Шум, ультразвук та інфразвук

Звук - це розповсюдження звукової хвилі в пружному середо­вищі. Він характеризується частотою звукових коливань, амплі­тудою та часовими змінами коливань. Звуковий спектр поділяється на інфразвук, частота коливань звукової хвилі якого знаходиться в межах від 0 до 20 Гц - людина цих звуків органами слуху не сприй­має. Звуки з частотою від 20 до 20 000 Гц - звуковий діапазон, який людина чує. Частота від 20 000 Гц до 10³ Гц - ультразвук, від 10³ і вище - гіперзвук - людське вухо їх не сприймає.

Шум - це коливання звукової хвилі в звуковому діапазоні, що характеризується змінною частотою і амплітудою, непостійні в часі, які не несуть корисної інформації людині.

Звукові коливання будь-якого середовища виникають при по­рушенні його стаціонарного стану під впливом збурюючої сили. Частинки середовища починають коливатися відносно положення рівноваги, при цьому швидкість цих коливань (коливальна швид­кість) значно менша швидкості розповсюдження звукових хвиль (швидкості звуку), яка залежить від пружких властивостей, тем­ператури та щільності середовища. Під час звукових коливань у повітрі утворюються зони зниженого та підвищеного тиску. Звуко­вим тиском Р, Па називається різниця між миттєвим значенням повного тиску та середнім тиском в незбуреному середовищі.

При розповсюдженні звукової хвилі в просторі відбувається пе­ренос енергії, кількість якої визначається інтенсивністю звуку. Се­редній потік енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, віднесений до одиниці площі поверхні, нормальної до напрямку роз­повсюдження хвилі, називається інтенсивністю звуку І, Вт/м².

Сприймання людиною звуку залежить не тільки від частоти, а й від інтенсивності звуку та звукового тиску. Найменша інтенсивність і звуковий тиск Р₀, які спримає вухо людини, зветься порогом чут­ності або умовним нулем чутності.

При звуковому тиску Р = 2∙10^-12 Па вини­кають больові відчуття (больовий поріг) в слухових органах людини. Між порогом чутності і больовим порогом лежить ділянка чутності.

В зв'язку з тим, що між слуховим сприйняттям та подразненням існує приблизна логарифмічна залежність, для вимірювання звукового тиску, сили звуку та звукової потужності прийнята логарифмічна шкала. Це дозволяє великий діапазон значень (за звуковим тиском — 10⁶, за силою звуку — 10¹²) вкласти в порівняно невеликий інтервал логарифмічних одиниць. В логарифмічній шкалі кожен наступний ступінь цієї шкали більший від попереднього в 10 разів. Це умовно вважається одиницею вимірювання 1 бел (Б). В акустиці використовується дрібніша одиниця — децибел (дБ), рівна 0,1 Б. Найважливішим ж є то, що вухо людини реагує на відносну зміну іненсивності звуку, а не на абсолютну.

Величина, виражена в белах або децибелах, називається рівнем цієї величини.

Рівень звукового тиску в децибелах виражається формулой:

L= 20 Lg P/P₀ 

де: P - середньоквадратичне значення звукового тиску у кожній октавній смузі, Па;

P₀ - вихідне значення звукового тиску у повітрі, що дорівнює 2 х 10^-5 Па.

Неспрятливий вплив шуму на людину залежить не тільки від рівня звукового тиску, а й від частотного діапазону шуму, а також від рівномірності його впливу впродовж часу. Кожне джерело шуму може бути представлене своїми утворюючими тонами у вигляді залежностей рівня звукового тиску від частоти (частотним спект­ром шуму або просто спектром). Спектри шумів можуть бути лінійчастими (дискретними), суцільними та змішаними. Більшість джерел шуму на підприємствах мають змішаний або суцільний спектр. При оцінці та аналізі шумів, а також при проведенні акус­тичних розрахунків, весь діапазон частот поділяють на смуги пев­ної ширини. Смуга частот, у якій відношення верхньої граничної частоти до нижньої дорівнює 2, називається октавою.

За часовими характеристиками шуми поділяються на постійні й непостійні. Постійними вважаються такі шуми, рівень звуку яких за восьмигодинний робочий день змінюється в часі не більш, ніж на 5 дБА.

Людське вухо неоднаково відчуває звуки різних частот. Звуки малої частоти людина сприймає як менш гучні, порівняно зі зву­ками більшої частоти тієї ж інтенсивності. Тому для оцінки суб'єк­тивного відчуття гучності шуму введено поняття рівня гучності, який відлічується від умовного нульового порогу. Одиницею рівня гучності є фон. Він відповідає різниці рівнів інтенсивності в 1 дБ еталонного звуку за частоти 1000 Гц. Таким чином, при час­тоті 1000 Гц рівні гучності (у фонах) збігаються з рівнями звуко­вого тиску (в дБ). Рівень гучності є фізіологічною характеристи­кою звукових коливань. За допомогою спеціальних фізіологічних досліджень були побудовані криві однакової гучності, за якими можна визначати рівень гучності будь-якого звуку із заданим рівнем звукового тиску .

