Защита от акустических воздействий

Звук — это воспринимаемые органами слуха механические колебания, распространяющиеся волнообразно в упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. В физике термином «звуковые акустические колебания» пользуются в более широком смысле. Основные физические характеристики звуковых волн: частота, скорость распространения, звуковое давление и интенсивность звука.

При распространении звуковых волн в среде можно выделить период колебания — время, в течение которого совершается одно полное колебание микрообъема среды. Частота колебаний — это число полных колебаний (периодов) за секунду; единица измерения — герц.

При возмущении стационарного состояния среды ее частицы начинают колебаться относительно положения равновесия. Скорость таких колебаний (колебательная скорость) значительно меньше скорости распространения волны (скорости звука). Воздушные звуковые волны представляют собой чередующиеся друг с другом разрежения и уплотнения воздушной среды. Скорость звука в воздухе при температуре 20 °C равна 340 м/с (для сравнения: в воде — 1450, в стали — 5000 м/с). Скорость звуковой волны зависит от упругих характеристик, плотности и температуры среды.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящейся плоской сферической волны. В твердых средах звук распространяется в виде продольных и поперечных волн. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц изменяются во времени. Разность между этим давлением и средним давлением невозмущенной среды называется звуковым давлением, единица измерения — паскаль.

При распространении звуковой волны происходит перенос энергии. Средний поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, отнесенный к единице площади поверхности, нормальной к направлению распространения волны, называется интенсивностью звука (Вт/м2) в данной точке.

Процессы распространения инфраи ультразвука описываются теми же физическими законами, что и распространение звука слышимых частот.

Специфика инфразвука обусловлена малой частотой и соответственно большой длиной волны по сравнению с размерами существующих строительных конструкций. Так, на частоте 1 Гц длина волны инфразвука равна 340 м, на частоте 10 Гц — 34 м. В атмосфере затухание инфразвука очень мало: на частоте 10 Гц около 2 дБ на 1000 км. Инфразвук слабо затухает не только потому, что мало поглощается в средах, но и потому, что мало рассеивается вследствие дифракции.

Ультразвуковые колебания характеризуются большими частотами и соответственно малыми длинами волн; на частоте 40 кГц длина волны в воздухе равна 8,5 мм. Это обусловливает значительное затухание ультразвука при распространении в средах. Воздушным и контактным путями распространяются низкочастотный (до 100 кГц) ультразвук, а высокочастотный (от 100 кГц до 1 ГГц) — только контактным путем.

Воздействие на организм акустических колебаний

Звуки воспринимаются человеком главным образом через органы слуха. Ухо преобразует колебательное движение звуковой волны в определенное ощущение, которое воспринимается сознанием как звук. Разложение звука на компоненты и передача в мозг кодированной информации дают возможность понимать чужую речь и управлять своей. С помощью уха определяют направление и расстояние до источника звука.

Различают три отдела органа слуха: наружное, среднее и внутреннее ухо. Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового канала, собирающих звуковые волны. Слуховой канал заканчивается барабанной перепонкой — мембраной чуть толще папиросной бумаги.

В заполненной воздухом костной полости — между барабанной перепонкой и овальным окном (отверстием, ведущим во внутреннее ухо) — расположены слуховые косточки среднего уха. Они обеспечивают усиление давления на овальное окно в 20 раз. Колебания косточек передаются во внутреннее ухо, состоящее из ряда заполненных жидкостью полостей, названных лабиринтом. В нем находится главная часть слухового анализатора — орган Корти, содержащий 24 тыс. клеток волокнистой структуры. Здесь зарождаются нервные импульсы, передающие возбуждение в мозг и осуществляется частотный анализ звука.

Чувствительность слуха во время действия интенсивного шума снижается. Временное снижение слуховой чувствительности, называемое адаптацией слуха, является защитной функцией организма. Вслед за адаптацией наступает утомление слуха, которое при постоянном воздействии приводит к профессиональному заболеванию — тугоухости и полной глухоте. Основным признаком тугоухости является сильное понижение чувствительности слуха на высоких частотах.

Интенсивный шум поражает также центральную нервную систему, нарушая ее регуляторную функцию, что отрицательно сказывается на деятельности внутренних органов и кровообращении. В результате появляется повышенная усталость, ослабляются память и зрение, снижаются работоспособность, качество и безопасность труда. По данным Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ), наиболее чувствительны к шуму такие операции, как сбор информации, слежение, мышление.

Частота — одна из основных характеристик, по которой человек различает звуки. Чем выше частота колебаний — тем выше тон звука. Частоте 20 Гц соответствует самый низкий тон, воспринимаемый человеком с нормальным слухом. Верхний частотный предел слухового восприятия сильно различается у разных людей. При безупречном слухе можно услышать звук до 20 кГц, но в среднем верхняя граница слышимости составляет 16−18 кГц. Звуковые колебания с частотой ниже 20 Гц (инфразвук) и с частотой выше 16 кГц (ультразвук) ухом, как правило, не воспринимаются. Тем самым человек защищается от многочисленных природных и техногенных источников инфраи ультразвука.

По величине звукового давления в октавах (частотному спектру) выбирают шумозащитные мероприятия.

Звуки отличаются один от другого и по тембру. Основной тон сопровождается, как правило, второстепенными тонами (обертонами), придающими ему окраску. Если основной тон сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то звук будет мягким, «бархатным». Когда обертоны значительно выше основного тона, появляется «металличность» в голосе или звуке.

Человеческое ухо наиболее чувствительно к звукам с частотой от 0,8 до 4,0 кГц и по мере удаления от этого диапазона частот чувствительность падает.

Уровень звуковых колебаний измеряют шумомером, в котором роль чувствительного элемента выполняет мембрана микрофона, преобразующего изменения звукового давления волны в электрические сигналы, подающиеся на вольтметр, откалиброванный в децибелах. Шумомерами анализируют шум в октавных полосах частот и в третьоктавных.

Инфразвук неблагоприятно воздействует на весь организм человека, в том числе и на органы слуха. Инфразвуковые колебания воспринимаются как физическая нагрузка; они менее опасны, чем слышимый шум того же уровня. Степень воздействия инфразвука на человека зависит от частотного спектра, уровня и длительности. Особенно нежелательны частоты 2−15 Гц из-за резонансных явлений внутренних органов. При воздействии на организм инфразвука частотой 1−3 Гц нарушается естественный ритм дыхания, возможна кислородная недостаточность, в некоторых случаях — удушье. Боли в пояснице возникают в диапазоне частот 8−12 Гц, при более высоких частотах появляются болезненные симптомы в полости рта, гортани, мочевом пузыре, а также в некоторых мышцах. Длительное воздействие инфразвука, как и вибраций тех же частот, развивает патологические изменения в организме.

Изменение ритмов дыхания и биений сердца, расстройство желудка и центральной нервной системы, головные боли и другие нарушения возникают при разных уровнях инфразвука. У лиц, подвергавшихся воздействию низкочастотною шума 90−115 дБ в течение длительного времени, отмечены такие нарушения здоровья, как изменения вестибуляторных и двигательных функций, нарастающие с увеличением стажа работы по профессии; раздражительность, подавленное настроение. Инфразвук больших уровней (более 140 дБ) при кратковременном воздействии вызывает тошноту, боли в желудке, головные боли, головокружение, чувство беспокойства.

При длительной работе с ультразвуковыми установками могут произойти изменения в деятельности центральной нервной системы, слухового и вестибуляторного аппаратов. По сравнению с высокочастотным шумом ультразвук слабее влияет на слуховую функцию, но вызывает отклонения от нормы в вестибуляторной функции и терморегуляции.