Лекция 7. Воздействие шума на человека, животных и окружающую среду

Вопросы:

1. Акустические колебания, их характеристика и влияние на человека и животных.

2. Нормирование уровней звуковых колебаний (шума) на рабочих местах.

3. Защита от акустических колебаний (шума).

Акустические колебания как слышимые, так и неслышимые сопровождают современного человека на протяжении всей его жизни. Вопросам борьбы с акустическими колебаниями или шумами различного частотного диапазона в настоящее время придается серьезное значение во всех областях техники, особенно в машиностроении, на транспорте, в энергетике, при производстве двигательных установок для ракет–носителей и при их эксплуатации.

Шум на производстве наносит большой ущерб, вредно действуя на организм человека, и снижает производительность труда. Из–за сильного шума появляется сильное утомление операторов и персонала эксплуатирующеготехнику, что способствует появлению ошибок. Ошибки приводят к травмам или поломкам и авариям технических средств. При длительной работе в зашумленной среде у человека могут возникнуть серьезные отклонения в здоровье.

С другой стороны мир звуков сопутствует человеку со дня его рождения и на протяжении всей жизни. Исследователи подводных глубин, будучи в герметически закрытом батискафе, испытывали крайне неприятное ощущение от гнетущей тишины. О том же рассказывали космонавты, впервые проводившие тренировки в барокамере. Им не хватало звуков. Абсолютная тишина угнетает, она противоестественна для всего живого. Шумы естественного происхождения не оказывают отрицательного воздействия на организм. Наоборот, звуки, рождаемые самой природой, на него влияют благотворно. Они так же необходимы человеку, как зелень деревьев и голубое небо над головой.     В Японии продаются подушки, в которые вмонтирован аппарат имитирующий звуки дождевых капель, падающих в ритме человеческого пульса. Такой шум быстро навевает сон.

По данным исследований акустической лаборатории Московского университета, установлено, что во всех исследованных шумах – шуме листвы тополя, липы, лиственного леса, дождя, морского прибоя и других шумах естественного происхождения – определяющими являются примерно одни и те же частоты, соответствующие примерно 1000 колебаний в секунду. Это как раз зона наибольшей спектральной чувствительности слухового аппарата человека. Этим объяснятся то приятное чувство успокоения и равновесия, которое они вызывают. В некоторых санаториях вместо обычных снотворных средств используются специально записанные на магнитофонные ленты ритмические звуки природы – шумы дождя и морского прибоя. Благодаря этому больные погружаются в длительный и глубокий сон.

1. Акустические колебания, их характеристика и влияние на человека

Физическое понятие об акустических колебаниях охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред: акустические колебания в диапазоне 16 Гц – 20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми, с частотой менее 16 Гц – инфразвуковыми, выше 20 кГц – ультразвуковыми.

Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми: нижняя – порог слышимости, верхняя, – порог болевого ощущения. Самые низкие значения порогов лежат в диапазоне 1 – 5 кГц. Порог слуха молодого человека составляет 0 дБ на частоте 1000 Гц, на частоте 100 Гц порог слухового восприятия значительно выше, так как ухо менее чувствительно к звукам низких частот.

Болевым порогом принято – считать звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и интенсивности 100 Вт/м². Звуковые ощущения оцениваются по порогу дискомфорта (слабая боль в ухе, ощущение касания, щекотания).

Рис. Порог слышимости и болевой порог

Шум определяют, как совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность: разговорная речь – 50 – 60 дБ·А, автосирена – 100 дБ·А, шум двигателя легкового автомобиля – 80 дБ·A, громкая музыка – 170 дБ·А, шум от движения трамвая – 70 – 80 дБ·А, шум в обычной квартире – 30 – 40 дБ·А.

В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие воздействия на нее какой–либо возмущающей силы. Частицы среды при этом начинают колебаться относительно положения равновесия, причем скорость таких колебаний (колебательная скорость v ) значительно меньше скорости распространения волны (скорости звука с).

Рис. Восприятие звуков человеком и животными

Человек воспринимает частоты от 20 колебаний в секунду до 20 000 колебаний. Некоторые животные способны издавать звуки за пределами этих границ. Таблица показывает пределы частот, воспроизводимых летучими мышами, дельфинами, кузнечиками, и, для сравнения — границы воспроизведения частот птиц и собак. Музыкальные инструменты имеют два вида частотных уровней: высоту звуков, которые могут быть сыграны (показаны сплошной пинией) и высоту обертонов, дополняющих основные звуки(пунктирная линия). Границы показаны для скрипки, семейства саксофонов (от баса до сопрано) и арфы. Для сравнения «до» первой октавы выделено желтым цветом. СТРОЕНИЕ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО УХА. 1.Слуховой канал 2.Барабанная перепонка 3.Молот 4.Наковальня 5.Стремечко 6.Овальное окно 7.Евстахиева труба 8.Улитка 9.Слуховой нерв

СЛУХ - функция восприятия ЗВУКА (звуковых колебаний). Человек и многие другие млекопитающие могут слышать, когда звуковые колебания воздействуют на барабанную перепонку УХА. Колебания перепонки посредством трех маленьких костей передаются УЛИТКЕ. В улитке рецепторы преобразуют колебания в нервные импульсы, которые передаются через слуховой нерв в мозг, где интерпретируются как звук.

