Симптомы и частотные диапазоны вредного воздействия вибрации на человека

Симптомы действия вибрации	Частота, Гц
	10-'		1			101		102	10:!	ю*
Укачивание
Резонансные колебания тела
Затрудненное дыхание
Влияние на зрение
Влияние на сердечно-сосу­дистую систему
Ухудшение координации рук и опоры на стунни
Ухудшение качества работы человека — оператора		\
Нагревание тканей, разру­шение клеток

Рис. 2.6. Модель тела человека и резонансы отдельных его частей

рационной болезни в качестве самостоятельного заболева­ния. Симптомы вибрационной болезни многогранны и про­являются в нарушении работы сердечно-сосудистой и нерв­ной систем, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций опорно-двигательного аппарата.

Колебания сидящего человека на частотах 8—10 Гц явля­ются причиной широкого распространения заболеваний по­звоночника. Так у автоводителей-профессионалов, тракто­ристов, пилотов самолетов грыжи межпозвоночных дисков встречаются в несколько раз чаще, чем у лиц сидячих про­фессий, не подвергающихся вибрации.

При работе с ручными машинами на тело человека через руки передается локальная вибрация. Локальная вибрация

может вызывать в организме человека эффекты общего ха­рактера типа головной боли, тошноты и т.д., но кроме этого она воздействует на процесс кровообращения и на нервные окончания в пальцах рук. Это вызывает побелеиие пальцев, потерю их чувствительности, онемение, ошущение покалы­вания. Эти явления усиливаются на холоде, но на первых порах относительно быстро проходят. При длительном воз­действии вибрации патология может стать необратимой и приводить к необходимости смены профессии. В особо за­пущенных случаях может иметь место даже гангрена.

Сроки появления симптомов вибрационной болезни зави­сят от уровня и времени воздействия вибрации в течение ра­бочего дня. Так у формовщиков, бурильщиков, рихтовщиков заболевание начинает развиваться через 8—12 лет работы.

Воздействие ручных машин на человека зависит от многих факторов: типа машины (ударные машины более опасны, чем машины вращательного типа), твердости обрабатывае­мого материала, направления вибрации, силы обхвата инст­румента. Вредное воздействие вибрации усугубляется при мышечной нагрузке, неблагоприятных условиях микрокли­мата (пониженная температура и повышенная влажность).

Долю заболевших вибрационной болезнью (%) в зависи­мости от профессии и стажа работы характеризуют данные Ю. М. Васильева:

Стаж работы, лет	5	10	15	20	25
Слесарь	0	0	4	21	54
Формовщик	0,5	2,3	14	40	72
Обрубщик	0	11	49	86	89

На практике обычно имеют дело со смешанной вибраци­ей, содержащей как периодические, так и случайные компо­ненты.

Простейшим видом колебательных процессов являются гармонические колебания. При этом колеблющаяся вели­чина w, представляющая собой параметр колебаний, изме­няется во времени t по гармоническому закону

W(f) = А,cos(ωt + ф),

где A_w,(р — амплитуда и фаза колебаний; ш — круговая час­тота (to= 2nf;f- 1/Т— циклическая час

В качестве параметров, оценивающих вибрацию, может служить виброперемеицение и (м) или ее производные: виб­роскорость v(м/с) и виброускорение а (м/с²). Если вибро­скорость изменяется по гармоническому закону с амплиту­дой А, то этому закону будут подчиняться и два других параметра. При этом амплитуды виброускорения Л_а и вибро­перемещения А_и связаны с амплитудой А„ соотношениями

Aa=ωA; Au=Av/ω

При анализе вибрации обычно рассматривают не ампли­тудные, а средние квадратические значения, определяемые осреднением по времени колеблющейся величины w(t)на отрезке Г:

Так как значения параметров вибрации могут изменять­ся в широких пределах, то на практике часто используются логарифмические уровни вибрации. Логарифмическая еди­ница называется бел (Б), а ее десятая часть децибел (дБ). При этом логарифмический уровень вибрации (в дБ), опре­деляется по формуле

L_w= 10Ig(ω^2/ω^2)=20lg(ω/ω),

где w— среднее квадратичное значение рассматриваемого параметра вибрации; w₀—пороговое значение соответству­ющего параметра.

Для виброскорости пороговое значение равно 5 • 10^-8 м/с.

При анализе вибрации с широким спектром целесооб­разно разбить ось частот на отрезки (полосы частот) и вы­числять уровни вибраций для каждой такой полосы. С этой целью используются специальные фильтры, полоса пропу­скания которых определяется граничными частотами /_н и/„. Как правило, эго октавные фильтры, для которых отно­шение /„//_н = 2, или третьоктавные фильтры с полосой в три раза более узкой.

Для октавных полос получены следующие значения средних геометрических частот:/_сг= 1, 2,4, 8,16, 31,5, 63,125, 250, 500, 1000 Гц. Верхние и нижние частоты октавных по­лос определяются следующими соотношениями: /_м = /_гг/У2

и/„ " V2 f„.

Акустический шум — беспорядочные звуковые колеба­ния в атмосфере. Понятие акустического шума связано со

звуковыми волнами (звуками), под которыми понимают распространяющиеся в окружающей среде и воспринимае­мые ухом человека упругие колебания в частотном диапазо­не от 20 Гц до 20 кГц.

