179 Глава 6
Защита от шума, ультразвука, инфразвука и вибрации
6.1 Шум, его влияние на организм человека и гигиеническое
180
гудении самолета и т.д., улавливая во всех подобных звуках некоторую музыкальность. Чем же различаются колебания, дающие опущение музыкального звука, от шумовых колебаний?
1- сложный тон; 2-5 – простые чистые тоны, составляющие в сумме сложный тон 1.
Рисунок 6.1 - Схематическое изображение разложения сложного тона на гармонические составляющие
Комбинация многих музыкальных звуков может дать опущение шума, но никакая комбинация шумов не может дать музыкальный звук.
Звук, который мы слышим тогда, когда источник его совершает гармоническое колебание, называется музыкальным тоном, или коротко:
тоном.
Музыкальный звук (ноту) мы слышим тогда, когда колебание периодическое. Например, такого рода звук издает струна рояля. Если одновременно ударить несколько клавиш, т.е заставить звучать несколько нот, то ощущение музыкального звука сохранится, но отчетливо выступит различие консонирующих и диссонирующих нот. Консонансом называется приятное для слуха созвучие, а диссонансом – неприятное, «режущее слух».
Оказывается, что консонируют те тоны, периоды которых находятся в отношениях небольших целых чисел. Например, консонанс получается при отношении периодов 2:3 (это созвучие называется в теории музыки квинтой), при 3:4 (кварта), 4:5 (большая терция) и т.д. Если же периоды относятся, как большие числа, например, 19:23, то получается диссонанс – музыкальный, но неприятный звук. Еще дальше мы уйдем от периодичности колебаний, если
181
одновременно ударим по многим клавишам, положив для этого на клавиатуру линейку. Звук получится уже шумоподобным.
Для шумов характерна сильная непериодичность формы колебаний:
либо это – длительное колебание, но очень неправильное, сложное по форме (шипение, скрип), либо же отдельные выбросы (щелчки, стуки). С этой точки зрения к шумам следует отнести и звуки, выражаемые согласными (шипящие, губные и т.д.).
Область среды, в которой распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. Свойства среды определяют скорость распространения в ней звука. Длина волны при переходе из одной среды в другую изменяется, но при этом частота колебаний сохраняется. Так, в воздухе при температуре t000 распространение продольных волн происходит со скоростью 331 м\сек, а при t0250 – 1497 м\сек, в тканях человеческого организма – 1445 – 1600 м\сек. Скорость распространения звуковых волн не зависит от частоты колебаний.
Энергетические свойства звуковой волны определяются интенсивностью звука, т.е. количеством энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной движению направления этой волны. Единицей измерения интенсивности звука служат ватт на квадратный метр (Вт\м2).
Количество энергии, излучаемой источником звука в единицу времени в окружающее пространство, называется мощностью звука и измеряется в ваттах. При решении практических задач обычно выбирают в качестве измеряемого параметра звукового поля давление звуковой волны (звуковое давление). Интенсивность звука (I) связана со звуковым давлением (Р) соотношением:
pC J P
2
2
, (6.2) где р – плотность среды, в которой распространяется звук;
С – скорость звука.
Выражается звуковое давление в ньютонах на квадратный метр (н\м2) или паскалях (1 п\м2 = 1 па).
Минимальная интенсивность звука, вызывающая у человека слуховое ощущение, составляет 10—12 вт\м2 и называется порогом слышимости. В единицах звукового давления она соответствует 2*10-5 н\м2. Наименьшая интенсивность звука, при которой восприятие звука органами чувств вызывает болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения. Порог болевого ощущения, как и порог слышимости, зависит от частоты звука.
Вместе с тем на практике количественную характеристику звука в акустических измерениях обычно дают в форме определения уровня интенсивности звука или уровня звукового давления. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости. Разница между
182
болевым порогом и порогом слышимости очень велика. Чтобы не оперировать большими числами, ученый А.Г. Белл предположил использовать логарифмическую шкалу. Логарифмическая величина, характеризующая интенсивность шума или звука, получила название уровня интенсивности L шума или звука, которая изменяется в безразмерных единицах белах (Б):
L = lg (J\I0), где I – интенсивность звука в данной точке;
I0 – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости.
Ухо человека реагирует на величину в 10 раз меньшую, чем бел, поэтому распространение получила единице децибел ((дБ), равная 0,1 Б, тогда уровень (L) рассчитывается в децибелах (дБ) по отношению к приведенным выше пороговым значениям по формуле:
0
lg 10 J
L J , (6.3)
где J0 – порог слышимости, равный 10-12 вт\м2.
Поскольку интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень давления вычисляют по формуле:
20lg 0 P
L P , (6.4) где P0 - порог слышимости в единицах звукового давления;
Р – звуковое давление.
Уровнями интенсивности шума обычно оперируют при выполнении акустических расчетов, а уровнями звукового давления – при измерении шума и оценки его воздействия на человека, так как наш орган слуха чувствителен не к интенсивности звука, а к среднеквадратичному давлению.
Определение уровня звукового давления предпочтительнее, так как интенсивность звука (I) зависит от окружающих условий (температуры, среды, формы звуковой волны и т.д.).
