Акустические колебания, их воздействия на человека и нормирование

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Старооскольский технологический институт

(филиал) Федерального государственного образовательного учреждения

Высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

КАФЕДРА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ И ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

Домашние задание

По дисциплине: «БЖД»

На тему: «Акустические колебания их воздействия на человека и нормирование»

Старый Оскол

2011 г.

1. Понятие о звуке

Звук, в широком смысле -- упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания; в узком смысле -- субъективное восприятие этих колебаний специальными органами чувств животных или человека.

Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Обычно человек слышит звуки, передаваемые по воздуху, в диапазоне частот от 16--20 Гц до 15--20 кГц. Звук ниже диапазона слышимости человека называют инфразвуком; выше: до 1 ГГц, -- ультразвуком, от 1 ГГц -- гиперзвуком. Среди слышимых звуков следует также особо выделить фонетические, речевые звуки и фонемы (из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка).

Различают продольные и поперечные звуковые волны в зависимости от соотношения направления распространения волны и направления механических колебаний частиц среды распространения.

Понятие о звуке

Звуковые волны могут служить примером колебательного процесса. Всякое колебание связано с нарушением равновесного состояния системы и выражается в отклонении её характеристик от равновесных значений с последующим возвращением к исходному значению. Для звуковых колебаний такой характеристикой является давление в точке среды, а её отклонение -- звуковым давлением.

Если произвести резкое смещение частиц упругой среды в одном месте, например, с помощью поршня, то в этом месте увеличится давление. Благодаря упругим связям частиц давление передаётся на соседние частицы, которые, в свою очередь, воздействуют на следующие, и область повышенного давления как бы перемещается в упругой среде. За областью повышенного давления следует область пониженного давления, и, таким образом, образуется ряд чередующихся областей сжатия и разряжения, распространяющихся в среде в виде волны. Каждая частица упругой среды в этом случае будет совершать колебательные движения.

В жидких и газообразных средах, где отсутствуют значительные колебания плотности, акустические волны имеют продольный характер, то есть направление колебания частиц совпадает с направлением перемещения волны. В твёрдых телах, помимо продольных деформаций, возникают также упругие деформации сдвига, обусловливающие возбуждение поперечных (сдвиговых) волн; в этом случае частицы совершают колебания перпендикулярно направлению распространения волны. Скорость распространения продольных волн значительно больше скорости распространения сдвиговых волн.

Физические параметры звука

Колебательная скорость измеряется в м/с или см/с. В энергетическом отношении реальные колебательные системы характеризуются изменением энергии вследствие частичной её затраты на работу против сил трения и излучение в окружающее пространство. В упругой среде колебания постепенно затухают. Для характеристики затухающих колебаний используются коэффициент затухания (S), логарифмический декремент (D) и добротность (Q).

Коэффициент затухания отражает быстроту убывания амплитуды с течением времени. Если обозначить время, в течение которого амплитуда уменьшается в е = 2,718 раза, через ф, то:

.

Уменьшение амплитуды за один цикл характеризуется логарифмическим декрементом. Логарифмический декремент равен отношению периода колебаний ко времени затухания ф:

Если на колебательную систему с потерями действовать периодической силой, то возникают вынужденные колебания, характер которых в той или иной мере повторяет изменения внешней силы. Частота вынужденных колебаний не зависит от параметров колебательной системы. Напротив, амплитуда зависит от массы, механического сопротивления и гибкости системы. Такое явление, когда амплитуда колебательной скорости достигает максимального значения, называется механическим резонансом. При этом частота вынужденных колебаний совпадает с частотой собственных незатухающих колебаний механической системы.

При частотах воздействия, значительно меньших резонансной, внешняя гармоническая сила уравновешивается практически только силой упругости. При частотах возбуждения, близких к резонансной, главную роль играют силы трения. При условии, когда частота внешнего воздействия значительно больше резонансной, поведение колебательной системы зависит от силы инерции или массы.

Свойство среды проводить акустическую энергию, в том числе и ультразвуковую, характеризуется акустическим сопротивлением. Акустическое сопротивление среды выражается отношением звуковой плотности к объёмной скорости ультразвуковых волн. Удельное акустическое сопротивление среды устанавливается соотношением амплитуды звукового давления в среде к амплитуде колебательной скорости её частиц. Чем больше акустическое сопротивление, тем выше степень сжатия и разрежения среды при данной амплитуде колебания частиц среды. Численно, удельное акустическое сопротивление среды (Z) находится как произведение плотности среды (с) на скорость (с) распространения в ней ультразвуковых волн.

