Защита от шума

III. ЗАЩИТА ОТ ШУМА

 

1. Звук. Основные характеристики  звукового поля. Распространение  звука 

 

Понятие  звук, как правило, ассоциируется со слуховыми ощущениями человека, обладающего нормальным слухом. Слуховые ощущения вызываются колебаниями  упругой среды, которые представляют собой  механические колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой  среде и воздействующие на органы слуха человека. При этом колебания  среды воспринимаются как звук только в определенной области частот (16 Гц  -  20 кГц) и при звуковых давлениях, превышающих порог слышимости человека.

 

Частоты колебаний среды, лежащие ниже и выше диапазона  слышимости, называются соответственно инфразвуковыми и ультразвуковыми. Они не имеют отношения к слуховым ощущениям человека и воспринимаются как физические воздействия среды.

 

А. Параметры звуковой волны

 

Звуковые колебания частиц упругой среды имеют сложный  характер и могут быть представлены в виде функции времени a = a(t) (рис 3.1, а).  

 

Рис.3.1.   Колебания частиц воздуха.

 

Простейший процесс описывается  синусоидой (рис. 3.1, б)

 

,

 

где amax - амплитуда колебаний; w = 2p f - угловая частота; f - частота колебаний.

 

Гармонические колебания  с амплитудой amax и частотой f  называются тоном.

 

Сложные колебания характеризуются  эффективным значением на временном  периоде Т   

 

.

 

Для синусоидального процесса  справедливо соотношение 

 

.

 

 Для кривых другой  формы отношение эффективного  значения к максимальному составляет от 0 до 1.

 

В зависимости от способа  возбуждения колебаний различают:

 

· плоскую звуковую волну, создаваемую плоской колеблющейся поверхностью;

 

· цилиндрическую звуковую волну, создаваемую радиально колеблющейся боковой поверхностью цилиндра;

 

· сферическую звуковую волну, создаваемую точечным источником колебаний  типа пульсирующий шар.  

 

Основными параметрами, характеризующими звуковую  волну, являются: 

 

·       звуковое давление  pзв, Па;

 

·       интенсивность  звука I, Вт/м2.

 

·       длина  звуковой волны l, м;

 

·       скорость распространения волны с, м/с;

 

·       частота  колебаний f, Гц.

 

Если в сплошной среде  возбудить колебания, то они расходятся во все стороны. Наглядным примером являются  колебания волн на воде. При этом следует различать скорость распространения механических колебаний  u (в нашем случае видимые поперечные колебания воды) и скорость распространения возмущающего действия с (продольные акустические колебания).

 

С физической точки зрения распространение колебаний состоит  в передаче импульса движения от одной  молекулы к другой. Благодаря упругим  межмолекулярным связям движение каждой из них повторяет движение предыдущей. Передача импульса требует определенной затраты времени, в результате чего движение молекул в точках наблюдения происходит с запаздыванием по отношению  к движению молекул в зоне возбуждения  колебаний. Таким образом, колебания  распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звуковой волны с - это физическое свойство среды.

 

Длина волны l равна длине пути, проходимого звуковой волной за один период Т:

где  с - скорость звука, Т = 1/f.

 

Звуковые колебания в  воздухе приводят к его сжатию и разрежению. В областях сжатия давление воздуха возрастает, а в  областях разрежения понижается. Разность между давлением, существующем в  возмущенной среде pср в данный момент, и атмосферным давлением pатм, называется звуковым давлением (рис.3.3). В акустике этот параметр является основным, через который определяются все остальные.

 

pзв = pср -  pатм.                   (3.1)

 

 

Рис.3.3.  Звуковое давление 

 

Среда, в которой распространяется звук, обладает удельным акустическим сопротивлением zA, которое измеряется в Па*с/м (или в кг/(м2*с) и представляет собой отношение звукового давления pзв к колебательной скорости частиц среды u 

 

zA = pзв/u = r*с,        (3.2)          

 

где  с - скорость звука, м; r - плотность среды, кг/м3.

 

Для различных сред  значения zA различны.  

