Акустические колебания

К акустическим колебаниям относят шум, инфразвук и воздушный ультразвук. С физиологической точки зрения шум – это всякий неблагоприятно воспринимаемый, мешающий человеку звук. Звук – это колебания частиц, которые могут распространяться в виде волн в газовой, жидкой и твердой среде.

Звук классифицируют по частному диапазону колебаний. Если обозначить частоту колебаний частиц среды около своих положений равновесия, как f, то можно выделить следующие диапазоны звука:

Инфразвук (0 < f < 20 Гц). Инфразвуковые колебания не слышны человеку, но способны оказывать воздействие на организм;

Слышимый звук (20 f 20 000 Гц). Воспринимается ухом человека.

Ультразвук (20 000 < f 1 000 000 Гц). Ультразвуковые волны данного диапазона могут распространяться в воздухе, поэтому они получили название воздушного ультразвука. Воздушный ультразвук не доступен уху человека, но поглощение энергии ультразвуковых волн организмом оказывает физиологическое воздействие;

Гиперзвук (10⁶ < f < 10¹² Гц). Звуковые волны этого диапазоны способны распространяться только в жидких и твердых средах. В газовой среде существование волн такой частоты невозможно. Так как длина волны меньше длины свободного пробега атомов и молекул газа, то упорядоченные акустические колебания «смазываются» хаотичным тепловым движением атомов и молекул, поэтому не наблюдается распространение колебаний в виде волны. Гиперзвуковой диапазон составляет исключительно контактный ультразвук, распространяющиеся в жидкостях и твердых телах. Контактный ультразвук относят к вибрациям.

Таким образом, шумом являются только акустические колебания в слышимом диапазоне, воспринимаемые ухом человека.

Пространство, в котором распространяется звук, называется звуковым полем. Звуковое поле определяется рядом характеристик.

Звуковая мощность – это количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени в окружающую среду W, (Вт). Уровень звуковой мощности (УЗМ) определяется как:

L_W = 10 lg(W/W_o),

где: W – звуковая мощность, Вт;

W_o – пороговая звуковая мощность,

W_o = 10^-12Вт для частоты 1000 Гц.

УЗМ является основной характеристикой источника шума. независящей от условий излучения звука в окружающую среду.

Фактор направленности характеризует неравномерность излучения звуковой энергии источником:

где: W – звуковая мощность рассматриваемого источника в расчетной точке окружающего пространства; W_ср – звуковая мощность, которую создавал бы в той же точке пространства некий гипотетический источник, равномерно излучающий звуковые волны в окружающую среду.

Интенсивность звука (I, Вт/м²) – это средний поток звуковой энергии, приходящийся на единицу поверхности излучения.

Звуковое давление (Р, Па) – это разность мгновенных полного и среднего (атмосферного) давления в расчетной точке звукового поля.

Уровень звукового давления (УЗД) L (дБ) в октавных полосах:

L = 20 lg (Р/Р _о), (1)

где: Р – среднее квадратическое значение звукового давления, Па;

Р_о – пороговое значение звукового давления Р = 2 ×10^-5 Па для частоты 1000 Гц. УЗД зависит от условий распространения звуковых волн в окружающей среде.

Связь перечисленных характеристик определяется зависимостью

I = Р²/(r × с),

где: (r × с) – акустический импеданс (сопротивление) среды распространения звука, представляющий собой произведение плотность среды и скорости звука.

При записи УЗД, представленной в (1), уровень звукового давления совпадает с точностью до константы с уровнем интенсивности звука.

Для частотного анализа шума, используетсяего спектры. Спектр шума – это зависимость уровня звукового давления от частоты. Спектр разбивается на октавные полосы, так что отношение верхней граничной частоты полосы к нижней граничной частоте равно 2, т.е.

fв ₁ / fн _l = fв ₂ / fн₂= …fв _i / fн _i ... = fв _n / fн _n = 2,

причем: fн _i = fв _{i – 1.}

Характеристикой октавной полосы является среднегеометрическая частота:

Слышимый диапазон звука охватывают 10 октавных полос со среднегеометрическими частотами 31,5 Гц; 63 Гц; 125 Гц; 250 Гц; 500 Гц; 1000 Гц; 2000 Гц; 4000 Гц; 8000 Гц и 16000 Гц.

Спектры шума разделяют по характеру на широкополосные с непрерывным спектром и тональные с дискретными тонами, по временным характеристикам на постоянный и непостоянный (колеблющийся, прерывистый, импульсный) (рис. 1.7).

