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.

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.