Удивительным является то обстоятельство, что для большинства звуковых сигналов мы можем определить месторасположение источника с очень высокой степенью достоверности. Конфигурация ушной раковины позволяет осуществлять пространственное декодирование поступающих сигналов и подавать на барабанную перепонку звуковой сигнал, в котором уже содержится информация о месторасположении источника в пространстве. Для определения места расположения звукового источника в пространстве слуховая система использует не один, а несколько механизмов, каждый из которых наиболее эффективен при решении определенной задачи. Механизмы слухового восприятия принято делить на основные и вспомогательные. К основным механизмам обычно относят локализацию по разнице амплитуд приходящих сигналов, временной разнице, а также спектральным различиям звука в правом и левом слуховых каналах. К вспомогательным механизмам обычно относят отражения звука от туловища и плеч человека, анализ реверберационных эффектов, а также эффект психологического восприятия, приводящий слышимое расположение звукового источника в соответствие с его расположением, которое мы видим глазами.

В газообразной среде скорость звука

,

где  – показатель адиабаты (для воздуха  = 1,41);

Р_CТ и  – давление и плотность газа.

При нормальных атмосферных условиях (T = 293 К и Р_СТ = 1034 гПа) скорость звука c в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое поле – это область пространства, в которой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени.

Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р. Единица измерения звукового давления – Па.

На слух действует средний квадрат звукового давления

,

где черта означает осреднение во времени, которое в органе слуха человека происходит за Т₀ = 30 – 100 мс.

В плоской звуковой волне, т.е. такой, в которой поверхность, проходящая через точки с одинаковой фазой колебаний, является плоскостью, перпендикулярной направлению распространения колебания, отношение звукового давления к колебательной скорости не зависит от амплитуды колебаний.

Оно равно (Па·с/м) p/v = r·c, где ·с – удельное акустическое сопротивление среды, которое для воздуха, например, равно 410 Па·с/м, для воды 1,5·10⁶ Па·с/м, для стали 4,8·10⁷ Па·с/м.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой–либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке I (Вт/м²):

. (20.1)

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Естественно, что оперировать такими цифрами довольно неудобно. Наиболее же важно то обстоятельство, что ухо человека способно реагировать на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому были введены логарифмические величины – уровни звукового давления и интенсивности.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по формуле

L_I = 10 lg I / I₀

где I₀ – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (I₀ = 10^–12 Вт/м²) на частоте 1000 Гц.

Величина уровня звукового давления (дБ)

L = 10 lg,

где р₀ – пороговое звуковое давление, выбранное таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях уровни звукового давления были равны уровням интенсивности, т.е. р₀ =2·10 ^–5 Па на частоте 1000 Гц; р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Величину уровня интенсивности применяют при получении формул акустических расчетов, а уровня звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Уменьшение шума ΔL определяют также в децибелах:

ΔL = L₁ – L₂ = 20lg p₁/p₀ – 20lg p₂/p₀ = 20 1g p₁/p₂ = 10 1g I₁/I₂.

Например, если шум агрегата снизить по интенсивности в 1000 раз, то уровень интенсивности будет уменьшен на 30 дБ, т.е. ΔL = 10 lg 1000 = 30 дБ.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, складывают их интенсивности, но не уровни. При этом считается, что источники некогерентны, т.е. создаваемые ими давления имеют произвольные фазы I = I₁ + I₂ + … + I_n.

Искомый уровень интенсивности (дБ) при одновременной работе этих источников получим, разделив левую и правую части данного выражения на I₀ и прологарифмировав:

10 lg I/I₀ = 10 lg (I₁/I₀ + I₂/I₀ +… + I_n/I₀)

или

L = 10 lg (10 ^L₁^/10+10 ^L₂^/10 +…+10 ^L_n ^/10),

где L₁, L₂, … , L_n – уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым источником (или гармоническими составляющими одного и того же источника) в расчетной точке.

