Шум - это совокупность звуков разной интенсивности и высоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения. С физиологической точки зрения, шумом является любой нежелательный звук, мешающий восприятию полезных звуков в виде производственных сигналов и речи.

Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды (воздуха), носящее, как правило, беспорядочный случайный характер. При этом источником его является любое колеблющееся тело, выведенное из устойчивого состояния внешней силой.

Характер распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой она распространяется, - звуковым полем.

Звук представляет собой колебательное движение упругой среды, воспринимаемое нашим органом слуха. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в воздухе по сравнению с атмосферным давлением в невозмущенной среде называется звуковым давлением. Чем больше давление, тем сильнее раздражение органа слуха и ощущение громкости звука. В акустике звуковое давление измеряется в Н/м 2 , или Па. Звуковая волна характеризуется частотой f, Гц, силой звука I, Вт/м 2 , звуковой мощностью W, Вт. Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20 °С и нормальном атмосферном давлении равна 344 м/с. Скорость звука не зависит от частоты звуковых колебаний и при неизменных параметрах среды является постоянной величиной. При повышении температуры воздуха на 1 °С скорость звука возрастает примерно на 0,71 м/с.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20 000 Гц, зона наибольшей чувствительности слуха находится в области 50-5000 Гц. Колебания с частотой до 16 Гц (инфразвук) и выше 20 000 Гц (ультразвук) не воспринимаются органами слуха человека.

Интенсивность шума (звука) измеряют как во всей области частот (суммарная звуковая энергия), так и в определенном диапазоне частотной полосы - в пределах октав.

Октава - это диапазон частот, в котором верхняя граница частоты вдвое больше нижней (например, 40-80, 80-160 Гц). Однако для обозначения октавы обычно указывают не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты, которые характеризуют полосу в целом и определяются по формуле

где f 1 и f 2 - соответственно низшая и высшая частоты, Гц.

Так, для октавы 40-80 Гц среднегеометрическая частота равна 62,5 Гц; для октавы 80-160 Гц - 125 Гц и т. д.

При акустических измерениях определяют интенсивность в пределах частотных полос, равных октаве, полуоктаве и трети октавы.

Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы и для санитарно-гигиенической оценки шума составляют 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Минимальная сила звука, воспринимаемая ухом, называется порогом слышимости (I 0 = 10 -12 Вт/м 2), ему соответствует звуковое давление Р 0 = 2-Ю" 5 Па.

Порог болевого ощущения наступает при силе звука, равной 10 2 Вт/м 2 , а соответствующего ему звукового давления - 2*10 2 Па. Как видим, изменения звукового давления слышимых звуков огромны и составляют примерно 10 7 раз. Поэтому для удобства измерения и санитарно-гигиенического нормирования интенсивности звука и звукового давления принимают не абсолютные физические, а относительные единицы, которые представляют собой логарифмы отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона с частотой 1000 Гц.

Уровень интенсивности звука L, дБ, определяется по формуле

где I - интенсивность звука, Вт/м 2 ; I 0 - интенсивность звука, принимаемая за порог слышимости, равная 10 -12 Вт/м 2 . Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать в виде

Эти логарифмы отношений называют соответственно уровнями интенсивности звука или чаще уровнями звукового давления, они выражаются в белах (Б).

Кроме того, для санитарно-гигиенической оценки воздействия шума на организм человека используют такой показатель, как уровень звука, определяемый по шкале А шумомера с размерностью в дБА.

Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1Б, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше -децибел (дБ).

Пользоваться шкалой децибел очень удобно, так как весь огромный диапазон слышимых звуков укладывается менее чем в 140 дБ. При действии звука более 140 дБ возможны болевые ощущения и разрыв барабанной перепонки.

В условиях производства, как правило, имеют место шумы различной интенсивности и частоты, которые создаются в результате работы разнообразных механизмов, агрегатов и других устройств.

Производственный шум, являющийся сложным звуком, может быть разложен на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром (рис. 2.4). Он представляет собой совокупность восьми уровней звукового давления на всех среднегеометрических частотах. По характеру может быть различным в зависимости от преобладающих частот.

Рис. 2.4. Основные типы шумовых спектров: а - дискретный (линейчатый); б - сплошной; в - смешанный

Если же в этой совокупности представлены нормативные значения уровней звукового давления, то она называется предельным спектром (ПС). Каждый из предельных спектров имеет свой индекс, например, ПС-80, где 80 -нормативный уровень звукового давления (дБ) в октавной полосе с f = 1000 Гц.

Согласно ГОСТ 12.1.003 шум классифицируется по следующим признакам:

♦ по характеру спектра: широкополосный, с непрерывным спектром шириной более октавы; тональный, в спектре которого имеются слышимые тона. Тональный характер определяют по превышению уровня шума в одной полосе над соседними третьоктавными полосами не менее чем на 10 дБ;

♦ по временным характеристикам: постоянный и непостоянный;

♦ по частотной характеристике различают шумы низко-, средне- и высокочастотные, имеющие соответственно границы 16-350, 350-800 и выше 800 Гц.

Непостоянные шумы, в свою очередь, подразделяются:

♦ на колеблющиеся во времени, уровень звука которых изменяется во времени непрерывно;

♦ прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

♦ импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука различаются не менее чем на 7 дБ.

Характеристика шума в децибелах в пределах частот не всегда достаточна. Известно, что звуки, имеющие одну и ту же интенсивность, но разную частоту воспринимаются на слух как неодинаково громкие. Звуки, имеющие низкую или очень большую частоту (вблизи верхней границы воспринимаемых частот) ощущаются как более тихие в сравнении со звуками, находящимися в средней зоне. Поэтому для сравнения между собой различных по частотному составу звуков в отношении их громкости используют единицы громкости - фоны и соны.

За единицу сравнения условно принят звук с частотой 1000 Гц. В международных рекомендациях в последние годы стандартным принят звук с частотой 2000 Гц.

