1. Общие положения

1.1. Физические и физиологические характеристики шума и вибрации

В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания среды - газа, жидкости и твердого тела, распространяющиеся волнообразно в воздухе. Упругие колебания в частотном диапазоне, воспринимаемом органом слуха человека, распространяющиеся в виде волн в газооб­разных средах или образующие в ограниченных областях этих сред стоячие волны, представляют собой шум. Звуки, распространяющиеся в воздухе, вызывают воздушный шум. При колебаниях, распростра­няющихся в твердых телах, возникает структурный шум. В твердых телах, имеющих конечные размеры, колебательный процесс проявля­ется в форме вибрации.

Процесс возникновения воздушного звука механического проис­хождения упрощенно можно представить с помощью колебания меха­нического стержня. Если не зажатый конец стержня отклонить от по­ложения равновесия и отпустить, он начнет совершать колебательные движения. Эти колебания вызовут смещение прилегающих к стержню частиц воздуха. Воздух является упругой средой, поэтому смещенные частицы под влиянием упругости будут снова возвращаться в свое ис­ходное состояние, образуя при этом зоны уплотнения и разрежения с различной величиной давления. Такие уплотнения и разрежения по­следовательно от частицы к частице распространяются в воздушной среде с определенной скоростью от источника возбуждения в виде звуковых волн. Скорость распространения звука в воздухе при темпе­ратуре 20°С и нормальном атмосферном давлении равна 344 м/с.

Достигнув барабанной перепонки уха, звуковая волна вызывает ее колебания. Далее эти колебания воспринимаются слуховыми органа­ми, передаются в слуховые центры головного мозга и создают ощу­щение звука.

Характер шума зависит от вида источника. Шум можно под­разделить:

а) на механический, возникающий в результате движения от­дельных деталей и узлов машины (особенно значительный при неис­правности механизмов или механизмов с неуравновешенными масса­ми и т. д.), например, работающие металлообрабатывающие станки;

б) ударный, возникающий при некоторых технологических про­цессах: ковке, штамповке, клепке;

в) аэро(гидро)динамический, возникающий при больших скоро­стях движения газов, паров, жидкости, например шум газовых струй реактивных двигателей, шум, возникающий при всасывании воздуха компрессорными установками, и др.

Основные физические характеристики звука: частота f (Гц), звуковое давление Р (Па), интенсивность или сила звука I (Вт/м ), звуковая мощность ю (Вт). Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звук. Частота колебаний - это число пол­ных колебаний за одну секунду. Частота колебаний, вызывающих слуховое ощущение звука, находится в пределах от 16 до 20 000 Гц. Ухо человека наиболее чувствительно к звукам частотой от 1000 до 3000 Гц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. С возрастом слух ухудшается. Колебания с частотой ниже 16 Гц назы­ваются инфразвуком, а свыше 20 000 Гц - ультразвуком. Инфразвук и ультразвук не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биоло­гическое действие на организм человека.

Звуковым давлением Р называется переменная составляющая дав­ления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний.

Распространение звуковой волны сопровождается и переносом энергии. Интенсивностью звука I называется количество звуковой энергии, проходящее в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярную к направлению распространения звуковой волны.

Минимальная интенсивность звука, которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости. В качестве стандартной час­тоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог

-12 2

слышимости 1₀ = 10 Вт/м , а соответствующее ему звуковое давле­ние Р₀ = 2 • 10^-5 Па. Максимальная интенсивность звука, при которой

орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется по-

22

рогом болевого ощущения, равным 10² Вт/м², а соответствующее ему звуковое давление Р = 2 • 10 Па. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости.

Ухо человека реагирует не на абсолютное, а на относительное из­менение интенсивности звука. При этом ощущения человека пропор­циональны логарифму количества энергии шума.

Поэтому на практике для характеристики шума принято оце­нивать звуковое давление и интенсивность звука не в абсолютных, а в относительных единицах - белах (Б). Измеренные таким обра­зом величины называются уровнями. Так как орган слуха человека способен различать изменения уровня интенсивности звука на 0,1 Б, то для практического использования применяется единица в 10 раз меньше - децибел (дБ).

