Защита от акустических воздействий

⇐ Методы и средства защиты от опасностей технических систем и технологических процессов

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 °С 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 переное 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 инфра- и 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 инфра- и 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.

Источники шума, инфра- и ультразвука

Излучение шума каким-либо источником характеризуется звуковой (акустической) мощностью, частотным спектром излучения и характеристикой направленности. Шум источника характеризуется частотным спектром (спектрограммой), указывающим распределение звуковой мощности по частотному диапазону. Если в шуме преобладают одна или несколько гармоник (что присуще некоторым периодическим процессам, например электрогенераторам, сиренам), то шум называют тональным, а спектр — линейчатым. Шумы, возникающие при соударениях тел, истечении воздушных струй, имеют сплошной спектр. Шум с непрерывным спектром более одной октавы называют широкополосным.

Реальные источники излучают звук неодинаково в разных направлениях, т.е. обладают определенной направленностью излучения.

Шум возникает вследствие упругих колебаний как машины в целом, так и отдельных ее деталей. В зависимости от причин возникновения колебаний выделяют механические, аэродинамические, электромагнитные и гидродинамические шумы. Механические шумы вызывают следующие факторы: ударные (ковка, штамповка) и вибрационные (в грохотах, виброконвейерах) технологические процессы, соударение и трение деталей в сочленениях подшипников качения, зубчатые передачи, неуравновешенные вращающиеся части машин. К появлению аэродинамических шумов приводят нестационарные (и стационарные) процессы в газах. Электромагнитные шумы возникают при колебаниях элементов электромеханических устройств под влиянием переменного магнитного поля. Гидродинамические шумы возникают вследствие стационарных и нестационарных процессов в жидкостях (гидравлических ударов, кавитации, турбулентности потока). Иногда отдельно выделяют термические шум и инфразвук, возникающие в результате автоколебаний (при вибрационном горении в мощных горелках, работающих на жидком или газообразном топливе).

Инфразвук и ультразвук — составные части спектров шума, излучаемого технологическими агрегатами. В промышленности характерными источниками инфразвука и низкочастотного шума являются печи, компрессоры и турбины; источниками ультразвука — процессы ультразвуковой обработки металлов и ультразвуковые дефектоскопы; высокочастотного шума и ультразвука — прокатные станы.

По ГОСТ 12.1.003-83 «ССБТ. Шум. Общие требования безопасности» нормируются спектры шума (дБ) по виду трудовой деятельности на рабочих местах. Для ориентировочной оценки нормируется шум по уровню звука (дБА). Это психофизиологическая характеристика, по ней сравнивают шум по санитарным нормам (для производства норма — 80 дБА).

Защита от шума

Защита работающих от высокого уровня шума достигается ограничением допустимого уровня воздействия, применением средств коллективной (уменьшением шума в источнике и на пути его распространения) и индивидуальной защиты. Средства коллективной защиты, в зависимости от способа реализации, могут быть акустическими, архитектурно-планировочными и организационно-техническими.

Нормирование параметров шума и организационные меры защиты. Шумы различают по характеру спектра (широкополосные, тональные) и по временным характеристикам (постоянные, непостоянные). Постоянные шумы — это шумы, уровень звука которых за рабочую смену изменяется не более чем на 5 дБ А, уровень звука непостоянных шумов изменяется более чем на 5 дБА. Непостоянные шумы подразделяют:

на колеблющиеся во времени, уровень которых непрерывно изменяется;
прерывистые, уровень звука которых изменяется ступенчато (на 5 дБ А и более);
импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука отличаются от фона не менее чем на 7 дБ.

Методы снижения шума в производственных помещениях: уменьшение уровня шума в источнике; уменьшение уровня шума на пути распространения (звукопоглощение и звукоизоляция); установка глушителей шума; рациональное размещение оборудования; применение средств индивидуальной защиты; медико-профилактические мероприятия.

Наиболее эффективны технические средства снижения шума в источнике возникновения: смена видов движений механизмов, материалов, покрытий; разнесение масс и жесткости; балансировка вращающихся частей и др. Снижение шума достигается установкой звукоизолирующих и звукопоглощающих экранов, перегородок, кожухов, кабин. Уменьшение шума звукопоглощением представляет собой переход колебательной энергии волн в тепловую энергию за счет преодоления трения в порах материала и рассеивания энергии в окружающей среде. Для звукоизоляции большое значение имеет масса ограждений, плотность материала (металл, дерево, пластик, бетон и др.), конструкция ограждения. Лучшие звукопоглощающие свойства обеспечиваются пористыми решетчатыми материалами (стекловата, войлок, каучук, поролон и др.).

Средства индивидуальной защиты. Для защиты работающих применяются ушные вкладыши, наушники, шлемофоны и др. Вкладыши и наушники иногда встраивают в каски, шлемы. Ушные вкладыши выполняют из каучука, эластичных материалов, резины, эбонита и ультратонкого волокна. При их применении получают снижение уровня звукового давления на 10-15 дБ. Наушники снижают уровень звукового давления на 7-35 дБ в среднем диапазоне частот. Шлемофоны защищают околоушную область и снижают уровень звукового давления на 30-40 дБ в среднем диапазоне частот.

Для защиты рук служат рукавицы, перчатки, прокладки из демпфирующих материалов. Ноги защищают специальной обувью.

К медико-профилактическим средствам относятся: организация режима труда и отдыха, жесткий контроль за его исполнением; медицинское наблюдение за состоянием здоровья, лечебно-профилактические мероприятия (гидропроцедуры, массаж, витамины и др.).