Средний уровень звукового давления, создаваемый деловым разговором людей в помещениях, достигает 60 дБ (при крике 80 дБ), шум движущегося автомобиля и поезда метро достигает 80 – 100 дБ. Такой же уровень звукового давления создает фортиссимо большого оркестра. Уже при уровне 80 – 90 дБ речевые сигналы вызывают у здорового человека ощущение слухового дискомфорта; воздействие звуковых символов с уровнем 120 дБ сопровождается чувством боли, а выше 140 дБ – повреждением структур среднего и внутреннего уха.
Измерение, анализ и регистрация спектра шума производятся специальными приборами – шумомерами и вспомогательными приборами
183
(самописцы уровней шума, магнитофон, осциллограф, анализаторы статистического распределения, дозиметры и др.). Поскольку ухо менее чувствительно к низким и более чувствительно к высоким частотам, для получения показаний, соответствующих восприятию человека в шумомерах используют систему корректированных частотных характеристик – шкалы A, B, C, D и линейную шкалу, которые отличаются по восприятию. В практике применяется, в основном, шкала А.
Нормированными параметрами шума являются уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц и эквивалентный (по энергии) уровень звука в децибелах (шкала А). Допустимые уровни шума на рабочих местах не превышают соответственно 110, 94, 87, 81, 78, 75, 73 дБ, а по шкале - А – 80 дБ.
Получить представление об уровнях звукового давления различных источников шума можно по таблице 6.1.
Таблица 6.1 - Уровни звукового давления различных источников шума Источник шума Звуковое
давление , Па
Уровень звукового давления, дБ
Шепот на расстоянии 0,3 мм Речь средней громкости на расстоянии 1 м
Металлорежущие, ткацкие и деревообрабатывающие станки (на рабочем месте) Пневмопрессы,
пневмоклепка на
расстоянии 1 м
Реактивные двигатели на расстоянии 2…3 м от выхлопа
2*10-3
2-10-2…I*10-1 2*10-1…2
2*10
Свыше 2*102
40 60…74 80…100
120
Свыше 140
Неблагоприятное действие шума на человека зависит не только от уровня звукового давления, но и от частотного диапазона шума, а также от равномерности воздействия в течение рабочего времени.
Каждый источник шума может быть представлен составляющими его тонами в виде зависимости уровней звукового давления от частоты (частотным спектром шума, или просто спектром). Спектры шумов могут быть линейчатыми (дискретными), сплошными и смешанными. Большинство источников шума на предприятиях имеют смешанный или сплошной спектр.
При измерении и анализе шумов, а также при проведении акустических расчетов весь диапазон частот разбивают на полосы частот определенной ширины. Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты f2, к нижней f1 равно двум, называется октавой. Если f2 \ f1 23 2 1.26, то
184
ширина полосы равна 1\3 октавы. Для гигиенических целей шумы используют обычно в октавных, а для технических – в 1\3 – октавных полосах частот.
Характеристикой каждой полосы частот является среднегеометрическая частота fcr2, которая для октавы вычисляется по выражению fcr f1f2 , а для 1\3 октавы – по выражению fcr 6 2f1.
Широкополосные шумы имеют непрерывный спектр шириной более одной октавы, а в спектре тональных шумов слышатся отдельные тона.
По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. Постоянным считается такой шум, уровень звука которого за 9-и часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБА.
Непостоянные шумы, уровень звука которых изменяется за 8–ми часовой рабочий день более чем на 5 дБА, в свою очередь, делятся на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные (состоящие из сигналов длительностью менее 1 с).
Для оценки субъективного ощущения громкости шума введено понятие уровня громкости, который отсчитывается от условного нулевого порога.
Единицей уровня громкости является фон. Он соответствует разности уровней интенсивности в 1 Б эталонного звука при частоте 1000 Гц. Таким образом, на частоте 1000 Гц и уровни громкости (в фонах) совпадают с уровнями звукового давления (в децибелах). Уровень громкости является физиологической характеристикой звуковых колебаний. С помощью специальных физиологических исследований были построены кривые, равной громкости, по которым можно определить уровень громкости любого звука с заданным уровнем звукового давления (рисунок 6.2).
Длительное воздействие шума на организм человека приводит к развитию утомления, нередко переходящего в переутомление, к снижению производительности и качества труда. Особенно неблагоприятно шум действует на орган слуха, вызывая поражение кохлеарного нерва с постепенным развитием тугоухости. Как правило, оба уха страдают в одинаковой степени. Начальные проявления профессиональной тугоухости, по данным Международной организации по стандартизации, чаще всего встречаются у лиц со стажем работы в условиях шума около 5 лет. Риск потери слуха при десятилетней продолжительности воздействия шума составляет 10% при уровне 90 дБ (шкала А), 29% - при 100 дБ (шкала А) и 55% - при 110 дБ (шкала А). Звуковое раздражение сопровождается возникновением изменений, наблюдаемых во всех звеньях и элементах звуковоспринимающего отдела слуховой системы.
185
Рисунок 6.2 - Кривые равной громкости.
При очень большом звуковом давлении может произойти разрыв барабанной перепонки. Наиболее неблагоприятными для органа слуха является высокочастотный шум (1000…4000 Гц).
Кроме непосредственного воздействия на орган слуха, шум влияет на различные отделы головного мозга, изменяя нормальные процессы высшей нервной деятельности. Неспецифическое воздействие шума обычно проявляется раньше, чем изменения в органе слуха, и выражается в нарушении нервно – психической сферы в форме невротического и астенического синдромов в сочетание с вегетативной дисфункцией, сопровождающихся раздражительностью, общей слабостью, головной болью, головокружением, повышенной утомляемостью, расстройством сна, ослабление памяти и др.