3.4. Акустические колебания

К акустическим колебаниям относят шум, инфразвук и воздушный ультразвук. С физиологической точки зрения шум– это всякий неблагоприятно воспринимаемый, мешающий человеку звук.Звук– это колебания частиц, которые могут распространяться в виде волн в газовой, жидкой и твердой среде.

Звук классифицируют по частному диапазону колебаний. Если обозначить частоту колебаний частиц среды около своих положений равновесия, как f, то можно выделить следующие диапазоны звука:

Инфразвук(0 <f< 20 Гц). Инфразвуковые колебания не слышны человеку, но способны оказывать воздействие на организм;

Слышимый звук(20f20 000 Гц). Воспринимается ухом человека.

Ультразвук(20 000 <f1 000 000 Гц). Ультразвуковые волны данного диапазона могут распространяться в воздухе, поэтому они получили названиевоздушного ультразвука. Воздушный ультразвук не доступен уху человека, но поглощение энергии ультразвуковых волн организмом оказывает физиологическое воздействие;

Гиперзвук(10⁶<f< 10¹²Гц). Звуковые волны этого диапазоны способны распространяться только в жидких и твердых средах. В газовой среде существование волн такой частоты невозможно. Так как длина волны меньше длины свободного пробега атомов и молекул газа, то упорядоченные акустические колебания «смазываются» хаотичным тепловым движением атомов и молекул, поэтому не наблюдается распространение колебаний в виде волны. Гиперзвуковой диапазон составляет исключительноконтактный ультразвук, распространяющиеся в жидкостях и твердых телах. Контактный ультразвук относят к вибрациям.

Таким образом, шумом являются только акустические колебания в слышимом диапазоне, воспринимаемые ухом человека.

Пространство, в котором распространяется звук, называется звуковым полем.Звуковое поле определяется рядом характеристик.

Звуковая мощность –это количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени в окружающую среду W, (Вт).Уровень звуковой мощности(УЗМ)определяется как:

L_W = 10 lg(W/W_o),

где: W – звуковая мощность, Вт;

W_o– пороговая звуковая мощность,

W_o= 10^-12 Вт для частоты 1000 Гц.

УЗМ является основной характеристикой источника шума. независящей от условий излучения звука в окружающую среду.

Фактор направленностихарактеризует неравномерность излучения звуковой энергии источником:

,

где: W – звуковая мощность рассматриваемого источника в расчетной точке окружающего пространства; W_ср – звуковая мощность, которую создавал бы в той же точке пространства некий гипотетический источник, равномерно излучающий звуковые волны в окружающую среду.

Интенсивность звука(I, Вт/м²) – это средний поток звуковой энергии, приходящийся на единицу поверхности излучения.

Звуковое давление(Р, Па) – это разность мгновенных полного и среднего (атмосферного) давления в расчетной точке звукового поля.

Уровень звукового давления (УЗД)L(дБ) в октавных полосах:

L = 20 lg (Р/Р_о), (1)

где: Р – среднее квадратическое значение звукового давления, Па;

Р_о – пороговое значение звукового давления Р = 2 10^-5 Па для частоты 1000 Гц. УЗД зависит от условий распространения звуковых волн в окружающей среде.

Связь перечисленных характеристик определяется зависимостью

I = Р²/( с),

где: ( с) – акустический импеданс (сопротивление) среды распространения звука, представляющий собой произведение плотность среды и скорости звука.

При записи УЗД, представленной в (1), уровень звукового давления совпадает с точностью до константы с уровнем интенсивности звука.

Для частотного анализа шума, используется его спектры.Спектр шума– это зависимость уровня звукового давления от частоты. Спектр разбивается наоктавные полосы, так что отношение верхней граничной частоты полосы к нижней граничной частоте равно 2, т.е.

fв₁/ fн_l = fв₂ / fн₂ = …fв_i / fн_i ... = fв _n/ fн_n = 2,

причем: fн_i=fв_{i – 1.}

Характеристикой октавной полосы является среднегеометрическая частота:

.

Слышимый диапазон звука охватывают 10 октавных полос со среднегеометрическими частотами 31,5 Гц; 63 Гц; 125 Гц; 250 Гц; 500 Гц; 1000 Гц; 2000 Гц; 4000 Гц; 8000 Гц и 16000 Гц.