Уровнем громкости шума (звука) называется уровень силы равногромкого с этим шумом звука с частотой колебаний 1000 Гц, для которого уровень силы звука в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах. Один фон - это громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости равны уровням звукового давления. Например, звук с частотой колебаний 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку с частотой колебаний 1000 Гц и силой 20 дБ (20 фонов). При малых уровнях громкости и низких частотах расхождения между силой звука в децибелах и уровнем громкости в фонах наибольшие. По мере увеличения громкости и частоты эта разница сглаживается.

Рис. 2.5. Кривые равной громкости звуков

На рис. 2.5 приведены кривые равной громкости, характеризующие уровни громкости в пределах слышимости. Видно, что орган слуха человека обладает наибольшей чувствительностью при 800-4000 Гц, а наименьшей - при 20-100 Гц.

Наряду с оценкой громкости шума в фонах используют и другую единицу громкости - сон, которая нагляднее отражает изменение субъективно воспринимаемой громкости и позволяет определить, во сколько раз один звук громче другого. С увеличением громкости на 10 фонов уровень громкости в сонах возрастает в 2 раза.

Шкала громкости в сонах позволяет определить во сколько раз снизилась громкость шума после внедрения тех или иных мер борьбы с ним, или во сколько раз шум на одном рабочем месте превышает по громкости шум на другом.

При одновременном распространении нескольких звуковых волн возможно увеличение или снижение громкости шума в результате интерференционных явлений.

Вибрация - это механические колебания и волны в твердых телах или более конкретно, это механические, чаще всего синусоидальные, колебания, возникающие в машинах и аппаратах.

По способу воздействия на человека вибрации подразделяются на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передающуюся через руки человека.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на три категории:

♦ транспортная: воздействует на операторов подвижных машин и транспортных средств при их движении (1-я категория);

♦ транспортно-технологическая: с ограниченным перемещением только по специально подготовленным поверхностям производственных помещений (2-я категория);

♦ технологическая: воздействует на операторов стационарных машин или передается на рабочие места, не имеющие источников вибрации (3-я категория).

♦ на постоянных рабочих местах производственных помещений;

♦ на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где отсутствуют машины и механизмы, генерирующие вибрацию;

♦ на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, в конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда.

Общей вибрации чаще всего подвергаются транспортные рабочие, операторы мощных штампов, вырубных прессов и т.д.

Основные физические параметры вибрации: частота f, Гц; амплитуда колебаний А, м; колебательная скорость V, м/с; колебательное ускорение а, м/с 2 .

По характеру спектра вибрацию подразделяют:

♦ на узкополосную со спектром частот, расположенным
в узкой полосе. При этом уровень контролируемого пара
метра в октавной полосе частот более чем на 15 дБ превыша
ет значения в соседних третьоктавных полосах;

♦ широкополосную со спектром частот, расположен
ным в широкой полосе (шириной более одной октавы).

По временным характеристикам вибрация делится:

♦ на постоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;

♦ непостоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.

Непостоянная вибрация бывает:

♦ колеблющейся во времени, для которой величина нормируемого параметра непрерывно изменяется во времени;

♦ прерывистой, когда воздействие вибрации на человека прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых воздействует вибрация, составляет более 1 с;

♦ импульсной, состоящей из одного или нескольких вибрационных воздействий (ударов), каждый длительностью менее 1 с.

Локальной вибрации преимущественно подвергаются лица, работающие с ручными механизированными электрическими или пневматическими инструментами.

Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, воспринимаемых человеком, может быть разделен на ок-тавные и третьоктавные полосы частот со среднегеометрическими частотами октавных полос 1; 2; 4; 8; 16; 32; 63; 125; 250; 500; 1000 и 2000 Гц.

За нулевой уровень колебательной скорости принята величина V 0 = 510 -8 м/с, соответствующая среднеквадратичной колебательной скорости при стандартном пороге звукового давления, равном 2 10 -5 Па, хотя порог восприятия вибрации для человека значительно выше и равен 10 -4 м/с. За нулевой уровень колебательного ускорения принимают величину а = 3-10 -4 м/с 2 . При колебательной скорости в 1 м/с у человека возникают болевые ощущения.

Поскольку абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, то удобнее измерять не действительные значения

этих параметров, а логарифмы их отношений к пороговым.

Уровень виброскорости L v , дБ, определяется по формуле

где V - действительное значение виброскорости, м/с; V 0 -пороговое значение виброскорости (510 -8 м/с).

Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибраций; они могут быть, так же как и для шума, дискретными, сплошными и смешанными.

В СанПиН 2.2.4/2.1.8.10-33-2002 приведены соотношения между уровнями виброскорости в децибелах и ее значениями в метрах на секунду, а также между логарифмическими уровнями виброускорения в децибелах и его значениями в метрах на секунду в квадрате.

2.4.2. Воздействие шума, вибрации и других колебаний на организм человека

Шум и вибрация могут в большей или меньшей степени временно активизировать или постоянно подавлять определенные психические процессы в организме человека. Физиопатологические последствия могут проявляться в форме нарушения функций слуха и других анализаторов, например, вестибулярного аппарата, координирующей функции коры головного мозга, нервной или пищеварительной системы, системы органов кровообращения. Кроме того, шум влияет на углеводный, жировой и белковый обмены веществ в организме.

Звуки различных частот даже при одинаковой их интенсивности воспринимаются по-разному. Низкочастотные звуки воспринимаются как относительно тихие, но по мере увеличения их частоты усиливается громкость восприятия, а при приближении их к верхней высокочастотной границе звуковой части спектра, громкость восприятия снова падает.

Область слухового восприятия, доступная человеческому уху, ограничивается порогами слышимости и болевого ощущения (рис. 2.6). Границы этих порогов в зависимос-

Рис. 2.6. Область слухового восприятия: Р - речь; М - музыка; С - порог слышимости; Б - порог болевого ощущения

ти от частоты существенно меняются. Этим объясняется, что высокочастотные звуки более неприятны для человека, чем низкочастотные (при одинаковых уровнях звукового давления).

