Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические факторы загрязнения среды обитания человека. Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов.pdf
21
давления и другие метеофакторы вызывают недомогание у человека при
Характерный
инфразвука
весь спектр
диапазона
снаружи 70-90
120 дБ
внутри и
до 120 дБ
Промышленные установки
действия
Вентиляция промышленных
установок и помещений
снаружи до 130
дБ
резких сменах погоды.
К техногенным источникам, связанным с человеческой
деятельностью, относят работающие двигатели, станки, потоки
движущегося транспорта, взрывы, выстрелы. Инфразвук излучают
ветряные электростанции и в некоторых случаях вентиляционные шахты.
Также инфразвуковые колебания содержатся в шуме, возникающем при
обтекании ветром крупных сооружений.
Излучением инфразвука сопровождается и процесс
речеобразования.
Существенный вклад в инфразвуковое загрязнение среды дают
транспортные шумы (в основном вибрационного происхождения).
Мчащийся со скоростью более 100 км/час автомобиль является источником
инфразвука, образующегося за счет срыва потока воздуха позади
автомобиля.
Таблица 6 Основные техногенные источники инфразвуковых
колебаний в городах.
Источник инфразвука
Автомобильный транспорт
Железнодорожный транспорт и
трамваи
аэродинамического и ударного
Реактивные самолеты около 20 Гц
частотный
диапазон
инфразвукового
10-16 Гц
8-12 Гц до 90-105 дБ
3-20 Гц до 75-95 дБ
Уровни
интенсивности
инфразвука
дБ, внутри до
снаружи от 85
Очень богато инфразвуками городское движение (за
счет разных видов транспорта).
3.3 Классификации инфразвука
По характеру спектра инфразвук подразделяется на:
• широкополосный инфразвук, с непрерывным спектром шириной
более одной октавы;
• тональный инфразвук, в спектре которого имеются слышимые
дискретные составляющие (по превышению уровня над
соседними не менее чем на 10 дБ).
По временным характеристикам инфразвук подразделяется на:
• постоянный инфразвук, уровень звукового давления которого
изменяется за время наблюдения не более чем в 2 раза (на 6 дБ);
• непостоянный инфразвук, уровень звукового давления которого
изменяется за время наблюдения не менее чем в 2 раза (на 6 дБ).
22
3.4 Действие на организм
Уровень
дБ
Кровоизлияния,
Исследования физиологического действия инфразвука на организм,
проводимые с начала 20 века, показали, что человеческий организм
высокочувствителен к инфразвуку.
Негативное влияние инфразвука связано с тем, что в инфразвуковой
области лежат частоты собственных колебаний некоторых органов и частей
тела человека:
• 15-30 Гц (голова в целом)
• 40-100 Гц (глаза)
• 0.5-13 Гц (вестибулярный аппарат)
• 4-6 Гц (сердце)
• 2-3 Гц (желудок)
• 2-4 Гц (кишечник)
• 6-8 Гц (почки)
• 2-5 Гц (руки)
Именно в отношении инфразвуковых колебаний с частотами,
совпадающими с частотами собственных колебаний отдельных органов,
следует принимать особые меры защиты, поскольку совпадение частот
приводит к возникновению резонанса. Из-за резонансных явлений,
возникающих во внутренних органах и частях тела, диапазон
инфразвуковых колебаний от 2 до 17 Гц считается для человека наиболее
физиологически активным.
В таблице приведены известные науке проявления действия
инфразвука на организм человека в зависимости от частоты и
интенсивности воздействия.
Таблица 7 Проявления действия инфразвука на организм человека в
зависимости от уровня интенсивности инфразвука
интенсивности,
Проявления
действия
инфразвука на
организм
человека
130 - 140 140 - 155 > 155
Головная боль,
усталость,
расстройство
органов зрения,
общая слабость
Обмороки,
временная
потеря
зрения
параличи.
7 Гц при 160 дБ -
наиболее опасен
!!!
В начале 1950-х годов французский исследователь В.
