4.2. Виброакустические колебания

Виброакустические колебания – это упругие колебания твердых тел, газов и жидкостей, возникающие в рабочей зоне при работе тех­нологического оборудования, движении технологических транспорт­ных средств, выполнении разнообразных технологических операций.

4.2.1. Вибрация

Вибрация – это малые механические колебания, возникающие в упругих телах.

Источниками вибрации могут являться:

• возвратно-поступательные движущиеся системы (кривошипношатунные механизмы, перфораторы, вибротрамбовки, виброформовочные машины и др.);

• неуравновешенные вращающиеся массы (режущий инструмент, дрели, шлифовальные машины, технологическое оборудование);

• ударное взаимодействие сопрягаемых деталей (зубчатые передачи, подшипниковые узлы);

• оборудование и инструмент, использующие в технологических целях ударное воздействие на обрабатываемый матери­ал (рубильные и отбойные молотки, прессы, инструмент, ис­пользуемый в клепке, чеканке и т. д.

Область распространения вибрации называется вибрационной зоной.

Параметры, характеризующие вибрацию. Вибрация характеризуется скоростью (v, м/с) и ускорением (а, м/с²) колеблющейся твер­дой поверхности. Обычно эти параметры называют виброскоростью и виброускорением.

Величины виброскорости и виброускорения, с которыми приходится иметь дело человеку, изменяются в очень широком диапазоне. Оперировать с цифрами большого диапазона очень неудобно. Кроме того, органы человека реагируют не на абсолютное изменение интенсивности раздражителя, а на его отно­сительное изменение. В соответствии с законом Вебера–Фехнера ощущения человека, возникающие при различного рода раз­дражениях, в частности вибрации, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому в практику введены логарифмические величины – уровни виброскорости и виброускорения:

Измеряются ypовни в специальных единицах – децибелах (дБ). За пороговые значения виброскорости и виброускорения приняты стандартизованные в международном масштабе величины:

.

Важной характеристикой вибрации является её частота f – количество колебаний в единицу времени. Частота измеряется в герцах (Гц, 1/с) – количестве колебаний в секунду. Частоты про­изводственных вибраций изменяются в широком диапазоне: от 0,5 до 8000 Гц. Время, в течение которого происходит одно коле­бание, называется периодом колебания Т (с): Т= 1/f. Максималь­ное расстояние, на которое перемешается любая точка вибрирую­щего тела, называется амплитудой или амплитудой вибропереме­щения А (м). Для гармонических колебаний связь между виброперемешением, виброскоростью и виброускорением выра­жается формулами

где

Вибрация может характеризоваться одной или несколькими час­тотами (дискретный спектр) или широким набором частот (непре­рывный спектр). Спектр частот разбивается на частотные полосы (октавные диапазоны). В октавном диапазоне верхняя граничная ча­стота f₁ вдвое больше нижней граничной частоты f₂, т.е. f₁ / f₂ = 2. Октавная полоса характеризуется ее среднегеометрической частотой.

Среднегеометрические частоты октавных полос частот вибрации стандартизованы и составляют: 1, 2, 4, 8, 16, 31,5, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Из опреде­ления октавы по среднегеометрическому значению ее частоты можно определить нижнее и верхнее значения октавной полосы частот.

Классификация вибраций (рис. 4). Производственную вибра­цию классифицируют по таким признакам, как:

• способ передачи вибрации;

• направление действия вибрации;

• временная характеристика вибрации;

• характер спектра вибрации;

• источник возникновения вибрации.

Рис. 4. Классификация производственных вибраций

По способу передачи вибрацию подразделяют на общую и локаль­ную. Общая вибрация передается через опорные поверхности на все тело сидящего или стоящего человека. Локальная вибрация переда­ется на руки или отдельные участки тела человека, контактирующие с вибрирующим инструментом или вибрирующими поверхностями технологического оборудования.

По направлению действия вибрация подразделяется: на вертикальную; горизонтальную (от спины к груди); горизонтальную (от правого плеча к левому).

