2.2.2. Акустические колебания

Одним из видов движения являются волны. Отличительной особенностью этого движения, делающей его уникальным, является то, что в волне распространяются не сами частицы вещества, а изменения в их состоянии (возмущения).Если какое-либо тело совершает колебания в упругой среде, то оно воздействует на частицы среды, прилегающие к телу, и застав­ляет их совершать вынужденные колебания. Среда вблизи колеблющегося тела деформируется и в ней возникают упругие силы. Эти силы действуют на все более удаленные от тела частицы среды, выводя их из положения равновесия. Постепенно все частицы среды вовлекаются в колебательное движение. Упругие волны называются звуковыми или акустическими, если соответствующие им механические деформации среды имеют малые амплитуды. Отличие упругих волн в среде от любого другого упорядоченного движения ее частиц состоит в том, что распространение волн не связано с переносом вещества среды из одного места в другое на большие расстояния.

Часто акустические колебания называют звуком, а область их распространения —звуковым полем. Громкость звука зависит от интенсивности звука, т.е. определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Наибольшей чувствительностью органы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. Единица измерения уровня громкости звука –фон.Шумом принято называть апериодические звуки различной интенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук.

Как и всякая волна, звуковая волна характери­зуется скоростью распространения колебаний в ней. С длиной волны λ, и частотой колебаний ν скорость υ связана  формулой:

.

(2.2.1)

При нормальных ат­мосферных условиях (температура 20 °С, давление 10⁵ Па) скорость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое давление р (Па) – разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде

,

(2.2.2)

где ρ – плотность среды (кг/м³);

ρ*с – удельное акустическое сопротивление (Пас/м), равное 410 Па*с/м для воздуха, 1,5*10⁶ Па*с/м – для воды, 4,8*10⁷Па*с/м – для стали;

υ – колебательная скорость (м/с).

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсивностью звука.Интенсивность звука I (Вт/м²) — это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади по­верхности, через которую она распространяется

.

(2.2.3)

Как и для вибрации и по тем же самым причинам, звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их ло­гарифмическими значениями — уровнями звукового давления и интенсивности звука.

,

(2.2.4)

где р — звуковое давление, Па;

р₀ — пороговое звуковое давление, равное 2•10^-5 Па.

Уровень интенсивности звука

,

(2.2.5)

где I — интенсивность звука, Па;

I₀ — пороговая интенсивность звука, равная 10 ^-12 Вт/м².В качестве пороговых значений приняты минимальные значения звукового давления и интенсивности звука, которые слышит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Так же как и для вибрации, диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (f₁/f₂ = 2), характеризуемые их среднегеометрическими частотами f_СГ. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос приведены в таблице 2.2.2.

Таблица 2.2.2.– Частоты и диапазоны октавных полос

Среднегеометрические значения октавных полос, Гц	Граничные частоты и диапазоны октавных полос, Гц
63	45...90
125	90...180
250	180...355
500	355...710
1000	710...1400
2000	1400...2800
4000	2800...5600
8000	5600... 11200

Классификация производственного шума. Шум классифицируется по частоте, спектральным и временным ха­рактеристикам, природе его возникновения (рис. 2.2.4)

Рисунок 2.2.4 – Классификация производственного шума

По частоте акустические колебания различаются на инфразвук (f < 16 Гц), звук (16 < /< 20 000 Гц), ультразвук (/ > 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц) (рис. 2.2.5).

Рисунок 2.2.5 – Классификация акустических колебаний по частоте

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выражен­ные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значительно выше уровня звука на других частотах). Примером широкополосного шума может являться шум реактивного самолета, тонального — шум дисковой пилы, с спектре шума которой имеется ярко выраженная частота с доминирую­щим уровнем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на по­стоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ; непостоянным — если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на колеб­лющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во вре­мени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука оста­ется постоянным не менее 1 с (например, шум прерывисто сбра­сываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представ­ляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме).

По природе возникновения шум можно разделить на механиче­ский, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Механические шумы возникают по следующим причинам: на­личие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникаю­щих из-за движения деталей механизма с переменными ускоре­ниями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбеж­ных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые передачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения на, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентиляторов, компрессоров, газовых турбин, Причинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и выпуске свободной струи газа; пульсации рабочей среды, вызываемые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин; колебания, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэродина­мический шум — один из самых значительных по уровню звука.

Гидравлические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулентность, гидравлические удары). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхностей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических машинах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума пишется взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а также электрические (пондеромоторные) силы, вызываемые взаи­модействием электромагнитных полей, создаваемых переменными электрическими токами.

