Шум, ультразвук и инфразвук

Шум – это беспорядочная совокупность звуков различной силы и частоты, возникающих в результате колебательного процесса. Звук – это волнообразные колебания упругой среды, воспринимаемые нашими органами слуха. С физиологической точки зрения шумом является всякий нежелательный, неприятный для восприятия человека звук. Как физическое явление шум – это волновое колебание упругой среды.

Энергия колебаний источника звука передаётся частицам среды. Средний поток этой энергии в каждой точке среды, отнесённый к единице поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука в данной точке. Звуковое поле – это область пространства, в которой распространяются звуковые волны. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воздуха изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущённой среде, называется звуковым давлением.

Выделяются следующие физические характеристики звука:

1. Частота звука. Слышит человеческое ухо звуковые колебания при частоте от 16 до 20000 Гц. Звуки с частотой 16 – 300 Гц считаются низкочастотными, с частотой 300 – 800 Гц – среднечастотными, с частотой 800 – 20000 Гц – высокочастотными. Звуки с частотой менее 16 Гц человеческим ухом не воспринимаются (как слышимые, хотя на организм человека оказывают влияние) и называются инфразвуком. Звуки с частотой более 20000 Гц также не слышимы и называются ультразвуком.

2. Интенсивность звука, , – это поток звуковой энергии , проходящей через единицу площади поверхности , перпендикулярной к направлению распространения звука: .

3. Звуковое давление, , которое числено равно отношению силы, возникающей в результате действия звуковой волны, к площади поверхности , перпендикулярной к направлению распространения звука: .

Интенсивность звука связана со звуковым давлением зависимостью:

,

где – плотность среды, ;

– скорость звука в этой среде, ;

– удельное акустическое сопротивления среды, которое для воздуха равно 410 , для воды – 1,5.10⁶, для стали 4,8.10⁷.

Однако на практике для измерения шума не используют физические величины, а применяют логарифмические значения – уровни звукового давления и интенсивности, выражаемые в децибелах (дБ).

Причины перехода от физических величин к уровням: широкие пределы изменения звукового давления (в 10⁸ раз) и интенсивности (в 10¹⁴ раз); ухо человека способно реагировать на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное. Поэтому, согласно закона Вебера-Фехнера, наши органы слуха воспринимают звуковые ощущения не по линейному закону, а пропорционально логарифму количества энергии раздражителя.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по формуле:

,

где – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости ( =10^-12 на частоте 1000 Гц);

– интенсивность звука в данный момент времени.

Величина уровня звукового давления (дБ)

,

где – пороговое значение звукового давления, выбранное таким образом, чтобы при нормальных атмосферных условиях уровни звукового давления были равны уровням интенсивности звука, ( =2.10^-5 на частоте 1000 Гц);

– звуковое давление в данный момент времени.

Величины уровня интенсивности используются при проведении акустических расчетов, а уровни звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

Уменьшение шума оценивается также в децибелах:

Например, если шум агрегата снизить по интенсивности в 1000 раз, то уровень интенсивности буден уменьшен на

=30 дБ.

Уровень интенсивности (дБ) при одновременной работе нескольких источников разной звуковой мощности можно определить по формуле:

,

где – уровни звукового давления или уровни интенсивности, создаваемые каждым из источников в расчетной точке.

Рассмотренные особенности суммирования уровней имеют большое практическое значение для шумоглушения. Так, при большом числе одинаковых источников заглушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум более мощных источников. Если имеется n одинаковых источников шума с уровнем звукового давления , создаваемый каждым источником, то суммарный шум (дБ) равен

Из этой формулы видно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник в отдельности.

Для практических замеров весь диапазон действия шума (от 16 до 20000 Гц) разбивают на октавные полосы частот со среднегеометрическими значениями: 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Зависимость уровней звукового давления от частоты называют спектром шума.

В соответствии с ГОСТ 12.1 003-83 шум классифицируют по спектральным и временным показателям.

Спектры шума подразделяются на широкополосные и тональные. Широкополосные характеризуются спектром шума шириной более одной октавы, тональные имеют в своём составе выраженные дискретные тона с превышением уровня звукового давления (в третьоктавной полосе частот) над соседними не менее чем на 10 дБ.