Шум оказывает влияние на весь организм человека. Шум с уровнем звукового давления до 30—35 дБ привычен для человека и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40—70 дБ в условиях среды обитания создает значитель­ную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение са­мочувствия, а при длительном действии может быть причи­ной неврозов. Воздействие шума уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха — профессиональной туго­ухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.

Шумовое воздействие, сопровождающееся повреждени­ем слухового анализатора, проявляется медленно прогрес­сирующим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить уже в первые месяцы воздействия, у других — потеря слуха развивается постепенно. Снижение слуха на 10 дБ практически неощу­тимо, на 20 дБ — начинает серьезно мешать человеку, так как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи.

Результаты воздействия повышенного производствен­ного шума приведены в табл. 2.7.

Результаты оценки потери слуха (AL)у ткачих приведе­ны на рис. 2.7.

Промышленный шум является не единственной причи­ной потери слуха. Помимо этого необратимые потери слуха наступают и с увеличением возраста (рис. 2.8). Обычно это явление начинается в возрасте приблизительно 30 лет у мужчин и 35 лет у женщин с потери чувствительности слуха к высоким частотам. С годами оно распространяется

Таблица 2.7

Влияние шума на работающих

Эквивалентный уровень звука, дБА	80	90	90	90	100	100	100	110	110	110
Стаж работы, лет	25	5	15	25	5	15	25	5	15	25
Доля заболевших тугоухостью, %	0	4	14	17	12	37	43	26	71	78

на более низкие частоты, достигая речевого диапазона 500— 3000 Гц.

Звуковые волны возникают при нарушении стационар­ного состояния среды вследствие наличия в ней какого-ли­бо возмущающего воздействия. Скорость, с которой рас­пространяется звуковая волна, называется скоростью звука. Скорость звука с, м/с, зависит только от характеристик сре­ды распространения и может изменяться в очень широких пределах с = ~\[к/р. В воздухе при температуре 20°С скорость

Рис. 2.8. Потеря слуха на разных частотах в зависимости от возраста

звука составляет 340 м/с, где р — плотность среды кг/м³, К — модуль объемной упругости среды, Па.

Любое колебательное движение характеризуется часто­той / и периодом колебаний Т. Период колебаний Т = 1// соответствует временному интервалу, через который в каж­дой точке пространства временное развитие колебаний бу­дет повторяться. Этому временному интервалу будет соот­ветствовать пространственный интервал повторения волновой картины, так называемая длина волны А,, м, опре­деляемая соотношением к = c/f.В частотном диапазоне зву­ковых колебаний длины волн изменяются от нескольких десятков метров до нескольких сантиметров.

Область пространства, в которой распространяются зву­ковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воз­духа изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде, называется звуковым давлением р, измеряемым в Па. Так как звуковое давление есть функция времени, то для его оценки используется ос- редненная величина, а именно средний квадрат звукового давления, получаемый осреднением мгновенных значений р² на некотором интервале времени Т₍₎. Такое осреднение осуществляется и в нашем слуховом аппарате (время осред­нения составляет порядка нескольких миллисекунд).

При распространении звуковой волны происходит пере­нос энергии, который характеризуется интенсивностью звука I, Вт/м². Интенсивность связана со звуковым давле­нием следующим соотношением:

I = р²/(рс).

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шу­мом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10^l(iраз. Оперировать такими цифрами неудобно. Выяснено, что ощущения человека, воз­никающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энер­гии раздражителя. Поэтому были введены логарифмичес­кие величины — уровни звукового давления и интенсивно­сти.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по фор­муле

Li=10 lg/Iо,

где 1₀ —пороговая интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1000 Гц (/₀= 10~¹² Вт/м²).

Уровень звукового давления (дБ) определяют по формуле

L_P= 101gp²/Po' = 20lgp/p₀,

где Pq— пороговое звуковое давление, = 2 • 10'⁵ Па на час­тоте 1000 Гц.

Пороговые значения звукового давления и интенсив­ность звука связаны соотношением

Iо ⁼=Р0/Роc0

где ро, с₀ — плотность воздуха и скорость звука при нор­мальных атмосферных условиях.

Величину уровня интенсивности применяют при полу­чении формул акустических расчетов, а уровня звукового давления - для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к ин­тенсивности, а к среднеквадратическому давлению. Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давле­ния определяется выражением

L,, = L_r-101gp„c₀/pc.

При нормальных атмосферных условиях L_p= Lj.

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, суммарный уровень шума опреде­ляется по формуле

L= 101g∑10^0,1Li

где Ц — уровни звукового давления или уровни интенсив­ности, создаваемые каждым источником.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления L,создаваемым каждым источником, то суммарный уровень шума (дБ) составляет Z.J= L+lOlgra.

Из этой формулы видно, что два одинаковых источника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каждый источник в отдельности.

Шумы принято классифицировать по их спектральным и временным характеристикам. В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными, в спектре которых име­ются слышимые дискретные тона, и широкополосными — с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

По временным характеристикам шумы подразделяют на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБА, и непо­стоянные, для которых это изменение более 5 дБА. В свою очередь, непостоянные шумы делят на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсивные.

В табл. 2.8 приведены показатели звукового давления и уровни, создаваемые характерными источниками шума.