Производственный шум различной интенсивности и спектра, длительно воздействующий на работающих, может привести со временем к понижению остроты слуха у последних, а иногда и к развитию профессиональной глухоты. Установлено, что потеря слуха обычно наступает при воздействии шума в диапазоне частот 3000-6000 Гц, а нарушение разборчивости речи - при частоте 1000-2000 Гц. Наибольшая потеря слуха работающих наблюдается в первые десять лет работы, причем эта опасность увеличивается с возрастом.

Вибрация воздействует на центральную нервную систему (ЦНС), желудочно-кишечный тракт, органы равновесия (вестибулярный аппарат), вызывает головокружение, онемение конечностей, заболевания суставов. Длительное воздействие вибрации приводит к профессиональному заболеванию - вибрационной болезни, эффективное лечение

Рис. 2.7. Виды воздействия вибрации на организм человека

которой возможно лишь на ранних стадиях, причем восстановление нарушенных функций протекает крайне медленно, а при определенных условиях в организме могут наступить необратимые процессы, сопровождающиеся полной потерей трудоспособности.

На рис. 2.7 представлено в обобщенном виде воздействие вибрации на организм человека.

Кроме вредного воздействия на организм человека, вибрация приводит к разрушению зданий, сооружений, коммуникаций, поломке оборудования. Отрицательное влияние ее заключается также в снижении КПД работающих машин и механизмов, преждевременном износе вращающихся деталей вследствие их дисбаланса, понижении точности контрольно-измерительных приборов (КИП), нарушении функционирования автоматических систем управления и т. д.

Инфразвуком принято называть распространяющиеся в воздушной среде колебания с частотой ниже 16 Гц. Низкая частота инфразвукового колебания обусловливает ряд особенностей его распространения в окружающей среде. Вследствие большой длины волны инфразвуковые колебания меньше поглощаются в атмосфере и легче огибают препятствия, чем колебания с более высокой частотой. Этим объясняется способность инфразвука распространяться на значительные расстояния с небольшими потерями энергии. Именно поэтому стандартные мероприятия по борьбе с шумом в данном случае неэффективны.

Под воздействием инфразвука возникает вибрация крупных элементов строительных конструкций, а из-за резонансных эффектов и возбуждения вторичного индуцированного шума в звуковом диапазоне в отдельных помещениях может иметь место усиление инфразвука.

Источниками инфразвука могут быть средства наземного, воздушного и водного транспорта, пульсация давления в газовоздушных смесях (форсунки большого диаметра) и др.

Наиболее характерным и широко распространенным источником низкоакустических колебаний являются компрессоры. Отмечается, что шум компрессорных цехов является низкочастотным с преобладанием инфразвука, причем в кабинах операторов инфразвук становится более выраженным из-за затухания более высокочастотных шумов.

Источниками инфразвуковых колебаний являются также мощные вентиляционные системы и системы кондиционирования воздуха. Максимальные уровни их звукового давления достигают соответственно 106 дБ на частотах 20 Гц, 98 дБ на 4 Гц, 85 дБ на 2 и 8 Гц.

В диапазоне частот 16-30 Гц порог восприятия инфразвуковых колебаний для слухового анализатора составляет 80-120 дБА, а болевой порог - 130-140 дБА.

Действие инфразвука на человека воспринимается как физическая нагрузка: нарушается пространственная ориентация, возникают морская болезнь, пищеварительные расстройства, нарушения зрения, головокружение, изменяется периферическое кровообращение. Степень воздействия зависит от диапазона частот, уровня звукового давления и продолжительности экспозиции. Колебания с частотой 7 Гц препятствуют сосредоточению внимания и вызывают ощущение усталости, головную боль и тошноту. Наиболее опасны колебания с частотой 8 Гц. Они могут вызывать явление резонанса системы кровообращения, приводящего к перегрузке сердечной мышцы, сердечному приступу или даже к разрыву некоторых кровеносных сосудов. Инфразвук небольшой интенсивности может служить причиной повышенной нервозности, вызывать депрессию.

Ультразвуковая техника и технологии широко применяются в различных отраслях человеческой деятельности для целей активного воздействия на вещества (пайка,

сварка, лужение, механическая обработка, обезжиривание деталей и т.д.); структурного анализа и контроля физико-механических свойств вещества и материалов (дефектоскопия); для обработки и передачи сигналов радиолокационной и вычислительной техники; в медицине - для диагностики и терапии различных заболеваний с использованием звуковидения, резки и соединения биологических тканей, стерилизации инструмента, рук и т.д.

Ультразвуковые установки с рабочими частотами 20-30 кГц находят широкое применение в промышленности. Наиболее распространенные уровни звукового и ультразвукового давлений на рабочих местах на производстве - 90-120 дБ.

Ультразвуком принято считать колебания свыше 20 кГц, распространяющиеся как в воздухе, так и в жидких и твердых средах. В производственной санитарии различают контактный и воздушный виды ультразвука (Сан-ПиН 9-87-98 и СанПиН 9-88-98).

Контактный ультразвук - это ультразвук, передающийся при соприкосновении рук или других частей тела человека с его источником, обрабатываемыми деталями, приспособлениями для их удержания, озвучиваемыми жидкостями, сканерами медицинской ультразвуковой аппаратуры, искательными головками ультразвуковых дефектоскопов и т.п.

Воздушный ультразвук - это ультразвуковые колебания в воздушной среде.

Из этих определений следует, что ультразвук передается человеку через контакт с воздухом, водой или непосредственно от вибрирующей поверхности (инструмента, машин, аппаратов и других возможных источников).

Пороги слухового восприятия высокочастотных звуков и ультразвуков составляют на частоте 20 кГц - 110 дБ, 30 кГц - до 115 дБ и 40 кГц - до 130 дБ. Условно ультразвуковой диапазон делится на низкочастотный - 1,1210 4 -1,0 10 5 Гц, распространяющийся воздушным и контактным путем, и высокочастотный - 1,0 10 5 -1,0 10 9 , распространяющийся только контактным путем.

