Акустическая безопасность бытовых товаров

Содержание

Введение…………………………………………………………………………………              3

1.      Звуковые колебания………………………………………………………………… 4

2.      Строение слухового аппарата человека…………………………………………… 7

3.      Особенности восприятия звука человеком………………………………………. 10

4.      Шумы бытовой техники…………………………………………………………… 11

5.      Нормирование и измерение звуковых колебаний……………………………….. 18

6.      Защита от вредного действия звуковых колебаний……………………………... 22

Заключение…………………………………………………………………………….. 24

Список использованных источников………………………………………………… 25 Приложение А…………………………………………………………………………. 26

Введение

Каждый человек обладает рядом специализированных периферических образований – органов чувств, обеспечивающих восприятие действующих на организм внешних раздражителей (из окружающей среды). К ним относятся органы зрения, слуха, обоняния, вкуса и осязания. Для нормального существования человека, ему нужны сведения о состоянии и изменении внешней среды, вся информация поступает к коре головного мозга - высшем звене центральной нервной системе (ЦНС). Информация, поступающая из внешней среды, анализируется и осуществляется выбор или разработка программы ответной реакции, т.е. формируется информация об изменении организации жизненных процессов таким образом, чтобы это изменение не привело к повреждению и гибели организма.

В данной работе всесторонне рассматривается один из этих органов – орган слуха и влияние на него внешних раздражителей, в частности шум от бытовых приборов в разных его проявлениях, последствия и предупреждение возможных заболевании. Слух – уникальная способность организма воспринимать и различать звуковые колебания. Орган слуха – ухо, ему доступна область звуков – механических колебаний с частотой 16-20000Гц, но слуховой анализатор человека обладает акустическим рефлексом блокировки звука в ответ на интенсивный звуковой раздражитель, таким образом, орган слуха выполняет два задания: снабжает организм информацией и обеспечивает самосохранение. Подробно изложен механизм восприятия звуковых колебаний человека, как на физическом, так и на психологическом уровнях. Изучены основные источники возникновения бытовых шумов и их особенностей. Приведены допустимые нормы звукового давления, согласно действующему ГОСТу. Даны практические рекомендации по снижению воздействия шумов на организм человека и профилактике заболеваемости.

1.      Звуковые колебания

Звук — явление, субъективно воспринимаемое специальным органом чувств человека и животных. В более широком смысле этого слова, звук — колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твёрдой средах. Человеческое ухо слышит звук с частотой от 16 Гц до 20 000 Гц, тогда как физическое же понятие о звуке охватывает как слышимые, так и неслышимые звуки. Звук с частотой ниже 16 Гц называется инфразвуком, выше 20 000 Гц — ультразвуком; самые высокочастотные упругие волны в диапазоне от 109 до 1012 — 1013 Гц относят к гиперзвуку. Область инфразвуковых частот снизу практически не ограничена — в природе встречаются инфразвуковые колебания с частотой в десятые и сотые доли Гц. Частотный диапазон гиперзвуковых волн сверху ограничивается физическими факторами, характеризующими атомное и молекулярное строение среды: длина упругой волны должна быть значительно больше длины свободного пробега молекул в газах и больше межатомных расстоянии в жидкостях и в твёрдых телах. Поэтому в воздухе не может распространяться гиперзвук с частотой 109 Гц и выше, а в твёрдых телах — с частотой более 1012 • 1013 Гц.

Важной характеристикой звуковых колебаний является его амплитудно-частотный спектр, получаемый в результате разложения звука на простые гармонические колебания (рис. 1). Спектр бывает сплошной, когда энергия звуковых колебаний непрерывно распределена в более или менее широкой области частот, и линейчатый, когда имеется совокупность дискретных частотных составляющих (рис. 2). Звук со сплошным спектром воспринимается как шум, например шелест деревьев под ветром, звуки работающих механизмов. Линейчатым спектром с кратными частотами обладают музыкальные звуки (рис. 3). Основная частота определяет при этом воспринимаемую на слух высоту звука, а набор гармонических составляющих — тембр звука.

1 – основная частота; 2 – 12 – гармонические составляющие (обертоны)

Рис.1. Колебания сложной формы (верхняя кривая) и двенадцать его частотных составляющих.

а – форма колебаний; б – частотный спектр

Рис. 2. Звуковой импульс малой длительности, как, например, стук в дверь.

Рис. 3.  Осциллограммы колебаний, соответствующие ноте «ля», взятой на разных инструментах и их частотные спектры. В спектре флейты, обертон столь же силен, как и основная частота.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука — энергия, переносимая звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную направлению распространения волны, в единицу времени. Интенсивность звука зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств самой среды и от формы волны.

Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1 — 5 кГц.   В этой области порог слышимости, т. е. интенсивность самых слабых слышимых звуков, по порядку величины равна 10-12 Вт/м2, а соответствующее звуковое давление — 10-5 Н/м2. Верхняя по интенсивности граница области воспринимаемых человеческим ухом звука характеризуется порогом болевого ощущения, слабо зависящим от частоты в слышимом диапазоне и равным примерно 1 Вт/м2.

2. Строение слухового аппарата человека

Способность человека воспринимать различные звуковые сигналы позволяет ему более полно ориентироваться в окружающей среде. Восприятие звуковых сигналов и их анализ осуществляется деятельностью слухового анализатора. Воспринимающим отделом его являются фонорецепторы в составе органа слуха. Проводниковым отделом является слуховой нерв в составе преддверно-улиткового нерва, отходящего от внутреннего уха. Корковый отдел слухового анализатора находится в коре височной доли коры больших полушарий. Орган слуха (ухо) у человека парный. Каждое ухо представлено тремя отделами: наружное ухо, среднее ухо, внутреннее ухо (рис. 4).

Рис. 4. Внутреннее строение органа слуха (продольный разрез).

Наружное ухо состоит из ушной раковины, наружного слухового прохода и барабанной перепонки. Ушная раковина - это эластический хрящ сложной формы, покрытый кожей. Ушная раковина у человека неподвижна и играет незначительную роль по сравнению с животными, у которых ее подвижность обеспечивает лучшую ориентировку по отношению к источнику звука. Наружный слуховой проход имеет длину 27 - 35 мм, диаметр 6 - 8 мм. Он проводит звуковые колебания к барабанной перепонке. Барабанная перепонка - это тонкая мембрана, которой заканчивается наружный слуховой проход, толщина ее около 0,1 мм. Она отделяет наружное ухо от среднего.                 

Среднее ухо помещается в особом углублении височной кости – барабанной полости. Оно представлено барабанной полостью объемом около 1 см³, в которой располагаются три слуховые косточки – молоточек, наковальня и стремечко. Слуховые косточки очень маленькие, например, масса стремечка всего 2,5 мг. Полость среднего уха соединяется с полостью носоглотки слуховой  (евстахиевой) трубой. Благодаря этой трубе давление на барабанную перепонку снаружи и изнутри уравновешено. Слуховые косточки передают  звуковые колебания от барабанной перепонки к внутреннему уху, при этом  они образуют систему рычагов, которые повышают эффективность передачи  колебаний с барабанной перепонки на внутреннее ухо. Молоточек одним  концом прилегает изнутри к барабанной перепонке, другим концом – к наковальне. Наковальня соединяется со стремечком, которое прилегает к поверхности овального окна внутреннего уха (рис. 5). 

Рис. 5. Внутреннее строение среднего уха.

Внутреннее ухо  имеет вид перепончатого лабиринта, который располагается в костном лабиринте височной кости. Оно представлено преддверием, тремя полукружными каналами и улиткой. Улитка относится к органу слуха, а полукружные каналы и преддверие являются органом равновесия.  Между стенкой костного лабиринта и наружной поверхность перепончатого  лабиринта находится жидкость – перилимфа. Улитка представляет собой тонкий конус длиной 3,5 см, закрученный спирально на 2,5 оборота. По всей длине конуса улитка разделена двумя тонкими мембранами на три канала: верхний – лестница преддверия, средний – улитковый проток, нижний – барабанная лестница. Верхний и нижний каналы заполнены перилимфой, улитковый проток заполнен эндолимфой. На основной мембране улитки, которая разделяет улитковый проток и барабанную лестницу, располагается звуковоспринимающий аппарат – кортиев орган.

Кортиев орган состоит из 3 – 4 рядов рецепторных (волосковых) клеток, лежащих вдоль всей основной мембраны. Общее количество этих клеток в кортиевом органе до 25000. Каждая рецепторная клетка имеет от 30 до 120 тонких волосков – микроресничек. В состав кортиева органа входит покровная мембрана, которая нависает над волосковыми клетками по всей длине улиткового протока. Работа кортиева органа заключается в преобразовании колебаний перилимфы и эндолимфы в нервный импульс. Звуковые колебания, преданные со стремечка на жидкость, заполняющую улитку, заставляют колебаться основную мембрану, на которой находятся волосковые клетки. Они при этом своими микроресничками касаются покровной мембраны и приходят в состояние возбуждения, и в них возникает нервный импульс. От каждой волосковой клетки отходит чувствительный нейрон, а их совокупность образует общий слуховой нерв. Высокие звуки раздражают волосковые клетки, лежащие в нижних частях улитки, а высокие звуки - волосковые клетки вершины улитки.