Воздействие акустических колебаний (шума) на человека. Шум звукового диапазона на производстве приводит к снижению вни­мания и увеличению ошибок при выполнении работы. В результате снижается производительность труда и ухудшается качество наполняемой работы. Шум замедляет реакцию человека на поступающие от технических объектов и внутрицехового транспортные сигналы, что способствует возникновению несчастных случа­ли ил производстве.

Проявление вредного воздействия шума на организм человека весьма разнообразно. Наиболее опасно длительное воздействие интенсивного шума на слух человека, которое может привести  к частичной или полной потере слуха. Медицинская статистика показывает, что тугоухостьв последние годы выходит на ведущее место в структуре профессиональных заболеваний и не имеет тенденции к снижению. Поэтому важно знать особенности восприятия звука человеком, допустимые с точки зрения обеспечения здоровья, высокой производительности и комфортности уровни шума, а также средства и способы борьбы с шумом. Восприятие звука человеческим ухом представляет собой сложный процесс.Человеческое ухо неодинаково реагирует на звуки с разными частотами. На рисунке 2.2.6 представлена характеристика слухового восприятия человека с нормальным слухом. Предельные значения дюнной звукового давления изображены двумя кривыми. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости. Как видно, приопределенных частотах человек слышит отрицательные уровни звука. Это объясняется тем, что логарифмическая шкала уровнейзвукового давления построена таким образом, что за пороговое значение уровня звукового давления р₀ принят порог слышимо­сти на частоте 1000 Гц (L_p = 0 дБ). Однако порог слышимости человека на частотах 2000...4000 Гц меньше. Верхняя кривая со­ответствует порогу болевого ощущения (L_p= 120... 130 дБ). Звуки, превышающие по своему уровню порог болевого ощущения, мо­гут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате (перфора­ция или даже разрыв барабанной перепонки). Область на частот­ной шкале, лежащая между двумя кривыми, называется областью слухового восприятия.

Рисунок 2.2.6 – Кривые равной громкости.

Чувствительность уха заметно увеличивается при частотах от 20 до 1000 Гц. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 Гц до 4000 Гц, где она практически постоянна. После частоты 4000 Гц чувствительность уха снова уменьшается. Чтобы услышать низкий тон с частотой 50 Гц, требуется звуковое давление, в 100 раз превышающее звуковое давление, соответствующее тону с частотой 1000 Гц. Уровень одинаковой громкости звуковых сигналов в фонах на разных частотахне соответствует уровню звукового давления в децибелах и совпадают они лишь на частоте 1000 Гц .

Шум влияет на весь организм человека. Он угнетает централь­ную нервную систему, вызывает изменения скорости дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникнове­нию сердечно-сосудистых заболеваний, язвы желудка, гиперто­нической болезни, может привести к профессиональному заболе­ванию.Шум с уровнем звукового давления до 30...45 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение уровня звука до 40...70 дБ создает дополнительную нагрузку на нервную систему, вызывает ухудшение самочувствия и при длительном воздейст­вии может стать причиной неврозов. Длительное воздействие шума с уровнем свыше 80 дБ может привести к ухудшению слу­ха — профессиональной тугоухости. При действии шума свыше 130 дБ возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при уровнях звука свыше 160 дБ вероятен смертельный исход.

Шум является одним из главных неблагоприятных производственных факторов, при длительном воздействии которого у человека наблюдаются следующие функциональные расстройства (рис. 2.2.7)

Рисунок 2.2.7– Результат длительного воздействия шума на организм человека

 Длительное воздействие интенсивного шума (выше 80 дБА) на слух человека приводит к его частичной или полной потере. В зависимости от длительности и интенсивности воздействия шума происходит большее или меньшее снижение чувствительности органов слуха, выражающееся  временным смещением порога слышимости, которое исчезает после окончания воздействия шума, а при большой длительности и (или) интенсивности шума происходят необратимые потери слуха (тугоухость), характеризуемые постоянным изменением порога слышимости.

Различают следующие степени потери слуха:

• I степень (легкое снижение слуха) – потеря слуха в области речевых частот составляет 10 - 20 дБ, на частоте 4000 Гц  –  20 - 60 дБ;

• II степень (умеренное снижение слуха) – потеря слуха в области речевых частот составляет 21 - 30 дБ, на частоте 4000 Гц  –  20 - 65 дБ;

• III степень (значительное снижение слуха) – потеря слуха в области речевых частот составляет 31 дБ и более, на частоте 4000 Гц  –  20 - 78 дБ.