Высокочастотный ультразвук практически не распространяется в воздухе и может оказывать воздействие на работающих преимущественно при контакте источника ультразвука с открытой поверхностью тела.

Низкочастотный ультразвук, напротив, оказывает на работающих общее действие через воздух и локальное за счет соприкосновения рук с обрабатываемыми деталями, в которых возбуждены ультразвуковые колебания.

Ультразвуковые колебания непосредственно у источника их образования распространяются направленно, но уже на небольшом расстоянии от источника (25-50 см) переходят в концентрические волны, заполняя все рабочее помещение ультразвуком и высокочастотным шумом.

Ультразвук оказывает существенное влияние на организм человека. Как уже отмечалось, ультразвук способен распространяться во всех средах: газообразной, жидкой и твердой. Поэтому в организме человека он воздействует не только собственно на органы и ткани, но и на клеточную и другие жидкости. При распространении в жидкой среде ультразвук вызывает кавитацию этой жидкости, т. е. образование в ней мельчайших пустотных пузырьков, заполняемых парами этой жидкости и растворенных в ней веществ, и их сжатие (захлопывание). Этот процесс сопровождается образованием шума.

При работе на мощных ультразвуковых установках операторы предъявляют жалобы на головные боли, которые, как правило, исчезают при прекращении работы; быструю утомляемость; нарушение ночного сна; чувство непреодолимой сонливости днем; ослабление зрения, чувство давления на глазные яблоки; плохой аппетит; постоянную сухость во рту и одеревенелость языка; боль в животе и т.д.

Звук – колебания в частотном диапазоне слышимости человека, распространяющиеся в виде волн в упругих средах. Шум – беспорядочное сочетание различных по силе и частоте звуков. Источником шума является любой процесс, вызывающий местное изменение давления или механические колебания в твердых, жидких и газообразных средах.

Звуковые ощущения воспринимаются органами слуха человека при воздействии на них звуковых волн частотой в диапазоне от 16 Гц до 20 тыс. Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц называются инфразвуком, а выше 20 000 Гц – ультразвуком.

По происхождению шум может быть механическим, аэрогидродинамическим и электромагнитным.

Механический шум возникает в результате ударов в сочленяющихся частях машин, их вибрации, при механической обработке деталей, в зубчатых передачах в подшипниках качения и т.п. Мощность звукового излучения поверхности, совершающей колебания, зависит от интенсивности колебаний вибрирующих поверхностей, их размеров, форм, способов крепления и др.

Аэрогидродинамический шум появляется в результате пульсации давления в газах и жидкостях при их движении в трубопроводах и каналах (турбомашины, насосные агрегаты, вентиляционные системы и т.п.).

Электромагнитный шум является результатом растяжения и изгиба ферромагнитных материалов при воздействии на них переменных электромагнитных полей (электрические машины, трансформаторы, дроссели и т.п.).

Воздействие шума на человека проявляется от субъективного раздражения до объективных патологических изменений функции органов слуха, центральной нервной системы, сердечно-сосудистой системы, внутренних органов.

Характер шумового воздействия обусловлен его физическими характеристиками (уровнем, спектральным составом и т.п.), длительностью воздействия и психофизиологическим состоянием человека.

Под воздействием шума снижается внимание, работоспособность. Шум нарушает сон и отдых людей.

Все разнообразие невротических и кардиологических расстройств, нарушения функции желудочно-кишечного тракта, слуха и т.д., которые возникают под воздействием шума, объединяются в симптомокомплекс "шумовой болезни" .

С физической точки зрения звук характеризуется частотой колебаний, звуковым давлением, интенсивностью или силой звука. В соответствии с Санитарными правилами и нормами 2.2.4/2.1.8.10-32-2002 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки» основными характеристиками шума являются частота колебаний, звуковое давление и уровень звука.

Звуковое давление Р (Па) – переменная составляющая давления воздуха или газа, возникающая в результате звуковых колебаний, Па.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через поверхность, перпендикулярную направлению распространения волны, называется интенсивностью звука I (Вт/м 2):

,

где Р – звуковое давление, Па; ρ – плотность среды распространания звука, кг/м 3 ; С – скорость звука в воздухе, м/с.

Слуховой аппарат человека обладает неодинаковой чувствительностью к звукам различной частоты. Слуховой орган человека способен воспринимать звуковые колебания в определенном диапазоне интенсивностей, ограниченном верхним и нижним порогами, зависящими от звуковой частоты (рис.1).

Порог слышимости имеет минимальное значение примерно при частоте 1000 Гц. По интенсивности или силе звука I o он равен 10 -12 Вт/м 2 , а по звуковому давлению P o – 2x10 -5 Па. Порог болевого ощущения на частоте 1000 Гц по интенсивности I макс равен 10 Вт/м 2 , а по звуковому давлению - Р макс = 2х10 -5 Па. Поэтому за эталонный принят звук с частотой 1000 Гц.Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости .

Ухо человека реагирует не на обсалютное, а на относительное изменение звука. По закону Вебера-Фехнера раздражающее действие шума на человека пропорционально десятичному логарифму квадрата звукового давления. Поэтому для характеристики шума пользуются логарифмическими уровнями:

уровнем интенсивности звука L I и уровнем звукового давления L P . Они измеряются в децибелах и определяются соответственно по формулам:

, дБ,

, дБ,

где I и I o - фактическая и пороговая интенсивности звука соответственно, Вт/м 2 ; Р и Р о - фактическое и пороговое звуковое давление соответственно, Па.

Единица измерениябел названа в честьАлександра Грейама Белла – учёного, изобретателя и бизнесмена шотландского происхождения, одного из основоположников телефонии (англ. Alexander Graham Bell ; 3 марта 1847(18470303), Эдинбург, Шотландия - 2 августа 1922, Баддек, провинция Новая Шотландия, Канада).