Уровень звукового давления - выраженное в логарифмических единицах отношение среднего квадратического значения звукового давления в определенной полосе частот к стандартизованному исход­ному значению звукового давления (порогу слышимости):

P

L = 20 • lg—, (8.1)

^P0

где L - уровень звукового давления, дБ; Р - среднее квадратическое значение звукового давления в определенной полосе частот, Па; Р₀ = 2 • 10^-5 - исходное значение звукового давления в воздухе, Па. Уровень интенсивности звука определяется по формуле

L = 10 • lg , (8.2)

¹0

2 -12

где 1 - интенсивность звука, Вт/м ; 1₀ = 10 - интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, Вт/м .

Таким образом, все воспринимаемые человеческим ухом звуки можно оценить уровнями от 0 до 140 дБ. На практике обычно произ­водят вычисления уровней до целых чисел, так как изменения уровня звукового давления менее чем на 1 дБ слухом не воспринимаются.

Уровни звукового давления некоторых источников шума приве­дены в табл. 8.1

.

Таблица 8.1 Источники звуков и слуховые пороги	Уровень звукового давления, дБ
Порог слышимости	0
Шелест листвы	10-20
Шепот на расстоянии 1 м	30-40
Тихая речь	50-60
Шум при работе токарного станка	70-80
Шум при работе пневматического инструмента	110-120
Шум реактивного двигателя на расстоянии 1 м от сопла	Более 140
Порог болевого ощущения	140

При уровне шума выше 80 дБ становится трудно разговаривать, уровень шума 120 дБ вызывает ощущение давления в ушах, при 130­140 дБ шум создает болевое ощущение, при 160 дБ и выше происхо­дит механическое повреждение органов слуха и внутренних органов, при уровнях порядка 180 дБ начинают разрушаться металлические со­единения (заклепочные и сварочные швы).

Суммарный уровень звукового давления L, дБ, создаваемый не­сколькими источниками звука с одинаковым уровнем звукового дав­ления L, рассчитывается по формуле

L = L +10 • lgn, (8.3)

где n - число источников шума с одинаковым уровнем звукового давления.

Так, например, если шум создают два одинаковых источника шу­ма, то их суммарный шум на 3 дБ больше, чем каждого из них в от­дельности.

Суммарный уровень звукового давления нескольких различных источников звука определяется по формуле

L = 10 • lg (10^0ДА + 10⁰,^1L2 +... + 10^0,1Ln), (8.4)

где L1, L2, ... , Ln - уровни звукового давления, создаваемые каждым из источников звука в исследуемой точке пространства.

Характеристики источников шума

Так как чувствительность слухового аппарата человека различна для различных частот, то для того, чтобы приблизить результаты объ­ективных измерений к субъективному восприятию человеком, введе­но понятие корректированного уровня звукового давления. Для кор­рекции используются зависящие от частот звука поправки к уровню

звукового давления. Эти поправки стандартизированы; наиболее употребительна коррекция «А».

Уровень звука - выраженное в логарифмических единицах от­ношение среднего квадратического значения звукового давления, скорректированного по стандартизованной частотной характеристи­ке «А», к стандартизованному исходному значению звукового давле­ния; измеряется в децибелах по частотной характеристике «А» (дБА) и определяется по формуле

_P

L = 20 • lg —, (8.5)

^P0

где L - уровень звука, дБА; Р_А - среднее квадратическое значение звукового давления с учетом коррекции «А», Па; Р₀ = 2 • 10^-5 - исход­ное значение звукового давления в воздухе, Па.

При исследовании шумов весь диапазон частот разбивают на по­лосы частот. За ширину полосы принята октава, т. е. интервал частот, в котором высшая частота f₂ в два раза больше низшей f1. В практике

f f используют октавные (— = 2) и третьоктавные (— = V2) полосы час-

^f1 ^f1 тот. В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота f = ^J f • f₂ . Например, октавную по­лосу 22,4-45 Гц выражает среднегеометрическая частота 31,5 Гц; 45­90 Гц - 63 Гц и т. д. В результате сформирован стандартный ряд из девяти октавных полос со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Сложный шум может быть разложен на простые составляющие тона с указанием интенсивности и частоты каждого из них. Графиче­ское изображение состава шума называется спектром и является его важнейшей характеристикой. Спектр шума показывает распределение колебательной энергии по звуковому диапазону частот.

Шумы классифицируются в соответствии с СанПиН «Шум на ра­бочих местах, в транспортных средствах, в помещениях жилых, обще­ственных зданий и на территории жилой застройки».

По характеру спектра шум следует подразделять на широкопо­лосный и тональный.

Широкополосный шум - шум с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

Тональный шум - шум, в спектре которого имеются выраженные дискретные (тональные) составляющие.