В настоящее время "шумовая болезнь" характеризуется комплексом симптомов:

• снижение слуховой чувствительности;

• изменение функции пищеварения, выражающейся в понижении кислотности;

• сердечно-сосудистая недостаточность;

• нейроэндокринные расстройства.

 Действие шума на организм человека не ограничивается воздействием на орган слуха. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения. Человек, подвергающийся воздействию интенсивного (более 80 дБ) шума, затрачивает в среднем на 10 – 20% больше физических и нервно-психических усилий, чтобы сохранить выработку, достигнутую им при уровне звука ниже 70 дБ(А). Установлено повышение на 10 – 15% общей заболеваемости рабочих шумных производств. Воздействие на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших уровнях звука (40 – 70 дБ(А). Из вегетативных реакций наиболее выраженным является нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышения артериального давления (при уровнях звука выше 85 дБА).

Воздействие шума на центральную нервную систему вызывает увеличение латентного (скрытого) периода зрительной моторной реакции, приводит к нарушению подвижности нервных процессов, изменению электроэнцефалографических показателей, нарушает биоэлектрическую активность головного мозга с проявлением общих функциональных изменений в организме (уже при шуме 50 – 60 дБА), существенно изменяет биопотенциалы мозга, их динамику, вызывает биохимические изменения в структурах головного мозга.

При импульсных и нерегулярных шумах степень воздействия шума повышается.  Изменения в функциональном состоянии центральной и вегетативной нервных систем наступают гораздо раньше и при меньших уровнях шума, чем снижение слуховой чувствительности.

Инфразвук в производственных условиях чаще всего возникает при работе тихоходных крупногабаритных машин и механизмов (вентиляторов, компрессоров, дизельных двигателей, электровозов, турбин, реактивных двигателей и т. д.), циклы работы которых повторяются не чаще 20 раз в секунду, при турбулентных процессах в мощных потоках газов и жидкостей, а в природе — при землетрясениях, морских бурях, извержениях вулканов. Согласно медицинским исследованиям инфразвуковые колебания вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха, слабые звуки действуют на внутреннее ухо, создавая эффект морской болезни, сильные вызывают вибрацию органов человека, нарушая их функции (сердце может даже остановиться). При колебаниях средней мощности наблюдаются внутренние расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями (обморок, общая слабость и т. д.). Более того, инфразвук средней силы может вызвать слепоту, а опыты французского профессора Гавро показали, что мощный инфразвук частотой 7 Гц смертелен для организма.

На основании проведения исследований выделяют следующие зоны активного действия инфразвука:

• зона «функционального покоя» - верхняя граница 85-90 дБ; в этой зоне инфразвук не оказывает негативного воздействия на организм;

• зона «функционального утомления» - верхняя граница – 105-115 дБ; в этой зоне отмечаются функциональные изменения в организме, которые полностью нормализуются при пребывании в условиях относительного звукового покоя ниже 90 дБ в течение 15-20 минут, при воздействии инфразвука с уровнем 110 дБ в течение до 15 суток, восстановительный процесс в организме продолжается в около 6 часов;

• зона «функциональный начальных деструктивных изменений» - верхняя граница 125-145 дБ (для мышцы сердца – миокарда – 115-120 дБ); восстановительный процесс в организме требует 2-2,5 суток нахождения в условии относительного звукового покоя ниже 90 дБ;

• зона «необратимых деструктивных изменений в организме» - при воздействии инфразвука выше 125-145 дБ.

На производстве ультразвук применяют для дефектоскопии отливок, сварных швов, пластмасс, при измельчении твердых веществ в жидкостях, для очистки и обезжиривания деталей, гомогенизации молока, резания, сварки металла, дробления, сверления хрупких материалов, ускорения брожения при изготовлении вин, в медицине — для диагностики и лечения многих заболеваний. Ультразвук может действовать на человека как через воздуш­ную среду, так и контактно на руки — через жидкую и твердую среды. Воздействие через воздушную среду вызывает функцио­нальные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокрин­ной систем, а также изменения свойств и состава крови, артери­ального давления. Контактное воздействие на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, сниже­нию болевой чувствительности, изменению костной структу­ры — снижению плотности костной ткани.