Рассмотренные особенности суммирования уровней имеют большое практическое значение для шумоглушения. Так, при большом числе одинаковых источников глушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум от более мощных источников.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления L_i, создаваемым каждым источником, то суммарный шум (дБ) L = L_i+10 lg n. Из этой формулы видно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник.

Любую зависимость какой–либо величины (например, звукового давления) от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа синусоидальных колебаний этой величины. Каждое такое колебание характеризуется своим среднеквадратичным значением физической величины и частотой f, т.е. числом колебаний в секунду (Гц).

Тон - сложный сигнал определенной высоты с дискретным спектром. В простейшем случае тон это колебание, которое описывается законом синуса. Такой тон, в свою очередь, называется чистым тоном. Сложный музыкальный звук представляет собой результат наложения множества чистых тонов, имеющих разнообразные частоты и амплитуды из которых складывается его спектр. На слух же воспринимается частота основного тона, которую как уже говорилось мы связываем с высотой. Человек способен хорошо воспринимать два близких по высоте тона

Рис. Определение тона, звука, шума, тембра

С физиологической точки зрения шумом называют всякие неприятные, нежелательные звуки, оказывающие вредное, раздражающее воздействие на организм человека, мешающие восприятию полезных сигналов, снижающие работоспособность.

Зависимость среднеквадратичных значений синусоидальных составляющих шума (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты называется частотным спектром шума (или просто спектром).

Рис. Спектр шума

По спектральному составу в зависимости от преобладания звуковой энергии в соответствующем диапазоне частот различают низко–, средне– и высокочастотные шумы, по временным характеристикам – постоянные и непостоянные, последние, в свою очередь, делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные, по длительности действия – продолжительные и кратковременные.

Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, исключительно сильное влияние оказывает шум на быстроту реакции, сбор информации и аналитические процессы, из–за шума снижается производительность труда и ухудшается качество работы. Шум затрудняет своевременную реакцию работающих на предупредительные сигналы внутрицехового транспорта (автопогрузчиков, мостовых кранов и т.п.), что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.

В биологическом отношении шум является заметным стрессовым фактором, способным вызвать срыв приспособительных реакций. Акустический стресс может приводить к разным проявлениям: от функциональных нарушений регуляции ЦНС до морфологически обозначенных дегенеративных деструктивных процессов в разных органах и тканях. Степень шумовой патологии зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, функционального состояния ЦНС и, что очень важно, от индивидуальной чувствительности организма к акустическому раздражителю. Индивидуальная чувствительность к шуму составляет 4 – 17 % . Считают, что повышенная чувствительность к шуму определяется сенсибилизированной вегетативной реактивностью, присущей 11 % населения. Женский и детский организм особенно чувствительны к шуму. Высокая индивидуальная чувствительность может быть одной из причин повышенной утомляемости и развития различных неврозов. Шум оказывает влияние на весь организм человека: угнетает ЦНС, вызывает изменение скорости вдыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно–сосудистых заболеваний, гипертонической болезни, может приводить к профессиональным заболеваниям.

Шум с уровнем звукового давления до 30 – 35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40 – 70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, и при длительном действии может быть причиной неврозов. Воздействие шума уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха – профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.

Рис. Возможные функциональные нарушения у человека при пребывании в зоне шума

Специфическое шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анализатора, проявляется медленно прогрессирующим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у других – потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве.

Рис. Классификация шумов в зависимости от

интенсивности и частоты

Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ – начинает серьезно мешать человеку, так как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи.

Оценка состояния слуховой функции базируется на количественном определении потерь слуха и производится по показателям аудиометрического исследования. Основным методом исследования слуха является тональная аудиометрия. При оценке слуховой функции определяющими приняты средние показатели порогов слуха в области восприятия речевых частот (500, 1000, 2000 Гц), а также потеря слухового восприятия в области 4000 Гц.

Критерием профессионального снижения слуха принят показатель средней арифметической величины снижения слуха в речевом диапазоне, равный 11 дБ и более. Помимо патологии органа слуха при воздействии шума наблюдаются отклонения в состоянии вестибулярной функции, а также общие неспецифические изменения в организме; рабочие жалуются на головные боли, головокружение, боли в области сердца, повышение артериального давления, боли в области желудка и желчного пузыря, изменение кислотности желудочного сока. Шум вызывает снижение функции защитных систем и общей устойчивости организма к внешним воздействиям.

Доза шума Д = р²Т; Допустимая доза Д_доп = р²_доп Т

Ультразвук как упругие волны не отличается от слышимого звука, однако, частота колебательного процесса способствует большему затуханию колебаний вследствие трансформации энергии в теплоту.