Z = сc

Удельное акустическое сопротивление измеряется в паскаль-секунда на метр (Па·с/м) или дин*с/смі (СГС); 1 Па·с/м = 10^?1 дин * с/смі.

Значение удельного акустического сопротивления среды часто выражается в г/с·смІ, причём 1 г/с·смІ = 1 дин*с/смі. Акустическое сопротивление среды определяется поглощением, преломлением и отражением ультразвуковых волн.

Звуковое или акустическое давление в среде представляет собой разность между мгновенным значением давления в данной точке среды при наличии звуковых колебаний и статического давления в той же точке при их отсутствии. Иными словами, звуковое давление есть переменное давление в среде, обусловленное акустическими колебаниями. Максимальное значение переменного акустического давления (амплитуда давления) может быть рассчитано через амплитуду колебания частиц:

P = 2рfсcA

где Р -- максимальное акустическое давление (амплитуда давления);

· f -- частота;

· с -- скорость распространения ультразвука;

· с -- плотность среды;

· А -- амплитуда колебания частиц среды.

На расстоянии в половину длины волны (л/2) амплитудное значение давления из положительного становится отрицательным, то есть разница давлений в двух точках, отстоящих друг от друга на л/2 пути распространения волны, равна 2Р.

Для выражения звукового давления в единицах СИ используется Паскаль (Па), равный давлению в один ньютон на метр квадратный (Н/мІ). Звуковое давление в системе СГС измеряется в дин/смІ; 1 дин/смІ = 10^?1Па = 10^?1Н/мІ. Наряду с указанными единицами часто пользуются внесистемными единицами давления -- атмосфера (атм) и техническая атмосфера (ат), при этом 1 ат = 0,98Ч10⁶ дин/смІ = 0,98Ч10⁵ Н/мІ. Иногда применяется единица, называемая баром или микробаром (акустическим баром); 1 бар = 10⁶ дин/смІ.

Давление, оказываемое на частицы среды при распространении волны, является результатом действия упругих и инерционных сил. Последние вызываются ускорениями, величина которых также растёт в течение периода от нуля до максимума (амплитудное значение ускорения). Кроме того, в течение периода ускорение меняет свой знак.

Максимальные значения величин ускорения и давления, возникающие в среде при прохождении в ней ультразвуковых волн, для данной частицы не совпадают во времени. В момент, когда перепад ускорения достигает своего максимума, перепад давления становится равным нулю. Амплитудное значение ускорения (а) определяется выражением:

a = щ2A = (2рf)2A

Если бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное давление, но и постоянное. Возникающие при прохождении ультразвуковых волн участки сгущения и разряжения среды создают добавочные изменения давления в среде по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название давления излучения (радиационного давления). Оно служит причиной того, что при переходе ультразвуковых волн через границу жидкости с воздухом образуются фонтанчики жидкости и происходит отрыв отдельных капелек от поверхности. Этот механизм нашёл применение в образовании аэрозолей лекарственных веществ. Радиационное давление часто используется при измерении мощности ультразвуковых колебаний в специальных измерителях -- ультразвуковых весах.

Скорость звука

Скорость звука -- скорость распространения звуковых волн в среде.

Как правило, в газах скорость звука меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях скорость звука меньше, чем в твёрдых телах, что связано в основном с убыванием сжимаемости веществ в этих фазовых состояниях соответственно.

В среднем, в идеальных условиях, в воздухе скорость звука составляет 340--344 м/с

Скорость звука в любой среде вычисляется по формуле:

где в -- адиабатическая сжимаемость среды; с -- плотность.

Генерация звука

Обычно для генерации звука применяются колеблющиеся тела различной природы, вызывающие колебания окружающего воздуха. Примером такой генерации может служить использование голосовых связок, динамиков или камертона. Большинство музыкальных инструментов основано на том же принципе. Исключением являются духовые инструменты, в которых звук генерируется за счёт взаимодействия потока воздуха с неоднородностями в инструменте. Для создания когерентного звука применяются так называемые звуковые или фононные лазеры.

Распространение ультразвука

Распространение ультразвука -- это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений, имеющих место в звуковой волне.

Звуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.