 

Звуковая волна является носителем энергии в направлении  своего движения. Количество энергии, переносимой звуковой волной за одну секунду через сечение площадью 1 м2, перпендикулярное   направлению движения, называется интенсивностью звука. Интенсивность звука определяется отношением звукового давления к акустическому сопротивлению среды Вт/м2 :

  (3.3)

 

Для сферической волны  от источника звука с мощностью W, Вт интенсивность звука на поверхности  сферы радиуса r равна

 

I = W / (4p r2),                                                       

то есть интенсивность  сферической волны убывает с  увеличением расстояния от источника  звука. В случае плоской волны  интенсивность звука не зависит  от расстояния.

В. Акустическое поле и его  характеристики

 

Поверхность тела, совершающая  колебания, является излучателем (источником) звуковой энергии, который создает  акустическое поле.

 

Акустическим полем называют область упругой среды, которая  является средством передачи акустических волн. Акустическое поле характеризуется:

 

·        звуковым давлением pзв, Па;

 

·        акустическим сопротивлением   zА, Па*с/м.

 

Энергетическими характеристиками акустического поля являются:

 

·      интенсивность  I, Вт/м2;

 

·      мощность звука W, Вт – количество энергии, проходящей за единицу времени через охватывающую источник звука поверхность.

 

Важную роль при формировании акустического поля играет характеристика направленности звукоизлучения Ф , т.е. угловое пространственное распределение образующегося вокруг источника звукового давления.

 

Все перечисленные величины взаимосвязаны и зависят от свойств среды, в которой распространяется звук.

 

Если акустическое поле не ограничено поверхностью и распространяется практически до бесконечности, то такое  поле  называют свободным акустическим полем.

 

В ограниченном пространстве (например, в закрытом помещении)  распространение звуковых волн зависит  от геометрии и акустических свойств  поверхностей, расположенных на пути распространения волн.

 

Процесс формирования звукового  поля в помещении связан с явлениями  реверберации и диффузии.

 

Если в помещении начинает действовать источник звука, то в  первый момент времени имеем только прямой звук. По достижении волной звукоотражающей преграды картина поля меняется из-за появления отраженных волн. Если в звуковом поле поместить предмет, размеры которого малы по сравнению с длиной звуковой волны, то практически не наблюдается искажения звукового поля. Для эффективного отражения необходимо, чтобы размеры отражающей преграды были больше или равны длине звуковой волны.

 

Звуковое поле, в котором  возникает большое количество отраженных волн с различными направлениями, в  результате чего удельная плотность  звуковой энергии одинакова по всему  полю, называется диффузным полем.

 

После прекращения источником излучения звука акустическая интенсивность  звукового поля уменьшается до нулевого уровня за бесконечное время. Практически  считается, что звук полностью затухает, когда его интенсивность падает в 106 раз от уровня, существующего  в момент его выключения. Любое  звуковое поле как элемент колеблющейся среды обладает собственной характеристикой  затухания звука – реверберацией ("послезвучание").

2. Производственный шум,  его источники и характеристики 

Понятие "шум" весьма субъективно. Всякий нежелательный в данный момент звук (или звуки) человек воспринимает как шум. Одни и те же звуки разными  людьми могут восприниматься по-разному.

 

Физиологи и гигиенисты определяют шум как звук, оцениваемый негативно  и наносящий вред здоровью.

 

Машины и механизмы, используемые на производстве, являются источниками  звуков различной частоты и интенсивности, изменяющихся во времени. Поэтому производственный шум рассматривают как совокупность звуков различной интенсивности и частоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения.

А. Характеристики и виды производственных шумов

 

Производственный шум  характеризуется спектром, который  состоит из звуковых волн разных частот.

 

При исследовании шумов обычно слышимый диапазон 16 Гц - 20 кГц  разбивают  на полосы частот и определяют звуковое давление, интенсивность или звуковую мощность, приходящиеся на каждую полосу.

 

Как правило, спектр шума характеризуется  уровнями названных величин, распределенными  по октавным полосам частот.

 

 

Полоса частот, верхняя  граница которой превышает нижнюю в два раза, т.е.  f2 = 2 f1 , называется октавой.

