Защита работающих от шума и вибрации, инфра-и ультразвуков

Физические и физиологические характеристики шума и вибрации

Шум — это совокупность звуков разной интенсивности и высоты, беспорядочно изменяющихся во времени и вызывающих у работающих неприятные субъективные ощущения. С физиологической точки зрения, шумом является любой нежелательный звук, мешающий восприятию полезных звуков в виде производственных сигналов и речи.

Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды (воздуха), носящее, как правило, беспорядочный случайный характер. При этом источником его является любое колеблющееся тело, выведенное из устойчивого состояния внешней силой.

Характер распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой она распространяется, — звуковым полем.

Звук представляет собой колебательное движение упругой среды, воспринимаемое нашим органом слуха. Движение звуковой волны в воздухе сопровождается периодическим повышением и понижением давления. Периодическое повышение давления в воздухе по сравнению с атмосферным давлением в невозмущенной среде называется звуковым давлением. Чем больше давление, тем сильнее раздражение органа слуха и ощущение громкости звука. В акустике звуковое давление измеряется в Н/м², или Па. Звуковая волна характеризуется частотой f, Гц, силой звука I, Вт/м², звуковой мощностью W, Вт. Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при 20 °C и нормальном атмосферном давлении равна 344 м/с. Скорость звука не зависит от частоты звуковых колебаний и при неизменных параметрах среды является постоянной величиной. При повышении температуры воздуха на 1 °C скорость звука возрастает примерно на 0,71 м/с.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот от 16 до 20 000 Гц, зона наибольшей чувствительности слуха находится в области 50−5000 Гц. Колебания с частотой до 16 Гц (инфразвук) и выше 20 000 Гц (ультразвук) не воспринимаются органами слуха человека.

Интенсивность шума (звука) измеряют как во всей области частот (суммарная звуковая энергия), так и в определенном диапазоне частотной полосы — в пределах октав.

Октава — это диапазон частот, в котором верхняя граница частоты вдвое больше нижней (например, 40−80, 80−160 Гц). Однако для обозначения октавы обычно указывают не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты, которые характеризуют полосу в целом и определяются по формуле.

где f₁ и f₂ — соответственно низшая и высшая частоты, Гц.

Так, для октавы 40−80 Гц среднегеометрическая частота равна 62,5 Гц; для октавы 80−160 Гц — 125 Гц и т. д.

При акустических измерениях определяют интенсивность в пределах частотных полос, равных октаве, полуоктаве и трети октавы.

Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы и для санитарно-гигиенической оценки шума составляют 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Минимальная сила звука, воспринимаемая ухом, называется порогом слышимости (I₀ = 10^-12 Вт/м²), ему соответствует звуковое давление Р₀ = 2-Ю" ⁵ Па.

Порог болевого ощущения наступает при силе звука, равной 10² Вт/м², а соответствующего ему звукового давления — 2*10² Па. Как видим, изменения звукового давления слышимых звуков огромны и составляют примерно 10⁷ раз. Поэтому для удобства измерения и санитарно-гигиенического нормирования интенсивности звука и звукового давления принимают не абсолютные физические, а относительные единицы, которые представляют собой логарифмы отношений этих величин к условному нулевому уровню, соответствующему порогу слышимости стандартного тона с частотой 1000 Гц.

Уровень интенсивности звука L, дБ, определяется по формуле.

где I — интенсивность звука, Вт/м²; I₀ — интенсивность звука, принимаемая за порог слышимости, равная 10^-12 Вт/м². Так как интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, то эту формулу можно записать в виде.

Эти логарифмы отношений называют соответственно уровнями интенсивности звука или чаще уровнями звукового давления, они выражаются в белах (Б).

Кроме того, для санитарно-гигиенической оценки воздействия шума на организм человека используют такой показатель, как уровень звука, определяемый по шкале, А шумомера с размерностью в дБА.

Так как орган слуха человека способен различать изменение уровня интенсивности звука на 0,1Б, то для практического использования удобнее единица в 10 раз меньше —децибел (дБ).