Частицы среды, участвующие в передаче энергии волны, колеблются около положения своего равновесия. Скорость, с которой частицы колеблются около среднего положения равновесия называется колебательной скоростью. Колебательная скорость частиц изменяется согласно уравнению:

V = Usin(2рft + G),

где V -- величина колебательной скорости;

· U -- амплитуда колебательной скорости;

· f -- частота ультразвука;

· t -- время;

· G -- разность фаз между колебательной скоростью частиц и переменным акустическим давлением.

Амплитуда колебательной скорости характеризует максимальную скорость, с которой частицы среды движутся в процессе колебаний, и определяется частотой колебаний и амплитудой смещения частиц среды.

U = 2рfA,

Дифракция, интерференция

При распространении ультразвуковых волн возможны явления дифракции, интерференции и отражения.

Дифракция (огибание волнами препятствий) имеет место тогда, когда длина ультразвуковой волны сравнима (или больше) с размерами находящегося на пути препятствия. Если препятствие по сравнению с длиной акустической волны велико, то явления дифракции нет.

При одновременном движении в ткани нескольких ультразвуковых волн в определённой точке среды может происходить суперпозиция этих волн. Такое наложение волн друг на друга носит общее название интерференции. Если в процессе прохождения через биологический объект ультразвуковые волны пересекаются, то в определённой точке биологической среды наблюдается усиление или ослабление колебаний. Результат интерференции будет зависеть от пространственного соотношения фаз ультразвуковых колебаний в данной точке среды. Если ультразвуковые волны достигают определённого участка среды в одинаковых фазах (синфазно), то смещения частиц имеют одинаковые знаки и интерференция в таких условиях способствует увеличению амплитуды ультразвуковых колебаний. Если же ультразвуковые волны приходят к конкретному участку в противофазе, то смещение частиц будет сопровождаться разными знаками, что приводит к уменьшению амплитуды ультразвуковых колебаний.

Интерференция играет важную роль при оценке явлений, возникающих в тканях вокруг ультразвукового излучателя. Особенно большое значение имеет интерференция при распространении ультразвуковых волн в противоположных направлениях после отражения их от препятствия.

Поглощение ультразвуковых волн

Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.

Величину поглощения можно характеризовать коэффициентом поглощения, который показывает, как изменяется интенсивность ультразвука в облучаемой среде. С ростом частоты он увеличивается. Интенсивность ультразвуковых колебаний в среде уменьшается по экспоненциальному закону. Этот процесс обусловлен внутренним трением, теплопроводностью поглощающей среды и её структурой. Его ориентировочно характеризует величина полупоглощающего слоя, которая показывает на какой глубине интенсивность колебаний уменьшается в два раза (точнее в 2,718 раза или на 63 %). По Пальману при частоте, равной 0,8 МГц средние величины полупоглощающего слоя для некоторых тканей таковы: жировая ткань -- 6,8 см; мышечная -- 3,6 см; жировая и мышечная ткани вместе -- 4,9 см. С увеличением частоты ультразвука величина полупоглощающего слоя уменьшается. Так при частоте, равной 2,4 МГц, интенсивность ультразвука, проходящего через жировую и мышечную ткани, уменьшается в два раза на глубине 1,5 см.

Кроме того, возможно аномальное поглощение энергии ультразвуковых колебаний в некоторых диапазонах частот -- это зависит от особенностей молекулярного строения данной ткани. Известно, что 2/3 энергии ультразвука затухает на молекулярном уровне и 1/3 на уровне микроскопических тканевых структур.

Глубина проникновения ультразвуковых волн

Рассеяние ультразвуковых волн

Преломление ультразвуковых волн

Так как акустическое сопротивление мягких тканей человека ненамного отличается от сопротивления воды, можно предполагать, что на границе раздела сред (эпидермис -- дерма -- фасция -- мышца) будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн.

Отражение ультразвуковых волн

Бегущие и стоячие ультразвуковые волны

Инфразвук

Инфразвук -- упругие волны с частотой менее 16 Гц.

Медузы и инфразвуки

На краю купола медузы расположены примитивные глаза, статоцисты и слуховые колбочки. Размеры их сравнимы с размерами булавочной головки. С их помощью медузы воспринимают инфразвуки с частотой 8--13 Гц.