При воздействии ударной волны на человека и живот­ных считается безопасным избыточное давление во фронте ударной волны 10 кПа и менее. Легкие поражения (звон в ушах, головокружение, головная боль) наступают при из­быточном давлении 20—40 кПа. Поражения средней тяжес­ти (контузии головного мозга, повреждения органов слуха, кровотечения из носа и ушей) возникают при избыточном давлении 40—60 кПа.

Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью. Звуковая мощность источника Р — это общее количество звуковой энергии, излучаемой источ­ником шума в окружающее пространство за единицу време­ни. Если окружить источник шума замкнутой поверхнос­тью площадью S,то звуковая мощность Р источника (Вт) составит

P=ʃIndS

где 1_п— нормальная к поверхности составляющая интен­сивности.

Таблица 2.8

Показатели звукового поля некоторых источников шума

Звуковое давление, Па	Уровень звука, дБА '	Источники шума и расстояние до него
2000	160	Старт баллистической ракеты, 100 м
200	140	Взлет реактивного самолета, 15 м
20	120	В штамповочном цехе
2	100	Отбойный молоток, 1 м
0,2	80	Автомобиль, 7 м
0,02	60	Обычная речь, 1 м
0,002	40	В читальном зале
0,0002	20	Шепот, 1 м

Если считать источник шума точечным, то величину средней интенсивности звука на поверхности этой сферы (Вт/м²) можно определять по формуле

Icp= Р/4πr

Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечного источника, размеры которого малы по сравнению с излуча­емыми им волнами. Однако источники шума часто излуча­ют звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т.е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность излучения характеризуется коэффици­ентом Ф — фактором направленности, показывающим от­ношение интенсивности звука, создаваемой направленным источником в данной точке /, к интенсивности 1_ср, которую развил бы в этой же точке источник, имеющий ту же звуко­вую мощность и излучающий звук в сферу одинаково. Фак­тор направленности рассчитывают по формуле

Ф = I/Icp=p^2/p^2cp

Шумовыми характеристиками, которые указываются в прилагаемой к машине технической документации, явля­ются:

1. уровни звуковой мощности шума L_pв октавных поло­сах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц;

2. характеристики направленности излучения шума ма­шиной.

Уровни звуковой мощности Ь_р (дБ) устанавливают по ана­логии с уровнем интенсивности звука:

L_p=101gP/P_o,

где Р — звуковая мощность, Вт; Р_а — пороговая звуковая мощность, Р₀= 10 ¹² Вт.

Проведение акустических расчетов необходимо для оцен­ки ожидаемых уровней шума на рабочих местах или, напри­мер, в районе жилой застройки. Это позволяет еще на ста­дии проектирования разработать такие мероприятия, чтобы этот шум не превышал допустимые уровни. Задачи акусти­ческого расчета — это:

• определение шума в расчетной точке по заданным ха­рактеристикам источника шума;

• расчет необходимого снижения шума.

В зависимости от того, где находится расчетная точка — в открытом пространстве или в помещении, применяют различные расчетные формулы.

При действии источника шума со звуковой мощностью Р (рис. 2.9) интенсивность шума I в расчетной точке открыто­го пространства определяется выражением

I=РФ/(kS)

где Ф — фактор направленности; S— площадь поверхности, проходящая через расчетную точку, на которую распреде­ляется излучаемая звуковая энергия.

В частности, для полусферы это соответствует площади поверхности S= 2л?'² (здесь г — расстояние между источни­ком звука и точкой наблюдения); к— коэффициент, показы­вающий, во сколько раз ослабевает шум на пути распрост­ранения при наличии препятствий и затухания в воздухе, k> 1. Если в атмосферном воздухе расстояние от источника до расчетной точки не более 50 м, то можно считать, что k= 1.

В логарифмической форме выражение для определения интенсивности шума L₀„ в расчетной точке открытого про­странства можно записать в виде

Lоп=Lp+10lgФ-10lgS/S

где S₀ = 1 м².

В домах к шуму, проникающему снаружи, добавляется еще и структурный шум, распространяющийся по стенам и конструкциям. Он появляется при работе лифта, насосов, при проведении ремонтов и т.п.

При работе источника шума в помещении звуковые вол­ны многократно отражаются от стен, потолка и различных предметов. Отражения могут увеличить шум в помещениях

imn^ucp

—

Рис.. 2.10. Расчет уровня шума в помещении

на 10—15 дБ по сравнению с шумом того же источника на открытом воздухе.

Интенсивность звука I в расчетной точке помещения (рис. 2.10) складывается из интенсивности прямого звука/_пр, идущего непосредственно от источника, и интенсивности отраженного звука /_отр:

I=Iпр+Iотр=(РФ/S)+(4P/B)

где В — постоянная перемещения, В = А( 1 - а_ср); А— экви­валентная площадь поглощения, А = а₍._р5„; а₍._р— средний коэффициент звукопоглощения внутренних поверхностей помещения площадью S„.Коэффициент звукопоглощения а ⁼А.оглДпад' где /_1Югл ^и ^тад ^— соответственно интенсивность поглощенного и падающего звука. Величина а < 1.

Вблизи источника шума его уровень определяется в ос­новном прямым звуком, а при удалении от источника — от­раженным. В производственных помещениях величина а₍._р редко превышает 0,3—0,4. В этих случаях постоянная помеще­ния В может быть без больших погрешностей принята рав­ной эквивалентной площади звукопоглощения А, т.е. В~ А.

