Вибрация и акустические колебания

Вибрация

Вибрация - это механические колебания поверхностей упругих тел, вызываемые переменными физическими полями или воздействиями. Вибрации обычно сопутст­вуют акустические колебания в воздухе. Источниками вибрации являются механизмы, машины, механизированный инструмент, электромагнитные устройства. Вибрация по способу передачи телу человека подразделяется на общую (воздействие на всё тело через опорные поверхности) и локальную (воздействие на отдельные части тела).

Вибрация относится к факторам, обладающим большой биологической актив­ностью. Она оказывает неблагоприятное влияние на человека, вызывая на­рушения работы функциональных систем организма, что может привести к развитию вибрационной болезни. При этом могут появляться ноющие, ломящие, тянущие боли в верхних конечностях, беспокоящие больше по ночам или во время отдыха. Вибра­ционная болезнь, вызванная воздействием общей вибрации, наблюдается у водителей транспорта и операторов транспортно-технологических машин. Она ха­рактеризуется головокружением, головными болями, изменениями в поясничном отделе позвоночника.

Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов, нарушает снабжение конечно­стей кровью, действует на нервные окончания, мышечные и костные ткани. Это при­водит к снижению чувствительности кожи, окостенению сухожилий, отложе­нию солей в суставах, к уменьшению их подвижности, болям, присту­пам побеления пальцев.

Кроме того, при воздействии вибрации возможны весьма опасные резонансные явления. Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибра­циях 20…30 Гц, при горизонтальных - 1,5…2 Гц, для глазных яблок - 60…90 Гц, для органов грудной клетки и живота - 3…3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резо­нанс возникает на частотах 4...6 Гц.

К факторам, усугубляющим вредное воздействие вибрации на организм, отно­сятся чрезмерные мышечные нагрузки, шум, пониженная температура.

Несмотря на отмеченное неблагоприятное действие, вибрация может оказы­вать стимулирующее действие. При кратковременном действии вибрации наблюда­ется снижение болевой чувствительности, т.е. своего рода анестезия. Специальный вибромассаж снимает мышечную усталость и широко применяется для ускорения восстановительных процессов в нервной и мышечной системах у спортсменов. Од­нако стимулирующая вибрация, как и любое лекарство, должна быть строго дозиро­ванной.

Гигиеническое нормирование вибраций определяют СН 2.2.4/2.1.8.556 – 96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий» и ГОСТ 12.1.012 - 90 «Вибрационная безопасность. Общие требования».

Нормируемыми параметрами вибрации являются средние квадратичные значе­ния виброскорости (и их логарифмические уровни) или виброускорения в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500 и 1000 Гц. Допускается интегральная оценка вибрации во всём частотном диапазоне нормируемого параметра, а также по дозе вибрации с учётом времени воздействия.

Защитные мероприятия. Существует несколько основных направлений борьбы с вибрацией. Борьба с вибрацией в источнике её возникновения предполагает конструирование и проектирование таких машин и технологических процессов, в ко­торых исключены или снижены неуравновешенные силы, отсутствует ударное взаи­модействие деталей, вместо подшипников качения используются подшипники сколь­жения, применяются специальные виды зацепления и шестерни с повышенной чисто­той поверхностей. Отстройка от режима резонанса достигается либо изменением характеристик системы (массы и жёсткости), либо изменением угловой скорости. Жёсткостные ха­рактеристики системы изменяются введением в конструкцию рёбер жёсткости или изменением её упругих характеристик. При борьбе с вибрацией используют методы вибродемпфирования, виброгашения и виброизоляции.

Вибродемпфирование - это снижение вибрации объекта путём превращения её энергии в другие виды (в конечном счёте - в тепловую). Увеличения потерь энергии можно достичь использованием материалов с большим внутренним трением (мастики, пластические материалы, войлок, резина).

Вибропоглощение - это способ снижения вибрации на пути её распространения с помощью элементов, преобразующих виброэнергию в тепловую.

Виброизоляция - это способ уменьшения вибрации защищённого объекта по­средством введения в систему упругой связи, препятствующей передаче вибрации (амортизаторы). Для защиты от вибрации применяются также специальные средства индивидуальной защиты (обувь, рукавицы, перчатки).

