Действие шума, вибрации, ультра- и инфразвука на человека

Эксплуатация современного промышленного оборудования и средств транспорта сопровождается значительным уровнем шума и вибрации, негативно влияющих на состояние здоровья работающих. С точки зрения безопасности труда шум и вибрация — одни из наиболее распространенных вредных производственных факторов на производстве, которые при определенных условиях могут выступать как опасные производственные факторы.

Кроме шумового и вибрационного воздействия, вредное влияние на человека в процессе труда могут оказывать инфразвуковые и ультразвуковые колебания.

Рассмотрим основные физические характеристики шума, вибрации, ультра- и инфразвука.

Шум — это сочетание звуков различной частоты и интенсивности. С физиологической точки зрения шумом называют любой нежелательный звук, оказывающий вредное воздействие на организм человека.

Звуковые колебания, воспринимаемые органами слуха человека, являются механическими колебаниями, распространяющимися в упругой среде (твердой, жидкой или газообразной).

Основным признаком механических колебаний является повторность процесса движения через определенный промежуток времени. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела называют периодом колебаний (Т), а обратную ему величину — частотой колебаний (f). Эти величины связаны между собой простым соотношением:

f = 1/ T, (1)

где f — частота колебаний в герцах (Гц);

Т — период колебаний в секундах, с.

Таким образом, частота колебаний определяет число колебаний, произошедших за 1 секунду. Единица измерения частоты — герц (Гц), 1 Гц = 1 с^-1.

Для характеристики колебаний используют также циклическую частоту (ω, с^-1), которая определяется как число колебаний, происходящих за 2π секунд. Между обычной и циклической частотами существует следующая связь:

ω = 2 π f. (2)

Циклическая частота и период колебаний связаны следую­щим соотношением:

ω = 2 π /T. (3)

 

Одним из наиболее частых видов колебаний, существующих в природе, являются гармонические колебания, описываемые уравнением:

x = х_mсоs(ω t +φ_о), (4)

где х — смещение тела от положения равновесия;

ω — циклическая частота колебаний;

t — время.

Максимальное значение смещения от положения равновесия (х_m) называется амплитудой колебания. Величина, стоящая под знаком косинуса, называется фазой гармонического колебания:

φ = ω t + φ_о . (5)

Фаза колебаний φ_о в начальный момент времени t = 0 называется начальной фазой. Фаза колебания характеризуется величиной и направлением отклонения колебания от положения равновесия в зависимости от времени.

Колебания в упругой среде не ограничиваются центром возбуждения этих колебаний. Колеблющиеся частицы среды передают свою энергию соседним частицам. Процесс распространения колебаний в упругой среде называется волной. Каждая из частиц среды при этом колеблется около положения устойчивого равновесия.

Поверхность, которая отделяет колеблющиеся частицы от частиц, пока еще не пришедших в колебательное движение, называют фронтом волны. Совокупность точек, колеблющихся в одинаковых фазах, образует волновую поверхность. Все точки фронта волны имеют нулевую фазу. Отсюда следует, что фронт волны представляет собой одну из волновых поверхностей. Фронт волны расположен перпендикулярно к направлению распространения волны.

По форме фронта волны различает плоские и сферические. Расстояние между двумя соседними частицами, находящимися в одинаковом режиме движения или в одинаковой фазе, называется длиной волны λ. Источник звуковых колебаний, возбуждающий плоские волны, представляет собой плоскую поверхность, размер которой существенно больше длины волны. Фронты этих волн расположены параллельно плоскости возбуждения.

Сферическая волна создается маленьким по сравнению с длиной волны возбудителем колебаний — точечным источником звуковых колебаний. При очень большом (бесконечном) удалении источника звуковых колебаний сферические волны могут частично становиться плоскими.

Тип распространяющейся в звукопроводящем материале волны зависит от его вида и размеров, а также от длины волны. Рассмотрим важный с практической точки зрения случай распространения звуковых волн в неограниченных средах, размеры которых значительно больше длины волны. В этих средах распространяются продольные и поперечные волны. В продольной волне меняются местами зоны сжатия (области с повышенным давлением) и зоны растяжения (области с пониженным давлением). Поэтому другое название этих волн — волны сжатия (волны давления). Для этих волн направление колебания частиц совпадает с направлением распространения волны. В природе такой тип волн распространяется в твердых, жидких и газообразных средах, например слышимый звук в воздухе.

Для поперечных волн направление колебания частиц перпендикулярно направлению распространения волны. Эти волны также носят название сдвиговых волн, так как вызывают в звукопроводящем материале сдвиг. Они могут распространяться только в твердой среде.

Скорость V распространения колебаний в пространстве называется скоростью волны. Связь между длиной волны λ, скоростью волны V периодом колебания Т дается выражением:

λ =VТ, (6)

откуда

V = λ /Т. (7)

Учитывая, что частота колебания связана с периодом соотношением (1), скорость волны можно выразить через частоту:

V = λf.

