Шум, его воздействие , нормирование.

Физические характеристики шума.В документах Международной организации труда (МОТ) под шумом понимают любой звук, который может вызвать потерю слуха или быть вредным для здоровья или опасным в другом отношении (Конвекция 148). Определенное таким способом понятие «шум» включает в себя звуковые колебания (от 20 до 20000 Гц) и колебания на инфразвуковых (ниже 20 Гц) и ультразвуковых (выше 21000 Гц) частотах. Под звуком понимают периодические и не периодические колебания давления воздуха. Однако не только в воздухе, но и во всех газах и жидкостях и твердых телах могут возникать подобные колебания, которые воспринимаются как звук. В газовой и жидких средах звук представляет собой продольные колебания, при которых частицы среды движутся в направлении распространения звуковой волны. Относительные смещения частиц среды в звуковой волне создают небольшие изменения давления и плотности, которые называют волнами сжатия и разрежения. В твердых телах существуют поперечные или сдвиговые волны, в которых частицы движутся в направлении перпендикулярном направлению распространению волны. При этих колебаниях происходит распространение напряжений сдвига, а давление и плотность среды не изменяются. Однако поскольку человеческое ухо реагирует не только на изменение давления, а также и на смещения частиц среды, то сдвиговые или поперечные колебания можно рассматривать как особый случай звуковых колебаний. В настоящее время звуком называют любые механические колебания твердой, жидкой или газовой среды, в которой звуковые волны передают энергию возмущения от источника, в диапазоне частот, воспринимаемом человеческим ухом, от 16 Гц до 20 кГц. Колебания ниже 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц-ультразвуком. В газообразной среде изменение давления и плотности в звуковой волне малы, поэтому скорость звука будет равна:

с = , (4.1)

где Р₀ - статическое давление, ρ -плотность среды, γ-коэффициент адиабаты, γ = C_p / C_v, где С_p и С_v - теплоемкость среды при постоянном давлении и при постоянном объеме. В жидких и твердых средах скорость звука определяется плотностью среды ρ и модулем упругости Е (модуль Юнга) для соответствующего вида деформации:

с = . (4.2)

Для примера, скорость распространения звука в воздухе при комнатной температуре приблизительно равна 340 м/с, в воде- 1433м/с, а в стали – 5029 м/с. При других температурах скорость звука в воздухе может быть определена по формуле:

с =20,05 , (4.3)

где t- температура воздуха, С.

В случае источника гармонических (синусоидальных) колебаний с частотой f , Гц, скорость звука

с = λ f, (4.4)

где -длина звуковой волны, м. Из выражения (4.4) легко установить связь между частотой, длиной волны и скоростью звука:

λ = с/f . (4.5)

Например, на частоте 1000 Гц длина волны в воздухе при комнатной температуре – 0,3 м, на частоте 250 Гц – около 1,2 м, на частоте 4000 Гц – 0,07 м, т.е. с увеличением частоты длина звуковой волны уменьшается, и наоборот.

Характеристиками звуковых волн при их распространении являются звуковой луч и фронт волны. Направление распространения звуковых волн называют лучом, а поверхность соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебаний среды – фронтом волны. В общем случае фронт волны имеет сложную форму, но в практических случаях ограничиваются рассмотрением трёх видов фронта волны: плоский, сферический и цилиндрический.

Линейные и энергетические характеристики звуковых волн.Звуковым давлением Р в газах и жидкостях называют разность между мгновенным значением Р_а.м. в точке среды при прохождении через неё звуковой волны и статическим давлением Р_а.с. в той же точке, т.е. Р = Р_а.м.– Р_а.с. Звуковое давление величина знакопеременная: в момент сгущения (уплотнения) частиц среды она положительная, в момент разрежения (расширения) среды – отрицательная. Эту величину оценивают по амплитуде или по эффективному значению. Для синусоидальных колебаний эффективное значение составляет 1/ = 0,701 от амплитудного.