 

Для более детального исследования шумов иногда используются третьеоктавные полосы частот, для которых

 

f2 = 21/3 f1 = 1,26 f1 .

 

Октавная или третьеоктавная полоса обычно задается среднегеометрической частотой:

 

 

Существует стандартный  ряд среднегеометрических частот октавных полос, в которых рассматриваются  спектры шумов (fсг мин = 31,5 Гц,  fсг макс = 8000 Гц).

 

 По частотной характеристике  различают шумы:

 

низкочастотные ( fсг < 250);

 

cреднечастотные (250 < fсг <= 500);

 

высокочастотные (500 < fсг <= 8000).

 

Производственные шумы имеют  различные  спектральные и временные  характеристики, которые определяют  степень их воздействия на человека. По этим признакам шумы подразделяют на несколько видов.

Классификация шумов

 

 

По природе возникновения  шумы машин или агрегатов делятся  на:

 

·   механические,

 

·   аэродинамические и   гидродинамические,

 

·   электромагнитные.

 

При работе различных механизмов, агрегатов, оборудования одновременно могут возникать шумы различной  природы.

 

Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью. 

 

Звуковая мощность источника W, Вт – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в  окружающее пространство.

 

Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью S, то звуковая мощность источника 

 

 

где I(S), P(S) – законы распределения  интенсивности звука и звукового  давления по поверхности S.  

 

Для характеристики источника  шума используется также уровень  звуковой мощности   LW, дБ

 

        LW  = 10 lg (W/W0),    

 

где W0 =I0 * S0 =  P02 * S0/r c  = 10-12Вт – пороговая звуковая мощность на частоте 1000  Гц, I0 =10-12Вт/м2, S0 = 1 м2.

 

Для определения уровня звуковой мощности источника на некотором  одинаковом от него расстоянии  r  в n точках измеряют уровень звукового давления PI   и вычисляют

 

                                              (3.9)

 

где   S  - площадь сферы  радиусом r (если источник расположен на полу помещения, то площадь полусферы),

 

Поскольку источники производственного  шума, как правило, излучают звуки  различной частоты и интенсивности, то полную шумовую характеристику  источника дает шумовой спектр - распределение звуковой мощности (или  уровня звуковой мощности) по октавным полосам частот.

 

Источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по направлениям. Эта неравномерность излучения  характеризуется коэффициентом  Ф(j) - фактором направленности.

 

Фактор направленности  Ф(j) показывает отношение интенсивности звука I(j), создаваемого источником в направлении с угловой координатой j  к интенсивности Iср, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук во все стороны равномерно        

 

                                               Ф(j) = I(j) /Iср = p2(j)/p2ср,                         

 

где  рср - звуковое давление (усредненное по всем направлениям на постоянном расстоянии от источника); p (j ) - звуковое давление в угловом направлении j, измеренное на том же расстоянии от источника.  

 

Характеристику направленности излучения можно описать через  соответствующие уровни в дБ:

 

                           G(j) = 10 lg Ф(j) = 10 lg (I(j) /Iср) = 20 lg (p(j)/pср) = L - Lср.           (3.10)

 

Стандартными шумовыми характеристиками, которые указываются в прилагаемой  к машине технической документации, являются:

 

уровни звуковой мощности , дБ в октавных полосах частот;

 

корректированный по шкале A уровень звуковой мощности  LWА , дБА:

 

                         (3.11)

 

                                                                                                                                                                    

 

         где   LW i  - уровень звуковой мощности i - ой октавы, дБ;  DLАi - поправка по шкале А;

 

максимальный показатель направленности излучения шума Gmax(j)  в октавных полосах частот в дБ;

 

 максимальный показатель  направленности излучения шума  Gmax(j), дБА.

C. Измерение шума. Шумомеры

 

Все методы измерения шумов  делятся на стандартные и нестандартные.

 

Стандартные измерения регламентируются соответствующими стандартами и  обеспечиваются стандартизованными средствами измерения. Величины, подлежащие измерению, так же стандартизованы.

 

 Нестандартные методы  применяются при научных исследованиях  и при решении специальных  задач.  