Пользоваться шкалой децибел очень удобно, так как весь огромный диапазон слышимых звуков укладывается менее чем в 140 дБ. При действии звука более 140 дБ возможны болевые ощущения и разрыв барабанной перепонки.

В условиях производства, как правило, имеют место шумы различной интенсивности и частоты, которые создаются в результате работы разнообразных механизмов, агрегатов и других устройств.

Производственный шум, являющийся сложным звуком, может быть разложен на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром (рис. 2.4). Он представляет собой совокупность восьми уровней звукового давления на всех среднегеометрических частотах. По характеру может быть различным в зависимости от преобладающих частот.

Рис. 2.4 Основные типы шумовых спектров: а — дискретный (линейчатый); б — сплошной; в — смешанный

Если же в этой совокупности представлены нормативные значения уровней звукового давления, то она называется предельным спектром (ПС). Каждый из предельных спектров имеет свой индекс, например, ПС-80, где 80 -нормативный уровень звукового давления (дБ) в октавной полосе с f = 1000 Гц.

Согласно ГОСТ 12.1.003 шум классифицируется по следующим признакам:

¦ по характеру спектра: широкополосный, с непрерывным спектром шириной более октавы; тональный, в спектре которого имеются слышимые тона. Тональный характер определяют по превышению уровня шума в одной полосе над соседними третьоктавными полосами не менее чем на 10 дБ;

по временным характеристикам: постоянный и непостоянный;

по частотной характеристике различают шумы низко-, средне- и высокочастотные, имеющие соответственно границы 16−350, 350−800 и выше 800 Гц.

Непостоянные шумы, в свою очередь, подразделяются:

на колеблющиеся во времени, уровень звука которых изменяется во времени непрерывно;

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

импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука различаются не менее чем на 7 дБ.

Характеристика шума в децибелах в пределах частот не всегда достаточна. Известно, что звуки, имеющие одну и ту же интенсивность, но разную частоту воспринимаются на слух как неодинаково громкие. Звуки, имеющие низкую или очень большую частоту (вблизи верхней границы воспринимаемых частот) ощущаются как более тихие в сравнении со звуками, находящимися в средней зоне. Поэтому для сравнения между собой различных по частотному составу звуков в отношении их громкости используют единицы громкости — фоны и соны.

За единицу сравнения условно принят звук с частотой 1000 Гц. В международных рекомендациях в последние годы стандартным принят звук с частотой 2000 Гц.

Уровнем громкости шума (звука) называется уровень силы равногромкого с этим шумом звука с частотой колебаний 1000 Гц, для которого уровень силы звука в децибелах условно принят за уровень громкости в фонах. Один фон — это громкость звука при частоте 1000 Гц и уровне интенсивности в 1 дБ. На частоте 1000 Гц уровни громкости равны уровням звукового давления. Например, звук с частотой колебаний 100 Гц и силой 50 дБ воспринимается как равногромкий звуку с частотой колебаний 1000 Гц и силой 20 дБ (20 фонов). При малых уровнях громкости и низких частотах расхождения между силой звука в децибелах и уровнем громкости в фонах наибольшие. По мере увеличения громкости и частоты эта разница сглаживается.

Рис. 2.5 Кривые равной громкости звуков

На рис. 2.5 приведены кривые равной громкости, характеризующие уровни громкости в пределах слышимости. Видно, что орган слуха человека обладает наибольшей чувствительностью при 800−4000 Гц, а наименьшей — при 20−100 Гц.

Наряду с оценкой громкости шума в фонах используют и другую единицу громкости — сон, которая нагляднее отражает изменение субъективно воспринимаемой громкости и позволяет определить, во сколько раз один звук громче другого. С увеличением громкости на 10 фонов уровень громкости в сонах возрастает в 2 раза.

Шкала громкости в сонах позволяет определить во сколько раз снизилась громкость шума после внедрения тех или иных мер борьбы с ним, или во сколько раз шум на одном рабочем месте превышает по громкости шум на другом.