Перед штормом усиливающийся ветер срывает гребни волн и захлёстывает их. Каждое такое захлопывание воды на гребне волны порождает акустический удар, создаются инфразвуковые колебания, расходящиеся на сотни километров, их улавливает медуза. Купол медузы усиливает инфразвуковые колебания как рупор, и передаёт на слуховые колбочки. Восприняв этот сигнал, медузы уходят на дно за 20 часов до начала шторма на данной местности.

Бионики создали технику, предсказывающую бури, работа которых основана на принципе работы инфрауха медузы. Такой прибор может предупредить о готовящейся буре за 15 часов, а не за два, как обычный морской барометр.

Опыты и демонстрации

Для демонстрации стоячих волн звука служит Труба Рубенса.

Различие в скоростях распространения звука наглядно, когда вдыхают вместо воздуха гелий, и говорят что-либо, выдыхая им, -- голос становится выше. Если же газ -- гексафторид серы SF₆, то голос звучит ниже. Связано это с тем, что газы примерно одинаково хорошо сжимаемы, поэтому в обладающем очень низкой плотностью гелии по сравнению с воздухом происходит увеличение скорости звука, и понижение -- в гексафториде серы с очень высокой для газов плотностью, размеры же ротового резонатора человека остаются неизменными, в итоге меняется резонансная частота, так как чем выше скорость звука, тем выше резонансная частота при остальных неизменных условиях.

О скорости звука в воде можно визуально получить представление в опыте дифракции света на ультразвуке в воде. В воде по сравнению с воздухом, скорость звука выше, так как даже при существенно более высокой плотности воды (что должно было бы привести к падению скорости звука), вода настолько плохо сжимаема, что в итоге в ней скорость звука оказывается всё-равно в несколько раз выше.

Акустическое воздействие на обьект - это довольно сложный и интересный процесс. Например, ультразвук характеризуется большим значением интенсивности, которое можно сфокусировать в небольшом объёме. Эффект зависит от интенсивности, длительности воздействия и состояния организма. Ультразвук может влиять двумя путями: 1. Диффузное воздействие - происходит через воздух; 2. Локальное. При диффузном воздействии происходят нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, может понизиться слух, нарушаются состав и функции крови, может происходить утомление, головные боли. При контактном (локальном) воздействии нарушается капиллярный кровоток, снижается болевая чувствительность (это используется при реабилитации). Может происходить разрежение плотности костей.

Инфразвук очень часто сочетается с низкочастотной вибрацией, вызывает возникновение неприятных ощущений, нарушения в центральной нервной системе, могут быть головные боли, головокружения, нарушения в вестибулярном аппарате, дыхательной системе, может быть вызвано осязаемое движение барабанных перепонок, снижение внимания и работоспособности. Кроме этого, возникает чувство страха, сонливость, даже затруднение речи, у наиболее чувствительных людей усиливается эмоциональная неустойчивость, формируется неуверенность в себе.

В целом, защита от любого акустического воздействия включает в себя снижение звуковой мощности источников, изменение направления воздействия, акустическую обработку помещений, также используют звукоизоляцию, средства индивидуальной защиты, к которым относят специальные наушники, шлемы и ушные вкладыши. Непосредственно к воздействию акустических колебаний принадлежит воздействие ударной волны, при этом влияет не только воздушная волна, в виде акустических колебаний, но и фронт избыточного давления, который охватывает любой живой организм, а значит, может быть перемещение тела в пространстве.

Повреждение от ударной волны определяется фронтом избыточного давления, действующего на организм. Если избыточное давление до 10 кПа, то возникает лишь неприятное ощущение, но это безопасно. Если до 40 КПа - возникают лёгкие поражения в виде звона в ушах, головокружении, головной боли, могут быть лёгкие вывихи или ушибы. Если до 60 кПа - поражение средней тяжести в виде вывихов конечностей, контузии головного мозга, повреждения органов слуха, кровотечения из носа и ушей. Воздействие до 100 кПа - тяжёлые повреждения в виде контузии организма, перелома костей, кровотечения из носа, ушей и внутренних органов, могут быть повреждения внутренних органов. Если воздействие более 100 кПа, то наступает смерть. Так что поосторожнее с экспериментами, ультра и инфразвуковая пушка - опасное орудие!