По частотному спектру ультразвук классифицируют на: низкочастотный – колебания 1,12·10⁴ – 1,0·10⁵ Гц; высокочастотный – колебания 1,0·10⁵ – 1,0·10⁹ Гц; по способу распространения – на воздушный и контактный ультразвук.

Низкочастотные ультразвуковые колебания хорошо распространяются в воздухе. Биологический эффект воздействия их на организм зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемой действию ультразвука. Длительное систематическое влияние ультразвука, распространяющегося в воздухе, вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно–сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов.

У работающих на ультразвуковых установках отмечают выраженную астению, сосудистую гипотонию, снижение электрической активности сердца и мозга.

Изменения ЦНС в начальной фазе проявляются нарушением рефлекторных функций мозга (чувство страха в темноте, в ограниченном пространстве, резкие приступы с учащением пульса, чрезмерной потливостью, спазмы в желудке, кишечнике, желчном пузыре).

Наиболее характерны вегетососудистая дистония с жалобами на резкое утомление, головные боли и чувство давления в голове, затруднения при концентрации внимания, торможение мыслительного процесса, на бессонницу.

Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, снижению болевой чувствительности, т.е. развиваются периферические неврологические нарушения. Установлено, что ультразвуковые колебания могут вызывать изменения костной структуры с разрежением плотности костной ткани.

Профессиональные заболевания зарегистрированы лишь при контактной передаче ультразвука на руки – вегетосенсорная (ангионевроз) или сенсомоторная полиневропатия рук.

Инфразвук – область акустических колебаний с частотой ниже 16 – 20 Гц. В условиях производства инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, в ряде случаев – с низкочастотной вибрацией.

При воздействии инфразвука на организм уровнем 110 – 150 дБ могут возникать неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения: нарушения в ЦНС, сердечно–сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе.

Отмечают жалобы на головные боли, головокружение, осязаемые движения барабанных перепонок, звон в ушах и голове, снижение внимания и работоспособности; может появиться чувство страха, сонливость, затруднение речи; специфическая для действия инфразвука реакция – нарушение равновесия.

При воздействии инфразвука с уровнем 105 дБ отмечены психофизиологические реакции в форме повышения тревожности и неуверенности, эмоциональной неустойчивости.

Установлен аддитивный характер действия инфразвука и низкочастотного шума. Следует отметить, что производственный шум и вибрация оказывают более агрессивное действие, чем инфразвук сопоставимых параметров.

Ультразвук и инфразвук могут возникать при работе двигателей ракет–носителей, двигателей внутреннего сгорания, дизель–генераторов, дизель–электрических станций и т.д.

Кроме того, инфразвук возникает в атмосфере, в лесу, на море (так называемый голос моря).

Источником инфразвука является гром, взрывы, орудийные выстрелы, землетрясения.

Для инфразвука характерно малое поглощение. Поэтому инфразвуковые волны в воздухе, воде и земной коре могут распространяться на очень большие расстояния.

Это свойство инфразвука используется как предвестник стихийных бедствий, для исследования свойств атмосферы и водной среды.

В конце 60-х годов французский исследователь Гавро обнаружил, что инфразвук определенных частот может вызвать у человека тревожность и беспокойство.

Источниками инфразвука на суше могут быть компрессоры, двигатели внутреннего сгорания, движущийся транспорт, промышленные кондиционеры и вентиляторы. Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что человеческий организм высокочувствителен к инфразвуку. Воздействие его происходит не только через слуховой анализатор, но и через механорецепторы кожи. Возникающие под воздействием инфразвука, нервные импульсы нарушают согласованную работу различных отделов нервной системы, что может проявляться головокружением, болями в животе, тошнотой, затрудненным дыханием, чувством страха, при более интенсивном и продолжительном воздействии - кашлем, удушьем, нарушением психики. Инфразвуковые колебания даже небольшой интенсивности вызывают тошноту и звон в ушах, уменьшают остроту зрения. Колебания средней интенсивности могут стать причиной расстройства пищеварения, сердечно-сосудистой, дыхательной систем, нарушения психики с самыми неожиданными последствиями. Инфразвук высокой интенсивности, влекущий за собой резонанс, из-за совпадения частот колебаний внутренних органов и инфразвука, приводит к нарушению работы практически всех внутренних органов, возможен смертельный исход из-за остановки сердца, или разрыва кровеносных сосудов;

Собственные (резонансные) частоты некоторых частей тела человека.

• 20-30 Гц (резонанс головы); • 40-100 Гц (резонанс глаз); • 0.5-13 Гц (резонанс вестибулярного аппарата); • 4-6 Гц (резонанс сердца); • 2-3 Гц (резонанс желудка); • 2-4 Гц (резонанс кишечника); • 6-8 Гц (резонанс почек); • 2-5 Гц (резонанс рук).