Производственный шум, физические и спектральные характеристики шума.

Многие производственные процессы сопровождаются шумом и вибрациями. Источниками шума и вибрации являются двигатели, компрессоры, насосы, вентиляционное оборудование и т.п.

Шум оказывает вредное влияние на весь организм и в первую очередь на центральную нервную и сердечно – сосудистую системы, вызывает головную боль, головокружение, беспричинную раздражительность, понижение кислотности желудочного сока, замедляет процессы пищеварения.

У лиц, работающих в условиях постоянного шума, наблюдается повышенная утомляемость, замедленная скорость психических реакций, снижение памяти. Кроме того, шум нарушает концентрацию внимания, точность и координированность движений, ухудшает восприятие звуковых и световых сигналов опасности и поэтому является вредным фактором способствующим росту травматизма. Кроме того, увеличение уровня шума с 75 до 95 дБ дает снижение производительности труда со 100 до 70%.

В связи с этим проблема снижения шума занимает важное место в комплексе мероприятий по охране труда и имеет не только социальное, но и экономическое значение. Однако в виду сложности этой проблемы ряд вопросов, относящихся к оборудованию и машинам сельскохозяйственного производства (и не только), еще не решен. Нормы по шуму в ряде случаев не выполняются. Поэтому для решения стоящих задач требуется мобилизация усилий ученых, специалистов и всех работников.

Шумом называется беспорядочное сочетание различных по частоте и интенсивности звуков.

По происхождению шумы подразделяют на:

- механические (возникают при колебании поверхностей оборудования или строительных конструкций, при соударении и трении между деталями);

- аэродинамические (возникают при движении газов или жидкостей);

- электромагнитные шумы (возникают при работе электрических машин при взаимодействии магнитных полей).

Шум имеет волновую природу. При работе промышленной установки возникающие на ней колебательные процессы непосредственно или через корпусные конструкции воздействуют на частицы окружающей среды, примыкающие к установке и вызывает их колебательное движение. Эти колебания передаются другим частицам, от них – следующим и т.д. и образуется в среде упругая волна – звуковая волна. Звуковую волну можно представить, как непрерывное изменение в среде давления (Р), плотности и скорости (с). Звуковые колебания характеризуются скоростью их распространения и частотой.

Скорость распространения звуковой волны в газах:

С = , м/с,

где γ – показатель адиабаты, соответствующий отношению удельной теплоемкости газа при постоянном давлении к удельной теплоемкости газа при постоянном объеме γ = С_р/С_v;

ρ₀ – плотность газа, кг/м^3;

Р₀ – статическое давление, Па.

Т.к. из объединенного газового закона следует, что Р₀/ ρ₀ – пропорционально температуре Т₀, то и скорость звука пропорциональна значению корня квадратного из абсолютной температуры среды:

С =

Повышение температуры на 1⁰С приводит к изменению скорости звука на 0,6 м/с.

Пользуясь этой формулой можно рассчитать скорость распространения звука в воздухе. Для нормальных условий (Р₀ = 1 Па; ρ₀ = 1,29 мг/м³; γ = 1,4; Т = 273 К) С = 332 м/с. На практике чаще пользуются значением С = 340 м/с, что соответствует Т = 293 К.

Важной характеристикой звуковой волны является частота и длина волны.

Частота звука f – число периодов колебаний в секунду, Гц

Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания с частотой 16 – 20000Гц. Меньше 16 Гц – инфразвук, более 20000Гц – ультразвук.

Звуковой диапазон разделяют на:

- низкочастотный – до 400 Гц;

- среднечастотный – 400 – 800 Гц;

- высокочастотный – свыше 800 Гц.

Длина волны определяется по формуле:

λ = С/f, мкм/с

Часть пространства, в котором распространяется звуковая волная. Называется звуковым полем. Любая точка этого поля характеризуется определенным давлением Р и скоростью движения частиц воздуха. Давление, дополнительно возникающее в среде, при прохождении через нее звуковой волны, называется звуковым давлением, измеряется в Н/м² или Па. Абсолютная величина звукового давления не велика, например, при соударении бутылок создается звук давлением 1 – 2 Па.

Распространение звуковой волны связано и сопровождается переносом энергии, которая характеризуется интенсивностью звука. Средний поток звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности нормальной к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью звука. I, (Вт/м²). Интенсивность звука является функцией звукового давления и колебательной скорости в каждой точке среды:

I = Р²/ρ·С

Органы слуха человека способны воспринимать огромный диапазон интенсивности звука. Существуют пороговые значения интенсивности звука I₀ и звукового давления Р₀, едва ощутимые органами слуха.

Порог слышимости при f = 1000 Гц; I₀ = 10^-12 Вт/м²; Р₀ = 2 10^-5 Па.

Максимальные значения I и Р вызывают болевые ощущения и превышают пороговые в 10¹⁴ раз.

При f = 1000 Гц болевой порог характеризуется I = 10² Вт/м²; Р = 2 10² Па.