Звуковое давление представляет силу, действующую на единицу поверхности: Р = F/S. В системе СИ его измеряют в Ньютонах на квадратный метр ( Н/м ). Эта единица называется Паскалем и обозначается «Па»: 1 Па = 1 Н/м .

Скоростью колебаний называют скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны: υ = ∂u / ∂t, где u – смещение частиц среды, t – время. При движении частиц среды в направлении распространения волны скорость колебаний считается положительной, а в обратном направлении – отрицательной. Эту скорость нельзя путать со скоростью звука, величина которой постоянна для данной среды и условий распространения волны. Скорость колебаний измеряется в метрах в секунду (м/с).

Удельным акустическим сопротивлением называют отношение звукового давления Р к скорости колебаний υ :

Z = Р/ υ (4.6).

В общем случае удельное акустическое сопротивление является комплексной величиной:

Z_a = R_a + j Y_a (4.7)

где R_a и Y_a - активная и реактивная составляющие удельного акустического сопротивление, j – мнимая единица . Сдвиг фаз φ между звуковым давлением и скоростью колебаний частиц среды может быть определен из формулы:

tg = R_a / Y_a (4.8).

В свободном пространстве в отсутствие препятствий распространяется бегущая волна. В этом случае удельное акустическое сопротивление среды будет равно:

Р/ = с (4.9).

Распространение звука связано с переносом энергии. Средний поток звуковой энергии, проходящий в единицу времени через единицу поверхности, называется интенсивностью звука (Вт∙c/м² ):

I = Р /Z (4.10).

Для бегущей волны:

I = Р / с (4.11)

При оценке звуковых полей в замкнутых объёмах используют плотность звуковой энергии Е (Дж/м ):

Е = I/c (4.12).

Общее количество звуковой энергии, излучаемой источником в единицу времени, называется звуковой мощностью W (Вт):

W = I ∙ S, (4.13)

где S – площадь рассматриваемого участка.

Уровень звука. На основании опытных данных установлено, что в среднем у человека предел чувствительности (порог слышимости) равен приблизительно 0,00002 Па (на частоте 1кГц). Звуковое давление в 20 Па считается болевым порогом, т.е. возможно повреждение органов слуха. Для сравнения нормальное статическое атмосферное давление равно 100 кПа. Таким образом, можно представить следующую шкалу:

атмосферное давление – около 1 бара = 100 кПа;

болевой порог – около 200 мбар = 20 Па;

порог слышимости – около 0,0002 мбар = 0,00002 Па.

Наиболее удобным видом представления подобных величин является логарифмический масштаб. При этом целесообразно принять масштаб, у которого отсчёт начинается с нуля и соответствует порогу слышимости. Поэтому была введена единица децибелл (дБ). Она является функцией отношения интенсивности I к интенсивности на пороге слышимости I . Уровень интенсивности звука, дБ,

L = 10 lg (I/I ), (4.14)

где I = 10 Вт∙c/м². Отсюда при I = I , 10 lg(I/I ) = 10 lg 1 = 0.

Таким образом, уровень интенсивности звука 0 дБ соответствует порогу слышимости. Для определения интенсивности звука производится измерение звукового давления. Но поскольку интенсивность пропорциональна квадрату звукового давления, то уровень шума может быть выражен

L = 10 lg (P /Р ) = 20 lg (Р/Р ), (4.15)

где Р = 0,00002 Па – нулевой порог. Если по этому выражению вычислить болевой порог, который равен 20 Па, то получится 120 дБ.

Частотный спектр. Зависимость звукового давления или звуковой мощности как физических величин от времени можно представить в виде суммы конечного или бесконечного числа простых синусоидальных колебаний, т.е. в виде частотного спектра. Для оценки спектра шума шкала частот делится на части и в каждой из них определяется уровень звукового давления или звуковой мощности. Каждая такая часть шкалы называется частотной полосой. Основное соотношение между верхней f₂ и нижней f₁ частотами полосы имеет вид f₂ = 2^a f₁, где а – произвольная постоянная. Наиболее часто в практике измерения шума а = 1 или 1/3. Когда а=1, полоса частот - октавная, а когда а=1/3 – третьоктавная. Центральная частота полосы равна f₀ = √ (f₁f₂).

