Физические характеристики шума

ГЛАВА 18. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ

ОТ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ШУМА

 

Вопросы борьбы с шумом в настоящее время имеют большое значение во всех областях техносферы. Шум на производстве наносит большой ущерб, снижая производительность труда на промышленных предприятиях до 30 процентов, способствует возникновению травм и аварий, приводит к развитию заболеваний. В структуре профессиональных заболеваний в РФ примерно 17% приходится на заболевание органов слуха.

 

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ШУМА

Шумом называется бессистемное сочетание звуков различной интенсивности и частоты, оказывающих вредное воздействие на организм человека. Наиболее распространенными источниками шума являются: промышленное оборудование, транспортные средства и другие источники. Возникновение шума вызвано упругими колебаниями, возникающими по причине механических, аэродинамических, гидродинамических и электрических явлений, определяемых конструкцией и характером работы машин, неточностями, допущенными при ее изготовлении, а также условиями эксплуатации. В связи с этим различают шумы механического, аэродинамического, гидродинамического и электромагнитного происхождения.

Факторы, вызывающие шумы механического происхождения: инерционные возмущающие силы, возникающие вследствие движения деталей механизма с переменными ускорениями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбежных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка) и т.д.

Основными источниками шума, происхождение которого не связано непосредственно с технологическими операциями, выполняемыми машиной, являются подшипники, зубчатые передачи, и неуравновешенные вращающиеся части машины, возвратно поступательные движения.

Факторы, вызывающие шумы аэродинамического происхождения – это течение газа в различных технических устройствах. Эти шумы являются главной составляющей шума работы вентиляторов, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, двигателей внутреннего сгорания, пневматических двигателей; выпусков пара и воздуха в атмосферу и т.д.

Факторы, вызывающие шумы гидродинамического происхождения – это использование жидкости в виде рабочего тела в различных технических устройствах. Эти шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитации, турбулентности потока, гидравлических ударов).

Шумы электромагнитного происхождения возникают в электрических машинах и оборудовании. Причиной этих шумов является главным образом взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также пондеромоторные силы, вызываемые взаимодействием магнитных полей, создаваемых токами.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА

По физической природе шумом является всякий нежелательный для человека звук. В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания (звуковые волны), распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды, вследствие воздействия на нее какой либо возмущающей силы. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основными свойствам волн являются перенос энергии без переноса вещества.

Звуковые волны в зависимости от диапазона частот (рис. 18.1) воспринимаются человеком по-разному.

 

Рис. 18.1. Диапазон звуковых волн.

 

 
В диапазоне частот 16–20000 Гц волны воспринимаются органом слуха человека как звук. Необходимо иметь в виду, что с возрастом у человека слышимость звуков высоких частот уменьшается. Большинство взрослых людей едва ли воспринимают звуки с частотой более 12000 Гц, а пожилые люди отчетливо воспринимают звуки частотой всего лишь 6000–8000 Гц. Колебания частотой ниже 16–20 Гц относятся к инфразвукам, а более 20000 Гц – ультразвукам. Они не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм.

Область пространства (среды), где происходит распространение звуковых волн, называется звуковым полем, которое характеризуется плотностью среды r  (кг/м³), скоростью распространения колебаний частиц среды (звуковой скоростью) с (м/с) и звуковым давлением р (Па). Скорость звука с при нормальных условиях (температура +20ºС и давление 0,1013 МПа) равна в воздухе 344 м/с, в жидкости –1500 м/с, в металле – 5000 м/с.

Во время распространения звуковых колебаний в воздухе появляются области разрежения и области повышенного давления, что создает звуковое давление. Под звуковым давлением р понимается разность между мгновенным значением давления при распространении звуковой волны и средним значением давления, в невозмущенной среде. Звуковое давление изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны. Определение давления во времени происходит в органе слуха человека за время 30–100мс. На слух человека действует среднеквадратичное значение звукового давления:

,                                         (18.1)

где Т – период колебания;

t – время.

Звуковые волны являются носителями энергии. Звуковая энергия W (Вт), приходящаяся на единицу площади S (м²) поверхности, расположенной перпендикулярно распространяющимся звуковым волнам, называется интенсивностью или силой звука I (Вт/м ²).

