Акустические колебания воздушной среды

Шум слышимого диапазона

Основные понятия и определения. Слуховое восприятие как средство получения информации является для человека вторым по значению (после зрительного) психофизиологическим процессом.

Шум – всякий нежелательный для человека звук. Звуковые волны возбуждают колебания частиц звуковой среды, в результате чего изменяется атмосферное давление.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды и статическим давлением в той же точке, т.е. давление в невозмущённой среде: Р = Р_мг – Р_{ст .}

Звуковое давление – величина знакопеременная. В моменты сгущения (сжатия или уплотнения) частиц среды она положительна; в моменты разрежения – отрицательна.

Органы слуха воспринимают не мгновенное, а среднеквадратичное звуковое давление:

. (6.1)

Время усреднения давления: Т_о = 30 – 100 мс.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии.

Средний поток энергии в точке среды в единицу времени, отнесённый к единице поверхности, нормальной направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (силой звука) в данной точке.

Интенсивность, Вт/м², связана со звуковым давлением зависимостью

(6.2)

где ρ×с – удельное акустическое сопротивление.

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. Оперировать такими цифрами несколько неудобно.

Кроме того, слуховой анализатор подчиняется основному психофизическому закону (Вебера-Фехнера):

,

где Е – интенсивность ощущений; I – интенсивность раздражителя; С и К – некоторые постоянные величины.

Поэтому были введены логарифмические величины уровня звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления, дБ:

(6.3)

где Р_о = 2×10^-5 Па – пороговое звуковое давление; Р – среднеквадратичная величина звукового давления.

Уровень интенсивности звука, дБ:

(6.4)

где I – действующая интенсивность звука; I_о = 10^-12 Вт/м² – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости (на частоте 1000 Гц).

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

Интенсивность I_max и величина звукового давления P_max, соответствующие болевому порогу: I_max = 10² Вт/м, P_max = 2×10² Па.

Частотный спектр шума – зависимость уровня интенсивности (уровня звукового давления) от частоты: L = L(ƒ). Весь слышимый диапазон частот разбит на 9 октавных полос. Октавная полоса, или октава – это частотный диапазон, для которого выполняется условие

. (6.5)

Различают следующие виды спектров:

- дискретный (линейчатый) – спектр, синусоидальные составляющие которого отделены друг от друга по частоте (рис. 6.1);

 

 

 

Рис. 6.1. Дискретный спектр шума

 

- сплошной – спектр, в котором составляющие следуют друг за другом непрерывно (рис. 6.2.);

- смешанный – такой спектр, в котором дискретные составляющие присутствуют наряду с непрерывными (рис. 6.3).

 

 

Рис. 6.2. Сплошной (непрерывный) спектр

 

 

Рис. 6.3. Смешанный спектр шума

 

В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными (в спектре которых имеются слышимые дискретные тона) и широкополосными (со сплошным спектром шириной более одной октавы).

По временным характеристикам различают:

- постоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день не больше, чем на 5дБА;

- непостоянный шум – уровень звука изменяется за рабочий день больше, чем на 5дБА.

Непостоянный шум делится на колеблющийся во времени, прерывистый (длительность сигнала больше 1 c), импульсный (длительность сигнала меньше 1 с).

По частотным характеристикам различают:

– низкочастотный шум – с частотой до 400 Гц;

– среднечастотный шум – с частотой 400-1000 Гц;

– высокочастотный шум – с частотой от 1000 Гц.

По источнику возникновения различают:

– механический шум – возникающий в результате движения отдельных деталей и узлов оборудования, приборов и аппаратов с неуравновешенными массами;

– аэродинамический шум – возникающий в результате нестационарных процессов в жидкостях или газах;

– электромагнитный шум – возникающий в результате воздействия переменных магнитных сил, которые приводят к колебанию деталей и узлов машин и аппаратов.

Действие шума на организм человека. Ухо человека не одинаково воспринимает звуки различной частоты. Слуховой аппарат человека проявляет наибольшую чувствительность на средних и высоких частотах (800-4000 Гц), а наименьшую – на низких (20-100 Гц). Поэтому звуки, одинаковые по звуковому давлению, но разные по частоте, могут казаться на слух неодинаково громкими.

Проявление вредного воздействия шума на человека весьма разнообразно.

Область слышимости ограничивается не только определёнными частотами (20-20000 Гц), но и определёнными предельными значениями звуковых давлений и их уровней (рис. 6.4).

