Шумовое воздействие

Звуком называют волновые процессы, представляющие собой распространение колебаний частиц упругой среды - газа, жидкости или твердого тела.

Биологическое понятие звука объединяет колебания и волны, воспринимаемые органом слуха человека. Для человеческого уха спектр слышимых звуковых колебаний лежит в диапазоне частот примерно от 15 - 20 Гц до 20 кГц, будучи различным у разных людей в зависимости от индивидуальных способностей и специфики возраста.

Физическое понятие звука включает колебания упругих сред с любыми частотами в интервале от 0 до 10¹³ Гц. Колебания с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком. В природе встречаются инфразвуковые колебания с частотами в тысячные доли Гц. Примером могут служить сейсмические волны, возникающие в земной коре. По характеру их распространения можно изучать строение земной коры и проводить разведку полезных ископаемых. Характерным примером инфразвуковых волн является эффект, получивший наименование “голоса моря”. При обдуве штормовым ветром морских волн возникают инфразвуковые колебания с частотой от десятых долей до нескольких Гц. Распространяясь со скоростями, значительно превышающими скорость штормового ветра, эти инфразвуковые колебания служат сигналом о приближающемся шторме.

Колебания упругих сред с частотами более 20 кГц называют ультразвуком. Ультразвук также не вызывает слуховых ощущений. Колебания упругих сред с частотами в диапазоне 10⁹ - 10¹³ Гц называют гиперзвуком. Верхняя граница частоты гиперзвуковых волн имеет ограничения, обусловленные атомно-молекулярным строением сред. Длина волны упругих колебаний в газах должна быть больше длины свободного пробега молекул. Вычисленный на основе этих соображений верхний предел частот гиперзвука в газах равен примерно 10⁹ Гц.

Соответственно, длина волны упругих колебаний в твердых телах и жидкостях должна превышать удвоенное межатомное или межмолекулярное расстояние, поэтому верхний предел частоты гиперзвука в этих средах лежит в пределах 10¹² - 10¹³ Гц. Гиперзвуковые колебания в кристаллах часто описывают на основе представления о квазичастицах, называемых фононами.

Органы слуха человека обладают наибольшей чувствительностью в диапазоне частот примерно от 700 до 6000 Гц. Минимальная сила звука, которую способно воспринимать человеческое ухо в этом диапазоне, составляет примерно 10^-12 – 10^-11 Вт/м².

Порогом слышимости называется наименьшая интенсивность звуковой волны, которая может быть воспринята органами слуха. Стандартный порог слышимости принимается равным J _o = 10^-12 Вт/м² при частоте f _o = 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, изменяясь от 0,1 Вт/м² при частоте 6000 Гц до 10 Вт/м² при низких и высоких частотах.

Во внутреннем ухе находится ушная улитка спиральной формы, наполненная жидкостью и механически связанная с барабанной перепонкой. Содержащийся в ушной улитке нерв преобразует механические колебания в биоэлектрические сигналы, поступающие в соответствующий центр мозга, где они воспринимаются нами как звуковые ощущения.

Источниками звуковых колебаний могут служить разнообразные процессы в колебательных (музыкальные инструменты, человеческий голос, паровые и пневматические свистки и т.д.) или вращательных системах (ротор электрогенератора или двигателя и т.п.), электроакустических преобразователях (телефоны, громкоговорители) и т.д., вызывающие возмущение упругой среды.

В случае периодических колебаний скорость распространения звука v в упругой среде связана с длиной волны l, частотой f и периодом T известным соотношением

v .

Звуковая энергия складывается из кинетической энергии колеблющихся частиц и потенциальной энергии упругой деформации среды. Плотностью звуковой энергии называют звуковую энергию единицы объема упругой среды. Поток звуковой энергии (звуковая мощность) определяется как энергия, переносимая в единицу времени через площадку единичной площади, перпендикулярную направлению распространения звуковых колебаний. Интенсивность звука (сила звука) J – это средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной в единицу времени через площадку единичной площади, перпендикулярную направлению распространения звуковых колебаний.

Помимо указанных выше характеристик акустических величин часто пользуются отношением измеряемой величины к стандартному порогу слышимости. Например, вводится понятие относительного уровня интенсивности (силы звука):

Единицей измерения относительного уровня служит бел (Б), определяемый как десятичный логарифм отношения интенсивностей при J / J _о = 10. Применяется также и другая единица измерения относительного уровня – децибел (дБ): 1 дБ = 0,1 Б. При относительном уровне в 0,1 Б , следовательно . В случае измерения относительного уровня в децибелах формулу для относительного уровня записывают в виде

.

Иногда применяется измерение относительного уровня в неперах (Нп). При этом формула для относительного уровня записывается с использованием натурального логарифма:

.

Когда разность уровней составляет 1 Б, т.е. J / J _о = 10, , поэтому 1 Б = 2,303 Нп.

Ударная волна представляет собой переходную область в среде, в которой наблюдается резкое возрастание плотности вещества, давления и скорости частиц вещества, распространяющуюся со сверхзвуковой скоростью. Ударные волны возникают при взрывах, мощных электрических разрядах, сверхзвуковом движении тел и т.д. Распространение ударной волны сопровождается звуковыми колебаниями большой амплитуды.

Воспринимаемые органами слуха звуковые непериодические колебания с непрерывным спектром воспринимаются человеком как шумы. Интенсивность шумов может быть самой разной, от шелеста листьев до шума грозового разряда.