Направление действия на человека вертикальной и горизонтальной вибра­ции представлено на рис. 5.

По временным характеристикам вибрации подразделяются:

• на постоянные, для которых величина виброскорости изменяется не более чем на 6 дБ;

• непостоянные, для которых величина виброскорости изменяется не менее чем на 6 дБ. При этом непостоян­ные вибрации дополнительно различаются на колеблющиеся, для которых уровень виброскорости изменяется во времени непрерывно, и прерывистые, когда контакт человека с вибрирующей поверхностью прерывается, причем длительность ин­тервалов, в течение которых имеет место контакт с вибрацией, не превышает 1 с, и импульсные – состоящие из одного или нескольких вибрационных воздействий, каждый длитель­ностью менее 1 с.

Рис. 5. Направление координат осей при действии общей вибрации:

а – по­ложение стоя; б – положение сидя; ось zq – вертикальная, перпендикулярная к опорной поверхности; ось ао – горизонтальная от спины и груди;   ось yq – гори­зонтальная от правого плеча к левому

По спектру вибрации подразделяются:

• на узкополосные, у которых уровни виброскорости на отдельных частотах или диапазонах частот более чем на 15 дБ превышают значения в соседних диапазонах;

• широкополосные, у которых отсутствуют выраженные частоты или узкие диапазоны частот, на которых уровни виброскорости превышают более чем на 15 дБ уровни соседних частот.

Кроме того, по частотному спектру вибрации подразделяют на низкочастотную (f_сг = 8…16 Гц для локальной вибрации и 1…4 Гц для общей вибрации); среднечастотную (f_сг = 31,5…63 Гц для локальной и 8, 16 Гц для общей); высокочастотную (f_ct = 125, 250, 500, 1000 Гц для локальной и 31,5, 63 Гц для общей).

По источнику возникновения общая вибрация подразделяется на несколько категорий:

• категория 1 – транспортная вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах транспортных средств при их движении по местности;

• категория 2 – транспортно-технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах машин с ограниченной зоной перемещения при их перемещении по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок;

• категория 3 – технологическая вибрация, воздействующая на человека на рабочих местах стационарных машин и технологического оборудования или передающаяся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.

Воздействие вибрации на организм человека. Вибрация относится к вредным факторам, обладающим высокой биологической актив­ностью. Действие вибрации на человека зависит от частоты и уров­ня вибрации, продолжительности воздействия, места приложения вибрации, направления оси вибрационного воздействия, индивиду­альных способностей организма человека воспринимать вибрацию, условий возникновения резонанса и ряда других условий.

Естественными источниками вибрации являются землетрясе­ния, извержения вулканов, штормы и т. п. Искусственные источники вибрации – различные механизмы на производст­ве, особенно вибрационное оборудо­вание и виброинструменты, тран­спортные средства, акустические си­стемы, различные механические уста­новки и т. д. Причинами вибрации в этих устройствах могут быть возвратно-поступательные движения элементов, биения при вращении несбалансиро­ванных масс, удары и трение рабочих органов станков по обрабатываемым деталям, пульсация отработанного воздуха в пневмоинструментах, вихреобразования в ракетных двигателях, пульсация давления в камерах сгорания, общие сотрясения при движении транспорта по неровному пути и. т. д. Передаваясь через арматуру, перекрытия и фундаменты зданий, через почву, воду и атмосферу, вибрации могут распространяться на значи­тельные расстояния. Достигнув ка­кого-либо участка тела человека, вибрация в зависимости от частоты, площади контакта с источником колебаний, позы и т. д. может распространяться на отдельные участки (локальная вибрация) или на все тело (общая вибрация).

Вибрация облегчает циркуляцию жидкости, может вызывать распад молекул или молекулярных комплексов в клеточной протоплазме, повышает сорбционные свойства протоплазмы, интенсифицирует ферментативные ре­акции, увеличивает проницаемость клеточных мембран, способна вызывать перестройки в хромосомном аппарате клеток и т. п.

