Шум. Загальні поняття та визначення

Звук − це розповсюдження звукової хвилі в пружному середовищі Він характеризується частотою звукових коливань, амплітудою та часовими змінами коливань. Звуковий спектр включає інфразвук, частота коливань звукової хвилі якого знаходиться в межах від 0 до 16 Гц − людина цих звуків органами слуху не сприймає. Звуки з частотою від 16 до 20 000 Гц − звуковий діапазон, який людина чує. Частота від 20 000 Гц і вище − ультразвук, його людське вухо не сприймає.

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

Основними параметрами, які характеризують шум, є:

1. Амплітуда коливання – максимальне відхилення від початкового положення частинок середовища, що проводить звук, в результаті залучення їх в коливальний процес джерелом коливання (наприклад, ніжками камертона).

2. Звуковий тиск – це змінний тиск, що виникає додатково до атмосферного тиску, в тому середовищі, через яке поширюються звукові хвилі. Він вимірюється в ньютонах на квадратний метр, Н/м², або динах на квадратний сантиметр, дин/см². У фазі стиснення звуковий тиск позитивний, у фазі розрідження – негативний. Позначається буквою р (малою).

3. Швидкістьзвуку – це відстань, на яку за одну секунду може поширитися хвильовий процес. В повітрі при t = 20 ^оС і нормальному атмосферному тиску вона дорівнює 334 м/с, при підвищенні температури швидкість звуку збільшується приблизно на 0,71 м/с на кожний градус. Для порівняння:

в сталі – 5000 м/с

в гумі – 40-60 м/с.

4. Довжина хвилі – це відстань між двома сусідніми згущеннями або розрідженнями в звуковій хвилі:

=С/f , (4.1)

де C – швидкість звуку, м/с;

f – частота, герц.

5. Сила звуку (інтенсивність) – це кількість енергії, що проходить в результаті поширення звуку через площу 1м², розміщену перпендикулярно до напряму поширення звукової хвилі за одиницю часу. Інтенсивність звуку, Вт/м², пов'язана із звуковим тиском залежністю

, (4.2)

де p – звуковий тиск, Н/м² ;

ρ – густина середовища, Н/м³;

c – швидкість поширення звуку, м/с.

Декілька слів про наочність сили звуку:

1. За старих часів була страта «під дзвоном».

2. Літакам забороняється переходити звуковий бар'єр над населеними пунктами. Чому? Можуть бути серйозні руйнування і пошкодження скла вікон.

3. У США велике значення надається рекламі. З цією метою над 10 добровольцями на висоті 10-20м пролетів на надзвуковій швидкості літак. Сила звуку була такою, що 6 чоловік загинули на місці, 4 - померли в шпиталі.

6. Частотний склад шуму - це сукупність частот звуків, що входять до нього. За широтою спектра шуми поділяються на:

а) вузькочастотні - такі, що складаються з обмеженої кількості суміжних частот;

б) широкочастотні- включають майже всі частоти звукового діапазону.

За частотою звуків, що переважають, шум поділяється на:

· низькочастотний – до 400 Гц;

· средньочастотний – від 400 до 1000 Гц;

· високочастотний – понад 1000 Гц.

Звукове поле − область матеріального середовища, в якому спостерігаються звукові хвилі.

Структурний звук − коливання звукових частот в інженерних конструкціях і спорудах.

Швидкість поширення звуку в різних середовищах залежить від пружності та густини середовища і не змінюється зі зміною частоти коливання джерела.

Характеристикою джерела шуму є звукова потужність яка визначається загальною кількістю звукової енергії, що випромінює джерело шуму в навколишнє середовище за одиницю часу. Так, швидкість звуку в повітрі при 0 ºС складає 311 м/с. Гучність звуку залежить від амплітуди коливань звукової і чим більша амплітуда, тим гучніше звучання.

Рівень сили звуку в белах і децибелах відповідно описуються формулами:

(4.3)

(4.4)

де L₁ − рівень сили звуку, Б (дБ); І, І₀ − відповідно фактичне та порогове (І₀=10-¹²) значення інтенсивності звуку, Вт/м².

Частота коливань визначається наступним чином:

ʄ (4.5)

де ʄ − частота коливань в герцах (Гц); Т − період коливань в секундах, с. Як бачимо, частоту коливань визначає кількість коливань, що відбувається за одну секунду.

Сприймання людиною звуку залежить не тільки від частоти, а й від інтенсивності звуку та звукового тиску. Найменша інтенсивність І₀ і звуковий тиск Р₀, які сприймає вухо людини, зветься порогом чутностіабо умовним нулем чутності. Порогові значення І₀ і Р₀ залежать від частоти звуку. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р₀ = 2-10⁵ Па, ₀ = 10¹² Вт/м². При звуковому тиску Р = 2-10² Па, а Р = 100 Вт/м² виникають больові відчуття (больовий поріг) в слухових органах людини. Між порогом чутності і больовим порогом лежить ділянка чутності. Різниця в інтенсивності звуку між больовим порогом та порогом чутності дуже велика (10¹⁴ Вт/м² при частоті 1000 Гц). 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-белах (Б).

