2.4. Механические колебания, воздействие на человека

Вибрация

Колебания — многократное повторение одинаковых или почти одинаковых процессов, — сопутству­ют многим природным процессам и явлениям, выз­ванным человеческой деятельностью, — от простей­ших колебаний маятника до электромагнитных колебаний распространяющейся световой волны.

Механические колебания — это периодически повторяющиеся движения, вращательные или возвратнопоступательные. Это тепловые колебания атомов, биение сердца, колебания моста под нога­ми, земли от проезжающего рядом поезда.

Любой процесс механических колебаний можно свести к одному или нескольким гармоническим синусоидальным колебаниям. Основные параметры гармонического колебания: амплитуда, равная максимальному отклонению от положения равно­весия (м); скорость колебаний (м/с); ускорение (м/с²); период колебаний, равный времени одного пол­ного колебания (с); частота колебаний, равная чис­лу полных колебаний за единицу времени (Гц).

Все виды техники, имеющие движущиеся узлы, транспорт — создают механические колебания. Уве­личение быстродействия и мощности техники приве­ло к резкому повышению уровня вибрации. Вибра­ция — это малые механические колебания, возника­ющие в упругих телах под воздействием переменных сил.

Так, электродвигатель передает на фундамент виб­рацию, вызываемую неуравновешенным ротором. Идеально уравновесить элементы механизмов прак­тически невозможно, поэтому в механизмах с вра­щающимися частями почти всегда возникает вибра­ция. Резонансная вибрация вагона возникает в ре­зультате близости частоты силы воздействия на стыках рельсов к собственной частоте вагона. Виб­рация по земле распространяется в виде упругих волн и вызывает колебания зданий и сооружений.

Вибрация машин может приводить к нарушению функционирования техники и вызвать серьезные аварии. Установлено, что вибрация является при­чиной 80% аварий в машинах, в частности, она приводит к накоплению усталостных эффектов в ме­таллах, появлению трещин.

При воздействии вибрации на человека наиболее существенно то, что тело человека можно предста­вить в виде сложной динамической системы. Мно­гочисленные исследования показали, что эта динамическая система меняется в зависимости от позы человека, его состояния — расслабленности или на­пряженности — и других факторов. Для такой сис­темы существуют опасные, резонансные частоты, и если внешние силы воздействуют на человека с частотами, близкими или равными резонансным, то резко возрастает амплитуда колебаний как всего тела, так и отдельных его органов.

Для тела человека в положении сидя резонанс наступает при частоте 4—6 Гц, для головы 20— 30 Гц, для глазных яблок 60—90 Гц. При этих ча­стотах интенсивная вибрация может привести к травматизации позвоночника и костной ткани, рас­стройству зрения, у женщин вызвать преждевре­менные роды.

Колебания вызывают в тканях организма пере­менные механические напряжения. Изменения на­пряжения улавливаются множеством рецепторов и трансформируются в энергию биоэлектрических и биохимических процессов. Информация о действу­ющей на человека вибрации воспринимается осо­бым органом чувств — вестибулярным аппаратом.

Вестибулярный аппарат располагается в височной кости черепа и состоит из преддверия и полу­кружных каналов, расположенных во взаимоперпендикулярных плоскостях. Вестибулярный аппарат обеспечивает анализ положений и перемещений го­ловы в пространстве, активизацию тонуса мышц и поддержание равновесия тела. В преддверии и полу­кружных каналах имеются рецепторы и эндолимфа (жидкость, заполняющая каналы и преддверие). При перемещении тела и движениях головы эндолимфа оказывает неодинаковое давление на чувствительные клетки. Поскольку полукружные каналы распола­гаются в трех взаимоперпендикулярных плоскостях, то при любом перемещении тела и головы возбужда­ются нервные клетки разных отделов вестибулярно­го аппарата. Нервные волокна, идущие от рецепто­ров вестибулярного аппарата, образуют вестибуляр­ный нерв, который присоединяется к слуховому нерву и направляется в головной мозг. В соответствующем участке коры головного мозга в височной доле ана­лизируются сигналы от рецепторов вестибулярного аппарата.

Перевозбуждение рецепторов выражается в так называемой «воздушной» или «морской» болезни.

При широком спектре воздействующих на чело­века вибраций вестибулярный аппарат может по­давать ложную информацию. Это связано с осо­бенностями гидродинамического устройства вести­булярного аппарата, не приспособившегося в ходе биологической эволюции к функционированию в условиях высокочастотных колебаний. Такая лож­ная информация вызывает состояние укачивания у некоторых людей, дезорганизует работу многих си­стем организма, что необходимо учитывать при про­фессиональной подготовке.

