие часть головы и ушную раковину.

Наушники по способу крепления на голове подразделяются на: независимые (с оголовьем); встроенные в головной убор (каски, шлемы, косынки).

Вкладыши (мягкие тампоны из ультратонкого волокна, материала или из эбонита, резины) бывают многократного пользования и однократного. Наушники и вкладыши делятся по ГОСТ 12.4.051-75 на группы А, Б, В по их эффективности в Дб в октавных полосах частот.

На предприятиях зоны звука выше 85 Дб (шкала А шумомера - замер без фильтров, частотная характеристика этой шкалы близка к характеристике слуха человека) должны обозначаться знаками безопасности и работающие в этих зонах должны быть обеспечены средствами индивидуальной защиты. Запрещается даже кратковременное пребывание в зонах со звуковым давлением более 135 Дб в любой полосе частот. В технических условиях на машины и паспорта должны быть указаны значения шумовых характеристик машин, измерение шума проводится в соответствии с ГОСТ 12.1.003-76.

Ультразвук.

Ультразвук — это колебания выше 20 кГц, неслышимые человеческим ухом. Условно ультразвуковой диапазон частот подразделяется на низкочастотный — от 20 до 100 кГц и высокочастотный — от 100 кГц до 1000 МГц. Источниками ультразвуковых колебаний являются ультразвуковые механические излучатели (сирены, свистки) и электромеханические (магнитострикционные и пьезоэлектрические). Низкочастотный ультразвук образуется при аэродинамических процессах, сопровождающих работу реактивных двигателей, газовых турбин, компрессорных установок и др.

Ультразвук имеет единую природу со звуком и одинаковые физико-гигиенические характеристики, т.е. оценивается по частоте колебаний интенсивности. Единица измерения интенсивности ультразвука - Вт/см². С гигиенической точки зрения интенсивность ультразвука (уровень звукового давления) оценивается в относительных единицах - дБ.

Ультразвуковая техника и технология получили широкое распространение в различных отраслях народного хозяйства. Низкочастотный ультразвук (рабочая частота 20, 22, 40, 44, 60, 66 кГц; интенсивность до 5—10 Вт/см²) применяют для активного воздействия на вещества и различные технологические процессы (обезжиривание, очистка, сварка и др.), в медицине — для резки и соединения биологических тканей, обезболивания, разрушения новообразований, стерилизации инструментов и др. Высокочастотный ультразвук используется для сбора информации, контроля, анализа, обработки и передачи сигналов (дефектоскопия, и т.д.), в медицине—для диагностики, лечения различных заболеваний позвоночника, суставов, периферической нервной системы, в офтальмологии, дерматологии, гинекологии и др.

Ультразвуковые колебания подчиняются тем же закономерностям, что и звуковые волны, но имеют некоторые особенности:

- из-за малой длины волны получается направленный сфокусированный пучок энергии;

- ультразвуковые волны дают отчетливую акустическую тень, так как размеры экранов всегда будут соизмеримы или больше длины волны;

- проходя через границу раздела двух сред, ультразвуковые волны могут отражаться, преломляться или поглощаться;

- ультразвук, особенно высокочастотный, практически не распространяется в воздухе.

Действие на организм. Низкочастотный УЗ оказывает общее воздействие на организм через воздух и локальное действие при соприкосновении с обрабатываемыми деталями и средами, в которых возбуждены колебания.

Высокочастотный ультразвук вследствие малой длины волны практически не распространяется в воздухе и оказывает воздействие на работающих только при контакте источника ультразвука с поверхностью тела.

Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, гуморальные нарушения. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома.

При действии локального УЗ наблюдаются общецеребральные нарушения, нервно-сосудистые изменения: возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног), вплоть до развития пореза костей и предплечий. У операторов, работающих с высокочастотным оборудованием, наблюдается повышенная чувствительность рук к холоду, чувство слабости в руках, снижение тактильной чувствительности, боль в руках в ночное время.

Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия. Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Влияние на ткани ограничивается раздражением нервных рецепторов. Изменения функционального состояния ЦНС сопровождаются нормализацией сосудистых реакций, снижением артериального давления, расширением сосудов.

Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект.

Гигиеническое нормирование. Допустимый уровень УЗ нормируется в соответствии с ГОСТом 12.1.003-83 "ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности" и Санитарными нормами № 2282-80 "Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый локальным путем на руки работающих".

Для низкочастотных ультразвуковых колебаний установлены следующие предельные значения звукового давления на рабочих местах.

Среднегеометрическая частота, кГц	Уровень звукового давления, дБ
12,5
16,0
20,0
25,0
31,5-100,0

ПДУ контактного ультразвука для зон контакта рук с рабочими органами приборов и установок составляет 110 дБ или 0,1 Вт/см².