 

Измерительные стенды, установки, приборы и звукоизмерительные камеры подлежат метрологической аттестации в соответствующих службах с выдачей аттестационных документов, в которых указываются основные метрологические параметры, предельные значения измеряемых величин и погрешности измерения.

 

Стандартными величинами, подлежащими измерению, для постоянных шумов являются:

 

· уровень звукового давления  Lp, дБ, в октавных или третьоктавных полосах частот в контрольных точках;

 

· корректированный по шкале А уровень звука LA, дБА,  в контрольных точках.

 

 Для непостоянных шумов  измеряются эквивалентные уровни  Lpэк  или LAэк.  

 

Стандартные шумовые характеристики источников шума LW, LWА, Gmax(j), GmaxА(j) определяются с использованием соответствующих зависимостей (3.9, 310, 3.11) по измеренным уровням звукового давления.

 

Шумоизмерительные приборы - шумомеры -  состоят, как правило, из датчика (микрофона), усилителя, частотных фильтров (анализатора частоты), регистрирующего прибора (самописца или магнитофона) и индикатора, показывающего уровень измеряемой величины в дБ. Шумомеры снабжены блоками частотной коррекции с переключателями А, В, С, D и временных характеристик c переключателями F (fast) - быстро, S (slow) - медленно, I (pik) - импульс. Шкалу F применяют при измерениях постоянных шумов, S - колеблющихся и прерывистых, I - импульсных.

 

По точности шумомеры делятся на четыре класса 0, 1, 2 и 3.  Шумомеры класса 0 используются как образцовые средства измерения; приборы класса 1 - для лабораторных и натурных измерений; 2 - для технических измерений; 3 - для ориентировочных измерений. Каждому классу приборов соответствует диапазон измерений по частотам: шумомеры классов 0 и 1 рассчитаны на диапазон частот от 20 Гц до 18 кГц, класса 2 - от 20 Гц до 8 кГц, класса 3 - от 31,5 Гц до 8 кГц. 

 

Для измерения эквивалентного уровня шума при усреднении за длительный период времени применяются интегрирующие  шумомеры.

 

Приборы для измерения  шума строятся на основе частотных  анализаторов, состоящих из набора полосовых фильтров и приборов, показывающих уровень звукового давления в  определенной полосе частот.

 

В зависимости от вида частотных  характеристик фильтров анализаторы  подразделяются на октавные, третьеоктавные и узкополосные.

 

Частотная характеристика фильтра    К( f ) =Uвых /Uвх    представляет собой зависимость коэффициента передачи сигнала со входа фильтра Uвх на его выход Uвых от частоты сигнала f.

 

Частотная характеристика типового октавного полосового фильтра показана на рис.3.6. Полосовой фильтр характеризуется  полосой пропускания B = f2 - f1,  т.е. областью частот между двумя частотами f1 и f2, на которых частотная характеристика К( f ) имеет значение (затухание) не более 3 дБ .

 

 

 

Рис.3.6. Частотная характеристика октавного фильтра

 

f1 и f2 - частоты среза  фильтра,  f0  = ( f1 * f2 )1/2 - центральная частота фильтра

 

Для измерения производственных шумов преимущественно используется прибор   ВШВ-003-М2, относящийся  к шумомерам I класса точности и позволяющий измерять корректированный уровень звука по шкалам А, В, С; уровень звукового давления в диапазоне частот от 20 Гц до 18 кГц и октавных полосах в диапазоне среднегеометрических частот от 16 до 8 кГц в свободном и диффузном звуковых полях. Прибор предназначен для измерения шума в производственных помещениях и жилых кварталах в целях охраны здоровья; при разработке и контроле качества изделий; при исследованиях и испытаниях машин и механизмов.

3. Негативное воздействие шума  на человека и защита от  него

 

Слух позволяет человеку воспринимать звуковую информацию. Вместе с тем, насыщение окружающего  пространства шумами повышенной интенсивности  может привести к искажению звуковой информации и  нарушению слуховой активности человека. 

 

Проявление вредного воздействия  шума на организм человека весьма разнообразно.