3. Особенности восприятия звука человеком

Человеческое ухо способно воспринимать звуковые колебания часто той от 16 до 21000 герц. С возрастом верхний порог чувствительности снижается у старых людей до 5000 герц, поэтому пожилые и старые люди лучше слышат низкие звуки, шепот. Благодаря восприятию звуков двумя органами слуха человек может точно определять нахождение источника звука, так как в одно ухо, находящееся ближе к источнику звука, он поступает несколько раньше, чем в другое.

Уровень звукового давления не связан простой зависимостью с психологическим восприятием громкости. Первый из этих факторов объективный, а второй – субъективный. Эксперименты показывают, что восприятие громкости зависит не только от интенсивности звука, но и от его частоты и условий эксперимента (рис. 6).

Рис. 6. Связь между уровнем звукового давления в децибелах и уровнем громкости в фонах (кривые Флетчера – Мэнсона). Кривые получены путем измерения уровня звукового давления, при котором звук той или иной частоты воспринимается как равногромкий с эталонным тоном частотой 1000 Гц.

Эти кривые используются для определения фона – единицы уровня громкости, которая тоже измеряется в децибелах. Фон – это уровень громкости звука, для которого уровень звукового давления равногромкого стандартного чистого тона (1000 Гц) равен 1 дБ. Так, звук частотой 200 Гц при уровне 60 дБ имеет уровень громкости в 50 фонов. Нижняя кривая на рисунке 6 – это кривая порога слышимости хорошего уха, верхняя кривая – это кривая порога болевого ощущения. Из  рисунка 9 следует, что наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в области частот 1 — 5 кГц, а порог болевого ощущения, слабо зависит от частоты в слышимом диапазоне.

Звуки, воспринимаемые  человеческим ухом, различаются по трем признакам: громкости, высоте и тембру. Все эти показатели субъективные, но их можно связать с измеряемыми величинами. Громкость связана в основном с интенсивностью звука; высота звука, характеризующая его положение в музыкальном строе, определяется частотой тона; тембр, которым один инструмент или голос отличается от другого, характеризуется распределением энергии по гармоникам и изменением этого распределения во времени.

4. Шумы бытовой техники

Под шумом понимается любой звук, создаваемый многочисленными, не согласованными между собой источниками. Любой предмет, движущийся или приводящий что-либо в движение, вибрирует, а следовательно создает шум (звуковую волну). Работа бытовых приборов, без которых не мылима повседневная жизнь человека, связана с возникновением шума.

Шум чайника - это шум закипающей воды (рис.7). При закипании вода не сразу прогревается равномерно. На нагревательном элементе активно образуются молекулы, переходящие в газообразное состояние. Горячее поднимается вверх,      как мы помним из школьного курса физики. Так вот, эти самые пузырьки пара поднимаются в холодные верхние слои воды, где с характерным звуком      лопаются, наблюдается так называемое схлопывание молекул воды.

Рис. 7. Кипящий чайник.

Современные модели чайников производятся с закрытым нагревательным элементом (ТЭН прячется под металлическое дно, которое, собственно, и нагревает воду). Итак, по сравнению со спиралью, поверхность нагрева у закрытого элемента значительно увеличилась. Таким образом, пузырьков пара образуется больше, и кажется, что чайник шумит сильнее. Но и здесь зависимость нелинейная. Возьмем для примера две модели чайников одинаковой мощности, например 3000 Вт. Это мощность того ТЭНа, который греет металлическое дно нагревательного элемента чайника. Для чистоты эксперимента в обоих чайниках вскипятим по одному литру воды. Только у одного будет очень маленькое дно (TEFAL Vitesse), а у другого - большое (например, BOSCH TWK5503). Спираль греет с одинаковой мощностью разные по площади днища. В первом случае маленькая поверхность будет нагреваться активнее, следовательно, процесс образования пузырьков пара будет происходить интенсивнее, такой чайник по всем законам физики очень шумит. Во втором случае большая поверхность нагревательного элемента прогревается слабее, а процесс кипения происходит менее активно, схлопывание молекул воды не столь сильно и создается иллюзия "тихого кипения". Поэтому даже при равной мощности нагревательного элемента и одинаковом объеме воды интенсивность закипания различна, следовательно, неодинаков и уровень шума. Покупатель всегда должен идти на компромисс: быстрота и активный звук или неспешность и соизмеримый уровень шума.

