Механические и акустические колебания и вибрации
| КОЛЕБАНИЯ- многократное повторение одинаковых или почти одинаковых процессов. Сопутствуют многим природным процессам и явлениям, вызванным человеческой деятельностью - от простейших колебаний маятника до электромагнитных колебаний распространяющейся световой волны. |
| МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ - это периодически повторяющиеся движения, вращательные или возвратно поступательные. Это тепловые колебания атомов, биение сердца, колебания земли (моста) под ногами. |
Любой процесс механических колебаний можно свести к одному или нескольким гармоническим синусоидальным колебаниям.
Основные параметры гармонического колебания:
| • амплитуда, равная максимальному отклонению от положения равновесия (м); |
| • период колебаний, равный времени одного полного колебания (с); |
| • скорость колебаний (м/с); |
| • частота колебаний, равная числу полных колебаний за единицу времени (Гц); |
| • ускорение (м/с2). |
Все виды техники, имеющие движущиеся узлы - создают механические колебания. Увеличение быстродействия и мощности техники привело к резкому повышению уровня вибрации.
| ВИБРАЦИЯ - малые механические колебания, возникающие в упругих телах под воздействием переменных сил |
Вибрация относится к факторам, обладающим высокой биологической активностью. Вибрационная патология стоит на 2-м месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний. Вибрация машин может привести к нарушению функционирования техники и вызвать серьезные аварии. Установлено, что вибрация является причиной 80% аварий в машинах, в частности, она приводит к накоплению усталостных эффектов в металлах, появлению трещин.
Наиболее существенно воздействие вибрации на человека– это в виде сложной динамической системы, в которой существуют опасные, резонансные частоты, вызывающие возрастание амплитуды колебаний как всего тела, так и отдельных его органов.
| Для тела человека в положении сидя резонанс наступает при частоте 4-6 Гц, для головы 20-30 Гц, для глазных яблок 60-90 Гц. При этих частотах интенсивная вибрация может привести к травматизации позвоночника и костной ткани, расстройству зрения, у женщин вызвать преждевременные роды. |
Колебания вызывают в тканях организма переменные механические напряжения, которые воспринимаются особым органом чувств - вестибулярным аппаратом. Перевозбуждение рецепторов выражается в т.н. «воздушной»или«морской» болезни.
Воздействие вибрации на организм человека определяется • уровнем виброскорости и виброускорения, • диапазоном действующих частот, • индивидуальными особенностями человека.
| За нулевой уровень виброскорости принята величина 5•10-8 м/с, за нулевой уровень колебательного ускорения принята величина 3•10-4 м/с2, рассчитанные по порогу чувствительности организма. |
Различают вибрацию:
| • по способу передачи на человека - общую (передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека) и локальную (передающуюся через руки человека); |
| • по источнику возникновения - транспортную, транспортно-технологическую, технологическую; |
| • по спектру частот - с дискретным и непрерывным спектром; |
| • по временным характеристикам - постоянную - величина виброскорости изменяется не более чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не < 1 мин, непостоянную - величина виброскорости изменяется не менее чем в 2 раза (на 6 дБ) за время наблюдения не < 1 мин, которая, в свою очередь, подразделяется на непрерывно колеблющуюся во времени, прерывистую и импульсную; |
| • по наличию в оборудовании (инструменте) источника вибрации - активную(первичную) и пассивную(вторичную). |
Основная мера защиты от вибрации - виброизоляция источника колебаний(напр., автомобильные и вагонные рессоры).
Санитарные нормы и правила регламентируют предельно допустимые уровни вибрации, меры по снижению вибрации и лечебно-профилактические мероприятия. Санитарными правилами предусматривается ограничение продолжительности контакта человека с виброопасным оборудованием.
| Гигиеническое нормирование вибраций устанавливает параметры производственной вибрации и правила работы с виброопасным оборудованием -ГОСТ 12.1.012 - 90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования» и СН 2.2.4/2.1.8.556-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий». |
Кстати, биологическая активность вибрации используется для лечебных целей,т.к. правильно дозированные вибрации определенных частот увеличивают активность жизненно важных процессов в организме.
| АКУСТИЧЕСКИЕ (ЗВУКОВЫЕ) КОЛЕБАНИЯ- механические колебания в упругих средах, вызывающие распространение в этих средах упругих волн. |
Энергия от источника колебаний передается частицам среды. По мере распространения волны частицы вовлекаются в колебательное движение с частотой, равной частоте источника колебаний, и с запаздыванием по фазе, зависящем от расстояния до источника и скорости распространения волны.
| Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися в одной фазе, называется ДЛИНОЙ ВОЛНЫ. Длина волны - это путь, пройденный волной за время, равное периоду колебаний. |
| Упругие волны с частотами от 16 до 20 000Гц в газах, жидкостях и твердых телах называются звуковыми волнами. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях = 330 м/с, в воде~1400 м/с, в стали~5000 м/с. |
При восприятии человеком звуки различают по высоте и громкости.
| Высота звука определяется частотой колебаний: чем больше частота колебаний, тем выше звук. |
| Громкостьзвука определяется его интенсивностью, выражаемой в Вт/м2. |
| Обычно уровень громкости L выражают в логарифмической шкале L=101g(I/I0), ГД е I0 - условно принятый за основу уровень интенсивности, = 10-12 Вт/м2, и оцениваемый как порог слышимости человеческого уха при частоте звука 1000 Гц (ухо человека наиболее чувствительно к частотам от 1000 до 4000 Гц). Единица измерения громкости в логарифмической шкале называется децибелом (дБ). Она соответствует минимальному приросту силы звука, различаемому ухом. Для сравнения сред. уровень громкости речи = 60 дБ, а мотор самолета на расстоянии 25 м - 120 дБ. |
| Порог слышимости - минимальная интенсивность звуковой волны, вызывающая ощущение звука. |
Порог слышимости у разных людей различен и зависит от частоты звука.
| Интенсивность звука, при которой ухо начинает ощущать давление и боль, называется порогом болевого ощущения.На практике это интенсивность звука 100 Вт/м2, соответствующая 140 дБ. |
Серьезное влияние на жизнедеятельность человека оказывает шум.
| ШУМ- совокупность звуков различной частоты и интенсивности, беспорядочно изменяющихся во времени |
Для нормального существования, чтобы не ощущать себя изолированным от мира, человеку нужен шум в 10-20 дБ(шум листвы, парка или леса). Развитие техники и промышленного производства сопровождается повышением уровня шума. Воздействие шума на организм сочетается с др. негативными воздействиями: токсичными веществами, перепадами температуры, вибрацией.
К физическим характеристикам шума относят:
• частоту,
• звуковое давление,
• уровень звукового давления.
| Звуковое давление (Р) - это среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное на пути волны.(Порог слышимости человеческого уха при частоте 1000 Гц звуковое давление Р0 = 2•10-5 Па. Порог болевого ощущения – Р = 2•102 Па). |
Для практических целей удобной является характеристика звука, измеряемая в децибелах, - уровень звукового давления.
| Уровень звукового давления (N) - это выраженное по логарифмической шкале отношение величины данного звукового давления Р к пороговому давлению Pо N = 201g (P/P0). |
Для оценки физиологического воздействия шума на человека используются понятия громкость и уровень громкости.
| Порог слышимости изменяется с частотой: уменьшается при увеличении частоты звука от 16 до 4000 Гц, затем растет с увеличением частоты до 20000 Гц. Поэтому звук одного уровня громкости при разных частотах имеет различную интенсивность. |
| Напр., звук, создающий уровень звукового давления в 20 дБ на частоте 1000 Гц, будет иметь такую же громкость, как и звук в 50 дБ на частоте 125 Гц. |
Непостоянные во времени шумы характеризуются эквивалентным (по энергии) уровнем звука в дБА, определяемым по СН 2.2.4/2.1.8.562-96.
| По частотному диапазону шумы подразделяются на • низкочастотные - до 350 Гц, • среднечастотные 350-800 Гц и • высокочастотные - выше 800 Гц. |
| По характеру спектра шумы бывают • широкополосные, • с непрерывным спектром и • тональные, в спектре которых имеются слышимые тона. |
| По временным характеристикам– • постоянные, • прерывистые, • импульсные, • колеблющиеся во времени |
Источники шума многообразны - это аэродинамичные шумы самолетов, рев дизелей, удары пневматического инструмента, резонансные колебания разных конструкций, громкая музыка.
Шум оказывает вредное воздействие на организм человека, особенно на ЦНС, вызывая переутомление и истощение клеток головного мозга. Под влиянием шума возникает бессонница, быстро развивается утомляемость, понижается внимание, снижается общая работоспособность и производительность труда. Длительное воздействие на организм шума может способствовать возникновению гипертонической болезни.
Под влиянием шума возникают явления утомления слуха и ослабления слуха. Эти явления с прекращением шума быстро проходят. Если же переутомление слуха повторяется систематически в течение длительного срока, то развивается тугоухость.
| ТУГОУХОСТЬ- стойкое понижение слуха, затрудняющее восприятие речи окружающих в обычных условиях |
Оценка состояния слуха производится с помощью аудиометрии- измерение остроты слуха, аудиометрами. Снижение слуха на 10 дБ человеком практически не ощущается, серьезное ослабление разборчивости речи и потеря способности слышать слабые, но важные для общения звуковые сигналы, наступает при снижении слуха на 20 дБ.
| Если установлено методами аудиометрии, что в результате профессиональной деятельности произошло снижение слуха в области речевого диапазона на 11 дБ, то наступает факт профессионального заболевания - снижения слуха. Снижение слуха часто развивается в течение 5-7 лет и более. |
Методы и средства защиты от шума. Защита работающих от шума осуществляется по двум направлениям–
снижение шума в источнике и
снижение шума по пути его распространения.
