Физические и физиологические характеристики звука.

Физические и физиологические характеристики звука. Диаграмма слышимости. Уровни интенсивности и уровни громкости звука, связь между ними и единицы их измерения.
Акустика – раздел физики, в котором изучают звук и связанные с ним явления. Звук – продольная механическая волна, которая распространяется в упругих средах (твердых телах, жидкостях и газах) и воспринимается человеческим ухом. Звуку соответствует диапазон частот от 16 Гц до 20000Гц. Колебания частотой > 20000Гц – ультразвук, а < 16Гц – инфразвук. В газах звуковая волна – только продольная, в жидкостях и твёрдых телах – продольная и поперечная. Человек слышит только продольную механическую волну. Скорость звука в среде зависит от св-в среды (температуры, плотности среды и т.д.). В воздухе =340м/с; в жидкостях и кровенаполненных тканях = 1500м/c; в твердых телах =3000-5000м/c. Для твёрдых тел скорость равна: v=√E/p, где Е – модуль упругости (Юнга); р – плотность тела. Для воздуха скорость (м/с) возрастает с увеличением температуры: м=331,6+0,6t. Звуки делятся на тоны (простые и сложные), шумы и звуковые удары. Простой (чистый) тон – звук, источник которого совершает гармонические колебания (камертон). Простой тон имеет только одну частоту v.Сложный тон – звук, источник которого совершает периодические негармонические колебания (муз. звуки, гласные звуки речи), можно разложить на простые тона по т. Фурье. Спектр сложного тона линейчатый. Шум – сочетание беспорядочно меняющихся сложных тонов, спектр – сплошной. Звуковой удар – кратковременное звуковое воздействие (взрыв, хлопок). Различают объективные (физические), характеризующие источник звука, и субъективные (физиологические), характеризующие приёмник (ухо). Физиологические характеристики зависят от физических. Интенсивность I (Вт/м2) или уровень интенсивности L (дБ)– энергия звуковой волны, приходящаяся на площадку единичной площади за единицу времени. Эта физическая характеристика определяет уровень слухового ощущения (громкость Е [фон], уровень громкости). Громкость показывает уровень слухового ощущения. Гармонический спектр – тембр звука. Частота звука v (Гц) – высота звука. Порог слышимости – min интенсивность I0, которую человек ещё слышит, но ниже которого звук ухом не воспринимается. Человек лучше слышит на частоте 1000Гц, значит порог слышимости на этой частоте min (I0=Imin) и I0=10-12Вт/м2. Порог болевого ощущения – max интенсивность, воспринимаемая без болевых ощущений. При I0>Imax происходит повреждение органа слуха. Imax=10Вт/м2. Вводят понятие уровни интенсивности L=lgI/I0, где I0 – интенсивность звука на пороге слышимости. [Б - белах]. 1 бел – уровень интенсивности такого звука, интенсивность которого в 10 раз > пороговой интенсивности. 10дБ=1Б. L=10lgI/I0, (дБ). Человек слышит звуки в диапазоне уровней интенсивности звука от 0 до 130 дБ. Диаграмма слышимости – зависимость интенсивности или уровня интенсивности от частоты звука. На ней болей порог (БП) и порог слышимости (ПС) представлены в виде кривых, не зависят от частоты. Min порог слышимости 10-12 Вт/м2, а болевой порог Imax =1-10Вт/м2. Эти значения на частоте 1000Гц. Вблизи этой частоты человек слышит лучше всего. Поэтому в диапазоне частот 500-3000Гц при интенсивности 10-8-10-5Вт/м2 - область речи. (I, Вт/м2: 10, 1, 10-12, пусто; v,Гц: 16, 1000, 20000; L, дБ: 130, 120,0). Аудиометрия – метод исследования остроты слуха с помощью диаграммы слышимости. Звуковое ощущение (громкость) растет в арифметической прогрессии, а интенсивность – в геометрической. E=klgI. Закон Вебера-Фехнера: Изменение громкости прямо пропорционально lg отношения интенсивностей звуков, вызвавших это изменение громкости: ∆E=k1lgI2/I1, где k1=10k.
