10

Лекція 5. Шум, ультразвук та інфразвук

1. Що таке “шум”?

2. Назвіть види шуму за його джерелами.

3. Що таке “звуковий тиск”, “інтенсивність”, “частота”, “коливальна швидкість”?

4. Класифікація шумів за характером спектру та часовими характеристиками.

5. Назвіть пороги сприймання звукового тиску.

6. Рівні звуку та рівні тиску.

7. Поясніть, на яких принципах побудована логарифмічна шкала рівней звукового тиску.

8. Назвіть методи нормування шуму.

9. Назвіть гігієнічні рекомендації по рівням шуму на робочих місцях.

10. Що таке “акустичне робоче місце”?

11. Розрахунок шумів на робочих місцях.

12. Захист від шуму. Що таке “акустична обробка приміщення”?

13. Інфразвук та його параметри. Нормування інфразвуку.

14. Ультразвук та його параметри. Нормування ультразвуку.

15. Які методи захисту від інфра- та ультразвуку ви знаєте?

Визначення поняття «шум». Параметри звукового поля: звуковий тиск, інтенсивність, частота. Рівні звукового тиску та рівні звуку. Класифікація шумів за походженням.

Современное бурное развитие техники неразрывно связано с увеличением уровня шума и вибраций во всех сферах человеческой деятельности: на производстве, транспорте, дома, отдыхе. Производительность технологического оборудования имеет зависимость от его мощности, и когда увеличение мощности сочетается с уменьшением веса и габаритов машин – это приводит к увеличению вибраций и шума из-за потери жесткости конструкции.

Подавление шума стало актуальной проблемой, т.к. ее решение может обеспечить здоровые условия труда. Периодически и достаточно часто чередующиеся избыточные, в сравнении с атмосферными, давления создают звуки. Звук имеет частоту колебаний, определяющую субъективное восприятие высоты, амплитуду колебаний, обуславливающую громкость тона и ряд гармонических колебаний сопутствующих основному тону, которые создают тембр или окраску звука. Кроме того, звук (или шум) характеризуется своей продолжительностью во времени.

Шумом принято называть нежелательный для человека звук, мешающий восприятию полезных сигналов. Источником шума в промышлен­ных условиях являются колеблющиеся твердые, жидкие и газообразные тела.

Статический шум – беспорядочное сочетание звуков, различных по силе и частоте в диапазоне от 16 до 20000 Гц.

Тональный шум – шум с ярко выраженной тональной окраской.

В зависимости от среды, в которой распространяется звук, условно различают структурные и воздушные шумы. Структурные шумы возникают при непосредственном контакте колеблющегося тела с частями машин, корпусом и т.д. Колеблющиеся поверхности, приводя в колебание прилегающие к ним частицы воздуха, образуют звуковые волны. Если источник не связан с какими-либо конструкциями, то шум, излучаемый им в воздух, носит название воздушного шума. Характер шума зависит от вида источника. Различают:

1. механический шум, возникающий в результате движения отдельных деталей и узлов машин (металлообработка);

2. ударный шум, возникающий в некоторых технологических процессах (клепка, обрубка, штамповка);

3. аэродинамический шум, возникающий при больших скоростях движения газообразных сред (авиадвигатели, компрессоры);

4. взрывной (импульсный), возникающий при работе двигателей внутреннего сгорания и др.

Среда, в которой распространяются звуковые колебания, если она однородна, порождает звуковые волны, которые, интерферируя и подчиняясь закону наложения, образуют звуковое поле.

В твердых средах могут возникать продольные и поперечные волны. Скорость распространения продольной волны определяется формулой:

,

где – модуль Юнга; – коэффициент Пуассона; – плотность среды.

В газах и жидкостях распространяются только продольные волны, которые идут от источника в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Особенность этого рода звуковых волн состоит в том, что частицы среды в них колеблются относительно некоторого положения равновесия. Скорость распространения звуковых волн определяется отношением упругости среды к ее плотности. Для небольших амплитуд звукового давления:

.

С достаточной для практики точностью можно считать, что скорость распространения волн определяется уравнением:

,

где – звуковое давление; – координаты; – время.

Если колебательный процесс адиабатический, то:

,

где – показатель адиабата (для воздуха ); – статическое давление; –- плотность среды до возмущения.

В акустике существует условная скалярная функция , называемая потенциалом скорости:

,

где – колебательная скорость по осям X; Y; Z.

Бегущая волна переносит акустическую энергию в направлении своего движения.

