5.7. Влияние вибраций на человека и на окружающую среду

где ц — фазовый сдвиг (начальная фаза).

Период колебаний точки определяется из уравнения

Рассматривая колебание точки относительно положения равновесия (покоя), можно выделить несколько видов колебательных процессов, каждый из которых имеет свою математическую интерпретацию. Так, проекция точки, равномерно движущаяся вдоль окружности, на одну из осей имеет синусоидальный закон (гармонический) движения:

Частота колебаний, т.е. число колебаний в единицу времени, — величина, обратно пропорциональная периоду колебаний:

Если материальная точка одновременно участвует в нескольких гармонических колебаниях, то суммарный колебательный процесс является полигармоническим. В таких случаях каждую составляющую колебательного процесса называют гармонической, а совокупность частот этих гармоник — спектром частот. Спектры могут быть как непрерывными (сплошными или полосовыми) при бесконечном числе гармоник, так и дискретными.

В тех случаях, когда происходит суммирование двух гармонических колебаний, имеющих близкие по значению периоды, возникают биения. Например, если амплитуды и начальные фазы колебаний одинаковые, а частоты ω₁ и ω₂ близки по значению, то

Анализ уравнения (5.35) показывает, что колебания происходят по синусоидальному закону с частотой (щ_й + щ₂)/2. Период этих изменений

Все виды колебаний по способу их возбуждения делятся на свободные, вынужденные и связанные.

К свободным колебаниям относятся колебания, вызванные начальными условиями (начальным возбуждением) системы и протекающие без дальнейшего внешнего воздействия (возбуждения).

Вынужденные колебания происходят под действием внешних сил (преимущественно периодических).

Как правило, машины и механизмы являются сложными колебательными системами. Силы, вызывающие колебания, по своей природе подразделяются на силы механического, аэродинамического, гидродинамического и магнитного (электромагнитного) происхождения.

Оценку вибрационных процессов, происходящих в окружающей среде, проводят с помощью таких характеристик, как вибросмещение, виброскорость и виброускорение.

Вибрационное смещение (вибросмещение) S, мкм, — это мгновенное значение отклонения колеблющегося элемента относительно положения равновесия. По амплитуде вибросмещения можно судить о зазорах между вибрирующими деталями и узлами, их податливости и остаточной неуравновешенности. Амплитуда смещения является фактором, от которого зависит шум, издаваемый изделием.

Вибрационная скорость (виброскорость) V = dS/dt, м/с, является определяющей характеристикой шума. Уровень виброскорости L_V, дБ, определяется выражением

где V₀ = 5* 10^-5 м/с — опорное (условно нулевое) значение скорости.

В случае гармонических колебаний с частотой и амплитудой вибросмещения S амплитуда виброскорости

Силы, действующие на конструкционные материалы и вызывающие усталость материалов, характеризуются виброускорением. Амплитуда виброускорения а, м/с², находится по формуле

Уровень виброускорения L_a, дБ, определяется выражением

гдеа₀ = 3*10^-4м/с² — условно нулевое значение виброускорения.

Так как в общем случае вибрации представляют собой сложный негармонический процесс, то анализ вибраций целесообразно проводить с помощью спектра. Спектральный анализ позволяет выделить частоты и амплитуды отдельных составляющих вибрации.

Вибрации, так же как и звук, инфра- и ультразвук, ударные волны, являются постоянно действующими физическими факторами, сопровождающими эволюцию жизни на земле, в процессе которой в живом организме возникали и совершенствовались специальные структуры — механорецепторы. Структуры живых организмов, воспринимающие различные виды механической энергии, развивались в двух направлениях: увеличивалось число рецепторных окончаний на единицу площади и повышалась их чувствительность.

У многих видов живых организмов (птиц, насекомых, пресмыкающихся, животных и др.) виброрецепторы относятся к важнейшим системам жизнеобеспечения и жизнедеятельности. Так, хищные рыбы даже при потере зрения обладают способностью точно определять местоположение жертвы по амплитудно-частотным характеристикам колебаний, вызванных движениями жертвы.