Выражение для определения уровня звукового давления L_nв

Ln=Lp+10lg(Ф/S+4/В)

Если источник шума и расчетную точку разделяют какие- либо препятствия, например перегородки, кабины и т.п.,

то в эту формулу нужно добавить со знаком минус величи­ну снижения уровня звуковой мощности.

Соотношение между уровнями звукового давления в рас­четной точке для помещения и открытого пространства имеет вид

Ln=L+10lg[1+4S/(ВФ)]=L+∆L

где ДL„— добавка, обусловленная влиянием в расчетной точке отраженного звука. В зависимости от расположения расчетной точки и значения коэффициента а_(:р эта добавка может достигать значений 15 дБ.

Инфразвук — звуковые колебания, не превышающие по частоте 20 Гц, т.е. нижнюю границу слухового восприятия человека.

Инфразвуковые колебания возникают в разнообразных условиях и могут быть обусловлены как природными явлени­ями, например обдуванием ветром зданий, металлических конструкций, так и работой различных машин и механизмов. Высокие уровни инфразвука возникают вблизи работающих виброплощадок, внутри салонов автомобилей, движущихся со скоростями порядка 100 км/ч. Существует множество природных источников инфразвука: извержение вулканов, смерчи, штормы. Известно, что перед землетрясением люди и особенно животные испытывают чувство беспокойства. Штормы также оказывают на людей негативное воздействие.

Инфразвук даже небольшой мощности действует болез­ненно на уши, заставляет колебаться внутренние органы, поэтому человеку кажется, что внутри него все вибрирует. Именно инфразвуки, по всей видимости, являются одной из главных причин тяжелой и непреходящей усталости жи­телей городов и работников шумных предприятий. Воздей­ствие инфразвука может приводить к ощущению голово­кружения, вялости, потери равновесия, тошноты. Было установлено, что летчики и космонавты, подвергнутые дей­ствию инфразвука, решали простые арифметические зада­чи медленнее, чем обычно.

Можно выделить две наиболее опасные для человека зо­ны воздействия инфразвука, определяемые его уровнем и временем воздействия.

Первая зона — смертельное воздействие инфразвука при уровнях, превышающих 185 дБ с экспозицией свыше 10 мин.

Вторая зона — действие инфразвука с уровнями от 185 до 145 дБ — вызывает эффекты, явно опасные до человека.Действие инфразвука с уровнями ниже 120 дБ, как пра­вило, не приводит к каким-либо значительным последст­виям.

Ультразвук находит широкое применение в медицине, машиностроении и металлургии. По способу распростране­ния ультразвук подразделяют на воздушный и контактный. По частотному спектру ультразвук классифицируют на: низкочастотный — колебания 1,25 • 10⁴—1,0 -10’ Гц и высо­кочастотный — свыше 1,0-10⁵ Гц. В медицине применяют ультразвуковые исследования с частотой до 3 ■ 10^,; Гц.

Низкочастотные ультразвуковые колебания хорошо рас­пространяются в воздухе. Биологический эффект воздейст­вия их на организм зависит от интенсивности, длительнос­ти воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемого действию ультразвука. Длительное систематическое влия­ние ультразвука, распространяющегося в воздухе, вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анали­заторов. У работающих на ультразвуковых установках от­мечают выраженную сосудистую гипотонию, снижение эле­ктрической активности сердца и мозга. Изменения ЦНС в начальной фазе проявляются нарушением рефлекторных функций мозга (чувство страха в темноте в ограниченном пространстве, резкие приступы с учащением пульса, чрезмер­ной потливостью, спазмы в желудке, кишечнике, желчном пузыре). Наиболее характерны жалобы на резкое утомле­ние, головные боли и чувство давления в голове; затрудне­ния при концентрации внимания, торможение мыслитель­ного процесса, бессонницу.

Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к нарушению капиллярного кровообра­щения в кистях рук, снижению болевой чувствительности. Установлено, что ультразвуковые колебания могут вызвать изменения костной структуры с разрежением плотности ко­стной ткани. При контактной передаче ультразвука на руки зарегистрированы профессиональные заболевания.

Неионизирующие электромагнитные поля и излучения. Электромагнитное взаимодействие характерно для заря­женных частиц. Переносчиком энергии между такими час­тицами являются фотоны электромагнитного поля или из­лучения. Длина электромагнитной волны (м) в воздухе связана с ее частотой / (Гц) соотношением X/ = с, где с — скорость света.

Электромагнитные поля и излучения разделяют на неиопи- зирующие, в том числе лазерное излучение, и ионизирующие. Неионизирующие электромагнитные поля (ЭМП) и излуче­ния (ЭМИ) имеют спектр колебаний с частотой до 10²' Гц.

Неионизирующие электромагнитные поля естественного происхождения являются постоянно действующим факто­ром. К ним относятся: атмосферное электричество, радио­излучения Солнца и галактик, электрические и магнитные поля Земли.

В условиях техносферы действуют также неионизирующие техногенные источники электрических и магнитных полей и излучений. Их классификация приведена в табл. 2.9.

Применение техногенных ЭМП и ЭМИ различных час­тот систематизировано в табл. 2.10.

