Физические и физиологические характеристики шума. SA Звуковые волны Физические и физиологические характеристики слухового ощущения

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.

Шум - сочетание различных по частоте и силе звуков, которые оказывают вредное и раздражающее действие на человека. В качестве звука мы понимаем упругие колебания частиц воздушной среды, которые распространяются волнообразно в твердой, жидкой или газообразной среде вследствие воздействия какой-либо возмущающей силы. Как физическое явление, шум – волновое движение упругой среды, как физиологическое: звуковые волны в диапазоне от 16 до 20000 Гц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом. Слышимый шум - 20 - 20000 Гц, ультразвуковой диапазон - свыше 20 кГц, инфразвук - меньше 20 Гц. Наибольшая чувствительность 1000-4000 Гц.

Источники слуха характеризуются звуковой мощностью (W) – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником звука в единицу времени.

Физические характеристики шума

Интенсивность звука - кол-во звуковой энергии, переносимое звуковой волной за 1 с через площадь в 1 м2, перпендикулярно распространению звуковой волны. R – расстояние до поверхности.

Звуковое давление P [Па]- дополнительное давление воздуха, которое возникает при прохождении через него звуковой волны (разность между мгновенным значением полного давления и значением в невозмущенной среде).

Каждое колебание характеризуется частотой, то есть количеством колебаний в секунду. По частоте шумы разделяются на: низкочастотные (ниже 400 Гц), среднечастотные (400-1000), высокочастотные (свыше 1000).

Вредное воздействие шума: сердечно-сосудистая система; неравная система; органы слуха (барабанная перепонка), вызывая гипертонию, кожные заболевания, язвенную болезнь. Поэтому шум надо нормировать в соответствии с нормативными требованиями: ГОСТ. Шум. Общие требования безопасности, Санитарные нормы: Шум в рабочих местах в помещениях жилых общественных зданий и на территории жилой застройки. Нормирование шума призвано предотвратить нарушение слуха и снижение работоспособности и производительности труда работающих. Согласно этим документам, нормируется уровень звукового давления в зависимости от частотного спектра. Учитывая протяженный частотный диапазон (20-20000 Гц) при оценке источника шума, используется логарифмический показатель, который называется уровнем звукового давления (УЗД): . Р - звуковое давление в точке измерения [Па]; Р0 - минимальное значение, которое может воспринимать человеческое ухо 10в -3 [Па]. УЗД показывает во сколько раз фактическое значение превышает пороговое. 140 Дб – порог болевого ощущения.

Для постоянных шумов нормируются уровни звукового давления УЗД (дБ) в октавных полосах со среднегеометрическими частотами 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Каждой частоте соответствует предельное значение УЗД,не оказывающее негативное влияние на человека в течении 8-часового рабочего дня.

Санитарными нормами СН 2.2.4 / 2.1.8.562 – 96 ²Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки², а также ГОСТ 12.1.003 – 83 с целью ограничения шумового воздействия на человека устанавливаются предельно допустимые значения уровня звука и предельный спектр шума для различных видов трудовой деятельности. При этом учитывается назначение помещений, характер территории застройки и время суток (таблица 56, 57, 58).

При нормировании параметров шума также учитываются их временные характеристики. Согласно ГОСТ 12.1.003 - ²Шум. Общие требования безопасности² по временным характеристикам шум классифицируется как постоянный, уровень звука которого за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на
5 дБА, и непостоянный.

Непостоянный шум подразделяется на прерывистый и импульсный. Уровень звука прерывистого шума меняется ступенчато на 5 дБА и более, причем длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет
1 секунду и более.

Импульсный шум состоит из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый из которых имеет длительность менее одной секунды. При этом уровни звука должны отличаться не менее чем на 7 дБА.

Нормируемый параметр непостоянного шума – эквивалентный уровень звука в дБА, то есть значение уровня звука длительного постоянного шума, который в пределах регламентированного интервала времени T = t 2 – t 1 имеет то же самое значение уровня звука, что и рассматриваемый шум, уровень звука которого изменяется во времени:

где L Ai – средний уровень звука в i – том интервале, дБА;

t i – временной интервал, в течение которого уровень находится в заданных пределах, с;

i – номер интервала уровней (i = 1,2,…n).