Активный транспорт ионов через мембрану. Виды ионных процессов. Принципы работы Na+-K+насоса.
Активный транспорт – перенос молекул и ионов через мембрану, который выполняется клеткой за счёт энергии метаболических процессов. Он ведёт к увеличению разности потенциалов по обе стороны мембраны. В этом случае перенос в-ва осуществляется из области его меньшей концентрации в область большей. Энергия на совершение работы получается при расщеплении молекул АТФ на АДФ и фосфатную группу под действием спец. белков – ферментов – транспортные АТФ-азы. АТФ=АДФ+Ф+Е, Е=45кДж/моль. Активный транспорт: ионов (Na+-К+-АТФ-аза; Сa2+-АТФ-аза; Н+-АТФ-аза; перенос протонов при работе дых. цепи митохондрий) и органических в-в. Натрий-калиевый насос. Под действием Na+, находящихся в цитоплазме, на внутренней стороне мембраны, транспортная АТФ-аза активизируется и расщепляется на АДФ и Ф. При этом выделяется 45кДж/моль энергии, идущей на присоединение трёх Na+ и изменением из-за этого конформации АТФ-азы. 3 Na+ переносятся через мембрану. Чтобы вернуться в первоначальную конформацию, АТФ-азе приходится перенести 2К+ через мембрану в цитоплазму. За один цикл из клетки выносится один положительный заряд. Внутренняя сторона клетки – отрицательный заряд, внешняя – положительный. Происходит разделение электрических зарядов и возникает электрическое напряжение, поэтому Na+-К+ насос – изогенный.
Определить скорость электронов, падающих на антикатод рентгеновской трубки, если min длина волны в сплошном спектре рентгеновских лучей 0,01нм.
eU=hC/Lmin; eU=mv2/2; hC/Lmin =mv2/2; v2= 2hC/mLmin=437,1*1014м/c; v=20,9*107м/с.
Оптическая сила линзы составляет 10 дптр. Какое увеличение она дает?
D=1/F; Г=d0/F=0,25м/0,1=2,5раза.
Оцените гидравлическое сопротивление сосуда, если при расходе крови в 0,2л/мин (3,3*10-6м3/с) разность давлений на его концах составляет 3мм.рт.ст.(399Па, т.к.760мм.рт.ст.=101кПа)
Х=∆P/Q=399/3,3*10-6=121*106 Па*с/м3
Какие уравнения называются дифференциальными, чем отличаются его общее и частное решения?
Дифференциальное – уравнение, связывающее аргумент х, искомую функцию у и её производные у’,у’’, … , yn различных порядков. Порядок диф. уравнения определяется наивысшим порядком входящей в него производной. Рассмотрим второй закон Ньютона F=ma, ускорение – первая производная от скорости. F=mdv/dt – диф. уравнение первого порядка. Ускорение – вторая производная от пути. F=md2S/dt2 - диф. уравнение второго порядка. Решением диф. уравнения является функция, которая обращает это уравнение в тождество. Решим уравнение: у’-x=0; dy/dx=x; dy=xdx; ᶘdy=ᶘxdx; y+C1=x2/2+C2; y= x2/2+C – общее решение диф. уравнения. При любом конкретном значении постоянной С в функции получим – частное решение, их может быть бесконечно много. Чтобы выбрать одно, нужно задать дополнительное условие.

Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.

Классификация шумов

Производственный шум можно классифицировать по различным признакам.

По происхождению – аэродинамический, гидродинамический, металлический и т.д.

По частотной характеристике – низкочастотный (1-350 Гц), среднечастотный (350-800 Гц), высокочастотный (более 800 Гц).

По спектру – широкополосный (шум с непрерывным спектром шириной более 1 октавы), тональный (шум, в спектре которого имеются выраженные тоны). Широкополосный шум с одинаковой интенсивностью звуков по всем частотам условно обозначают как «белый». Тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в 1/3 октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.

По временным характеристикам шумы разделяют на постоянный или стабильный и непостоянный. Постоянный шум – это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день или за время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум - это шум, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день, за рабочую смену или во время измерения в помещениях жилых и общественных зданий, на территории жилой застройки изменяется во времени более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике шумомера "медленно".

Непостоянный шум может быть колеблющимся, прерывистым и импульсным:

колеблющийся во времени шум – это шум, уровень звука которого непрерывно изменяется во времени;

прерывистый шум – это шум, уровень звука которого ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет 1 с и более;

импульсный шум – это шум, состоящий из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБАI и дБА, измеренные соответственно на временных характеристиках "импульс" и "медленно", отличаются не менее чем на 7 дБ.

Для двух последних видов шума (прерывистый и импульсный) характерно резкое изменение звуковой энергии во времени (свистки, гудки, удары кузнечного молота, выстрелы и пр.).

Характеристикой постоянного шума на рабочих местах являются уровни звукового давления в дБ в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц, определяемые по формуле (7.4).

Допускается в качестве характеристики постоянного широкополосного шума на рабочих местах принимать уровень звука в дБА, измеренный на временной характеристике "медленно" шумомера, определяемый по формуле:

, дБА, (7.6)

где Р (А) – среднеквадратичная величина звукового давление с учетом коррекции "А" шумомера, Па

Характеристикой непостоянного шума на рабочих местах является эквивалентный (по энергии) уровень звука в дБА.

Эквивалентный (по энергии) уровень звука, L А(экв) , в дБА данного непостоянного шума – уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет то же самое среднее квадратическое звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного интервала времени и который определяют по формуле

, дБА, (7.7)

где р А(t) – текущее значение среднего квадратического звукового давления с учетом коррекции "А " шумомера, Па; p 0 – исходное значение звукового давления (в воздухе p 0 = 2 · 10 -5 Па); T – время действия шума, ч.

Шум – это совокупность звуков различной частоты и интенсивности (силы), возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных).
Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой распространяются звуковые волны – звуковым полем.
Различают ударный, механический, аэрогидродинамический шум. Ударный шум возникает при штамповке, клепке, ковке и т.д.
Механический шум возникает при трении и биении узлов и деталей машин и механизмов (дробилки, мельницы, электродвигатели, компрессоры, насосы, центрифуги и др.).
Аэродинамический шум возникает в аппаратах и трубо-проводах при больших скоростях движения воздуха, газа или жидкости и при резких изменениях направления их движения и давления.
Основные физические характеристики звука :
– частота f (Гц),
– звуковое давление Р (Па),
– интенсивность или сила звука I (Вт/м2),
– звуковая мощность? (Вт).
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20°С равна 344 м/с.
Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц (инфразвуки) и с частотой выше 20000 (ультразвуки) не воспринимаются органами слуха.
При распространении звуковых колебаний в воздухе периодически появляются области разрежения и повышенного давления. Разность давлений в возмущенной и невозмущенной средах называется звуковым давлением Р, которое измеряется в паскалях (Па).
Распространение звуковой волны сопровождается и переносом энергии. Количество энергии, переносимое звуковой волной за единицу времени через единицу поверхности, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны, называется интенсивностью или силой звука I и измеряется в Вт/м 2 .
Произведение называется удельным акустическим сопротивлением среды, которое характеризует степень отражения звуковых волн при переходе из одной среды в другую, а также звукоизолирующие свойства материалов.
Минимальная интенсивность звука , которая воспринимается ухом, называется порогом слышимости. В качестве стандартной частоты сравнения принята частота 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости I 0 = 10-12 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р 0 = 2*10 -5 Па. Максимальная интенсивность звука , при которой орган слуха начинает испытывать болевое ощущение, называется порогом болевого ощущения, равным 10 2 Вт/м 2 , а соответствующее ему звуковое давление Р = 2*10 2 Па.
Так как изменения интенсивности звука и звукового давления слышимых человеком, огромны и составляют соответственно 10 14 и 10 7 раз, то пользоваться для оценки звука абсолютными значениями интенсивности звука или звукового давления крайне неудобно.
Для гигиенической оценки шума принято измерять его интенсивность и звуковое давление не абсолютными физическими величинами, а логарифмами отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона частотой 1000 Гц. Эти логарифмы отношений называют уровнями интенсивности и звукового давления, выраженные в белах (Б). Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1 бела, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше – децибел (дБ).
Уровень интенсивности звука L в децибелах определяется по формуле

L=10Lg(I/I o) .

Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать также в виде^

L=10Lg(P 2 /P o 2)=20Lg(P/P o) , дБ.

Использование логарифмической шкалы для измерения уровня шума позволяет укладывать большой диапазон значений I и P в сравнительно небольшом интервале логарифмических величин от 0 до 140 дБ.
Пороговое значение звукового давления Р 0 соответствует порогу слышимости L = 0 дБ, порог болевого ощущения 120-130 дБ. Шум, даже когда он невелик (50-60 дБ) создает значительную нагрузку на нервную систему, оказывая психологическое воздействие. При действии шума более 140-145 дБ возможен разрыв барабанной перепонки.
Суммарный уровень звукового давления L, создаваемый несколькими источниками звука с одинаковым уров-нем звукового давления Li , рассчитываются по формуле

L=L i +10Lgn , дБ,

где n – число источников шума с одинаковым уровнем звукового давления.
Так, например, если шум создают два одинаковых источника шума, то их суммарный шум на 3 дБ больше, чем каждого из них в отдельности.
По уровню интенсивности звука еще нельзя судить о физиологическом ощущении громкости этого звука, так как наш орган слуха неодинаково чувствителен к звукам различных частот; звуки равные по силе, но разной частоты, кажутся неодинаково громкими. Например, звук частотой 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку частотой 1000 Гц и силой 20 дБ. Поэтому для сравнения звуков различных частот, наряду с понятием уровня интенсивности звука, введено понятие уровня громкости с условной единицей – фон. Один фон – громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости приняты равными уровням звукового давления.
На рис. 1 показаны кривые равной громкости звуков, полученные по результатам изучения свойств органа слуха оценивать звуки различной частоты по субъективному ощущению громкости. Из графика видно, что наибольшей чувствительностью наше ухо обладает на частотах 800-4000 Гц, а наименьшей – при 20-100 Гц.