Гавро (Vladimir Gavreau), изучавший влияние
инфразвука на организм человека, установил, что при
колебаниях порядка 6 Гц у добровольцев,
участвовавших в опытах возникает ощущение
усталости, потом беспокойства, переходящего в
безотчетный ужас. При воздействии инфразвука
достаточной мощности на сердце, возникают
вынужденные колебания сердечной мышцы, амплитуда
которых возрастает при достижении резонансной для
сердца частоты ≈ 6 Гц. По мнению Гавро, при 7 Гц
23
возможен паралич сердца и нервной системы.
Уровни звукового
частотами, Гц
(Эксперименты Гавро, проводимые в начале 60-х годов
ХХ в. были сразу же засекречены, и единственное, что
известно о дальнейшей работе, – созданный на основе
его изысканий инфразвуковой "свисток" для разгона
демонстраций.) Следует отметить, что
исследования инфразвука далеко не безопасны и для
самих экспериментаторов.
В настоящее время нервно-психические расстройства, наблюдаемые
у человека при действии инфразвука частотой ≈ 7 Гц, объясняют
совпадением частоты внешнего воздействия с частотой α-ритма биотоков
мозга. При этом угнетаются различные виды интеллектуальной
деятельности, появляется ощущение тревоги и страха.
Академик В.В. Шулейкин назвал вредную для
человеческого организма стоячую волну частотой в 7
Гц «
голосом моря». Семигерцовый инфразвук в
сочетании с импульсным высокочастотным шумом
может служить причиной труднообъяснимых
несчастных случаев, часто принимаемых за
самоубийство.
Известно, что ряд аномалий в состоянии людей перед
плохой погодой, объясняемых климатическими
условиями, являются на самом деле следствием
воздействия инфразвуковых волн – колебаниями
атмосферного давления и др.
У жителей угловых квартир многоэтажных домов
инфразвуковые колебания (источником которых
является ветер) могут вызывать чувство
беспричинного страха, странные слуховые ощущения.
3.5 Допустимые уровни воздействия
местах устанавливается СН 2.2.4/1.8.583-96 «Инфразвук на рабочих
местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой
застройки» дифференцированно для различных видов работ. ПДУ
инфразвука на рабочих местах, а также допустимые уровни инфразвука в
жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки,
приведены в Таблице.
№№ Назначение помещений
Предельно-допустимые уровни инфразвукового давления на рабочих
Таблица 8 Предельно допустимые уровни инфразвука на рабочих
местах, допустимые уровни инфразвука в жилых и общественных
помещениях
давления в дБ, со
среднегеометрическими
24
1
Работы с различной степенью тяжести и
напряженности трудового процесса в
- работы различной степени
напряженности
2
Территория жилой застройки
3
Помещения жилых и общественных
производственных помещениях и на
территории предприятий:
- работы различной степени тяжести
2 4 8 16
100 95 90 85
интеллектуально-эмоциональной
зданий
95 90 85 80
90 85 80 75
75 70 65 60
3.6 Минимизация воздействия инфразвука, способы защиты
При определении мер защиты от инфразвука учитывают то
обстоятельство, что большая длина волны позволяет инфразвуку
распространяться в атмосфере на значительные расстояния, в отдельных
случаях достигающие десятков тысяч километров. Защита от вредного
воздействия инфразвука расстоянием мало эффективна, что обусловлено
малым затуханием инфразвуковых колебаний при распространении в
воздушной среде. Поглощение в нижних слоях атмосферы инфразвуковых
колебаний с частотой ниже 10 Гц не превышает 8•10-6дБ/км.
Инфразвук невозможно остановить и с помощью специальных
сооружений на его пути его распространения, для ослабления его влияния
не всегда эффективны средства индивидуальной защиты. Поэтому
наиболее эффективным и практически единственным средством борьбы с
инфразвуком является снижение его в источнике возникновения. И эти
меры должны предусматриваться на стадии проектирования машин или
агрегатов. К таким мерам можно отнести:
• увеличение частоты вращение валов;
• повышение жесткости колеблющихся конструкций больших
размеров;
• устранение низкочастотных вибраций;
• конструктивные изменения источников, позволяющие перейти из
области инфразвуковых колебаний в область звуковых
колебаний, для снижения которых эффективно применение
методов звукоизоляции и звукопоглощения и др.