Лабораторная работа №5

Аудиометрия

Студент должен знать : что называется звуком, природу звука, источники звука; физические характеристики звука (частота, амплитуда, скорость, интенсивность, уровень интенсивности, давление, акустический спектр); физиологические характеристики звука (высота, громкость, тембр, минимальная и максимальная частоты колебаний, воспринимаемые данным человеком, порог слышимости, порог болевого ощущения) их связь с физическими характеристиками звука; слуховой аппарат человека, теории восприятия звука; коэффициент звукоизоляции; акустический импеданс, поглощение и отражение звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых волн, реверберация; физические основы звуковых методов исследования в клинике, понятие об аудиометрии.

Студент должен уметь: с помощью звукового генератора снимать зависимость порога слышимости от частоты; определять минимальную и максимальную, воспринимаемые Вами частоты колебаний, снимать аудиограмму с помощью аудиометра.

Краткая теория

Звук. Физические характеристики звука.

Звуком называются механические волны с частотой колебаний частиц упругой среды от 20 Гц до 20000 Гц, воспринимаемые человеческим ухом.

Физическими называют те характеристики звука, которые существуют объективно. Они не связаны с особенностями ощущения человеком звуковых колебаний. К физическим характеристикам звука относятся частота, амплитуда колебаний, интенсивность, уровень интенсивности, скорость распространения звуковых колебаний, звуковое давление, акустический спектр звука, коэффициенты отражения и проникновения звуковых колебаний и др. Кратко рассмотрим их.

1. Частота колебаний . Частотой звуковых колебаний называется число колебаний частиц упругой среды (в которой распространяются звуковые колебания) в единицу времени. Частота звуковых колебаний лежит в пределах 20 - 20000 Гц. Каждый конкретный человек воспринимает определенный диапазон частот (обычно несколько выше 20 Гц и ниже 20000 Гц).

2. Амплитудой звукового колебания называется наибольшее отклонение колеблющихся частиц среды (в которой распространяется звуковое колебание) от положения равновесия.

3. Интенсивностью звуковой волны (или силой звука ) называется физическая величина, численно равная отношению энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через единицу площади поверхности, ориентированной перпендикулярно вектору скорости звуковой волны, то есть:

где W - энергия волны, t - время переноса энергии через площадку площадью S .

Единица интенсивности: [I ] = 1Дж/(м 2 с) = 1Вт/м 2 .

Обратим внимание на то, что энергия и соответственно интенсивность звуковой волны прямо пропорциональны квадрату амплитуды «А » и частоты «ω » звуковых колебаний:

W ~ A 2 и I ~ A 2 ; W ~ ω 2 и I ~ ω 2 .

4. Скоростью звука называется скорость распространения энергии звукового колебания. Для плоской гармонической волны фазовая скорость (скорость распространения фазы колебания (фронта волны), например, максимума или минимума, т.е. сгустка или разряжения среды) равна скорости волны. Для сложного колебания (по теореме Фурье можно представить в виде суммы гармонических колебаний) вводится понятие групповой скорости – скорость распространения группы волн, с которой переносится энергия данной волной.

Скорость звука в любой среде можно найти по формуле:

где Е - модуль упругости среды (модуль Юнга), r - плотность среды.

С увеличением плотности среды (например, в 2 раза) модуль упругости Е возрастает в большей степени (более чем в 2 раза), поэтому с увеличением плотности среды скорость звука возрастает. Например, скорость звука в воде равна ≈ 1500 м/с, в стали - 8000 м/с.

Для газов формулу (2) можно преобразовать и получить в следующем виде:

(3)

где g = С Р / С V - отношение молярных или удельных теплоемкостей газа при постоянном давлении (С Р ) и при постоянном объеме (С V ).

R - универсальная газовая постоянная (R=8,31 Дж/моль·К );

Т - абсолютная температура по шкале Кельвина (T=t o C+273 );

М - молярная масса газа (для нормальной смеси газов воздуха

М=29×10 -3 кг/моль ).