Спектры шума разделяют по характеру на широкополосныес непрерывным спектром итональныес дискретными тонами, по временным характеристикам напостоянныйинепостоянный(колеблющийся, прерывистый, импульсный) (рис. 1.7).

Рис. 7.Спектры шума: а) широкополосный с непрерывным спектром; б) тональный с дискретными тонами; в) постоянный спектр; г) непостоянный спектр

Область слышимых звуков (рис.8) ограничена двумя кривыми (порогами): нижний порог слышимости(соответствующий на частоте 1000 Гц Р₀ = 210^-5Па и I₀ = 10^-12 Вт/м²) и болевой порог(соответствующий на частоте 1000 Гц, Р = 200 Па и I = 102 Вт/м²). Уровень звукового давления 140 дБ – это порог переносимости интенсивных звуков. Звук с УЗД выше болевого порога становится опасным фактором, он может вызвать разрыв барабанной перепонки уха человека.

Рис. 8.Область звуков, воспринимаемых ухом человека.

Характеристикой постоянного шума является уровень звукового давления (УЗД) в октавных полосах. Для непостоянного шума характеристикой является эквивалентный уровень звука в дБА, измеренный по специальной шкале шумомера. Эквивалентный уровень звука может быть рассчитан по имеющемуся октавному спектру по формуле:

где: L_i - уровень звукового давления в i– ой октавной полосе;LA_i – корректирующая поправка, учитывающая неравномерность спектральной чувствительности уха человека.

Как показывает рис.8, человек неодинаково воспринимает звук различных частот. В табл.9 приведены значения средние корректирующей поправки для области восприятия звуковых волн.

Таблица 9

Значение корректирующей поправки шкалы «А» в октавных полосах частот

fср, Гц	31,5	63	125	250	500	1к	2к	4к	8к	16к
LAi, дБ	 39,4	 26,2	 16,1	 8,6	 3,2	0	+ 1,2	+ 1,0	 1,1	 6,6

В зависимости от физической природы возникновения различают шум: механический - от превращения механической энергии в звуковую, аэродинамический, когда в звуковую энергию превращается энергия струи или вихрей газа или жидкости, и электродинамический – от превращения энергии электрического тока в звуковую.

Звуковые колебания различных диапазонов и спектрального состава могут возникать в результате работы машин, агрегатов, вентиляторов, компрессоров, газотурбинных установок, нагревательных печей, трансформаторов и др. Автотранспортные средства: автобусы, грузовые и легковые машины, средства железнодорожного, воздушного и водного транспорта также являются источниками акустических колебаний. Воздействие шума на организм человека вызывает изменения в органе слуха, нервной и сердечно-сосудистой системе. Изменения, возникающие в органе слуха, ряд исследователей объясняют травмирующим действием шума на периферический отдел слухового анализатора. Длительное воздействие шума вызывает стойкое нарушение в системе кровообращения внутреннего уха, что приводит к нарушению питания нервных волокон. При этом степень выраженности этих изменений зависит от параметров шума (интенсивность и его спектральный состав), стажа работы в условиях воздействия шума, длительности воздействия шума в течении рабочего дня и индивидуальной чувствительности организма. Следует отметить, что трудовые процессы, связанные с воздействием шума не редко требуют вынужденного положения тела, напряжения определенных групп мышц, повышенного внимания, нервно - эмоционального напряжения, а также могут сочетаться с воздействием вибрации, пыли, токсических веществ, неблагоприятных метеорологических условий и других факторов.

Симптомы снижение слуха, которое бывает обычно двусторонним: звон в ушах, головная боль, быстрая утомляемость, нарушения сна, боли в сердце. Различают 4 степени потери слуха:

- I степень - потеря слуха до 10%

- II степень - потеря слуха до 20%

- III степень - потеря слуха до 30%

- IV степень - потеря слуха до 50%

Больные с потерей слуха требуют рационального трудоустройства, переквалификации или переводятся на инвалидность. Прием на работу с поражением органов слуха и гипертонической болезнью исключен.

Механизм комплексного действия шума на организм сложен и недостаточно изучен. Наряду с органом слуха восприятие звуковых колебаний часто может осуществляться и через кожный покров рецепторами вибрационной чувствительности. Это подтверждается наблюдениями о том, что люди, лишенные слуха, при прикосновении к источникам, генерирующим звуки, не только ощущают последнее, но и могут оценивать звуковые сигналы определенного характера.