Рис. 7. Спектры шума: а) широкополосный с непрерывным спектром; б) тональный с дискретными тонами; в) постоянный спектр; г) непостоянный спектр

Область слышимых звуков (рис.8) ограничена двумя кривыми (порогами): нижний порог слышимости (соответствующий на частоте 1000 Гц Р₀= 2 × 10^-5 Па и I₀= 10^-12Вт/м²) и болевой порог (соответствующий на частоте 1000 Гц, Р = 200 Па и I = 102 Вт/м²). Уровень звукового давления 140 дБ – это порог переносимости интенсивных звуков. Звук с УЗД выше болевого порога становится опасным фактором, он может вызвать разрыв барабанной перепонки уха человека.

Рис. 8. Область звуков, воспринимаемых ухом человека.

Характеристикой постоянного шума является уровень звукового давления (УЗД) в октавных полосах. Для непостоянного шума характеристикой является эквивалентный уровень звука в дБА, измеренный по специальной шкале шумомера. Эквивалентный уровень звука может быть рассчитан по имеющемуся октавному спектру по формуле:

где: L_i - уровень звукового давления в i – ой октавной полосе; LA_i – корректирующая поправка, учитывающая неравномерность спектральной чувствительности уха человека.

Как показывает рис.8, человек неодинаково воспринимает звук различных частот. В табл.9 приведены значения средние корректирующей поправки для области восприятия звуковых волн.

Таблица 9

Значение корректирующей поправки шкалы «А» в октавных полосах частот

fср, Гц	31,5					1к	2к	4к	8к	16к
LA_i, дБ	- 39,4	- 26,2	- 16,1	- 8,6	- 3,2		+ 1,2	+ 1,0	- 1,1	- 6,6

В зависимости от физической природы возникновения различают шум: механический - от превращения механической энергии в звуковую, аэродинамический, когда в звуковую энергию превращается энергия струи или вихрей газа или жидкости, и электродинамический – от превращения энергии электрического тока в звуковую.

Звуковые колебания различных диапазонов и спектрального состава могут возникать в результате работы машин, агрегатов, вентиляторов, компрессоров, газотурбинных установок, нагревательных печей, трансформаторов и др. Автотранспортные средства: автобусы, грузовые и легковые машины, средства железнодорожного, воздушного и водного транспорта также являются источниками акустических колебаний. Воздействие шума на организм человека вызывает изменения в органе слуха, нервной и сердечно-сосудистой системе. Изменения, возникающие в органе слуха, ряд исследователей объясняют травмирующим действием шума на периферический отдел слухового анализатора. Длительное воздействие шума вызывает стойкое нарушение в системе кровообращения внутреннего уха, что приводит к нарушению питания нервных волокон. При этом степень выраженности этих изменений зависит от параметров шума (интенсивность и его спектральный состав), стажа работы в условиях воздействия шума, длительности воздействия шума в течении рабочего дня и индивидуальной чувствительности организма. Следует отметить, что трудовые процессы, связанные с воздействием шума не редко требуют вынужденного положения тела, напряжения определенных групп мышц, повышенного внимания, нервно - эмоционального напряжения, а также могут сочетаться с воздействием вибрации, пыли, токсических веществ, неблагоприятных метеорологических условий и других факторов.

Симптомы снижение слуха, которое бывает обычно двусторонним: звон в ушах, головная боль, быстрая утомляемость, нарушения сна, боли в сердце. Различают 4 степени потери слуха:

-I степень - потеря слуха до 10%

- II степень - потеря слуха до 20%

- III степень - потеря слуха до 30%

- IV степень - потеря слуха до 50%

Больные с потерей слуха требуют рационального трудоустройства, переквалификации или переводятся на инвалидность. Прием на работу с поражением органов слуха и гипертонической болезнью исключен.

Механизм комплексного действия шума на организм сложен и недостаточно изучен. Наряду с органом слуха восприятие звуковых колебаний часто может осуществляться и через кожный покров рецепторами вибрационной чувствительности. Это подтверждается наблюдениями о том, что люди, лишенные слуха, при прикосновении к источникам, генерирующим звуки, не только ощущают последнее, но и могут оценивать звуковые сигналы определенного характера.

Так же установлено, что человеческий организм обладает высокой чувствительностью к низкочастотным звуковым колебаниям. Научными исследованиями доказано, что низкочастотная акустическая энергия действует не только через слуховой анализатор, но и через рецепторы кожи. В ответ на раздражение в рецепторах возникают нервные импульсы, поступающие в соответствующие центры коры головного мозга. В настоящее время доказано, что инфразвук, действуя на организм человека, приводит к нарушению функционального состояния ЦНС, сердечно-сосудистой, дыхательной систем и изменению слухового и вестибулярного анализаторов.