При одновременном распространении нескольких звуковых волн возможно увеличение или снижение громкости шума в результате интерференционных явлений.

Вибрация — это механические колебания и волны в твердых телах или более конкретно, это механические, чаще всего синусоидальные, колебания, возникающие в машинах и аппаратах.

По способу воздействия на человека вибрации подразделяются на общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передающуюся через руки человека.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на три категории:

транспортная: воздействует на операторов подвижных машин и транспортных средств при их движении (1-я категория);

транспортно-технологическая: с ограниченным перемещением только по специально подготовленным поверхностям производственных помещений (2-я категория);

технологическая: воздействует на операторов стационарных машин или передается на рабочие места, не имеющие источников вибрации (3-я категория).

Общую вибрацию 3-й категории по месту действия подразделяют на следующие типы:

на постоянных рабочих местах производственных помещений;

на рабочих местах на складах, в столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где отсутствуют машины и механизмы, генерирующие вибрацию;

на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораторий, учебных пунктов, вычислительных центров, здравпунктов, в конторских помещениях, рабочих комнатах и других помещениях для работников умственного труда.

Общей вибрации чаще всего подвергаются транспортные рабочие, операторы мощных штампов, вырубных прессов и т. д.

Основные физические параметры вибрации: частота f, Гц; амплитуда колебаний А, м; колебательная скорость V, м/с; колебательное ускорение а, м/с².

По характеру спектра вибрацию подразделяют:

¦ на узкополосную со спектром частот, расположенным в узкой полосе. При этом уровень контролируемого параметра в октавной полосе частот более чем на 15 дБ превышает значения в соседних третьоктавных полосах;

¦ широкополосную со спектром частот, расположенным в широкой полосе (шириной более одной октавы).

По временным характеристикам вибрация делится:

на постоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с;

непостоянную, для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 мин или время технологического цикла) изменяется более чем в 2 раза (6 дБ) при измерении с постоянной времени 1 с.

Непостоянная вибрация бывает:

колеблющейся во времени, для которой величина нормируемого параметра непрерывно изменяется во времени;

прерывистой, когда воздействие вибрации на человека прерывается, причем длительность интервалов, в течение которых воздействует вибрация, составляет более 1 с;

импульсной, состоящей из одного или нескольких вибрационных воздействий (ударов), каждый длительностью менее 1 с.

Локальной вибрации преимущественно подвергаются лица, работающие с ручными механизированными электрическими или пневматическими инструментами.

Так же как и для шума, весь спектр частот вибраций, воспринимаемых человеком, может быть разделен на ок-тавные и третьоктавные полосы частот со среднегеометрическими частотами октавных полос 1; 2; 4; 8; 16; 32; 63; 125; 250; 500; 1000 и 2000 Гц.

За нулевой уровень колебательной скорости принята величина V₀ = 510^-8 м/с, соответствующая среднеквадратичной колебательной скорости при стандартном пороге звукового давления, равном 2 * 10^-5 Па, хотя порог восприятия вибрации для человека значительно выше и равен 10^-4 м/с. За нулевой уровень колебательного ускорения принимают величину а = 3−10^-4 м/с². При колебательной скорости в 1 м/с у человека возникают болевые ощущения.

Поскольку абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, то удобнее измерять не действительные значения этих параметров, а логарифмы их отношений к пороговым.

Уровень виброскорости L_v, дБ, определяется по формуле где V — действительное значение виброскорости, м/с; V₀ -пороговое значение виброскорости (510^-8 м/с).

Спектры уровней колебательной скорости являются основными характеристиками вибраций; они могут быть, так же как и для шума, дискретными, сплошными и смешанными.

В СанПиН 2.2.4/2.1.8.10−33−2002 приведены соотношения между уровнями виброскорости в децибелах и ее значениями в метрах на секунду, а также между логарифмическими уровнями виброускорения в децибелах и его значениями в метрах на секунду в квадрате.