Для этого применяют различные методы и средства, которые подразделяются на:
| • технические методы позволяют уменьшить уровень шума источника (производственного оборудования) на стадиях его проектирования, изготовления и эксплуатации; |
| • организационно-технические методы борьбы с шумом включают в себя: • применение малошумных технологических процессов и оборудования путем замены ударных методов обработки безударными; • оснащение шумного оборудования дистанционным управлением с удалением людей из шумной зоны; • использование рациональных режимов труда и отдыха работающих на шумных производствах; • совершенствование технологии ремонта и обслуживания машин. |
| • архитектурно-планировочные методы снижения шума включают в себя: • рациональное акустическое решение планировок зданий и предприятий; • размещение технологического оборудования в цехах с учетом зонирования по шуму; • рациональное размещение рабочих мест в производственных помещениях; • удаление административных помещений из производственные корпусов с шумными процессами; • рациональное акустическое размещение зон и режимов движения транспорта на территории предприятия; создание шумозащитных зон на территории предприятия. |
К средствам защиты от шума относятся акустические средства коллективной защиты и средства индивидуальной защиты.
Классификация акустических средств коллективной защиты от шума
| Средства звукоизоляции | Звукоизолирующие ограждения помещений и зданий, звукоизолирующие кожухи, звукоизолирующие кабины, акустические экраны |
| Средства звукопоглощения | Звукопоглощающие облицовки, объемные (штучные) звукопоглощающие изделия |
| Глушители шума | Адсорбционные, реактивные (рефлексные), комбинированные |
| Средства виброизоляции | Виброизолирующие опоры, вибропоглощающие фундаменты, упругие прокладки, конструкционные разрывы |
| Средства вибродемпфирования | Элементы с сухим трением, с внутренним трением, с вязким трением |
Если добиться снижения уровня шума в цехе средствами коллективной защиты невозможно, рекомендуется применять средства индивидуальной защиты.
Противошумные средства делятся на два класса:
наушники и
вкладыши.
Их эффективность зависит от среднегеометрических частот октавных полос и изменяется от нескольких децибел до 45 дБ.
Уровень шума нормируется санитарными нормами и государственными стандартами.
| ИНФРАЗВУК- упругие волны с частотой менее 16 Гц. |
Естественные источники инфразвука - действие ветра и волн на разнообразные природные объекты и сооружения. Медицинские исследования показали об опасности инфразвуковых колебаний: невидимые и неслышимые волны вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха. Особенно опасен инфразвук с частотой около 8 Гциз-за его возможного резонансного совпадения с ритмом биотоков.
| Инфразвук вреден во всех случаях - • слабый действует на внутреннее ухо и вызывает симптомы морской болезни, • сильный заставляет внутренние органы вибрировать, вызывает их повреждение и даже остановку сердца. При колебаниях • средней интенсивности 110-150 дБ наблюдаются внутренние расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями, обмороками, общей слабостью. Инфразвук средней силы может вызвать слепоту. |
| Наиболее мощными источниками инфразвука являются реактивные двигатели. |
В обычных условиях городской и производственной среды уровни инфразвука невелики, но он служит одной из причин нервной усталости жителей больших городов.
| Регламентация инфразвука осуществляется по санитарным нормам СН 2.2.4/2.1.8.583-96.Предельный уровень инфразвукового давления на частотах 2, 4, 8 и 16 Гц не должен превышать 105 дБ. |
Защита работающих на предприятии от неблагоприятного воздействия инфразвука проводится такими же методами и средствами, как при борьбе с производственным шумом.
| УЛЬТРАЗВУК- упругие колебания с частотой более 16 000 Гц. |
| Мощные ультразвуковые колебания низкой частоты 18-30 Гц и высоинтенсивности используются в производстве для технологических целей: очистка деталей, сварка, пайка металлов, сверление. Более слабые ультразвуковые колебания используются в дефектоскопии, в диагностике, для исследовательских целей. |
При непосредственном контакте человека со средами, по которым распространяется ультразвук, возникает контактноеего действие на организм человека. При этом поражается периферическая нервная система и суставы в местах контакта, нарушается капиллярное кровообращение в кистях рук, снижается болевая чувствительность.