Воздействие акустических колебаний на человека

Акустическими колебаниями называют 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.

Повышенный шум влияет на нервную и сердечно-сосудистую системы, вызывает раздражение, утомление, агрессивность. Профессиональные заболевания, связанные с воздействием шума и вибрации (например, неврит слухового нерва, вибрационная болезнь), находятся на 1-3 местах среди всех профессиональных заболеваний. По данным российских ученых, эти заболевания в России достигают более 35 % от общего числа профессиональных заболеваний. Под воздействием повышенного шума во всем мире находятся десятки миллионов работающих и сотни миллионов жителей городов.

Шум влияет и на производительность труда. При уровнях шума свыше 80 дБА увеличение его на каждые 1-2 дБА вызывает снижение производительности труда не менее чем на 1 %. Экономические потери от повышенного шума в развитых странах достигают десятки миллиардов долларов в год. Сегодня конкурентоспособность машин в немалой степени определяется их уровнем шума. Чем меньше шум машины, агрегата, установки, тем, как правило, она дороже. Каждый децибел снижения шума обеспечивает около 1 % повышения стоимости продаваемого изделия. Например, стоимость супершумозаглушенных компрессорных станций на 40 % выше стоимости таких же шумных. В современных самолетах стоимость шумозащиты достигает 25 % стоимости изделия, а в автомобилях 10 %.

Звуковые волны переносят энергию со скоростью звука в воздухе при нормальных условиях равной 331 м/с.

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°) к направлению распространения волны. Интенсивность звука выражается следующим образом:

(3.8)

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 от прохождения 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 раздражений. 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:

(3.9)

где L₁ – уровень интенсивности в децибелах (дБ); I – интенсивность звука, Вт/м²; I₀ – интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости человеческого уха (I₀ – постоянная величина; I₀ = 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:

(3.10)

где Р – звуковое давление. Па; P₀ – пороговое звуковое давление (P₀ – постоянная величина, P₀ = 2·10^-5 Па на частоте 1000 Гц).

Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления определяется следующим выражением:

(3.11)

где ρ₀ и С₀ – соответственно плотность среды и скорость звука при нормальных атмосферных условиях, т. е. при t = 20 ºС и P₀ = 10⁵ Па; ρ и С – плотность среды и скорость звука в условиях измерения.

При распространении звука в нормальных атмосферных условиях L_I = L_p. При расчетах уровня шума используют величину интенсивности звука, а для оценки воздействия шума на человека – уровень звукового давления.

К звукоизолирующим ограждениям относятся стены, перекрытия, перегородки, остекленные проемы, окна, двери. Основная количественная характеристика эффективности звукоизолирующих свойств ограждений – коэффициент звукопроницаемости τ (безразмерная величина), который может быть рассчитан по следующей формуле:

(3.12)

где и – интенсивности прошедшего через ограждение и падающего звука, Вт/м²); и – звуковое давление прошедшего через ограждение и падающего звука, Па.

Используется и другая величина, называемая звукоизолирующей способностью ограждения (R, дБ). Она находится из следующего выражения:

(3.13)

Для практических расчетов звукоизолирующей способности однослойных ограждений применяется формула:

R = 20 lg (m_0·f) – 47,5, (3.14)

где m₀ – масса 1 м² ограждения, кг; f – частота звука, Гц.

Звукоизолирующая способность конструкции тем выше, чем больше ее поверхностная плотность (чем тяжелее материал, из которого изготовлена конструкция). Звукоизолирующие свойства ограждения возрастают с повышением частоты звука. Пользоваться формулой для расчета R следует со значительной долей осторожности, так как в ней не учтено влияние жесткости и размеров ограждения.

Звукоизолирующими кожухами обычно полностью закрывают издающее шум устройство (машину, агрегат, установку и т.д.). Кожухи изготавливают из листового металла (сталь, дюралюминий и т.д.) или пластмассы. Как и в случае звукоизолирующих ограждений, кожухи более эффективно снижают уровень шума на высоких частотах, чем на низких. Так, например, стальной кожух с размером стенки 4х4 м и толщиной стенки 1,5–2 мм обеспечивает снижение шума на частоте f = 63 Гц на 21 дБ, а на частоте f = 4000 Гц – на 50 дБ.

Звукоизолирующие кабины применяют для размещения пультов управления и рабочих мест в шумных цехах. Их изготавливают из кирпича, бетона и подобных материалов или из металлических панелей. Акустические экраны представляют собой конструкцию, изготовленную из сплошных твердых листов (металлических и т.п.) толщиной 1,5–2 мм, с покрытой звукопоглощающим материалом поверхностью. Эти экраны устанавливаются на пути распространения звука. За ними возникает зона звуковой тени. Основной акустический эффект (снижение уровня шума) достигается в результате отражения звука от этих конструкций.