Основными источниками электромагнитных полей радио­частот являются радиотехнические объекты (РТО), телевизи­онные и радиолокационные станции (РЛС), термические цехи и участки (в зонах, примыкающих к предприятиям). ЭМП промышленной частоты чаще всего связаны с высоковольт­ными линиями (ВЛ) электропередачи, источниками магнит­ных полей, применяемыми на промышленных предприятиях.

Зоны с повышенными уровнями ЭМП, источниками ко­торых могут быть РТО и РЛС, имеют размеры до 100—150 м.

		Показатель
		диапазон частот	длина волны
Статиче­ское поле	Электри­ ческое	-	-
	Магнитное	-	-
Электро­ магнитное поле	Электромаг­нитное поле промышлен­ной частоты	50 Гц	-
	Электромаг­нитное излу­чение радио­частотного диапазона (ЭМИ РЧ)	От 10 кГц до 30 кГц	30 км <X < 10 км
		От 30 кГц до 3 МГц	100 м <X< 10 км
		От 3 МГц до 30 МГц	10 м <X < 100 м
		От 30 МГц до 50 МГц	6 м <X < 10 м
		От 50 МГц до 300 МГц	1 м <X< 6 м
		От 300 МГц до 300 ГГц	1 мм <X< 1 м

Таблица 2.9

Классификация неионизирующих техногенных излучений

Таблица 2.10

Применение электромагнитных полей и излучений

Частота ЭМ 11 и ЭМИ	Технологический процесс, установка, отрасль
> 0 до 300 Гц	Электроприборы, в том числе бытового назначения, высоковольтные линии электропередачи, трансфор­маторные подстанции, радиосвязь, научные иссле­дования, специальная связь
0,3—3 кГц	Радиосвязь электропередачи, индукционный нагрев металла, физиотерапия
3—30 кГц	Сверхдлинноволновая радиосвязь, индукционный нагрев металла (закалка, плавка найка), физиотера­пия, УЗ-установки
30-300 кГц	Радионавигация, связь с морскими и воздушными судами, длинноволновая радиосвязь, индукцион­ный нагрев металлов, электрокоррозионная обра­ботка, ВДТ, УЗ-усгановки
0,3-3 МГц	Радиосвязь и радиовещание, радионавигация, ин­дукционный и диэлектрический нагрев материалов, медицина
3-30 МГц	Радиосвязь и радиовещание, диэлектрический на­грев, медицина, нагрев плазмы
30-300 МГц	Радиосвязь, телевидение, медицина (физиотерапия, онкология), диэлектрический нагрев материалов, нагрев плазмы
0,3-3 ГГц	Радиолокация, радионавигация, радиотелефонная связь, телевидение, микроволновые печи, физиоте­рапия, нагрев и диагностика плазмы
3-30 ГГц	Радиолокация и спутниковая связь, метеолокация, радиорелейная связь, нагрев и диагностика плазмы, радиоспектроскопия
30-300 ГГц	Радары, спутниковая связь, радиометеорология, ме­дицина (физиотерапия, онкология)

При этом внутри зданий, расположенных в этих зонах, плот­ность потока энергии, как правило, превышает допустимые значения.

Значительную опасность представляют магнитные поля, возникающие в зонах, прилегающих к электрифицирован­ным железным дорогам. Магнитные поля высокой интен­сивности обнаруживаются даже в зданиях, расположенных в непосредственной близости от этих зон.

В быту источниками ЭМП и излучений являются теле­визоры, дисплеи, печи СВЧ и другие устройства. Электро-

статические поля в условиях пониженной влажности (ме­нее 70%) создают паласы, накидки, занавески и т.д. Микро­волновые печи в промышленном исполнении не представ­ляют опасности, однако неисправность их защитных экранов может существенно повысить утечки электромаг­нитного излучения. Экраны телевизоров и дисплеев как ис­точники электромагнитного излучения в быту не опасны даже при длительном воздействии на человека, если рассто­яния от экрана превышают 30 см.

Электростатическое поле (ЭСП) полностью характери­зуется напряженностью электрического поля Е (В/м). По­стоянное магнитное поле (ПМП) характеризуется напря­женностью магнитного поля Н (А/м), при этом в воздухе 1 А/м - 1,25 мкТл, где Тл — тесла (единица напряженности магнитного поля).

Электромагнитное поле (ЭМП) характеризуется непре­рывным распределением в пространстве, способностью рас­пространяться со скоростью света, воздействовать на заря­женные частицы и токи. ЭМП является совокупностью двух взаимосвязанных переменных полей — электрического и магнитного, которые характеризуются соответствующи­ми векторами напряженности Е (В/м) и Н (А/м).

В зависимости от взаимного расположения источника электромагнитного излучения и места пребывания челове­ка необходимо различать ближнюю зону (зону индукции), промежуточную зону и дальнюю зону (волновую зону) или зону излучения. При излучении от источников (рис. 2.11) ближняя зона простирается на расстояние Х/2к, т. е. при­близительно на ¹ /в длины волны. Дальняя зона начинается с расстояний, равных X ■ 2п, т.е. с расстояний, равных при­близительно шести длинам волны. Между этими двумя зо­нами располагается промежуточная зона.

