Розділ 13. Шум, вібрація, ультразвук та інфразвук

Звук - це розповсюдження звукової хвилі в пружному середовищі. Він характеризується частотою звукових коливань, амплітудою та часовими змінами коливань. Звуковий спектр поділяється та інфразвук, частота коливань звукової хвилі якого знаходиться в межах від 0 до 20 Гц - людина цих звуків не відчуває. Звуки з частотою від 20 до 20 000 Гц - звуковий діапазон, який людина чує . Частота від 20 000 Гц до 10⁹ Гц - ультразвук, від 10⁹ і вище - гіперзвук - людське вухо їх не сприймає.

Шум - це коливання звукової хвилі в звуковому діапазоні, що характеризується змінною частотою і амплітудою, непостійні в часі, які не несуть корисної інформації людині.

Вібрація - це механічні коливання, що призводять до розладу життєвих функцій людини, шкідливо впливають на роботу обладнання та руйнують будівельні конструкції.

13.1. Шум. Загальні поняття та визначення

Звукові коливання будь-якого середовища виникають при порушенні його стаціонарного стану під впливом збурюючої сили. Частки середовища починають коливатися відносно положення рівноваги, при цьому швидкість цих коливань (коливальна швидкість) значно менша швидкості розповсюдження звукових хвиль (швидкості звуку), яка залежить від пружних властивостей, температури та щільності середовища. Під час звукових коливань у повітрі утворюються зони зниженого та підвищеного тиску, які визначають звуковий тиск. Звуковим тиском зветься різниця між миттєвим значенням повного тиску та середнім тиском в незбуреному середовищі. При розповсюдженні звукової хвилі в просторі відбувається перенос енергії, кількість якої визначається інтенсивністю звуку. Середній потік енергії в будь-якій точці середовища за одиницю часу, несений до одиниці площі поверхні, нормального до напрямку розповсюдження хвилі, зветься інтенсивністю звуку в даній точці.

Характеристикою джерела шуму є звукова потужність Р, яка визначається загальною кількістю звукової енергії, що випромінює джерело шуму в оточуюче середовище за одиницю часу.

Сприймання людиною звуку залежить не тільки від частоти, а й від інтенсивності звукового тиску. Найменша інтенсивність І_о і звуковий тиск Р_о, які спримає вухо людини, зветься порогом чутності або умовним нулем чутності. Порогові значення І₀ і Р_о залежать від частоти звуку. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р_о = 2·10^-5 Па, І₀ = 10^-12 Вт/м². При звуковому тиску Р = 2·10^-2 Па, а І = 10 Вт/м² виникають больові відчуття (больовий поріг) в слухових органах людини. Між порогом чутності і больовим порогом лежить ділянка чутності. Різниця між больовим порогом та порогом чутності дуже велика (10¹³ Вт/м²). Користуватися шкалою, яка має такий великий розбіг, неможливо. Тому А. Г. Белл запропонував використати логарифмічну шкалу, яка дає змогу визначати рівень шуму у відносних одиницях. Для больового порогу ця відносна величина буде мати значення:

, у зв'язку з тим, що lg 10 = 1, то L = 10 - цю одиницю назвали Белл (Б), тобто L = 10 Б.

Але шкали, що має 10 поділок для визначення інтенсивності шуму, що відповідає границі від нульової чутності до больового порогу, недостатньо. В техніці використовують одиницю, у десять разів меншу за Белл - децибел (дБ). Таким чином, шкала чутності складатиме 130 дБ.

У зв'язку з тим, що інтенсивність звуку пропорційна квадрату звукового тиску, для рівня порогового значення можна записати.

, Б, або , дБ.

Рівнями інтенсивності шуму зазвичай оперують при виконанні акустичних розрахунків, а рівнями звукового тиску - при вимірюванні шуму та оцінки його впливу на людину, тому що людський слуховий орган чутливий не до інтенсивності звуку, а до середньоквадратичного тиску.

