3. Шумы и вибрации. Защита от шумов

Звуком называются воспринимаемые человеческим слу­хом изменения давления (в воздухе, воде или другой среде распространения звука). Шум является вредным фактором.

Беспорядочное смешение звуков различной интенсивности и частоты принято считать шумом.

К шумам относятся звуки любого рода, воспринимаемые человеком как неприятные, мешающие и даже вызывающие болезненные ощущения.

Основными источниками шума на предприятиях связи являются электрические машины, силовые трансформаторы, почтообрабатывающие машины, вентиляторы, кондиционеры, электрические инструменты и пр.

Шумы характеризуются следующими параметрами: частотой, силой или интенсивностью и звуковым давлением.

Число изменений давления в секунду называется частотой звука и измеряется в герцах (Гц). Диапазон слышимых частот лежит в пределах 20…20000 Гц (20 Гц…20 кГц).

Слуховой анализатор человека в слышимом диапазоне частот имеет разную чувствительность. Наибольшая чувствительность лежит в диапазоне от 1000 до 5000 Гц. К краям диапазона чувствительность слухового анализатора снижается. Ухо человека «настроено» на частоты 800–1200 Гц, а поэтому за международный эталон частоты измерений принята частота 1000 Гц.

При эргономических разработках диапазон частот делят на три поддиапазона: низкочастотный – до 350 Гц; среднечастотный – 350…900 Гц и высокочастотный – более 900 Гц. Среднечастотный и высокочастотный диапазоны используются для передачи сигналов тональной частоты (телефонная связь).

Другой величиной, характеризующей звук, является его сила I, или интенсивность. Она показывает энергию, переносимую звуковой волной в направлении ее распространения через единицу площади в единицу времени и измеряется в Дж/с·м² или Вт/м².

Звуковым давлением Р называется разность давлений в среде при наличии источника звука и без него (например, давление в аудитории при шумном поведении студентов будет выше, чем при полной тишине). Звуковое давление, как и любое другое, измеряется в Н/м² или в Па (паскаль равен ньютон, деленный на м²).

Между интенсивностью I и звуковым давлением P при условии свободного распространения звуковой волны (т. е. без огибания препятствий, отражения от каких-либо поверхностей и т. п.) существует соотношение:

I = Р² / ρ · с,

где ρ – плотность среды (воздух, ρ = 1,29 кг/м³), в которой распространяется звук; с – скорость распространения звука (в воздухе 341 м/с).

Также как и по частоте, по интенсивности и звуковому давлению слуховой анализатор имеет нижнюю и верхнюю границы восприятия. Нижней границей восприятия (I_о и Р_о) является порог ощущения слухового анализатора, или порог слышимости. Верхней границей (I_б и Р_б) является болевой порог – человек наряду с очень громким звуком начинает испытывать боль.

Итак, для частоты 1000 Гц порог ощущений и болевой порог лежат в пределах:

I_о =10^–12 Вт/м²; I_б =1 Вт/м²;

Р_о = 2 · 10^–5 Па; Р_б = 20 Па.

Для других частот из-за неодинаковой чувствительности слухового анализатора эти значения будут другими. Однако пользоваться интенсивностью I и давлением Р для характеристики шума, как фактора, действующего на человека, оказалось неудобным из-за нелинейной зависимости возникающих ощущений от величины действующего раздражителя. На рис. 25 приведен график, показывающий степенную зависимость ощущения громкости от силы звука на основе закона Вебера–Фехнера. В левой части графика, вблизи I_о, небольшое приращение интенсивности ΔΙ вызывает ощущение большого прироста громкости. В правой части графика, вблизи болевого порога I_б, большее приращение ΔΙ вызывает ощущение существенно меньшего прироста громкости.

Для исключения этого неудобства введена новая единица измерения шума – уровень шума L. Если прологарифмировать степенную зависимость, то показатель степени превратится во множитель и связь между ощущением громкости и силой звука станет пропорциональной, т. е. линейной. Поэтому

L = lg (I / Ι_о), Б,

где L – единица уровня шума, измеряется в белах.