Шум

Механические колебания упругой среды в диапазоне частот 16…20000 Гц вос­принимаются ухом человека и называются звуковыми волнами. Длина звуковой волны l связана с частотой f и скоростью звука с зависимостью l= с/ f.

Звук характеризуется звуковым давлением и интенсивностью. Под звуковым давлением принято понимать среднеквадратическое значение разности между мгно­венным значением полного давления в воздухе и его средним значением. Интенсив­ность звука - это звуковая мощность, отнесённая к единице площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны.

Интенсивность звука и звуковое давление связаны зависимостью

I = Р²/rc,

где I - интенсивность звука, Вт/м²;

Р - звуковое давление, Па;

r - удельная плотность среды, кг/м³;

c - скорость звука, м/c.

Органы слуха человека способны воспринимать звуковые колебания в очень широких диапазонах изменения интенсивностей и звуковых давлений. Например, при частоте звука 1кГц порогу чувствительности “среднего” человеческого уха (порог слышимости) соответствуют значения Р₀= 2´10^-5 Па, I₀ =10^-12Вт/м², а порогу болевого ощущения (превышение которого может привести к физическому повреждению орга­нов слуха) соответствуют значения Р_б = 20Па и I_б = 1Вт/м². Учитывая логарифмическую зависимость между интенсивностью звука и слу­ховым восприятием (закон Вебера-Фехнера), а также с целью удобства расчётов на практике пользуются логарифмическими параметрами: уровнями интенсивности и звукового давления.

Уровень интенсивности звука L_I = 10lg(I/I₀), дБ,

где I - интенсивность звука в данной точке;

I₀=10^-12Вт/м²- интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1 кГц.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень звукового давления

L = 10lg(Р²/Р₀²) = 20 lg(Р/Р₀), дБ,

где Р – звуковое давление в данной точке,

Р₀=2·10^-5 Па – пороговое звуковое давление на частоте 1 кГц.

При нормальных или близких к ним условиях можно считать, что L_I = L.

При акустических расчётах пользуются уровнями интенсивности звука, связан­ными с уровнями звукового давления, измеряемыми шумомерами.

Для характеристики восприятия звука человеком в целом по диапазону звуко­вых частот применяют понятие уровня звука. Уровень звука L_А (дБА) – это результи­рующий уровень звукового давления шума, прошедшего обработку в корректирую­щем фильтре «А», частотная характеристика которого соответствует усреднённой частотной характеристике чувствительности уха человека.

Всякое нежелательное для человека звуковое воздействие называется шумом. Шум оказывает негативное влияние не только на орган слуха, приводя к ухудшению слуховой чувствительности, но и на весь организм человека. Он нарушает работу нервной системы, влияет на параметры дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни. Степень влияния шума зависит от его интенсивности, продолжительности воздействия, особенностей (тональный, импульсный и т.д.), индивидуальных свойств организма. Повышенная чувствительность к действию шума может быть одной из причин утомляемости и развития различных неврозов.

Малые уровни шума оказывают в основном раздражающие воздействия и через ЦНС могут приводить к функциональным расстройствам в организме человека. При длительном воздействии высоких уровней шума наблюдается уменьшение слуховой чувствительности, приводящее к тугоухости – профессиональному заболеванию. Кроме того, деформируется частотная характеристика чувствительности уха человека, резко ухудшается восприятие высоких частот. При уровнях звукового давления около 140 дБ может наступить механическое повреждение органа слуха.

Шум усиливает действия других вредных факторов, повышает общую заболеваемость, снижает работоспособность человека, безопасность труда. В усло­виях интенсивного шума на выполнение работы требуется больше физических и нервно-психических усилий. Поэтому рекомендуемые уровни шума на рабочих мес­тах устанавливаются с учётом категорий тяжести труда и его напряжённости.

Шумы по природе возникновения подразделяют на механические, аэродинами­ческие, гидродинамические, электромагнитные (связанные с воздействием сил ЭМП). Важным параметром шума является его частотный спектр.