Обычно параметры шума и вибраций оценивают в октавных полосах. За ширину полосы принята октава, т.е. интервал частот, в котором высшая частота f 2 в два раза больше низшей f 1 . В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берут среднегеометрическую частоту. Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизованы ГОСТ 12.1.003-83 "Шум. Общие требования безопасности " и составляют 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничным частотам 45-90, 90-180, 180-355, 355-710, 710-1400, 1400-2800, 2800-5600, 5600-11200.
Зависимость величин, характеризующих шум от его частоты, называется частотным спектром шума. Для удобства физиологической оценки воздействия шума на человека различают низкочастотный (до 300 Гц), среднечастотный (300-800 Гц) и высокочастотный (выше 800 Гц) шум.
ГОСТ 12.1.003-83 и СН 9-86 РБ 98 "Шум на рабочих местах. Предельно допустимые уровни " классифицирует шум по характеру спектра и по времени действия.
По характеру спектра :
– широкополосный, если он имеет непрерывный спектр шириной более одной октавы,
–тональный, если в спектре имеются выраженные дискретные тона. При этом тональный характер шума для практических целей устанавливается измерением в третьоктавных полосах частот (для третьоктавной полосы по пре-вышению уровня звукового давления в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ.
По временным характеристикам :
– постоянный, уровень звука которых за 8-часовой рабо-чий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ,
– непостоянный, уровень звука которых за 8-часовой ра-бочий день изменяется во времени более чем на 5 дБ.
Непостоянные шумы делятся на :
колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;
прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБ и более);
импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с.
Наибольшую опасность для человека представляют то-нальные, высокочастотные и непостоянные шумы.
Ультразвук по способу распространения подразделяется на :
– распространяемый воздушным путем (воздушный ультразвук);
– распространяемый контактным путем при соприкосновении с твердыми и жидкими средами (контактный ультразвук).
Ультразвуковой диапазон частот подразделяется на:
– низкочастотные колебания (1,12*10 4 - 1*10 5 Гц);
– высокочастотные (1*10 5 - 1*10 9 Гц).
Источниками ультразвука является производственное оборудование, в котором генерируются ультразвуковые колебания для выполнения технологического процесса, технического контроля и измерений, а также оборудование, при эксплуатации которого ультразвук возникает как сопутствующий фактор.
Характеристикой воздушного ультразвука на рабочем месте в соответствии с ГОСТ 12.1.001 "Ультразвук. Общие требования безопасности " и СН 9-87 РБ 98 "Ультразвук, передающийся воздушным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах " являются уровни звукового давления в третьоктавных полосах со среднегеометрическими частотами 12,5; 16,0; 20,0; 25,0; 31,5; 40,0; 50,00; 63,0; 80,0; 100,0 кГц.
Характеристикой контактного ультразвука в соответствии с ГОСТ 12.1.001 и СН 9-88 РБ 98 "Ультразвук, передающийся контактным путем. Предельно допустимые уровни на рабочих местах " являются пиковые значения виброскорости или уровни виброскорости в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 8; 16; 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000; 31500 кГц.
Вибрации – это колебания твердых тел – частей аппаратов, машин, оборудования, сооружений, воспринимаемые организмом человека как сотрясения. Часто вибрации сопровождаются слышимым шумом.
По способу передачи на человека вибрация подразделяется на локальную и общую .
Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело стоящего или сидящего человека. Наиболее опасная частота общей вибрации лежит в диапазоне 6-9 Гц, поскольку она совпадает с собственной частотой колебаний внутренних органов человека, в результате чего может возникнуть резонанс.
Локальная (местная) вибрация передается через руки человека. К локальной вибрации может быть отнесена и вибрация, воздействующая на ноги сидящего человека и на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями рабочих столов.
Источниками локальной вибрации, передающейся на работающих, могут быть: ручные машины с двигателем или ручной механизированный инструмент; органы управления машинами и оборудованием; ручной инструмент и обрабатываемые детали.
Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на:
общую вибрацию 1 категории – транспортную, воздействующую на человека на рабочем месте в самоходных и прицепных машинах, транспортных средствах при движении по местности, дорогам и агрофонам;
общую вибрацию 2 категории –- транспортно-технологическую, воздействующую на человека на рабочих местах в машинах, перемещающихся по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок;
общую вибрацию 3 категории – технологическую, воздействующую на человека на рабочем месте у стационарных машин или передающуюся на рабочие места, не имеющие источников вибрации.
Общая вибрация категории 3 по месту действия подразделяется на следующие типы:
3а – на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий;
3б – на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию;
3в – на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораториях, учебных пунктах, вычислительных центрах, здравпунктах, конторских помещениях и других помещениях работников умственного труда.
По временным характеристикам вибрация подразделяется на :
– постоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;
– непостоянную вибрацию, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяются более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.
Основные параметры, характеризующие вибрацию:
– частота f (Гц);
– амплитуда смещения А (м) (величина наибольшего от-клонения колеблющейся точки от положения равновесия);
– колебательная скорость v (м/с); колебательное ускорение а (м/с 2).
Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, вос-принимаемых человеком, разделен на октавные полосы со среднегеометрическими частотами 1, 2, 4, 8, 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000 Гц.
Поскольку диапазон изменения параметров вибрации от пороговых значений, при которых она не опасна, до действительных – большой, то удобнее измерять недействительные значения этих параметров, а логарифм отношения действительных значений к пороговым. Такую величину называют логарифмическим уровнем параметра, а единицу ее измерения – децибел (дБ).

Под термином "шум" понимают любой неприятный или нежелательный звук либо их сочетание, которые мешают восприятию полезных сигналов, нарушают тишину, отрицательно влияют на организм человека, снижают его работоспособность.

Звук как физическое явление - это механические колебания упругой среды в диапазоне слышимых частот. Звук как физиологическое явление - это ощущение, воспринимаемое органом слуха при воздействии на него звуковых волн.

