Ультразвук, инфразвук

Размещено на http://www.allbest.ru/

Лекция: Ультразвук, инфразвук

УЛЬТРАЗВУК, ЕГО ВЛИЯНИЕ НА ОРГАНИЗМ И БОРЬБА С НИМ

Ультразвуки (неслышимые звуки) представляют собой механические колебания упругой среды и отличаются от звуковых волн более высокой частотой, превышающей верхний порог слышимости (20000гц); диапазон ультразвуковых колебаний чрезвычайно широк - от 2·10⁴ до 10⁹ гц.

Ультразвуковые волны распространяются в любой упругой среде (жидкой, твердой, газообразной), лучше в металлах, воде, хуже в воздухе.

Зависимость между длиной волны (?), частотой (?) и скоростью (c) выражается формулой:

ультразвук организм человек инфразвук

? =

При попадании на границу двух различных сред часть энергии проходит в другую среду, часть отражается. Чем больше акустическое сопротивление сред (произведение плотности среды на скорость распространения в ней ультразвука), тем меньше переход ультразвуков из одной среды в другую. Например, почти 10% ультразвуковой энергии переходит из железа в воду и только 0,1% поступает из железа в воздух. Наибольшее отражение ультразвуковых колебаний наблюдается на границе вода-воздух; хорошо ультразвук проходит из воды в биологические ткани. При прохождении в различных средах ультразвуковые волны в разной степени поглощаются ими, чем обусловлено избирательное действие. Например, абсорбционные свойства мышечной ткани выше жировой; в сером веществе мозга поглощение почти в 2 раза выше, чем в белом; наибольшее поглощение наблюдается в костной ткани, наименьшее - в спинномозговой жидкости.

Поглощение ультразвука сопровождается нагреванием среды. Термический эффект усиливается с повышением частоты колебаний. Помимо теплового действия, ультразвук вызывает в средах ряд других явлений. Например, прохождение ультразвука в жидкости сопровождается эффектом кавитации. При распространении упругих волн в жидкости возникают последовательно фазы сжатия и разрежения, в отдельных участках образуются разрывы или полости, которые заполняются парами жидкости и растворенными в ней газами. При этом в образовавшемся пузырьке создается большое давление, которое может достигать нескольких атмосфер. Последующее сжатие приводит к захлопыванию пузырька, что сопровождается гидравлическим ударом, обладающим большой разрушительной силой. Этим обусловлено механическое действие ультразвука. Образование кавитационных полосстей сопровождается распространением на пограничных поверхностях электрических зарядов, вызывающих люминесцентное свечение, ионизацию молекул воды. С этими явлениями связан ряд химических эффектов: окисляющее действие ультразвука, ускорение химических реакций, разрушение органических соединений.

Впервые ультразвуки были применены французом Ланжевеном и русским инженером Н.К. Шиловским в 1916 г., в целях гидролокации. Начало промышленному применению ультразвуков было положено советским ученым С.Я. Соколовым, который в 1927 г. разработал первый в мире ультразвуковой дефектоскоп. В настоящее время ультразвуки применяются в машиностроении, металлургии, радиотехнической, химической, фармацевтической, легкой и других отраслях промышленности.

В технике ультразвук используется в целях интенсификации технологических процессов - при очистке и обезжиривании деталей, механической обработке твердых и хрупких материалов (сверлении, резании) при сварке, пайке, лужении; для ускорения химических реакций в гальванотехнике, при получении эмульсий; мойке стеклотары, для анализа и контроля (дефектоскопия, определение вязкости, плотности, темпера туры исследуемых материалов и т.п.).

В качестве источников ультразвука применяются акустические преобразователи: пьезоэлектрические, магнитострикционные, аэродинамические, гидродинамические (свистки, сирены), электродинамические. Наиболее распространены в промышленности пьезоэлектрические и магнитострикционные преобразователи. Пьезоэлектрические преобразователи используются преимущественно в контрольно-измерительных приборах, дефектоскопах. Для этих целей чаще применяются ультразвуки высокой частоты (порядка нескольких мегагерц), но небольшой мощности (100-300 вт). Более широко распространены в промышленности магнитострикционные преобразователи. Они применяются для генерирования ультразвука при интенсификации технологических процессов. В технологических целях используются низкочастотные ультразвуки 24 000-30 000 гц. Мощность применяемых преобразователей в зависимости от технологического процесса различна и колеблется от 100вт до 5-10квт. Именно эта область применения ультразвука должна в первую очередь привлекать внимание врача.