Поріг больового відчуття

Багатьма дослідами встановлено, що шум є загальнобіологічним подразником і в певних умовах може впливати на всі системи життєдіяльності людини. Найповніше вивчено вплив шуму на слу­ховий орган людини. Інтенсивний шум, особливо за високих час­тот - 4000 Гц і більше, при щоденному впливі призводить до ви­никнення професійного захворювання - тугоухості, симптомом якого є повільне втрачання слуху на обидва вуха.

При дуже високому звуковому тиску може статися розрив ба­рабанної перетинки. Найбільш несприятливими для органів слу­ху є високочастотні шуми ( 1000-10 000 Гц).

Шум також впливає безпосередньо на різні відділення голов­ного мозку, змінюючи нормальні процеси вищої нервової діяль­ності. Цей вплив може негативно позначитися навіть раніше, ніж виникнуть проблеми із сприйняттям звуків органами слуху. Ха­рактерним впливом шуму є скарги на підвищення втомлюваності, загальну слабкість, роздратування, апатію, послаблення пам'яті, пітливість та інші нездужання. Практикою встановлено також вплив шуму на органи зору людини - зниження гостроти зору та зниження чутливості розрізнення кольорів. Страждає від шуму та­кож вестибулярний апарат, порушуються функції шлунково-киш­кового тракту, підвищується внутрішньочерепний тиск, порушу­ються процеси обміну в організмі та ін.

Шум, особливо непостійний (коливальний, переривчастий, ім­пульсний погіршує здатність до виконання точних робочих опера­цій, утруднює сприйняття інформації. Всесвітня організація охоро­ни здоров'я (ВООЗ) відзначає, що найбільш чутливими до впливу шуму є такі операції, як збір інформації, складання і мислення.

Несприятливий вплив шуму на працюючу людину призводить до зниження продуктивності праці, створюються передумови для виникнення нещасних випадків та аварій. Все це визначає велике економічне і оздоровче значення заходів по боротьбі з шумом.

НОРМУВАННЯ ШУМІВ

В Україні і в міжнародній організації' зі стандартизації застосовується принцип нормування шуму на основі граничних спектрів (гранично допустимих рівнів звукового тиску) в октавних смугах частот.

Граничні величини шуму на робочих місцях регламентуються ДСН 3.3.6.037-99 Санітарні норми виробничого шуму, ультразвуку та інфразвуку. В них закладено принцип встановлення певних параметрів шуму, виходячи з класифікації приміщень за'їх використанням для трудової діяльності різних видів.

Допустимі рівні звукового тиску в октавних смугах частот та еквівалентні рівні звуку на робочих місцях слід вибирати згідно з табл. 2.

В нормах передбачаються диференційовані вимоги до допустимих рівнів шуму в приміщеннях різного призначення в залежності від характеру праці в них. Шум вважається допустимим, якщо вимірювані рівні звукового тиску у девяти октавних смугах частот нормованого діапазону (31,5—8000 Гц) будуть нижчі, ніж значення, котрі визначаються граничним спектром. В літературі дозволяється цей принцип нормування йменувати нормуванням по граничному спектру. Граничним спектром зветься сукупність нормативних рівнів звукового тиску в дев'яти стандартизованих октавних смугах частот із середньогеометричними частотами 31,5,63,125,500, 1000,2000,4000,8000 Гц. Кожен граничний спектр позначається цифрою, яка відповідає до­пустимому рівню звукового тиску (дБ) в октавній полосі із середньогеометричною частотою 1000 Гц. Наприклад, граничний спектр ГС-75 означає, що в цьому граничному спектрі допустимий рівень звукового тиску в октавній смузі з середньогеометричною часто­тою 1000 Гц дорівнює 75 дБ.

Використовується також принцип нормування, котрий базується на регламентуванні рівня звуку в дБА, котрий вимірюється при ввімкненні коректованої частотної характеристики А шумоміра. В цьому випадку здійснюється інтегральна оцінка всього шуму, на відміну від спектральної.

Нормування рівня звуку в дБА суттєво скорочує об'єм вимірювань і спрощує обробку результатів. Однак цей принцип не дозволяє визначити частотну характеристику необхідного шумоглушіння у випадку перевищення норми. В той же час саме ці дані необхідні при проектуванні заходів щодо зниження шуму.