Средний поток звуковой энергии в единицу времени, проходящей через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения звука, называется интенсивностью звука, которая вычисляется как:

,

где – звуковое давление; – среднее значение колебательной скорости во времени.

В этом соотношении есть важная характеристика, называемая волновым сопротивлением среды:

.

Чем больше волновое сопротивление среды, тем меньшее количество звуковой энергии теряется при распространении в ней звуковых волн.

Источник звука в свободном пространстве характеризуется акустической мощностью, частотным спектром излучения и характеристикой направленности.

Акустическая мощность – количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени.

Интенсивность звука, создаваемого точечным источником:

,

где - фактор направленности (для точечного источника ); - акустическая мощность; - расстояние от источника до точки измерения; - телесный угол излучения в стерадианах.

Шум может характеризоваться физическими и физиологическими параметрами. С физической стороны шум характеризуется звуковым давлением, интенсивностью, плотностью звуковой энергии, уровнем звукового давления, частотой и плотностью дискретных составляющих и другими параметрами.

Шум, как физиологическое явление, характеризуется высотой, громкостью, областью возбужденных частот или тембром и продолжительностью действия.

Уровень звукового давления и интенсивности звука.

Слуховой анализатор человека воспринимает звуковые давления на средних звуковых частотах от до Н/м². Поэтому, для удобства вычислений принято оценивать звуковое давление, или соответственно интенсивность звука в относительных единицах – белах, децибелах. Измеренные таким образом величины называются уровнями.

Так, уровень звукового давления:

, дБ,

где – измеренное звуковое давление в Н/м²; – условный порог давления, равный Н/м².

Уровень интенсивности (силы) звука:

, дБ,

где – интенсивность звука в Вт/м² ; – интенсивность звука, принимаемая за нулевой уровень, равный 10^-12 Вт/м² .

В плоской звуковой волне свободного звукового поля звуковое давление и интенсивность численно совпадают. Свободное звуковое поле – пространство, в котором звуковые волны свободно распространяются, не встречая отражающих поверхностей.

Уровень акустической мощности источника определяется аналогично уровню интенсивности

, дБ,

где W₀ – условный порог акустической мощности, равный 10^-12 Вт.

Уровень акустической мощности характеризует излучаемую источником акустическую мощность, приведенную к уровню в децибелах.

Уровень громкости. Звуки одной и той же интенсивности, но различной частоты, ухом человека оцениваются как различные. И наоборот, звуки различной интенсивности и частоты могут восприниматься органом слуха при разном уровне их силы как одинаково громкие.

Субъективное ощущение силы звука оценивается уровнем его громкости. Условный нулевой порог соответствует громкости звука частотой 1000 Гц при звуковом давлении Н/м² . За единицу уровня громкости, называемую фоном, принимается разность уровней интенсивности в один дБ эталонного звука частотой 1000 Гц. Следовательно, уровень громкости является функцией интенсивности звука и частоты.

Шум может быть представлен в виде суммы гармонических колебаний. Разложение шума на гармонические составляющие (на отдельные тона) называется спектральным анализом. В зависимости от характера шума его спектр может быть дискретным, непрерывным или смешанным. Звуковой диапазон частот делится на три области: низкочастотную (16 – 400 Гц), среднечастотную (400 – 1000 Гц) и высокочастотную (1000 – 20000 Гц).

Воздействие шума на организм человека.

Человек воспринимает звуки и шумы ухом, которое служит для него анализатором частот, указателем направленности звука, индикатором громкости, высоты и тембра звука. Оно способно воспринимать звуки частотного диапазона от 16 до 20000 Гц, а также динамический диапазон звуков, ограниченный порогом слуховой чувствительности и порогом болевого ощущения. Ухо обладает наибольшей чувствительностью в области частот от 800 до 4000 Гц. Острота слуха не постоянна. В тишине она возрастает, под влиянием шума снижается (адаптация слуха). Все воспринимаемые звуки ухом человека могут быть оценены уровнем от 0 до 130 дБ над порогом слышимости или под порогом звукового восприятия. Восприятие равного по силе сигнала изменяется с частотой. Для эталонного сравнения громкости исследуемого сигнала была выбрана частота 1000 Гц. Способность уха не слышать более тихие звуки на фоне более громких называется эффектом маскировки (низкие звуки хорошо маскируют более высокие).

На производстве приходится сталкиваться с маскирующим действием шумов, приводящим к нарушению слышимости. Степень заглушения достигает иногда такой величины, что трудно разбирать речь и звуковые сигналы. Сохранение разборчивости речи имеет большое значение в условиях шумного производства как для общения между работающими при выполнении или технологического процесса, так и для обеспечения безопасности работ. Неразборчивость речи оказывает отрицательное влияние на психику человека.