Основными элементами ультразвукового оборудования являются генератор и акустический преобразователь. Под действием переменного электрического тока, подаваемого с генератора, в преобразователе возбуждаются механические колебания.

При процессах, протекающих в жидкости (очистка и обезжиривание деталей, электрические процессы в гальванотехнике), пластинчатый преобразователь встроен в дно ванны. От излучающей поверхности его колебания передаются жидкости, в которую погружаются обрабатываемые детали. Процессы, связанные с возбуждением ультразвука в твердых средах (сверление, сварка, резание и др.), осуществляются на станках, машинах и агрегатах. Встроенные в них стержневые преобразователи скреплены с инструментом (сверлом, резцом), через который ультразвуковые колебания воздействуют на обрабатываемую деталь.

Работа ультразвукового оборудования независимо от того, протекает ли процесс в жидкой или твердой среде, сопровождается распространением ультразвуковых колебаний в окружающей среде. Источником ультразвука является открытая поверхность преобразователя. При процессах, осуществляющихся в жидкости, ультразвуки поступают в воздух также с ее поверхности. Но изолированно ультразвуковые колебания в производственных условиях почти не встречаются. Генерирование ультразвуковых колебаний сопровождается слышимым шумом, который обусловлен кавитацией, колебаниями обрабатываемых деталей и металлических конструкций оборудования.

Воздействие звуковых и ультразвуковых колебаний на организм работающих происходит через воздух и вследствие непосредственного контакта рук работающего со средами, в которых возбуждены колебания (контактный путь воздействия).

В производственных помещениях суммарные уровни звукового и ультразвукового давления при разных технологических процессах колеблются от 90 до 130 дб. Спектр колебаний, создаваемых ультразвуковым оборудованием в воздухе, характеризуется необычайной широтой. Он охватывает весь слышимый диапазон частот и продолжается в ультразвуковой области. При рабочей частоте оборудования 20 000 гц в спектре наблюдаются ультразвуки с частотой до 100 000 гц. Однако наиболее высокие уровни приходятся на область высоких звуковых и низких ультразвуковых частот, т. е. от 8000-10000 до 31000 гц с максимумом на рабочей частоте. Своеобразный комплекс высокочастотных звуковых и низкочастотных ультразвуковых колебаний является особенностью условий труда. В случае применения ультразвуковых колебаний в жидкости повышение спектральных уровней может наблюдаться с 4000-6000 гц. Увеличение рабочей частоты соответственно вызывает изменения спектрального состава: основная масса энергии размещается в области рабочей и близлежащих в ней частот.

Контактное воздействие ультразвука носит локальный, как правило, периодический и кратковременный характер. Воздействию подвергаются руки рабочего, чаще в период загрузки и выгрузки деталей при обслуживании ультразвуковых ванн, при удерживании детали руками во время обработки, при пайке и лужении, а иногда при сварке и очистке. Иногда такой контакт является следствием несоблюдения мер предосторожности работающими. Если учесть, что в средах, с которыми соприкасаются рабочие, интенсивность довольно высокая, даже кратковременный контакт является крайне нежелательным.

Из методов ультразвукового анализа и контроля наиболее широкое применение имеет дефектоскопия. При дефектоскопии, как правило, используются ультразвуки высокой частоты порядка сотен килогерц и нескольких мегагерц. При этом основное внимание следует уделить предотвращению контактного воздействия, особенно в период монтажа, наладки и испытания дефектоскопов.

При работе сирен, свистков, электродинамических излучателей Синклера в воздухе могут создаваться ультразвуковые поля интенсивностью 140-160 дб. Эти виды оборудования используются для экспериментальных работ, а в производственных условиях почти не встречаются.

Наиболее изучено биологическое действие ультразвука при контактном его воздействии. В эксперименте установлено, что ультразвуковые колебания, глубоко проникая в организм, могут вызвать серьезные локальные нарушения в тканях: воспалительную реакцию, геморрагии, а при высокой интенсивности - некроз.

