Акустические колебания

Акустическими колебанияминазывают колебания упругой среды. Понятие акустических колебаний охватывает как слыши­мые, так и неслышимые колебания воздушной среды.

Акустические колебания в диапазоне частот 16...20 кГц, вос­принимаемые ухом человека с нормальным слухом, называют звуковыми. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц на­зывают инфразвуковыми, выше 20 кГц — ультразвуковыми. Об­ласть распространения акустических колебаний называют аку­стическим полем. Часто акустические колебания называют зву­ком, а область их распространения — звуковым полем.

Шумом принято называть апериодические звуки различной ин­тенсивности и частоты. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятно воспринимаемый человеком звук.

Источниками шумана производстве является транспорт, тех­нологическое оборудование, системы вентиляции, пневмо- и гидроагрегаты, а также источники, вызывающие вибрацию, т. к. колебания твердых тел вызывают колебания воздушной среды. Шум является одним из наиболее существенных негативных факторов производственной среды. Источники шума формируют звуковые волны, возникающие в результате нарушения стацио­нарного состояния воздушной среды.

Параметры, характеризующие акустические колебания (шум). Колебательная скорость v (м/с) — скорость колебания частиц воздуха относительно положения равновесия.

Скорость распространения звука (скорость звука) с (м/с) — скорость распространения звуковой волны. При нормальных ат­мосферных условиях (температура 20 "С, давление 10³ Па) ско­рость распространения звука в воздухе равна 344 м/с.

Звуковое давление р (Па) — разность между мгновенным зна­чением полного давления и средним давлением, которое наблю­дается в невозмушенной среде

где р — плотность среды (кг/м³), рс — называют удельным акусти­ческим сопротивлением (Па • с/м), равное 410 Па • с/м для воздуха, 1,5 • 10⁶ Па • с/м — для воды, 4,8 • 10⁷ Па • с/м — для стали.

При распространении звука со скоростью звуковой волны происходит перенос энергии, которая характеризуется интенсив­ностью звука.

Интенсивность звука I (Вт/м²) — это энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени, отнесенная к площади по­верхности, через которую она распространяется

Как и для вибрации и по тем же самым причинам, звуковое давление и интенсивность звука принято характеризовать их ло­гарифмическими значениями — уровнями звукового давления и интенсивности звука.

Уровень звукового давления

где р — звуковое давление, Па; р₀ — пороговое звуковое давле­ние, равное 2 • 10° Па.

Уровень интенсивности звука

где I — интенсивность звука, Па; I ₀ — пороговая интенсивность звука, равная 10"¹² Вт/м².

В качестве пороговых значений приняты минимальные зна­чения звукового давления и интенсивности звука, которые слы­шит человек при частоте звука в 1000 Гц, поэтому они получили названия порогов слышимости.

Важной характеристикой, определяющей распространение шума и его воздействие на человека, является его частота. Так же как и для вибрации, диапазон звуковых частот разбит на октавные полосы (fjfi = 2), характеризуемые их среднегеометриче­скими частотами/!,.. Граничные и среднегеометрические частоты октавных полос приведены ниже.

Таблица 2.5. Частоты и диапазоны октавных полос

Классификация производственного шума (рис. 2.15). Шум классифицируется по частоте, спектральным и временным ха­рактеристикам, природе его возникновения.

Рис. 2.15. Классификация производственного шума

По частоте акустические колебания различаются на инфра­звук (/< 16 Гц), звук (16</< 20 000 Гц), ультразвук (/ > 20 000 Гц). Акустические колебания звукового диапазона подразделяются на низкочастотные (менее 350 Гц), среднечастотные (от 350 до 800 Гц), высокочастотные (свыше 800 Гц).

По спектральным характеристикам шум подразделяется на широкополосный с непрерывным спектром более одной октавы и тональный (дискретный), в спектре которого имеются выражен­ные дискретные тона (частоты, уровень звука на которых значи­тельно выше уровня звука на других частотах). Спектры широ­кополосного и тонального шума представлены на рис. 2.16. При­мером широкополосного шума может являться шум реактивного самолета, тонального — шум дисковой пилы, с спектре шума ко­торой имеется ярко выраженная частота с доминирующим уров­нем звука.

По временным характеристикам шум подразделяется на по­стоянный и непостоянный. Постоянным считается шум, уровень

которого в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБ; непостоянным — если это изменение превышает 5 дБ. Непостоянные шумы в свою очередь разделяются на колеб­лющиеся, уровень звука которых изменяется непрерывно во вре­мени (например, шум транспортных потоков); прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов, в которых уровень звука оста­ется постоянным не менее 1 с (например, шум прерывисто сбра­сываемого из баллонов сжатого воздуха); импульсные, представ­ляющие собой звуковые импульсы, длительностью менее 1 с (например, шум агрегатов и машин, работающих в импульсном режиме). Временные характеристики колеблющегося, импульс­ного и импульсного шумов показаны на рис. 2.16, б.

