Физиологические характеристики шума. Акустика

В среде, которая обладает массой и упругостью, любое механическое возмущение создает шум. Без наличия упругой среды распространения звука не происходит. Чем плотнее среда, тем больше будет сила звука. Например, в сгущенном воздухе звуки передаются с большей силой, чем в разреженном.

Звук - это волнообразно распространяющиеся механические колебания упругой среды.

Шум - специфическая форма звука, нежелательная для человека, мешающая ему в данный момент работать, нормально разговаривать или отдыхать.

Основными физическими параметрами, характеризующими звук как колебательное движение, являются скорость, длина и амплитуда волны, частота, сила и акустическое давление.

Скорость звука - это расстояние, на которое в упругой среде распространяется звуковая волна в единицу времени. Скорость звука зависит от плотности и температуры среды.

Звуки различной частоты, будь то пронзительный свист или глухое рычание, распространяются в одной и той же среде с одинаковой скоростью.

Скорость звука является некоторой константой, характерной для данного вещества. Скорость распространения звука в воздухе (при 0°С) составляет 340 м/с, в воде - 1450 м/с, в кирпиче - 3000 м/с, в стали - 5000 м/с.

С изменением температуры среды изменяется скорость звука. Чем выше температура среды, тем с большей скоростью в ней распространяется звук. Так, на каждый градус увеличения температуры скорость звука в газах возрастает на 0,6 м/с, в воде - на 4,5 м/с.

В воздухе звуковые волны распространяются в виде расходящейся сферической волны, которая заполняет большой объем, так как колебания частиц, вызванные источником звука, передаются значительной массе воздуха. Однако с увеличением расстояния колебания частиц среды ослабевают.

Ослабление звука зависит также от его частоты. Звуки высоких частот поглощаются в воздухе больше, чем звуки низких частот.

Возможна субъективная оценка производственного шума. На рис. показана зависимость уровня звукового давления от расстояния.

Рис. График субъективной оценки шума: 1 - очень громкий разговор; 2 - громкий разговор; 3 - повышенный голос; 4 - нормальный голос

По этой зависимости можно ориентировочно установить величину уровня звукового давления, если два человека, находящихся в цехе, достаточно хорошо слышат и понимают речь при разговоре между собой. Например, если разговор нормальным голосом можно вести на расстоянии 0,5 м друг от друга, то это означает, что величина шума не превышает 60 дБ; на расстоянии 2,5 м при этой величине уровня звукового давления будет услышана и понятна только громкая речь.

Источники шума обладают определенной направленностью излучения. Наличие в атмосфере слоев воздуха с различной температурой приводит к преломлению звуковых волн.

Днем, когда температура воздуха с высотой уменьшается, звуковые волны от источника, расположенного вблизи поверхности земли, загибаются кверху и на некотором расстоянии от источника звук не слышен.

Если же с высотой температура воздуха повышается, звуковые волны загибаются книзу и звук доходит до более отдаленных точек земной поверхности. Этим объясняется тот факт, что ночью, когда верхние слои воздуха нагреваются за день, звук слышен на более далекие расстояния, чем днем, особенно при распространении его над поверхностью воды, почти полностью отражающей звуковые волны вверх.

Когда температура воздуха с высотой изменяется незначительно и ветер отсутствует, то звук распространяется, не испытывая заметного преломления. Например, в зимние морозные дни за несколько километров слышен гудок паровоза, далеко слышен скрип саней, стук топора в лесу и т. п.

Как любое волнообразное движение, звук характеризуется длиной волны. Длиной волны называется расстояние между двумя последовательными гребнями и впадинами.

Амплитудой волны называют расстояние, на которое частица среды отклоняется от своего положения равновесия.

Органы слуха человека воспринимают длины звуковых волн от 20 м до 1,7 см. Сила звука прямо пропорциональна длине звуковой волны.

Частота звука - число колебаний звуковой волны в единицу времени (секунду) и измеряется в Гц.

По частоте звуковые колебания подразделяют на три диапазона:

инфразвуковые колебания с частотой менее 16 Гц;

звуковые - от 16 до 20 000 Гц;

ультразвуковые - более 20 000 Гц.

Органы слуха человека воспринимают звуковые колебания в интервале частот 16 ... 20 000 Гц.

Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный -до 400 Гц, среднечастотный - 400 ... 1000 Гц и высокочастотный -свыше 1000 Гц.

Инфразвуки не воспринимаются органом слуха человека, но могут воздействовать на организм в целом, вызывая тяжелые последствия. Дело в том, что внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний 6 ... 8 Гц.

При воздействии инфразвука этой частоты возникает резонанс, т. е. частота инфразвуковых волн совпадает с собственной (резонансной) частотой внутренних органов, что сопровождается увеличением амплитуды колебаний системы. Человеку кажется, что внутри у него все вибрирует. Кроме того, инфразвуковые колебания обладают биологической активностью, которая объясняется также совпадением их частот с ритмом головного мозга. Инфразвук определенной частоты вызывает расстройство работы мозга, слепоту, а при частоте 7 Гц - смерть.

Основными источниками инфразвука на предприятиях общественного питания могут быть непрерывно работающие машины и механизмы, имеющие число циклов менее 20 в секунду, - механизмы для перемешивания салатов, нарезки свежих и вареных овощей, рыхлители, взбивальные машины и другие виды технологического оборудования, имеющего относительно небольшую частоту вращения основных рабочих органов.