 

Наиболее опасно длительное воздействие интенсивного шума на слух человека, которое может привести  к частичной или полной потере слуха. Медицинская статистика показывает, что тугоухость в последние годы выходит на ведущее место в  структуре профессиональных заболеваний  и не имеет тенденции к снижению.

 

Поэтому важно знать особенности  восприятия звука человеком, допустимые с точки зрения обеспечения здоровья, высокой производительности и комфортности уровни шума, а также средства и  способы борьбы с шумом.

А. Восприятие шума  человеком

 

Восприятие звука человеческим ухом представляет собой сложный  процесс. Человеческое ухо неодинаково  реагирует на звуки с разными  частотами. Чувствительность уха заметно  увеличивается при частотах от 20 до 1000 Гц. Наибольшей чувствительностью  человеческое ухо обладает в диапазоне  частот от 1000 Гц до 4000 Гц, где она  практически постоянна. После частоты 4000 Гц чувствительность уха снова  уменьшается. Чтобы услышать низкий тон с частотой 50 Гц, требуется  звуковое давление, в 100 раз превышающее  звуковое давление, соответствующее  тону с частотой 1000 Гц.

 

 Человек воспринимает  звуковое давление и оценивает  громкость звука. Единица измерения  уровня громкости звука - фон  - это уровень громкости звука,  для которого уровень звукового  давления равногромкого с ним звука частотой 1000 Гц равен 1 дБ , т.е.

 

Уровень одинаковой громкости  звуковых сигналов в фонах на разных частотах не соответствует уровню звукового  давления в децибелах и совпадают  они лишь на частоте 1000 Гц .

 

Чтобы оценить уровень  громкости шума со сложным  спектром одним числом, используется  стандартная  частотная характеристика А, приближающаяся к частотной характеристике чувствительности человеческого уха. При этом для коррекции уровней звукового давления (приведения в соответствие  с уровнями громкости)  в каждой октавной полосе частот используются поправки по шкале А.

 

Корректированный по шкале  А уровень шума  L = Lф называется   акустическим уровнем шума с единицей измерения дБ(А) (или дБА). 

 

Коррекция по шкале А  используется для оценки шума на рабочих местах  и шумовых характеристик источников шума. 

 

Шум производственного происхождения  меняется по интенсивности, частоте  и времени в зависимости от типа и количества машин и механизмов, задействованных в технологическом  процессе. Поэтому оценку шумового загрязнения среды и его действия на человека целесообразно проводить, используя понятие эквивалентного уровня энергии шума Еэкв, который определяется математическим методом и соответствует по энергии уровню соответствующего постоянного шума,

 

где tш - время действия шума; Еш(t) - изменение энергии шума во времени.

 

 Эквивалентная энергия  должна быть меньше максимально  допустимой энергии, при которой  появляются отрицательные последствия.  Предполагается, что повреждение,  вызванное воздействием переменного  шума Еш(t), равно повреждению, вызванному постоянным шумом такой же энергии Еэкв. Таким образом, если время воздействия снижается в 2-3 раза, то максимально допустимый уровень звуковой энергии можно увеличить во столько же раз соответственно. Такой подход используется при измерении и нормировании непостоянных шумов.

В. Вредные воздействия шума на организм человека

Проявление вредного воздействия  шума на организм человека весьма разнообразно.

 

 Длительное воздействие  интенсивного шума (выше 80 дБА) на слух человека приводит к его частичной или полной потере. В зависимости от длительности и интенсивности воздействия шума происходит большее или меньшее снижение чувствительности органов слуха, выражающееся  временным смещением порога слышимости , которое исчезает после окончания воздействия шума, а при большой длительности и (или) интенсивности шума происходят необратимые потери слуха (тугоухость), характеризуемые постоянным изменением порога слышимости.

 

Различают следующие степени  потери слуха:

 

I степень (легкое снижение  слуха) – потеря слуха в  области речевых частот составляет 10 - 20 дБ, на частоте 4000 Гц  –  20 - 60 дБ;

 

II степень (умеренное снижение  слуха) – потеря слуха в  области речевых частот составляет 21 - 30 дБ, на частоте 4000 Гц  –  20 - 65 дБ;

 

III степень (значительное  снижение слуха) – потеря слуха  в области речевых частот составляет 31 дБ и более, на частоте  4000 Гц  –  20 - 78 дБ.