Помимо прямого механического воздействия вибрация может вызывать в целом организме опосредованные эффекты за счет вовлечения в реак­цию центральной нервной системы, вегетативной нервной и эндокринной систем.

Положительный эффект действия умеренных доз вибрации позво­ляет использовать ее для лечения ряда внутренних, нервных и дру­гих заболеваний.

Увеличение дозы вибрации ведет к прог­рессивным функциональным и мор­фологическим нарушениям в орга­низме.

Вибрация может воздействовать на все сенсорные системы. При локальной вибрации наступает снижение тактильной, температурной, болевой, вибрацион­ной и проприоцептивной чувстви­тельности. При общей вибрации снижается острота зрения, уменьшаются поле зрения и светочувствительность глаза, увеличивается слепое пятно; ухудшается восприятие звуков, особенно низкочастотных, нарушается деятель­ность вестибулярного аппарата. Счи­тают, что эти нарушения обусловле­ны адаптацией рецепторов, возникновением охранительного торможения в корковых отделах анализаторов, нарушениями кровоснабжения пери­ферических нервов и трофики сенсорных органов из-за вегетативных дисфункций.

Гигиена труда в условиях вибрации. Как физический фактор производственной среды вибрация встречается в металлообра­баты­вающей, горнодобывающей, ме­таллургической, машиностроитель­ной, строительной, авиа- и судострои­тельной и многих других отраслях народного хозяйства. Вибрация является основным технологическим фактором при виброуплотнении, формовании, прессовании, вибрационном бурении, рыхлении, резании горных пород и грунтов, вибротранспортировке и т. д. Вибрация может быть сопутствующим фак­тором при работе сельскохозяйствен­ной и лесозаготовительной техники, погрузочных машин, на транспорте, в текстильном производстве и при ра­боте ручных машин.

Виброопасными машинами явля­ются: клепальные, рубильные, от­бойные молотки, бурильные перфо­раторы, бетоноломы, трамбовки, гайковерты, поверхностные и глубинные ручные вибраторы, шлифовальные машины, дрели, горные сверла, пилы бензомоторные и электропилы и многие другие.

Вибрация, передаваемая через руки рабо­тающего, определяется как местная, или локальная. Вибрация рабочего места (скамьи, обрабатываемого изделия, пола, на котором находится рабочий) определяется как общая. Часто имеет место смешанное воздействие общей и местной вибрации с преобладанием одного из этих типов колебаний (например, работа ручными машинами, вибро­уплотнение бетона). Выделяются три основных направления общей вибрации: на­правление «зет» (z) – стопа, голова; направление «икс» (х) – спина, грудь и наоборот; направление «игрек» (у) – слева направо.

На производствах, где применя­ются машины и оборудование, созда­ющие вибрацию, ее воздействие на организм усугубляется тем, что она сочета­ется с рядом других факторов окру­жающей среды. К ним относятся: шум высокой интенсивности, неблагопри­ятные метеорологические условия, значительная запыленность воздуха, повышенное и пониженное атмосфер­ное давление.

Работа с вибрирующим оборудо­ванием часто требует больших фи­зических усилий.

Вибрационная болезнь. Основным фактором, приводящим к развитию такого заболевания, является вибрация. Выраженность и вре­мя развития заболевания опреде­ляются областью частот и количест­вом колебательной энергии, пере­даваемой всему человеческому телу (общая вибрация) или ограниченному участку его (локальная вибрация), а также факторами, способствую­щими развитию вибрационной болезни: возвратным ударом от ручного инструмента, вы­нужденным положением тела, охлаж­дением, шумом.

Вибрационная болезнь, вызы­ваемая воздействием локальной виб­рации, по клинической симптома­тике сложна. Заболе­вание развивается постепенно. Боль­ной жалуется на боли в руках, иногда на судороги в пальцах, повышенную чувствитель­ность к холоду, раздражительность, бессонницу.