Для оценки и сравнения шумов, изменяющихся по времени, применяют уровни звука. Уровень звука – это суммарный уровень звукового давления, определённого во всём частотном диапазоне. Измеряют уровень звука шумомером в децибелах А (дБА) по шкале, имеющей корректирующий контур А по низкочастотной составляющей.

По временным характеристикам шумы подразделяются на постоянные и непостоянные. Непостоянные шумы, свою очередь, делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные. Постоянный шум – это шум, уровни которого во времени изменяются не более чем на 5 дБА за восьмичасовой рабочий день. Непостоянный шум – это шум, уровни которого во времени изменяются не менее чем на 5 дБА за восьмичасовой рабочий день.

Колеблющиеся шумы характеризуются уровнем звука, непрерывно изменяющегося во времени, например шум транспортного потока. Для прерывистых шумов уровень звука изменяется ступенчато (на 5 дБА и более), при этом длительность интервалов, в течение которых уровень остаётся постоянным, составляет 1 с и более, например шум, возникающий при работе засыпных аппаратов доменной печи. Импульсные шумы – это один или несколько звуковых сигналов, каждый продолжительностью менее 1 с и воспринимаемые человеком как удары, следующие один за другим. При этом уровни звука каждого сигнала отличаются друг от друга не менее чем на 7 дБА. Для машин ударного действия (например, для молотов, прессов, отбойных молотков и т.д.) характерен импульсный шум.

Воздействие шума на человека. Шум на производстве неблагоприятно действует на организм человека: повышает расход энергии при одинаковой физической нагрузке, значительно ослабляет внимание работающих, увеличивает число ошибок при работе, замедляет скорость психических реакций, в результате чего снижается производительность труда и ухудшается качество работы. Шум затрудняет своевременную реакцию работающих на предупредительные сигналы, что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.

Шум оказывает вредное влияние на физическое состояние человека: угнетает центральную нервную систему; вызывает изменение частоты дыхания и пульса; способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни; может привести к профессиональным заболеваниям. Под влиянием шума снижается разборчивость речи, быстро развивается утомление, нарушается сон, снижается работоспособность и, наконец, может развиться патология. К профессиональной патологии относится кохлеарный неврит, признаком которого является прогрессирующее снижение слуха вплоть до полной его потери.

Измерения шума на рабочих местах.

Методика измерения шума зависит от двух факторов:

– характеристики рабочего места (постоянное место или зона обслуживания);

– характеристики шума по временным характеристикам (постоянный или непостоянный шум).

Для оценки параметров шума на постоянных рабочих местах производственных помещений измерения производятся в точках, соответствующих установленным постоянным местам. Если рабочие места не постоянные, то измерения следует производить в нескольких точках так, чтобы охватить возможно большую часть рабочей зоны. Количество замеров в каждой точке измерения – не менее трех. Для оценки шумового режима в производственных помещениях следует количество и расположение точек измерения принимать:

а) для помещений с однотипным технологическим оборудованием – не менее чем на трех постоянных рабочих местах или на трех соответствующих участках рабочей зоны при непостоянных рабочих местах;

б) для помещений с групповым размещением однотипного технологического оборудования – на постоянном месте или соответствующем участке рабочей зоны, в центре каждой группы оборудования;

в) для помещений со смешанным размещением разнотипного технологического оборудования – не менее чем на трех постоянных рабочих местах или соответственно на трех участках рабочей зоны для каждого типа оборудования;

г) для помещений с одиночно работающим технологическим оборудованием – на постоянном рабочем месте или соответственно в рабочей зоне этого оборудования. Измерения выполняют по ГОСТ 12.1.050-86 ССБТ. «Методы изменения шума на рабочих местах».

Применяют различное оборудование для измерения постоянных и непостоянных шумов.

Для измерений шума следует применять шумомеры 1-го или второго класса с октавными (третьоктавными) электрическими фильтрами. Аппаратура, используемая для измерений, должна иметь действующие свидетельства о государственной поверке.

Для измерения постоянного шума используют шумомеры типа ИШВ-1, ВШВ-003, ШВК-1 2209 и др.

Для измерения непостоянных шумов применяют специальные интегрирующие шумомеры ШИН-01, 2222, 2226 и др.

Они измеряют эквивалентный (по энергии) уровень звука, выраженный в дБА и оказывающих такое же влияние на слуховой аппарат, как и постоянный шум.