Защита от ультразвука. Меры предупреждения неблагоприятного воздействия УЗ на организм состоят в проведении мероприятий технического, организационного и медико-профилактического характера.

Технические: создание автоматизированного ультразвукового оборудования с дистанционным управлением; использование маломощного оборудования (снижение шума на 20-40 дБ); применение звукоизолирующих устройств (кожухи, экраны); размещение оборудования в звукоизолированных помещениях или кабинах с дистанционным управлением; использование средств индивидуальной защиты (противошумы, перчатки резиновые изнутри хлопчатобумажные).

Организационные: соблюдение режимов труда и отдыха (через каждые 1,5-2 часа 10-15 минутные перерывы); обучение, инструктаж; к работам с УЗ не допускаются лица моложе 18 лет.

Медико-профилактические, направлены на предупреждение профессиональной патологии:

- комплекс физиотерапевтических процедур (массаж, УФ-облучение, водные процедуры, витаминизация и т.п.);

- предварительные и периодические медосмотры.

Инфразвук

Инфразвук - область низкочастотных акустических колебаний в диапазоне ниже 20 Гц. Эти колебания относятся к неслышимому диапазону частот.

Развитие современной техники и транспортных средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин, что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах шумов на рабочих местах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.

Источники инфразвука: средства наземного, воздушного и водного транспорта;

компрессоры; мощные вентиляционные системы и системы кондиционирования.

Инфразвук как физическое явление подчиняется общим закономерностям, характерным для звуковых волн, однако обладает целым рядом особенностей, связанных с низкой частотой колебаний упругой среды:

- инфразвук имеет во много раз большие амплитуды колебаний, чем акустические волны при равных мощностях источников звука;

- инфразвук распространяется на большие расстояния от источника из-за поглощения его атмосферой;

- вследствие большой длины волны для инфразвука характерно явление дифракции. Благодаря этому инфразвуки легко проникают в помещения и обходят преграды, задерживающие слышимые звуки;

- инфразвуковые колебания способны вызывать вибрацию крупных объектов вследствие явлений резонанса.

Поэтому обычные мероприятия по борьбе с шумом в данном случае малоэффективны.

Действие на организм. Лабораторные исследования показали, что при уровне 110-150 дБ и более инфразвук может вызывать у людей неприятные объективные ощущения и различные реактивные изменения.

Инфразвук вызывает ощущение вибрации грудной и брюшной стенки, нарушение ритма дыхания, закладывание и давление в ушах, головную боль, головокружение, тошноту, затруднение при глотании, ощущение необъяснимого страха, беспокойства, сменяющегося чувством усталости, утомления, вялости и рассеянности.

В результате длительного воздействия инфразвука с уровнями, близкими к производственным (90- 120 дБ), развивается астения, снижается умственная работоспособность, появляются вегетоневротические симптомы: раздражительность, тошнота, нервозность. Установлено, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах.

Многие исследователи отличают влияние инфразвуковых колебаний на вестибулярный анализатор (отмечаются нарушения равновесия, головокружение). Так как чувствительность вестибулярного анализатора находится в области низких частот, то можно предположить, что инфразвук воспринимается рецепторами органов равновесия. Со стороны сердечно-сосудистой системы при воздействии инфразвука отмечаются нарушение частоты сердечных сокращений, в частности брадикардия, увеличение диастолического давления.

Хотя всестороннее изучение биологического действия низкочастотных акустических колебаний продолжается, можно сделать вывод, что инфразвук в зависимости от частоты и уровня звукового давления оказывает влияние на функциональное состояние слухового и вестибулярного анализаторов, функцию дыхания, нервную и сердечно-сосудистую системы. Особого внимания заслуживает действие инфразвука на эмоциональную сферу, работоспособность и утомляемость.

Гигиеническое нормирование. Проведенное в нашей стране изучение биологического действия инфразвука в производственных и экспериментальных условиях позволило разработать нормативный документ по ограничению его предельно допустимого уровня "Гигиенические нормы инфразвука на рабочих местах" № 2274-80.

Нормы устанавливают классификацию, характеристики и предельные уровни инфразвука на рабочих местах, а также условия его контроля. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный, уровень звукового давления которого, измеренного по стандартной шкале "линейная" шумомера, изменяется не более чем на 10 дБ за время наблюдения 1мин, и непостоянный, аналогичная характеристика которого изменяется не менее чем на 10 дБ за тот же период наблюдения. Для постоянного инфразвука нормируется уровень звукового давления на частотах 2, 4, 8, 16 и 31,5 Гц, а для непостоянного — общий уровень звукового давления по стандартной шкале "линейная" шумомера, дБ. Предельно допустимые уровни инфразвука, установленные "Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах", показаны в таблице 2.2.

Таблица 2.2.