Слуховой аппарат человека способен воспринимать не абсолютные приросты Р и I, а их отношения, поэтому была введена логарифмическая единица уровня интенсивности звука и уровня звукового давления L_i L_р, взятые по отношению к пороговым значениям. За единицу измерения уровня интенсивности и звукового давления принята единица 1дБ – относительная величина, указывающая на логарифм отношения интенсивности звука к порогу слышимости. На практике применяют величину в 10 раз меньше Бэла – децибел, т.е.0,1 Б (прирост интенсивности звука в 0,1дБ уже различает ухо человека)

Уровень интенсивности и уровень звукового давления определяют по формулам:

= , дБ , дБ

где I, Р – фактические значения интенсивности и звукового давления;

I₀, P₀ – значения интенсивности и звукового давления, соответствующие порогу слышимости.

Величина уровня интенсивности используется при проведении акустических расчетов, а уровня звукового давления – для измерения и оценки его воздействия на человека, поскольку органы слуха чувствительны не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению.

При исследовании шумов машин и механизмов и их воздействия на человека рассматривают спектральные характеристики шума. Под спектром шума понимают распределение уровня звукового давления в пределах диапазона слышимых звуков, т.е от 16 до 20000 Гц.

Спектры шума различают линейчатые (спектр периодического процесса, например шум дисковой пилы), сплошные (непрерывный процесс, например, шум реактивного двигателя)и смешанные (шум станков, вентиляторов, компрессоров).

Спектры шума

а – линейчатого; б – сплошного; в – смешанного

Весь диапазон слышимых звуков разбивают на частотные интервалы (полосы), которые характеризуются граничными значениями.

Полоса частоты, в которой верхняя граничная частота в 2 раза больше, чем нижняя называется октавной, т.е. f₂/f₁ = 2. Если же f₂/f₁ = = 1,26, то такая полоса называется третьоктавной.

Вместо того, чтобы характеризовать интервал двумя граничными частотами, используют понятие среднегеометрической частоты f_сг = .

Так обычно параметры звука, шума и вибрации оценивается в октавных или третьоктавных диапазонах.

По характеру спектра шумы делят на:

- широкополосные, имеющие непрерывный спектр шириной больше октавы;

- тональные, в спектре которого имеются дискретные тона, т.е. когда отдельные составляющие отделены друг от друга значительными частотными интервалами, в которых звука нет.

По временным характеристикам шумы бывают постоянные и не постоянные. Постоянные – шумы, уровень звука которых за 8 часов рабочего времени изменяется не более чем на 5 дБ.

Непостоянные делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные, состоящие из отдельных звуковых сигналов. Колеблющиеся т.е. непрерывно изменяющиеся во времени. Прерывистый – уровень звука резко падает до фонового значения. Наиболее опасными для человека являются тональные, высокочастотные и не постоянные шумы.

Шум в производственных помещениях создают, как правило, несколько одновременно работающих машин. Поэтому возникает задача сложения уровней шума каждого источника. При этом необходимо помнить, что уровни нельзя складывать или вычитать как обычные числа ввиду их логарифмической природы.

Сложение нескольких одинаковых уровней следует выполнять по формуле:

,

где N – количество источников шума.

Сложение различных уровней шума определяют по формуле:

,

где L₁, L₂… L_n– уровни шума каждого источника, дБ.

Нормирование шума

Нормирование шума осуществляется в соответствии с ГОСТ 12.1.003-83 ССБТ и республиканских санитарных норм СанПиН 2.2.4/2.1.8.10-32-2002 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых и общественных зданий и на территории жилой застройки».

При нормировании шума используют два метода:

1) нормирование по предельному уровню шума

2) нормирование уровня звука в дБА.

Первый метод нормирования используют для постоянных шумов. Здесь нормируются уровни шума в дБ в зависимости от среднеквадратического звукового давления в 9 октавных полосах частот; 31,5; 63; 125: 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000.

Совокупность девяти нормированных уровней звукового давления называется предельным спектром (ПС). Каждый спектр имеет свой индекс, например ПС80, где цифра 80 – нормативный уровень звукового давления в октавной полосе со среднегеометрической частотой 1000 Гц.

Второй метод нормирования общего уровня шума, измеренного по шкале А шумомера и именуемого уровнем звука в дБА, используется для ориентировочной оценки постоянного и не постоянного шума, т.к. в этом случае мы не знаем спектра шума.

Нормируемыми параметрами непостоянного шума являются:

- эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА

- максимальный уровень звука в дБА

СанПиН 2.2.4/2.1.8.10-32-2002 устанавливает предельно допустимые уровни звукового давления, уровни звука и эквивалентные уровни звука для основных наиболее типичных видов трудовой деятельности.

ПДУ – уровни, которые при ежедневной, кроме выходных дней, работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего стажа работы не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемые современными методами исследований в процессе работы и в отдаленные сроки жизни настоящего и будущего поколений.

Для тонального и импульсного шума, а также шума, создаваемого в помещениях установками кондиционирования воздуха, вентиляции и воздушного отопления предельно допустимые уровни должны приниматься на 5 дБ (дБА) меньше.

Максимальный уровень звука для колеблющегося и прерывистого шума не должен превышать 110 дБА.

Уровни звука связаны с ПС зависимостью L_дБА = ПС + 5 дБ

В зависимости от характера шума (широкополосный или тональный) и длительности его воздействия в нормативные уровни шума вводятся поправки, приведенные в специальных таблицах. С учетом поправки полученный уровень шума называется допустимым.