Спектр шума характеризует распределение энергии шума в диапазоне звуковых частот и оценивается уровнями звукового давления, соответствующими анализируе­мым частотным полосам. Как правило, используют октавные частотные полосы, ха­рактеризуемые нижней f_н и верхней f_в граничными частотами и среднегеометриче­ской частотой Для октавной полосы f_в / f_н = 2. Среднегеометриче­ские частоты октавных полос соответствуют стандартному ряду: 31.5, 63, 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4, 8 кГц.

По виду спектра шумы подразделяют на широкополосные (с непрерывным спектром шириной более одной октавы) и тональные, в спектре которых имеются вы­раженные дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяют на постоянные, уровень звука которых изменяется не более чем на 5 дБА, и непостоянные, не удовлетворяю­щие данному условию. Непостоянные шумы подразделяются на колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени; прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причём длитель­ность интервалов, в течение которых уровень остаётся постоянным, составляет не ме­нее 1 с; и импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов дли­тельностью менее 1 с.

Нормирование шума. Допустимые значения параметров шума регламентиру­ются СН 2.2.4/2.1.8.562 - 96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общест­венных зданий и на территории жилой застройки». Нормируемыми параметрами шума являются:

- для постоянного шума - уровни звукового давления L (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31.5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц. Для оценки постоянного широкополосного шума допускается использовать уровень звука L_А, выраженный в дБА, определяемый при установленной частотной характеристике «А» шумомера;

- для непостоянного шума – эквивалентный (по энергии воздействия) уровень звука L_аэ, (дБА), определяемый по специальной методике. Дополнительно для колеб­лющегося во времени и прерывистого шума ограничивается допустимый максималь­ный уровень звука (110 дБА). Для импульсного шума допустимый максимальный уровень измеряется по временной характеристике «I - импульс» шумомера и состав­ляет 125 дБА(I). Для тонального и импульсного шума с учётом неблагоприятного их воздействия вводят поправку (- 5 дБА) к табличным значениям, установленным для широкополосного шума.

Допустимые значения параметров шума устанавливаются в зависимости от ви­дов трудовой деятельности и рабочих мест с учётом характера шума.

Ниже приведены характерные виды трудовой деятельности и рабочие места с указанием их порядкового номера (ПН), использованного в табл. 4.6:

1 – творческая, врачебная и научная деятельность, руководящая работа с повы­шенными требованиями, преподавание, обучение, программирование, рабочие места в конструкторских бюро, лабораториях для теоретических работ;

2 – высококвалифицированная работа, требующая сосредоточенности, админист­ративно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы в ла­боратории;

3 – работы, требующие постоянного слухового контроля, диспетчерская работа, работа с часто получаемыми указаниями, рабочие места на участках точной сборки, в машинописных бюро;

4 – работа, требующая сосредоточенности, рабочие места в кабинах наблюдения и дистанционного управления без речевой связи по телефону, в лабораториях с шум­ным оборудованием;

5 – постоянные рабочие места в производственных помещениях и на территории предприятий, за исключением перечисленных в п. 1…4.

Допустимые уровни звукового давления L_p в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами f_{сг ,} уровни звука L_А и эквивалентные уровни звука L_аэ для широкополосного шума на рабочих местах приведены в табл. 4.5.

Таблица 4.5

ПН рабочих мест	Уровни звукового давления Lp (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами (Гц)	Уровни Lа, Lаэ, дБА
31,5

Зоны с уровнем звука свыше 85 дБА должны быть обозначены знаками безо­пасности, в таких зонах следует использовать средства индивидуальной защиты от шума. Запрещается даже кратковременное пребывание людей в зо­­нах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе частот.

Допустимые уровни шума в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки (СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96) устанавливаются в зави­симости от назначения помещений или территорий и от времени суток (7-23 ч – дневное время, 23-7 ч – ночное вре­мя). При этом приводятся также максимально допустимые уровни.

Способы и средства борьбы с шумом. Классификация способов и средств за­щиты от шума приведена в ГОСТ 12.1.029-80. Они подразделяются на средства кол­лективной (СКЗ) и индивидуальной защиты (СИЗ). СКЗ подразделяются на инженерно-технические, архитектурно-планировочные и организационно-технические.

