Які границі чутного й нечутного діапазону звуку?

Шум це будь-який небажаний звук, якій наносить шкоду здоров’ю людини, знижує його працездатність, а також може сприяти отриманню травми в наслідок зниження сприйняття попереджувальних сигналів. З фізичної точки зору - це хвильові коливання пружного середовища, що поширюються з певної швидкістю в газоподібній, рідкій або твердій фазі.

Звукові хвилі виникають при порушенні стаціонарного стану середовища в наслідок впливу на них сили збудження і, поширюючись у ньому, утворюють звукове поле.

Джерелами цих порушень бути механічні коливання конструкцій або їх частин, нестаціонарні явища в газоподібних або рідких середовищах. Звукові хвилі розповсюджуються в повітряному середовищі і відрізняються цим від вібраційних хвиль, що 4 передаються на тіло людини лише при доторканні до віброустаткування. Поширення звукового полю супроводжується переносом енергії.

Розрізнюють об’єктивні та суб’єктивні характеристики звуку. Об’єктивними характеристиками звуку, як механічної хвилі, є інтенсивність та сила звуку, частота і частотний спектр. Об’єктивні характеристики звуку можуть бути виміряні відповідними приладами, незалежно від людини. Враховуючі, що звук є ще й об’єктом слухового сприйняття, він оцінюється людиною суб’єктивно. Суб’єктивними характеристиками звуку є: гучність звуку, висота, тембр.

Рис.1. Класифікація звуків за чутністю

Мінімальна величина звукової енергії (звуковий тиск), здатна трансформуватися в не- рвовий процес і викликати звукове відчуття, називається порогом чутності.

Поріг чутності змінюється залежно від частоти звуку, тому що в людини чутливість слухово- го аналізатора неоднакова до звуків різних частот. Залежність величини порогу чутності від частоти сприйманих людиною звуків представлена на рис. 2 нижньою кривою

 

 

З рисунку видно, що тільки на частоті 1 000 Гц, прийнятої в якості стандартної частоти порівняння в акустиці, граничне значення звукового тиску (р0 = 2∙10-5 Па) відповідає порогу чутності (L = 0 дБ). У діапазоні частот 800 – 4 000 Гц величина порога чутності мінімальна, але в міру віддалення від цього інтервалу частот величина порога чутності зростає; особливо помітно його збільшення на низьких частотах. У зв’язку з цим високочастотні звуки сприймаються як більш голосні й більш неприємні, ніж низькочастотні.

Верхня крива на рисунку – поріг больового відчуття. Звуки, які перевищують за своїм рівнем цей поріг (L = 120 – 140 дБ), можуть викликати болі в органах слуху і навіть їх -20 0 20 40 60 80 100 120 140 20 100 1 000 10 000 Поріг больового відчуття Область слухового сприйняття Поріг чутності L, дБ f, Гц Чутний діапазон звуків 16 20 000 Нечутний діапазон звуків (інфразвук) Нечутний діапазон звуків (ультразвук) Звуки викликають певні слухові відчуття в людини Звуки не викликають слухових відчуттів у людини Звуки не викликають слухових відчуттів у людини f, Гц 5 пошкодження. Зона, яка знаходиться між порогами чутності і больового відчуття, називається областю слухового сприйняття.

Інтенсивність звуку (I) стає його енергетичною характеристикою. Вона визначається кількістю енергії (W), яка перенесена звуковою хвилею за одиницю часу t через одиницю площі поверхні S, розміщеною перпендикулярно до напрямку розповсюдження хвилі:

I =W / (S ∙ t) (1)

В системі СІ інтенсивність звуку, відповідно формули (1), вимірюється у [Вт/м2 ]. Нормальне вухо людини сприймає достатнє широкий діапазон інтенсивності звуку: при частоті 1000 Гц від Imin=10-12 Вт/м2 (поріг чутливості) до Imax=10 Вт/м2 (больовий поріг), тобто відношення цих граничних рівнів складає 1013. В цьому зв’язку для порівняння інтенсивності звука зручно ввести логарифмічну шкалу рівнів інтенсивності, тобто порівнювати їх логарифми. Рівень інтенсивності звуку Iо, границю чутливості, приймають за нульовий рівень шкали. Рівень всякий інший - відображають як десятковий логарифм відношень I / Io:

L = lg (I / Iо) (2)

Рівень інтенсивності звука вимірюють у Белах (Б) або децибелах (дБ). Один Бел дорівнює десяти децибелам (1 Б = 10 дБ). Перехід від шкали рівнів інтенсивності звуку до абсолютних значень інтенсивності звуку може бути виконаний через значення нульового рівня Io. Так, наприклад, якщо рівень інтенсивності звуку дорівнює 4 Бел, тобто L = lg (I / Iо) = 4 Бел або (I / Iо) = 104, то значення інтенсивності звука I дорівнює: I = Iо ∙ 104 Вт/м2. Підставляємо значення Io та одержуємо значення I, що дорівнює I = 10-8 Вт/м2.