Для прикладу наведемо значення рівня звукового тиску різних джерел шуму:

Джерело шуму	Звуковий тиск, Па	Інтенсивність, звуку, дБ
Шум зимового лісу в тиху погоду	2·10-4,5-2·10-4,9	2-4
Шепіт на відстані 1 м	2·10-3	40
Розмова середньої гучності на відстані 1м	2·10-2-1·10-1	60-74
Робота верстатів, що створюють значний	2·10-1-2	80-100
шум (робоче місце біля верстата)
Робота пневмокомпресора, штампувального	2·10	120
преса на відстані 1 м
Шум ракетного двигуна літака на відстані 2-3 м	2·102	130-140

Несприятливий вплив шуму на людину залежить не тільки від ріння звукового тиску, а й від частотного діапазону шуму, а також від рівномірності його впливу впродовж часу. Кожне джерело шуму може бути представлене своїми утворюючими тонами у вигляді залежностей рівня звукового тиску від частоти (частотним спектром шуму або просто спектром). Спектри шумів можуть бути лінійчастими (дискретними), суцільними та змішаними. Більшість джерел шуму на підприємствах мають змішаний або суцільний спектр. При зміні та аналізі шумів, а також при проведенні акустичних розрахунків, весь діапазон частот поділяють на смуги певної ширини. Смуга частот, у якій відношення верхньої граничної частоти f₂ до нижньої fі дорівнює 2, називається октавою. Якщо , то ширина полоси дорівнює 1/3 октави. Для гігієнічних цілей шум, зазвичай, досліджують в октавних, а не технічних - 1/3 октавних полосах частот.

Характеристикою кожної полоси частот є середньогеометрична частота f_сг, яка для октави вираховується за виразом , а для 1/3 октави за виразом.

Широкополосні шуми мають неперервний спектр, ширина якого перевищує 1 октаву, а в спектрі тональних шумів чути окремі тони. За часовими характеристиками шуми поділяються на постійні і непостійні. Постійними вважаються такі шуми, рівень звуку яких за восьмигодинний робочий день змінюється в часі не більш ніж на 5 дБА. Непостійні шуми, рівень звуку яких змінюється за восьмигодинний робочий день більш ніж на 5 дБА, у свою чергу поділяються на коливальні в часі, переривчасті та імпульсні, які складаються із сигналів тривалістю менше 1 с.

Людське вухо неоднаково відчуває звуки різних частот. Звуки малої частоти людина сприймає як менш гучні, порівняно зі звуками більшої частоти тієї ж інтенсивності. Тому для оцінки суб'єктивного відчуття гучності шуму введено поняття рівня гучності, який відлічується від умовного нульового порогу. Одиницею рівня гучності є фон. Він відповідає різниці рівнів інтенсивності в 1 Б еталонного звуку за частоти 1000 Гц. Таким чином, при частоті 1000 Гц рівні гучності (у фонах) збігаються з рівнями звукового тиску (в дБ). Рівень гучності є фізіологічною характеристикою звукових коливань. За допомогою спеціальних фізіологічних досліджень були побудовані криві рівної гучності, за якими можна визначати рівень гучності будь-якого звуку із заданим рівнем звукового тиску (рис. 13.1).

Рис. 13.1. Криві рівної гучності

Багатьма дослідами встановлено, що шум є загальнобіологічним подразником і в певних умовах може впливати на всі системи життєдіяльності людини. Найповніше вивчено вплив шуму на слуховий орган людини. Інтенсивний шум, особливо за високих частот - 4000 Гц і більше, що переходять в більш низькі частоти і визначають здатність до сприймання мови, при щоденному впливі призводить до виникнення професійного захворювання - тугоухості, симптомом якого є повільне втрачання слуху на обидва вуха.

При дуже високому звуковому тиску може статися розрив барабанної перетинки. Найбільш несприятливими для органів слуху є високочастотні шуми (1 000-10 000 Гц).

Шум також впливає безпосередньо на різні відділення головного мозку, змінюючи нормальні процеси вищої нервової діяльності. Цей вплив може негативно позначитися навіть раніше, ніж виникнуть проблеми із сприйняттям звуків органами слуху. Характерним впливом шуму є скарги на підвищення втомлюваності, загальну слабкість, роздратування, апатію, послаблення пам'яті, пітливість та інші нездужання. Практикою встановлено також вплив шуму на органи зору людини - зниження гостроти зору та зниження чутливості розрізнення кольорів. Страждає від шуму також вестибулярний апарат, порушуються функції шлунково-кишкового тракту, підвищується внутрішньочерепний тиск, порушуються процеси обміну в організмі та ін.

Шум, особливо переривчастий, імпульсний, погіршує здатність до виконання точних робочих операцій, утруднює сприйняття Інформації. Всесвітня організація охорони здоров'я (ВОЗ) відзначає, що найбільш чутливими до впливу шуму є такі операції як збір інформації, складання і мислення.

Несприятливий вплив шуму на працюючу людину призводить до зниження продуктивності праці, створюються передумови для виникнення нещасних випадків та аварій. Все це визначає велике економічне і оздоровче значення заходів по боротьбі з шумом.