Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность»

В. Г. Булаев В. Б. Воронцов

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ШУМ И ВИБРАЦИЯ

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2011

Федеральное агентство железнодорожного транспорта Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность»

В. Г. Булаев В. Б. Воронцов

ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ШУМ И ВИБРАЦИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

по дисциплине «Безопасность жизнедеятельности» для студентов всех специальностей

форм обучения

Екатеринбург Издательство УрГУПС

2011

УДК 658.345 Б90

В. Б. Воронцов. – Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2011. – 46, [2] с.

Методические указания к выполнению лабораторных работ составлены в соответствии с программой курса«Безопасность жизнедеятельности».

Рассмотрены физические характеристики шума, его вредное воздействие на организм человека в условиях производства, методы и приборы для измерения.

Могут быть использованы студентами всех специальностей и всех форм обучения.

УДК 658.345

Печатается по решению редакционно-издательского совета университета.

Авторы: В. Г. Булаев, профессор кафедры «Техносферная безопасность», д-р техн. наук, УрГУПС, (часть 1)

В. Б. Воронцов, доцент кафедры «Техносферная безопасность», канд. физ.-мат. наук, УрГУПС, (часть 2)

Рецензенты: О. А. Шерстюченко, ст. преподаватель кафедры «Техносферная безопасность», УрГУПС

В. В. Мочалин, доцент кафедры «Техносферная безопасность», канд. биол. наук, УрГУПС

©Уральский государственный университет путей сообщения (УрГУПС), 2011

3

Лабораторная работа № 1

Производственный шум

Цель работы: закрепить знания о физической сущности шума и методах нормирования и измерения, привить практические навыки работы с приборами для измерения шума.

1.Теоретическая часть

1.1.Общие сведения о производственном шуме

Интенсификация производственных процессов часто осуществляется за счет увеличения мощностей машин и механизмов, скоростей движения их рабочих органов, повышения скоростей обработки и межоперационной транспортировки обрабатываемых деталей и материалов. Это, в свою очередь, приводит к возрастанию в производственных помещениях шума, который является одним из наиболее распространенных вредных производственных факторов. Шум оказывает физиологическое и психологическое воздействие на организм человека.

Шум как гигиенический фактор – это совокупность звуков различной частоты и интенсивности, которые воспринимаются органами слуха человека и вызывают неприятное субъективное ощущение.

Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды, носящее обычно случайный характер.

Производственным шумом называется шум на рабочих местах, на участках или на территориях предприятий, который возникает во время производственного процесса. Под его действием у человека повышается утомляемость, снижается производительность труда, ухудшается разборчивость речи и восприятие звуковых сигналов, нарушаются процессы пищеварения и кровообращения, ослабевает цветовосприятие.

Таким образом, под шумом понимают случайное сочетание звуков различных частот и силы, мешающих восприятию полезных звуков или нарушающих тишину, а также звуки, оказывающие вредное или раздражающее действие на организм человека.

Человеческое ухо – сложный орган, определенные части которого могут пострадать под воздействием громких звуков. Во внутреннем ухе находятся чувствительные клетки, которые преобразовывают звук в нервные импульсы, воспринимаемые мозгом. Под воздействием громких звуков эти чувствительные клетки могут быть повреждены или разрушены. Восстановлению эти клетки не подлежат, в результате возникает постоянное снижение слуха, т. е. профессиональное заболевание – тугоухость.

4

Одно из наиболее отрицательных влияний шума– его аккумулятивный эффект. Шумовое раздражение накапливается и происходит угнетающее воздействие на нервную систему, начинаются нервно-психологические заболевания.

Человеческое ухо воспринимает звуки частотой от20 до 20000 Гц. При решении практических проблем снижения шума используют более узкий диапазон частот; примерно от 60 до 10 000 Гц. Хорошо воспринимаются звуки частотой от 3000 до 5000 Гц (3–5 кГц), эти же звуки производят большое утомляющее действие на человека.

Звуки с частотой ниже 20 Гц называются инфразвуком, с частотой выше

20000 Гц – ультразвуком.

Различают следующие виды шума: воздушный, структурный и ударный. Воздушный шум – это шум, который передается волновыми колебаниями

воздуха, через открытую дверь, окно, вентиляционный канал, щели, дыры, поры в стенах и перекрытиях квартиры или дома.