Инженерно-технические решения направлены на снижение шума в источнике его возникновения (глушители, встроенные кожухи, замена стальных шестерён пла­стмассовыми, выбор скоростного режима и т.д.) и на пути его распространения (виб­роизоляция и вибродемпфирование, звукоизоляция с помощью экранов, кожухов, ка­бин, звукопоглощение, реализуемое звукооблицовкой и звукопоглотите­лями).

В основу звукоизоляции положен эффект отражения звуковых волн от преграды. Звукоизолирующие свойства ограждения характеризуются коэф­фициентом, представляющим отношение звуковой мощности, прошедшей через пре­граду, к падающей на неё мощности. Звукоизолирующая способность ограждения за­висит от его поверхностной плотности (кг/м²) и пропорциональна частоте. Поэтому звукоизоляция наиболее эффективна для средних и высоких звуковых частот. Для по­вышения эффективности звукоизолирующего кожуха уменьшают уровень отражён­ного от его стенок шума, покрывая внутреннюю поверхность звукопоглощающими материалами.

Звукопоглощение основано на том, что звуковые волны, падающие на преграды, поглощаются их материалами, при этом звуковая энергия превращается в тепловую. Звукопоглощение достигается внутри помещений облицовкой стен и потолка звуко­поглощающими материалами (стекловолокно, пористые структуры) и установкой объёмных звукопоглотителей. Эффективность звукопоглощения зависит от площади поверхностей звукопоглощающих материалов.

Архитектурно-планировочные СКЗ включают планировку зданий, их ориен­тацию, размещение оборудования и рабочих мест, оптимизацию транспортных пото­ков, удаление шумных производств от жилых массивов и т.д.

Организационно-технические СКЗ включают выбор технологических процес­сов, оборудования и режимов работы с малым шумом, своевременный профилактиче­ский ремонт, рациональную организацию трудового процесса и т.д.

Средства индивидуальной защиты применяют, если СКЗ не обеспечивают требуемой защиты от шума или их применение невозможно или нецелесообразно в данных условиях. К СИЗ относятся шумозащитные вкладыши, наушники, шлемы и кос­тюмы. Эффективность СИЗ максимальна в области высоких частот, наиболее вредных и неприятных для человека. Из-за раздражающего воздействия и неудобств, возни­кающих при работе, применение СИЗ следует рассматривать как крайнюю меру.

Предотвращение неблагоприятного воздействия шума обеспечивается также ле­чебно-профилактическими мероприятиями, включающими, например, медосмотры с контролем параметров слуха.

4.4.3. Ультразвук

Ультразвук - это механические колебания упругой среды в диапазоне частот выше 20 кГц, обычно не воспринимаемые человеческим ухом. Ультразвук имеет ту же природу и характеризуется теми же параметрами, что и звук. Однако при его нормировании учитывают область частот от 11,2 кГц и выше и ис­пользуют третьоктавные частотные полосы, для которых f_в / f_н = » 1,26, а f_сг = f_н . Ультразвук применяется при очистке и обезжиривании деталей, дефектоскопии, сварке, сушке, техническом контроле, в медицине и быту.

Ультразвуковой диапазон подразделяется на низкочастотный (от 11,2 до 100 Гц) и высокочастотный (от 100 кГц до 1000 МГц) поддиапазоны. По способу распространения различают воздушный и контактный ультразвук. В воздухе хорошо распространяется низкочастотный ультразвук. В упругих средах (воде, металле) ультразвук способен распространяться на большие расстояния без по­терь энергии.

Биологическое воздействие ультразвука на организм человека через воздушную среду и контактным способом различно. Биологический эффект за­висит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемой действию ультразвука. Длительное систематическое воздействие ульт­развука, распространяющегося воздушным путём, вызывает функциональные нару­шения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибуляр­ного анализаторов, изменения свойств и состава крови, утомление, головные боли. Контактное воздействие ультра­звука приводит к нарушению капиллярного кровообращения, снижению болевой чув­ствительности, заболеваниям нервной системы. При этом возникают затруднения при концентрации внимания, тормозится мыслительный процесс, возникает бессонница.

