5.1.2. Вибрация

Вибрация — это малые механические колебания, возни­кающие в упругих телах. В зависимости от способа передачи колебаний человеку вибрацию подразделяют на общую, пере­дающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего человека, и локальную, передающуюся через руки человека. Вибрация, воздействующая на ноги сидящего чело­века, на предплечья, контактирующие с вибрирующими поверх­ностями рабочих столов, также относится к локальной.

Общую вибрацию рассматривают в частотном диапазоне со среднегеометрическими частотами 1—63 Гц, а локаль­ную — 8—1000 Гц. По направлению действия общую вибрацию подразделяют на вертикальную, направленную перпендику­лярно опорной поверхности, и горизонтальную, действующую в плоскости, параллельной опорной поверхности.

Вибрация оказывает на организм человека разноплановое действие. Оно зависит от спектра частот направления, места приложения и продолжительности воздействия вибрации, а также от индивидуальных особенностей человека. Например, вибрация с частотами ниже 1 Гц вызывает укачивание (морскую болезнь), а слабая гармоническая вибрация с частотой 1—2 Гц вызывает сонливое состояние. Частоты вибрации и соответст­вующие вредные действия на человека представлены в табл. 5.3.

Таблица 5.3

На рис. 5.2 приведена модель тела человека, состоящая из масс, пружин и демпферов. В такой модели отдельные части тела характеризуются собственными частотами коле­баний. При совпадении частоты возбуждения системы с ее собственной частотой возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний резко возрастает. Так, резо­нанс органов брюшной полости наблюдается при частотах 4—8 Гц, голова оказывается в резонансе на частоте 25 Гц, а глазные яблоки — на частоте 50 Гц. Входящие в резонанс органы нередко вызывают болезненные ощущения, связанные, в частности, с растягиванием соединительных образо­ваний, поддерживающих вибрирующий орган.

Глазное яблоко

(-30-80 Гц)

Воздействие вибрации на человека имеет такие негатив­ные последствия, что это послужило основанием для выде­ления вибрационной болезни в качестве самостоятельного заболевания. Симптомы вибрационной болезни многогранны и проявляются в нарушении работы сердечнососудистой и нервной систем, поражении мышечных тканей и суставов, нарушении функций опорно-двигательного аппарата.

Колебания сидящего человека на частотах 8—10 Гц явля­ются причиной широкого распространения заболеваний позвоночника. Так, у водителей-профессионалов автомо­билей, трактористов, пилотов самолетов грыжи межпозво­ночных дисков встречаются в несколько раз чаще, чем у лиц сидячих профессий, не подвергающихся вибрации.

При работе с ручными машинами на тело человека через руки передается локальная вибрация. Она может вызывать в организме человека эффекты общего характера — типа головной боли, тошноты и т.д., но главное — такая вибрация воздействует на процесс кровообращения и нервные оконча­ния в пальцах рук. Это в свою очередь вызывает побеление пальцев, потерю их чувствительности, онемение, ощущение покалывания. Эти явления усиливаются на холоде, но на пер­вых порах относительно быстро проходят. При длительном воздействии вибрации патология может стать необратимой и приводить к необходимости смены профессии. В особо запу­щенных случаях может иметь место даже гангрена.

Сроки появления симптомов вибрационной болезни зави­сят от уровня и времени воздействия вибрации в течение рабо­чего дня. Так, у формовщиков, бурильщиков, рихтовщиков заболевание начинает развиваться через 8—12 лет работы.

Воздействие ручных машин на человека зависит от многих факторов: например, от типа машины (ударные машины более опасны, чем машины вращательного типа), твердости обраба­тываемого материала, направления вибрации, силы обхвата инструмента. Вредное воздействие вибрации усугубляется при мышечной нагрузке, неблагоприятных условиях микрокли­мата (пониженная температура и повышенная влажность).

Долю заболевших вибрационной болезнью в зависимо­сти от профессии и стажа работы характеризуют данные Ю. М. Васильева (табл. 5.4).

Таблица 5.4

Доля заболевших вибрационной болезнью, % в зависимости от профессии

С проблемой вибрации сталкиваются и в быту, когда, например, жилой дом располагается у железной дороги, авто­страды или когда в его подвальных помещениях размещается какое-либо технологическое оборудование.

Механизм, с помощью которого движущийся поезд (рис. 5.3) возбуждает вибрации грунта, основан на возникновении дина­мических сил между колесом и рельсом, из-за неровностей на поверхностях качения. В интервале эксплуатационной ско­рости движения поездов от 30 до 110 км/ч спектр вибрации, передаваемой грунту, сосредоточен в частотном диапазоне 10-250 Гц.

