7

Акустические колебания, их действие на человека и нормирование

Упругие колебания, распространяющиеся волнообразно в газообразной, жидкой и твердой средах под действием какой-либо возмущающей силы, относятся к акустическим колебаниям.

Акустические колебания могут быть как слышимыми, так и неслышимыми для человека. Собственно звуковыми называют колебания с частотой 16...20000 Гц; колебания с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком, с частотой более 20000 Гц – ультразвуком.

Таким образом, звук – это колебательное движение упругой среды, воспринимаемое органами слуха человека.

Звук, распространяющийся в воздушной среде, принято называть воздушным; звук, передающийся по строительным конструкциям, называют структурным.

Беспорядочные звуки различной природы со случайными изменениями по частоте и амплитуде называют шумом.

В зависимости от частотного спектра шум подразделяют на:

а) низкочастотный (частотой f до 300 Гц);

б) среднечастотный (частотой f = 300...800 Гц);

в) высокочастотный (частотой f свыше 800 Гц).

Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления в любой точке воздушного пространства. Такое периодически повышающееся давление в воздухе по сравнению с атмосферным в невозмущенной среде называют звуковым давлением Р [Па].

Звуковая волна, помимо частоты f, характеризуется амплитудой колебаний А. Амплитуда колебаний звуковой волны определяет звуковое давление: чем больше амплитуда, тем больше звуковое давление и громче звук.

Время одного колебания называют периодом Т [с]:

Т = 1/f

Расстояние между двумя соседними участками среды, имеющими в данный момент времени одинаковое звуковое давление, называется длиной звуковой волны λ.

Скорость распространения звуковой волны (скорость звука) С [м/с] определяется выражениями:

С = λ/Т или С = λּf

2

Скорость распространения звука в воздухе при температуре 20 ⁰С равна примерно 334 м/с, в бетоне – 4000 м/с, в стали – 5000 м/с.

Количество энергии, переносимой при распространении звуковых волн, определяется интенсивностью звука I[Вт/м² или Н/сּм].

Интенсивность звука в условиях свободного звукового поля, т.е. при отсутствии отраженных звуковых волн, измеряют средним количеством энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной направлению распространения звука.

Интенсивность звука [является векторной величиной и] определяется следующей зависимостью:

I = V ּ P,

где V – мгновенное значение колебательной скорости, м/с;

Р – мгновенное значение звукового давления, Па.

Величины звукового давления и интенсивности звука в практике могут меняться в широких пределах: по давлению в 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Оперировать такими числами весьма неудобно. Известно также, что ухо человека способно реагировать на относительное изменение интенсивности, а не на абсолютное. Поэтому были введены относительные логарифмические величины – уровни звукового давления и уровни интенсивности звука.

За единицу измерения уровней звукового давления и интенсивности звука принят Бел [Б]. Однако, поскольку человек четко различает изменение уровня звукового давления на 0,1 Б, в практике пользуются величиной 0,1 Б, т.е. децибелом [дБ].

Уровень интенсивности звука определяют по формуле:

,

где I – интенсивность звука в данной точке, Вт/м²;

I₀ – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости

на частоте 1000 Гц:

I₀ = 10^-12 Вт/м².

Уровень звукового давления определяют по формуле:

где Р – среднеквадратичная величина звукового давления, Па;

Р₀ – пороговое звуковое давление на частоте 1000 Гц:

Р₀ = 2ּ10^-5 Па.

Величину уровня интенсивности звука применяют в акустических расчетах, уровни звукового давления – для измерения шума и оценки его воздействия на человека.

Характеристикой источника звука является его звуковая мощность W [Вт], которая определяет общее количество звуковой энергии, излучаемой всей поверхностью источника (S) в единицу времени:

Разложение шума на составляющие его тона (т.е. звуки с одной частотой) с определением их интенсивности называют спектральным анализом, а графическое изображение частотного состава шума – спектром.