Скорость распространения звуковых волн в газообразной среде (идеальный газ) определяется выражением:

С =√X(P/ρ), (8)

где Х — показатель адиабаты (постоянная величина, для воздуха равная 1,41); Р — давление газа; ρ — плотность газа.

По современным измерениям скорость звука в воздухе при нормальных условиях равна 331 м/с.

Например, скорости распространения звуковых волн (продольных и поперечных соответственно) в различных веществах при комнатной температуре следующие (м/с): алюминий – 6320 /3130; свинец – 2160/700; железо – 5900/3230, кварцевое стекло – 5570/3520, вода – 1481/ -.

Звуковые волны переносят энергию. Для характеристики среднего потока энергии в какой-либо точке среды вводят понятие интенсивности звука — это количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, нормальной (расположенной под углом 90^О) к направлению распространения волны.

Интенсивность звука выражается следующим образом:

I = P2/ρC, (9)

где I — интенсивность звука, Вт/м²; Р — звуковое давление (разность между мгновенным значением полного давления и средним значением давления, которое наблюдается в среде при отсутствии звукового поля), Па; ρ — плотность среды, кг/м³; С — скорость звука в среде, м/с.

Сила воздействия звуковой волны на барабанную перепонку человеческого уха и вызываемое ею ощущение громкости зависят от звукового давления.

Звуковое давление — это дополнительное давление, возникающее в газе или жидкости при нахождении там звуковой волны.

В природе величины звукового давления и интенсивности звука, генерируемые различными источниками шума, меняются в широких пределах: по давлению — до 10⁸ раз, а по интенсивности — до 10¹⁶ раз.

В соответствии с законом Вебера — Фехнера прирост силы ощущения анализатора человека, в том числе и слухового, пропорционален логарифму отношения энергий двух сравниваемых раздражении.

Поэтому для характеристики уровня шума используют не непосредственно значения интенсивности звука и звукового давления, которыми неудобно оперировать, а их логарифмические значения, называемые уровнем интенсивности звука или уровнем звукового давления.

Уровень интенсивности звука определяют по формуле:

L_I = 10 lg I / I_o, (10)

где L_I — уровень интенсивности в децибелах (дБ); I - интенсивность звука, Вт/м²; I_о — интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (I_о — постоянная величина; I_о = 10^-12 Вт/м² на частоте 1000 Гц).

Человеческое ухо, а также многие акустические приборы реагируют не на интенсивность звука, а на звуковое давление, уровень которого определяется по формуле:

Lp = 10lg(P²/ Р_o ²) = 20lg(P/ Р_o), (11)

где Р - звуковое давление. Па; Р_o — пороговое звуковое давление (Р_o - постоянная величина, Р_o = 2 ^. 10^-5 Па на частоте 1000 Гц).

При распространении звука в нормальных атмосферных условиях L_I = L_р.

При расчетах уровня шума используют величину интенсивности звука, а для оценки воздействия шума на человека — уровень звукового давления.

Человеческое ухо воспринимает колебания, лежащие в пределах от 20 до 20 000 Гц как слышимые.

Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный (20 — 400 Гц), среднечастотный (400 — 1000 Гц) и высокочастотный (свыше 1000 Гц).

Звуковые волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуковыми, а с частотами более 20 000 Гц - ультразвуковыми. Инфразвуковые и ультразвуковые колебания органами слуха человека не воспринимаются.

Ультразвуковой диапазон частот делится на два поддиапазона — низкочастотный (20 — 100 кГц) и высокочастотный (100 кГц — 1000 МГц). Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами и во много раз слабее — жидкостями. Так, например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде.

Ультразвуки применяются в промышленности для контрольно-измерительных целей (дефектоскопия, измерение толщины стенок трубопроводов и др.), а также для осуществления и интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, сварка, пайка, дробление и т.д.). Ультразвуки ускоряют протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций.

Инфразвук — это область акустических колебаний в диапазоне ниже 20 Гц. В производственных условиях инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, а в ряде случаев и с низкочастотной вибрацией.

Источниками инфразвука в промышленности являются компрессоры, дизельные двигатели, вентиляторы, реактивные двигатели, транспортные средства и др.

Характеристиками ультразвуковых и инфразвуковых колебаний, как и в случае звуковых волн, являются уровень интенсивности (Вт/м²), уровень звукового давления (Па) и частота (Гц).

Рассмотрим, как действуют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрация на организм человека.

Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120 —130 дБ, вызывают болевое ощущение и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма). В таблице представлены уровни различных звуков.

 

Таблица. Уровни различных звуков в зависимости от источника шума и расстояния

Источник шума	Расстояние, м	Уровень шума, дБ
Жилая комната Речь средней громкости Машинописное бюро Металлорежущие станки Дизельный грузовик Пневмоперфоратор Реактивный двигатель Выстрел из артиллерийского орудия	- - На рабочем месте 7   1 - 2	80-96 160 - 170

 

Разрыв барабанных перепонок в органах слуха человека происходит под воздействием шума, уровень звукового давления которого составляет ≈ 186 дБ.

Воздействие на организм человека шума, уровень которого около 196 дБ, приведет к повреждению легочной ткани (порог легочного повреждения).

