Под шумом как гигиеническим фактором принято подразумевать совокупность звуков различной частоты и интенсивности, воспринимаемых органами слуха человека и вызывающих неприятное субъективное ощущение.
Шум как физический фактор представляет собой волнообразно распространяющееся механическое колебательное движение упругой среды (воздуха), носящее, как правило, беспорядочный, случайный характер. При этом источником его является любое колеблющееся тело, выведенное из устойчивого состояния внешней силой.
Процесс распространения колебательного движения в среде называется звуковой волной, а область среды, в которой она распространяется, — звуковым полем.
Характер производственного шума зависит от вида его источников: механический — в результате работы различных механизмов с неуравновешенными массами вследствие их вибрации, а также одиночных или периодических ударов в сочленениях деталей сборных единиц или конструкций в целом; ударный — ковка, клепка; аэродинамический — при движении воздуха по трубопроводам, вентиляционным системам или вследствие стационарных или нестационарных процессов в газах (истечение сжатого воздуха или газа из отверстий, пульсация давления при движении потоков воздуха или газа в трубах и т. д.); взрывной — при работе двигателей внутреннего сгорания, дизелей.
Звуковые колебания характеризуются скоростью их распространения с и частотой f. При нормальном атмосферном давлении и температуре 273 К (0 °С) скорость звука с = 331 м/с. В расчетах обычно принимают с = 340 м/с, что соответствует температуре воздуха около 290 К (17 °С)
Человеческое ухо воспринимает звуковые колебания с частотой f = 16…20000 Гц. Колебания с частотой ниже 16 Гц (инфразвук) и выше 20000 Гц (ультразвук) не воспринимаются органами с пуха, хотя они в определенной степени оказывают вредное влияние на организм человека.
Обычно параметры шума и вибраций оценивают в октавных или трстьсоктавных диапазонах. Полоса частоты, в которой верхняя граничная частота f2 в два раза больше нижней f1, называется октавнои, т.е. f2/f1 = 2. Для третьеоктавной полосы
f2/f1 = 1,26. В качестве частоты, характеризующей полосу в целом, берется среднегеометрическая частота fcp.г = vfxfj.
Среднегеометрические частоты октавных полос стандартизированы ГОСТ 12.1.003—88 "Шум. Общие требования безопасности" и составляют 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц при соответствующих им граничных частотах 45…90; 90… 180; 180…355; 355…710; 710… 1400; 140G…2800; 2800…5600 и 5600…11200.
При распространении звуковой волны в воздушной среде в каждой точке звукового поля происходят попеременно деформации сжатия и разрежения, что приводит к изменению давления воздуха по сравнению с атмосферным. Разность между атмосферным давлением и давлением в данной точке звукового поля называется звуковым давлением р.
Фазе сжатия соответствует положительное звуковое давление, а фазе разрежения — отрицательное. Таким образом, звуковое давление является функцией времени и координат рассматриваемой точки Причем в каждой точке звуковое давление действует равномерно во все стороны, т. е. является скалярной величиной.
В плоской бегущей волне, т. е. волне, имеющей фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения волны, отношение звукового давления р к колебательной скорости нс зависит от амплитуды колебаний:
где ро — плотность среды, в которой распространяется звуковая волна
Величина p0c зависит только от физических свойств среды и называется удельным акустическим сопротивлением. Так, для воздуха р0с = 41 МПа*с/м, для воды 1,5*105 , а для стали 4,8*106 . Звуковое давление р выражается в паскалях (Па). Человеческое ухо воспринимает шум со звуковым давлением ро = 2*105 Па при f = 1000 Гц — порог слышимости, р = 2*10 2 Па — порог болевого ощущения.
Распространение звуковой волны сопровождается и переносом энергии, которая является функцией звукового давления и колебательной скорости в каждой точке среды. Средний поток звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности, нормальной к направлению распространения звуковой волны, называется интенсивностью звука I и измеряется в Вт/м2. Интенсивность звука, являющаяся векторной величиной, связана со звуковым давлением зависимостью, справедливой при любом фронте волны (плоском, шаровом, цилиндрическом):
, (7.2)
Интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости, при частоте 1000 Гц составляет I0 = 10 12 Вт/м2, а соответствующая порогу болевого ощущения — I = 102 Вт/м2.
Поскольку изменение интенсивности звука и звукового давления, слышимого человеком, огромно и составляет соответственно 1014 и 107 раз, то оперировать такими цифрами крайне неудобно. Следует учитывать также, что слуховой аппарат человека способен регистрировать не разность абсолютных величин, а кратность их изменения на 12,4%. Для характеристики акустического феномена принята специальная измерительная система интенсивности звука и звукового давления, учитывающая приближенную логарифмическую зависимость между раздражением и слуховым восприятием, а именно шкала логарифмических единиц — децибелов (дБ), в которых измеряют уровни I и р.
Уровень интенсивности звука LI в этом случае определяется по формуле (в дБ)
, (7.3)
а уровень звукового давления — по формуле
, (7.4)
Подставив значения порога слышимости и порога болевого ощущения в эти формулы, получим, что изменение I и р составляет всего 140 дБ.
Величина уровня звукового давления используется для измерения шума и оценки его воздействия на организм человека, поскольку органы слуха человека чувствительны не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению. Значения уровня интенсивности используют в акустических расчетах, принимая во внимание, что LI = Lp. Поэтому в дальнейшем уровни будут приводиться без индексов.
Разница уровней, составляющая 1 дБ, соответствует минимальной величине, различимой слухом, при этом интенсивность звука изменится в 1,26 раза, или на 26%. Если же разница уровней составит 3 дБ, то интенсивность звука изменится уже в 2 раза.
Шум, являющийся сложным звуком, можно разложить на простые составляющие, графическое изображение которых называется спектром. В зависимости от характера спектр шума может быть различным.
По величине интервалов между составляющими его звуками различают дискретный (линейчатый) с большими интервалами, сплошной с бесконечно малыми интервалами и смешанный, характеризующийся отдельными пиковыми дискретными составляющими на фоне сплошного спектра (рис. 7.1). Производственные шумы чаще всего имеют смешанный спектр.
Pис. 7.1. Чипы шумовых спектров: а — дискретный (линейчатый); б — сплошной, в — смешанный
Исходя из характера спектра в соответствии с ГОСТ 12.1.003-88, шумы подразделяются на широкополосные — с непрерывным спектром шириной более одной октавы и тональные, в спектре которых имеются слышимые дискретные тона. По частоте шумы подразделяются на низкочастотные, если максимальные уровни звукового давления лежат в области низких частот (до 350 Гц), среднечастотные (максимум в диапазоне частот 350…800 I ц) и высокочастотные (максимум выше 800 Гц).
По временным характеристикам шумы следует подразделять на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется незначительно, и непостоянные, которые, в свою очередь, подразделяются на: колеблющиеся (L непрерывно изменяется во времени); прерывистые — уровень звука их резко падает до фонового значения, причем длительность интервалов, в течение которых L остается постоянным и превышающим уровень фонового шума, составляет 1 с и более; импульсные, состоящие из одного или нескольких сигналов с длительностью каждого менее 1 с. Наибольшую опасность для человека представляют тональные высокочастотные непостоянные шумы.