В зоне индукции, в которой еще не сформировалась бе­гущая электромагнитная волна, электрическое и магнитное поля следует считать независимыми друг от друга, поэтому эту зону можно характеризовать электрической и магнит­ной составляющими электромагнитного поля. Соотноше­ние между ними в этой зоне может быть самым различным. Для промежуточной зоны характерно наличие как поля ин­дукции, так и распространяющейся электромагнитной вол­ны. Для волновой зоны (зоны излучения) характерно нали­чие сформированного ЭМП, распространяющегося в виде бегущей электромагнитной волны. В этой зоне электричес-

Рис. 2.11.Зоны, возникающие вокруг элементарного источника

ЭМИ

кая и магнитная составляющие изменяются синфазно и между их средними значениями за период существует по­стоянное соотношение

Е = РЛ

где р_в— волновое сопротивление, Ом; р„ = V^i/e, е — элект­рическая постоянная; ц — магнитная проницаемость среды.

Колебания векторов £ и Я происходят во взаимно пер­пендикулярных плоскостях. В волновой зоне воздействие ЭМП определяется плотностью потока энергии, переноси­мой электромагнитной волной. При распространении элек­тромагнитной волны в проводящей среде векторы Е и Я связаны соотношением

где оо — круговая частота электромагнитных колебаний, Гц; v— удельная электропроводность вещества экрана; z— глу­бина проникновения электромагнитного поля.

При распространении ЭМП в вакууме или в воздухе, где р_н = 377 Ом, Е = 377Я. Электрохмагнитное поле несет энер­гию, определяемую плотностью потока энергии (1 = ЕН (Вт/м²)), которая показывает, какое количество энергии про­текает за 1 с сквозь площадку в 1 м², расположенную пер­пендикулярно движению волны.

При излучении сферических волн плотность потока энергии в волновой зоне может быть выражена через мощ­ность Р_пс[, подводимую к излучателю:

I=Pист/4πR^2

где R— расстояние до источника излучения, м.

Воздействие электромагнитных полей на человека зави­сит от напряженностей электрического и магнитного полей, потока энергии, частоты колебаний, наличия сопутствую­щих факторов, режима облучения, размера облучаемой по­верхности тела и индивидуальных особенностей организма. Установлено также, что относительная биологическая ак­тивность импульсных излучений выше непрерывных. Опасность воздействия усугубляется тем, что оно не обна­руживается органами чувств человека.

Воздействие электростатического поля (ЭСП) на чело­века связано с протеканием через него слабого тока (не­сколько микроампер). При этом электротравм никогда не наблюдается. Однако вследствие рефлекторной реакции на электрический ток (резкое отстранение от заряженного те­ла) возможна механическая травма при ударе о рядом рас­положенные элементы конструкций, падение с высоты и т.д. Исследование биологических эффектов показало, что наиболее чувствительны к электростатическому полю ЦНС, сердечно-сосудистая система, анализаторы. Люди, работаю­щие в зоне воздействия ЭСП, жалуются на раздражитель­ность, головную боль, нарушения сна и др.

Воздействие магнитных полей (МП) может быть посто­янным (от искусственных магнитных материалов) и им­пульсным. Степень воздействия МП на работающих зави­сит от его максимальной напряженности в пространстве магнитного устройства или в зоне влияния искусственного магнита. Доза, полученная человеком, зависит от располо­жения по отношению к МП и режима труда. При действии переменного магнитного поля наблюдаются характерные зрительные ощущения, которые исчезают в момент прекра­щения воздействия. При постоянной работе в условиях хронического воздействия МП, превышающих пределыю допустимые уровни, наблюдаются нарушения функций ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной систем, пищева­рительного тракта, изменения в крови. Длительное дейст­вие приводит к расстройствам, которые субъективно выра­

жаются жалобами на головную боль в височной и затылоч­ной области, вялость, расстройство сна, снижение памяти, повышенную раздражительность, апатию, боли в области сердца.

При постоянном воздействии ЭМП промышленной час­тоты наблюдаются нарушения ритма и замедление частоты сердечных сокращений. У работающих в зоне ЭМП промы­шленной частоты могут наблюдаться функциональные на­рушения ЦНС и сердечно-сосудистой системы, а также из­менения в составе крови.

При воздействии ЭМП радиочастотного диапазона ато­мы и молекулы, из которых состоит тело человека, поляри­зуются. Полярные молекулы (например, воды) ориентиру­ются по направлению распространения электромагнитного поля; в электролитах, которыми являются жидкие состав­ляющие тканей, крови и т.п., после воздействия внешнего поля появляются ионные токи. Переменное электрическое иоле вызывает нагрев тканей человека как за счет перемен­ной поляризации диэлектрика (сухожилия, хрящи и т.д.), так и за счет появления токов проводимости. Тепловой эф­фект является следствием поглощения энергии электромаг­нитного поля. Чем больше напряженность поля и время воздействия, тем сильнее проявляются указанные эффекты. Избыточная теплота отводится до известного предела путем увеличения нагрузки на механизм терморегуляции. Однако, начиная с величины 7=10 мВт/см², называемой тепловым порогом, организм не справляется с отводом образующейся теплоты, и температура тела повышается, что приносит вред здоровью.

Наиболее интенсивно электромагнитные поля воздейст­вуют на органы с большим содержанием воды. При одина­ковых значениях напряженности поля коэффициент погло­щения в тканях с высоким содержанием воды примерно в 60 раз выше, чем в тканях с ее низким содержанием. С уве­личением длины волны глубина проникновения электро­магнитных волн возрастает; различие диэлектрических свойств тканей приводит к неравномерности их нагрева, возникновению макро- и микротепловых эффектов со зна­чительным перепадом температур.