Для снижения инфразвука аэродинамического происхождения
необходимо осуществлять ограничение скоростей движения транспорта,
скоростей истечения жидкостей (авиационные и ракетные двигатели,
двигатели внутреннего сгорания, системы сброса пара тепловых
электростанций и т.д.).
3.7 Средства защиты от инфразвука:
помощи глушителей шума:
1. Снижение интенсивности инфразвука может быть достигнуто при
25
• интерференционного (эффективно, когда требуется заглушить
одну или несколько дискретных составляющих в спектре
инфразвука);
• камерного (должны иметь весьма большой объем
расширительной камеры);
• резонансного (должны иметь большой объем резонансной
полости);
• динамического типов.
2. Использование механического преобразователя частоты.
3. В качестве индивидуальных средств защиты используют наушники,
вкладыши, защищающие ухо от неблагоприятного действия
сопутствующего шума.
К организационным мерам профилактики неблагоприятного
инфразвукового воздействия на организм человека относятся: соблюдение
режима труда и отдыха, запрещение сверхурочных работ.
Вопросы для самопроверки:
1. Укажите диапазон инфразвуковых частот.
2. Что является источниками возникновения инфразвука?
3. К каким последствиям приводит действие инфразвуковых
колебаний на организм человека?
4. Чем объясняют вредное воздействие на человеческий организм
стоячей волны частотой 7 Гц?
5. Почему исследования инфразвука считаются небезопасными для
самих экспериментаторов?
26
4. УЛЬТРАЗВУК
4.1 Физическая сущность
Широко применяемый в медицине ультразвук, также способен
оказывать вредное воздействие на отдельные органы, ткани и организм
человека в целом. Под ультразвуком понимают упругие волны с частотами
более 20000 Гц, т.е., лежащими выше области слышимых человеческим
ухом частот, распространяющиеся в упругих средах.
По физической сущности ультразвук не отличается от звука и
представляет собой механическую волну. Распространение ультразвука
характеризуется чередованием участков сжатия и разрежения среды, т.е.
возникновением упругой волны. Давление, которое создают колебательные
движения частиц среды в результате распространения в ней
ультразвуковых колебаний, может быть положительным (в области сжатия)
и отрицательным (в области разряжения). Разрыв жидкости в участках
разряжения и возникновение микроскопических полостей носит название
кавитации. При повышении давления кавитационные полости
захлопываются, выделяя при этом значительную энергию.
Скорость распространения ультразвука и звука в средах одинаковы:
в воздухе – 330 м/с, в жидкости – 1500 м/с (для нормальных условий).
Однако существуют и особенности:
Малая длина волны. Направленность
Длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой
волны: для звука с частотой 1 кГц длина волны 1,5 м; для ультразвука с
частотой 1 МГц длина волны 1,5 мм.
Благодаря малой длине волны отражение и дифракция ультразвука
происходит на объектах меньших размеров, чем для слышимого звука.
Например, тело размером 10 см не будет препятствием для звуковой волны
с λ = 1,5 м, но станет преградой для УЗ волны с λ = 1,5 мм. При этом
возникает УЗ тень, поэтому в некоторых случаях распространение УЗ волн
можно изображать с помощью лучей и применять к ним законы отражения и
преломления. То есть при определенных условиях УЗ волна
распространяется направленным потоком, к которому применимы законы
геометрической оптики.
Поглощение
При прохождении УЗ через вещество происходит его значительное
ослабление вследствие поглощения, что обусловлено его малой длиной
волны.
27
Глубина полупоглощения УЗ для разных тканей имеет различное
Мышечная
2,10
Жировая
3,30
Костная
0,23
Кровь
35,00
значение и зависит от интенсивности УЗ, от плотности среды и др. Поэтому
в медицинских целях используют УЗ волны различных интенсивностей:
• малая – 1,5 Вт/м2;
• средняя – (1,5-3) Вт/м2;
• большая – (3-10) Вт/м2.
Значения глубины полупоглощения для некоторых тканей (на частоте
1 МГц) даны в Таблице.
Таблица 9 Глубина полупоглощения ультразвука частотой 1 МГц
Ткань Глубина полупоглощения, см
Видно, что поглощение в жидкой среде значительно меньше, чем в
мягких тканях и тем более в костной ткани.