Структурный шум – шум, передающийся волновыми колебаниями частиц структуры здания и квартиры: стены, перекрытия, трубы, мусоропровод, лифт, т. е., как барабан работают стена, пол, потолок.

Ударный шум создается волновыми колебаниями любых частиц от ударов по ним. По нашему мнению, этот шум больше относится к природе шума, чем к виду, ведь шум от удара передается и по воздуху, и через структурные элементы здания.

Механический шум возникает в результате работы различных механизмов с неуравновешенными массами вследствие их вибрации, а также одиночных или периодических ударов в сочленениях деталей сборочных единиц или конструкций в целом. Аэродинамический шум образуется при движении воздуха по трубопроводам, вентиляционным системам.

По характеру нарушения физиологических функций шум разделяется на такой, который мешает (препятствует языковой связи), раздражающий – (вызывает нервное напряжение и вследствие этого– снижение работоспособности, общее переутомление), вредный (нарушает физиологические функции на длительный период и вызывает развитие хронических заболеваний, которые непосредственно связаны со слуховым восприятием: ухудшение слуха, гипертония, туберкулез, язва желудка), травмирующий (резко нарушает физиологические функции организма человека).

Характер воздействия шума на человека зависит от вида источника и приведен в табл. 1 (с. 6).

5

Таблица 1

Воздействие шума на человека (сравнительная таблица)

1.2. Физико-физиологические характеристики шума

Основными физическими параметрами, характеризующими шум в какойлибо точке пространства, с точки зрения охраны труда, являются звуковое давление P, интенсивность звука I, частота f, звуковая мощность W, уровни звукового давления LP, интенсивности LI и мощности L w.

6

Звуковое давление – это переменная составляющая давления воздуха, возникающая в результате колебания источника звука, накладывающаяся на атмосферное давление и вызывающая его флуктуацию (колебание).

Таким образом, звуковое давление определяется как разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в среде при отсутствии источника звука.

Единица измерения – Па (н/м2).

На слух действует квадрат звукового давления

где То – время осреднения, Т = 30–100 мс;

Р(t) – мгновенное значение полного звукового давления.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Количество звуковой энергии, отнесенное к единице поверхности и проходящей в одну секунду в направлении распространения волн, азывается интенсивно-

стью звука.

Интенсивность J и звуковое давлениеР связаны между собой соотноше-

нием

ρc

где Р – среднеквадратичное значение звукового давления, Па;

r– плотность среды, кг/м3.

с– скорость распространения звука, м/с.

Звуковое давление и интенсивность звука являются характеристиками звукового поля в определенной зоне пространства и не характеризуют непосредственно источник шума. Характеристикой непосредственно источника шу-

ма является его звуковая мощность(W). Эта величина характеризует определенное количество энергии, затрачиваемой источником звука в единицу времени на возбуждение звуковой волны. Звуковая мощность источника определяет интенсивность генерируемых волн. Чем выше интенсивность данной волны, тем выше громкость звука. В обычных условиях источник звука излучает энергию независимо от окружающей среды, так же, как электрический камин излучает теплоту.

Единицей измерения мощности источника звука является Ватт (Вт).

В реальных условиях мощность источника звука изменяется в очень широких пределах: от 10-12 до многих миллионов ватт(табл. 2). В таких же широких пределах изменяются звуковое давление и интенсивность.

7

Таблица 2

Звуковая мощность различных источников

Ухо человека не может определять звуковое давление в абсолютных единицах, но может сравнивать давление различных источников звука. Именно поэтому, а также, учитывая большой диапазон используемого звукового давле-

8

ния для его определения, пользуются относительной логарифмической шкалой, которая позволяет резко сократить диапазон значений измеряемых величин. Каждому делению такой шкалы соответствует изменение интенсивности звука, звукового давления или другой величины не на определенное число единиц, а в определенное число раз.

Применение логарифмической шкалы оказалось возможным и удобным благодаря физиологической особенности нашего слуха– одинаково реагировать на относительно равные изменения интенсивности звука. Например, возрастания интенсивности звука в десять раз(от 0,1 до 1, от 1 до 10 или от 10 до 100 Вт/м2) оцениваются как примерно одинаковые приросты громкости. При увеличении любого числа в одном и том же отношении его логарифм также возрастает на одно и то же число единиц(ℓq 10 = 1, ℓq 100 = 2; ℓq 1000 = 3 и

т. д.), что и отражает вышеуказанную особенность слуха.