Перегрев особенно вреден для тканей со слаборазвитой сосудистой системой или с недостаточным кровообращени­ем (глаза, мозг, почки, желудок, желчный и мочевой пу­зырь). Облучение глаз может привести к помутнению хрус-

5. Иокпышня

талика (катаракте), которое обнаруживается не сразу, а че­рез несколько дней или недель после облучения. Развитие катаракты является одним из немногих специфических по­ражений, вызываемых электромагнитными излучениями радиочастот в диапазоне 300 МГц — 300 ГГц при плотности потока энергии свыше 10 мВт/см². Помимо катаракты при воздействии ЭМП возможны ожоги роговицы.

Для длительного действия ЭМП различных диапазонов длин волн при умеренной интенсивности (выше ПДУ) ха­рактерным считают развитие функциональных расстройств в ЦНС с нерезко выраженными сдвигами эндокринно-об­менных процессов и состава крови. В связи с этим могут по­явиться головные боли, повышение или понижение давле­ния, снижение частоты пульса, изменение проводимости в сердечной мышце, нервно-психические расстройства, быс­трое развитие утомления. Возможны трофические наруше­ния: выпадение волос, ломкость ногтей, снижение массы тела. Наблюдаются изменения возбудимости обонятельного, зри­тельного и вестибулярного анализаторов. На ранней стадии изменения носят обратимый характер, при продолжающем­ся воздействии ЭМП происходит стойкое снижение работо­способности. В пределах радиоволнового диапазона доказа­на наибольшая биологическая активность микроволнового (СВЧ) поля. Острые нарушения при воздействии ЭМИ (ава­рийные ситуации) сопровождаются сердечно-сосудистыми расстройствами с обмороками, резким учащением пульса и снижением артериального давления.

Лазерное излучение. В промышленности, медицине, в на­учных исследованиях, системах мониторинга состояния ок­ружающей среды нашли применение лазеры. Их излучение может оказывать опасное воздействие на организм челове­ка и в первую очередь на орган зрения. Лазерное излучение (ЛИ) генерируется в инфракрасной, световой и ультрафио­летовой областях неионизирующего ЭМИ.

Лазеры, генерирующие непрерывное излучение, позволя­ют создавать интенсивность порядка 10'° Вт/см², что доста­точно для плавления и испарения любого материала. При генерации коротких импульсов интенсивность излучения достигает величин порядка 10¹⁵ Вт/см² и больше. Для сравне­ния отметим, что значение интенсивности солнечного света вблизи земной поверхности составляет всего ОД—0,2 Вт/см².

В настоящее время в промышленности используется ог­раниченное число типов лазеров. Это в основном лазеры,

Нелинейная оитика

Размерная обработка

Испарение тонких слоев

Сварка

Диагностика, терапия

in10' 10= 10' 10⁷ 10” 10“ 10^й 10" 10'² 10¹³Плотность потока излучения, Вт/м²

Рис. 2.12. Области применения лазеров в зависимости от требуемой плотности потока излучения

Связь, локация, голография, термообработка, измеритель­ная техника, химия и

Экология, офтальмология, хирургия

генерирующие излучение в видимом диапазоне спектра (X = = 0,44—0,59; X = 0,63; X = 0,69 мкм), ближнем ИК-диапазоне спектра (А, = 1,06 мкм) и дальнем ИК-диапазоне спектра (X = 10,6 мкм).

Области применения лазеров в зависимости от требуе­мой плотности потока излучения показаны на рис. 2.12.

При оценке неблагоприятного влияния лазеров все опас­ности разделяют на первичные и вторичные. К первичным относят факторы, источником образования которых явля­ется непосредственно сама лазерная установка. Вторичные факторы возникают в результате взаимодействия лазерного излучения с мишенью.

К первичным факторам вредности относятся: лазерное излучение, повышенное электрическое напряжение, свето­вое излучение импульсных ламп накачки или газового раз­ряда, электромагнитное излучение, акустические шумы и вибрапия от работы вспомогательного оборудования, за­грязнение воздуха газами, выделяющимися из узлов уста­новки, рентгеновское излучение электроионизационных лазеров или электровакуумных приборов, работающих при напряжении свыше 15 кВ.

Вторичные факторы включают отраженное лазерное из­лучение, аэродисперсные системы и акустические шумы, образующиеся при взаимодействии лазерного излучения с мишенью, излучение плазменного факела.

Лазерное излучение может представлять опасность для человека, вызывая в его организме патологические изменения, функциональные расстройства органа зрения, центральной нервной и вегетативной систем, а также влиять на внутрен­ние органы, такие как печень, спинной мозг и др. Наиболь­шую опасность лазерное излучение представляет для органа зрения. Основным патофизиологическим эффектом облуче­ния тканей лазерным излучением является поверхностный ожог, степень которого связана с пространственно-энерге­тическими и временными характеристиками излучения.

При создании условий для безопасной эксплуатации ла­зеров прежде всего необходимо расчетом определить лазер­но-опасную зону (ЛОЗ) — пространство, в пределах кото­рого уровни лазерного излучения могут превышать предельно допустимые значения, а также основные принци­пы защиты от излучения и общие требования к организа­ции рабочих мест, методам контроля и дозиметрической ап­паратуре ЛОЗ.