Звуковые волны возникают всегда, если в упругой среде имеется колеблющееся тело или когда частицы упругой среды (газообразной, жидкой или твердой) колеблются вследствие воздействия на них любой возбуждающей силы. Однако не все колебательные движения воспринимаются органом слуха как физиологическое ощущение звука. Ухо человека может слышать лишь колебания, частота которых составляет от 16 до 20 000 в 1 с. Ее измеряют в герцах (Гц). Колебания с частотой до 16 Гц называются инфразвуком, более 20 000 Гц - ультразвуком, и ухо их не воспринимает. В дальнейшем будет идти речь лишь о слышимых ухом звуковых колебаниях.

Звуки могут быть простыми, состоящими из одного синусоидального колебания (чистые тона), и сложными, характеризующимися колебаниями различных частот. Звуковые волны, распространяемые в воздухе, называются воздушным звуком. Колебания звуковых частот, распространяющиеся в твердых телах, называют звуковой вибрацией, или структурным звуком.

Часть пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем. Физическое состояние среды в звуковом поле, или, точнее, изменение этого состояния (наличием волн), характеризуется звуковым давлением (р). Это избыточное переменное давление, возникающее дополнительно к атмосферному в среде, где проходят звуковые волны. Измеряют его в ньютонах на квадратный метр (Н/м2) или в паскалях (Па).

Звуковые волны, возникающие в среде, распространяются от точки их появления - источника звука. Необходим определенный отрезок времени, чтобы звук достиг другой точки. Скорость распространения звука зависит от характера среды и вида звуковой волны. В воздухе при температуре 20 °С и нормальном атмосферном давлении скорость звука составляет 340 м/с. Скорость звука (с) не следует смешивать с колебательной скоростью частиц (v) среды, являющейся знакопеременной величиной и зависящей как от частоты, так и от величины звукового давления.

Длиной звуковой волны (к) называется расстояние, на которое колебательное движение распространяется в среде за один период. В изотропных средах она зависит от частоты и скорости звука, а именно:

Частота колебаний определяет высоту звучания. Общее количество энергии, которая излучается источником звука в окружающую среду за единицу времени, характеризует поток звуковой энергии, определяется в ватах (Вт). Практический интерес представляет не весь поток звуковой энергии, а лишь та его часть, которая достигает уха или диафрагмы микрофона. Часть потока звуковой энергии, которая приходится на единицу площади, называется интенсивностью (силой) звука, ее измеряют в ваттах на 1 м2. Интенсивность звука прямо пропорциональна звуковому давлению и колебательной скорости.

Звуковое давление и интенсивность звука изменяются в большом диапазоне. Но ухо человека улавливает быстрые и незначительные изменения давления в определенных пределах. Существуют верхний и нижний пределы слуховой чувствительности уха. Минимальная звуковая энергия, формирующая ощущение звука, называется порогом слышимости, или порогом восприятия, для принятого в акустике стандартного звука (тона) частотой 1000 Гц и интенсивностью 10~12 Вт/м2. Звуковая волна большой амплитуды и энергии оказывает травмирующее действие, обусловливает появление неприятных ощущений и боли в ушах. Это верхний предел слуховой чувствительности - порог болевого ощущения. Он отвечает звуку частотой 1000 Гц при его интенсивности 102 Вт/м2 и звуковом давлении 2 х 102 Па. Способность слухового анализатора воспринимать большой диапазон звукового давления объясняется тем, что он улавливает не разницу, а кратность изменения абсолютных величин, характеризующих звук. Поэтому измерять интенсивность и звуковое давление в абсолютных (физических) единицах сверхсложно и неудобно.

В акустике для характеристики интенсивности звуков, или шума, используют специальную измерительную систему, где учтена почти логарифмическая зависимость между раздражением и слуховым восприятием. Это шкала белов (Б) и децибелов (дБ), отвечающая физиологическому восприятию и дающая возможность резко сократить диапазон значений измеряемых величин. По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии больше предыдущей в 10 раз. Например, если интенсивность звука больше в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале она отвечает увеличению на 1, 2, 3 единицы. Логарифмическая единица, которая отражает десятикратную степень повышения интенсивности звука над порогом чувствительности, называется белом, т. е. это десятичный логарифм отношения интенсивности звуков.