Рис 1. Область слухового восприятия человека

Один бел крайне малая величина, едва заметное на слух изменение громкости соответствует 1 дБ (соответствует изменению интенсивности звука на 26 % или звукового давления на 12 %).

Логарифмическая шкала в дБ (0…140) позволяет определить чисто физическую характеристику шума независимо от частоты. Вместе с тем, наибольшая чувствительность слухового аппарата человека имеет место при частотах 800…1000 Гц, а наименьшая при 20…100 Гц. Поэтому для приближения результатов субъективных измерений к субъективному восприятию введено понятие корректированного уровня звукового давления . Суть коррекции – введение поправок в измеренное значение уровня звукового давления в зависимости от частоты. Наиболее применяемая коррекция А. Корректированный уровень звукового давления L A = L Р – ΔL A называется уровнем звука .

В среде, которая обладает массой и упругостью, любое механическое возмущение создает шум. Без наличия упругой среды распространения звука не происходит. Чем плотнее среда, тем больше будет сила звука. Например, в сгущенном воздухе звуки передаются с большей силой, чем в разреженном.

Звук - это волнообразно распространяющиеся механические колебания упругой среды.

Шум - специфическая форма звука, нежелательная для человека, мешающая ему в данный момент работать, нормально разговаривать или отдыхать.

Основными физическими параметрами, характеризующими звук как колебательное движение, являются скорость, длина и амплитуда волны, частота, сила и акустическое давление.

Скорость звука - это расстояние, на которое в упругой среде распространяется звуковая волна в единицу времени. Скорость звука зависит от плотности и температуры среды.

Звуки различной частоты, будь то пронзительный свист или глухое рычание, распространяются в одной и той же среде с одинаковой скоростью.

Скорость звука является некоторой константой, характерной для данного вещества. Скорость распространения звука в воздухе (при 0°С) составляет 340 м/с, в воде - 1450 м/с, в кирпиче - 3000 м/с, в стали - 5000 м/с.

С изменением температуры среды изменяется скорость звука. Чем выше температура среды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук. Так, на каждый градус увеличения температуры скорость звука в газах возрастает на 0,6 м/с, в воде - на 4,5 м/с.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет большой объем, так как колебания частиц, вызванные источником звука, передаются значительной массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц среды ослабевают.

Ослабление звука зависит также от его частоты. Звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот.

Возможна субъективная оценка производственного шума. На рис. показана зависимость уровня звукового давления от расстояния.

Рис. График субъективной оценки шума: 1 - очень громкий разговор; 2 - громкий разговор; 3 - повышенный голос; 4 - нормальный голос

По этой зависимости можно ориентировочно установить величину уровня звукового давления, если два человека, находящихся в цехе, достаточно хорошо слышат и понимают речь при разговоре между собой. Например, если разговор нормальным голосом можно вести на расстоянии 0,5 м друг от друга, то это означает, что величина шума не превышает 60 дБ; на расстоянии 2,5 м при этой величине уровня звукового давления будет услышана и понятна только громкая речь.

Источники шума обладают определенной направленностью излучения. Наличие в атмосфере слоев воздуха с различной температурой приводит к преломлению звуковых волн.

Днем, когда температура воздуха с высотой уменьшается, звуковые волны от источника, расположенного вблизи поверхности земли, загибаются кверху и на некотором расстоянии от источника звук не слышен.

Если же с высотой температура воздуха повышается, звуковые волны загибаются книзу и звук доходит до более отдаленных точек земной поверхности. Этим объясняется тот факт, что ночью, когда верхние слои воздуха нагреваются за день, звук слышен на более далекие расстояния, чем днем, особенно при распространении его над поверхностью воды, почти полностью отражающей звуковые волны вверх.

Когда температура воздуха с высотой изменяется незначительно и ветер отсутствует, то звук распространяется, не испытывая заметного преломления. Например, в зимние морозные дни за несколько километров слышен гудок паровоза, далеко слышен скрип саней, стук топора в лесу и т. п.

Как любое волнообразное движение, звук характеризуется длиной волны. Длиной волны называется расстояние между двумя последовательными гребнями и впадинами.

Амплитудой волны называют расстояние, на которое частица среды отклоняется от своего положения равновесия.

Органы слуха человека воспринимают длины звуковых волн от 20 м до 1,7 см. Сила звука прямо пропорциональна длине звуковой волны.

Частота звука - число колебаний звуковой волны в единицу времени (секунду) и измеряется в Гц.

По частоте звуковые колебания подразделяют на три диапазона:

инфразвуковые колебания с частотой менее 16 Гц;

звуковые - от 16 до 20 000 Гц;

ультразвуковые - более 20 000 Гц.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот 16 ... 20 000 Гц.

Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный -до 400 Гц, среднечастотный - 400 ... 1000 Гц и высокочастотный -свыше 1000 Гц.

Инфразвуки не воспринимаются органом слуха человека, но могут воздействовать на организм в целом, вызывая тяжелые последствия. Дело в том, что внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний 6 ... 8 Гц.

При воздействии инфразвука этой частоты возникает резонанс, т. е. частота инфразвуковых волн совпадает с собственной (резонансной) частотой внутренних органов, что сопровождается увеличением амплитуды колебаний системы. Человеку кажется, что внутри у него все вибрирует. Кроме того, инфразвуковые колебания обладают биологической активностью, которая объясняется также совпадением их частот с ритмом головного мозга. Инфразвук определенной частоты вызывает расстройство работы мозга, слепоту, а при частоте 7 Гц - смерть.

Основными источниками инфразвука на предприятиях общественного питания могут быть непрерывно работающие машины и механизмы, имеющие число циклов менее 20 в секунду, - механизмы для перемешивания салатов, нарезки свежих и вареных овощей, рыхлители, взбивальные машины и другие виды технологического оборудования, имеющего относительно небольшую частоту вращения основных рабочих органов.