              Шум большинства электрических приборов - это шум их моторов. Пылесос, пожалуй, единственный прибор из семейства малой бытовой техники, который предполагает "игру с габаритами" (рис. 8).

Рис. 8. Домашний пылесос.

Модели премиум–класса традиционно имеют больший размер, следовательно возможность для лучшей шумоизоляции деталей. При этом нужно понимать, что шум работающего мотора пылесоса немного ниже рева воздуха, издаваемого насадкой. Бороться за уменьшение "громкости" воздушного потока, проходящего через насадку при всасывании, не представляется возможным. Звук будет тише, если уменьшить силу всасывания, то есть фактически снизить производительность пылесоса. Забитый пылесборник значительно увеличивает уровень шума. Попробуйте просто закрыть рукой приемную трубку пылесоса – он начинает «реветь». Этим же воздушным потоком охлаждается двигатель при работе. Переполненный мешок для сбора пыли не только заставляет надрывно рычать пылесос, но и напрягает «термоблок». Плотно закрывайте крышку в корпусе, где прячутся насадки; старайтесь максимально плотно стыковать все детали. Подсос воздуха через корпус и тонкие щели не только снижает мощность всасывания, но и служит дополнительным источником шума. Существует устойчивое убеждение покупателя, подтвержденное результатами социологических опросов: пылесос должен гудеть. Тихий пылесос высокой мощности вызывает недоверие у потенциального потребителя. Поэтому производители вынуждены идти на компромисс: на минимальной мощности прибор должен работать тихо и максимально мощно "звучать" при включении предельного режима всасывания.

Проблема мотора в крупной бытовой технике гораздо шире. В стиральных машинах (рис. 9) добились снижения уровня шума при его работе, отказавшись от конверторного двигателя (мотор вне бака) в пользу прямого привода (мотор на баке).

Рис.9. Стиральная машина.

Не будем вдаваться в научные объяснения того, почему из-за смещения центра тяжести снизились вибрации. Просто отметим тот факт, что машина с прямым приводом стала работать тише на 5-7 дБ. Звукоизолирующее волокно в стиральных машинах напоминает монтажную строительную пену. Ею прибор выстилается изнутри. В моделях более высокого класса "пена" к тому же заливается битумом. Сверху на прибор укладывается тяжелая плита (до 10 кг веса), представляющая своеобразный кирпич, выполненный по габаритам машины. Он призван уменьшить вибрацию давлением своей массы на прибор. В машинах еще более высокой ценовой категории такой же тяжелой кирпичеобразной шайбой закрывается сверху мотор. Один из источников шума в стиральной машине - ее бак. Представьте, что вы поставили в ванну таз из нержавейки и пустили струю воды. А теперь мы наливаем воду в такой же таз, но из пластика. Естественно, во втором случае мы получаем меньше шума, чем от звука капель, барабанящих по металлу. Так же и в бытовом приборе. Многие покупатели имеют нездоровое предубеждение, что бак у стиральной машины должен быть непременно из нержавейки ("чтобы на века"). Однако современные пластиковые материалы, например запатентованный компанией BOSCH полинокс (композитный материал нового поколения), подтвердили свою долговечность многочисленными испытаниями. Кроме низкой теплопроводности и прочих положительных качеств, полинокс создает меньшие вибрации, чем старая добрая нержавейка, а значит, эффективно снижает шумы прибора. Среди пластиковых аналогов других производителей можно назвать полиплекс, карборан. Шумит не только сама стиральная машина, но и потоки воды, которые через нее проходят. Производители постоянно совершенствуют конструкцию водотока в машине. Из школьного курса физики мы помним, что существует всего два варианта прохождения потока воды по трубе: так называемое ламинарное течение жидкости и турбулентность. В последнем случае у стенок трубы создаются завихрения, вода бурлит (резко откройте водопроводный кран и вы увидите настоящую пену). Можно сконструировать трубу таким образом, что течение воды будет спокойным, ламинарным. Никаких завихрений, никакой турбулентности, а значит, никакого шума. Поэтому в стиральной машине все обтекаемо, нет потенциальных возможностей для создания шума. Обтекаемость касается не только собственно трубочек, но и конструкции кюветы, по которой моющее средство стекает плавно, шум капель абсолютно не слышен.
Современные стиральные машины имеют режим балансировки. На этом этапе прибор старается равномерно разложить белье в баке, тогда эффективнее и, что важно для нас, значительно тише идет процесс отжима. Однако каждый раз вы стираете различное количество белья, машина его раскладывает по-разному, а следовательно и шум во время отжима различный. У приборов с электронным управлением можно задать повтор цикла балансировки, чтобы разложить белье равномернее и тише его отжать.