 

Рис. 6.4. Область слышимости: 1 – кривая, соответствующая порогу слышимости; 2 – кривая, соответствующая порогу болевого ощущения

 

Пороговое значение звукового давления Р_о соответствует порогу слышимости (L = 1 дБ) только на частоте 1000 Гц, принятой в качестве стандартной частоты сравнения в акустике.

Порог слышимости различен для звуков разной частоты. В диапазоне частот 800-4000 Гц величина порога слышимости минимальна. При повышении и понижении частоты значение порога слышимости растёт, особенно это заметно на низких частотах. По этой причине низкочастотные звуки менее неприятны для человека, чем высокие (при одинаковых уровнях звукового давления).

Действие шума на человека зависит от уровня и характера шума, его продолжительности, а также от индивидуальных особенностей человека.

Длительное воздействие шума на работающих может вызвать функциональные изменения со стороны ряда органов и систем. Шум вызывает нарушения со стороны высшей нервной деятельности (изменяется сила, уравновешенность и подвижность нервных процессов); сердечно-сосудистой системы (изменяется кровяное давление, ритм сердечных сокращений, повышается внутричерепное давление); органов пищеварения (учащаются заболевания гастритами, язвенная болезнь, отмечается понижение кислотности желудочного сока); ослабляется внимание, память, учащается раздражительность, снижается работоспособность и производительность труда.

Наряду с этим общим воздействием особо неблагоприятное воздействие оказывает шум на орган слуха, вследствие чего наступает расстройство слуховой функции, которое может привести к полной тугоухости.

Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120-130 дБ, вызывают большие ощущения и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма). В табл. 6.1 представлены уровни различных звуков.

 

Таблица 6.1

Уровни различных звуков в зависимости от источника шума и расстояния

Источник шума	Расстояние, м	Уровень шума, дБ
Жилая комната Речь средней громкости Металлорежущие станки Дизельный грузовик Пневмоперфоратор Реактивный двигатель Выстрел из артиллерийс-кого орудия	- на рабочих местах   1-2	80-96   160-170

 

Наиболее глубокие сдвиги в организме вызывают высокочастотные, дискретные и импульсные шумы.

Нормирование шума на рабочих местах. Целью нормирования шумовых характеристик рабочих мест является установление научно обоснованных предельно допустимых величин шума, которые при ежедневном систематическом воздействии в течение всего стажа работы не вызывают заболеваний человека и не мешают его нормальной трудовой деятельности.

Нормирование осуществляется по СН 2.2.4/2.1.8.562-96 и ГОСТ 12.1.003-83. При нормировании используют два метода: нормирование по предельному спектру шума и нормирование уровня звука в дБА.

Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов. Весь частотный диапазон разбивается на 9 октав. Каждая октава имеет среднегеометрическую частоту:

. (6.6)

Стандартные среднегеометрические частоты: 31,5; 63; 125; 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. В октавных полосах нормируются уровни звуковых давлений.

Совокупность девяти допустимых уровней звукового давления называется предельным спектром.

С ростом частоты (что приводит к более неприятному шуму) допустимые уровни уменьшаются.

Каждый из спектров имеет свой индекс. Например: ПС-80 – число 80 обозначает допустимый уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц.

Второй метод нормирования (нормирование по шкале А) применяют для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, или когда шумомер не оборудован октавными фильтрами.

Уровень звука в дБА определяют по так называемой шкале А шумомера с коррекцией, которая заключается в том, что вводятся поправки, учитывающие зависимость чувствительности слуха от частоты звука и приближающие результаты объективных измерений к субъективному восприятию.

Шумомер оборудуется фильтром, создающим завал чувствительности на низких и высоких частотах, чем имитируется характеристика человеческого уха.

Достоинство этого метода в том, что требуется только один замер, в то время как по первому методу надо сделать девять замеров.

Уровень звука, дБА, связан с предельным спектром зависимостью

(6.7)

Нормированным параметром непостоянного шума является эквивалентный уровень звука – такое значение уровня звука длительного непостоянного шума, который в пределах определённого времени имеет то же самое значение уровня звука, что и рассматриваемый шум, уровень звука которого изменяется во времени:

(6.8)

где t_i – доля времени воздействия шума класса L_i; L_i – уровень звука класса i, дБА.

 

Ультразвук

Ультразвук – упругие колебания и волны, частота которых лежит в диапазоне 16-100 кГц. Ультразвуковые волны по своей природе не отличаются от упругих волн слышимого диапазона и характеризуются теми же параметрами: интенсивностью (Вт/м²), звуковым давлением (Па), звуковой мощностью (Вт) и их уровнями (дБ).

Тем не менее, ультразвуковые колебания обладают специфическими особенностями, которые обусловлены высокой частотой и соответственно малой длиной волн. Ультразвуковые волны имеют лучевой характер распространения. Поэтому при одинаковой звуковой мощности источника шума и ультразвука интенсивность последнего будет значительно выше.

Науке об ультразвуке принадлежит большое будущее. Но уже сегодня технические задачи, решаемые при помощи высоких звуковых колебаний, очень разнообразны. Это пайка алюминия, стирка белья, обработка сложных контуров деталей, сварка фольги, устранение тумана над аэродромами, получение суспензий лекарственных веществ и многое другое. При помощи ультразвука можно просверлить самые сверхтвердые сплавы и драгоценные камни, включая алмаз.

Дозированные ультразвуковые колебания обладают хорошими терапевтическими свойствами, используются в физиолечении, в медицинской диагностической практике, с помощью ультразвука лечат заболевания периферической нервной системы, ускоряют процессы рассасывания гнойников и рубцов.

Ультразвуковые установки применяются для очистки и обезжиривания деталей при ремонте часов, для механической обработки твердых и хрупких материалов в ювелирном производстве (сварка, пайка, лужение и т. п.), для соединений искусственной кожи, натуральной ткани с синтетической и пр.

В технологических целях используются ультразвуковые колебания низкой частоты (18-44 кГц) и большой интенсивности (67 Вт/см²).

Уровни звукового давления на рабочих местах в зависимости от вида установки колеблются от 80 до 120 дБ.

Действие ультразвука на организм человека. Ультразвук оказывает на организм человека механическое, тепловое, кавитационное действие.

Так, при частоте 100 кГц и малых интенсивностях (23 Вт/см²) происходит микромассаж тканевых элементов, что улучшает обмен веществ. Однако повышение интенсивности ультразвука приводит к кавитации и механическому разрушению клеток тканей.

При распространении ультразвука в организме происходит преобразование акустической энергии в тепловую, что может привести к перегреву тканей и их разрушению.

Кавитационное действие – образование в жидкости (крови, лимфе) заполненных воздухом пузырьков. Нарушение молекулярных связей приводит к их разрыву, происходит как бы «закипание» крови.

У работающих на низкочастотных ультразвуковых установках при интенсивности более 100 дБ могут наблюдаться изменения в центральной и периферической нервной системе, нарушение работы слухового и вестибулярного аппарата, ухудшение сна.

Ультразвук вызывает функциональные нарушения нервной системы, изменение давления и состава крови. Часто наблюдаются головные боли, быстрая утомляемость, потеря слуховой чувствительности.

Бывают случаи аллергии к ультразвуку (с потерей сознания). Контактное воздействие ультразвука имеет большой отрицательный эффект на здоровье человека и проявляется в виде порезов и вегетативных полиневритов.

Нормирование ультразвука. Основными документами, регламентирующими безопасность при работе с ультразвуком, являются Санитарные нормы и правила СаеПиН 2.2.4/2.1.8.582-96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назаначения», а также ГОСТ 12.1.001-83 «ССБТ. Оборудование технологическое ультразвуковое. Требования безопасности».

Инфразвук

Инфразвук – это область акустических колебаний, имеющих одинаковую с шумом физическую природу, но распространяющихся с частотами менее 20 Гц. В воздухе инфразвук мало поглощается и способен распространяться на большие расстояния.

Инфразвук может иметь природное происхождение (землетрясения, извержения вулканов, морские бури) и антропогенное (работа тихоходных крупногабаритных машин и механизмов).

Инфразвуковые волны характеризуются теми же параметрами, что и звуки слышимого диапазона.

Действие инфразвука на организм человека. Инфразвук вызывает нарушение пространственной ориентации, морскую болезнь, пищеварительные расстройства, нарушение зрения и головокружение. Колебания с частотой 7 Гц препятствуют сосредоточению внимания и вызывают ощущение усталости, головную боль и тошноту. Наиболее опасны колебания с частотой 8 Гц. Они могут вызвать явление резонанса системы кровообращения, приводящего к перегрузке сердечной мышцы, сердечному приступу или к разрыву некоторых кровеносных сосудов. Инфразвук небольшой интенсивности может служить причиной повышенной нервозности, вызвать депрессию.

Нормируется инфразвук санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.583-96, согласно которым уровни инфразвукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, и 16 Гц не должны превышать 105 дБ, а в полосе с частотой 32 Гц – 102 дБ.