Тональный характер шума для практических целей устанавлива­ется измерением в третьоктавных полосах частот по превышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шума выделяют постоянный и непостоянный шум.

Постоянный шум - шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день (рабочую смену) или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки из­меняется не более чем на 5 дБА при измерениях на стандартизованной временной характеристике измерительного прибора «медленно».

Непостоянный шум - шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день (рабочую смену) или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки из­меняется более чем на 5 дБА при измерениях на стандартизованной временной характеристике измерительного прибора «медленно».

Непостоянный шум подразделяют на колеблющийся, прерыви­стый и импульсный.

Колеблющийся шум - шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени.

Прерывистый шум - шум, уровень звука которого изменяется во времени ступенчато (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, со­ставляет 1 с и более.

Импульсный шум - шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука, измеряемые на стандартизованных временных характеристиках шумомера «импульс» и «медленно», отличаются на 7 дБА и более.

Объективный уровень звукового давления (или интенсивности звука) не дает представления о его физиологическом восприятии. Ухо человека неодинаково чувствует различные частоты, поэтому звуки одной и той же интенсивности, но различной частоты субъективно оцениваются как неодинаково громкие. И, наоборот, звуки, различной интенсивности и частоты могут восприниматься органом слуха при разном уровне их интенсивности как одинаково громкие. Например, звук частотой 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку частотой 1000 Гц и силой 20 дБ. Субъективное ощущение ин­тенсивности звука оценивается уровнем его громкости.

За единицу уровня громкости - фон - принимается разность уровней интенсивности в 1 дБ эталонного звука частотой 1000 Гц. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звуко­вого давления.

Соотношения между уровнем звукового давления в децибелах и уровнем громкости в фонах хорошо иллюстрируются кривыми равной громкости, представленными на рис. 8.1. Каждая кривая представляет собой геометрическое место точек, координаты которых - частота и интенсивность звука - обеспечивают одинаковую слышимость.

U дБ

Вибрация - механические колебания и волны в твердых телах, воспринимаемые организмом человека как сотрясения. Часто вибра­ции сопровождаются слышимым шумом.

Принято считать, что диапазон колебаний, воспринимаемый че­ловеком как вибрации при непосредственном контакте с колеблющей­ся поверхностью, лежит в пределах 12-8000 Гц. Колебания с частотой до 12 Гц воспринимаются всем телом как отдельные толчки.

По способу передачи на человека вибрация подразделяется на об­щую и локальную.

Общая вибрация - вибрация, передающаяся через опорные по­верхности на тело стоящего или сидящего человека.

Локальная вибрация - вибрация, передающаяся через руки чело­века, воздействующая на ноги сидящего человека или предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями.

Основные параметры, характеризующие вибрацию: частота f (Гц); амплитуда смещения А (м) (величина наибольшего отклонения

колеблющейся точки от положения равновесия); колебательная ско-

₂

рость v (м/с); колебательное ускорение а (м/с ).

Также как и для шума, весь спектр частот вибраций, восприни­маемых человеком, разделен на октавные и третьоктавные полосы.

Поскольку диапазон изменения параметров вибрации от порого­вых значений, при которых она не опасна, до действительных боль­шой, то удобнее измерять не действительные значения этих парамет­ров, а логарифм отношения действительных значений к пороговым. Такую величину называют логарифмическим уровнем параметра, а единицу ее измерения - децибел (дБ).

Логарифмические уровни виброускорения L_a , дБ, в i-й октавной

или третьоктавной полосе - уровни, непосредственно измеряемые в ок- тавных или третьоктавных полосах частот или определяемые по формуле

L_ai = 20 • lg ^, (8.6)

^{i a}0

где а_i - средние квадратические значения виброускорения в октавных или третьоктавных полосах частот, м/с²; а₀ - исходное значение виб-

4 2

роускорения, а0 = 3 • 10 м/с .

Логарифмические уровни виброскорости L_v , дБ, в i-й октавной

или третьоктавной полосе - уровни, непосредственно измеряемые в ок- тавных или третьоктавных полосах частот или определяемые по формуле

v

L_Vi = 20 • lg , (8.7)

^{i V}0

где v_i - средние квадратические значения виброскорости в октавных

или третьоктавных полосах частот, м/с; v0 - исходное значение вибро­ 8

скорости, v₀ = 5 • 10 м/с.