Нормування шуму за рівнями звуку в дБА та за граничними спектрами застосовуються для оцінки постійного шуму. Для оцінки непостійних шумів використовується еквівалентний рівень, котрий рівний рівню постійного звуку, широкосмугового, неімпульсного шуму, котрий справляє такий самий вплив на людину, як і даний непостійний шум.

Для орієнтовної оцінки в якості характеристики постійного широкосмугового шуму на робочих місцях допускається приймати рівень звуку в дБА, вимірюваний за часовою характеристикою „повільно" шумоміра. В таблиці наведен приклад нормування.

N п/п	Вид трудової діяльності, робоче місце	Рівні звукового тиску в дБ в октавних смугах з середньогеометричними частотами, Гц									Рівні шуму та еквівалентні рівні шуму, ДБА, дБАекв.
		31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
13.	Робочі зони у службових приміщеннях суден
	I - II категорії	89	75	66	59	54	50	47	45	44	55
	суден III - IV категорії	93	79	70	63	58	55	52	50	49	60
	на крилах ходового містка	93	79	70	63	58	55	52	50	49	60
14.	Робочі зони промислово-технологічних приміщень та промислові палуби суден рибної промисловості	107	95	87	82	78	75	73	71	69	80
15.	Робочі місця у лабораторіях у рибних цехах на судах рибної промисловості	96	83	74	68	63	60	57	55	54	65

Із таблиці видно, що допустимі рівні звукового тиску за низьких частот мають більш високі значення і знижуються з підвищенням частоти. Це пояснюється тим, що людський організм легше перено­сить низькі частоти і значно гірше - високі.

Інфразвук

Інфразвук — це коливання в повітрі, в рідкому або твердому середовищах з частотою менше 16 Гц.

Інфразвук людина не чує, однак відчуває; він справляє руйнівну дію на організм людини. Високий рівень інфразвуку викликає порушення функції вестибулярного апарату, зумовлюючи запаморочення, біль голови. Знижується увага, працездатність. Виникає почуття страху, загальна немічність. Існує думка, що інфразвук сильно впливає на психіку людей.

Всі механізми, котрі працюють при частотах обертання менше 20 об/с, випромінюють інфразвук. При русі автомобіля зі швидкістю понад 100 км/год він є джерелом інфразвуку, котрий утворюється за рахунок зриву повітряного потоку з його поверхні. В машинобудівній галузі інфразвук виникає при роботі вентиляторів, компресорів, двигунів внутрішнього згорання, дизельних двигунів.

Згідно з діючими нормативними документами рівні звукового тиску в октавних смугах з середньогеометричними частотами 2, 4, 8, 16, Гц повинен бути не більше 105 дБ, а для смуг з частотою 32 Гц — не більше 102 дБ. Завдяки великій довжині інфразвук поширюється в атмосфері на великі відстані. Практично неможливо зупинити інфразвук за допомогою будівельних конструкцій на шляху його поширення. Неефективні також засоби індивідуального захисту. Дієвим засобом захисту є зниження рівня інфразвуку в джерелі його випромінювання. Серед таких заходів можна виділити наступні:

— збільшення частот обертання валів до 20 і більше обертів на секунду;

— підвищення жорсткості коливних конструкцій великих розмірів;

— усунення низькочастотних вібрацій;

— внесення конструктивних змін в будову джерел, що дозволяє перейти з області інфразвукових коливань в область звукових; в цьому випадку 'їх зниження може бути досягнуте застосуванням звукоізоляції та звукопоглинання.

Ультразвук

Ультразвук широко використовується в багатьох галузях промисловості. Джерелами ультразвуку є генератори, котрі працюють в діапазоні частот від 12 до 22 кГц для обробки рідких розплавів, очищення відливок, в апаратах для очищення газів. В гальванічних цехах ультразвук виникає під час роботи очищувальних та знежирювальних ванн. Його вплив спостерігається на віддалі 25—50 м від обладнання. При завантажуванні та розвантажуванні деталей має місце контактний вплив ультразвуку.

Ультразвукові генератори використовуються також при плазмовому та дифузійному зварюванні, різанні металів, при напилюванні металів.

Ультразвук високої інтенсивності виникає під час видалення забруднень, при хімічному травленні, обдуванні струменем стисненого повітря при очищенні деталей, при збиранні .

Ультразвук викликає функціональні порушення нервової системи, головний біль, зміни кров'яного тиску та складу і властивостей крові, зумовлює втрату слухової чутливості, підвищену втомлюваність.

Ультразвук впливає на людину через повітря, а також через рідке і тверде середовище.

Допустимий рівень ультразвукових тисків в октавних смугах з середньогеометричними частотами 16; 31,5; 63 та вище кГц наведено у таблиці

Середньогеометричні частота октавних смуг, кГц	16	31,5	63 та вище
Допустимі рівні тиску, дБ	88	106	110