Одна из особенностей инфразвука заключается в том, что он хорошо распространяется на большие расстояния и почти не ослабляется препятствиями. Поэтому при борьбе с ним традиционные методы звукоизоляции и звукопоглощения малоэффективны. В этом случае наиболее приемлем метод борьбы с инфразвуком как вредным производственным фактором в источнике его возникновения.

Ультразвук - упругие волны малой длины с частотой колебаний более 20000 Гц. Специфическая особенность ультразвука заключается в его возможности генерировать пучкообразные волны, которые могут переносить значительную механическую энергию. Эта способность ультразвука нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе и пищевой. Так, например, обработка молока ультразвуком позволяет значительно снизить содержание в нем микрофлоры. Ультразвук используют на предприятиях, производящих животные и растительные жиры, при хлебопекарном и кондитерском производстве, на мясо- и рыбоперерабатывающих заводах, в виноделии и парфюмерии.

Наряду с многочисленными возможностями использования ультразвука в развитии технологических процессов он вредно воздействует на организм человека: вызывает нервные расстройства, головную боль, потерю слуховой чувствительности и даже изменение состава и свойств крови.

Защита от действия ультразвука может быть обеспечена изготовлением оборудования, излучающего ультразвук, в звукоизолирующем исполнении, устройством экранов, в том числе прозрачных, между оборудованием и работающим, размещением ультразвуковых установок в специальных помещениях.

При распространении звуковой волны в воздухе в нем образуются сгущения и разряжения, создающие добавочные давления по отношению к среднему внешнему давлению атмосферы. Именно на это давление, называемое звуковым, или акустическим, реагируют органы слуха человека. Единица измерения звукового давления - Н/м 2 или Па.

Звуковая волна в направлении своего движения несет с собой определенную энергию. Количество энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения волны, называется силой звука, или интенсивностью звука (I), измеряется в Вт/м 2 .

Максимальные и минимальные звуковые давления и интенсивности звука, воспринимаемые человеком как звук, называют пороговыми.

Орган слуха человека способен различать прирост звука в 0,1 Б, поэтому на практике при измерении уровней звука используют внесистемную единицу децибел (дБ): 0,1 Б = 1дБ.

Увеличение шума на 1 дБ дает прирост звуковой энергии в 1,26 раза. Сравнивая силу двух шумов, например 10 и 20 дБ, нельзя сказать, что интенсивность второго в два раза больше первого. В действительности она будет больше в 10 раз.

Шкала громкости, воспринимаемая органом слуха человека, -от 1 до 130 дБ.

Давление звуковой волны на пороге болевого ощущения (130 дБ) равно примерно 20 Па.

Для лучшего представления уровня звука как силы слухового ощущения в децибелах можно привести следующие примеры: при

f= 1000 Гц нормальная разговорная речь соответствует 40 дБ, работа мотора легкового автомобиля - 50 дБ, двигателя самолета -100 ... 110 дБ, шум магистральных улиц и площадей городов-60 дБ.

Физиологическое воздействие шума на организм человека зависит от спектра и характера звука.

Спектр - это графическое изображение разложения уровня звукового давления по частотным составляющим. Спектральные характеристики помогают определить наиболее вредные звуки и разработать мероприятия по борьбе с производственным шумом.

Различают три вида спектров шума: дискретный или тональный, сплошной или широкополостный и смешанный.

Дискретный (от лат. discretus- раздельный, прерывистый) спектр (рис. а) характеризует непостоянный звук, когда из общего уровня резко выделяются отдельные частоты, а на некоторых частотах вообще отсутствует какой-либо звук.

Рис. Спектры шума: а - дискретный; б - сплошной; в - смешанный

Дискретный спектр характерен, например, для шума, издаваемого сиреной спецмашин, пилой и т. п.

Сплошной спектр (рис. б) является совокупностью уровней звукового давления, близко расположенных друг к другу частот, когда на каждой частоте присутствует уровень звукового давления.

Этот спектр шума характерен для работы реактивного двигателя, двигателей внутреннего сгорания, выхлопе газов, истечении воздуха через узкое отверстие и т. п.

Смешанный спектр (рис. в) - это спектр, когда на фоне сплошного шума имеются дискретные составляющие.

На предприятиях чаще всего имеют место смешанные спектры -это шум технологического оборудования, вентиляторов, компрессоров и т. п.

По характеру шум может быть стабильным и импульсным.

Стабильный шум характеризуется постоянством уровней звукового давления, а для импульсного характерно быстрое изменение уровня звукового давления во времени на порядок 8 ... 10 дБ/с. Импульсный шум воспринимается как отдельные, следующие друг за другом удары; его воздействие на организм человека носит более агрессивный характер, чем стабильный шум.

Звуки приносят человеку жизненно важную информацию - с их помощью мы общаемся, слушаем музыку, узнаем по голосу знакомых людей. Мир окружающих нас звуков разнообразен и сложен, однако мы достаточно легко ориентируемся в нем и можем безошибочно отличить пение птиц от шума городской улицы.

• Звуковая волна - упругая продольная волна, вызывающая у человека слуховые ощущения. Колебания источника звука (например, струн или голосовых связок) вызывают появление продольной волны. Достигнув человеческого уха, звуковые волны заставляют барабанную перепонку совершать вынужденные колебания с частотой, равной частоте колебаний источника. Свыше 20 тыс. нитевидных рецепторных окончаний, находящихся во внутреннем ухе, преобразуют механические колебания в электрические импульсы. При передаче импульсов по нервным волокнам в головной мозг у человека возникают определенные слуховые ощущения.

Таким образом, в процессе распространения звуковой волны меняются такие характеристики среды, как давление и плотность.

Звуковые волны, воспринимаемые органами слуха, вызывают звуковые ощущения.