Простейшим видом колебательных процессов являются гармонические колебания (рис. 5.4, а). При этом величина w, представляющая собой параметр колебаний, изменяется во времени t по гармоническому закону

w (t) = A_wcos (ωt + φ),

где A , φ — амплитуда и фаза колебаний; ω — круговая частота, рад/с. (ω = 2πf, здесь f = 1/Т — циклическая частота, Гц; Т — период колебаний).

а

В качестве параметров, оценивающих вибрацию, могут служить виброперемещение и (м) или его производные: виб­роскорость v (м/с) и виброускорение а (м/с²). Если вибро­скорость изменяется по гармоническому закону с амплитудой А, то этому закону будут подчиняться и два других параметра. При этом амплитуды виброускорения А_а и виброперемеще­ния А_и связаны с амплитудой А_v , соотношениями

А_а = ω A_v ; А_и = A /ω.

При анализе вибрации обычно рассматривают не ампли­тудные, а средние квадратичные значения, определяемые усреднением по времени величины w (t) на отрезке Т

Так как значения параметров вибрации могут изменяться в широких пределах, то на практике часто используются лога­рифмические уровни вибрации. Логарифмическая единица называется бел (Б), а ее десятая часть — децибел (дБ). При этом логарифмический уровень вибрации (дБ) определяется по формуле

где w — среднее квадратичное значение рассматриваемого параметра вибрации; w₀ — пороговое значение соответствующего параметра.

Для виброскорости пороговое значение v₀ = 5·10ˉ⁸ м/с. Пороговые значения для виброускорения а₀ и вибропере­мещения и₀ равны:

a = 3·10ˉ⁴ м/с²; u = 8·10ˉ¹² м при f = 0

При анализе вибрации с широким спектром целесообразно разбить ось частот на отрезки (полосы частот) и вычислять уровни вибраций для каждой такой полосы. С этой целью используются специальные фильтры, полоса пропускания которых определяется граничными частотами и . Как правило, это октавные фильтры, для которых отношение / =2 , или третьоктавные фильтры с полосой в три раза более узкой.

Для октавных полос получены следующие значения сред­них геометрических частот: f = 1, 2, 4, 8, 16, 31, 5, 63, 125, 250, 500, 1000 Гц. Верхние и нижние частоты октавных полос определяются следующими соотношениями: = f / и = f .

Спектры случайных колебаний показаны на рис. 5.4, б. На практике обычно имеют дело со смешанной вибрацией, содержащей как периодические, так и случайные компо­ненты.

5.1.3. Акустический шум

Беспорядочные звуковые колебания в атмосфере — это акустический шум. Понятие акустического шума связано со звуковыми волнами (звуками), под которыми понимают распространяющиеся в окружающей среде и воспринимае­мые ухом человека упругие колебания в частотном диапа­зоне от 20 Гц до 20 кГц.

Шум оказывает влияние на весь организм человека. Шум с уровнем звукового давления до 30—35 дБ привычен для чело­века и не беспокоит его. Повышение этого уровня до 40—70 дБ в условиях среды обитания создает значительную нагрузку на нервную систему, вызывая ухудшение самочувствия, и при длительном действии может быть причиной неврозов. Воздей­ствие шума с уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха — профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен разрыв барабан­ных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.

Шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анализатора, проявляется медленно прогрессирую­щим снижением слуха. У некоторых лиц серьезное шумовое повреждение слуха может наступить в первые месяцы воз­действия, у других — потеря слуха развивается постепенно, в течение всего периода работы на производстве. Снижение слуха на 10 дБ практически неощутимо, на 20 дБ — начинает серьезно мешать человеку, так как нарушается способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи. Результаты воздействия повышенного производственного шума показаны ниже (табл. 5.5).

Таблица 5.5

Воздействие шума на слух работающих

Результаты оценки потери слуха ΔL у ткачих приведены на рис. 5.5.

Промышленный шум является не единственной причи­ной потери слуха. Помимо этого необратимые потери слуха наступают и с увеличением возраста (рис. 5.6).

Обычно это явление начинается в возрасте приблизительно 30 лет у мужчин и 35 лет у женщин с потери чувствительно­сти слуха к высоким частотам. С годами оно распространя­ется на более низкие частоты, достигая речевого диапазона 500-3000 Гц.

Звуковые волны возникают при нарушении стационарного состояния среды вследствие наличия в ней какого-либо воз­мущающего воздействия. Скорость, с которой распространя­ется звуковая волна, называется скоростью звука. Скорость звука с (м/с) зависит только от характеристик среды распро­странения и может изменяться в очень широких пределах:

где ρ — плотность среды, кг/м³; К — модуль объемной упругости среды, Па.

В воздухе при температуре 20 °С скорость звука состав­ляет 340 м/с.

