5. Шум, інфразвук та ультразвук, вібрація, їх вплив на організм людини шум, інфразвук та ультразвук

Для забезпечення безпеки життєдіяльності людини слуховий аналізатор є другим за значенням після зорового аналізатора. Людське вухо реагує на механічні впливи, пов’язані з періодичними змінами атмосферного тиску в діапазоні частот від 16 Гц до 20000 Гц. Коливання повітря, що діють із певною частотою і характеризуються періодичною появою областей високого і низького тиску, сприймаються нами як звуки. Завдяки слуховому аналізатору людина сприймає коливання повітря.

Сприймальною частиною слухового аналізатора є вухо. Воно поділяється на три відділи: зовнішнє, середнє і внутрішнє. Зовнішнє вухо – це зовнішній слуховий прохід і барабанна перетинка; середнє вухо – це молоточок, наковальня і стременко; у внутрішньому вусі розташовані рецептори, що сприймають звукові коливання.

Перетворення енергії механічних коливань у процес нервового збудження досить складний. Коротко його можна описати наступним чином.

Звукові хвилі з навколишнього середовища надходять до зовнішнього слухового проходу і надають коливного руху барабанній перетинці, далі через ланку слухових кісточок середнього вуха передаються у внутрішнє вухо. При цьому виникає нервовий імпульс, який передається до відповідного відділу кори великих півкуль головного мозку, де виникає відповідна слухова уява.

Шум – це хаотична сукупність різних за силою і частотою звуків, що заважають сприйняттю корисних сигналів і негативно впливають на людину.

Джерелами шуму є промислові об’єкти, усі види транспорту, будівельні машини, музичні інструменти, групи людей, окремі особи, тощо.

Фізична сутність звуку – це механічні коливання пружного середовища (повітря, рідини). Під час звукових коливань утворюються області зниженого і підвищеного тиску, що діють на слуховий аналізатор (мембрану вуха).

Основними фізичними характеристиками звуку є:

1. частота f (Гц) − число коливань звукової хвилі за 1 с.;

2. звуковий тиск Р (Па) − різниця між миттєвим значенням певного тиску та тиском в незбуреному середовищі;

3. інтенсивність або сила звуку І (Вт/м²) − потік енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, що переноситься звуковою хвилею через одиницю площі поверхні (1 м²), яка перпендикулярна до напрямку поширення хвилі;

4. звукова потужність W (Вт) − загальна кількість звукової енергії, що випромінює джерело шуму в оточуюче середовище за одиницю часу.

Швидкість поширення звукових хвиль в атмосферному повітрі при нормальних атмосферних умовах (t = 20⁰ С, Р = 1013 гПа), становить 344 м/с. Як було сказано раніше, органи слуху людини сприймають звукові коливання в інтервалі частот від 16 до 20 000 Гц. Але деякі із звуків не сприймаються органами слуху людини: коливання з частотою нижче 16 Гц, які називаються інфразвуком, із частотою вище 20 000 Гц – ультразвуки. У свою чергу звуковий діапазон прийнято підрозділяти на низькочастотний – до 400 Гц, середньочастотний − 400-1000 Гц, високочастотний – більше 1000 Гц.

Найменша інтенсивність звуку J₀ і найменше значення звукового тиску Р₀, які сприймає вухо людини, називається порогом чутності. Порогові значення J₀ і Р₀ залежать від частоти звуку. У різних людей поріг чутності різний. В зв’язку з тим, що людина найкраще чує звуки в інтервалі частот від 1000 до 3000 Гц, за стандартну частоту прийнято 1000 Гц. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р₀ = 2 · 10^-5 Па, інтенсивність = 10^-12 Вт/м² – це поріг чутності. При звуковому тиску Р_б =2 · 10² Па, інтенсивності J_б = 10² Вт/м² виникають болісні відчуття в органах слуху людини. Це больовий поріг.

Між порогом чутності і больовим порогом знаходиться ділянка чутності. В ній зміни звукового тиску і інтенсивності звуку, які чує людина, надзвичайно великі і становлять відповідно 10⁷ і 10¹⁴ разів, тому оперувати числами, що мають такий великий розбіг, неможливо. А.Г.Белл (винахідник телефону) запропонував використати логарифмічну шкалу, яка дає змогу визначати рівень шуму у відносних одиницях. Тобто вимірювати звуковий тиск і інтенсивність шуму не абсолютними значеннями фізичних величин, а логарифмами відношень цих величин до значення, що відповідає порогові чутності при частоті 1000 Гц (логарифмами відношень цих розмірів до умовного нульового рівня, що відповідає порогові чутливості стандартного тону, частотою 1 000 Гц). Ці логарифми відношень називають рівнями звукового тиску (L_p), інтенсивності (L_J) і виражають в белах (Б).

L_J = lg J_б / J₀ = lg10² / 10^-12 = lg 10¹⁴ = 14· lg 10 = 14 Б

Оскільки орган слуху людини здатний розрізняти зміни інтенсивності звуку на 0,1 Б, то для практичного використання зручнішою є одиниця, яка в 10 разів менша і називається децибел (дБ), тобто 14 Б = 140 дБ. Поріг дискомфорту (біль у вусі) відповідає звуковому тиску 140 дБ. Шум з рівнем звукового тиску до 30-35 дБ не турбує людину. При дії шуму з рівнем звукового тиску понад 140 дБ може привести до розриву барабанних перетинок, контузії, а при рівні понад 160 дБ – до смерті.

Наприклад, шум лісу взимку в тиху погоду оцінюється в 10 дБ, а розмова середньої чутності на відстані 1 м – в 60 дБ. Це не означає, що розмова перевищує за чутністю шум лісу у 6 разів. Відповідно до Бела одержуємо 10⁶ / 10¹ = 10⁵ = 100000. Ця цифра означає, що розмова середньої чутності “голосніша” за чутність лісу в 100000 разів, що в свою чергу ілюструє основний психофізіологічний закон Вебера-Вехнера: інтенсивність відчуття пропорційна логарифму інтенсивності подразника.

В математичній формі цей закон виражається так:

S = C· lg J,

де S − інтенсивність (або сила) відчуття; J − величина чинного подразника; C − коефіцієнт пропорційності.

Отже використання логарифмічної шкали для вимірювання шуму дозволяє вкладати великий діапазон значень звукового тиску і інтенсивності в порівняно невеликий інтервал від 0 до 140 дБ.