Звуковые волны классифицируются по частоте следующим образом:

• инфразвук (ν < 16 Гц);
• слышимый человеком звук (16 Гц < ν < 20000 Гц);
• ультразвук (ν > 20000 Гц);
• гиперзвук (10 9 Гц < ν < 10 12 -10 13 Гц).

Человек не слышит инфразвук, но каким-то образом эти звуки воспринимает. Так как например, опыты показали, что инфразвук вызывает неприятные тревожные ощущения.

Многие животные могут воспринимать ульразвуковые частоты. Например, собаки могут слышать звуки до 50000 Гц, а летучие мыши - до 100000 Гц. Инфразвук, распространяясь в воде на сотни километров, помогает китам и многим другим морским животным ориентироваться в толще воды.

Физические характеристики звука

Одной из важнейших характеристик звуковых волн является спектр.

• Спектром называется набор различных частот, образующих данный звуковой сигнал. Спектр может быть сплошным или дискретным.

Сплошной спектр означает, что в данном наборе присутствуют волны, частоты которых заполняют весь заданный спектральный диапазон.

Дискретный спектр означает наличие конечного числа волн с определенными частотами и амплитудами, которые образуют рассматриваемый сигнал.

По типу спектра звуки разделяются на шумы и музыкальные тона.

• Шум - совокупность множества разнообразных кратковременных звуков (хруст, шелест, шорох, стук и т.п.) - представляет собой наложение большого числа колебаний с близкими амплитудами, но различными частотами (имеет сплошной спектр). С развитием промышленности появилась новая проблема - борьба с шумом. Возникло даже новое понятие «шумовое загрязнение» среды обитания. Шум, особенно большой интенсивности, не просто надоедает и утомляет - он может и серьезно подорвать здоровье.

• Музыкальный тон создается периодическими колебаниями звучащего тела (камертон, струна) и представляет собой гармоническое колебание одной частоты.

С помощью музыкальных тонов создается музыкальная азбука - ноты (до, ре, ми, фа, соль, ля, си), которые позволяют воспроизводить одну и ту же мелодию на различных музыкальных инструментах.

• Музыкальный звук (созвучие) - результат наложения нескольких одновременно звучащих музыкальных тонов, из которых можно выделить основной тон, соответствующий наименьшей частоте. Основной тон называется также первой гармоникой. Все остальные тоны называются обертонами. Обертоны называются гармоническими, если частоты обертонов кратны частоте основного тона. Таким образом, музыкальный звук имеет дискретный спектр.

Любой звук, помимо частоты, характеризуется интенсивностью. Так реактивный самолет может создать звук интенсивностью порядка 10 3 Вт/м 2 , мощные усилители на концерте в закрытом помещении - до 1 Вт/м 2 , поезд метро - около 10 –2 Вт/м 2 .

Чтобы вызвать звуковые ощущения, волна должна обладать некоторой минимальной интенсивностью, называемой порогом слышимости. Интенсивность звуковых волн, при которой возникает ощущение давящей боли, называют порогом болевого ощущения или болевым порогом.

Интенсивность звука, улавливаемая ухом человека, лежит в широких пределах: от 10 –12 Вт/м 2 (порог слышимости) до 1 Вт/м 2 (порог болевого ощущения). Человек может слышать и более интенсивные звуки, но при этом он будет испытывать боль.

Уровень интенсивности звука L определяют по шкале, единицей которой является бел (Б) или, что гораздо чаще, децибел (дБ) (одна десятая бела). 1 Б - самый слабый звук, который воспринимает наше ухо. Эта единица названа в честь изобретателя телефона Александра Белла. Измерение уровня интенсивности в децибелах проще и поэтому принято в физике и технике.

Уровень интенсивности L любого звука в децибелах вычисляется через интенсивность звука по формуле

\(L=10\cdot lg\left(\frac{I}{I_0}\right),\)

где I - интенсивность данного звука, I 0 - интенсивность, соответствующая порогу слышимости.

В таблице 1 приведен уровень интенсивности различных звуков. Тем, кто при работе подвергается воздействию шума свыше 100 дБ, следует пользоваться наушниками.

Таблица 1

Уровень интенсивности (L ) звуков

Физиологические характеристики звука

Физическим характеристикам звука соответствуют определенные физиологические (субъективные) характеристики, связанные с восприятием его конкретным человеком. Это обусловлено тем, что восприятие звука - процесс не только физический, но и физиологический. Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания определенных частот и интенсивностей (это объективные, не зависящие от человека характеристики звука) по-разному, в зависимости от «характеристик приемника» (здесь влияют субъективные индивидуальные черты каждого человека).

Основными субъективными характеристиками звука можно считать громкость, высоту и тембр.

• Громкость (степень слышимости звука) определяется, как интенсивностью звука (амплитудой колебаний в звуковой волне), так и различной чувствительностью человеческого уха на разных частотах. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1000 до 5000 Гц. При увеличении интенсивности в 10 раз уровень громкости увеличивается на 10 дБ. Вследствие этого, звук в 50 дБ оказывается в 100 раз интенсивнее звука в 30 дБ.

• Высота звука определяется частотой звуковых колебаний, обладающих наибольшей интенсивностью в спектре.

• Тембр (оттенок звука) зависит от того, сколько обертонов присоединяются к основному тону и какова их интенсивность и частота. По тембру мы легко отличаем звуки скрипки и рояля, флейты и гитары, голоса людей (табл. 2).