Одна из особенностей инфразвука заключается в том, что он хорошо распространяется на большие расстояния и почти не ослабляется препятствиями. Поэтому при борьбе с ним традиционные методы звукоизоляции и звукопоглощения малоэффективны. В этом случае наиболее приемлем метод борьбы с инфразвуком как вредным производственным фактором в источнике его возникновения.

Ультразвук - упругие волны малой длины с частотой колебаний более 20000 Гц. Специфическая особенность ультразвука заключается в его возможности генерировать пучкообразные волны, которые могут переносить значительную механическую энергию. Эта способность ультразвука нашла широкое применение в различных отраслях промышленности, в том числе и пищевой. Так, например, обработка молока ультразвуком позволяет значительно снизить содержание в нем микрофлоры. Ультразвук используют на предприятиях, производящих животные и растительные жиры, при хлебопекарном и кондитерском производстве, на мясо- и рыбоперерабатывающих заводах, в виноделии и парфюмерии.

Наряду с многочисленными возможностями использования ультразвука в развитии технологических процессов он вредно воздействует на организм человека: вызывает нервные расстройства, головную боль, потерю слуховой чувствительности и даже изменение состава и свойств крови.

Защита от действия ультразвука может быть обеспечена изготовлением оборудования, излучающего ультразвук, в звукоизолирующем исполнении, устройством экранов, в том числе прозрачных, между оборудованием и работающим, размещением ультразвуковых установок в специальных помещениях.

При распространении звуковой волны в воздухе в нем образуются сгущения и разряжения, создающие добавочные давления по отношению к среднему внешнему давлению атмосферы. Именно на это давление, называемое звуковым, или акустическим, реагируют органы слуха человека. Единица измерения звукового давления - Н/м 2 или Па.

Звуковая волна в направлении своего движения несет с собой определенную энергию. Количество энергии, переносимой звуковой волной в единицу времени через площадку в 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения волны, называется силой звука, или интенсивностью звука (I), измеряется в Вт/м 2 .

Максимальные и минимальные звуковые давления и интенсивности звука, воспринимаемые человеком как звук, называют пороговыми.

Орган слуха человека способен различать прирост звука в 0,1 Б, поэтому на практике при измерении уровней звука используют внесистемную единицу децибел (дБ): 0,1 Б = 1дБ.

Увеличение шума на 1 дБ дает прирост звуковой энергии в 1,26 раза. Сравнивая силу двух шумов, например 10 и 20 дБ, нельзя сказать, что интенсивность второго в два раза больше первого. В действительности она будет больше в 10 раз.

Шкала громкости, воспринимаемая органом слуха человека, -от 1 до 130 дБ.

Давление звуковой волны на пороге болевого ощущения (130 дБ) равно примерно 20 Па.

Для лучшего представления уровня звука как силы слухового ощущения в децибелах можно привести следующие примеры: при

f= 1000 Гц нормальная разговорная речь соответствует 40 дБ, работа мотора легкового автомобиля - 50 дБ, двигателя самолета -100 ... 110 дБ, шум магистральных улиц и площадей городов-60 дБ.

Физиологическое воздействие шума на организм человека зависит от спектра и характера звука.

Спектр - это графическое изображение разложения уровня звукового давления по частотным составляющим. Спектральные характеристики помогают определить наиболее вредные звуки и разработать мероприятия по борьбе с производственным шумом.

Различают три вида спектров шума: дискретный или тональный, сплошной или широкополостный и смешанный.

Дискретный (от лат. discretus- раздельный, прерывистый) спектр (рис. а) характеризует непостоянный звук, когда из общего уровня резко выделяются отдельные частоты, а на некоторых частотах вообще отсутствует какой-либо звук.

Рис. Спектры шума: а - дискретный; б - сплошной; в - смешанный

Дискретный спектр характерен, например, для шума, издаваемого сиреной спецмашин, пилой и т. п.

Сплошной спектр (рис. б) является совокупностью уровней звукового давления, близко расположенных друг к другу частот, когда на каждой частоте присутствует уровень звукового давления.

Этот спектр шума характерен для работы реактивного двигателя, двигателей внутреннего сгорания, выхлопе газов, истечении воздуха через узкое отверстие и т. п.

Смешанный спектр (рис. в) - это спектр, когда на фоне сплошного шума имеются дискретные составляющие.

На предприятиях чаще всего имеют место смешанные спектры -это шум технологического оборудования, вентиляторов, компрессоров и т. п.

По характеру шум может быть стабильным и импульсным.

Стабильный шум характеризуется постоянством уровней звукового давления, а для импульсного характерно быстрое изменение уровня звукового давления во времени на порядок 8 ... 10 дБ/с. Импульсный шум воспринимается как отдельные, следующие друг за другом удары; его воздействие на организм человека носит более агрессивный характер, чем стабильный шум.

Под шумом понимают совокупность разных по силе и частоте звуков, возникающих в результате колебательного движения частиц в упругих средах (твердых, жидких, газообразных). Шум возникает при механических колебаниях в твердых, жидких и газообразных средах. Механические колебания в диапазоне частот 16…20 000 Гц воспринимаются слуховым органом человека в виде звука. Колебания с частотой ниже 16 Гц (инфразвук) и выше 20 000 Гц (ультразвук) не вызывают слуховых ощущений, но оказывают биологическое воздействие на организм человека. Звук характеризуется

частотой интенсивностью и звуковым давлением Скорость распространения звуковых волн в воздухе при t = 20°C равна 343 м/с, в стали - 5 000 м/с, в бетоне - 4 000 м/с.