Рис. 25 . График зависимости ощущения громкости от силы звука

на основе закона Вебера–Фехнера

С учетом того, что дифференциальный (различительный) порог чувствительности у человека составляет около 0,1 Б, удобнее оказалось пользоваться не белами, а децибелами (дБ):

L = 10 lg (I / Ι_о), дБ,

или, с учетом соотношения I = Р²/ ρ · с:

L = 20 lg (Р / Р_о), дБ.

Распространение звуковых волн. Распространение звуковых волн в воздухе аналогично рас­пространению волн в воде. Звуковые волны распространя­ются равномерно во всех направлениях и их амплитуда уменьшается с увеличением расстояния от источника. Увеличению вдвое расстояния в воздухе соответствует уменьшение наполовину амплитуды звуковой волны, т. е. уменьшение уровня на 6 дБ. Следовательно, увеличив расстояние между источником звука и наблюдателем вдвое, уровень воспринимаемого последним звукового давления уменьшится на 6 дБ по звуковому давлению. Увеличению расстояния в 4, 8 (и т. д.) раз соответствует уменьшение уровня соответственно на 12, 18 дБ и т. д.

Однако вышесказанное действительно только в отсутствии объектов, отражающих или поглощающих звук. Такие идеальные условия называются условиями свободного звукового поля. Находящиеся в звуковом поле объекты в большей или меньшей мере отражают, поглощают и пропускают звуковые волны. Количество отражаемой, поглощаемой и пропускаемой звуковой энергии определяется физическими свойствами отдельных объектов, в частности коэффициентом поглощения и размерами объекта, длиной волны звука. В общем только объекты, размеры которых больше длины волны звука, серьезно нарушают звуковое поле. Например, длина волны звука с частотой 10 кГц составляет всего 34 мм, так что даже небольшие объекты будут нарушать звуковое поле. Поэтому звукоизоляция и поглощение в области высоких частот являются относительно простыми задачами. В области низких частот (длина волны звука с частотой 100 Гц равна 3,4 м) звукоизоляция уже становится сложной проблемой.

Действие шума на организм человека. Жизнь человека сопровождается значительным шумом. Чрезмерный шум на производстве и в быту, уровень которого не соответствует существующим санитарным нормам, оказывает вредное влияние на организм человека. Звуки и шумы большой мощности, поражающие слуховой аппарат, нервные центры и вызывающие болевые ощущения и шок, являются шумовыми загрязнениями. Еще в ХIХ в. известный бактериолог Роберт Кох предсказал, что «…когда-нибудь человеку ради своего существования придется столь же упорно бороться с шумом, как сейчас он борется с холерой и чумой». По определению, выработанному Всемирной организацией здравоохранения (ВОЗ), здоровье – это состояние физического, духовного и социального состояния, и когда шум нарушает это состояние, он становится опасным для здоровья.

Длительное шумовое загрязнение может приводить к расстройству сердечной деятельности, нарушениям функций печени, истощению и перенапряжению нервной системы. Естественный шумовой фон (20…30 дБ) практически безвреден и даже приятен для человека (шелест листвы, шум прибоя и др.).

Допустимая граница громких звуков составляет примерно 80 дБ, а 130 дБ вызывают болевые ощущения, 150 дБ – непереносимые болевые ощущения. При длительном действии повышенного шума возникают такие явления, как раздражительность, апатия, подавленное настроение, ослабление памяти, развивается тугоухость (профессиональное заболевание телефонисток, радистов, принимающих на слух) и пр. Замедляется скорость психических реакций, снижается темп работы, ухудшается качество переработки информации. Со стороны сердечно-сосудистой системы наблюдается повышение артериального давления.

Инфразвуки с частотой колебаний менее 20 Гц, не воспринимаемые слухом человека, влияют на психику: угнетается интеллектуальная деятельность, ухудшается настроение, появляется ощущение тревоги, страха, а при высокой интенсивности – чувство слабости.

Ультразвуки с частотой колебаний более 20 кГц, занимающие заметное место в производственных шумах, также опасны, особенно для нервной системы.