Снижение слуховой чувствительности у работающих в шумных производствах зависит от интенсивности и частоты звука. Так минимальная интенсивность, при которой начинает проявляться утомляющее шума на орган слуха, зависит от частоты входящих в него звуков. Для звуков частотой 2000 – 4000 Гц утомляющее действие начинается с 80 дБ, для звуков частотой 5000 – 6000 Гц действие начинается с 60 дБ.

Появление утомления органа слуха следует рассматривать как ранний сигнал угрозы развития тугоухости и глухоты. Синдромы заболевания слухового рецептора является головные боли и шум в ушах, иногда потеря равновесия и тошнота. Исследованиями установлено, что импульсные шумы вызывают большие изменения в органах слуха и центральной нервной системе, чем стационарные. Шум на производстве является причиной быстрого утомления работающих, а это приводит к снижению концентрации внимания и увеличению брака. Интенсивный шум вызывает изменения сердечно-сосудистой системы, сопровождаемые нарушением тонуса и ритма сердечных сокращений. Артериальное кровяное давление в большинстве случаев изменяется, что способствует общей слабости организма. Шум приводит к нарушению нормальной функции желудка – сокращается выделение желудочного сока, уменьшается кислотность. Поэтому работающие в шумных цехах часто болеют гастритом. Под влиянием шума наблюдаются также изменения функционального состояния центральной нервной системы.

Область слышимых звуков ограничивается не только определенными частотами (20 – 20000 Гц) , но и определенными предельными значениями звуковых давлений и их уровней. На рисунке эти предельные значения уровней звукового давления изображены двумя кривыми. Нижняя кривая соответствует порогу (началу) слышимости. Логарифмическая шкала уровней звукового давления построена таким образом, что пороговое значение звукового давления р₀ соответствует порогу слышимости (L = 0 дБ) только по частоте 100 Гц, принятой в качестве стандартной частоты сравнения в акустике.

1 40

120

100

80

60

40

20

0

-20

100 1000 10000

Рис. 5. Слуховое восприятие человека

Порог слышимости различен для звуков разной частоты. Если в диапазоне частот 800 – 4000 Гц величина порога слышимости минимальна, то по мере удаления от этой области вверх и вниз по частотной шкале его величина растет; особенно заметно увеличение порога слышимости на низких частотах. По этой причине высокочастотные звуки более неприятны для человека, чем низкочастотные (при одинаковых уровнях звукового давления).

Верхняя кривая рис. 5 соответствует порогу болевого ощущения (L = 120 – 130 дБ). Звуки, превышающие по своему уровню этот порог, могут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате. Область на частотной шкале, лежащая между этими кривыми, называется областью слухового восприятия.

Аудиометрией называется испытание слуха, которое позволяет установить отклонение слуха человека от нормы. Их проводят в соответствии с ГОСТ12.4.062-78 ССБТ «Методы определения потерь слуха» для определения пригодности человека к конкретной профессии и оценки результатов шумового воздействия. Состояние слуха определяется с помощью аудиометра. По показателям приборов отмечается наименьшая интенсивность, при которой подводимый ток едва различается ухом. Результаты таких измерений отображаются на графике (аудиограмме), количественно определяющем потерю чувствительности слуха данного человека по отношению к нормальной чувствительности.

Нормування шумів за граничними спектрами та за рівнями шуму залежно від характеру робіт та характеру шуму.

В зависимости от спектрального состава, временных характеристик и продолжительности действия производственные шумы бывают:

1. по спектральному составу:

• низкочастотные (максимальные значения амплитуд звукового давления в спектре шума расположены на частотах ниже 300 Гц);

• среднечастотные (максимальные значения амплитуд звукового давления в спектре шума расположены на частотах от 300 до 800 Гц);

• высокочастотные (максимальные значения амплитуд звукового давления в спектре шума расположены на частотах выше 800 Гц);

2. по характеру спектра:

• на тональные (в шуме прослушиваются отдельные тона);

• широкополосные;

3. по временным характеристикам:

• на стабильные (уровень звукового давления постоянный или изменяется не более чем на 3 дБ за исследуемый период времени);

• импульсные (или ударные);

• взрывные и прерывистые (шумы, действие которых повторяется через некоторые промежутки времени периодически или апериодически);

4. по продолжительности действия:

• продолжительные (суммарная длительность непрерывно или с паузами не менее 4 ч. в смену);

• кратковременные (длительность менее 4 ч. в смену).