Часть пространства, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

При звуковом колебании среды колебаться ее элементарные частички относительно начального своего положения. Во время колебаний в воздухе появляются области разряжения и области повышенного давления, которые определяют величину звукового давления как разность давлений в возмущенной и невозмущенной воздушной среде.

Слуховой аппарат человека обладает не одинаковой чувствительностью к звукам различной частоты. Минимальное звуковое давление и минимальная интенсивность звуков, воспринимаемых ухом человека определяют порог слышимости .

За эталонный принят звук с частотой 1000 Гц. При этой частоте порог слышимости по интенсивности составляет, а соответствующее ему звуковое давление -. Верхняя граница звуков, воспринимаемых человеком принимается за, так называемый, порог болевого ощущения , который составляет 120…130 дБ. При частоте 1000 Гц порог болевого ощущения возникает при и. Между порогом слышимости и болевым порогом лежит область слышимости (слухового восприятия).

Вибрация - это механические колебания и волны в твердых телах.

По способу передачи на человека вибрация подразделяется на локальную и общую.

Локальная вибрация передается через руки человека, воздействует на ноги сидящего человека, предплечья, контактирующие с вибрирующими поверхностями.

Общая вибрация передается через опорные поверхности на тело стоящего или сидящего человека.

Источниками локальной вибрации, передающейся на работающих, могут быть: ручные машины с двигателем или ручной механизированный инструмент; органы управления машинами и оборудованием; ручной инструмент и обрабатываемые детали.

Общая вибрация в зависимости от источника ее возникновения подразделяется на: общую вибрацию I категории - транспортную, воздействующую на человека на рабочем месте в самоходных и прицепных машинах, транспортных средствах при движении по местности, дорогам и агрофонам; общую вибрацию II категории - транспортно-технологическую, воздействующую на человека на рабочих местах в машинах, перемещающимися по специально подготовленным поверхностям производственных помещений, промышленных площадок, горных выработок; общую вибрацию III категории - технологическую, воздействующую на человека на рабочем месте у стационарных машин или передающуюся на рабочем месте, не имеющую источников вибрации.

Общая вибрация III категории по месту действия подразделяется на следующие типы: IIIа - на постоянных рабочих местах производственных помещений предприятий; IIIб - на рабочих местах складов, столовых, бытовых, дежурных и других вспомогательных производственных помещений, где нет машин, генерирующих вибрацию; IIIв - на рабочих местах в административных и служебных помещениях заводоуправления, конструкторских бюро, лабораториях, учебных пунктах, вычислительных центрах, здравпунктах, конторских помещениях и других помещениях работников умственного труда.

По временным характеристикам вибрация подразделяется на: а) постоянную , для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяется не более чем в два раза (6 дБ) при изменении с постоянной времени в 1 с; б) непостоянную вибрацию , для которой спектральный или корректированный по частоте нормируемый параметр за время наблюдения (не менее 10 минут или время технологического цикла) изменяется более чем в раза (6 дБ) при изменении постоянного времени в 1 с.

1. Характеристики слухового ощущения, их связь с физическими

характеристиками звука. Зависимость громкости от частоты.

Закон Вебера-Фехнера.

Звуковой тон характеризуется частотой (периодом), гармоническим спектром, интенсивностью или силой звука и звуковым давлением. Все эти характеристики звука являются физическими или объективными характеристиками. Однако звук является объектом слухового ощущения, поэтому оценивается человеком субъективно, т.е. звук имеет и физиологические характеристики, которые являются отражением его физических характеристик. Задачей системы звуковых измерений является - установить эту связь и таким образом дать возможность при исследовании слуха у различных людей единообразно сопоставить субъективную оценку слухового ощущения с данными объективных измерений.

Частота колебаний звуковой волны оценивается как высота звука (высота тона). Чем больше частота колебаний, тем более высоким воспринимается звук.

Другой физиологической характеристикой является тембр, который определяется спектральным составом сложного звука. Сложные тоны одинаковых основных частот могут отличатся по форме колебаний и соответственно по гармоничному спектру. Это различие воспринимается как тембр (окраска звука). Например, ухо различает одну и ту же мелодию, воспроизведенную на разных музыкальных инструментах.

Громкость – ещё одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения. Она зависит, прежде всего, от интенсивности и частоты звука.

Рассмотрим вначале зависимость чувствительности уха от частоты. Ухо человека не одинаково чувствительно к различным частотам при одной и той же интенсивности. Диапазон частот воспринимаемый им – 16Гц-20кГц. Способность человека воспринимать высокочастотные звуки ухудшается с возрастом. Молодой человек может слышать звуки с частотой до 20 000 Гц, но уже в среднем возрасте тот же человек не способен воспринимать звуки с частотой выше 12-14 кГц. В пределах частоты 1 000-3 000 Гц чувствительность наибольшая. Она снижается к частотам 16 Гц и 20 кГц. Очевидно, что характер изменения порога слышимости обратен изменению чувствительности уха, т.е. при увеличении частоты от 16 Гц, он вначале снижается, в области частот 1000-3000 Гц остается почти неизменным, затем опять повышается. Это отражено на графике зависимости изменения порога слышимости от частоты (см. рис.1).

График построен в логарифмическом масштабе. Верхняя кривая на графике соответствует болевому порогу. Нижний график называют кривой порогового уровня громкости, т.е. J 0 = f(ν).