Воздействие вибрации на организм человека оп­ределяется уровнем виброскорости и виброускоре­ния, диапазоном действующих частот, индивидуаль­ными особенностями человека. За нулевой уровень виброскорости принята величина 5 • 10^-8 м/с, за нулевой уровень колебательного ускорения принята величина 3 • 10^-4 м/с², рассчитанные по порогу чувствительности организма.

По способу передачи на человека вибрация подразделяется на: общую, передающуюся через опорные поверхности на тело сидящего или стоящего че­ловека; локальную, передающуюся через руки че­ловека. Длительное воздействие вибраций ведет к виб­рационной болезни, довольно распространенному профессиональному заболеванию. Важно знать, что в течении вибрационной болезни, в зависимости от степени поражения, различают четыре стадии.

В первой, начальной стадии симптомы незначи­тельны: слабо выраженная боль в руках, снижение порога вибрационной чувствительности, спазм ка­пилляров, боли в мышцах плечевого пояса.

Во второй стадии усиливаются боли в верхних конечностях, наблюдается расстройство чувствительности, снижается температура и синеет кожа кистей рук, появляется потливость. При условии исключения вибрации на первой и второй стадии лечение эффективно и изменения обратимы. Третья и чет­вертая стадии характеризуются интенсивными бо­лями в руках, резким снижением температуры кис­тей рук. Отмечаются изменения со стороны нервной системы, эндокринной системы, сосудистые измене­ния. Нарушения приобретают генерализованный характер, наблюдаются спазмы мозговых сосудов и сосудов сердца. Больные страдают головокружения­ми, головными и загрудинными болями, изменения имеют стойкий характер, необратимы.

Виброзащита человека представляет собой сложную проблему биомеханики. При разработке мето­дов виброзащиты необходимо учитывать эмоцио­нальное состояние человека, напряженность работы и степень его утомления.

Основная мера защиты от вибрации — виброизоляция источника колебаний. Примером являются автомобильные и вагонные рессоры. Виброактивные агрегаты устанавливаются на виброизоляторах (пружины, упругие прокладки, пневматические или гидравлические устройства), защищающих фундамент от воздействий.

Санитарные нормы и правила регламентируют предельно допустимые уровни вибрации, меры по снижению вибрации и лечебно-профилактические мероприятия. Санитарными правилами предусмат­ривается ограничение продолжительности контак­та человека с виброопасным оборудованием.

Биологическая активность вибрации использу­ется для лечебных целей. Известно, что факторы, действующие на живые объекты, вызывают, в за­висимости от интенсивности действия, противопо­ложные по значению явления: стимуляцию биопроцессов или их угнетение. Правильно дозированные вибрации определенных частот не только не вред­ны, но, напротив, увеличивают активность жизнен­но важных процессов в организме.

При кратковременном действии вибрации наблю­дается снижение болевой чувствительности. Специ­альный вибромассажер снимает мышечную уста­лость и применяется для ускорения восстановитель­ных нервно-мышечных процессов у спортсменов.

Шум. Действие шума на человека

Механические колебания в упругих средах вы­зывают распространение в этих средах упругих волн, называемых акустическими колебаниями.

Энергия от источника колебаний передается час­тицам среды. По мере распространения волны частицы вовлекаются в колебательное движение с час­тотой, равной частоте источника колебаний, и с за­паздыванием по фазе, зависящем от расстояния до источника и от скорости распространения волны. Расстояние между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися в одной фазе, называется длиной волны. Длина волны — это путь, пройден­ный волной за время, равное периоду колебаний.

Упругие волны с частотами от 16 до 20 000Гц в газах, жидкостях и твердых телах называются звуковыми волнами. Скорость звука в воздухе при нормальных условиях составляет 330 м/с, в воде около 1400 м/с, в стали порядка 5000 м/с. При восприятии человеком звуки различают по высоте и громкости. Высота звука определяется частотой колебаний: чем больше частота колебаний, тем выше звук. Громкость звука определяется его ин­тенсивностью, выражаемой в Вт/м². Однако субъек­тивно оцениваемая громкость (физиологическая характеристика звука) возрастает гораздо медлен­нее, чем интенсивность (физическая характеристи­ка) звуковых волн. При возрастании интенсивнос­ти звука в геометрической прогрессии воспринима­емая громкость возрастает приблизительно линейно. Поэтому обычно уровень громкости L выражают в логарифмической шкале L=101g(l/l₀), где 1₀ — ус­ловно принятый за основу уровень интенсивности, равный 10^-12 Вт/м², и оцениваемый как порог слы­шимости человеческого уха при частоте звука 1000 Гц (человеческое ухо наиболее чувствительно к ча­стотам от 1000 до 4000 Гц). По этой шкале каждая последующая ступень звуковой энергии (уровня раздражения) больше предыдущей в 10 раз. Если интенсивность звука больше в 10, 100, 1000 раз, то по логарифмической шкале это соответствует уве­личению громкости (уровня восприятия) на 1, 2, 3 единицы. Единица измерения громкости в логариф­мической шкале называется децибелом (дБ). Она примерно соответствует минимальному приросту силы звука, различаемому ухом.

