Механические волны

Механические волны – процесс распространения в пространстве колебаний частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной). Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн. Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.

Бегущая волна ˗ волновое движение, при котором поверхность равных фаз (фазовые волновые фронты) перемещается с конечной скоростью, постоянной в случае однородных сред и связан с переносом энергии, импульса или других характеристик. Когда две одинаковые волны с равными амплитудами и периодами распространяются навстречу друг другу, то при их наложении возникают стоячие волны. Стоячие волны могут быть получены и при отражении от препятствий. Допустим, излучатель посылает волну к препятствию (падающая волна), тогда отраженная от него волна наложится на падающую. Уравнение стоячей волны можно получить сложением уравнений падающей и отраженной волн.

Когерентные волны (cohaerens — связывающий, находящийся в связи), соответственно, имеют одинаковые частоты, амплитуды, разность фаз. Этим признакам соответствуют монохроматические волны, неограниченные ни во времени, ни в пространстве.

Вредное воздействие механических колебаний на человека

Когда мы говорим о вредном воздействии механических колебаний на человека, то имеем ввиду, так называемый, вибрационный фактор. Действие вибрации определяется передачей человеку механической энергии от источника колебаний. Если вибрация передается через опорные поверхности человека на все его тело в положении сидя или стоя, то она называется общей вибрацией, если же передается через руки работающего – местной или локальной. Такое разделение вибрации – условно, конечно, при локальной вибрации она передается также на весь организм человека, чему способствует относительно хорошая проводимость механических колебаний тканями тела, особенно костной системой. В том случае, когда воспринимаемая человеком энергия превышает установленные нормативными документами значения, вибрация может причинять вред.

Воздействие вибрации на человека может приводить к снижению производительности труда и качества работы, а также к возникновению заболеваний (действие локальной вибрации может при определенных условиях привести к «вибрационной болезни»). Вибрация воспринимается всем организмом, вызывая головную боль, быструю утомляемость, онемение пальцев рук, боли в кистях и предплечье, судороги; повышается чувствительность к охлаждению, появляется бессонница, головокружение и возможны обмороки за счет спазма сосудов. При вибрационной болезни возникают патологические изменения спинного мозга, сердечно - сосудистой системы, костных тканей и суставов, изменяется капиллярное кровообращение.

Наиболее распространены и опасны заболевания, вызванные локальной вибрацией. При работе с ручными машинами, вибрация которых наиболее интенсивна в среднечастотной области спектра, возникают в основном заболевания, сопровождающиеся спазмом периферических сосудов. Локальная вибрация может вызывать ухудшение кровообращения кистей рук, пальцев, предплечья и сосудов сердца. Это понижает чувствительность кожи, вызывает отложение солей, окостенение сухожилий мышц в кистях рук и пальцах. Следствием является деформация и снижение подвижности суставов. Так же, как и при общей вибрации, нарушается деятельность сердца и ЦНС. Особенно чувствителен организм к вертикальным вибрациям, когда колебания передаются от ног к голове.

Воздействие вибрации зависит от частоты: при высоких частотах вибрации поражаются периферические нервные окончания и сосуды, появляется тремор рук; при малых частотах вибрации возникают радикулиты и гастриты.

Особенно вредны вибрации с частотами, близкими к частотам колебаний отдельных органов человека в пределах 6 …30 Гц.

Резонансные частоты отдельных частей тела (в Гц): глаза – 22 …7; горло – 6 …12; грудная клетка – 2…12; ноги, руки – 2…8; голова – 8…27; лицо и челюсти – 4…27; поясничная часть позвоночника – 4…14; живот – 4…12.

Степень воздействия вибрации на организм зависит не только от частоты, но и от амплитуды.

Звук

Звуковыми называют волны, распространяющиеся в упругой среде в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц и воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше – область ультразвука. Инфразвук и ультразвук человек не слышит, что не означает, что волны данных частотных диапазонов в определенных условиях не могут принести вред здоровью человека.

Спектр – разложение гармонических колебаний по частотам. Восприятие звука органами слуха зависит от того, какие частоты входят в состав звуковой волны.

Шум - звуки, образующие набор частот, непрерывно заполняющих некоторый интервал (сплошной спектр частот).

Музыкальные (тональные) звуки – звуки образующие линейчатый спектр частот: частоты N, входящие в состав музыкальных звуков, образуют ряд дискретных значений. Музыкальным звукам соответствуют периодические или почти периодические колебания. Каждая синусоидальная звуковая волна называется тоном.

Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте, которая имеется в наборе частот данного звука.

Громкость звука зависит от интенсивности звука, т. е. определяется амплитудой колебаний в звуковой волне. Чувствительность слуха зависит от акустических характеристик зала. Наибольшей чувствительностью органы слуха обладают к звукам с частотами от 700 до 6000 Гц. В этом диапазоне ухо способно воспринимать звуки с интенсивностью около 10^-12 – 10^-11 Вт/м². Минимальные размеры помещения для воспроизведения музыки (высота и ширина) не связаны с его вместимостью, а определяются необходимой структурой отражений акустических колебаний. Даже если помещение предназначено для исполнения музыки в отсутствии слушателей (студия звукозаписи, студия звукового вещания, ателье записи музыки, зал прослушивания киностудии), его размеры должны определяться только качеством звучания музыки.

Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха.

Стандартный порог слышимости принимается равным I₀=10¹²Вт/м² при частоте ν = 1 кГц.

Порогом болевого ощущения называется наибольшая интенсивность звуковой волны, при которой восприятие звука не вызывает болевого ощущения. Порог болевого ощущения зависит от частоты звука (на частоте 1 кГц равен 1 Вт/м²).

Мерой чувствительности органов слуха к восприятию звуковых волн данной интенсивности является уровень интенсивности (громкости) Единица измерения – децибел (дБ).

Звуковое давление – давление, оказываемое звуковой волной на препятствие (избыточное давление над атмосферным).

Ухо воспринимает звуки с равным уровнем звукового давления, но разной частоты, как звуки разной громкости. Например, человек воспринимает 88 дБ на 63 Гц такой же громкости, как 60 дБ на 1000 Гц.