Громкость звука зависит от его интенсивности. Она является субъективной характеристикой звука. Эти два понятия являются неравнозначными. Зависимость громкости от интенсивности звука имеет сложный характер, обусловленный чувствительностью уха к действию звуковых волн. Человек может только приблизительно оценить абсолютную интенсивность ощущения. Однако он достаточно точно устанавливает разницу при сравнении двух ощущений различной интенсивности. Это вызвало появление сравнительного метода измерения громкости. При этом измеряют не абсолютную величину громкости, а соотношение ее с некоторой другой величиной, которая принята за начальный или нулевой уровень громкости.

Кроме этого условились при сравнении интенсивности и громкости звука исходить из тона, с частотой 1 000 Гц, т.е. считать громкость тона частотой 1 000 Гц эталоном для шкалы громкости. Как уже было сказано, сравнительный метод применяется и при измерении интенсивности (силы) звука. Поэтому имеются две шкалы: одна для измерения уровней интенсивности; вторая - для измерения уровней громкости. В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера-Фехнера. Согласно этому закону, если увеличивать раздражение в геометрической прогрессии (т.е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (на одинаковую величину). Например, если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений: a J 0 , a 2 J 0 , a 3 J 0 (a>1 - некоторый коэффициент), то соответствующие им изменения громкости звука будут равны Е 0 , 2Е 0 , 3Е 0 . Математически это означает, что громкость звука прямопропорциональна логарифму интенсивности.

Если действует звуковой раздражитель с интенсивностью J, то на основании закона Вебера-Фехнера уровень громкости Е связан с уровнем интенсивности следующим образом:

Е = КL = Кlg , (1)

где - относительная сила раздражения, К - некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности, принятый равный единице для ν =1000 Гц. Следовательно, если принять К=1 на всех частотах, то в соответствии с формулой (1) мы получим шкалу уровней интенсивностей; при К≠1 - шкалу громкости, где единицей измерения будет уже не децибел, а фон . Учитывая, что на частоте 1кГц шкалы громкости и интенсивности совпадают, значит Е ф =10 .

Зависимость громкости от интенсивности и частоты колебаний в системе звуковых измерений определяется на основании экспериментальных данных при помощи графиков, которые называются кривыми равной громкости, т.е. J=f(ν) при Е = const. Нами была построена кривая нулевого уровня громкости или порога слышимости . Эта кривая является основной (нулевой уровень громкости - Е ф =0).

Если построить аналогичные кривые для различных уровней громкостей, например, ступенями через 10 фонов, то получится система графиков (рис.2), которая дает возможность найти зависимость уровня интенсивности от частоты при любом уровне громкости. Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом. Нижняя кривая соответствует порогу слышимости, т.е. для всех частот Е ф =0 (для частоты ν=1кГц интенсивность J 0 = Вт/м 2). Исследование остроты слуха называется аудиометрией. При аудинометрии на специальном приборе аудиометре определяют у обследуемого порог слухового ощущения на разных частотах. Полученный график называют аудиограммой. Потеря слуха определяется путем сравнения ее с нормальной кривой порога слышимости.

2. Звуковые методы исследования в клинике.

Звуковые явления сопровождают ряд процессов, происходящих в организме, например, работа сердца, дыхание и т.д. Непосредственное выслушивание звуков, возникающих внутри организма, составляют один из важнейших приемов клинического исследования и называются аускультацией (выслушивание). Этот метод известен еще со 2-го века до н. э. Для этой цели используют стетоскоп - прибор в виде прямой деревянной или пластмассовой трубки с небольшим раструбом на одном конце и плоским основанием на другом для прикладывания уха. Звук от поверхности тела к уху проводится как самим столбом воздуха, так и стенками трубки.

Для аускультации используют фонендоскоп, состоящий из полой капсулы с мембраной, прикладываемой к телу больного. От капсулы идут две резиновых трубки, которые вставляются в уши врача. Резонанс столба воздуха в капсуле усиливает звук.

Для диагностики состояния сердечно-сосудистой системы применяется метод - фонокардиография (ФКГ) - графическая регистрация тонов и шумов сердца с целью их диагностической интерпретации. Запись производится с помощью фонокардиографа, состоящего из микрофона, усилителя, системы частотных фильтров и регистрирующего устройства.

Отличным от двух указанных методов является перкуссия - метод исследования внутренних органов посредством постукивания по поверхности тела и анализа возникающих при этом звуков. Характер этих звуков зависит от способа постукивания и свойств (упругости, плотности) тканей, находящихся вблизи места, по которому производится постукивание. Постукивание может производится специальным молоточком с резиновой головкой, пластинкой из упругого материала, называемой плессиметром, или постукиванием кончиком согнутого пальца одной руки по фаланге пальца другой, наложенной на тело человека. При ударе по поверхности тела возникают колебания, частоты которых имеют широкий диапазон. Одни колебания быстро будут затухать, другие, вследствие резонанса, усилятся и будут слышны. По тону перкуторных звуков определяют состояние и топографию внутренних органов.

3. Ультразвук (УЗ), источники УЗ. Особенности распространения ультразвуковых волн.

Ультразвуком называют звуковые колебания, частота которых занимает диапазон от 20 кГц до 10 10 Гц. Верхний предел принят совершенно условно из таких соображений, что длина волны в веществе и тканях для такой частоты оказывается соизмерима с межмолекулярными расстояниями с учетом того, что скорость распространения УЗ в воде и тканях одинакова. Смещение в УЗ волне описывается ранее рассмотренным уравнением волны.