Для спектрального анализа диапазон звуковых частот делят на участки, так называемые полосы с граничными частотами 22-44, 44-89, 89-178, 178-356, 356-712, 712-1425, 1425-2851, 2851-5702 и 5702-11404 Гц.

Спектр шума строят по результатам измерений уровня звукового давления на фиксированных стандартных среднегеометрических частотах от 63 до 8000 Гц.

Среднегеометрическая частота (f_с.г.) интервала (полосы) частот определяется из выражения:

где f₁ – минимальная частота рассматриваемой полосы частот, Гц;

f₂ – максимальная частота рассматриваемой полосы частот, Гц.

Полоса частот, в которой f₂/f₁ = 2, называется октавой; соотношение f₂/f₁ = 2^1/2 соответствует полуоктавной полосе, а соотношение f₂/f₁ = 2^1/3 – третьоктавной полосе частот.

По характеру спектра шумы подразделяют на:

• широкополосные с излучением звуковой энергии непрерывным спектром шириной более одной октавы;

• тональные с излучением звуковой энергии в отдельных тонах.

В производственном помещении находится обычно несколько источников шума. При определении уровня звука от нескольких источников пользуются специальными зависимостями, т.к. уровни звука складываются не арифметически.

Так, два одинаковых источника совместно создают уровень шума приблизительно на 3 дБ больше, чем уровень шума каждого источника.

Суммарный уровень шума в расчетной точке от произвольного числа источников разной интенсивности определяют по формуле:

где L₁,...L_n – уровни звукового давления или уровни интенсивности

звука, создаваемые каждым из источников в расчетной точке.

Последствия действия повышенного уровня шума на человека могут быть следующими:

1 – повышение кровяного давления;

2 – учащение пульса и дыхания;

3 – снижение остроты слуха;

4 – ослабление внимания;

5 – нарушение координации движений;

6 – снижение работоспособности (для физического труда на 15%,

для умственного труда на 40%).

Субъективные ощущения при этом выражаются в форме:

• головной боли;

• головокружения;

• бессоницы;

• общей слабости,

т.е. в виде так называемой шумовой болезни.

Тяжесть и сроки возникновения шумовой болезни зависят от трех основных условий:

1 – длительности воздействия шума;

2 – интенсивности шума;

3 – частотной характеристики спектра шума (чем больше преобладают в шуме высокие частоты, тем он опаснее).

Звуковые колебания воспринимаются не только ухом, но и непосредственно через кости черепа (костная проводимость).

Уровень шума, передаваемый этим путем, на 20-30 дБ меньше уровня, воспринимаемого ухом. Однако, если при невысоких уровнях передача за счет костной проводимости мала, то при высоких уровнях она значительно возрастает и усугубляет вредное действие на человека.

При воздействии шума очень высоких уровней (более 145 дБ) возможен разрыв барабанной перепонки.

Нормативы шума установлены следующими документами:

1. ГОСТ 12.1.003-83. Шум. Общие требования безопасности.

2. ГН 2.2.4/2.1.8.562-96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки.

Нормирование осуществляется двумя методами:

а) по предельному спектру шума;

б) по общему уровню шума, измеренному в дБА.

Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов. Гигиенической характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звуковых давлений в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.

Пример:

Рабочие места	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц									Уровни звука и эквивалентные уровни звука, дБ А
	31,5	63	125	250	500	1000	2000	4000	8000
Помещения конструкторских бюро, программистов вычислительных машин, лабораторий для теоретических работ	86	71	16	54	49	45	42	40	38	50
Постоянные рабочие места в производственных помещениях и на территории предприятий	110	99	92	86	83	80	78	76	74	85

Т.к. организм человека наиболее чувствителен к звукам высоких частот и они оказывают на него наиболее вредное воздействие, допустимые уровни звукового давления на высоких частотах имеют меньшие значения, чем на низких частотах.

Второй метод используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума.