Ультразвук. Механические колебания упругой среды в диапазоне частот 16 20000 Гц вос­принимаются ухом человека и называются звуковыми волнами

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 1 кГц порогу чувствительности “среднего” человеческого уха (порог слышимости) соответствуют значения Р₀= 2´10^-5 Па, I₀ =10^-12 Вт/м², а порогу болевого ощущения (превышение которого может привести к физическому повреждению орга­нов слуха) соответствуют значения Р_б = 20 Па и I_б = 1 Вт/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^-12 Вт/м² - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1 кГц.

Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому уровень звукового давления L = 10 lg(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 КБ, 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. 4.6.

Таблица 4.6

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 согласно 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 звука. Например, в аудиториях учебных заведений уровни L_А и L_АЭ не должны превышать 40 дБА, а максимальный уровень звука L_AМ = 55 дБА. Для жилых комнат квартир в ночное время L_А = 30 дБА, L_АМ = 45 дБА.

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.

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 11200 до 100000 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 и др.) ультразвук способен распространяться на большие расстояния без существенных по­терь энергии.

Биологическое воздействие ультразвуковых колебаний 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, приводя к вегетососудистой дистонии, жалобам на утомление, головным болям. 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 ГОСТ 12.1.001- 89. Ги­гиенической характеристикой воздушного ультразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления (дБ) в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами от 12,5 до 100 кГц (табл. 4.7). Характеристикой контактного ультразвука являются пиковые значения виброскорости (м/с) или её логарифмические уровни (табл. 4.8).

Таблица 4.7 Таб­лица 4.8

Защитные мероприятия. Для коллективной защиты от воздействия повышен­ных уровней ультразвука можно используется 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.