В производственных условиях вследствие кратковременного воздействия ультразвука описанные выше контактные грубые нарушения не наблюдаются. При систематическом же контакте с источником ультразвука в жидкости (у медицинских работников) выявлены профессиональные заболевания - парезы кистей и предплечий.

Имеются экспериментальные данные о действии ультразвука, распространяющегося в воздухе. Низкочастотные ультразвуки высокой интенсивности (160- 165 дб) в течение нескольких минут вызывают гибель животных от паралича дыхательного центра при явлениях ожога кожи, гипертермии, паралича конечностей.

Результаты клинических наблюдений за состоянием здоровья работающих получены в условиях одновременного действия шума и ультразвука. Лица, обслуживающие ультразвуковое оборудование, предъявляют многообразные жалобы, главным образом на головную боль, головокружение, быструю утомляемость, расстройство сна, сонливость днем, раздражительность, повышение чувствительности к звукам. К концу смены может наблюдаться повышение температуры тела, урежение пульса (брадикардия), замедление рефлекторных реакций на внешние раздражения. При клиническом обследовании отмечается астенический синдром.

Исследования высшей нервной деятельности указывают на снижение активности торможения, силы раздражительного процесса и инертности его. У лиц, длительное время занятых экспериментальной работой на ультразвуковых установках, иногда наблюдаются диэнцефальные нарушения (потеря в весе, резкий подъем содержания сахара в крови с медленным падением до исходного уровня, гипертиреоз, повышение механической возбудимости мышц, зуд, пароксизмальные приступы типа висцеральных кризов). Нередки нарушения функции периферического отдела нервной системы, онемение, снижение всех видов чувствительности по типу коротких и длинных перчаток, гипергидроз. Наблюдаются также снижение слуха и своеобразные расстройства со стороны вестибулярного аппарата - отсутствие нистагма (непроизвольные быстро следующие друг за другом движений глаз из стороны в сторону) в одну или обе стороны при вестибулярных пробах, диссоциация между нистагменной и другими рефлекторными реакциями, диссоциация между вращательной и калорической пробой. Изменения являются следствием комбинированного действия шума и ультразвука. Периферические нарушения обусловлены преимущественно контактным воздействием ультразвуковых колебаний. Мероприятия должны быть направлены на ограничение воздействия звуковых и ультразвуковых колебаний, передающихся по воздуху и контактным способом.

Основной мерой снижения шума и ультразвука является понижение интенсивности в источнике, но этот путь не всегда технически возможен. На промышленных предприятиях нередко применяется завышенная интенсивность ультразвуковых колебаний, поэтому в первую очередь следует уделять внимание рациональному подбору мощности оборудования. В тех случаях, когда снижение интенсивности противоречит интересам технологии, наиболее эффективной мерой снижения шума и ультразвука является звукоизоляция оборудования.

Имеется опыт применения звукоизолирующих устройств. Ванны в звукоизоляционном исполнении выпускаются серийно. Звукоизоляция обеспечивается кожухом из листовой стали с герметично закрывающейся крышкой. Внутренние стенки кожуха выстланы слоем пористой резины. Суммарный уровень звукового и ультразвукового давления снижается при этом на 25-30 дб.

Следует иметь в виду, что в момент загрузки и выгрузки деталей звукоизоляция нарушается. Поэтому целесообразно предусматривать автоматическое выключение колебаний при открывании крышки кожуха. Желательно также применение звукоизолирующих устройств для мощных станков и сварочных машин.

Применение звукоизолирующего кожуха на станках позволяет снизить уровень звукового и ультразвукового давления на 30-40 дб. Так как кожух полностью укрывает рабочую поверхность, то применение его создает неудобства при кратковременной обработке, требующей частой смены обрабатываемых деталей, но может с успехом применяться при длительном процессе.

Профилактика контактного воздействия ультразвука достигается путем выключения колебаний в период загрузки и выгрузки деталей, для чего рекомендуется применение автоблокировки.

В значительной мере можно ослабить интенсивность контактного воздействия применением специальных приспособлений для загрузки деталей (сеток, сосудов из оргстекла и др. с ручками, имеющими эластичное покрытие). При необходимости периодического кратковременного контакта рекомендуется применение зажимов, щипцов, ношение резиновых и хлопчатобумажных перчаток. На стенках и сварочных машинах должны быть предусмотрены специальные приспособления для закрепления деталей во время обработки.