Организм человека практически беззащитен против шума, инфра- и ультразвука, так как их действие незаметно.

Слуховой анализатор человека воспринимает звуки, имеющие одинаковое давление, но разную частоту, с разной громкостью. Низкие частоты кажутся тише, чем высокие с таким же звуковым давлением. По этой причине введено понятие «взвешенный уровень звука»: измерительный прибор имитирует неравномерную чувствительность человеческого уха к звукам разных частот. С этой целью к измерительному прибору подключают октавный фильтр и оценивают громкость звука на разных частотах. Этот способ стандартизован международными соглашениями.

Существует три типа таких частотных приведений – А, В, С, и уровни звука записываются в дБ (А), дБ (В), дБ (С). Общепринятыми являются измерения в режиме частотных приведений А, С. За порог чувствительности человеческого уха к звукам принято 0 дБ. Повышение громкости на 6 дБ (А) ощущается как удвоение громкости.

Субъективные величины звука. Факторы, определяющие субъективную громкость звука, так сложны, что в соответствующей области акустики все еще проводятся важные исследовательские, теоретиче­ские и экспериментальные работы.

Кривые равной громкости (рис. 26) представляют собой зависимость физиологического ощущения громкости звуков от уровня звукового давления и частоты. Каждая из этих кривых соответствует различным по уровню и частоте, но одинаковым по громкости звукам. Единицей измерения уровня громкости служит фон, который численно равен уровню звукового давления, выраженному в децибелах (дБ) для звука частотой 1000 Гц, дающего то же субъективное ощущение громкости, что и данный звук. Из рассмотренных кривых равной громкости звуков следует, что количественное различие между уровнем громкости в фонах и уровнем звукового давления в децибелах тем больше, чем меньше частота и слабее звук. Для звуков или шумов с уровнем звукового давления более 80 дБ уровень громкости и уровень звукового давления примерно равны. Из этого следует, что громкость сильных звуков или шумов определяется главным образом уровнем звукового давления и почти не зависит от частоты. Одним из таких факторов является уже упомянутая частотная зависимость чувствительности слухового анализатора. Усложняющим является также то, что описанная выше частотная зависимость чувствительности слуха более выразительна в области низких уровней звукового давления, а уменьшается с ростом уровня звукового давления. Вышесказанное иллюстрируют приведенные на рис. 26 кривые равной громкости, по которым можно определять уровни звукового давления на разных частотах, воспринимаемые как равногромкие.

Относительно простой задачей электроники и измерительной техники является построение специальной электронной схемы, чувствительность которой изменяется с частотой согласно частотным изменениям чувствительности человеческого слуха. Характеристика корректирующей схемы «А» соответствует кривым равной громкости (рис. 26) в области низких уровней звукового давления (до 40 дБ); схема «В» является приближением в области средних уровней звукового давления (40…80 дБ), а параметры схемы «С» соответствуют кривым равной громко­сти в области высоких уровней звукового давления (более 80 дБ).

Рис. 26. Кривые равной громкости

Следует отметить, что в настоящее время имеется дополнительная схема частотной коррекции «D», определяемая междуна­родными рекомендациями и стандартами и предназначенная для измерений шума реактивных самолетов.

Одной из причин не совсем хороших результатов примене­ния схем частотной коррекции «В» и «С» является сам ме­тод определения кривых равной громкости. Дело в том, что эти кривые относятся к чистым тонам и условиям свободного звукового поля, в то время как большинство встре­чающихся в акустической практике звуков отличается от чистых тонов и имеет сложный или даже случайный харак­тер.

Кратковременные звуки, т. е. звуки длительностью меньше 1 с, называются импульсными. Импульсные звуки еще более затрудняют и усложняют оценку субъективной громкости, так как с уменьшением длитель­ности звука также уменьшается чувствительность воспри­нимающего его слухового анализатора. В соответствии с этим правилом разрабо­тана и принята в международном масштабе специальная электронная схема, чувствительность которой уменьша­ется с уменьшением длительности кратковременного звука. Характеристика этой схемы называется «импульсной».