Для сравнительной оценки можно указать, что средний уровень громкости речи составляет 60 дБ, а мотор самолета на расстоянии 25 м производит шум в 120 дБ.

Минимальная интенсивность звуковой волны, вызывающая ощущение звука, называется порогом слышимости. Порог слышимости у разных людей различен и зависит от частоты звука.

Интенсивность звука, при которой ухо начинает ощущать давление и боль, называется порогом болевого ощущения. На практике в качестве порога болевого ощущения принята интенсивность звука 100 Вт/м², соответствующая 140 дБ.

Шум — совокупность звуков различной частоты и интенсивности, беспорядочно изменяющихся во времени. Для нормального существования, чтобы не ощущать себя изолированным от мира, челове­ку нужен шум в 10—20 дБ. Это шум листвы, парка или леса. Развитие техники и промышленного про­изводства сопровождалось повышением уровня шума, воздействующего на человека, В условиях производства воздействие шума на организм часто сочетается с другими негативными воздействиями: токсичными веществами, перепадами температуры, вибрацией и др.

К физическим характеристикам шума относят­ся: частота, звуковое давление, уровень звукового давления.

По частотному диапазону шумы подразделяются на низкочастотные — до 350 Гц, среднечастотные 350—800 Гц и высокочастотные — выше 800 Гц.

По характеру спектра шумы бывают широкопо­лосные, с непрерывным спектром и тональные, в спектре которых имеются слышимые тона.

По временным характеристикам шумы бывают постоянные, прерывистые, импульсные, колеблю­щиеся во времени.

Звуковое давление Р — это среднее по времени избыточное давление на препятствие, помещенное на пути волны. На пороге слышимости человечес­кое ухо воспринимает при частоте 1000 Гц звуко­вое давление Р₀=2 • 10^-5 Па, на пороге болевого ощу­щения звуковое давление достигает 2 • 10² Па.

Для практических целей удобной является ха­рактеристика звука, измеряемая в децибелах, — уровень звукового давления. Уровень звукового дав­ления N — это выраженное по логарифмической шкале отношение величины данного звукового дав­ления Р к пороговому давлению Р₀

N = 20 1g(P/P₀).

Для оценки различных шумов измеряются уров­ни звука с помощью шумомеров.

Для оценки физиологического воздействия шума на человека используется громкость и уровень гром­кости. Порог слышимости изменяется с частотой, уменьшается при увеличении частоты звука от 16 до 4000 Гц, затем растет с увеличением частоты до 20000 Гц. Например, звук, создающий уровень звукового давления в 20 дБ на частоте 1000 Гц, будет иметь такую же громкость, как и звук в 50 дБ на частоте 125 Гц. Поэтому звук одного уровня громкости при разных частотах имеет различную интенсивность.

Для характеристики постоянного шума установ­лена характеристика — уровень звука, измеренный по шкале А шумомера в дБА.

Непостоянные во времени шумы характеризуют­ся эквивалентным (по энергии) уровнем звука в дБА, определяемым по СН 2.2.4/2.1.8.562-96.

Источники шума многообразны. Это аэродинамичные шумы самолетов, рев дизелей, удары пнев­матического инструмента, резонансные колебания всевозможных конструкций, громкая музыка и многое другое.

Шум оказывает вредное воздействие на организм человека, особенно на центральную нервную систе­му, вызывая переутомление и истощение клеток головного мозга. Под влиянием шума возникает бес­сонница, быстро развивается утомляемость, пони­жается внимание, снижается общая работоспо­собность и производительность труда. Длительное воздействие на организм шума и связанные с этим нарушения со стороны центральной нервной систе­мы рассматриваются как один из факторов, способ­ствующих возникновению гипертонической болезни.

Под влиянием шума возникают явления утом­ления слуха и ослабления слуха. Эти явления с прекращением шума быстро проходят. Если же пе­реутомление слуха повторяется систематически в течение длительного срока, то развивается тугоухость. Так, кратковременное воздействие уровня 120 дБ (рев самолета), не приводит к необратимым по­следствиям. Длительное воздействие шума 80—90 дБ приводит к профессиональной глухоте. Тугоухость — стойкое понижение слуха, затрудняющее восприятие речи окружающих в обычных услови­ях. Оценка состояния слуха производится с помощью аудиометрии. Аудиометрия — изменение остроты слуха, — проводится с помощью специально­го электроакустического аппарата — аудиометра/ Снижение слуха на 10 дБ человеком практически не ощущается, серьезное ослабление разборчивости речи и потеря способности слышать слабые, но важные для общения звуковые сигналы, наступает при снижении слуха на 20 дБ.