 

 Действие шума на  организм человека не ограничивается  воздействием на орган слуха.  Через волокна слуховых нервов  раздражение шумом передается  в центральную и вегетативную  нервные системы, а через них  воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям  в функциональном состоянии организма,  влияет на психическое состояние  человека, вызывая чувство беспокойства  и раздражения. Человек, подвергающийся  воздействию интенсивного (более  80 дБ) шума, затрачивает в среднем  на 10 – 20% больше физических и  нервно-психических усилий, чтобы  сохранить выработку, достигнутую  им при уровне звука ниже 70 дБ(А). Установлено повышение на 10 – 15% общей заболеваемости рабочих шумных производств. Воздействие на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших уровнях звука (40 – 70 дБ(А). Из вегетативных реакций наиболее выраженным является нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышения артериального давления (при уровнях звука выше 85 дБА).

 

Воздействие шума на центральную  нервную систему вызывает увеличение латентного (скрытого) периода зрительной моторной реакции, приводит к нарушению  подвижности нервных процессов, изменению электроэнцефалографических показателей, нарушает биоэлектрическую активность головного мозга с  проявлением общих функциональных изменений в организме (уже при  шуме 50 – 60 дБА), существенно изменяет биопотенциалы мозга, их динамику, вызывает биохимические изменения в структурах головного мозга.

 

При импульсных и нерегулярных шумах степень воздействия шума повышается.

 

Изменения в функциональном состоянии центральной и вегетативной нервных систем наступают гораздо  раньше и при меньших уровнях  шума, чем снижение слуховой чувствительности.

 

В настоящее время "шумовая  болезнь" характеризуется комплексом симптомов:

 

снижение слуховой чувствительности;

 

изменение функции пищеварения, выражающейся в понижении кислотности;

 

сердечно-сосудистая недостаточность;

 

нейроэндокринные расстройства.

 

Работающие в условиях длительного шумового воздействия  испытывают раздражительность, головные боли, головокружение, снижение памяти, повышенную утомляемость, понижение  аппетита, боли в ушах и т.д. Воздействие  шума может вызывать негативные изменения  эмоционального состояния человека, вплоть до стрессовых. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда. Установлено, что при работах, требующих повышенного внимания, при увеличении уровня звука от 70 до 90 дБА производительность труда снижается на 20%.

 

Ультразвуки (свыше 20000 Гц)  также являются причиной повреждения  слуха, хотя человеческое ухо на них  не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные клетки головного мозга  и спинной мозг, вызывает жжение в наружном слуховом проходе и  ощущение тошноты.

 

Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия акустических колебаний (менее 20 Гц). При достаточной  интенсивности инфразвуки могут  воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая слуховую восприимчивость и  повышая усталость и раздражительность, и приводят к нарушению координации. Особую роль играют инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их совпадения с собственной частотой альфа - ритма головного мозга наблюдаются не только нарушения слуха, но и могут возникать внутренние кровотечения. Инфразвуки (6 - 8 Гц) могут привести к нарушению сердечной деятельности и кровообращения.

 

 

С. Нормирование шума

Шум оказывает негативное влияние на весь организм человека. Шумы средних уровней (менее 80 дБА) не вызывают потери слуха, но тем не менее оказывают утомляющее неблагоприятное влияние, которое складывается с аналогичными влияниями других вредных факторов и зависит от вида и характера трудовой нагрузки на организм.

 

Нормирование шума призвано предотвратить нарушение слуха  и снижение работоспособности и  производительности труда работающих.

 

Для разных видов шумов  применяются различные способы  нормирования.

 

  Для постоянных шумов  нормируются уровни звукового  давления LPi (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Для ориентировочной оценки шумовой характеристики рабочих мест допускается за шумовую характеристику принимать уровень звука L в дБ(А), измеряемый по временной характеристике шумомера «S - медленно».