Десятичный логарифм отношения двух интенсивностей звука называют

уровнем одной из них по отношению к другойL. Единицей измерения уровня является Бел (Б), ей соответствует отношение уравниваемых интенсивностей, равное 10. Если они отличаются в 100, 1000, 10000 paз, то уровни имеют разницу соответственно в 2, 3, 4 Бел – слишком большая величина, поэтому в практических измерениях пользуются десятыми долями бела– децибелами (дБ). Можно измерять в децибелах не только отношения, но и сами величины интенсивностей или звуковых давлений. В соответствии с требованиями международной организации по стандартизации(ИСО) условились за нулевой уровень звука принять интенсивность, равную J = 10-12 Вт/м2. Это нулевой (пороговый) уровень звука. Тогда интенсивность любого звука или шума можно записать:

а) уровень интенсивности звука

где Ро – пороговое значение звукового давления, равное 2 · 10-5 Па, являющееся порогом слышимости при частоте1000 Гц (установлено международным соглашением).

Уровни интенсивности звука и звукового давления связаны следующим образом:

9

где rо и со – плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных условиях;

rи с – плотность среды и скорость звука в воздухе при замерах. Пороговые значения Jo подобраны так, что при нормальных атмосфер-

ных условиях (r = rо и с = со) уровень звукового давления L равен уровню ин-

тенсивности Ly (L = Lу)

в) уровень звуковой мощности

где wо – пороговое значение звуковой мощности, равное 10-12 Вт.

Частотный спектр. Зависимость звукового давления или звуковой мощности как физических величин от времени можнопредставить в виде суммы конечного или бесконечного числа простых синусоидальных колебаний этих величин. Зависимость среднеквадратичных значений этих синусоидальных -со ставляющих (или соответствующих им уровней в децибелах) от частоты назы-

вается частотным спектром или просто спектром.

Говоря о спектре, необходимо указывать ширину частотных полос, в которых производится определение спектра. Чаще всего применяются октавные и третьоктавные полосы. Октавная полоса (октава) – такая полоса частот, в которой верхняя граничная частота fгр.в в два раза больше нижнейfгр.н. В третьоктавной полосе соотношение равно 1,26. Полоса частот определяется среднегеометрической частотой

Значения среднегеометрических и граничных частот октавных полос, принятых для гигиенической оценки шума, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Среднегеометрические и граничные частоты октавных полос

В практике нормирования и оценки шума под спектром обычно понимают зависимость уровней звукового давления в октавных или третьоктавных полосах частот от среднегеометрической частоты этих полос. Спектр представляется в виде таблиц или графиков. Характер спектра, следовательно, и произ-

10

водственного шума, может быть низкочастотным, среднечастотным и высокочастотным:

–низкочастотный – спектр с максимумом звукового давления в области частот до 300 Гц;

–среднечастотный – спектр с максимумом звукового давления в области частот 300 – 800 Гц;

–высокочастотный – спектр c максимумом звукового давления в области частот свыше 800 Гц.

Шумы также подразделяются:

–на широкополосные, с непрерывным спектром, шириной более одной октавы (шум подвижного состава, водопада);

–тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона (звон, свист, сирена и т. п.). Тональный характер шума устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяются на постоянные, уровень которых за восьмичасовой рабочий день изменяется во времени не более

чем на 5 дБ, и непостоянные, уровни которых постоянно меняются более чем на 5 Дб.

Человек различает звуки по их частоте и громкости. Высоту звука определяет его частота, а громкость – его интенсивность. Чем выше частота, тем более высоким воспринимается звук.

1.3. Нормирование шума

Нормируемые параметры шума на рабочих местах, жилых и обществен-

ных зданиях определены ГОСТ 12.1.003-83, СН 2.2.4/2.8.562-96.

Различают два вида нормирования производственного шума: гигиеническое и техническое. Под гигиеническим нормированием понимают ограничение эмиссии шума, т. е. ограничение уровней шума, воздействующего на человека, находящегося в зоне действия источниковшума. В основу санитарного нормирования шума положен принцип сохранности слухового восприятия, те установления научно-обоснованных предельно допустимых величин шума, которые при систематическом воздействии в течение многих лет не могут вызвать заболевания организма человека.

Цель гигиенического нормирования – обоснование допустимых уровней и комплекса гигиенических требований, обеспечивающих предупреждение функциональных расстройств и заболеваний.