В окружающем мире вне зависимости от присутствия человека всегда имеют место шумы естественного происхождения с весьма широким спектральным диапазоном от инфразвука до ультразвука и гиперзвука. Примерами шумов естественного происхождения являются шумы морского прибоя, горного обвала, грозового разряда, извержения вулкана, ветра в лесу, низвергающегося водопада и т.д. Шумы естественного происхождения чрезвычайно разнообразны и не поддаются подробному описанию в полной мере.

К источникам шумов техногенного происхождения относятся все применяемые в современной технике механизмы, оборудование и транспорт.

Негативное воздействие шумов, в особенности, техногенного происхождения, на организм человека проявляется в специфическом поражении слухового аппарата и неспецифических изменениях, происходящих в других органах и системах организма.

В медицине существует специальный термин “шумовая болезнь”, обозначающий общий синдром, возникающий в результате угнетающего воздействия шумов на человека. При этом может возникнуть гипертония (или гипотония) и другие расстройства.

При воздействии шумов на человека имеют значение их уровень, характер, спектральный состав, продолжительность действия и индивидуальная чувствительность к шумовому воздействию. В результате продолжительного воздействия шумов высокой интенсивности могут возникать расстройства деятельности нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, желудочно-кишечного тракта, прогрессирующая тугоухость, обусловленная невритом органов слуха. При профессиональной тугоухости происходит нарушение восприятия звука в диапазоне частот от 4000 до 8000 Гц. Неспецифическое действие шума иногда возникает раньше, чем поражение слуха, и проявляется в форме астении, неврозов, нарушения функций вегетативной нервной системы, вестибулярного аппарата.

Установлена прямая зависимость между числом нервных заболеваний и возрастающим уровнем городского шума. Чрезвычайно вредное воздействие на человека оказывает инфразвук. При уровне силы звука более 100 дБ на частотах 2 – 5 Гц наблюдается осязаемое движение барабанных перепонок, головная боль, затрудненное глотание. При повышении уровня до 125 дБ и более могут возникать вибрация грудной клетки, летаргия.

Установлено, что инфразвук с частотами 15 – 20 Гц вызывает чувство страха. Ввиду большой длины волны инфразвуковых колебаний, отрицательное воздействие инфразвука на организм человека проявляется на значительных расстояниях от источника.

Производственный и бытовой шум вызывает усталость, раздражение, снижает трудоспособность, сосредоточенность и т.д. С другой стороны, шум морских волн, шелест листьев, пение птиц и другие источники звука природного происхождения успокаивающе действуют на человека.

В случае воздействия интенсивных шумов с уровнем силы звука до 130 дБ возникают болевые ощущения, а при уровне более 140 дБ происходит поражение слухового аппарата. Пределом переносимости интенсивного шума считается уровень около 154 дБ. При этом появляется удушье, сильная головная боль, нарушение зрительного восприятия, тошнота.

Наибольшее шумовое воздействие на окружающую среду оказывает автотранспорт (80% от общего шума). В настоящее время на автострадах Москвы, Санкт-Петербурга и других наиболее крупных городов России уровень шума от автомобильного транспорта в дневное время достигает 90 – 100 дБ и даже ночью в некоторых районах не опускается ниже 70 дБ. При этом предельно допустимым уровнем шума в ночное время считается 40 дБ.

Официальные данные свидетельствуют, что в России примерно 35 млн. человек подвержены воздействию транспортного шума, существенно превышающего нормативы. Шумовое воздействие в крупных индустриальных городах мира – одна из наиболее острых экологических проблем современности. Подсчитано, что более половины населения Западной Европы проживает в районах, где уровень шума составляет 55 – 70 дБ.

Шумовое антропогенное воздействие небезразлично и для животных. Ряд наблюдений свидетельствует, что интенсивное шумовое воздействие ведет к снижению удоев у коров, яйценоскости кур, потере способности к ориентированию у пчел и гибели их личинок, преждевременной линьке у птиц, преждевременным родам у млекопитающих и т.д.

При разработке или выборе методов защиты окружающей среды от шумового воздействия используется целый комплекс мероприятий. К ним относится, в частности, проведение предварительных акустических расчетов и измерений; их сравнение с нормативами допустимых шумовых характеристик, определение безопасных и опасных зон.

Звукопоглощением называют процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук. Процесс звукопоглощения в средах сопровождается уменьшением амплитуды звуковых волн с расстоянием в среде и характеризуется дисперсией, т.е. существенной зависимостью коэффициента поглощения от частоты звука. Коэффициент поглощения растет с увеличением частоты звуковых колебаний.

В качестве звукопоглощающих используются материалы, в которых поглощение осуществляется за счет вязкого трения воздуха в порах (волокнистые пористые материалы), в результате чего кинетическая энергия звуковой волны переходит в тепловую энергию материала. Это типичный пример диссипативной структуры. Ко второму виду звукопоглощающих материалов относятся материалы, в которых помимо вязкого трения в порах происходят потери энергии, обусловленные деформацией нежесткой основы (войлок, древесноволокнистые плиты, минеральная вата и т.п.). К третьей разновидности относятся панельные материалы, звукопоглощение в которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых ее участков (фанерные щиты, плотные шторы и т.п.).

Слоистые поглотители выполняются в виде определенного числа слоев из звукопроницаемых материалов, разделенных воздушными промежутками.

Большое значение имеет снижение шумовых характеристик оборудования и выбор оптимального режима работы, а также организационно-технические мероприятия по профилактике и своевременному ремонту оборудования.

Дата добавления: 2015-08-03