Международная организация по стандартизации (ISO) в своем документе К 266 рекомендует следующие центральные частоты для октавных фильтров: 31,5 Гц, 63 Гц, 125 Гц, 250 Гц, 500 Гц, 1000 Гц, 2000 Гц, 40000 Гц, 80000 Гц.

Воздействие шума на человека. Человек воспринимает шум слуховым анализатором — органном слуха, в котором происходит преобразование механической энергии раздражения рецептора в ощущение, наибольшая чувствительность наблюдается в области частот от 800 до 4000 Гц.

Слуховой анализатор обладает высокой чувствительностью, позволяет человеку воспринимать широкий диапазон звуков окружающей среды и анализировать их по силе, высоте тона отмечать изменения по интенсивности и частотному диапазону. Острота слуха не постоянна. В тишине она возрастает, под влиянием шума снижается. Такое временное изменение чувствительности слухового аппарата называется адаптацией слуха. Адаптация играет защитную роль против продолжительно действующих шумов. Люди по разному воспринимают шум, так например, выявлено, что мужчины предпочитают большую громкость звучания, чем женщины.

Длительное воздействие шума большой интенсивности приводдит к патологическому состоянию слухового органа, к его утомлению.

Психофизиологическое восприятие сигнала, имеющего постоянный уровень интенсивности на всем частотном диапазоне, не одинаков. Так как восприятие равного по силе сигнала изменяется
с частотой, для эталонного сравнения громкости исследуемого
сигнала была выбрана частота 1000 Гц. Снижение слуховой чувствительности у человека в шумных
производствах зависит от интенсивности и частоты звука. Так,
минимальная интенсивность, при которой начинает проявляться
утомляющее действие шумa, зависит от частоты
входящих в него звуков. Для звуков частотой 2000 — 4000 Гц
утомляющее действие начинается с 80 дБ, для звуков частотой
5000 — 6000 Гц — с 60 дБ .

Появление утомления органа слуха следует рассматривать
как ранний сигнал угрозы развития тугоухости и глухоты. Синдромом заболевания слухового рецептора являются головные
боли и шум в ушах, иногда потеря равновесия и тошнота.

Установлено, что степень снижения слуховой
чувствительности прямо пропорциональна времени работы в условиях шумного производства.

Большое значение имеет индивидуальная чувствительность
организма к шумовому воздействию. Так, например, высокочастотный шум с общим уровнем звукового давления в 100 дБ у одних людей может вызывать признаки тугоухости уже в течение нескольких месяцев, а у других эти признаки проявляются через годы.

Шум на производстве является причиной быстрого утомления работающих, а это приводит к снижению концентрации внимания и увеличению брака. Чрезмерные уровни шума приводят не только к потере слуховой чувствительности, но и нарушениям вегетативной, сердечно-сосудистой и центральной нервной систем. Интенсивный шум вызывает изменения сердечно-сосудистой системы, сопровождаемые нарушением тонуса и ритма сердечных сокращений. Артериальное кровяное давление в большинстве случаев изменяется, что способствует общей слабости организма. Под влиянием шума наблюдаются также изменения функционального состояния центральной нервной системы.

В шумных районах города болезни сердечно- сосудистой системы у женщин встречаются в 3 раза чаще, по сравнению с заболеваемостью женщин в тихих городских районах. У населения, проживающего вблизи аэропортов, отмечается более частое обращение за медицинской помощью по поводу коронарной недостаточности и гипертонии. В целом в шумных районах около 50% населения имеют изменения сердечно- сосудистой системы.*

Отрицательное влияние на психику человека оказывает недостаточная разборчивость речи в условиях шумного производства.