Воздействие шума, инфразвука и ультразвука на человека

Шум возникает при механических колебаниях в твердых (механического происхождения), жидких (гидродинамического происхождения) и газообразных (аэродинамического происхождения) средах, а также вследствие колебаний элементов электромеханических устройств под влиянием переменных магнитных сил (электромагнитного происхождения). Механические колебания воздуха в диапазоне частот 20 – 20 000 Гц воспринимаются слуховым органом человека в виде звука. Инфразвук – это колебания с частой ниже 20 Гц, ультразвук – колебания с частотой выше 20 000 Гц, которые не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм человека.

Источниками инфразвука могут быть обдувание строительных конструкций сильным ветром, виброгрохот, виброплощадки с частотой менее 20 Гц, транспортные производства и т.п. Источником ультразвука является производственное оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологического процесса, и оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор.

С физиологической точки зрения шум рассматривается как звуковой процесс, неблагоприятный для восприятия, мешающий разговорной речи и отрицательно влияющий на здоровье человека.

Даже незначительный шум (50-60 дБА) создают значительную нагрузку на нервную систему человека, особенно лиц, занятых умственным трудом. Вредное воздействие слабого шума на человеческий организм зависит от возраста, здоровья, физического и душевного состояния людей, вида трудовой деятельности, индивидуальных свойств организма.

При длительном воздействии шума снижается острота слуха, изменяется кровяное давление, ослабляется внимание, ухудшается зрение, происходят изменения в двигательных центрах, вызывая нарушение координации движений, увеличивается расход энергии при выполнении одинаковой работы.

Интенсивный шум является причиной функциональных изменений сердечно-сосудистой системы (гипертония), нервной системы (неврозы), функции желудка (язвенная болезнь) и ряда других нарушений в организме, связанных с нервной системой человека. Весь комплекс изменений в организме человека под воздействием шума называют «шумовой болезнью».

Длительное воздействие сильного шума (более 80 дБА) вызывает сильное утомление, снижает слуховую чувствительность, может привести к профессиональной тугоухости и даже к шумовой травме (при уровнях более 120 дБА) вплоть до разрыва барабанной перепонки.

Инфразвук и ультразвук, которые часто сопутствуют шуму, оказывают воздействие на человека, как через органы слуха, так и через тактильную (осязательную) систему. Их длительное воздействие приводит к аналогичным последствиям, вызываемым шумом. Косвенным проявлением воздействия инфразвука на человека, приводящие к нарушению нормальной жизнедеятельности человека являются вибрация грудной клетки при частоте 2-5 Гц и уровне звукового давления 150 дБА, вялость, звон в ушах, чувство тряски внутренних органов при частоте 5-15 Гц и уровне звукового давления 125-135 дБА, чувство страха при частоте 15 Гц за счет попадания в резонанс нервных клеток.

Звук как физическое явление представляет собой колебательное движение упругой среды. Звук характеризуется:

- частотой колебаний звуковой волны (f), измеряемой в герцах (Гц);

- звуковым давлением (Р), характеризующим разницу между давлением в области повышенного давления и области разряжения во время распространения звуковых колебаний при прохождении звуковой волны, измеряемым в Паскалях (Па). Часть пространства, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем. В звуковом поле любая точка характеризуется определенным давлением и мгновенной скоростью колебаний элементарных частиц (v) относительно своего начального положения. Скорость этих колебаний намного меньше скорости распространения звука (с). Скорость звука в данной среде зависит от ее упругих свойств и температуры. В воздухе при температуре 20⁰C с ≈ 344 м/с, в стали - с ≈ 5 000 м/с, в бетоне - с ≈ 4 000 м/с.

- интенсивностью звука (J), которая определяется средним количеством звуковой энергии (кинетической), проходящей в единицу времени через единицу поверхности, перпендикулярной к направлению распространения. Интенсивность звука измеряется в ваттах на м² (Вт/м²).

Поскольку J = v P, а v = Р/ (ρ^.с), то зависимость интенсивности звука от звукового давления определяется по формуле:

где ρ – плотность среды, кг/м³; ρ^.с – акустическое (волновое) сопротивление среды.

Человек способен воспринимать звуки в большом диапазоне интенсивностей (звуковых давлений). Величины минимального звукового давления (Р_о) и интенсивности (J_о), едва различаемые органом слуха человека, называются пороговыми. При f = 1000 Гц Р_о = 2.10^-5 Па; J_о = 10-12 Вт/м². Болевые ощущения в ушах возникают у человека при интенсивности J_бол = 102 Вт/м², т.е. диапазон изменения интенсивности от порогового до болевого составляет 10¹⁴ Вт/м². Поэтому пользоваться абсолютными значениями интенсивности (и звукового давления) неудобно.

В акустике принято измерять не абсолютные значения интенсивности звука или звукового давления, а их относительные логарифмические уровни, взятые по отношению к пороговому значению.

Если интенсивность звука J превышает исходную J_о в 10 раз, т.е. J /J_о = 10, то приращение интенсивности равно 1 Б (Бел), если J /J_о = 100, то приращение интенсивности равно 2 Б и т.д. Поскольку органы слуха человека способны различать прирост звука на 0,1 Б, т.е. на 1 дБ (децибел), то эта единица и принята как основная.

Уровень интенсивности звука определяется по формуле L_J = 10 lgJ /J_о (дБ). Поскольку J = Р²/ (ρ^.с), то для уровня звукового давления получим зависимость L_р = 20 lg Р/Р_о (дБ).

Органы слуха человека не одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Наибольшая их чувствительность на средних и высоких частотах (300 – 4000 Гц), наименьшая – на низких частотах (20-100 Гц). Поэтому субъективная оценка громкости шума зависит не только от уровня звукового давления, но и от спектрального состава (спектра частот) шума. Это не может не учитываться при оценке и нормировании шума.

Для оценки громкости звуковых волн (шума) различных частот пользуются, так называемым, уровнем громкости звука. Уровни громкости измеряются в фонах (безразмерная величина). На частоте 1000 Гц уровень громкости приравнен к уровню звукового давления. Для других частот (с учетом субъективного ощущения громкости человеком) они существенно отличаются. Кривые равной громкости звуков на различных частотах называют изофонами.

С учетом вышесказанного весь частотный диапазон, воспринимаемый слуховым аппаратом человека, разделен на 9 октавных полос (частотный спектр). Каждая октавная полоса спектра характеризуется граничными и среднегеометрическими частотами. Среднегеометрические частоты определяются по формуле:

fср = √ fчн fчв,

(9.2)

где f_чн и f_чв – соответственно нижняя и верхняя граничные частоты, Гц.