2. ВОЗДЕЙСТВИЕ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ НА ОРГАНИЗМ

Среди множества природных и антропогенных факторов окружающей среды, влияющих на здоровье людей, наиболее распространенным и наиболее значимым является шум. Шум - беспорядочное сочетание различных по силе и частоте звуков. Шум имеет определенную частоту, выражаемую в герцах, и интенсивность - уровень звукового давления, измеряемый в децибелах. Нормируемым параметром шума является его интенсивность. На рабочем месте он допустим с интенсивностью в 85дБ. При работе мощных двигателей интенсивность шума может быть 120-150дБ; бытовой шум, связанный с жизнедеятельностью людей составляет 45-60дБ.

По характеру спектра шум подразделяют на широкополосный и тональный, по спектральному составу - на низкочастотный (ниже 400 Гц.), среднечастотный (400-1000 Гц.), высокочастотный (более 1000 Гц.); по временным характеристикам - на постоянный и непостоянный (колеблющийся, прерывистый, импульсный - менее 30 звуковых импульсов в секунду).

Специфическое воздействие шума заключается в развитии тугоухости в результате поражения кохлеарного нерва. Как правило, оба уха страдают одинаково. Начальные проявления профессиональной тугоухости развиваются у лиц проработавших в условиях интенсивного шума (более 85дБ) около 5 лет. Риск потери слуха при 10-летней продолжительности воздействия шума при уровне 90 дБ составляет 10 процентов, при 100 дБ - 30 процентов, при 110-120 дБ - 55 процентов.

Как показали исследования, шум оказывает повреждающее воздействие не только на орган слуха, но и на другие органы и системы человека. Воздействие шумового фактора вызывает прежде всего функциональные расстройства центральной нервной системы, и, даже повреждения нервных структур. Подобное воздействие шума установлено и на другие системы: сердечно-сосудистую, органы дыхания, пищеварения, иммунную, кроветворения. Эти данные позволили сформулировать понятие о шумовой болезни, как самостоятельной форме профессиональной патологии.

Патогенез шумовой патологии связан с нарушениями в окислительно- восстановительном равновесии внутренней среды организма. В состоянии психо-эмоционального стресса (в т.ч. шумового) происходит сдвиг в сторону образования избытка перекисных радикалов, которые в силу своей высокой реакционной способности вносят разлад во многие обменные реакции. Пероксидации, в первую очередь, подвергаются полиненасыщенные жирные кислоты, а так как их содержание в клеточных мембранах велико, страдают, прежде всего, клеточные стенки. Имеются данные о том, что после однократного воздействия интенсивного шума в течение 3-4 часов уровень перекисных липидов в плазме крови повышается значительно и держится около 8 часов, при этом остаются сниженными показатели антиоксидантной системы. Эти изменения приводят к дистрофическим изменениям внутренних органов, к преждевременному старению организма в целом. Установлено, что воздействие шумов низкочастотного спектра и инфразвука приводит к более ранним и более выраженным изменениям как в органе слуха, так и в других органах и системах. Основой воздействия инфразвуковых акустических колебаний являются сосудистые изменения микроциркуляторного русла органов, приводящие к застойным явлениям, дистрофии органов, к паранекротическим изменениям и, даже, некрозам очагового характера при выраженной интенсивности и длительности воздействия.

Неспецифическое воздействие шума обычно проявляется раньше, чем изменения в органе слуха, и выражаются, прежде всего, в нарушениях в нервно-психической сфере в форме невротического и астенического синдромов, сопровождающихся раздражительностью, общей слабостью, головной болью, головокружением, повышенной утомляемостью, расстройствами сна, ослаблением памяти.

Объективно это проявляется снижением или повышением сухожильных рефлексов, тремором пальцев вытянутых рук, пошатыванием в позе Ромберга, гипергидрозом, ярким стойким дермографизмом. Затем развиваются функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы, пищеварительной системы в виде НЦД гипертензивного типа, функционального расстройства желудка гипермоторного типа. В последующем развиваются гипертоническая болезнь, гастриты, язвенная болезнь, прогрессирует атеросклероз и его последствия в виде ишемической болезни сердца, сахарного диабета, энцефалопатии. Параллельно отмечаются дисфункции и органические изменения во всех других органах и системах, К шуму нет привыкания. Даже если субъективно длительный шум не мешает человеку, у него все равно могут возникнуть нарушения здоровья и преждевременное старение.