Корректированный по частоте уровень параметра вибрации L_u,

дБ, - одночисловая характеристика вибрации, непосредственно изме­ряемая с применением виброметров с корректирующими фильтрами или определяемая как результат энергетического суммирования уровней вибрации в октавных (третьоктавных) полосах с учетом октавных (третьоктавных) весовых коэффициентов (поправок) по формуле

^Lu = 10 • lg Z 10^{0,1( +al}",

,=1

где L_u - корректированный по частоте уровень параметра вибрации, дБ; n - число октавных (третьоктавных) полос; i - порядковый номер октавной (третьоктавной) полосы; L_u - октавные (третьоктавные)

уровни параметра вибрации, дБ; AL_u - октавные (третьоктавные) ве­совые поправки, дБ.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется:

• на общую вибрацию 1-й категории - транспортную вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах самоходных и при­цепных машин, транспортных средств при движении по местности (тракторы, самоходные машины, грузовые автомобили);

• общую вибрацию 2-й категории - транспортно-техноло- гическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах машин, перемещающихся по специально подготовленным поверхно­стям производственных помещений, промышленных площадок, гор­ных выработок (экскаваторы, краны промышленные и строительные, напольный производственный транспорт), а также на рабочих места водителей легковых автомобилей и автобусов;

• общую вибрацию 3-й категории - технологическую вибрацию, воздействующую на человека на рабочих местах стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибра­ции (станки, кузнечно-прессовое оборудование, электрические маши­ны, стационарные электрические установки, насосные агрегаты и вен­тиляторы и др.). Общую вибрацию категории 3 по месту действия подразделяют на следующие типы:

а) на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;

б) на рабочих местах складов, столовых, бытовых, дежурных и других производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;

в) на рабочих местах административных и служебных помещений заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, конторских поме­щений, рабочих комнат и других помещений для работников умст­венного труда.

(8.8)

Локальная вибрация в зависимости от источника возникновения подразделяется на передающуюся от ручных машин с двигателем или

ручного механизированного инструмента; органов управления машин и оборудования; ручных инструментов без двигателей и обрабатывае­мых деталей.

По направлению действия вибрация подразделяется:

• на общую вибрацию, действующую вдоль осей ортогональной системы координат Х_о, Y₀, Z₀, где Х_о (от спины к груди) и У_о (от правого плеча к левому) - горизонтальные оси, направленные параллельно опорным поверхностям; Z_о - вертикальная ось, перпендикулярная опор­ным поверхностям тела в местах его контакта с сиденьем, полом и т. п.;

• локальную вибрацию, действующую вдоль осей ортогональной системы координат Х_л, Y^ Z_JI, где ось Х_л совпадает или параллельна оси места охвата источника вибрации (рукоятки, рулевого колеса, рычага управления, удерживаемого в руках обрабатываемого изделия и т. п.), ось Yjj перпендикулярна ладони, а ось Z^ лежит в плоскости, образован­ной осью Х_л и направлением приложения силы или подачи обрабаты­ваемого изделия (или осью предплечья, когда сила не прикладывается).

По характеру спектра вибрация подразделяется:

• на узкополосную вибрацию, для которой уровень контролируе­мого параметра в одной третьоктавной полосе частот более чем на 15 дБ превышает уровень в соседних третьоктавных полосах;

• широкополосную вибрацию с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

По частотному составу вибрация подразделяется:

• на низкочастотную вибрацию (с преобладанием максималь­ных уровней в октавных полосах частот 1-4 Гц - для общей вибрации, 8-16 Гц - для локальной);

• среднечастотную вибрацию (8-16 Гц - для общей вибрации, 31,5-63 Гц - для локальной);

• высокочастотную вибрацию (31,5-63 Гц - для общей вибра­ции, 125-1000 Гц - для локальной).

По временным характеристикам вибрация подразделяется:

• на постоянную вибрацию, для которой величина нормируе­мых параметров изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ) за время на­блюдения при измерении с постоянной времени 1 с;

• непостоянную вибрацию, для которой величина нормируе­мых параметров изменяется более чем в 2 раза (6 дБ) за время наблю­дения при измерении с постоянной времени 1 с, в том числе:

а) колеблющуюся во времени вибрацию, для которой величина нормируемых параметров непрерывно изменяется во времени;

б) прерывистую вибрацию, когда контакт человека с вибрацией прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых имеет место контакт, составляет более 1 с;

в) импульсную вибрацию, состоящую из одного или нескольких вибрационных воздействий (например, ударов), каждое длительнос­тью менее 1 с.