Вибрации в окружающей среде создают своеобразное информационное поле. Природа позаботилась о том, чтобы живые организмы были способны пользоваться вибрационными (колебательными) процессами как информацией. Вибрации, действующие на биологические объекты, имеют двойственный характер. В одних случаях они стимулируют жизненные процессы, а в других угнетают их. Особое внимание исследователи уделяют изучению физиологического действия на живые организмы инфразвуковых вибраций, которые вызывают угнетение, беспричинный страх, паническое состояние, неадекватное реагирование на происходящее и др.

Деформация и переменные напряжения, возникающие в тканях организма человека, улавливаются множеством рецепторов. Напряжения трансформируются в энергию биоэлектрических или биоме-ханических процессов.

Рис. 5.28. Частоты собственных колебаний человека

В живых организмах происходят собственные колебательные процессы с низкой частотой. На рис. 5.28 представлена модель строения человека с указанием частот собственных колебаний различных органов. Например, резонансная частота сердца f₀ = 7 Гц. При инфразвуковых колебаниях с частотой 7 Гц амплитуда сердечных сокращений увеличивается настолько, что происходит разрыв артерий. Колебания той же частоты и интенсивности, но противоположные по фазе, затормаживают кровообращение и вызывают остановку сердца. Французский профессор Гавро отмечал, что во время шторма в море генерируются колебания с частотой в среднем около 6 Гц, достигая временами 7 Гц. В результате воздействия таких колебаний на команду судна в считанные секунды наступает гибель всех членов команды. Среди ученых есть сторонники концепции появления так называемых «летучих голландцев». Вполне реально представить, что колебания поверхности моря с низкой частотой вызывают приступы беспричинного ужаса, приводящего к безумным поступкам, например, охваченные ужасом члены команды выбрасываются за борт.

Низкочастотные (инфразвуковые) колебания распространяются на большие расстояния от источника как в воде, так и в земной коре. Они являются причиной беспокойного поведения многих видов животных и пресмыкающихся перед землетрясением. За несколько

часов до его наступления они покидают свои норы и укрытия в поисках безопасных мест. Инфразвуковые колебания даже малой интенсивности, возникающие, например, при работе городского транспорта, вызывают нервную усталость и нарушение функционирования различных органов и систем человека.

Сложность и неоднородность вибрационных процессов обусловлены многообразием источников. Для удобства анализа все источники вибрации принято делить на две группы. К первой группе относятся транспортные средства и промышленные предприятия. Ко второй — инженерно-техническое оборудование и системы, а также предприятия торговли и коммунально-бытового назначения и др. Исследования показывают, что в зданиях, расположенных на расстоянии около 10 м от тоннеля метрополитена мелкого заложения, на резонансных частотах 31,5...63 Гц уровень виброускорения достигает 45 дБ, а на расстоянии 40 м — 26 дБ.

Движение железнодорожного транспорта и трамваев приводит к превышению допустимых, уровней для жилых зданий в октавных полосах частот 16...63 Гц в радиусе 10...20 м на 10...15 дБ для железнодорожных составов и на 3...7 дБ для трамваев. Кроме транспортных средств источниками низкочастотных (инфразвуковых) вибраций являются мощные компрессорные, штамповочные участки, испытательные стенды и другие виды оборудования промышленных предприятий. Так, эксплуатация лифтового оборудования также приводит к превышению допустимого уровня вибрации (виброускорения) на 15...20 дБ.

Физиологические, гигиенические и поликлинические исследования показали, что длительное действие вибрации, превышающей на 2...9 дБ нормативные значения даже малой интенсивности в условиях жилища вызывают функциональные изменения центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, которые проявляются удлинением скрытого времени слуховой и зрительно-моторной реакций, развитием вегетативно-сосудистой дистонии и гипертонической болезни и др.