Методическими указаниями для промышленно-санитарных врачей медико-санитарных частей по профилактике вредного влияния ультразвука при применении его в промышленности № 424-63 предусматривается систематический контроль за состоянием здоровья рабочих путем проведения предварительных осмотров в случае приема на работу и периодических медицинских осмотров работающих один раз в год.

ИНФРАЗВУК. ФИЗИЧЕСКАЯ И ГИГИЕНИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Инфразвук представляет собой механические колебания, распространяющиеся в упругой среде с частотами менее 20 Гц. Инфразвуковые колебания подчиняются в основном тем же закономерностям, что и звуковые, но низкая частота колебаний придает им некоторые особенности. Инфразвук отличается от слышимых звуков значительно большей длиной волны.

Распространение инфразвука в воздушной среде происходит, в отличие от шума, на большие расстояния от источника, вследствие малого поглощения его энергии. Инфразвук характеризуется такими же параметрами, как и звук. Чем больше амплитуда колебаний, тем больше инфразвуковое давление и соответственно сила инфразвука. Инфразвуковое давление выражается в ньютонах на квадратный метр (Н/м² ). Единицей измерения интенсивности инфразвука является ватт на квадратный метр (Вт/м² ).

Инфразвук характеризуется частотой колебаний, которая регистрируется в герцах (Гц). Уровень интенсивности инфразвука выражается в децибелах (дБ). Важной характеристикой инфразвука является энергетический спектр его мощности, т. е. распределение ее по частотам колебаний.

Воздействию инфразвука человек может подвергаться во время работы и в период отдыха. Многие явления природы - землетрясения, извержения вулканов, морские бури - генерируют инфразвуковые волны.

В современном производстве инфразвуковые колебания в настоящее время имеют широкое распространение. Они образуются при работе компрессоров, турбин, дизельных двигателей, электровозов, промышленных вентиляторов и других крупногабаритных машин и механизмов.

Промышленными источниками интенсивных инфразвуковых волн являются механизмы и агрегаты, имеющие поверхности больших размеров, совершающие вращательное или возвратно-поступательное движение с повторением циклов, менее чем 20 раз в секунду (инфразвуки механического происхождения), и турбулентные процессы при движении больших потоков газов или жидкости (инфразвуки аэродинамического происхождения).

Многие производственные процессы сопровождаются излучением в окружающую среду интенсивных звуковых волн очень низких частот. Причиной их возникновения являются первоначальные возмущающие силы машин и механизмов. Спектры шума этих объектов имеют широкополосный характер с наибольшей звуковой энергией в области низких частот.

Мощным источником инфразвуковых волн в процессе работы компрессорных машин является воздухозаборная система. Спектры шума всасывания имеют четко выраженный гармонический характер на низких частотах и широкополосный на высоких.

Уровень звуковой мощности шума воздухозаборной системы прямо пропорционален мощности компрессора. Увеличение мощности компрессора вдвое повышает уровень звуковой мощности на 3 дБ. При работе компрессоров типа ВП 20/8 на рабочем месте дежурного мастера суммарный уровень звукового давления составляет 113 дБ. Уровень максимальной интенсивности находится в низкочастотном диапазоне и составляет 111 дБ, на частотах выше 50 Гц - достигает 96 дБ. Наибольшие уровни звукового давления приходятся на частоты 8; 12,5 и 20 Гц.

Во многих случаях инфразвуковые колебания являются доминирующей частью спектров шума.

В турбинах интенсивность шума на инфразвуковых частотах наиболее велика.

У виброплощадок основным излучателем звуковой мощности на низких частотах являются колебания подвижной рамы и формы с бетоном. Звуковая мощность на низких частотах и частоте вибрирования пропорциональна площади излучающей поверхности, перпендикулярной направлению распространения колебаний, в значительной мере она зависит от конструкции площадки. Наименьшие уровни инфразвука и низкочастотного шума соответствуют виброплощадкам, конструкции которых близки к излучателю типа поршневой диафрагмы при отсутствии экрана.