По природе возникновения шум можно разделить на механиче­ский, аэродинамический, гидравлический, электромагнитный.

Механические шумы возникают по следующим причинам: на­личие в механизмах инерционных возмущающих сил, возникаю­щих из-за движения деталей механизма с переменными ускоре­ниями; соударение деталей в сочленениях вследствие неизбеж­ных зазоров; трение в сочленениях деталей механизмов; ударные процессы (ковка, штамповка, клепка, рихтовка) и ряд других. Основными источниками возникновения шума механического происхождения являются подшипники качения и зубчатые пере­дачи, а также неуравновешенные вращающиеся части машин.

Аэродинамические шумы возникают в результате движения газа, обтекания газовыми (воздушными) потоками различных тел. Аэродинамический шум возникает при работе вентилято­ров, воздуходувок, компрессоров, газовых турбин, выпусков пара и газа в атмосферу, двигателей внутреннего сгорания. При­чинами аэродинамического шума являются вихревые процессы, возникающие в потоке рабочей среды при обтекании тел и вы­пуске свободной струи газа; пульсации рабочей среды, вызывае­мые вращением лопастных колес вентиляторов, турбин; колеба­ния, связанные с неоднородностью и пульсациями потока. Аэ­родинамический шум — один из самых значительных по уровню звука.

Гидравлические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (кавитация, турбулент­ность, гидравлические удары). Например, в насосах источником гидравлического шума является кавитация жидкости у поверхно­стей лопаток насоса при высоких окружных скоростях вращения рабочего колеса.

Электромагнитные шумы возникают в электрических маши­нах и оборудовании, использующим электромагнитную энергию. Основной причиной возникновения электромагнитного шума является взаимодействие ферромагнитных масс под влиянием переменных во времени и пространстве магнитных полей, а так­же электрические (пондеромоторные) силы, вызываемые взаи­модействием электромагнитных полей, создаваемых переменны­ми электрическими токами.

Воздействие акустических колебаний (шума) на человека. Шум звукового диапазона на производстве приводит к снижению вни­мания и увеличению ошибок при выполнении работы. В резуль­тате снижается производительность труда и ухудшается качество выполняемой работы. Шум замедляет реакцию человека на по­ступающие от технических объектов и внутрицехового транспор­та сигналы, что способствует возникновению несчастных случа­ев на производстве.

На рис. 2.17 представлена характеристика слухового воспри­ятия человека с нормальным слухом. Предельные значения уровней звукового давления изображены двумя кривыми. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости.

Как видно, при определенных частотах человек слышит отрицательные уровни звука. Это объясняется тем, что логарифмическая шкала уровней звукового давления построена таким образом, что за пороговое значение уровня звукового давления р₀ принят порог слышимо­сти на частоте 1000 Гц (L_p = 0 дБ). Однако порог слышимости человека на частотах 2000...4000 Гц меньше. Верхняя кривая со­ответствует порогу болевого ощущения (L_p= 120...130 дБ). Звуки, превышающие по своему уровню порог болевого ощущения, мо­гут вызвать боли и повреждения в слуховом аппарате (перфора­ция или даже разрыв барабанной перепонки). Область на частот­ной шкале, лежащая между двумя кривыми, называется обла­стью слухового восприятия.

Шум влияет на весь организм человека. Он угнетает цен­тральную нервную систему, вызывает изменения скорости дыха­ния и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возник­новению сердечно-сосудистых заболеваний, язвы желудка, ги­пертонической болезни, может привести к профессиональному заболеванию.

Шум с уровнем звукового давления до 30...45 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение уровня звука до 40...70 дБ создает дополнительную нагрузку на нервную систему, вызывает ухудшение самочувствия и при длительном воздейст­вии может стать причиной неврозов. Длительное воздействие шума с уровнем свыше 80 дБ может привести к ухудшению слу­ха — профессиональной тугоухости. При действии шума свыше 130 дБ возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при уровнях звука свыше 160 дБ вероятен смертельный исход.

Помимо снижения слуха рабочие, подвергающиеся постоян­ному воздействию шума жалуются на головные боли, головокру­жение, боли в области сердца, желудка, желчного пузыря, повы­шенное артериальное давление. Шум снижает иммунитет чело­века и устойчивость человека к внешним воздействиям.

Инфразвук с уровнем отдо 150 дБ вызывает неприятные субъективные ощущения и различные функциональные измене­ния в организме человека: нарушения в центральной нервной системе, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибу­лярном аппарате. Возникают головные боли, осязаемое движе­ние барабанных перепонок, звон в ушах и голове, снижается внимание и работоспособность, появляется чувство страха, угне­тенное состояние, нарушается равновесие, появляется сонли­вость, затруднение речи. Инфразвук вызывает в организме чело­века психофизиологические реакции — тревожное состояние, эмоциональная неустойчивость, неуверенность в себе.

Ультразвук может действовать на человека как через воздуш­ную среду, так и контактно на руки — через жидкую и твердую среды. Воздействие через воздушную среду вызывает функцио­нальные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокрин­ной систем, а также изменения свойств и состава крови, артери­ального давления. Контактное воздействие на руки приводит к нарушению капиллярного кровообращения в кистях рук, сниже­нию болевой чувствительности, изменению костной структу­ры — снижению плотности костной ткани.

Гигиеническое нормирование акустических колебаний. Норми­рование шума звукового диапазона осуществляется двумя метода­ми: по предельному спектру уровня звука и по дБА.

Первый метод является основным для постоянных шумов. По этому методу устанавливаются ПДУ звукового давления в де­вяти октавных полосах со среднегеометрическими значениями частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. В соответствии с ГОСТ 12.1.003—83 шум на рабочих местах не должен превы­шать установленные значения (табл. 2.6).

На рис. 2.18 показаны некоторые предельные спектры уров­ня звукового давления. Каждый спектр имеет свой индекс ПС. Например ПС-80 означает, что допустимый уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрическим значением частоты 1000 Гц равен 80 дБ.

Второй метод применяется для нормирования непостоянных шумов и в тех случаях, когда не известен спектр реального шума на рабочем месте. Нормируемым параметром в этом случае яв­ляется эквивалентный (по энергии) уровень звука широкополос­ного постоянного шума, оказывающий на человека такое же воздействие, как и реальный непостоянный шум, измеряемый по шкале А шумомера. Измерители шума (шумомеры) имеют специальную шкалу А. При измерении по шкале А характери­стика чувствительности шумомера имитирует кривую чувстви­тельности уха человека. Уровень звука, определенный по шкале А, имеет специальное обозначение L_A и единицу измерения — дБА и применяется для ориентировочной оценки уровня шума. Уровень звука в дБА связан с предельным спектром следующей зависимостью:

Допустимые уровни звукового давления зависят от частоты звука от вида работы, выполняемой на рабочем месте. Более вы­сокие частоты неприятнее для человека, поэтому чем выше час­тота, тем меньше допустимый уровень звукового давления. Чем более высокие требования к вниманию и умственному напряже­нию при выполнении работы, тем меньше допустимые уровни звукового давления.

Для тонального и импульсного шума допустимые уровни должны приниматься на 5 дБ меньше значений, указанных в ГОСТ 12.1.003-83 (табл. 2.6).

Таблица 2.6. Допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах в производственных помещениях и на территории предприятия по ГОСТ 12.1.003—83 (извлечение)

Инфразвук. ПДУ звукового давления на рабочих установлено СН 2.2:4/1.8.583—96 дифференцированно для различных видов работ. Общий уровень звукового давления для работ различной степени тяжести не должен превышать 100 дБ, для работ различ­ной степени интеллектуально-эмоциональной напряженности — не более 95 дБ.

Ультразвук. Нормы для ультразвука определены ГОСТ 12.1.001—89. Для ультразвука, распространяющегося воздушным путем, допустимые уровни звукового давления (УЗД) установле­ны для диапазона частот 12,5... 100 кГц. ПДУ звукового давления изменяются от 80 дБ для частоты 12,5 кГц до ПО дБ для диапа­зона частот 31,5...100 кГц.

Для контактного ультразвука уровни ультразвука в зонах контакта рук и других частей тела не должны превышать ПО дБ.

Когда рабочие подвергаются совместному воздействию воз­душного и контактного ультразвука, допустимые уровни кон­тактного ультразвука должны уменьшаться на 5 дБ.

Контрольные вопросы

1 . Дайте определение вибрации и шума.

2. Перечислите основные источники вибрации и шума на производстве.

3. Какими параметрами характеризуется вибрация? Что такое уровень вибрации?

4. Как классифицируется вибрация?

5. Как воздействует вибрация на человека и как различается ее воздей­ствие от частоты колебаний?

6. Что такое виброболезнь, ее формы, клинические симптомы и стадии протекания?

7. Как осуществляется гигиеническое нормирование вибрации?

8. Какими параметрами характеризуется шум?

9. Как классифицируются производственные шумы?

10.Как воздействует шум на человека?

11.Как осуществляется гигиеническое нормирование шума? Что такое предельный спектр и дБА?

12.Перечислите основные источники инфра- и ультразвука на производ­стве. Как они воздействуют на человека?

13.Укажите основные источники шума на производстве, связанном с ва­шей специальностью.