Нормирование шума. Основные термины и определения.

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

Эквивалентный по энергии уровень звука L_экв, дБ(А), непостоянного шума – уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет такое же среднеквадратичное звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени.

Предельно допустимый уровень (ПДУ) шума – это уровень фактора, который при ежедневной (кроме выходных дней) работе, но не более 40 ч в неделю в течение всего рабочего стажа, не должен вызывать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследований в процессе работы или в отдаленные сроки жизни настоящего и последующих поколений. Соблюдение ПДУ шума не исключает нарушений здоровья у сверхчувствительных лиц.

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

Максимальный уровень звука L_A max, дБ(А), – уровень звука, соответствующий максимальному показателю измерительного прямопоказывающего прибора (шумомера) при визуальном отсчете или значение уровня звука, превышаемое в течение 1% времени измерения при регистрации автоматическим устройством.

Для гигиенической оценки шумов интерес представляет звуковой диапазон от 22 до 11200 Гц, включающий 9 октавных полос со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Для оценки шума используют: эквивалентный L_экв (по энергии) уровень звука в дБ(А), измеряемый по характеристике «А» шумомера (приближенно соответствующей частотной характеристике слуха человека); по предельному спектру шума (уровни звукового давления в дБ в октавных полосах частот).

По характеру спектра шума выделяют: широкополосный шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы и тональный шум, в спектре которого имеются выраженные тоны.

По временным характеристикам шума выделяют: постоянный шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ(А) при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно»; непостоянный шум, уровень которого за 8-часовой рабочий день, рабочую смену изменяется во времени более чем на 5 дБ(А) при измерениях на временной характеристике шумомера «медленно».

Системой стандартов безопасности труда (ССБТ «Шум») устанавливается классификация шумов, допустимые уровни шума на рабочих местах, общие требования к шумовым характеристикам машин, механизмов, транспорта и другого оборудования.

При нормировании шума используют два метода: 1) нормирование по предельному спектру шума; 2) нормирование уровня звука в децибелах.

Таблица 4 Поправки в нормативные уровни шума
Влияющий фактор	Поправка, дБ
Характер шума: широкополосный тональный импульсный	0 –5
Длительность воздействия за смену: от 4 до 8 ч от 2 до 4 ч от ¼ до 1 ч от 5 до 15 мин менее 5 мин	0 +6 +12 +18 +24

Первый метод нормирования является основным для постоянных шумов. При этом точно нормируются составляющие шум уровни в дБ среднеквадратичных звуковых давлений в восьми октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц. Совокупность восьми нормативных уровней звукового давления называется предельным спектром.

При втором методе нормируется общий уровень шума, измеренный по шкале «А» шумомера и именуемый уровнем звука в дБ(А). Этот метод используется для ориентировочной оценки постоянного и непостоянного шумов. В зависимости от характера шума и длительности его воздействия в нормативные уровни шума вводятся поправки (табл. 4). Полученный уровень шума называется допустимым.

Некоторые расчетные зависимости. Шум – переменный во времени фактор, из-за чего измерительные процедуры и обработка данных измерений являются достаточно трудоемкими. В связи с этим часто для оценки уровней шума используют более простой путь расчета по существующим эмпирическим зависимостям. Для иллюстрации здесь приводятся некоторые из них.

Довольно часто шум создается несколькими источниками. Если уровень шума от каждого источника одинаков, то общий уровень шума L в равноудаленной от источников точке можно определить по формуле

L = L₁ + 10 lg n,

где L₁ – уровень шума от одного источника; n – число источников шума.

Если источники находятся на разных расстояниях от точки, в которой определяется уровень, то расчет ведут в следующем порядке. Известно, что по мере удаления от источника шум ослабляется, т. е. уровень звукового давления уменьшается. На открытом пространстве и в больших по объему помещениях уровень звукового давления L_r на расстоянии r от источника определяется по формуле

L_r = L₁ – 20 lg r,

где L₁ – уровень звукового давления на расстоянии 1 м от источника; r – расстояние от источника шума.