Предметом технического нормирования является ограничение интенсивности излучения источников шума из условий обеспечения допустимых уровней шума на рабочих местах. Цель технического нормирования – предоставление возможности проектировщикам производственных помещений и потребителям машиностроительной продукции подбирать машины и оборудование с требуемыми акустическими характеристиками, а создателям нового оборудова-

11

ния еще на стадии проектирования определять необходимость проведения технических и организационных мероприятий по борьбе с шумом.

Норма шума – максимально допустимые уровни звукового давления, воздействие которого не вызывает негативного и необратимого явления на организм человека. Таким образом, нормы это компромисс между гигиеническими требованиями и техническими возможностями на данном этапе развития техники.

Существуют два метода нормирования шума.

1.Нормирование по предельному спектру (спектральная оценка шума).

2.Нормирование уровня звука в дБА (интегральная оценка).

Всоответствии с рекомендациями ИСО интенсивность шума, действующего на органы слуха, оценивается частотной характеристикой предельно допустимого уровня звукового давления в девяти октавных полосах со среднегеометрическими частотами (см. выше).

Совокупность таких уровней называетсяпредельным спектром. Номер предельного спектра численно равен уровню звукового давления в октановой полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц в спектре допустимых уровней шума (например, ПС-60), (рис. 1). Каждая из этих кривых представляет собой геометрическое место точек равногромких тонов различной частоты. Отсюда следует, что наибольшим раздражающим эффектом при одинаковых уровнях звукового давления обладает звук, частота которого выше.

Метод нормирования постоянного шума в октавных полосах частот является основным при исследованиях и разработках мероприятий по снижению шума. Способ применим для постоянных шумов и разработан с учетом восьмичасового рабочего дня. Шум считается допустимым, если измеренные уровни звукового давления во всех октавных полосах нормируемого диапазона будут ниже значений, определяемых соответствующим предельным спектром.

12

Нормируемыми параметрами шума являются уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами37, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц и эквивалентный (по энергии) уровень звука в децибелах (шкала А). Допустимые уровни шума на рабочих местах не превышают соответственно 110, 94, 87, 81, 78, 75, 73 дБ, а по шкале А – 80 дБ.

Чтобы получить акустическую характеристику помещения или машины, необходимо сделать 9 измерений, т. е. работа становится трудоемкой. Кроме того, данный способ не позволяет производить оценку импульсных шумов, так как он предназначен для измерения только широкополосного шума.

Непостоянный шум нормируется общим уровнем звука. При этом методе измеряют скорректированный по частоте общий уровень звукового давления во всем диапазоне частот.

Поскольку ухо менее чувствительно к низким и более чувствительно к высоким частотам, для получения показаний, соответствующих восприятию человека, в шумомерах используют систему корректированных частотных характеристик – шкалы А, В, С, D и линейную шкалу, которые отличаются по восприятию. В практике применяется в основном шкала А.

Измеряют уровень звука в дБА шумомером со специальной корректирующей частотной характеристикой со сниженной чувствительностью на низкие частоты (шкала А).

Коррекция шумомера по шкале«А» приближено воспринимает ход кривой, равной громкости субъективного восприятия с уровнем 40 дБ. В этом случае производится интегральная оценка всего шума, в отличие от спектральной оценки. Характеристика приборов скорректирована по частоте так, что измерения по шкале А объективно близки к субъективному восприятию человеком шума. При представлении данных измеренного уровня звукового давления по шкале А результат (называют уровнем звука или шума) записывают с добавлением после дБ буквы А– дБА. Нормирование уровня шума в дБА позволяет значительно сократить объем измерений (одно вместо девяти) и упростить обработку результатов измерений. Этим и объясняется переход многих стран на измерение шума в дБА. Однако у этого способа измерения есть недостаток: не учитывает частотную характеристику шума в случае превышения норм. Этот способ может быть использован для ориентировочной оценкипостоянных и непостоянных шумов. Уровень звука связан с предельным спектром зависимостью

LP дБА =ПС + 5 .

Анализ нормируемых величин показывает, что в основу санитарных норм положены ограничения звукового давления в пределах октав, учет характера шума и особенности туда. Нормы зависят от физических параметров шума и от условий труда, но не зависят от источника шума и в этом отношении являются универсальными.

Значения допустимых уровней звукового давления для постоянных -ра бочих мест приведены в табл. 1 приложения. Эти нормы даны для условия воз-

13