Так же установлено, что человеческий организм обладает высокой чувствительностью к низкочастотным звуковым колебаниям. Научными исследованиями доказано, что низкочастотная акустическая энергия действует не только через слуховой анализатор, но и через рецепторы кожи. В ответ на раздражение в рецепторах возникают нервные импульсы, поступающие в соответствующие центры коры головного мозга. В настоящее время доказано, что инфразвук, действуя на организм человека, приводит к нарушению функционального состояния ЦНС, сердечно-сосудистой, дыхательной систем и изменению слухового и вестибулярного анализаторов.

Клиническая картина вредного воздействия инфразвука: головокружение, тошнота, затрудненное дыхание, боли в животе, чувство подавленности, страха. В дальнейшем может развиться заторможенность, вялость, апатия, плохое настроение, утомляемость, раздражительность.

Нормы шума для производственной среды определены ГОСТ 12.1.003-83. Нормируются допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот в зависимости от вида производственной деятельности. Набор предельно допустимых уровней (ПДУ) шума в девяти октавных полосах частот называется предельным спектром. Нормируется также эквивалентный уровень звука в дБА. В табл. 10 приведены наиболее часто применяемые предельные спектры шума.

ПС-45 используется для нормирования шума, если на рабочие места находятся в помещениях дирекции, проектно-конструкторских бюро, комнатах расчетчиков и программистов, в медицинских и образовательных учреждениях или на рабочем месте выполняется творческая, руководящая работа, научная деятельность, конструирование и проектирование, программирование, преподавание, обучение, врачебная деятельность.

ПС-55 используется если рабочее место находится в помещениях управленческого аппарата, в конторских помещениях и измерительно-аналитических лабораториях или на рабочем месте производится административно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы.

ПС-75 применяется для рабочих мест, расположенных в производственных помещениях и на территории предприятий или на которых выполняется работа на шумном производственном оборудовании.

Таблица 10

ПДУ шума на рабочих местах (извлечение из ГОСТ 12.1.003-83)

fср, Гц	31,5	63	125	250	500	1к	2к	4к	8к	, дБА
ПС-45, дБ	86	71	61	54	49	45	42	40	38	50
ПС-55, дБ	93	79	70	63	58	55	52	50	49	60
ПС-75, дБ	107	95	87	82	78	75	73	71	64	80

К предельным спектрам вводятся поправки. Так, для тонального и импульсного шума, из ПДУ для каждой октавной полосы вычитается 5 дБ. Если шум создается системами вентиляции, кондиционирования воздуха или другим инженерным оборудование помещений, то нормы шума также ужесточаются на 5 дБ.

Нормирование шума в городской и жилой среде производится в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Этот документ содержит предельные спектры, некоторые из которых представлены в табл. 11.

ПС-25 применяется для нормирования шума в жилых комнатах квартир в ночное время (с23.00 до 7.00).

ПС-35 применяют при нормировании шума в жилых комнатах квартир в дневное время (с7.00 до 23.00).

ПС-40 применяют для нормирования шума на территории городской застройки, в непосредственной близи от жилых зданий, поликлиник, пансионатов, домов отдыха, библиотек в ночное время (с23.00 до 7.00).

ПС-50 применяют для нормирования шума на территории городской застройки, в непосредственной близи от жилых зданий, поликлиник, пансионатов, домов отдыха, библиотек в дневное время (с7.00 до 23.00).

Таблица 11

ПДУ шума на территории городской застройки и в жилых помещениях (извлечение из СН 2.2.4/2.1.8.562-96)

fср, Гц	31,5	63	125	250	500	1к	2к	4к	8к	, дБА
ПС-25, дБ	72	55	44	35	29	25	22	20	18	30
ПС-35, дБ	79	63	52	45	39	35	32	30	28	40
ПС-40, дБ	83	67	57	49	44	40	37	35	33	45
ПС-50, дБ	90	75	66	59	54	50	47	45	44	55

Гигиенические нормативы воздушного ультразвука на рабочих местах определены ГОСТ12.1.001-89. Нормируется УЗД в третьоктавных полосах частот (каждая октавная полоса разбивается еще на три части). УЗД воздушного ультразвука на рабочих местах не должен превышать:

80 дБ в третьоктавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 12500 и 16000 Гц,

100 дБ в третьоктавной полосе 20000 Гц,

105 дБ в в третьоктавной полосе 25000 Гц,

110 дБ в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами от 31500 до 100 000 Гц.