Следовательно, для измерения интенсивности звуков в гигиенической практике пользуются не абсолютными величинами звуковой энергии или давления, а относительными, которые выражают отношение энергии или давления данного звука к пороговым для слуха величинам энергии или давления. Диапазон энергии, который воспринимается ухом как звук, составляет 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей, которая в 10 раз меньше, - децибелом. Эти величины называются уровнями интенсивности звука или звукового давления.

После стандартизации порогового значения Р0 уровни звукового давления, определяемые относительно него, стали абсолютными, так как они однозначно отвечают значениям звукового давления.

Звуковую энергию , излучаемую источником шума, распределяют по частотам. Поэтому необходимо знать, как распределяется уровень звукового давления, т. е. частотный спектр излучения.

В настоящее время гигиеническое нормирование осуществляется в звуковом диапазоне частот от 45 до 11 200 Гц.

Часто приходится складывать уровни звукового давления (звука) двух и более источников шума или находить их среднее значение. Производят последовательное сложение уровней звукового давления, начиная с максимального. Сначала определяют разницу между двумя составляющими уровнями звукового давления, после чего по разнице, определенной с помощью таблицы, находят слагаемое. Его приплюсовывают к большему из составляющих уровней звукового давления. Аналогичные действия производят с определенной суммой двух уровней и третьим уровнем и т. д.

Большинство шумов содержит звуки почти всех частот слухового диапазона, но отличается разным распределением уровней звукового давления по частотам и их изменением во времени. Классифицируют шумы, действующие на человека, по их спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра шумы разделяют на широкополосные с беспрерывным спектром шириной более одной октавы и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По виду спектра шумы могут быть низкочастотными (с максимумом звукового давления в области частот менее 400 Гц), среднечастотными (с максимумом звукового давления в области частот 400-1000 Гц) и высокочастотными (с максимумом звукового давления на участке частот свыше 1000 Гц). При наличии всех частот шум условно называют белым.

По временной характеристике шумы разделяют на постоянные (уровень звука изменяется во времени не более чем на 5 дБА) и непостоянные (уровень звука изменяется во времени на более чем 5 дБА).

К постоянным могут быть отнесены шумы постоянно работающих насосных или вентиляционных установок, оборудования промышленных предприятий (воздуходувки, компрессорные установки, различные испытательные стенды).

Непостоянные шумы , в свою очередь, делят на колебательные (уровень звука все время меняется), прерывистые (уровень звука резко падает до фонового несколько раз за период наблюдения, причем продолжительность интервалов, в течение которых уровень шума остается постоянным и превышает фоновый, составляет 1 с и более) и импульсные (состоящие из одного или нескольких последовательных ударов продолжительностью до 1 с), ритмичные и неритмичные.

К непостоянному относится шум транспорта. Прерывистый шум - это шум от работы лебедки лифта, периодически включающихся агрегатов холодильников, некоторых установок промышленных предприятий или мастерских.

К импульсным могут быть отнесены шумы от пневматического молотка, кузнечно-прессового оборудования, хлопанья дверьми и т. п.

По уровню звукового давления шум делят на низкий, средней мощности, сильный и очень сильный.

Методы оценки шума зависят, прежде всего, от характера шума. Постоянный шум оценивают в уровнях звукового давления (L) в децибелах в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц. Это основной метод оценки шума.

Для оценки непостоянных шумов, а также ориентировочной оценки постоянных шумов используют термин "уровень звука", т. е. общий уровень звукового давления, который определяют шумомером на частотной коррекции А, характеризующей частотные показатели восприятия шума ухом человека1. Непостоянные шумы принято оценивать по эквивалентным уровням звука. Эквивалентный (по энергии) уровень звука (LA экв, дБА) определенного непостоянного шума - это уровень звука постоянного широкополосного неимпульсного шума, который имеет то же среднеквадратическое звуковое давление, что и данный непостоянный шум в течение определенного времени.

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.