Инфразвуковые колебания имеют место в авиационной и космической технике. Источниками инфразвука в авиации являются турбина и компрессор реактивного двигателя. Реактивные двигатели и ракеты генерируют высокие уровни инфразвукового давления с максимальной энергией в низкочастотной области спектра (в диапазоне от 1 до 100 Гц).

ДЕЙСТВИЕ НА ОРГАНИЗМ

Инфразвук влияет на весь организм человека, отражается на его здоровье и работоспособности. Данные многих исследователей свидетельствуют о высокой чувствительности организма человека к уровням колебаний с максимумом энергии в области инфразвуковых частот.

В результате длительного воздействия низкочастотных колебаний у человека развивается значительная астения, появляется слабость, утомляемость, снижается работоспособность, появляется раздражительность, нарушается сон. У некоторых лиц отмечаются нервно-вегетативные нарушения и даже появляются психические нарушения. Известно также, что рабочие компрессорных станций предъявляют жалобы на усталость, головную боль, общее недомогание, плохой сон.

У лиц, находящихся на расстоянии 200-300 м от реактивных самолетов, появляется чувство беспричинного страха, повышается артериальное давление, наблюдаются случаи обморочного состояния.

При работе реактивных двигателей возникает сотрясение грудной клетки и брюшной полости, появляется состояние, напоминающее морскую болезнь, развивается головокружение, тошнота.

Особенностью действия инфразвука является высокая специфическая чувствительность органа слуха к низкочастотным колебаниям.

Описаны случаи неблагоприятного действия инфразвука (патология среднего уха) на рабочих, обслуживающих дизельные двигатели. Четко выявляется снижение слуховой чувствительности (на 10-15 дБ) на всех частотах, причем наибольшее - преимущественно па низких и средних.

Низкочастотные колебания воспринимаются как физическая нагрузка, у человека увеличивается общий расход энергии, возникает утомление, головная боль, головокружение, вестибулярные нарушения, снижается острота зрения и слуха, изменяется ритм дыхания и сердечных сокращений, кровяное давление; могут быть нарушения периферического кровообращения, центральной нервной системы, пищеварения. Характер и выраженность изменений в организме зависят от диапазона частот, уровня звукового давления и длительности воздействия.

В производственных условиях развивающиеся изменения в организме нередко не могут быть отнесены полностью только за счет инфразвука, так как на работающего воздействуют звуковые колебания широкого спектра. Однако в экспериментальных условиях доказано, что инфразвуковые колебания вызывают выраженные изменения в организме. После воздействия инфразвука появляется головная боль, давление на барабанные перепонки, ощущение колебания внутренних органов, брюшной стенки, отдельных групп мышц (икроножных, спинных и др.). Помимо этого, жалобы на сухость во рту, затрудненное глотание, влажность рук и резко выраженное чувство усталости. Установлено снижение слуховой чувствительности, преимущественно на низких и средних частотах, изменения в периферическом кровообращении.

Обнаруженные сдвиги не были стойкими, через 25-30 мин возвращались к исходным цифрам, однако чувство усталости сохранялось длительное время.

Инфразвуковые колебания с уровнем звукового давления до 150 дБ находятся в пределах выносливости человека при кратковременном воздействии. Низкочастотные колебания с уровнем свыше 150 дБ испытуемые совершенно не переносят. Вначале появляются жалобы на головную боль, головокружение, изменение ритма сердечной деятельности, учащение дыхания, звон в ушах, снижение остроты зрения, колебания в области грудной клетки, кашель. Затем возникает чувство страха, тошнота, общая слабость, утомление.

Частоты колебаний от 2-15 Гц являются особенно нежелательными из-за резонансных явлений в организме. Инфразвук с частотой 8 Гц наиболее опасен для человека, так как возможно его совпадение с альфа-ритмом биотоков мозга. При частотах от 1 до 3 Гц возможна кислородная недостаточность, нарушение ритма дыхания. При частотах от 5-9 Гц появляются болезненные ощущения в грудной клетке и в нижней части живота. В диапазоне частот от 8 до 12 Гц появляются боли в пояснице, а при более высоких частотах отмечаются болезненные симптомы в полости рта, гортани, мочевом пузыре, прямой кишке, а также в некоторых мышцах.