.                                                  (18.2)

Для того, чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторым минимальным звуковым давлением, но если это давление превышает определенный предел, то звук не слышен, а вызывает только болевое ощущение. Следовательно, для каждой частоты колебаний минимальная величина звукового давления, которую ощущает ухо человека, носит название порога слышимости или ощущения и обозначается р ₀. Максимальное давление, создающее болевые ощущения, называется болевым порогом и обозначается р_max. Аналогично имеются значения порогов интенсивности звука I ₀и I _max. Международной организацией по стандартизации за пороговые значения приняты значения данных величин на частоте 1000 Гц (р ₀ = 2· 10^–5 Па, р_max = 2·10^–2 Па, I ₀ = 10^–12 Вт/м², I _max = 10² Вт/м²)

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 неудобно, и, кроме того, орган слуха человека способен реагировать на относительное изменение давления, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие на различные виды раздражителей, в том числе и при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя (биологический закон Вебера-Фехнера, выражающий связь между изменением интенсивности раздражителя и силой вызванного ощущения), поэтому для параметров шума введены логарифмические величины – уровни звукового давления и уровни интенсивности звука. За единицу измерения принят децибел (дБ). Весь слышимый диапазон на стандартной частоте 1000 Гц укладывается в интервале уровней от 0 до 120 дБ.

Величина уровня звукового давления L_р определяется формулой:

.                                           (18.3)

Уровень интенсивности звука

.                                             (18.4)

Уровнями интенсивности обычно пользуются при выполнении акустических расчетов, а уровнями звукового давления – при измерении шума и оценке его воздействия на организм человека. В практических расчетах все вычисления проводятся до целых чисел децибел, так как изменение уровня звукового давления менее 1 дБ органом слуха не воспринимается.

Уровни звукового давления некоторых источников шума на частоте 1000Гц, представлены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

Уровни звукового давления от отдельных источников шума

Источник шума	Уровень звукового давления, дБ	Расстояние до источника шума, м
Механические наручные часы	20	1
Шепот	40	0,3
Речь средней громкости	60	1
Городской шум	70	–
Металлорежущие станки	80 – 90	на рабочем месте
Дизельные двигатели	110 – 115	1
Поршневые авиадвигатели	120 – 130	2 – 3
Реактивные двигатели	140 – 170	2 – 3

 

При измерении и анализе шумов, весь диапазон частот разбивают на октавы (интервалы частот), где конечная частота f ₂  больше начальной f ₁ в два раза. В качестве частоты, характеризующей полосу частот в целом, берется среднегеометрическая частота . Линейка среднегеометрических частот по октавам: 63,5, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Классификация шумов представлена на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Классификация шумов.
18.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ШУМА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Каждый человек воспринимает шум по-своему. Это зависит от многих факторов: возраста, состояния здоровья, характера трудовой деятельности. Установлено, что большее влияние шум оказывает на людей занятых умственным трудом, чем физическим.

Шум является биологическим раздражителем, способным влиять на все органы и системы организма, вызывая разнообразные физиологические изменения. К биологически агрессивному шуму относятся импульсный и тональный шум.

Шум с уровнем звукового давления до 35дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40–80дБ создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, а при длительном действии может быть причиной нервозов. Воздействие шума уровнем свыше 80дБ может привести к потере слуха – профессиональной глухоте. При действии уровней свыше 140дБ возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при уровне более 160дБ наступает летальный исход.

Человек в процессе трудовой деятельности, как правило, сталкивается с производственным шумом, который активно влияет на безопасность жизнедеятельности. Производственный шум нарушает информационные связи, что вызывает снижение эффективности и безопасности деятельности человека, т.к. высокий уровень шума уменьшает слышимость предупреждающего сигнала опасности. Кроме того, шум вызывает обычную усталость. При действии шума снижаются способность сосредоточения внимания, точность выполнения работ, связанных с приемом и обработкой информации и производительность труда. При постоянном воздействии шума работающие жалуются на бессонницу, нарушения зрения, вкусовых ощущений, расстройство органов пищеварения и т.д. У них отмечается склонность к нервозам. Энергозатраты организма при выполнении работы в условиях шума больше, т.е. работа оказывается более тяжелой.

Длительное воздействие интенсивного шума на человека приводит к развитию шумовой болезни, являющейся самостоятельной формой профессиональной патологии – тугоухости.