Преломление и отражение
Большая группа методов измерения основана на отражении и
рассеянии УЗ волн на границах между средами. Эти методы позволяют
точно определять местонахождение тел и используются в таких сферах как:
• гидролокация,
• неразрушающий контроль и дефектоскопия,
• медицинская диагностика,
• определения уровней жидкостей и сыпучих тел в закрытых
ёмкостях,
• определения размеров изделий,
• визуализация звуковых полей – звуковидение и акустическая
голография.
Как и всем видам волн, ультразвуку присущи явления отражения и
преломления. Законы, которым подчиняются эти явления, аналогичны
законам преломления и отражения света, поэтому во многих случаях
распространение УЗ волн изображают с помощью лучей.
Энергия падающей УЗ волны распределяется между преломленной и
отраженной волнами. Энергии отраженной (W
волн рассчитываются через безразмерный коэффициент отражения r (0 ≤ r
≥ 1):
W
= r W; W
отр
= (1 - r) W,
прел
где W – энергия падающей волны.
Чем сильнее различаются волновые сопротивления сред, тем
больше доля отраженной энергии и меньше доля энергии, переходящей
через границу раздела. Волновое сопротивление биологических сред
примерно в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха, поэтому
отражение на границе воздух–кожа составляет 99,99 %. Если УЗ
излучатель приложить непосредственно к коже человека, то УЗ не
проникнет внутрь, а будет отражаться от тонкого слоя воздуха между
излучателем и кожей. Чтобы исключить воздушный слой, поверхность кожи
покрывают слоем соответствующей смазки (водным желе), которая играет
) и преломленной (W
отр
прел
)
28
роль переходной среды, уменьшающей отражение. Смазка должна
удовлетворять соответствующим требованиям:
• иметь акустическое сопротивление, близкое к акустическому
сопротивлению кожи;
• обладать малым коэффициентом поглощения УЗ;
• иметь значительную вязкость;
• хорошо смачивать кожу;
• быть нетоксичной.
4.2 Источники
Источники ультразвука – это все виды ультразвукового
технологического оборудования, ультразвуковые приборы и аппаратура
промышленного, медицинского, бытового назначения, генерирующие
ультразвуковые колебания в диапазоне частот от 18 КГц до 100 МГц и
выше. К источникам ультразвука относятся
также оборудование, при эксплуатации которого
ультразвуковые колебания возникают как
сопутствующий фактор.
В природе УЗ встречается как в качестве
компоненты многих естественных шумов (в
шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки,
перекатываемой морским прибоем, в звуках,
сопровождающих грозовые разряды, и т.д.), так
и среди звуков животного мира. Некоторые
животные пользуются ультразвуковыми
волнами для обнаружения препятствий,
ориентировки в пространстве (например,
летучие мыши).
4.3 Классификации ультразвука
По способу распространения ультразвуковых колебаний выделяют:
• контактный способ - ультразвук распространяется при
соприкосновении рук или других частей тела человека с
источником ультразвука, обрабатываемыми деталями,
приспособлениями для их удержания, озвученными жидкостями,
сканерами медицинских диагностических приборов,
физиотерапевтической и хирургической ультразвуковой
аппаратуры и т. д.;
• воздушный способ - ультразвук распространяется по воздуху.
По типу источников ультразвуковых колебаний выделяют:
• ручные источники;
• стационарные источники.
По спектральным характеристикам ультразвуковых колебаний
выделяют:
• низкочастотный ультразвук - 16 – 63 кГц (указаны
среднегеометрические частоты октавных полос);
• среднечастотный ультразвук - 125 – 250 кГц;
• высокочастотный ультразвук - 1,0 – 31,5 МГц.
По режиму генерирования ультразвуковых колебаний выделяют:
• постоянный ультразвук;
29
• импульсный ультразвук.
По способу излучения ультразвуковых колебаний выделяют:
• источники ультразвука с магнитострикционным генератором,
• источники ультразвука с пьезоэлектрическим генератором
(впервые получен Пьером и Жаком Кюри в 1880 г.).