Нормативы воздушного ультразвука для жилой и городской среды в настоящее время не разработаны ввиду слабой выраженности этого фактора.

Нормирование инфразвука производится по санитарным нормам СН2.2.4/2.1.8.583-96. Нормируется УЗД в октавных полосах частот и общий уровень звука (табл.12).

В отличие от ультразвука, инфразвук составляет значительную часть общего шумового фона городской и жилой среды. Источниками инфразвука являются транспортные средства большой грузоподьемности, инженерное оборудование и конструкции зданий. Поэтому санитарные нормы содержат ПДУ инфразвука как для рабочих мест, так и для жилых помещений и городской застройки.

Таблица 12

ПДУ инфразвука (извлечение из СН 2.2.4/2.1.8.583-96)

fср, Гц	УЗД инфразвука, дБ				, дБ
	2	4	8	16
Работа, требующая сосредоточения	95	90	85	80	95
Прочие виды работ	100	95	90	85	100
Территория жилой застройки	90	85	80	75	90
Помещения жилых и общественных зданий	75	70	65	60	75

- общий уровень звукового давления, измеряемый по шкале «Линейный» шумомера.

3.5. Вибрация

Вибрация – это периодические колебания материальной точки или точек, составляющих механическую систему. Чаще всего это гармонические колебания. Механической систему представляет собой какое-либо твердое тело или жидкость, в которых, в отличие от газов, сильны связи кристаллического или межмолекулярного (межатомного) взаимодействия. Вибрация может распространяться в твердых и жидких телах в виде волн. Таким образом, вибрация, по сути, является звуковыми волнами, распространяющимися в твердой или жидкой среде. В твердой и жидкой среде возможно не только распространение волн большей частоты, чем в газе, но и одновременное распространение как продольных волн (волн сжатия), так и поперечных волн (волн сдвига). В газах существуют только волны сжатия.

Вибрация может быть охарактеризована следующими физическими величинами:

Виброперемещение х = х_m sin (t +_о)

Виброскорость v = х_m cos (t +_о)

Виброускорение a = - х_m² sin (t +_о)

где: х_m – амплитуда виброперемещения, т.е. наибольшее отклонение колеблющейся точки от положения равновесия, м; - угловая частота, рад/с (= 2f); _о – начальная фаза колебаний.

Для указанных параметров определяется также и их уровни:

Логарифмический уровень виброскорости:

L_v= 10lg(V²/V_о²) =20lg(V/V₀),

где: V₀ – пороговое значение виброскорости, стандартизированное в международном масштабе (V₀ = 5 ^.10^-8, м/с).

Логарифмический уровень виброускорения:

L_а= 20lg(а/а₀).

где: а₀ - пороговое значение виброскороускорения, стандартизированное в международном масштабе (а₀ = 3 ^.10^-4, м/с²).

Характеристикой вибрации также является ее спектр. Спектр вибрации, по принятому принципу разделен на октавные полосы.

По характеру воздействия на организм человека различают общую и локальную вибрации.

Общая вибрациядействует на весь организм в целом. При этом страдает в первую очередь нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Симптомы заболевания: головокружения, расстройства координации движения, снижение остроты зрения до 40%, изменение обменных процессов. Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных тканей, вплоть до их разрыва. Человеческое тело – это сложная колебательная система. Резонанс человеческого тела, отдельных его органов наступает при совпадении собственных частот колебаний внутренних органов с частотами внешних сил. Например, область резонанса:

- для всего тела в положении сидя – 4…6 Гц;

• для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях – 20…30 Гц; при горизонтальных – 1.5…2 Гц;

• органы зрения –30…90 Гц, что соответствует резонансу глазных яблок;

• сердце – 16 Гц;

• кишечник – 8 Гц.

Общая вибрация способна вызывать резонанс внутренних органов и приводить к внутреннем повреждениям, травмированию органов. Симптомы: боли в пояснице, конечностях, в области желудка.

По направлению действия общую вибрацию подразделяют на вертикальную, распространяющуюся по оси Z; горизонтальную, распространяющуюся по оси X от спины к груди; горизонтальную, распространяющуюся по оси Y от правого плеча к левому.

Одни источники вибрации действуют постоянно, другие – периодически, случайно. Колебания в зданиях могут возникать как от внешних источников, так и в результате инженерно-технологического оборудования.