Выделяют четыре стадии ризвитии вибрационной болезни:

1-я стадия – начальная, малосимптомная, преобладают жалобы на резкие боли и парестезии в руках с лёгкими расстройствами чувствительности в виде гипер- или гипестезии на кончиках пальцев, на небольшое снижение вибрационной чувствительности, склонность к спастическому состоянию артериол;

2-я стадия – умеренно выраженая, более стойкие парестезии, снижение температуры и чувствительности кожи, сужение капилляров, имеются отклонения в функции центральной нервной системы, явления обратимы;

3-я стадия – выраженные вазомоторные и трофи­ческие нарушения, расстройство чув­ствительности, заметные сдвиги в функциональном состоянии центральной нервной системы, изменения стойкие и медленно под­даются лечению;

4-я стадия – гене­рализованная, симптомы резко вы­ражены, сосудистые нарушения на руках и ногах, ангиоспастические кризы коронарных и мозговых со­судов, состояние стойкое, малообратимое.

Однако выделенные стадии вибрационной болезни не отражают всех ее клинических особенностей, обусловленных раз­личными параметрами вибрации в сочетании с другими неблагоприят­ными воздействиями. Многолетние клинические наблюдения позволяют считать обоснованным выделение се­ми клинических синдромов. В ряде случаев может иметь место сочетание отдельных синдромов или их пере­плетение.

Ангиодистонический синдром. Наблюдается во всех стадиях вибрационной болезни. Характеризуется веге­тативно-сосудистыми нарушениями в конечностях: похолоданием, циа­нозом, парестезиями, нарушением капиллярного кровообращения.

Ангиоспастический синд­ром. Характерно наличие су­жения капиллярного русла, при­ступа акроспазма по типу «белых» пальцев со значительным снижением кожной температуры, выраженным нарушением вибрационной чувстви­тельности, нарушением других видов чувствительности по дистальному, а иногда и сегментарному типу.

Синдром вегетативно­го полиневрита. Отмечают­ся парестезии, боли в конечностях, нарушение всех видов чувствитель­ности по периферическому типу, снижение кожной температуры, по­вышенная потливость ладоней, лом­кость ногтей и др.

Синдром вегетомиофасцита. Характеризуется наличием дистрофических изменений в мышцах и других тканях опорно-двгательного аппарата, болезненностью мышц при пальпации, нарушением чувствительности по периферическому или сегментарному типу, выраженными болезненными симптомами, нередко сочетающимися с сосудистыми нарушениями.

Синдром неврита. Отмечаются избирательные амиотрофии в зоне, соответствующей периферической иннервации нервного ствола или корешка, нарушение двигательных функций, иногда парезы (например, парезы локтевого нерва у алмазчиков, шлифующих стекло на шлифовальныx машинках и травмирующих локтевой нерв вследствие длительного упора локтем на твердую поверхность стола).

Диэнцефальный (гипоталамический) синдром с нейроциркулятор­ными нарушениями. Характеризуется наличием вегетативно-сосу­дистых и других пароксизмов, распространяющихся как на периферические отделы, так и на коронарные и церебральные сосуды.

Вестибулярный синдром. Характеризуется появлением приступов головокружений, часто на стеническом фоне, повышением возбудимости вестибулярного аппарата.

Лечение указанных синдромов основывается на комплексной терапии в виде сосудорасширяю­щих и ганглиоблокирующих препа­ратов и применении физиотерапевти­ческих методов.

Профилактика: технические меро­приятия – уменьшение вибрации в источнике их образования, примене­ние различных амортизаторов вибра­ции; обеспечение нормальных микро­климатических условий в помещени­ях, в которых производится работа с вибрационными инструментами и обо­рудованием; гигиеническое нормирование уров­ней вибрации; организация режима труда при минимальном контакте ра­ботающих с вибрирующим оборудо­ванием.

Рекомендуется проведение гидро­процедур – ванн для рук с темпера­турой воды 37 °С в сочетании с само­массажем; ультрафиолетовое облуче­ние в субэритемных дозах преиму­щественно шейной области; гимнастика, регулярные медосмотры.