В холодильнике два источника шума - компрессор и вентилятор. Компрессор, через который циркулирует хладагент, бывает трех типов: поршневой (по принципу шприца), лопастной (шарик с эксцентриком) и шнековый (по принципу мясорубки). Первые два компрессора имеют систему клапанов, вращающиеся трущиеся части, которые издают шумы во время работы. Прогрессивный шнековый компрессор очень дорогой, используется в элитных моделях, например в холодильнике LG, который к тому же связан с Интернетом и имеет множество других замечательных функций. Дороговизна компрессора объясняется не столько сложностью его изготовления, сколько новизной технологии, которая еще не поставлена на поток. Сравнить это можно с компьютерными технологиями в прошлом: LCD-монитор требует гораздо меньше деталей и проще в изготовлении, однако рынок заполнен традиционными мониторами: их делает множество заводов, есть значительный технологический ресурс для снижения цены. Плоские жидкокристаллические мониторы пока предмет роскоши, но с увеличением числа заводов-изготовителей и технология станет массовой, и будет падать цена. Так и в случае с холодильниками: технология шнекового компрессора применяется только в эксклюзивных, а значит, дорогих моделях. С вентиляторами в холодильнике все значительно проще. Отрабатывая аэродинамику лопастей, ликвидируя острые кромки и подбирая форму крыльчатки, производитель снижает децибелы. Конечно, уменьшение уровня шума - побочный эффект. На самом деле за счет продуманной конструкции увеличивается производительность вентилятора. Это значит, если нет нужды увеличивать мощность, то обороты можно снизить, что в свою очередь ведет к снижению уровня шума воздушного потока. В таблица № 1 даны эквивалентные уровни звука бытовых шумов.

                                                                                                                                                                           Таблица №1

Эквивалентные уровни звука бытовых шумов.

5. Нормирование и измерение звуковых колебаний

Звуковая мощность определяется отношением звуковой энергии ко времени:

P = W/t = [1 Дж/с =1 Вт].

Интенсивность звука определяется отношением звуковой мощности к площади поперечного сечения:

R = P/S = [Вт/м²].

В соответствии с “ГОСТ 12.1.003-83* ССБТ. Шум. Общие требования безопасности” шумы по происхождению подразделяются на:

- механические шумы, возникающие при вибрации;

- аэродинамические (горение в форсунках, большая скорость струи воздуха и 

  др.);

- турбогидравлические;

- структурные (колебание поверхностей, стен и т.п.).

Шумы подразделяются на постоянные (изменения интенсивности до 5 дБ) и не постоянные (интенсивность звукового давления меняется в диапазоне более 5 дБ).

Нормируется шум по предельному спектру и в зависимости от характера помещений и выполняемых там работ. В ГОСТ 12.1.003-83 приведены допустимые уровни звукового давления в децибелах соответственно для каждой из восьми среднегеометрических частот октавных полос (63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц). Это так называемая спектральная характеристика шума. Наряду с этим способом нормирования, для ориентировочной оценки, допускается за характеристику постоянного шума на рабочем месте принимать уровень звука в дБА, измеряемой и оцениваемой по шкале “А” измерительного прибора (шумомера).

Основные нормированные параметры для широкополосного шума приведены в таблице 2.

         Таблица №2

Допустимые уровни звукового давления в октавных полосах и эквивалентные уровни звука на рабочих местах.

В соответствии с санитарными нормами “СН 2.2.4/2.1.8.562 – 96. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданиях и на территории жилой застройки”:

1) Допустимый уровень шума – это уровень, который не вызывает у человека значительного беспокойства и существенных изменений показателей функционального состояния систем и анализаторов, чувствительных к шуму;

2) Предельно допустимый уровень шума – это уровень шума, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 часов в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы или в отдалённые сроки жизни настоящего и последующих поколений;

3) Нормирование звукового давления (интенсивности) выполняется на разных частотах с учётом характера выполняемой работы – прежде всего напряжённости труда (таблица 3).

            Таблица №3

Допустимые уровни звукового давления для некоторых видов работ.

По интенсивности звукового давления, шумы приближенно можно оценить по таблице 4.

             Таблица №4

Субъективная оценка звукового давления (шума).