Однако не только сильные шумы, приводящие к мгновенной глухоте или повреждению органов слуха человека, вредно отражаются на здоровье и работоспособности людей.

Шумы небольшой интенсивности, порядка 50—6О дБА (В дБА выражается уровень шума, замеренный по шкале А шумомера, конструкция и принцип работы которого будут изложены далее), негативно воздействуют на нервную систему человека, вызывают бессонницу, неспособность сосредоточиться, что ведет к снижению производительности труда и повышает вероятность возникновения несчастных случаев на производстве.

Если шум постоянно действует на человека в процессе труда, то могут возникнуть различные психические нарушения, сердечно-сосудистые, желудочно-кишечные и кожные заболевания, тугоухость.

Последствия воздействия шума небольшой интенсивности на организм человека зависят от ряда факторов, в том числе возраста и состояния здоровья работающего, вида трудовой деятельности, психологического и физического состояния человека в момент действия шума и ряда других факторов.

Шум, производимый самим человеком, обычно не беспокоит его. В отличие от этого посторонние шумы часто вызывают сильный раздражающий эффект. Если сравнивать шумы с одинаковым уровнем звукового давления, то высокочастотные шумы (f > 1000 Гц) более неприятны для человека, чем низкочастотные (f < 400 Гц). В ночное время шум с уровнем 30 — 40 дБА является серьезным беспокоящим фактором.

При постоянном воздействии шума на организм человека могут возникнуть патологические изменения, называемые шумовой болезнью, которая является профессиональным заболеванием.

Инфразвук также оказывает негативное влияние на органы слуха, вызывая утомление, чувство страха, головные боли и головокружения, а также снижает остроту зрения. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека инфразвуковых колебаний с частотой 4 — 12 Гц.

Вредное воздействие ультразвука на организм человека выражается в нарушении деятельности нервной системы, снижении болевой чувствительности, изменении сосудистого давления, а также состава и свойств крови.

Ультразвук передается либо через воздушную среду, либо контактным путем через жидкую и твердую среду (действие на руки работающих). Контактный путь передачи ультразвука наиболее опасен для организма человека.

Количественной характеристикой звукопоглощающих материалов является коэффициент звукопоглощения α, который определяется выражением:

α = Е_погл/Е_пад = Е_пад ─ Е_отр /Е_пад,

где Е_пад ─ падающая звуковая энергия;

Е_погл ─ поглощенная звуковая энергия;

Е_отр ─ отраженная звуковая энергия.

Звукопоглощающими называют материалы, у которых величина α превышает 0,2.

Примером этих материалов могут служить плиты и маты из минеральной ваты, базальтового и стеклянного волокна, акустические плиты с зернистой или волокнистой структурой типа «Акмигран», «Акминит», «Силакпор» и др.

Штучные звукопоглотители представляют собой объемные звукопоглощающие тела, изготовленные в виде конуса, куба, параллелепипеда и подвешенные к потолку помещения.

6.5.2. Воздействие вибрации на организм человека (для ознакомления)

Вибрация - это совокупность механических колебаний, простейшим видом которых являются гармонические.

В ГОСТе 24346-80 "Вибрация. Термины и определения" вибрация определяется как движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное возрастание и убывание во времени значений по крайней мере одной координаты.

Вибрацию вызывают неуравновешенные силовые воздействия, возникающие при работе различных машин и механизмов. Примером таких устройств могут служить ручные перфораторы, кривошипно-шатунные механизмы и другие, детали которых совершают возвратно-поступательные движения. Вибрацию также создают неуравновешенные вращающиеся механизмы (электродрели, ручные шлифовальные машины, металлообрабатывающие станки, вентиляторы и т.д.), а также устройства, в которых движущиеся детали совершают ударные воздействия (зубчатые передачи, подшипники и т.д.).

В промышленности также используются специальные вибрационные установки, в частности, при уплотнении бетонных смесей, при дроблении, измельчении и сортировке сыпучих материалов, при разгрузке транспортных средств и в ряде других случаев.

Необходимо различать общую и местную вибрации. Общая вибрация действует на весь организм в целом, а местная — только на отдельные части его (верхние конечности, плечевой пояс, сосуды сердца).

При воздействии общей вибрации наблюдаются нарушение сердечной деятельности, расстройство нервной системы, спазмы сосудов, изменения в суставах, приводящие к ограничению подвижности.

Если частоты колебания рабочих мест совпадают с собственными частотами колебаний внутренних органов человека (явление резонанса), то возможно механическое повреждение данных органов вплоть до их разрыва. (Для большинства внутренних органов человека частоты собственных колебаний составляют 6 — 9 Гц).

При действии на руки работающих местной вибрации (вибрирующий инструмент) происходит нарушение чувствительности кожи, окостенение сухожилий, потеря упругости кровеносных сосудов и чувствительности нервных волокон, отложение солей в суставах кистей рук и пальцев и другие негативнее явления. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию — вибрационной болезни, эффективное лечение которой возможно лишь на начальной стадии ее развития.