Суб’єктивна характеристика звука – гучність Е, яка відповідає об’єктивної характеристиці - інтенсивності I, не підпадає під точне кількісне вимірювання. Але, на підставі психофізичного закону Вебера-Фехнера можно надати кількісну оцінку гучності шляхом порівняння слухової чутливості від двох джерел звука (або двох різних слухових подразників). Відповідно до закону Вебера-Фехнера, рівень гучності наданого звука є прямо пропорціональним логарифму відношень його інтенсивності I до значення інтенсивності звука Iо, який відповідає межі чутності (при рівних частотах звукових коливань), тобто:

E = k ∙ lg (I / Io), (3)

де k - коефіцієнт пропорційності, який залежить від частоти f та інтенсивності звука I. Якщо було б так, що коефіцієнт k був постійною величиною, то із формули (2) і (3) випливало, що логарифмічна шкала рівнів інтенсивності звука відповідає шкалі гучності. В цьому випадку гучність звука, як і рівень інтенсивності звука, виглядав би у Белах або децибелах. Однак, сильна залежність k від частоти звука і інтенсивності звука не дозволяє вимірювання гучності звуку звести до простого використання формули (3). Умовно враховують, що на частоті f = 1 кГц шкали гучності та рівнів інтенсивності звука співпадають, тобто k = 1 або

Е = L = lg I / Iо (4)

Один Бел гучності є вимірювання рівня гучності тона частотою 1000 Гц при зміні рівня інтенсивності звука в 10 раз. Для відокремлення від шкали рівня інтенсивності децибелу в шкалі гучності дають назву - фон. Таким чином, рівень інтенсивності звука частотою 1 кГц в децибелах, що був вимірюваний за допомогою приладу, чисельно дорівнює гучності цього звука у фонах. Гучність звука на інших частотах можно виміряти, в порівнянні із слуховою чутливістю досліджуємого звуку із слуховою чутливістю частотою 1 кГц.

Спектр шуму залежність від рівнів інтенсивності і частоти. Розрізняють спектри суцільні (широкосмугові), у яких спектральні складові розташовані по шкалі частот безперервно, і дискретні (тональні), коли спектральні складові розділені ділянками нульової інтенсивності.

На практиці спектральну характеристику шуму звичайно визначають як сукупність рівнів звукового тиску (інтенсивності) у частотних октавних смугах. Ширина таких смуг 6 відповідає співвідношенню fв /fн =2, де fв- верхня частота смуги, fн – нижня частота смуги. Кожну смугу визначають за ії середньо геометричної частоті fср= √fв ∙ fн.

За часовими характеристиками шуми поділяють на постійні і непостійні. Постійними вважають шуми, у яких рівень звуку протягом робочого дня змінюється не більше ніж на 5 дБА. Непостійні шуми поділяються на переривчасті, з коливанням у часі, та імпульсні. При переривчастому шумі рівень звуку може різко падати до фонового рівня, а довжина інтервалів, коли рівень залишається постійним і перевищує фоновий рівень, досягає 1 с та більше. При шумі з коливаннями у часі рівень звуку безперервно змінюється у часі. До імпульсних відносять шуми у вигляді окремих звукових сигналів тривалістю менше 1 с кожний, що сприймаються людським вухом як окремі удари.

Шум – це звуки різної частоти та інтенсивності, які не сприймаються як інформація, тому організм захищається зниженням чутливості та підвищенням порогу збудливості слухових рецепторів. Шум - загально біологічний подразник - при великих інтенсивностях або тривалої дії може впливати на всі органи та системи людини.

Шум має вплив на різні відділи головного мозку, порушуючи нормальні процеси нервової діяльності. Характерне: стомлювання, апатія, роздратованість, погіршення пам’яті, слабкість.

Шум великої інтенсивності призводить до змін у серцево-судинній системі, що супроводжуються порушеннями тонусу та ритму серцевих скорочень, та до змін артеріального кров‘яного тиску.

Під впливом шуму порушується нормальне функціонування шлунка (зменшується кількість шлункового соку, змінюється кислотність, виникає гастрит та язва шлунку).

В останні роки було встановлено вплив шуму на орган зору (зменшується стійкість ясного бачення та гострота зору, погіршується кольорове сприймання). Шум призводить до порушення процесів обміну.

Переривчастий та імпульсний шум порушують точність виконання операцій, погіршують процес сприймання та засвоєння інформації. Найбільш чутливими до шуму є такі операції: складання та збір інформації, мислення. Під дією шуму відбувається зменшення продуктивності праці на підприємстві, збільшення кількості браку, створення небезпечності.На шумних виробництвах (з перевищенням нормативних значень) у працівників формується професійна шумова патологія зі зниженням слуху.

Гранично допустимі рівні шуму на робочих місцях (витяг з Держстандарту 12.1.003-83)

Ультразвук широко застосовують в техніці для диспергування рідин, очищення частин, зварювання пластмас, дефектоскопії металів, очищення газів від шкідливих домішок тощо.