Клиническая картина вредного воздействия инфразвука: головокружение, тошнота, затрудненное дыхание, боли в животе, чувство подавленности, страха. В дальнейшем может развиться заторможенность, вялость, апатия, плохое настроение, утомляемость, раздражительность.

Нормы шума для производственной среды определены ГОСТ 12.1.003-83. Нормируются допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот в зависимости от вида производственной деятельности. Набор предельно допустимых уровней (ПДУ) шума в девяти октавных полосах частот называется предельным спектром. Нормируется также эквивалентный уровень звука в дБА. В табл. 10 приведены наиболее часто применяемые предельные спектры шума.

ПС-45 используется для нормирования шума, если на рабочие места находятся в помещениях дирекции, проектно-конструкторских бюро, комнатах расчетчиков и программистов, в медицинских и образовательных учреждениях или на рабочем месте выполняется творческая, руководящая работа, научная деятельность, конструирование и проектирование, программирование, преподавание, обучение, врачебная деятельность.

ПС-55 используется если рабочее место находится в помещениях управленческого аппарата, в конторских помещениях и измерительно-аналитических лабораториях или на рабочем месте производится административно-управленческая деятельность, измерительные и аналитические работы.

ПС-75 применяется для рабочих мест, расположенных в производственных помещениях и на территории предприятий или на которых выполняется работа на шумном производственном оборудовании.

Таблица 10

ПДУ шума на рабочих местах (извлечение из ГОСТ 12.1.003-83)

f ср, Гц	31,5	1к	2к	4к	8к	, дБА
ПС-45, дБ
ПС-55, дБ
ПС-75, дБ

К предельным спектрам вводятся поправки. Так, для тонального и импульсного шума, из ПДУ для каждой октавной полосы вычитается 5 дБ. Если шум создается системами вентиляции, кондиционирования воздуха или другим инженерным оборудование помещений, то нормы шума также ужесточаются на 5 дБ.

Нормирование шума в городской и жилой среде производится в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96. Этот документ содержит предельные спектры, некоторые из которых представлены в табл. 11.

ПС-25 применяется для нормирования шума в жилых комнатах квартир в ночное время (с23.00 до 7.00).

ПС-35 применяют при нормировании шума в жилых комнатах квартир в дневное время (с7.00 до 23.00).

ПС-40 применяют для нормирования шума на территории городской застройки, в непосредственной близи от жилых зданий, поликлиник, пансионатов, домов отдыха, библиотек в ночное время (с23.00 до 7.00).

ПС-50 применяют для нормирования шума на территории городской застройки, в непосредственной близи от жилых зданий, поликлиник, пансионатов, домов отдыха, библиотек в дневное время (с7.00 до 23.00).

Таблица 11

ПДУ шума на территории городской застройки и в жилых помещениях (извлечение из СН 2.2.4/2.1.8.562-96)

f ср, Гц	31,5	1к	2к	4к	8к	, дБА
ПС-25, дБ
ПС-35, дБ
ПС-40, дБ
ПС-50, дБ

Гигиенические нормативы воздушного ультразвука на рабочих местах определены ГОСТ12.1.001-89. Нормируется УЗД в третьоктавных полосах частот (каждая октавная полоса разбивается еще на три части). УЗД воздушного ультразвука на рабочих местах не должен превышать:

80 дБ в третьоктавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 12500 и 16000 Гц,

100 дБ в третьоктавной полосе 20000 Гц,

105 дБ в в третьоктавной полосе 25000 Гц,

110 дБ в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами от 31500 до 100 000 Гц.

Нормативы воздушного ультразвука для жилой и городской среды в настоящее время не разработаны ввиду слабой выраженности этого фактора.

Нормирование инфразвука производится по санитарным нормам СН2.2.4/2.1.8.583-96. Нормируется УЗД в октавных полосах частот и общий уровень звука (табл.12).

В отличие от ультразвука, инфразвук составляет значительную часть общего шумового фона городской и жилой среды. Источниками инфразвука являются транспортные средства большой грузоподьемности, инженерное оборудование и конструкции зданий. Поэтому санитарные нормы содержат ПДУ инфразвука как для рабочих мест, так и для жилых помещений и городской застройки.

Таблица 12

ПДУ инфразвука (извлечение из СН 2.2.4/2.1.8.583-96)

f ср, Гц	УЗД инфразвука, дБ	, дБ

Работа, требующая сосредоточения
Прочие виды работ
Территория жилой застройки
Помещения жилых и общественных зданий