Гигиенические нормативы ультразвука определены СанПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения». Ги­гиенической характеристикой воздушного ультразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления (дБ) в третьоктавных полосах (табл. 4.6). Характеристикой контактного ультразвука являются пиковые значения виброскорости (м/с) или её логарифмические уровни (табл. 4.7).

Таблица 4.6 Таб­лица 4.7

Средне-геометри­чес­кие частоты треть­октавных полос, кГц	Уровни звуко­вого давле­ния, дБ		Средне-геомет­ри­ческие час­тоты октавных полос, кГц	Пиковые значения виброскорости, м/с	Уровни вибро­скоро­сти, дБ
12,5
		8 - 63	5·10-3
		125 – 500	8,9·10-3
31,5 – 100,0		1000 - 31500	1,6·10-2

Защитные мероприятия. Для коллективной защиты от воздействия повышен­ных уровней ультразвука используются уменьшение излучения в источнике, локализация ультразвука конструктивными и планировочными решениями, проведение лечебно-профилактических и организаци­онных мероприятий. Персонал должен подвергаться предварительным и периодическим медицинским обследованиям.

Для локализации ультразвука применяются изолирующие кожухи и экраны или ультразвуко­вые установки размещаются в отдельных помещениях, облицованных звукопо­глощающими материалами.

Контактное воздействие ультразвука исключается автоматизацией производственных процессов, дистанционным управлением, приме­нением специальных инструментов с изолирующими рукоятками. Загрузку изделий в колеблющиеся среды и их выгрузку следует осуществлять при выключенном источ­нике ультразвука. Для защиты рук используют специальные перчатки или две пары перчаток: резиновые (сверху) и хлопчатобумажные. При этом не допускается смачи­вания последних.

В качестве СИЗ используют в основном вкладыши в уши и наушники.

Зоны с уровнями ультразвука, превышающими значения ПДУ, обозначаются предупреждающими знаками.

Инфразвук

Инфразвук представляет собой акустические колебания с частотой менее 20 Гц. Распространение инфразвука в воздушной среде происходит на большие расстояния от источника вследствие малого его ослабления. Различают инфразвук механического происхождения (от крупногабаритных вентиляторов, поршневых компрессоров, машин и механизмов, работающих с числом оборотов рабочих циклов менее 20 в секунду, от агрегатов, установленных в протя­жённых транспортных средствах) и аэродинамического происхождения, возникаю­щий при движении потоков газов или жидкостей. Инфразвук возникает при целом ряде явлений природного характера (землетрясения, извержения вулканов, морские волнения).

Человек не слышит инфразвук, но организм на него реагирует. При воздействии инфразвука на организм уровнем звукового давления 110…150 дБ могут возникать неприятные субъективные ощущения и многочисленные нарушения функционирова­ния ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Могут возникать головная боль, головокружение, ощущение звона, снижение внимания и работоспособности, чувство страха, сонливость, затруднение речи, нарушение работы вестибулярного ап­парата. При воздействии инфразвука с уровнем 105 дБотмечены психофизиологиче­ские реакции в форме повышения тревожности и неуверенности, эмоциональной не­устойчивости. Различные внутренние органы человека имеют собственные частоты колебаний в диапазоне инфразвуковых частот, чаще 6 - 8 Гц. Совпадение частот ин­фразвука с частотами внутренних органов из-за резонансных явлений может привести к тяжёлым последствиям.

Нормирование инфразвука производится по СН 2.2.4/2.1.8.583-96 «Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки» (табл. 4.8).

Таблица 4.8

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц	Общий уровень зву­кового давления, Lлин, дБ
				31,5
На рабочих местах
На территории жилой застройки
					-

Борьба с неблагоприятным воздействием производ­ственного инфразвука в основном осуществляется применением различного рода глушителей, увеличением жёсткости конструкций, уменьшением вибраций с малой частотой, исключением резонансных явлений в конструкциях, выбором рабочих час­тот процессов и т.д.

Вредные вещества