Наибольшее распространение как в технике, так и в медицинской практике получили пьезоэлектрические излучатели УЗ. Пьезоэлектрическим излучателями служат кристаллы кварца, титаната бария, сегнетовой соли и др. Пьезоэффектом (прямым) называют явление возникновения на поверхностях упомянутых кристаллических пластинок противоположных по знаку зарядов под действием механических деформаций (рис.3а). После снятия деформации заряды исчезают.

Существует и обратный пьезоэффект, который нашел применение и в медицинской практике для получения высокочастотного УЗ. Если на посеребренные грани поверхности пластинки пьезоэлемента (рис.3б) подать переменное напряжение от генератора, то кварцевая пластинка придет в колебание в такт переменного напряжения генератора. Амплитуда колебаний будет максимальной, когда собственная частота кварцевой пластинки (ν 0) совпадает с частотой генератора (ν г), т.е. наступит резонанс (ν 0 = ν г). Приемник УЗ можно создать на основе прямого пьезоэлектрического эффекта. При этом под воздействием УЗ-волн происходит деформация кристалла, что приводит к появлению переменного напряжения, которое может быть измерено или зафиксировано на экране электронного осциллографа после предварительного его усиления.

Ультразвук может получатся с помощью аппаратов, основанных на явлении магнитострикции (для получения низких частот), которая заключается в изменении длины (удлинении и укорочении) ферромагнитного стержня, помещенного в высокочастотное магнитное поле. Торцы этого стержня будут излучать низкочастотный УЗ. Кроме указанных источников УЗ имеются механические источники (сирены, свистки), в которых механическая энергия преобразуется в энергию УЗ колебаний.

По своей природе УЗ, как и звук, является механической волной, распространяющейся в упругой среде. Скорости распространения звуковых и ультразвуковых волн примерно одинаковы. Однако длина волны УЗ значительно меньше, чем звука. Это позволяет легко сфокусировать УЗ колебания.

Ультразвуковая волна обладает значительно большей интенсивностью, чем звуковая, вследствие большой частоты она может достигать нескольких Ватт на квадратный сантиметр (Вт/см 2), а при фокусировке можно получить УЗ с интенсивностью 50 Вт/см 2 и более.

Распространение УЗ в среде отличается (благодаря малой длине волны) и другой особенностью - жидкости и твердые тела представляют собой хорошие проводники УЗ, а воздух и газ - плохие. Так, в воде при прочих равных условиях УЗ затухает в 1 000 раз слабее, чем в воздухе. При распространении УЗ в неоднородной среде возникает отражение его и преломление. Отражение УЗ на границе двух сред зависит от соотношения их волновых сопротивлений. Если УЗ в среде с w 1 = r 1 J 1 падает перпендикулярно на плоскую поверхность второй среды с w 2 = r 2 J 2 , то часть энергии пройдет через граничную поверхность, а часть отразится. Коэффициент отражения будет равен нулю, если r 1 J 1 = r 2 J 2 т.е. УЗ-энергия не будет отражаться от границы раздела поверхностей, а будет переходить из одной среды в другую без потерь. Для границ раздела воздух-жидкость, жидкость-воздух, твердое тело-воздух и наоборот коэффициент отражения будет равен почти 100%. Объясняется это тем, что воздух имеет очень малое акустическое сопротивление.

Вот поэтому во всех случаях связи излучателя УЗ с облучаемой средой, например, с телом человека, необходимо строго следить, чтобы между излучателями и тканью не было даже минимального воздушного слоя (волновое сопротивление биологических сред в 3000 раз больше волнового сопротивления воздуха). Чтобы исключить воздушный слой, поверхность УЗ излучателя покрывается слоем масла или оно наносится тонким слоем на поверхность тела.

При распространении УЗ в среде возникает звуковое давление, которое колеблется, принимая положительное значение в области сжатия и отрицательное в следующей за ней области разряжения. Так, например, при интенсивности ультразвука 2 Вт/см 2 в тканях человека создается давление в области сжатия + 2,6 атм., которое в следующей области переходит в разряжение - 2,6 атм. (рис.4). Сжатие и разряжение, создаваемые ультразвуком, приводят к образованию разрывов сплошной жидкости с образованием микроскопических полостей (кавитация). Если этот процесс происходит в жидкости, то пустоты заполняются парами жидкости или растворенными в ней газами. Затем на месте полости образуется участок сжатия вещества, полость быстро захлопывается, выделяется значительное количество энергии в малом объеме, что приводит к разрушению микроструктур вещества.

4. Медико-биологическое применение ультразвука.

Медико-биологическое действие УЗ весьма разнообразно. До настоящего времени нельзя еще дать исчерпывающего объяснения действия УЗ на биологические объекты. Не всегда легко выделить из многочисленных эффектов, вызываемых УЗ, основные. Тем не менее, показано, что при облучении УЗ биологических объектов необходимо считаться в основном со следующими действиями УЗ:

тепловое; механическое действие; косвенное, в большинстве случаев, физико-химическое действие.

ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ УЗ имеет важное значение, т.к. процессам обмена веществ в биологических объектах свойственна значительная температурная зависимость. Тепловой эффект определяется поглощенной энергией. При этом используются небольшие интенсивности УЗ (около 1 Вт/см 2). Тепловой эффект вызывает расширение тканей, кровеносных сосудов в результате чего усиливается обмен веществ, наблюдается усиление кровотока. Благодаря тепловому действию сфокусированного ультразвука его можно использовать в качестве скальпеля для резки не только мягких тканей, но и костной ткани. В настоящее время разработан метод "сваривания" поврежденных или трансплантируемых костных тканей.

МЕХАНИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ. Механические колебания частиц вещества в ультразвуковом поле могут вызвать положительный биологический эффект (микромассаж тканевых структур). К этому виду воздействия относится и микровибрация на клеточном и субклеточном уровне, разрушение биомакромолекул, разрушение микроорганизмов грибков, вирусов, разрушение злокачественных опухолей, камней в мочевом пузыре и почках. Ультразвук используется для дробления веществ, например, при изготовлении коллоидных растворов, высокодисперсных лекарственных эмульсий, аэрозолей. Путем разрушения растительных и животных клеток из них выделяют биологически активные вещества (ферменты, токсины). УЗ вызывает повреждения и перестройку клеточных мембран, изменение их проницаемости.

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАЗВУКА. Действие ультразвука можно ускорить некоторые химические реакции. Считают, что это связано с активацией УЗ молекул воды, которые затем распадаются, образуя активные радикалы Н + и ОН - .

Медико-биологическое приложение УЗ можно разделить в основном на два направления: диагностика и терапия. К первому относится локационные методы с использованием главным образом импульсного излучения. Это эхоэнцефалография – определение опухолей и отеков мозга.

Локационные методы основаны на отражении УЗ от границы раздела сред с различной плотностью. К этому методу относится и ультразвуковая кардиография – измерение размеров сердца в динамике. УЗ локация используется и в офтальмологии для определения размеров глазных сред. Ультразвуковой эффект Доплера используется для изучения характера движения сердечных клапанов и скорости кровотока.

Весьма большое будущее ультразвуковых голографических методов получения изображения таких органов как почек, сердца, желудка и др.

Ко второму направлению относится ультразвуковая терапия. Обычно применяются УЗ с частотой 800 кГц и интенсивностью 1 Вт/см 2 и меньше. Причем первичными механизмами действия являются механическое и тепловое действие на ткань. Для целей ультразвуковой терапии используется аппарат УТП-ЗМ и др.

5. Инфразвук (ИЗ), особенности его распространения.

Действие инфразвуков на биологические объекты.

Инфразвуком (ИЗ) называют звуковые колебания, верхний диапазон которых не превышает 16 – 20 Гц. Нижний диапазон 10 -3 Гц. Большой интерес представляют ИЗ частотой 0,1 и даже 0,01 Гц. ИЗ входят в состав шумов. Источниками ИЗ являются движение (штормовое) морской или речной воды, шум леса, ветра, грозовые разряды, землетрясение и обвалы, колебания фундаментов зданий, станков, дорог от движущегося транспорта. ИЗ возникает во время вибраций механизмов, при обдувании ветром зданий, деревьев, столбов, при движении человека и животных.

Характерным свойством ИЗ является его малая поглощаемость средами. Поэтому он распространяется на большие расстояния. ИЗ хорошо распространяется в ткани организма человека, особенно в костной ткани. Скорость ИЗ-волн в воздухе 1200 км/ч, в воде 6000 км/ч.

Малая поглощаемость ИЗ позволяет по распространению его в земной коре обнаружить взрывы и землетрясения на большом расстоянии от источника. По измеренным ИЗ колебаниям прогнозируют цунами. В настоящее время разработаны чувствительные приемники ИЗ, с помощью которых, например, удается предсказать шторм за много часов до его наступления.

ИЗ колебания обладают биологической активностью, которая объясняется совпадением их частоты с альфа ритмом головного мозга.

ИЗ частотой 1-7 Гц с интенсивностью в 70 Дб в течение 8-10 мин. облучения вызывают: головокружение, тошноту, затруднение дыхания, чувство угнетения, головную боль, удушье. Все эти факторы усиливаются при повторном воздействии ИЗ. ИЗ определенной частоты может привести к смертельному исходу.

Вибрации механизмов являются источником ИЗ. В связи с неблагоприятным действием вибрации и ИЗ на организм человека, возникает вибрационная болезнь (ВБ). ВБ возникает при длительном воздействии указанных факторов на определенный участок ткани или органа человека и приводит к утомляемости не только отдельных органов, но и всего организма человека. Она приводит вначале к атрофированию мышц рук и других органов, к понижению чувствительности к механическим вибрациям, к появлению судорог пальцев рук, ног и других органов.

Предполагают, что первичный механизм действия ИЗ на организм имеет резонансную природу. Внутренние органы человека имеют собственную частоту колебаний. При воздействии ИЗ с частотой, равной собственной, возникает резонанс, который и вызывает указанные неприятные ощущения, а в некоторых случаях может привести к тяжелым последствиям: остановке сердца или разрыву кровеносных сосудов.

Частота собственных колебаний тела человека в положении лежа – (3 – 4 Гц), стоя – (5 – 12 Гц), грудной клетки – (5 –8 Гц), брюшной полости – (3 – 4 Гц) и других органов соответствуют частоте ИЗ.

Контрольно-измерительные приборы.

Средства индивидуальной защиты от вибрации.

Организационные мероприятия по защите от воздействия вибрации.