Таблица 2

Частота ν колебаний различных источников звука

Источник звука	ν, Гц	Источник звука	ν, Гц
Мужской голос :	100 - 7000	Контрабас	60 - 8 000
бас	80 - 350	Виолончель	70 - 8 000
баритон	100 - 400	Труба	60 - 6000
тенор	130 - 500	Саксафон	80 - 8000
Женский голос :	200 - 9000	Рояль	90 - 9000
контральто	170 - 780	Музыкальные тона :
меццо-сопрано	200 - 900	Нота до	261,63
сопрано	250 - 1000	Нота ре	293,66
колоратурное сопрано	260 - 1400	Нота ми	329,63
Орган	22 - 16000	Нота фа	349,23
Флейта	260 - 15000	Нота соль	392,0
Скрипка	260 - 15000	Нота ля	440,0
Арфа	30 - 15000	Нота си	493,88
Барабан	90 - 14000

Скорость звука

Скорость звука зависит от упругих свойств, плотности и температуры среды. Чем больше упругие силы, тем быстрее передаются колебания частиц соседним частицам и тем быстрее распространяется волна. Поэтому скорость звука в газах меньше, чем в жидкостях, а в жидкостях, как правило, меньше чем в твердых телах (табл. 3). В вакууме звуковые волны, как и любые механические волны, не распространяются, так как там нет упругих взаимодействий между частицами среды.

Таблица 3.

Скорость звука в различных средах

Скорость звука в идеальных газах с ростом температуры растет пропорционально \(\sqrt{T},\) где T - абсолютная температура. В воздухе скорость звука υ = 331 м/с при температуре t = 0 °C и υ = 343 м/с при температуре t = 20 °C. В жидкостях и металлах скорость звука, как правило, уменьшается с ростом температуры (исключение - вода).

Впервые скорость распространения звука в воздухе была определена в 1640 г. французским физиком Мареном Мерсенном. Он измерял промежуток времени между моментами появления вспышки и звука при ружейном выстреле. Мерсенн определил, что скорость звука в воздухе равна 414 м/с.

Применение звука

Инфразвук в технике пока применять не научились. Зато широкое применение получил ультразвук.

• Способ ориентации или исследования окружающих объектов, основанный на излучении ультразвуковых импульсов с последующим восприятием отраженных импульсов (эха) от различных объектов, называется эхолокацией , а соответствующие приборы - эхолокаторами .

Хорошо известны животные, обладающие способностью к эхолокации - летучие мыши и дельфины. По своему совершенству эхолокаторы этих животных не уступают, а во многом и превосходят (по надежности, точности, энергетической экономичности) современные эхолокаторы, созданные человеком.

Эхолокаторы, используемые под водой, называются гидролокаторами или сонарами (название sonar образован из начальных букв трех английских слов: sound - звук; navigation - навигация; range - дальность). Сонары незаменимы при исследованиях морского дна (его профиля, глубины), для обнаружения и исследования различных объектов, движущихся глубоко под водой. При их помощи могут быть легко обнаружены как отдельные большие предметы или животные, так и стаи небольших рыб или моллюсков.

Волны ультразвуковых частот широко используются в медицине в диагностических целях. УЗИ-сканеры позволяют исследовать внутренние органы человека. Ультразвуковое излучение, в отличие от рентгеновского, безвредно для человека.

Литература

1. Жилко, В.В. Физика: учеб. пособие для 11 класса общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В.В. Жилко, Л.Г. Маркович. - Минск: Нар. Асвета, 2009. - С. 57-58.
2. Касьянов В.А. Физика. 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. - М.: Дрофа, 2004. - С. 338-344.
3. Мякишев Г.Я., Синяков А.З. Физика: Колебания и волны. 11 кл.: Учеб. для углубленного изучения физики. - М.: Дрофа, 2002. - С. 184-198.

Через слух человек получает около 8 % информации.

Шум -- хаотическое сочетание различных по частоте и интенсивности звуков, неблагоприятно воздействующих на организм человека.

Источники шума. Например, в судостроение практически все процессы обработки исходного материала и конечной продукции сопровождаются высоким уровнем шума (на уровне болевого порога и выше) 90…120 дБ (и выше).

Шум прибоя, работа гребных винтов, главных и вспомогательных двигателей и др.

Характеристики звуковых колебаний

Звук -- механические колебания, распространяющиеся в упругих средах (в безвоздушном пространстве не распространяются). Звуковая волна характеризуется:

частотой f, Гц;

скоростью распространения с, м/с;

звуковым давлением Р, Па;

интенсивностью звука I, Вт/м 2 .

Скорость распространения звука в различных средах не одинакова и зависит от плотности материала, температуры, упругости и других свойств.

с стали = 4500…5000 м/с;

с жидк ~ 1500 м/с (в зависимости от солености);

с возд = 340 м/с (при температуре 20°С), 330 м/с (при температуре 0°С)

Звуковое давление -- силовая характеристика, например, для камертона С=Р max sin(2рft + ц 0). Здесь звуковое давление чистого (гармонического) тона.

Интенсивность звука -- энергетическая характеристика, определяется как средняя энергия E в единицу времени ф, отнесенная к единице площади S поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны:

где с плотность воздушной среды кг/м 3 ;

c скорость распространения звука м/с.

Источник звуковых колебаний характеризуется мощностью W, Вт.

Влияние шума на организм человека и его последствия

Шум -- общефизиологический раздражитель с наиболее изученным влиянием.

Интенсивный шум при постоянном воздействии приводит к профессиональному заболеванию -- тугоухости.

Наибольшее влияние шум оказывает при частоте f = 1…4 кГц.

Шум влияет на органы слуха, головной мозг, нервную систему, вызывает повышенную утомляемость, ослабление памяти, следовательно падает производительность труда и создаются предпосылки для возникновения несчастных случаев.

По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) наиболее чувствительны к шуму операции сбора информации, мышления, слежения.

Физиологические характеристики шума

Звук частотой от 20 Гц…11 кГц называется слышимый звук, звук меньше 20 Гц называется инфразвук, а звук более 11 кГц называется ультразвук.

Шум бывает: широкополосный (спектр частоты больше одной октавы) и тональный, где имеет место дискретная частота. Октава- это полоса звука у которой конечная частота в два раза больше начальной.

По временным характеристикам шум бывает: постоянный (изменении уровня звукового давления в течении рабочей смены не более 3дБ) и не постоянной, которая в свою очередь подразделяется на колеблющийся, прерывистый и импульсный. Наиболее опасным по действию на организм человека является тональный и импульсный шум.