Схема расчета облученности роговицы представлена на рис. 2.13.

При прямом облучении для наблюдателя, находящегося непосредственно в конусе узконаправленного лазерного лу­ча (рис. 2.13, а), облученность роговицы глаза вычисляется по формуле

Ep=(4Феk1)/π(d0+2Ry)^2

энергетический поток (мощность) лазерного излу­чения; Л? | — коэффициент ослабления излучения на пути от лазера до роговицы глаза; do— диаметр выходного зрачка лазера; у — угол расходимости луча, рад; R— расстояние от лазера до глаза.

При воздействии на роговицу глаза излучения лазера, от­раженного от поверхности (рис. 2.13, б), расположенной на расстоянии от выходного отверстия лазера, расчет ведут с учетом отражения. Облученность роговицы глаза наблю­дателя Е_р, находящегося на расстоянии Rот поверхности q, значительно превышающем линейные размеры источника, равна произведению энергетической яркости источника на

Рис. 2.13.Схема расчета облученности глаза:

а — для прямого пучка; б— для отраженного излучения;

1 — лазер; 2 — глаз

величину телесного угла, под которым он виден из точки наблюдения, а именно

Ep=Lekcp*(Sqcosϴ)/R^2

где k_cp — коэффициент ослабления излучения на пути от поверхности qдо наблюдателя.

П оверхность как источник излучения удобно характеризо­вать энергетической яркостью L_eи площадью пятна излуче­ния S_q.При диффузном отражении энергетическая яркость источника связана с энергетическим потоком лазерного из­лучения соотношением

где р — коэффициент отражения.

Из анализа приведенных выше соотношений следует, что облученность глаза лазерным источником прямо пропорци­ональна мощности лазера и обратно пропорциональна ква­драту расстояния до облучаемой поверхности.

Облученность кожных покровов численно равна облу­ченности роговицы глаза. При вычислении уровней облу­ченности органа зрения и кожных покровов в производст­венных условиях, где расстояния не превышают десятков метров, значения коэффициентов k\и к_ср можно принять равными единице. Приведенные формулы позволяют свя­зать лучевые нагрузки на различные биологические ткани с энергетической характеристикой источника излучения.

Воздействия лазерного излучения на глаза. Сравнительно легкая повреждаемость роговицы и хрусталика глаза при воздействии электромагнитных излучений самых различ­ных длин волн, а также способность оптической системы глаза увеличивать плотность энергии излучения видимого и ближнего инфракрасного диапазона на глазном дне на не­сколько порядков по отношению к роговице делает его наи­более уязвимым органом. Степень повреждения глаза глав­ным образом зависит от таких физических параметров, как время облучения, плотность потока энергии, длина волны и вид излучения (импульсное или непрерывное), а также индивидуальных особенностей глаза.

Воздействие ультрафиолетового излучения на орган зре­ния в основном приводит к поражению роговицы. Поверх­ностные ожоги роговицы лазерным излучением с длиной волны в пределах ультрафиолетовой области спектра уст­раняются в процессе самозаживления.

Для лазерного излучения с длиной волны 0,4—1,4 мкм критическим элементом органа зрения является сетчатка. Она обладает высокой чувствительностью к электромагнит­ным волнам видимой области спектра и характеризуется большим коэффициентом поглощения электромагнитных волн видимой, инфракрасной и ближней ультрафиолетовой областей.

Повреждение глаза может варьировать от слабых ожогов сетчатки, сопровождающихся незначительными или полно­стью отсутствующими изменениями зрительной функции, до серьезных травм, приводящих к ухудшению зрения и да­же к полной его потере. Излучения с длинами волн более 1,4 мкм практически полностью поглощаются в стекловид­ном теле и водянистой влаге передней камеры глаза. При

умеренных повреждениях эти среды глаза способны само- восстанавливаться. Лазерное же излучение средней инфра­красной области спектра может причинить тяжелое тепло­вое повреждение роговице.

В заключение отметим, что лазерное излучение оказыва­ет повреждающее действие на все структуры органа зрения. Основной механизм повреждений — тепловое действие. Им­пульсное лазерное излучение представляет большую опас­ность, чем непрерывное.

Воздействие лазерного излучения на кожу. Повреждения кожи, вызванные лазерным излучением, могут быть различ­ными: от легкого покраснения до поверхностного обуглива­ния и образования глубоких дефектов кожи. Эффект воз­действия на кожные покровы определяется параметрами излучения лазера и степенью пигментации кожи.

Пороговые уровни энергии излучения, при которых возни­кают видимые изменения в коже, колеблются в сравнитель­но широких пределах (от 15 до 50 Дж/см²). Биологические эффекты, возникающие при облучении кожи в зависимости от длины волны, приведены в табл. 2.11.

Действие лазерного излучения на внутренние органы. Ла­зерное излучение (особенно дальней инфракрасной области спектра) способно проникать через ткани тела и взаимодей­ствовать с биологическими структурами на значительной глубине, поражая внутренние органы.

Наибольшую опасность для внутренних органов пред­ставляет сфокусированное лазерное излучение. Степень повреждения внутренних органов в значительной мере оп­ределяется интенсивностью потока излучения и цветом ок­Таблица 2.11