Примерно 10 процентов людей имеют выраженную повышенную чувствительность к шумовому воздействию. У них раньше развиваются изменения в слуховом анализаторе, а также более выраженными наблюдаются неспецифические реакции со стороны нервной, сердечно-сосудистой и других систем. Доказано, что это люди с повышенной тревожностью по методике Тейлора, психологические интроверты по Айзенку, особенно - эмоционально неустойчивые. Эти данные могут быть использованы врачом части (корабля) при проведении профессионального отбора лиц для работы с повышенными шумовыми нагрузками.

Проблема защиты от вредного воздействия шума включает несколько направлений деятельности медицинской службы. Наиболее эффективным путем решения проблемы борьбы с шумом является снижение его уровня в самом источнике за счет изменения технологии и конструкции машин и механизмов. При невозможности снижения шума таким путем, оборудование, являющееся источником шума устанавливают в спецпомещение, а пульт управления выносят в другом помещении. В некоторых случаях снижение уровня шума достигается путем применения звукопоглощающих кожухов, экранов, других видов звукоизоляции. Работающие в условиях интенсивного шума подлежат предварительным и периодическим медосмотрам (не реже 1 раза в полгода с целью выявления ранних донозологических изменений в здоровье, профилактики прогрессирования их. Эффективным средством профилактики вредного воздействия шума является полноценный отдых в комфортных спокойных условиях, полноценное питание с включением в рацион продуктов, богатых витаминами, антиоксидантными веществами (салаты из зелени с растительным маслом, свежая морковь, свекла кабачки, чеснок, лук и др.). Очень важно разъяснить персоналу шумовых производств о необходимости гигиенической и атлетической гимнастики для профилактики вредного воздействия шума. Полезен аутотренинг во время вахты по 5-10 мин., релаксирующего плана.

Лечение шумовой патологии зависит от органа-мишени, выраженности изменений. Вопросы ВВЭ также зависят от выраженности изменений органов-мишеней, длительности воздействия шумового фактора.

Допустимые уровни звукового давления

Акустические колебания

Физическое понятие об акустических колебаниях охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред. Акустические колебания в диапазоне 16 Гц...20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми, с частотой менее 16 Гц - инфразвуковыми, выше 20 кГц - ультразвуковыми. Распространяясь в пространстве, звуковые колебания создают акустическое поле.

Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми: нижняя - порог слышимости, верхняя - порог болевого ощущения.

Самые низкие значения порогов лежат в диапазоне 1...5 кГц. Порог слуха молодого человека составляет 0 дБ на частоте 1000 Гц, на частоте 100 Гц порог слухового восприятия значительно выше, так как ухо менее чувствительно к звукам низких частот. Болевым порогом принято считать звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуковому давлению 200 Па и интенсивности 100 Вт/м². Звуковые ощущения оцениваются по порогу дискомфорта (слабая боль в ухе, ощущение касания, щекотания).

Шум определяют как совокупность апериодических звуков различной интенсивности и частоты. Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность: разговорная речь - 50...60 дБ А, автосирена - 100 дБ А, шум двигателя легкового автомобиля - 80 дБ А, громкая музыка - 70 дБ А, шум от движения трамвая - 70...80 дБ А, шум в обычной квартире - 30...40 дБ А.

По спектральному составу в зависимости от преобладания звуковой энергии в соответствующем диапазоне частот различают низко-, средне- и высокочастотные шумы, по временным характеристикам - постоянные и непостоянные, последние, в свою очередь, делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные, по длительности действия - продолжительные и кратковременные. С гигиенических позиций придается большое значение амллитудно-временным, спектральным и вероятностным параметрам непостоянных шумов, наиболее характерных для современного производства.

Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, исключительно сильное влияние оказывает шум на быстроту реакции, сбор информации и аналитические процессы, из-за шума снижается производительность труда и ухудшается качество работы. Шум затрудняет своевременную реакцию работающих на предупредительные сигналы внутрицехового транспорта (автопогрузчиков, мостовых кранов и т. п.), что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.

В биологическом отношении шум является заметным стрессовым фактором, способным вызвать срыв приспособительных реакций. Акустический стресс может приводить к разным проявлениям: от функциональных нарушений регуляции ЦНС до морфологически обозначенных дегенеративных деструктивных процессов в разных органах и тканях. Степень шумовой патологии зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, функционального состояния ЦНС и, что очень важно, от индивидуальной чувствительности организма к акустическому раздражителю.