Але шкала, що має 14 поділок для визначення рівня інтенсивності шуму, що відповідає границі від нульової чутності до больового порогу, незручна. В техніці використовують одиницю у де­сять разів меншу-децибел(дБ). Таким чином, шкала чутності складатиме 140 дБ − у рівнях інтенсивності звуку.

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

Таблиця 4.1. − Шкала сили звуку в децибелах

Несприятливий вплив шуму на людину залежить не тільки від рівня 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 звуковою 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 оцінці 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, до нижньої дорівнює 2, називається октавою.

За часовими характеристиками шуми поділяються на постійні й 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 більше, 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 відповіла-різни ці рівнів інтенсивності в 1 дії еталонного звуку за частоти 1000 Гц. Таким чином, при частоті 1000 Гц рівні гучності (у фонах) збігаються з рівнями унуковою тиску (в дБ). Рівень гучності є фізіологічною характеристикою звукових коливань. За допомогою спеціальних фізіологічних досліджень були побудовані криві однакової гучності, за якими можна визначати рівень гучності будь-якого звуку із заданим рівнем звукового тиску.

Багатьма дослідами встановлено, що шум є загальнобіологічним подразником і в певних умовах може виливати на всі системи життєдіяльності людини. Найповніше вивчено вплив шуму на слуховий орган людини. Інтенсивний шум, особливо за високих частот − 4000 Гц і більше, при щоденному впливі призводить до виникнення професійного захворювання − туговухості, симптомом якого є повільне втрачання слуху на обидва вуха.

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

Шум також виливає 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 виливом шуму є 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 непостійний (коливальний, переривчастий, імпульсний погіршує здатність до виконання точних робочих операцій, сприйняття інформації. Всесвітня організація охорони здоров'я (ВООЗ) відзначає, що найбільш чутливими до виливу шуму с такі операції, як збір інформації, складання і мислення.

Несприятливий вплив шуму па 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.

Гігієнічне нормування шуму

При вимірюванні виробничих шумів спектр визначається в діапазоні від 22,5 до 11200 Гц.

Цей інтервал розбитий на смуги, які назвали октавами.

Октава – це така смуга звукового спектра, в якій верхня гранична частота відрізняється від нижньої граничної частоти в 2 рази. Тоді весь спектр набуде вигляду:

22,5-45 (31,5), 45-90 (63), 90-180 (125), 180-355 (250), 355-710 (500), 710-1400 (1000), 1400-2800 (2000), 2800-5600 (4000), 5600-11200 (8000).

В дужках зазначені середньогеометричні частоти дев’яти октав, за якими здійснюється нормування шуму.

Поширення звукових хвиль супроводжується появою ряду акустичних явищ.

Накладення звукових хвиль однакової частоти називається інтерференцією.

Процес огинання звуковою хвилею перешкод кінцевих розмірів називається дифракцією.

Виникаючі всередині замкнутих приміщень звукові хвилі, поширюючись від джерела, багато разів відбиваються від будівельних конструкцій, створюють умови для появи відлуння. Цей процес називається реверберацією.

Якщо звукова частота збігається з власною частотою коливання будь якої системи, амплітуда різко зростає. Це явище називається резонансом.

Нормування шуму для робочих місць регламентується санітарними нормами та державним стандартом. Для постійних шумів нормування ведеться по граничному спектру шуму. Граничним спектром зветься сукупність нормативних рівнів звукового тиску в дев'яти стандартизованих октавних частот 31, 5, 63, 125,500,1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Кожен граничний спектр позначається цифрою, яка відповідає допустимому рівню звукового тиску (дВ) в октавній полосі із середньогеометричною частотою 1000 Пі. Наприклад, граничний спектр ГС-75 означає, що в цьому фонічному спектрі допустимий рівень звукового тиску в октавній смузі з середньогеометричною частотою 1000 Гц дорівнює 75 дГ.

У виробничих умовах часто шум має непостійний характер. Для цих умов найбільш зручно застосовувати середні величини, які звуться еквівалентним (по енергії) рівнем звуку, що характеризує середнє значення енергії звуку. Цей рівень вимірюється спеціальним інтегруючим шумоміром або розраховується.

Для вимірювання рівнів звукового тиску і звуку використовують таку апаратуру: вимірювач шуму та вібрації ВШВ-1 (вимірювач шуму та вібрації); шумомір типу Ш-7Г з октавними фільтрами ОФ-5 і ОФ-6; шумомір РО-1-202 з октавними фільтрами ОР-101 фірми КРТ (Німеччина); шумоміри типу 2203, 2209 з октавними фільтрами тину 1613 фірми «Брюль і К’єр» (Данія).

У шумомірі звук, який сприймається мікрофоном, перетворюється на електричні коливання, які посилюються, проходячи крізь коригуючи фільтри і напрямник, а потім реєструються стрілковим або самописним приладом. Для прикладу наведемо норми допустимих рівнів шуму.

На підприємствах вимірювання шуму на робочих місцях повинно проводитись не менше одного разу на рік.