Они предполагают применение специальных режимов труда и отдыха для работников виброопасных профессий. В соответствие с ГОСТ 12.1.012-90 допускается увеличение уровня вибрации при условии сокращения времени воздействия на работающих, которое должно составить

t = 480 (V 480 /V ф) 2 ,

где V 480 - нормативное значение виброскорости для 8-ми часового рабочего дня,

V ф - фактическое значение виброскорости.

Во всех случаях время работы с общей вибрацией не должно быть боле 10 мин и локальной — 30мин.

В качестве средств индивидуальной защиты от вибрации при работе с ручным механизированным инструментом применяются рукавицы, перчатки и вкладыши по ГОСТ 12.4 002-74.

Рукавицы изготавливают из хлопчатобумажных и льняных тканей. Ладонная часть изнутри дублируется поролоном. Для защиты от общих вибраций применяют спец обувь по ГОСТ 12.4.024-76 (полу сапоги мужские и женские антивибрационные, которые имеют многослойную резиновую подошву).

Виброизмерительный комплект ИВШ-1 включает: виброизмерительный преобразователь (датчик), измерительный усилитель, полосовые фильтры, регистрирующий прибор. Измерение колебательной скорости проводят на поверхностях рабочего места или на поверхности ручной машины. Измерение общих вибраций проводится по ГОСТ 12.1.043-84, а локальной - по ОСТ 12.1.042-84.

Звук - это упругие колебания в твердой, жидкой или газообразной среде, возникающие вследствие воздействия на эти среды возмущающей силы и воспринимаемые органами слуха живого организма.

Шум - это беспорядочное колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структурой. В быту под шумом понимают различного рода нежелательные акустические колебания, возникающие в процессе выполнения различного рода работ, и мешающие воспроизведению или восприятию речи, нарушающие процесс отдыха и т.д.

Слуховой орган человека (приемник звуковых раздражений) состоит из трех частей: внешнее ухо, среднее ухо и внутреннее ухо.

Звуковые колебания, поступая в наружный слуховой проход и достигая барабанной перепонки, вызывают синхронные ее колебания, которые воспринимаются окончанием слухового нерва. Возникающие в клетках возбуждения затем распространяются по нервам и поступают в центральную нервную систему. Интенсивность ощущений (Ln o)при приеме звука или шума (чувствительность) зависит от интенсивности раздражителя (Ln. р).

Ln o = 10 Ln. р

Так, например, в условиях полной тишины чувствительность слуха максимальна, но она снижается при наличии дополнительного шумового воздействия. Умеренное понижение слуховой чувствительности позволяет организму приспосабливаться к условиям внешней среды и играет защитную роль против сильных и продолжительно действующих шумов.

Заглушение одного звука другим называется маскировкой , которое часто используется на практике для выделения полезного сигнала или подавление нежелательного шума (маскировка посылаемого сигнала на высокочастотных линиях, прием сигналов от искусственных спутников.)

К физическим характеристикам звука относятся: частота, интенсивность (сила звука) и звуковое давление.

Частота колебаний (f=1/T =w/2п) где Т период колебания, w — круговая частота. Единица измерения (Гц).

Ухо человека воспринимает колебательные движения упругой среды как слышимые в диапазоне частот от 20 до 20 000 Гц.

Весь слышимый диапазон частот разбит на 8 октавных полос. Октава--полоса, в которой значение верхней граничной частоты (f1) в два раза больше значения нижней граничной частоты (f2) т.е. f1/f2 = 2. Третьоктавная полоса частот это полоса частот, в которой это соотношение равно f1/f2 = 1,26. Для каждой октавной полосы устанавливается значение среднегеометрической частоты:

Ряд среднегеометрических частот в октавных полосах имеет вид:

63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000 Гц.

Различают :

Низкочастотный спектр -до 300Гц;

Среднечастотным - 300-800Гц;

Высокочастотным свыше 800Гц.

Согласно ГОСТ12.1.003-83 "ССБТ. Шум. Общие требования безопасности" шумы принято классифицировать по спектральным и временным характеристикам.

По характеру спектра шумы подразделяются на:

- широкополосные, с непрерывным спектром шириной более одной октавы;

Тональные,в спектре которых имеются слышимые дискретные тона.

По временным характеристикам шумы подразделяются на:

Постоянные, уровни которых во времени изменяются не более чем на 5дБА (насосные, вентиляционные установки, производственное оборудование);

- непостоянные, уровни которых за восьмичасовой рабочий день изменяются во времени более чем на 5 дБА.

Непостоянные шумы подразделяются на:

Колеблющие во времени, шумы, уровни которых непрерывно меняются во времени;

Прерывистые, шумы, уровни которых резко падают до уровня фонового шума, причем длительность интервалов. в течение которых уровень остается постоянным и превышающим фоновый уровень, составляет 1сек и более;

Импульсные, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 сек. (сигнал искусственного спутника).

Звук как физическое явление характеризуется звуковым давлением P (Па), интенсивностью I (Вт/м 2) и частотой f (Гц).

Звук какфизиологическое явление характеризуется уровнем звука (фоны) и громкостью (сонны).

Распространение звуковых волн сопровождается переносом колебательной энергии в пространстве. Ее количество, проходящее через площадь
1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению распространения звуковой волны, обусловливает интенсивность или силу звука I ,

Вт/м 2 , (7.1)

где Е – поток звуковой энергии, Вт; S – площадь, м 2 .

Ухо человека чувствительно не к интенсивности звука, а к давлению Р , оказываемому звуковой волной, которое определяется по формуле

где F – нормальная сила, с которой звуковая волна действует на поверхность, Н; S – площадь поверхности, на которую падает звуковая волна, м 2 .