Для воздуха при Т=273К и нормальном атмосферном давлении скорость звука равна υ=331,5 » 332 м/с . Следует заметить, что интенсивность волны (векторная величина) часто выражают через скорость волны :

или ,(4)

где S×l - объем, u=W/ S×l - объемная плотность энергии. Вектор в уравнении (4) называют вектором Умова .

5. Звуковым давлением называется физическая величина, численно равная отношению модуля силы давления F колеблющихся частиц среды, в которой распространяется звук, к площади S перпендикулярно ориентированной площадки по отношению к вектору силы давления.

P = F/S [P ]= 1Н/м 2 = 1Па (5)

Интенсивность звуковой волны прямо пропорциональна квадрату звукового давления:

I = Р 2 /(2r υ) , (7)

где Р - звуковое давление, r - плотность среды, υ - скорость звука в данной среде.

6.Уровень интенсивности . Уровнем интенсивности (уровнем силы звука) называется физическая величина, численно равная:

L=lg(I/I 0) , (8)

где I - интенсивность звука, I 0 =10 -12 Вт/м 2 - наименьшая интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом на частоте 1000 Гц.

Уровень интенсивности L , исходя из формулы (8), измеряют в белах (Б). L = 1 Б , если I=10I 0 .

Максимальная интенсивность, воспринимаемая человеческим ухом I max =10 Вт/м 2 , т.е. I max / I 0 =10 13 или L max =13 Б.

Чаще уровень интенсивности измеряют в децибелах (дБ ):

L дБ =10 lg(I/I 0) , L=1 дБ при I=1,26I 0 .

Уровень силы звука можно находить через звуковое давление.

Так как I ~ Р 2 , то L(дБ) = 10lg(I/I 0) = 10 lg(P/P 0) 2 = 20 lg(P/P 0) , где P 0 = 2×10 -5 Па (при I 0 =10 -12 Вт/м 2).

7.Тоном называется звук, являющийся периодическим процессом (периодические колебания источника звука совершаются не обязательно по гармоническому закону). Если источник звука совершает гармоническое колебание x=ASinωt , то такой звук называют простым или чистым тоном. Негармоническому периодическому колебанию соответствует сложный тон, который можно по теореме Фурьне представить в виде совокупности простых тонов с частотами n о (основной тон) и 2n о , 3n о и т.д., называемых обертонами с соответствующими амплитудами.

8.Акустическим спектром звука называется совокупность гармонических колебаний с соответствующими частотами и амплитудами колебаний, на которые можно разложить данный сложный тон. Спектр сложного тона линейчатый, т.е. частоты n о, 2n о и т.д.

9. Шумом (звуковым шумом) называют звук, который представляет собой сложные, неповторяющиеся во времени колебания частиц упругой среды. Шум представляет собой сочетание беспорядочно изменяющихся сложных тонов. Акустический спектр шума состоит практически из любых частот звукового диапазона, т.е. акустический спектр шума - сплошной.

Звук может быть и в виде звукового удара. Звуковой удар - это кратковременное (обычно интенсивное) звуковое воздействие (хлопок, взрыв и т.п.).

10.Коэффициенты проникновения и отражения звуковой волны. Важной характеристикой среды, определяющей отражение и проникновение звука является волновое сопротивление (акустический импеданс) Z=r υ , где r - плотность cреды, υ - скорость звука в среде.

Если плоская волна падает, например, нормально к границе раздела двух сред, то звук частично проходит во вторую среду, а часть звука отражается. Если падает звук интенсивностью I 1 , проходит - I 2 , отражается I 3 =I 1 - I 2 , то:

1) коэффициентом проникновения звуковой волны b называется b=I 2 /I 1 ;

2) коэффициентом отражения a называется:

a= I 3 /I 1 =(I 1 -I 2)/I 1 =1-I 2 /I 1 =1-b.

Релей показал, что b =

Если υ 1 r 1 = υ 2 r 2 , то b=1 (максимальное значение), при этом a=0 , т.е. отраженная волна отсутствует.

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).

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.