4.4 Действие на организм
При распространении ультразвуковой волны в веществе развиваются
деформации, связанные с поочередным сгущением и разряжением его
частиц (так как УЗ волна является продольной). В зависимости от
интенсивности волны эти деформации могут вызывать либо
незначительные изменения структуры, либо ее разрушение.
Экспериментально установлено, что процесс кавитации приводит к
перемешиванию составных частей клеточной цитоплазмы и изменению её
вязкости, что, в свою очередь, вызывает существенные изменения функции
клеток. Ультразвук может отрывать от клеточных мембран биологические
макромолекулы (ферменты, гормоны, антигены), изменять поверхностный
заряд мембран и их проницаемость, оказывая этим влияние на
жизнедеятельность клетки. При достаточно большой интенсивности
ультразвука происходит разрушение мембран. Однако разные клетки
обладают различной резистентностью: одни клетки разрушаются при
интенсивности 0,1 - 104 Вт/м2, другие - при 25 • 104 Вт/м2.
Известно, что при длительном воздействии ультразвука частотой 2030 кГц и интенсивностью свыше 3-10 Вт/см2, возникающего в некоторых
производственных условиях, у человека появляются расстройства нервной
системы, повышается утомляемость, существенно поднимается
температура.
Ультразвук очень большой интенсивности для
человека смертелен. В Испании 80 человек были
добровольно подвергнуты действию ультразвуковых
турбулентных двигателей. В результате этого
жестокого эксперимента 28 человек погибли (!!!),
остальные были полностью или частично
парализованы.
Ещё одно действие ультразвука связано с процессами
теплообразования в среде, подверженной воздействию ультразвуковых
волн. Образование тепла определяется количеством поглощённой энергии
ультразвуковых колебаний, пропорциональной частоте колебаний, вязкости
среды и её теплопроводности. Тепловой эффект на глубине 2-5 см при
ультразвуковом облучении мощностью 4•104 Вт/м2 в течение 20 секунд
приводит к повышению температуры тканей организма на 5-6° С. Наиболее
интенсивное нагревание происходит в областях, примыкающих к границам
раздела сред с различными волновыми сопротивлениями. Это связано с
тем, что при отражении интенсивность волны вблизи границы
увеличивается, и соответственно возрастает количество поглощенной
энергии. В этом можно убедиться экспериментально, если приложить к
влажной руке излучатель ультразвука. Через несколько секунд на
противоположной стороне ладони возникает ощущение, похожее на боль от
ожога, вызванное ультразвуком, отраженным на границе «кожа-воздух».
30
Ультразвуковые колебания, генерируемые низкочастотным
Уровни
дБ
12,5
80
16,0
90
20,0
100
25,0
105
31,5 - 100
110
промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на
организм человека в целом. Длительное систематическое воздействие
ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения
нервной, сердечнососудистой и эндокринной систем, слухового и
вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие
вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Степень
выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности
воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре
высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение
слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные
расстройства приобретают более стойкий характер.
4.5 Допустимые уровни воздействия
Ультразвук обладает главным образом локальным действием на
организм, поскольку передается при непосредственном контакте с
ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами,
где возбуждаются ультразвуковые колебания. Воздействие ультразвука
нормируется Гигиеническими требованиями при работах с источниками
воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и
бытового назначения (СанПиН 2.2.4./2.1.8.582–96 от 31 октября 1997 г. №
51).
В санитарных нормах в качестве нормируемых параметров
воздушного ультразвука установлены уровни звукового давления в
третьоктавных полосах частот: 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80 и 100 кГц.
Предельно допустимые уровни звукового давления на рабочих
местах не должны превышать значений, указанных в Таблице.
Таблица 10 Предельно допустимые уровни воздушного ультразвука
на рабочих местах
Среднегеометрические частоты
третьоктавных полос, кГц
звукового
давления,
Для ультразвуковых источников бытового назначения
(стиральные машины, охранная сигнализация и пр.)
нормативные уровни воздушного и контактного
ультразвука не должны превышать 75 дБ на рабочей
частоте.
4.6 Минимизация воздействия, способы защиты
Основу профилактики неблагоприятного воздействия ультразвука на
лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, составляет гигиеническое
нормирование.