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

(3.15)

где Е_пад – падающая звуковая энергия; Е_погл – поглощенная звуковая энергия; Е_отр – отраженная звуковая энергия.

К средствам индивидуальной защиты от шума относятся противошумные вкладыши, наушники и шлемы. Противошумные вкладыши вставляют в слуховой канал и перекрывают его. В зависимости от частоты они обеспечивают снижение уровня шума на 5–20 дБ. Их изготавливают из специального ультратонкого волокна, а также из резины или эбонита. Это наиболее дешевые и компактные индивидуальные средства защиты слуха человека, однако они могут вызвать раздражение слухового прохода. При очень высоких уровнях шума (более 120 дБ) применяют шлемы.

Инфразвук представляет собой механические колебания упругой среды с частотами менее 20 Гц. Такие колебания человек не слышит, однако чувствует.

Инфразвуковые волны генерируют многие явления природы: землетрясения, извержения вулканов, морские бури и др. Они образуются при взрывных работах. В производственных условиях инфразвук образуется, главным образом, при работе тихоходных крупногабаритных машин и механизмов (компрессоров, дизельных двигателей, электровозов, вентиляторов, турбин, реактивных двигателей, речных и морских судов и др.), совершающих вращательное или возвратно-поступательное движение (обороти, ходы и удары) с числом циклов менее 20 раз в секунду (инфразвук механического происхождения). При турбулентных процессах в потоках газов или жидкостей возникает инфразвук аэродинамического происхождения.

Инфразвук отличается от слышимого удара рядом особенностей, связанных с низкой частотой колебаний среды. Амплитуда инфразвуковых колебаний во много раз превышает амплитуду акустических волн при равных мощностях источников звука. Инфразвук распространяется на большие расстояния от источника генерирования ввиду слабого поглощения его атмосферой. Большая длина волны инфразвуковых колебаний (17-20 м) делает характерным для инфразвука явление дифракции (огибание волнами препятствий), благодаря чему инфразвук легко проникает в помещение и обходит преграды, задерживающие слышимые звуки. Инфразвуковые колебания способны вызвать вибрацию крупных объектов вследствие явления резонанса. Указанные особенности инфразвуковых волн затрудняют борьбу с ними, так как классические способы снижения уровня шума (звукопоглощение и звукоизоляция), а также удаление от источника в данном случае малоэффективны.

Биологическое действие инфразвука на организм человека оказывается неблагоприятным. Он влияет на нервную, сердечнососудистую и дыхательные системы, на состояние слухового и вестибулярного анализаторов. Инфразвук вызывает у человека ощущение неясной тревоги, беспокойства, беспричинного страха и ужаса. Он приводит к недомоганию, значительной слабости (астении), головной боли, головокружению, быстрому утомлению и потере трудоспособности. Инфразвук определенной частоты вызывает расстройство мозга, слепоту, а при частоте 7 Гц – смерть.

Уровни звукового давления в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 2,4,8 и 16 Гц должны быть не более 105 дБ, а для полос с частотой 32 Гц – не более 102 дБ. Известные меры борьбы с шумом, как правило, неэффективны для инфразвуковых колебаний. Наиболее эффективным средством борьбы с инфразвуком является снижение его в источнике возникновения (путем применения малогабаритных машин большой жесткости, увеличения быстроходности технологического оборудования, снижения интенсивности аэродинамических процессов и т.д.). В борьбе с инфразвуком на путях его распространения определенный эффект оказывают глушители интерференционного типа. В качестве СИЗ рекомендуется применение наушников, вкладышей, защищающих ухо от неблагоприятного действия шума.

Ультразвук – механические колебания упругой среды с частотами от 1,12 10⁴ до 1 10⁹ Гц . Ультразвуковой диапазон частот подразделяют на низкочастотные колебания (от 1,12 10⁴ до 1 10⁵ Гц), распространяющиеся воздушным и контактным путем; и высокочастотные колебания (от 1 10⁵ до 1 10⁹ Гц), распространяющиеся только контактным путем.

Источником ультразвука является оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологических процессов, технического контроля и измерений, а также оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор. В воде, металле и других средах ультразвук мало поглощается и способен распространяться на большие расстояния, практически не теряя энергии. Поглощение ультразвука сопровождается нагреванием среды. Специфической особенностью ультразвука, обусловленной большой – частотой и малой длиной волны, является возможность распространения ультразвуковых колебаний направленными пучками, получившими название ультразвуковых лучей. Они создают на относительно небольшой площади очень большое ультразвуковое давление. Это свойство ультразвука обусловило широкое его применение: для очистки поверхности деталей и узлов, механической обработки твердых материалов, сварки, пайки, лужения, дефектоскопии, проверки размеров выпускаемых изделий, структурного анализа веществ, ускорения химических реакций, гидролокации.