Таким образом, инфразвук как профессиональный фактор может воздействовать на весь организм человека и оказывает специфическое действие на орган слуха. Причиной биологического действия инфразвука служат, по-видимому, колебания, воспринимаемые как органом слуха, так и всей поверхностью тела.

ПРОФИЛАКТИЧЕСКИЕ МЕРОПРИЯТИЯ

В настоящее время уровни интенсивности инфразвуковых колебаний не нормируются вследствие недостаточной их изученности. Общепринятые звукоизмерительные приборы и методы измерения шума на производстве не позволяют выявить величины инфразвуковых составляющих в спектрах шума.

Для регистрации инфразвуковых сигналов и измерения их могут быть применены микрофоны, специально оборудованные для этой цели.

Снижение интенсивности инфразвука на производстве - одна из первоочередных задач гигиены труда.

Борьба с неблагоприятным воздействием производственного инфразвука включает целый комплекс мероприятий, относящихся к технической и медицинской компетенции, и должна проводиться в следующих направлениях:

1. Ослабление инфразвука в его источнике, устранение причин возникновения;

2. Изоляция инфразвука;

3. Поглощение инфразвука, постановка глушителей;

4. Индивидуальные средства защиты;

5. Медицинская профилактика.

Уменьшение интенсивности инфразвука, генерируемого агрегатами или механизмами, представляет собой сложную техническую задачу, поэтому вопросы уменьшения интенсивности низкочастотных колебаний рационально решать на стадии проектирования. Борьба с инфразвуком должна начинаться с разработки проектного задания на строительство предприятия.

Важное место в борьбе с инфразвуком принадлежит методам и средствам строительной акустики. Большое значение имеет рациональная планировка помещений и размещение инфразвукового оборудования. Необходимо агрегаты изолировать в отдельное помещение.

Предупредительный и текущий санитарный надзор являются частью большой работы по предупреждению инфразвуковой патологии. Ослабление инфразвука в самом источнике образования является наиболее радикальным средством борьбы с низкочастотными колебаниями машин и механизмов.

Для уменьшения амплитуды инфразвуковых колебаний могут быть использованы следующие способы: интерференционный, отражения звуковых волн к источнику их генерирования, поглощения звуковой энергии и некоторые другие.

Э.Н. Малышевым разработан способ пассивно-динамического рассеивания звуковой энергии, смонтирован и испытан динамический глушитель шума всасывания компрессоров типа ВП 20/8. Он представляет собой расширительную камеру с двойными стенками. Наружные стены выполнены жесткими, а внутренние - подвижными со звукопоглощающей облицовкой. Интенсивность инфразвуковых колебаний ослабляется вследствие механического выпрямления периодических колебаний воздуха. Применение динамического глушителя снижает шум всасывания компрессора более чем на 20 дБ.

Кроме динамического глушителя, для уменьшения интенсивности шума всасывания компрессоров типа ВП 20/8М может применяться двухкамерный кольцевой гаситель.

Интенсивность инфразвуковых составляющих в шуме всасывания компрессоров может быть уменьшена при помощи глушителей динамического и кольцевого типа. Наибольшую эффективность в широком диапазоне частот обеспечивает динамический глушитель.

Для уменьшения шума виброплощадок предложен новый способ их возбуждения путем передачи колебательной энергии на расстояние при помощи интенсивных низкочастотных звуковых колебаний направленного действия. Виброустройство выполняется в виде акустического резонатора с одной подвижной стенкой, на которую устанавливается форма с бетонной смесью, а горло резонатора герметично соединено с генератором механических колебаний упругой среды (например, воздуха).

Предложенное техническое решение исключает из конструкции виброплощадок шумный механический привод.

Инфразвук оказывает влияние на орган слуха и равновесия и на всю поверхность человеческого тела, поэтому необходима надежная защита как органа слуха применением противошумов по ГОСТу 15762-70, так и поверхности тела от воздействия инфразвука.

Одной из важнейших мер медицинской профилактики вредного влияния инфразвука является проведение предварительных и периодических медицинских осмотров. Особое внимание надо уделить профессиональному отбору лиц, поступающих для постоянной работы с оборудованием, генерирующим инфразвук.

Лица, подвергающиеся воздействию инфразвука и ультразвука, проходят предварительные и периодические медицинские осмотры.

Размещено на Allbest.ru