Величины интенсивности звука и уровни звукового давления, с которыми приходится иметь дело на практике, изменяются в широких пределах. Колебания звуковых частот могут восприниматься человеческим ухом только при определённой их интенсивности или звуковом давлении. Пороговыезначения звукового давления, при которых звук не воспринимается или звуковое ощущение переходит в болевое ощущение, называются соответственно порог слышимости и порог болевого ощущения.

Порогу слышимости при частоте 1000 Гц соответствует интенсивность звука 10 -12 Вт/м 2 и звуковое давление 2·10 -5 Па. При интенсивности звука 1 Вт/м 2 и звуковом давлении 2·10 1 Па (при частоте 1000 Гц) создается ощущение боли в ушах. Эти уровни называются порогом болевого ощущения и превышают порог слышимости в 10 12 и 10 6 раз, соответственно.

Для оценки шума удобно измерять не абсолютное значение интенсивности и давления, а относительный их уровень в логарифмических единицах, характеризуемый отношением фактически создаваемых интенсивности и давления к их значениям, соответствующим порогу слышимости. По логарифмической шкале увеличение интенсивности и давления звука в 10 раз соответствует приросту ощущения на 1 единицу, названную белом (Б):

, Бел, (7.3)

(9.3)

где I o и Р о - исходные значения интенсивности и звукового давления (интенсивность и давление звука на пороге слышимости).

За исходную цифру 0 (ноль) Бел принята пороговая для слуха величина звукового давления 2·10 -5 Па (порог слышимости или восприятия). Весь диапазон энергии, воспринимаемой слухом как звук, укладывается при этих условиях в 13-14 Б. Для удобства пользуются не белом, а единицей в 10 раз меньшей – децибелом (дБ), которая соответствует минимальному увеличению силы звука, различаемому ухом.

В настоящее время общепринято характеризовать интенсивность шума в уровнях звукового давления, определяемых по формуле

, дБ, (7.4)

где Р - среднеквадратичная величина звукового давления, Па; Р o - исходное значение звукового давления (в воздухе Р o = 2·10 -5 Па).

Третьей важной характеристикой звука, определяющей его высоту, является частота колебаний, измеряемая числом полных колебаний, совершенных в течение 1с (Гц). Частота колебаний определяет высоту звучания: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако в реальной жизни, в том числе и в условиях производства, мы встречаемся чаще всего со звуками частотой от 50 до 5000 Гц. Орган слуха человека реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: возрастание частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона на определенную величину, называемую октавой. Таким образом, октава – диапазон, в которой верхняя граничная частота равна удвоенной нижней частоте.

Такое допущение связано с тем, что при удвоении частоты высота звука изменяется на одну и ту же величину независимо от того, в каком частотном интервале происходит это изменение. Каждая октавная полоса характеризуется среднегеометрической частотой, определяемой по формуле

где f 1 – нижняя граничная частота, Гц; f 2 – верхняя граничная частота, Гц.

Весь диапазон частот слышимых человеком звуков разбит на октавы со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц.

Распределение энергии по частотам шума представляет собой его спектральный состав. При гигиенической оценке шума измеряют как его интенсивность (силу), так и спектральный состав по частотам.

Восприятие звуков зависит от частоты колебаний. Звуки одинаковые по уровню интенсивности, но разные по частоте, воспринимаются на слух неодинаково громкими. При изменении частоты значительно изменяются уровни интенсивности звука, определяющие порог слышимости. Зависимость восприятия звуков различного уровня интенсивности от частоты иллюстрируют так называемые кривые равной громкости (рис.7.1). Для оценки уровня восприятия звуков разной частоты введено понятие уровня громкости звука,т.е. условное приведение звуков разной частоты, но одинаковой громкости к одному уровню при частоте 1000 Гц.

Рис. 7.1. Кривые равной громкости

Уровень громкости звука – уровень интенсивности (звукового давления) данного звука частотой 1000 Гц, равногромкого с ним на слух. Это означает, что каждой кривой равной громкости соответствует одно значение уровнягромкости (от уровня громкости, равного 0, соответствующего порогу слышимости до уровня громкости, равного 120, соответствующего порогу болевого ощущения). Уровень громкости измеряется во внесистемной безразмерной единице – фон.

Оценка звукового восприятия с помощью уровня громкости, измеряемого в фонах, не даёт полного физиологического представления о действии звука на слуховой аппарат, т.к. увеличение уровня звука на 10 дБ создаёт ощущение увеличения громкости в два раза.

Количественная связь между физиологическим ощущением громкости и уровнем громкости может быть получена из шкалы громкости. Шкала громкости легко образуется с учётом соотношения, что величина громкости в один сонсоответствует уровнюгромкости в 40 фон (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Шкала громкости

Длительное воздействие шума высоких уровней интенсивности может влиять на снижение чувствительности слухового анализатора, а также вызывать расстройства нервной системы и оказывать влияние на другие функции организма (нарушает сон, мешает выполнять напряжённую умственную работу), поэтому для разных помещений и различных видов работ устанавливаются различные допустимые уровни шума.

Шум, не превышающий уровень 30-35 дБ, не ощущается как утомительный или заметный. Такой уровень шума является допустимым для читальных залов, больничных палат, жилых комнат ночью. Для конструкторских бюро, конторских помещений допускается уровень шума 50-60 дБ.