Определение шума на рабочих местах производят с целью установления фактических его уровней и сравнения их с требованиями стандарта, выявления рабочих мест и зон с повышенным уровнем шума и определения величины его превышения, а также получения исходных данных для разработки мероприятий по улучшению условий труда и оценки эффективности данных мероприятий. Методика измерений параметров шума в производственных помещениях регламентирована ГОСТ 12.1.050-86.

Основными показателями, характеризующими шумовую обстановку на рабочих местах, являются: уровни звукового давления на среднегеометрических частотах октавных полос (дБ); уровни звука (дБА); эквивалентные уровни звука (дБА).

Нормирование шума.

При нормировании шума используют два метода: нормирование по предельному спектру шума и нормирование уровня звука в дБА. Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов. Здесь нормируются уровни звуковых давлений в восьми октавных полосах частот. Шум на рабочих местах не должен превышать допустимых уровней, значения которых приведены в ГОСТ 12.1.003-83. ССБТ. «Шум. Общие требования безопасности.» или ДНАОП 0.03-3.14-85. «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах (СН3223-85). Совокупность восьми допустимых уровней звукового давления называется предельным спектром (ПС). Причем, с ростом частоты (более неприятный шум) допускаемые уровни уменьшаются.

Второй метод нормирования общего уровня шума, измеренного по шкале А шумомера и называемого уровнем звука в дБА, используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, так как в этом случае мы не знаем спектра шума. Уровень звука (дБА) связан с предельным спектром (ПС при частоте 1000 Гц в дБ) зависимостью

Частотная характеристика по шкале А шумомера имитирует кривую чувствительности органов слуха человека. Если при нормировании по предельному спектру имеем дело с восемью значениями уровней шума, то для нормирования по шкале А шумомера оперируют одним усредненным значением уровня звука.

В соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука в дБА на рабочих местах следует принимать:

– для широкополосного шума – по нормативной таблице;

– для тонального и импульсного шума, измеренного по характеристике А медленно – на 5 дБА меньше табличных;

– для шума в помещениях с кондиционерами, воздушным отоплением или установками вентиляции – на 5 дБА меньше табличных.

Допустимые уровни звукового давления. уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах в производственных помещениях приведены в ДНАОП 0.03-3.14-85 «Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах №3223-85» и ГОСТ 12.1.003-83 «Шум. Общие требования безопасности».

Таким образом, постоянный шум измеряют и нормируют вначале по шкале А шумомера и если будет обнаружено отклонение измеренных значений уровня звуки (в дБА) от нормативных, то в дальнейшем нормируют постоянный шум по предельному спектру, т.е. по восьми октавам в дБ. Непостоянный шум нормируют только по шкале А шумомера в дБА.

Шумовые характеристики оборудования.

На любое оборудование завод-изготовитель согласно ГОСТ 12.1.023-80 указывает следующие данные:

1) частотный спектр излучения звуковой мощности в восьми октавных полосах частот (дБ);

2) фактор направленности и показатель направленности шума, которые показывают неравномерность распределения шума по всем направлениям.

Уровень звуковой мощности (дБ) определяют по формуле:

,

где – соответственно измеренное и пороговое значение звуковой мощности ( = 10^-12 Вт).

Звуковая мощность – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство в единицу времени.

При равномерном излучении энергии в окружающее пространство интенсивность звука на расстоянии R от источника шума определяется по формуле:

.

Однако большинство источников шума излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т.е. обладают определённой направленностью, которая характеризуется фактором направленности Ф, показывающим отношение интенсивности звука J в данной точке к средней интенсивности Jср, которую развил бы источник шума при излучении той же звуковой мощности равномерно по сфере:

.

Показатель направленности шума определяется по формуле:

,

где –звуковое давление и его уровень, измеренный на определённом расстоянии от источника;

– звуковое давление и его уровень, усреднённый по всем направлениям при том же расстоянии.

Шумовые характеристики указываются в технической документации (паспорте) на оборудование.

Методы борьбы с шумом.

При анализе шумовой обстановки на рабочем месте определяют уровень шума расчетом (при помощи акустического расчета) или экспериментально (при помощи измерения шумомером) и определяют требуемое снижение шума. Если рассчитанное или измеренное значение уровня шума выше допустимого, то этим устанавливается факт нарушения санитарных норм и требуется разработка мероприятий по снижению шума до допустимых значений в соответствии с ГОСТ 12.1.029-80 «Средства и методы защиты от шума. Классификация».