Длительное воздействие ультразвука на человека вызывает быструю утомляемость, головную боль, раздражение, боль в ушах, бессонницу, а также профессиональные заболевания — парезы кистей и предплечий. Поэтому необходимо предупреждать контактное озвучивание через твердые и жидкие среды, а также ограничивать распространение ультразвука и шума в воздухе рабочей зоны. Важно помнить о том, что ультразвуковые волны подчиняются всем законам волнового движения; им свойственны отражение, преломление, дисперсия, дифракция и интерференция, причем указанные свойства использовать легче, чем свойства обычных звуковых волн, в связи со значительно меньшей длиной волны ультразвука.

Профессиональные заболевания от воздействия ультразвука зарегистрированы лишь при контактной передаче ультразвука на руки – вегето-сенсорная (ангионевроз) или сенсомоторная полиневропатия рук. Неблагоприятное действие на человека инфра – и ультразвука приведено в таблице (табл. 2.2.2).

Таблица 2.2.2 – Действие на человека инфра- и ультразвука

Инфразвук	Ультразвук
Чувство подавленности; Чувство страха; Эффект морской болезни; Вибрация органов человека; Расстройства органов пищеварения и мозга; Снижение зрения (вплоть до слепоты); На частоте 7 Гц мощный инфразвук смертелен	Быстрая утомляемость; Головная боль; Раздражительность; Боль в ушах; Бессонница; Порезы кистей и предплечий (профзаболевания)

Нормирование шума призвано предотвратить нарушение слуха и снижение работоспособности и производительности труда работающих. Для разных видов шумов применяются различные способы нормирования. Для постоянных шумов нормирование осуществляется по предельному спектру шума в активных полосах частот в дБ уровни звукового давленияL_Pi(дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Полосу сf_c= 16 000 Гц не учитывают, так как звуки такой частоты слышны слабо. Для ориентировочной оценки шумовой характеристики рабочих мест допускается за шумовую характеристику принимать уровень звукаL в дБ(А), измеряемый по временной характеристике шумомера «S - медленно».

Нормируемыми параметрами прерывистого иимпульсногошума в расчетных точках следует считать эквивалентные (но энергии) уровни звукового давленияL_эквв дБ в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Шкала А шумомера предназначена для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шума, приблизительно со ответствующего линиям равной громкости звуков, и отражает его субъективное восприятие человеком

  Для непостоянных шумов нормируется так же по интегральному показателю (эквивалентный уровень звука) в дБ(А).

Допустимые уровни звукового давления для рабочих мест служебных помещений и для жилых и общественных зданий и их территорий различны.

Нормативным документом, регламентирующим уровни шума для различных категорий рабочих мест служебных помещений является ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности». Санитарные правила и нормы СанПиН 2.2.4/2.1.583.96 «Инфразвук на рабочих местах, в жилых и общественных помещениях и на территории жилой застройки», устанавливают критерии безвредности и безопасности инфразвука для человека в среде его обитания и требования к обеспечению благоприятных условий его жизнедеятельности (табл. 2.2.3).

Таблица 2.2.3 – Допустимые уровни звукового давления в дБ в октавных полосах частот, уровни инфразвука

№ п/п	Назначение помещений	Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, ГЦ				Общий уровень звукового давления, дБ
		2	4	8	16
1	Работа с различной степенью тяжести и напряженности трудового процесса в производственных помещениях и на территории предприятий:
	- работы различной степени тяжести	100	95	90	85	100
	-работы различной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности	95	90	85	80	95
2	Территории жилой застройки	90	85	80	75	90
3	Помещения жилых и общественных зданий	75	70	65	60	75

Для профилактики вредного воздействия ультразвука в среде обитания разработаны технические регламенты, которые изложены в санитарных нормах и правилах СанПиН 2.2.4/2.1.582 – 96 «Гигиенические требования при работах с источниками воздушного и контактного ультразвука промышленного, медицинского и бытового назначения» (табл. 2.2.4)

Таблица 2.2.4 – Предельно допустимые уровни ультразвука на рабочих местах

Воздушный ультразвук
Среднегеометрические частоты 1/3 октавных полос, кГц		Уровни звукового давления, дБ
12,5		80
16,0		90
20,0		100
25,0		105
31,0-100,0		110
Контактный ультразвук*
Среднегеометрические частоты октавных полос, кГц	Пиковые значения виброскорости, м/с		Уровни виброскорости, дБ
8,0-63,0	5,0*10-3		100
125,0-5000	8,9*10-3		105
1*103-31,5*103	1,6*10-3		110

* Предельно допустимые уровни контактного ультразвука следует принимать на 5 дБ ниже табличных данных при совместном воздействии воздушного и контактного ультразвука