Индивидуальная чувствительность к шуму составляет 4...17%. Считают, что повышенная чувствительность к шуму определяется сенсибилизированной вегетативной реактивностью, присущей 11 % населения. Женский и детский организм особенно чувствительны к шуму. Высокая индивидуальная чувствительность может быть одной из причин повышенной утомляемости и развития различных неврозов.

Шум оказывает влияние на весь организм человека: угнетает ЦНС, вызывает изменение скорости дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни, может приводить к профессиональным заболеваниям.

Шум с уровнем звукового давления до 30...35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40...70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия и при длительном действии может быть причиной неврозов. Воздействие шума уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха - профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.

Специфическое шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анализатора, проявляется медленно прогрессирующим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить в первые месяцы воздействия, у других - потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве. Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ - начинает серьезно мешать человеку, так как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи.

Оценка состояния слуховой функции базируется на количественном определении потерь слуха и производится по показателям аудио-метрического исследования. Основным методом исследования слуха является тональная аудиометрия. При оценке слуховой функции определяющими приняты средние показатели порогов слуха в области восприятия речевых частот (500, 1000, 2000 Гц), а также потеря слухового восприятия в области 4000 Гц.

Критерием профессионального снижения слуха принят показатель средней арифметической величины снижения слуха в речевом диапазоне, равный 11 дБ и более. Помимо патологии органа слуха при воздействии шума наблюдаются отклонения в состоянии вестибулярной функции, а также общие неспецифические изменения в организме; рабочие жалуются на головные боли, головокружение, боли в области сердца, повышение артериального давления, боли в области желудка и желчного пузыря, изменение кислотности, желудочного сока. Шум вызывает снижение функции защитных систем и общей устойчивости организма к внешним воздействиям.

Нормируемые параметры шума на рабочих местах определены ГОСТ 12.1.003-83* и Санитарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562-46 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки". Документы дают классификацию шумов по спектру на широкополосные и тональные, а по временным характеристикам - на постоянные и непостоянные. Для нормирования постоянных шумов применяют допустимые уровни звукового давления (УЗД) в девяти октавных полосах частот (табл. 7.1.) в зависимости от вида производственной деятельности. Для ориентировочной оценки в качестве характеристики постоянного широкополосного шума на рабочих местах допускается принимать уровень звука (дБ А), определяемый по шкале А шумомера с коррекцией низкочастотной составляющей по закону чувствительности органов слуха и приближением результатов объективных измерений к субъективному восприятию.

Таблица. Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентного уровня звука на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятий по ГОСТ 12.1.003-83* с дополнениями 1989 г. (извлечение)

Непостоянные шумы делятся на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные. Нормируемой характеристикой непостоянного шума является эквивалентный по энергии уровень звука (дБ А).

Для тонального и импульсного шума допустимый уровень звука должен быть на 5дБ меньше значений. Эквивалентный по энергии уровень звукового давления.

где ф_i - относительное время воздействия шума класса L_i, % времени измерения;

L_i - уровень звука класса i, дБ А.

При оценке шума допускается использовать дозу шума, так как Остановлена линейная зависимость доза-эффект по временному смещению порога слуха, что свидетельствует об адекватности оценки шума по энергии. Дозный подход позволяет также оценить кумуляцию шумового воздействия за рабочую смену.

ультразвук акустический организм

Нормирование допустимого шума в жилых помещениях, общественных зданиях и на территории жилой застройки осуществляется в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

Оценивать и прогнозировать потери слуха, связанные с действием производственного шума, дает возможность стандарт ИСО 1999: (1975) "Акустика-определение профессиональной экспозиции шума и оценка нарушений слуха, вызванных шумом".

В производственных условиях нередко возникает опасность комбинированного влияния высокочастотного шума и низкочастотного ультразвука, например при работе реактивной техники, при плазменных технологиях.

Борьбу с шумом следует начинать уже на стадии проектирования любого технического или бытового проекта, для этого используются организационные, технические и медико-профилактические мероприятия. Рассмотрим подробнее технический метод снижения шума в производственных помещениях. При этом отметим, что снижение шума за счет акустической обработки помещений цехов, заключающейся в установлении звукопоглощающей облицовки, позволяет решить одновременно две задачи: улучшить условия труда и защитить население близлежащей жилой застройки от действия шума.

Звукоизолирующая способность ограждения зависит от его размеров, формы, расположения, материалов и т. д. Явление звукопоглощения объясняется преобразованием колебательной энергии шума в тепловую. Наибольшее звукопоглощение обеспечивают пористые и перфорированные материалы, ткань.

Выбор конструкции звукопоглощающей облицовки производится не только для получения максимального звукопоглощения в каких-либо полосах частот, но также для обеспечения дизайна, эстетики и работоспособности облицовки в конкретных условиях (наличие пыли, агрессивных сред и т. д.). В табл. 4.10 указаны санитарно-гигиенические нормы уровней звукового давления для восьми октавных полос по мере возрастания частоты (1--8) для ряда производственных помещений.

Медико-профилактические мероприятия подразумевают контроль параметров шумовой обстановки, с одной стороны, и контроль состояния здоровья работающих и населения с другой.

В системах связи значительное место занимают вопросы, связанные с предъявлением человеку звуковой информации (телевизионные и радиотехнические объекты, системы звуковой связи, информационно-справочные системы); поэтому соотношение шум -- полезный сигнал имеет определяющее значение в передаче звуковой информации.

Поскольку звуковой анализатор человека (наружное, среднее, внутреннее ухо, слуховой нерв и система нервных связей с мозгом) неодинаково чувствителен к звукам различной частоты, то субъективное восприятие звуковых сигналов отличается от звуковых характеристик звука, подчиняясь закону пороговых приращений Вебера -- Фехнера, поскольку звуки малой частоты воспринимаются как менее громкие по сравнению со звуками большей частоты той же интенсивности. Например, для среднего участка слышимого диапазона изменение звука по интенсивности и частоте составляет 0,1 интенсивности раздражителя. В пределах 60--2000 Гц при интенсивности звука 30 дБ различимая прибавка составляет 2--3 Гц, а в пределах 2000--16 000 Гц относительная величина энергетического порога примерно постоянна и составляет 0,02. Все это должно учитываться при конструировании радиоаппаратуры.

Кроме того, отметим, что длительность звукового раздражения, необходимая для возникновения ощущения, также зависит от частоты и интенсивности звука. С увеличением частоты и интенсивности временной порог чувствительности слухового анализатора сокращается. Для частот 1 кГц и более при интенсивности более 30 дБ слуховое ощущение возникает при длительности звукового раздражения около 0,001 с, а уменьшение интенсивности до 10 дБ увеличивает это время до 0,05 с. Минимальное время, необходимое для отчетливого ощущения доминирующей частоты в линейчатом спектре звука (высоты тона звука) 0,05 с.

В заключение отметим, что музыку можно считать частным случаем организованного человеком приятного для восприятия «шума»; так свидетельствуют специальные приборы -- статические анализаторы, измеряющие характеристики шумов. В связи с этим к оценке музыки как шума можно привлечь понятие статистической радиотехники, а именно что для восприятия музыки минимальное отношение сигнала к помехе должно быть не менее 20 дБ по акустическому давлению. Если слушатель находится, например, в метро, то для такого соотношения сигнал -- шум голов телефоны плейера должны развивать звуковое давление в 115--120 дБ. Это всего лишь на 8--10 дБ меньше, чем болевой предел. «Стрекот» от стереотелефонов «меломанов» первое свидетельство о частичной потере слуха. Кроме этого из-за широкого частичного спектра музыки и акустической нелинейности сред, в которых распространяется звук в голове, в результате биений отдельных частотных компонентов возникают инфразвуковые волны, отрицательно действующие на здоровье человека.

Особо важно отметить неумелое использование звука в замкнутом пространстве, например автомобиле, где установлено несколько мощных громкоговорителей, воспроизводящих звук в широкой полосе частот. Несмотря на малый коэффициент преобразования этой мощности в звук (КПД примерно 0,7 % при электрической мощности до 100 Вт и более), воздействие звука оказывается очень сильным, поскольку звук в замкнутом пространстве воспринимается всей поверхностью тела. Значит, практически организм подвергается мощной вибрационной атаке, и больные или наиболее слабые его органы могут просто отказать, что особенно опасно во время движения автомобиля, когда вибрации частично переходят в инфразвук.

При увеличении амплитуды колебаний резонирующих частот тела человека, особенно для частот ниже 20 Гц, значительно нарушается вестибулярная функция, возникает головная боль, обостряются хронические заболевания. В связи с этим было бы полезно проверять при техосмотрах автомобиля уровень максимального звукового давления в салоне, исходя из санитарных норм.

Размещено на Allbest.ru