Применяют следующие основные методы борьбы с шумом:

- уменьшение шума в источнике возникновения. Механический шум снижает применение упругих прокладок между машиной и несущей конструкцией, своевременный технический уход за машиной, профилактические ремонты и т.д. Аэродинамический шум снижают уменьшением скоростей движения потоков (газов, жидкостей, сыпучих материалов и др.) и улучшением аэродинамики тел, по которым движутся эти среды;

- рациональная планировка предприятий и цехов. Шумные производства концентрируют в одной зоне и располагают их с заветренной стороны. Устанавливают необходимые расстояния между шумными и остальными цехами (например, если уровень шума равен 135 дБ, то расстояние должно быть не менее 1000 м). Разрывы между цехами озеленяют;

- акустическая обработка помещения (звукопоглощение). Облицовывают внутренние поверхности тонковолокнистыми пористыми материалами (стекловолокно, капроновое волокно, минеральная вата, плиты поролона и др.);

- уменьшение шума на пути его распространения в результате применения звукоизоляции (звукоизолирующие ограждения, кожухи, экраны, кабины, посты или пульты управления, глушители аэродинамического шума и др.);

- применение индивидуальных средств защиты. Для этого используют вкладыши (мягкие тампоны и жесткие вкладыши из резины), наушники и защитные шлемы.

Ультразвук (УЗ) – это механические колебания упругой среды с частотой более 20000 Гц. Он не воспринимается ухом человека. Ультразвук применяют в металлургии, машиностроении, приборостроении, радиотехнике, в химической и легкой промышленности, в медицине и т.д. Ультразвук до 120 – 130 дБ может возникнуть как сопутствующий фактор при эксплуатации технологического и вентиляционного оборудования. Ультразвук вызывает механический, термический и физико-химический эффекты. Эти свойства используются для структурного анализа, контроля физико-химических свойств материалов, в дефектоскопии, а в медицине – для диагностических и лечебных целей.

Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм. Степень влияния обусловлена интенсивностью и длительностью воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотных шумов. Длительное воздействие ультразвука вызывает нарушения деятельности нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов, половых органов, кожи. У работников может развиться профессиональное заболевание – ангионевроз.

Допустимые уровни звукового давления ультразвука на рабочих местах приведены в ДНАОП 0.003-3.08-80 «Санитарные нормы и правила при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый контактным путём на руки работающих №2282-80», ДНАОП 0.03-3.04-77 «Санитарные нормы и правила при работе на промышленных ультразвуковых приборах №1733-77» и ГОСТ 12.1.001-89 «Ультразвук. Общие требования безопасности».

Профилактика неблагоприятного воздействия ультразвука. Не допускается непосредственный контакт работающих с рабочей поверхностью оборудования при его обслуживании. Необходимо использовать дистанционное управление оборудованием, приспособления для удержания источника ультразвука, защитные стальные кожухи, средства индивидуальной защиты (перчатки, противошумы). К работе с ультразвуковым оборудованием допускаются лица старше 18 лет. При приёме на работу и ежегодно необходимо проводить медицинские осмотры.

Инфразвук – это акустические колебания с частотой менее 20 Гц. Инфразвук распространяется на большие расстояния без существенной потери энергии, легко обходит преграды, способен вызывать вибрацию крупных объектов вследствие явления резонанса. Источниками инфразвука являются как природные явления (ветер, грозовые разряды, морские волны и др.), так и источники техногенного происхождения (транспорт, портовые краны, мартеновские и конвертерные печи, электродуговые сталеплавильные печи, компрессоры и др. машины и механизмы, совершающие низкочастотные колебания, а также турбулентные потоки газов и жидкостей). Инфразвук в диапазоне 110 – 150 дБ и более вызывает нарушения в сердечно-сосудистой, нервной, дыхательной системах, слуховом и вестибулярном анализаторах, приводит к развитию утомления и снижению работоспособности.

Нормируется инфразвук в соответствии с ДНАОП 0.03-3.07-80 «Гигиенические нормы инфразвука на рабочих местах №2274-80».

Профилактика неблагоприятного воздействия инфразвука проводится в следующих направлениях:

устранение причин возникновения и ослабления инфразвука в пределах источника; архитектурно-планировочные решения, позволяющие рационально расположить оборудование; изоляция и поглощение инфразвука; проведение предварительных и периодических медицинских осмотров.