Коливання та звук інфразвукових частот широко розповсюджені в сучасному виробництві й на транспорті. Вони утворюються під час роботи компресорів, двигунів внутрішнього згоряння, великих вентиляторів, руху локомотивів та автомобілів.

Інфразвук є одним з несприятливих факторів виробничого середовища, і при високих рівнях звукового тиску (більше 110-120 дБ) спостерігається шкідливий вплив його на організм людини.

У техніці застосовують звукові хвилі частотою вище 11,2 кГц, тобто захоплюється частина діапазону відчутних для людини звуків. На організм людини ультразвук впливає, головним чином, при безпосередньому контакті, а також через повітря. При дотриманні заходів безпеки робота з ультразвуком на стані здоров’я не позначається.

Ультразвук можна розглядати як механічні коливання природного середовища, які мають однакову із звуком фізичну природу, але відрізняються більш високою частотою. Специфічною особливістю УЗ є можливість розповсюдження ультразвукових коливань, які направлені пучком, що дозволяє створювати великий ультразвуковий тиск на невеликій площі. Ця властивість обумовила широке використання УЗ для очищення, сушіння, технічного контролю.

Джерелом ультразвуку є устаткування, в якому генеруються УЗ коливання для виконання технологічних операцій (УЗ зварювання, дефектоскопія, очищення і т.і.), а також устаткування і технологічний процес, при експлуатації якого УЗ виникає як супутній фактор (плазмове різання та зварювання, напилення, дифузійне зварювання, кисневе різання).

Ультразвуковий діапазон поділяється на низькочастотні коливання (1.12 104 - 1 105 Гц), які розповсюджуються у повітрі та контактним шляхом і високочастотні коливання (1 105 – 1 109 Гц), які розповсюджуються тільки контактним шляхом. Промислове устаткування працює в основному з УЗ частотою 18 – 70 кГц. Основними параметрами є: УЗ тиск; інтенсивність; частоти.

При розповсюдженні у різних середовищах УЗ хвилі вбираються тим більш, чим вище їх частота. Тому НЧ і УЗ добре поширюються у повітрі, а УЗ практично не розповсюджується. В пружних середовищах (вода, метал і т.і.). УЗ мало поглинає і поширює на великі відстані. При вбиранні УЗ має місце нагрівання середовища. УЗ діє на людину в наступних випадках: - при його розповсюдженні за допомогою повітря (часто разом з шумом); - при безпосередньому контакті з рідкими та твердими тілами, в яких поширюється (контактна дія).

Явище контактної дії найбільш безпечно застосовується у медицині. Вплив УЗ може викликати ураження периферичної нервової і судинної системи людини у місцях контакту (вегетативний поліневрит, м‘язова слабкість пальців, плечей та передпліччя). При тривалій дії УЗ можуть відбуватися функціональні розлади центральної і периферійної нервової системи, серцево-судинної системи, слухового та вестибулярного апарату.

На відміну від шуму УЗ має менший вплив на слухову функцію, але призводить до значних відхилень від норми вестибулярної функції, больової чутливості, терморепресії.

Коливання та звук інфразвукових частот широко розповсюджені в сучасному виробництві й на транспорті. Вони утворюються під час роботи компресорів, двигунів внутрішнього згоряння, великих вентиляторів, руху локомотивів та автомобілів.

Інфразвук є одним з несприятливих факторів виробничого середовища, і при високих рівнях звукового тиску (більше 110-120 дБ) спостерігається шкідливий вплив його на організм людини. Інфразвук – це механічні коливання природного середовища до 20 Гц. Характеристики – ті ж самі, що і для шуму. Є природні джерела: землетрус, вулкан, морські бурі.

У виробничих умовах I3 виникає при роботі тихохідних машин і механізмів, що мають великі габарити, а також компресорів, вентиляторів, які здійснюють зворотно-поступальні або обертальні рухи з частотою до 20 Гц. Інфразвук добре розповсюджується у повітрі та передається на великі відстані. 8 Інфразвук має негативний вплив на весь організм, у тому числі і на органи слуху (біль у вухах, зниження слухової чутливості на усіх частотах).

Інфразвук сприймається організмом як фізичне навантаження: виникає стомлення, головний біль, запаморочення, вестибулярні порушення, знижується гострота зору, порушується периферійний кровообіг, з‘являється почуття страху. Тяжкість впливу залежить від діапазону частоти, рівня звукового тиску та тривалості дії. Інфразвук з рівнем коливань 150 дБ та більш зовсім не переноситься організмом (впливає на органи травлення, функції головного мозку, ритм серцевих скорочень, непритомність, втрату зору та слуху, порушення дихання (6.9 Гц). Особливо несприятливі наслідки при частоті 2 – 15 Гц, що пов‘язано з виникненням резонансних явищ в організмі людини. Найбільш небезпечною частотою є частота 7 Гц, так як можливе співпадання з ритмом функціонування мозку.