По интенсивности колебаний наиболее значительным является рельсовый транспорт. Уровни виброускорений на расстоянии до 20 м от тоннелей метрополитена и линий трамвая превышают средний городской уровень на 10 дБ. При эксплуатации железнодорожного транспорта повышенные уровни виброускорения регистрируются в радиусе 40-50 м.

Значительные вибрации создают промышленные предприятия. Источниками вибрации является кузнечно-прессовое оборудование, внутризаводской и внутрицеховой транспорт, вращающиеся динамически неуравновешенные роторы машин и механизмов. Низкочастотные горизонтальные колебания (1-4 Гц) распространяются в глубь жилой застройки на расстояние до 4000 м и превышают допустимые значения виброускорения на указанных частотах на 4-8 дБ.

Часто вибрация в квартире связана с эксплуатацией лифта. В момент пуска и при закрывании дверей значения превышают допустимые на 15-21 дБ.

По источнику возникновения общая вибрация подразделяется на:

Транспортную. Воздействует на операторов подвижных машин (водители грузовых автомобилей, тракторов и т. д).

Транспортно-технологическую. Воздействует на операторов с ограниченным перемещением (водители рельсового транспорта, бурильных машин, бетоноукладчики).

Технологическую. Воздействует на операторов стационарных машин или передается на рабочие места, не имеющие источников вибрации. Ее классифицируют следующим образом:

3а – в помещениях с источниками вибрации;

3б – на рабочих местах на судах (рубка капитана, штурмана, радиста), в служебных помещениях без источников вибрации;

3в – на складах, в столовых без источников вибрации;

3г – в помещениях для умственного труда: заводоуправление, конструкторское бюро и т.д.

По временной характеристике различают:

• постоянную вибрацию, для которой контролируемый параметр изменяется не более чем в 2 раза за время наблюдения;

• непостоянную вибрацию, изменяющуюся по контролируемому параметру более чем в 2 раза.

Локальная вибрация действует на отдельные части организма (верхние конечности, плечевой пояс, сосуды сердца). Бич современного машиностроения – локальная вибрация. Локальной вибрации подвергаются люди, работающие с ручным механизированным инструментом (отбойные молотки, перфораторы). Симптомы заболеваний: снижение кожной чувствительности, отложение солей в суставах.

Действие вибрации на организм человека зависит от: мощности колебательного процесса, времени контакта, демпфирующих свойств тканей. Вибрационная патология стоит на втором месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний – 28%.

В зависимости от характера работы вибрационная болезнь возникает через 8-15 лет работы. Факторы производственной среды, усугубляющие вредное воздействие вибраций на организм:

• тяжелые мышечные нагрузки;

• пониженная температура;

• шум высокой интенсивности;

• психоэмоциональный стресс.

Различают техническое и гигиеническое нормирование вибраций.

Техническое нормированиевибрации устанавливает допустимое значение вибрационных характеристик машин и адресуется их создателям. Вибрационные характеристики служат критериями качества и безопасности машин.

Гигиеническое нормирование вибраций регламентируют ГОСТ 12.1.012-90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования» и СН 2.2.4/2.1.8.566-96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях, жилых и общественных зданиях».

В таблицах 13-14 приведены ПДУ виброскорости для вибрации на рабочих местах.

Таблица 13

ПДУ виброскорости общей вибрации на рабочих местах

(извлечение из ГОСТ 12.1.012-90)

Тип вибрации	fср, Гц
	1	2	4	8	16	31,5	63
1 по оси Z	132	123	114	108	107	107	107
1 по осям X и Y	122	117	116	116	116	116	116
2	-	117	108	102	101	101	101
3а	-	108	99	93	92	92	92
3б	-	103	94	88	87	87	87
3в	-	100	91	85	84	84	84
3г	-	91	82	76	75	75	75

Таблица 13

Нормы локальной вибрации по всем направлениям

(извлечение из ГОСТ 12.1.012-90)

fср, Гц	8	16	31.5	63	125	250	500	1000
Lv , дБ	115	109	109	109	109	109	109	109

Основная цель нормирования вибраций на рабочих местах – это установление допустимых значений параметров вибраций, которые при ежедневном систематическом воздействии на протяжении многих лет не могут вызвать существенных заболеваний человека.

Нормируемыми параметрами являются:

• виброскорость V,м/с;

• виброускорение а, м/с²;

• их логарифмические уровни L_vиL_а,дБ.