ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА

По физической природе шумом является всякий нежелательный для человека звук. В качестве звука мы воспринимаем упругие колебания (звуковые волны), распространяющиеся волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде. Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды, вследствие воздействия на нее какой либо возмущающей силы. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояния колебательного движения и его энергия. Поэтому основными свойствам волн являются перенос энергии без переноса вещества.

Звуковые волны в зависимости от диапазона частот (рис. 18.1) воспринимаются человеком по-разному.

Рис. 18.1. Диапазон звуковых волн.

В диапазоне частот 16–20000 Гц волны воспринимаются органом слуха человека как звук. Необходимо иметь в виду, что с возрастом у человека слышимость звуков высоких частот уменьшается. Большинство взрослых людей едва ли воспринимают звуки с частотой более 12000 Гц, а пожилые люди отчетливо воспринимают звуки частотой всего лишь 6000–8000 Гц. Колебания частотой ниже 16–20 Гц относятся к инфразвукам, а более 20000 Гц – ультразвукам. Они не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм.

Область пространства (среды), где происходит распространение звуковых волн, называется звуковым полем, которое характеризуется плотностью среды r(кг/м³), скоростью распространения колебаний частиц среды (звуковой скоростью) с(м/с) и звуковым давлением р (Па). Скорость звука с при нормальных условиях (температура +20ºС и давление 0,1013 МПа) равна в воздухе 344 м/с, в жидкости –1500 м/с, в металле – 5000 м/с.

Во время распространения звуковых колебаний в воздухе появляются области разрежения и области повышенного давления, что создает звуковое давление. Под звуковым давлением р понимается разность между мгновенным значением давления при распространении звуковой волны и средним значением давления, в невозмущенной среде. Звуковое давление изменяется с частотой, равной частоте звуковой волны. Определение давления во времени происходит в органе слуха человека за время 30–100мс. На слух человека действует среднеквадратичное значение звукового давления:

, (18.1)

где Т – период колебания;

t – время.

Звуковые волны являются носителями энергии. Звуковая энергия W (Вт), приходящаяся на единицу площади S( м²) поверхности, расположенной перпендикулярно распространяющимся звуковым волнам, называется интенсивностью или силой звука I (Вт/м ²).

. (18.2)

Для того, чтобы вызвать звуковое ощущение, волна должна обладать некоторым минимальным звуковым давлением, но если это давление превышает определенный предел, то звук не слышен, а вызывает только болевое ощущение. Следовательно, для каждой частоты колебаний минимальная величина звукового давления, которую ощущает ухо человека, носит название порога слышимости или ощущения и обозначается р₀. Максимальное давление, создающее болевые ощущения, называется болевым порогом и обозначается р_max. Аналогично имеются значения порогов интенсивности звука I₀и I_max. Международной организацией по стандартизации за пороговые значения приняты значения данных величин на частоте 1000 Гц (р₀ = 2· 10^–5 Па, р_max = 2·10^–2 Па, I₀ = 10^–12 Вт/м², I_max = 10² Вт/м²)

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Естественно, что оперировать такими цифрами неудобно, и, кроме того, орган слуха человека способен реагировать на относительное изменение давления, а не на абсолютное. Ощущения человека, возникающие на различные виды раздражителей, в том числе и при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя (биологический закон Вебера-Фехнера, выражающий связь между изменением интенсивности раздражителя и силой вызванного ощущения), поэтому для параметров шума введены логарифмические величины – уровни звукового давления и уровни интенсивности звука. За единицу измерения принят децибел (дБ). Весь слышимый диапазон на стандартной частоте 1000 Гц укладывается в интервале уровней от 0 до 120 дБ.

Величина уровня звукового давления L_р определяется формулой:

. (18.3)

Уровень интенсивности звука

. (18.4)

Уровнями интенсивности обычно пользуются при выполнении акустических расчетов, а уровнями звукового давления – при измерении шума и оценке его воздействия на организм человека. В практических расчетах все вычисления проводятся до целых чисел децибел, так как изменение уровня звукового давления менее 1 дБ органом слуха не воспринимается.

Уровни звукового давления некоторых источников шума на частоте 1000Гц, представлены в табл. 18.1.

Таблица 18.1

Уровни звукового давления от отдельных источников шума

При измерении и анализе шумов, весь диапазон частот разбивают на октавы (интервалы частот), где конечная частота f ₂ больше начальной f ₁ в два раза. В качестве частоты, характеризующей полосу частот в целом, берется среднегеометрическая частота . Линейка среднегеометрических частот по октавам: 63,5, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц.

Классификация шумов представлена на рис. 18.2.

Рис. 18.2. Классификация шумов.
18.3. ВОЗДЕЙСТВИЕ ШУМА НА ОРГАНИЗМ ЧЕЛОВЕКА

Каждый человек воспринимает шум по-своему. Это зависит от многих факторов: возраста, состояния здоровья, характера трудовой деятельности. Установлено, что большее влияние шум оказывает на людей занятых умственным трудом, чем физическим.

Шум является биологическим раздражителем, способным влиять на все органы и системы организма, вызывая разнообразные физиологические изменения. К биологически агрессивному шуму относятся импульсный и тональный шум.

Шум с уровнем звукового давления до 35дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40–80дБ создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, а при длительном действии может быть причиной нервозов. Воздействие шума уровнем свыше 80дБ может привести к потере слуха – профессиональной глухоте. При действии уровней свыше 140дБ возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при уровне более 160дБ наступает летальный исход.

Человек в процессе трудовой деятельности, как правило, сталкивается с производственным шумом, который активно влияет на безопасность жизнедеятельности. Производственный шум нарушает информационные связи, что вызывает снижение эффективности и безопасности деятельности человека, т.к. высокий уровень шума уменьшает слышимость предупреждающего сигнала опасности. Кроме того, шум вызывает обычную усталость. При действии шума снижаются способность сосредоточения внимания, точность выполнения работ, связанных с приемом и обработкой информации и производительность труда. При постоянном воздействии шума работающие жалуются на бессонницу, нарушения зрения, вкусовых ощущений, расстройство органов пищеварения и т.д. У них отмечается склонность к нервозам. Энергозатраты организма при выполнении работы в условиях шума больше, т.е. работа оказывается более тяжелой.

Длительное воздействие интенсивного шума на человека приводит к развитию шумовой болезни, являющейся самостоятельной формой профессиональной патологии – тугоухости.