Если установлено методами аудиометрии, что в результате профессиональной деятельности про­изошло снижение слуха в области речевого диапа­зона на 11 дБ, то наступает факт профессионально­го заболевания — снижения слуха. Чаще всего сни­жение слуха развивается в течение 5—7 лет и более переутомления слуха.

Уровень шума нормируется санитарными норма­ми и государственными стандартами и не должен превышать допустимых значений.

Инфразвук

Упругие волны с частотой менее 16 Гц называют инфразвуком.

Медицинские исследования показали, какую опасность таят в себе инфразвуковые колебания: неви­димые и неслышимые волны вызывают у человека чувство глубокой подавленности и необъяснимого страха. Особенно опасен инфразвук с частотой около 8 Гц из-за его возможного резонансного совпаде­ния с ритмом биотоков.

Инфразвук вреден во всех случаях — слабый действует на внутреннее ухо и вызывает симптомы морс­кой болезни, сильный заставляет внутренние органы вибрировать, вызывает их повреждение и даже остановку сердца. При колебаниях средней интенсивнос­ти 110—150 дБ наблюдаются внутренние расстройства органов пищеварения и мозга с самыми различными последствиями, обмороками, общей слабостью. Инфразвук средней силы может вызвать слепоту.

Наиболее мощными источниками инфразвука являются реактивные двигатели. Двигатели внутреннего сгорания также генерируют инфразвук, естественные источники инфразвука — действие ветра и волн на разнообразные природные объекты и сооружения.

В обычных условиях городской и производствен­ной среды уровни инфразвука невелики, но даже сла­бый инфразвук от городского транспорта входит в общий шумовой фон города и служит одной из причин нервной усталости жителей больших городов.

Уровень инфразвука в условиях городской среды и на рабочих местах ограничивается санитарными нормами.

Ультразвук

Упругие колебания с частотой более 16 000 Гц называются ультразвуком. Мощные ультразвуко­вые колебания низкой частоты 18—30 Гц и высокой интенсивности используются в производстве для технологических целей: очистка деталей, сварка, пайка металлов, сверление. Более слабые ультра­звуковые колебания используются в дефектоскопии, в диагностике, для исследовательских целей.

Под влиянием ультразвуковых колебаний в тка­нях организма происходят сложные процессы: ко­лебания частиц ткани с большой частотой, которые при небольших интенсивностях ультразвука можно рассматривать как микромассаж; образование внутритканевого тепла в результате трения частиц между собой, расширение кровеносных сосудов и уси­ление кровотока по ним; усиление биохимических реакций, раздражение нервных окончаний.

Эти свойства ультразвука используются в ульт­развуковой терапии на частотах 800—1000 кГц при невысокой интенсивности 80—90 дБ, улучшающей обмен веществ и снабжение тканей кровью.

Ультразвук поглощается в воздухе тем больше, чем больше его частота. Низкочастотные технологические ультразвуковые волны оказывают на людей акустическое воздействие через воздух.

При распространении ультразвука в биологических средах происходит его поглощение и преобразование акустической энергии в тепловую.

Повышение интенсивности ультразвука и увеличение длительности его воздействия могут приводить к чрезмерному нагреву биологических структур и их повреждению, что сопровождается функциональным нарушением нервной, сердечно-сосудистой и эндок­ринной систем, изменением свойств pi состава кро­ви. Ультразвук может разрывать молекулярные свя­зи, так, молекула воды распадается на свободные радикалы ОН и Н, что является первопричи­ной окисляющего действия ультразвука. Таким же образом происходит расщепление ультразвуком вы­сокомолекулярных соединений. Поражающее дей­ствие ультразвук оказывает при интенсивности выше 120 дБ.

При непосредственном контакте человека со сре­дами, по которым распространяется ультразвук, воз­никает контактное его действие на организм чело­века. При этом поражается периферическая нервная система и суставы в местах контакта, нарушается капиллярное кровообращение в кистях рук, снижа­ется болевая чувствительность. Установлено, что ультразвуковые колебания, проникая в организм, могут вызвать серьезные местные изменения в тка­нях — воспаление, кровоизлияния, некроз (гибель клеток и тканей). Степень поражения зависит от ин­тенсивности и длительности действия ультразвука, а также от присутствия других негативных факто­ров. Наличие шума ухудшает общее состояние.

Следует отметить, что шум и вибрация усилива­ют токсический эффект промышленных ядов. На­пример, одновременное действие этанола и ультра­звука приводит к усилению неблагоприятного воз­действия на центральную нервную систему.