Ультразвуковые волны обуславливают функциональные нарушения нервной системы, изменения давления, состава и свойства крови. Часты жалобы на головные боли, быструю утомляемость, потерю слуховой чувствительности. Ультразвук может действовать на человека, как через воздух, так и через жидкую и твердую среду (контактное воздействие на руки).

Субъективно оцениваемая громкость звука возрастает гораздо медленнее, чем интенсивность звуковых волн. Поэтому уровень громкости L_Е определяется как логарифм отношения интенсивности I данного звука к порогу слышимости I_пор:

, (3.16)

где k –коэффициент, который зависит от частоты и интенсивности.

Условно считают, что для человека с нормальным слухом на частоте 1000 Гц коэффициент k = 1, I_пор = I₀ = 10^-12 Вт/м² и шкала уровней интенсивностей совпадает со шкалой уровней громкостей.

На рис. 3.2 представлена логарифмическая зависимость уровня громкости от интенсивности звука. Изменение интенсивности ΔI₁ при малых значениях интенсивности вызывает такое же изменение уровня громкости ΔL_E1, а такое же изменение при больших интенсивностях ΔI₂, практически не вызывает изменений уровня громкости ΔL_E2.

Рис. 3.2. Зависимость уровня громкости от интенсивности звука

Закон Вебера – Фехнера определяет зависимость уровня громкости от интенсивности звуковой волны, но громкость зависит от частоты звука. Эту зависимость можно показать на кривой порога слышимости, которая представлена на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Кривая порога слышимости в норме и при потере слуха

Кривая порога слышимости не является функциональной зависимостью. Она показывает, при какой интенсивности волны человек слышит самый слабый звук на данной частоте. Условно принято, что на частоте 1000 Гц порог слышимости равен 10^-12 Вт/м² (точка 1). Все точки на кривой порога слышимости человек слышит одинаково. Во всех точках – это самый слабый звук, который может услышать человек на данной частоте. Но точка 2 лежит выше на этой кривой, т.е. значения интенсивности для нее выше. Это обусловлено тем, что на частоте, соответствующей точке 2, чувствительность нашего уха падает, и нам, чтобы услышать очень слабый звук, необходимо увеличить его интенсивность. В области точки 3 (2000-3000 Гц) чувствительность уха самая большая, и поэтому достаточно меньшей интенсивности (чем для точек 2 и 1), чтобы услышать звук.

Чем ближе к краям диапазона слышимости (16 и 20 000 Гц), тем выше кривая порога слышимости, поскольку в этих областях чувствительность слухового аппарата человека падает, а за краями указанного диапазона человек перестает слышать звуки. Порог звукового ощущения, следовательно, и кривая порога слышимости, зависят от индивидуальных особенностей слуха данного человека. При потерях слуха кривая порога слышимости располагается выше (пунктир на рис. 3.3).

Если построить аналогичные кривые для различных уровней громкостей, то получится семейство графиков, называемых кривыми равной громкости (рис. 3.4).

Кривая порога слышимости – это самая нижняя кривая на этих графиках. Самая верхняя кривая – болевой порог восприятия. Как и на кривой порога слышимости, все точки на каждой из приведенных кривых человек слышит одинаково. Уровни громкости принято измерять в фонах. На частоте 1000 Гц уровень громкости в фонах равен уровню интенсивности в децибелах (рис. 3.4). На кривых равной громкости показано, что уровень громкости для кривой порога слышимости равен нулю, далее на каждой кривой приведен соответствующий уровень громкости в фонах.

Рис. 3.4. Кривые равной громкости

Кривые порога слышимости и кривые равной громкости широко используются в практической медицине для оценки потерь слуха. Метод такой оценки называется аудиометрией, а кривая потерь слуха – аудиограммой. Для ее построения необходимо с помощью специального генератора звуковых сигналов получить кривую порога слышимости для исследуемого пациента и вычесть ее из усредненной кривой порога слышимости для нормального слуха.

Кроме аудиометрии в медицине используют метод фонокардиографии. Это метод регистрации звуковых волн на поверхности грудной клетки, возникающих в результате сократительной деятельности сердца.

Метод аускультации – выслушивание звуков, возникающих при работе различных органов (прослушивание работы сердца, шумов в легких) с помощью фонендоскопов. Этот метод использует практи-чески каждый врач.