При определении L от двух источников с уровнями шума L_r1 и L_r2 используют формулу

L = L_rб + ΔL,

где L_rб – большее из L_r1 и L_r2; ΔL – поправка, определяемая разностью между L_r1 и L_r2.

Поправка невелика:

ΔL = 3 дБ при разности в 0 дБ;

ΔL = 2,5 дБ при разности в 1 дБ;

ΔL = 1,5 дБ при разности в 4 дБ;

ΔL = 0,65 дБ при разности в 8 дБ;

ΔL = 0,1 дБ при разности в 16 дБ.

Следовательно, при разности 6…8 дБ и более уровнем менее интенсивного источника можно пренебречь.

Если требуется определить L от нескольких разных источников, то суммирование уровней производится последовательно, начиная с наиболее интенсивных.

Пример: L₁ = 96 дБ; L₂ = 90 дБ; L₃ = 87 дБ.

Найти суммарный уровень шума L_1,2,3.

Определим разность между шумами первого и второго источников: L₁ – L₂ = 6 дБ, т. е. поправка ΔL = 1 дБ.

Следовательно, шумы от первого и второго источников

L_1,2 = 96 + ΔL = 96 + 1 = 97 дБ.

Определим разность между L_1,2 и L₃: L_1,2 – L₃ = 97 – 87 = 10 дБ, т. е. поправка ΔL = 0,5 дБ.

Следовательно, L_1,2,3 = 97 + 0,5 = 97,5 дБ.

Основные методы борьбы с шумами. Шум механического происхождения – шум, возникающий вследствие вибрации поверхностей машин и оборудования, а также одиночных или периодических ударов в сочленениях деталей, сборочных единиц или конструкций в целом.

Шум аэродинамического происхождения – шум, возникающий вследствие стационарных или нестационарных процессов в газах.

Шум электромагнитного происхождения – шум, возникающий вследствие колебаний элементов электромеханических устройств под влиянием переменных магнитных сил (колебания статора и ротора электрических машин, сердечника трансформатора и др.).

Шум гидродинамического происхождения – шум, возникающий вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (гидравлические удары, турбулентность потока, кавитация и др.).

Воздушный шум – шум, распространяющийся в воздушной среде от источника возникновения до места наблюдения.

Структурный шум – шум, излучаемый поверхностями колеблющихся конструкций стен, перекрытий, перегородок зданий в звуковом диапазоне частот.

В случае, если результаты акустических измерений сигна­лизируют о слишком высоких и превышающих допусти­мые пределы уровнях шума, необходимо принимать все со­ответствующие меры по их снижению. Рассмотрим основные методы борьбы с шумами.

Уменьшение шума в его источнике, например, применением специальных технологических процессов, модификацией конструкции оборудования, дополнительной акустической обработкой деталей, узлов и поверхностей оборудования или применением нового и менее шумного оборудования.

Блокировка путей распространения звуковых волн. Этот метод, основывающийся на применении дополнительных технических средств, заключается в снабжении оборудования звуконепроницаемым покрытием или акустическими экранами и его подвеске на амортизаторах вибраций. Шум на рабочих местах можно уменьшать покрытием стен, потолка и пола поглощающими звук и уменьшающими отражения звуковых волн материалами.

Необходимо использование средств индивидуальной защиты человека там, где другие методы по той или иной причине не эффек­тивны. Однако применение этих средств нужно счи­тать только временным решением проблемы.

Прекращение эксплуатации шумного оборудования является самым радикальным методом, принимаемым в учет в специальных и серьезных слу­чаях.

Контрольные вопросы

1. Понятие «шум».

2. Вредное действие шума на организм человека.

3. Укажите диапазон частот «слышимых и неслышимых» звуков.

4. Назовите физические характеристики звука, единицы измерений.

5. Назовите психофизические характеристики шума.

6. Что такое порог ощущения, его зависимость от частоты?

7. Классификация шумов.

8. Перечислите основные средства и методы борьбы с шумом.