Любое колебательное движение характеризуется часто­той f и периодом колебаний Т. Период колебаний Т = 1/f соответствует временному интервалу, через который в каждой точке пространства временное развитие колебаний будет повторяться. Этому временному интервалу будет соответ­ствовать пространственный интервал повторения волновой картины, так называемая длина волны λ (м), определяемая соотношением λ = c/f. В частотном диапазоне звуковых коле­баний длины волн изменяются от нескольких десятков мет­ров до нескольких сантиметров.

Область пространства, в которой распространяются зву­ковые волны, называется звуковым полем. В каждой точке звукового поля давление и скорость движения частиц воз­духа изменяются во времени. Разность между мгновенным значением полного давления и средним давлением, кото­рое наблюдается в невозмущенной среде, называется зву­ковым давлением ρ и измеряется в паскалях (Па). Так как звуковое давление есть функция времени, то для его оценки используется усредненная величина, а именно средний квад­рат звукового давления, получаемый усреднением мгновен­ных значений ρ² на некотором интервале времени Т₀. Такое усреднение осуществляется и в нашем слуховом аппарате со временем усреднения порядка нескольких миллисекунд.

При распространении звуковой волны происходит пере­нос энергии, который характеризуется интенсивностью звука I (Вт/м²). Интенсивность связана со звуковым давлением, сле­дующим соотношением:

I=р²/ (ρс).

Величины звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело в практике борьбы с шумом, могут меняться в широких пределах: по давлению до 10⁸ раз, по интенсивности до 10¹⁶ раз. Оперировать такими цифрами неудобно. Однако наиболее важным является то обстоятель­ство, что ощущения человека, возникающие при различного рода раздражениях, в частности при шуме, пропорциональны логарифму количества энергии раздражителя. Поэтому были введены логарифмические величины — уровни звукового дав­ления и интенсивности.

Уровень интенсивности звука (дБ) определяют по формуле:

где — пороговая интенсивность звука, соответствующая порогу слышимости на частоте 1000 Гц ( = 10ˉ¹² Вт/м²).

Уровень звукового давления (дБ):

Где p₀ — пороговое звуковое давление (р₀ = 2·10^-5 Па), выбранное таким образом, чтобы на частоте 1000 Гц уровни звукового давле­ния были равны уровням интенсивности.

Пороговые значения звукового давления и интенсивность звука связаны соотношением:

где р₀, с₀ — плотность и скорость звука при нормальных атмосфер­ных условиях.

Величину уровня интенсивности применяют в формулах при акустических расчетах, а уровня звукового давления — для измерения шума и оценки его воздействия на человека, поскольку орган слуха чувствителен не к интенсивности, а к среднеквадратичному давлению. Связь между уровнем интенсивности и уровнем звукового давления определяется выражением:

При нормальных атмосферных условиях:

В том случае, когда в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, суммарный уровень шума опре­деляется по формуле:

где — уровни звукового давления или уровни интенсивности, соз­даваемые каждым источником.

Если имеется п одинаковых источников шума с уровнем звукового давления L, создаваемым каждым источником, то суммарный уровень шума (дБ):

Из этой формулы очевидно, что два одинаковых источ­ника совместно создадут уровень на 3 дБ больший, чем каж­дый источник.

Шумы принято классифицировать по их спектральным и временным характеристикам. В зависимости от характера спектра шумы бывают тональными, в спектре которых име­ются слышимые дискретные тона, и широкополосными — с непрерывным спектром шириной более одной октавы.

По временным характеристикам шумы подразделяют на постоянные, уровень звука которых за 8-часовой рабочий день изменяется во времени не более чем на 5 дБ, и непосто­янные, для которых это изменение более 5 дБ. В свою оче­редь непостоянные шумы делят на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсивные.

В табл. 5.6 показаны звуковое давление и его уровни, соз­даваемые характерными источниками шума.

Таблица 5.6

Показатели звукового поля некоторых источников шума

Любой источник шума характеризуется прежде всего звуко­вой мощностью. Звуковая мощность источника Р — это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени (рис. 5.7).

Если окружить источник шума замкнутой поверхностью площадью S, то звуковая мощность Р источника (Вт):

где — нормальная к поверхности составляющая интенсивности звукового давления.

Если считать источник шума точечным, то величину сред­ней интенсивности звука на поверхности этой сферы (Вт/м ) можно определять по формуле:

Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечного источника, размеры которого малы по сравнению с излучае­мыми им волнами. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т. е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность излучения характеризуется коэффициен­том Ф — фактором направленности, показывающим отно­шение интенсивности звука I, создаваемой направленным источником в данной точке, к интенсивности I_ср, которую развил бы в этой же точке источник, имеющий среднюю звуковую мощность Р_ср и излучающий звук в сферу одинаково. Фактор направленности находят по формуле:

Шумовыми характеристиками, которые указываются в при­лагаемой к машине технической документации, являются сле­дующие характеристики: