Вібрація, шум, ультразвук та інфразвук

Звук - це розповсюдження звукової хвилі в пружному середовищі. Він характеризується частотою звукових коливань, амплітудою та часовими змінами коливань. Звуковий спектр поділяється на інфразвук, частота коливань звукової хвилі якого знаходиться в межах від 0 до 20 Гц - людина цих звуків не відчуває. Звуки з частотою від 20 до 20 000 Гц - звуковий діапазон, який людина чує. Частота від 20 000 Гц до 10⁹ Гц - ультразвук, від 10⁹ і вище - гіперзвук - людське вухо їх не сприймає.

Шум - це коливання звукової хвилі в звуковому діапазоні, що характеризується змінною частотою і амплітудою, непостійні в часі, які не несуть корисної інформації людині.

Під час звукових коливань у повітрі утво­рюються зони зниженого та підвищеного тиску, які визначають звуковий тиск. Звуковий тиск - різниця між миттєвим значенням повного тиску та середнім тиском в середовищі. При розповсюдженні звукової хвилі в просторі відбувається перенос енергії, кількість якої визначається інтенсивністю звуку.

Характеристикою джерела шуму є звукова потужність (Р). Найменша інтенсивність І ₀ і звуковий тиск Р₀, які сприймає вухо людини, зветься порогом чутності або умовним нулем чутності. Порогові значення І ₀ і Р₀ залежать від частоти звуку. При частоті 1000 Гц звуковий тиск Р₀ = 2 * 10^-5 Па, І₀ = 10^-12 Вт/м². При звуковому тиску Р = 2 * 10² Па, а І = 10 Вт/м² виникають больові відчуття (больовий поріг) в слухових органах людини. Між порогом чутності і больовим порогом - ділянка чутності. Для визначення рівня шуму А. Г. Белл запропонував використати логарифмічну шкалу. Для больового порогу:

L – lg І/І₀ = lg 10/10^-12 = 10 lg 10 (lg 10 = 1),

L = 10 Б (Белл)

В техніці використовують одиницю, у десять разів меншу за Белл - децибел (дБ). Таким чином, шкала чутності складатиме 130 дБ.

Кожне джерело шуму представлене своїми утворюючими тонами у вигляді залежностей рівня звукового тиску від частоти (частотним спектром шуму, спектром). Спектри шумів можуть бути лінійчастими (дискретними), суцільними та змішаними. При зміні та аналізі шумів, а також при проведенні акустичних розрахунків, весь діапазон частот поділяють на смуги певної ширини. Смуга частот, у якій відношення верхньої граничної частоти f₂ до нижньої f₁ дорівнює 2, називається октавою. Якщо f₂ / f₁ = 2=1,26, то ширина полоси дорівнює 1/3 октави.

За часовими характеристиками шуми поділяються на постійні (шуми, рівень звуку яких за восьмигодинний робочий день змінюється в часі не більш ніж на 5 дБА) й непостійні (шуми, рівень звуку яких змінюється за восьмигодинний робочий день більш ніж на 5 дБА, у свою чергу поділяються на коливальні в часі, переривчасті та імпульсні, які складаються із сигналів тривалістю менше 1 с).

Звуки малої частоти людина сприймає як менш гучні, порівняно зі звуками більшої частоти тієї ж інтенсивності. Одиницею рівня гучності є фон. Він відповідає різниці рівнів інтенсивності в 1 Б еталонного звуку за частоти 1000 Гц. Таким чином, при частоті 1000 Гц рівні гучності (у фонах) збігаються з рівнями звукового тиску (в дБ). Рівень гучності є фізіологічною характеристикою звукових коливань.

Несприятливий вплив шуму на працюючих призводить до зниження продуктивності праці, створюються передумови для виникнення нещасних випадків та аварій.

У виробничих умовах часто шум має непостійний характер. Для цих умов використовують еквівалентний (по енергії) рівень звуку L_екв (характеризує середнє значення енергії звуку в дБА). Цей рівень вимірюється спеціальним інтегруючим шумоміром або розраховується.

На підприємствах вимірювання шуму на робочих місцях повинно проводитись не менше одного разу на рік.

Вібрація - це механічні коливання, що призводять до розладу життєвих функцій людини, шкідливо впливають на роботу обладнання та руйнують будівельні конструкції.

Вібрація характеризується частотою коливань (Гц), амплітудою (А), зміщенням точки коливання від положення рівноваги (мм), коли­вальною або віброшвидкістю (V, м/с) та віброприскоренням (а, м/с²).

Залежно від способу передачі вібрації тілу людини розрізняють:

- локальну (місцеву), що передається людині через руки;

- загальну, що передається на тіло людини через опорні поверхні тіла.

Загальна вібрація поділяється на:

- транспортну, яка передається людині, яка знаходиться на транспортному засобі, що рухається;

- транспортно-технологічну, яка передається оператору машини з обмеженим переміщенням, яке здійснюється по спеціально підготовленим поверхням виробничих приміщень або промислових площадок;

- технологічну, яка передається від стаціонарних машин на робочі місця, що не мають джерела вібрації, через підлогу, фундаменти або робочі площадки, де працює оператор.

Частота гармонійного коливального руху (f) визначається за формулою:

f = n/60 (Гц),

де n - число обертів за хвилину.

Віброшвидкість (V) розраховується за виразом:

V = 2 πfA = ωA (м/c),

де А - амплітуда коливань (м);

ω - колова частота (1/с²).

Віброприскорення (а) розраховується за виразом:

а = (2πf)²А, (м/с²).

Дія вібрації на людину оцінюється рівнем вібрації, виміряної логарифмічними одиницями - дБ через рівні віброшвидкості:

Lv = 20lg V/V₀,(дБ),

або через віброприскорення:

Lа = 20 lg а/а₀,(дБ),

де V₀ = 5·10 ^-8 м/с, а₀= 3·10^-4 м/с² - граничні (порогові) значення віброшвидкості та віброприскорення.

Довготривалий вплив на людину загальної вібрації призводить до розладу вестибулярного апарату, центральної та вегетативної нервових систем, захворювання органів травлення, а також серце во-судинної системи.

Місцева вібрація викликає порушення периферійного кровообігу і нервової системи та м’язово суглобного апарату. Тривала дія локальних вібрацій часто призводить до вібраційної хвороби з незворотними змінами в цих системах.

Захист від шуму та вібрації:

- зменшення шуму та вібрації безпосередньо в джерелах їх виникнення, застосовуючи обладнання, що не утворює шуму, замінюючи ударні технологічні процеси безударними, застосовуючи деталі із не дзвінких матеріалів (пластмаса, гума, деревина), підшипники ковзання замість кочення, косо зубі та шевронні зубчасті передачі замість прямозубих, проводячи своєчасне обслуговування та ремонт елементів, що створюють шум та ін.;

- зменшення шуму та вібрації на шляхах їх розповсюдження заходами звуко- та віброізоляції, а також вібро- та звукопоглинання;

- зменшення шкідливої дії шуму та вібрації, застосовуючи індивідуальні засоби захисту та запроваджуючи раціональні режими праці та відпочинку.

Способи зменшення шумів аеродинамічного та гідродинамічного походження:

- зменшення швидкості руху повітря та рідин, що забезпечує їх ламінарний режим течії;

- встановлення глушників, що вміщують звукопоглинаючі матеріали і поглинають звукову та коливальну енергію, що потрапляє на них;

- встановлення глушників, що подрібнюють потоки, зменшуючи таким чином їх енергію; спрямування потоку у зворотньому напрямку, що дає змогу взаємо поглинатися енергіям потоків прямого та зворотнього напрямків, які контактують через перетинку.

Одним із найпростіших та економічно доцільних способів зниження шуму є застосування методів звукоізоляції (звукоізолюючі кожухи, екрани, стіни, перетинки виготовляють із щільних твердих матеріалів, здатних добре відбивати звукові хвилі, запобігаючи їх розповсюдженню – метал, пластмаса, бетон, цегла) та звукопоглинання (пористі конструкції та матеріали, здатні поглинати падаючу на них енергію звукових хвиль, яка в цьому випадку витрачається на приведення в рух повітря в масі конструкції).

Ультразвук і інфразвук. Ультразвук - це коливання пружного середовища з частотою понад 20000 Гд. Ультразвуковий діапазон частот поділяється на низькочастотні коливання (від 1,12*10⁴ до 10⁵ Гц), що розповсюджуються повітряним і контактним шляхом, та високочастотні коливання (від 10⁵ до 10⁹ Гц), що розповсюджуються тільки контакт ним шляхом. Ультразвук характеризується ультразвуковим тиском (Па), інтенсивністю (Вт/м²) та частотою коливань (Гц).

Ультразвукові установки повинні мати кожухи або екрани із органічного скла або сталевих листів, що оброблені протишумною мастикою, гумовим покриттям.

Інфразвук - це механічні коливання пружного середовища, що мають однакову із шумом фізичну природу, але різняться часто тою коливань, яка не перевищує 20 Гц.

Інфразвук характеризується інфразвуковим тиском (Па), інтенсивністю (Вт/м2), частотою коливань (Гц). Рівні інтенсивності інфразвуку та інфразвукового тиску визначаються в дБ.

Багато природних явищ - землетруси, виверження вулканів, морські бурі і т.д. супроводжуються випромінюванням інфразвукових коливань.

Інфразвук несприятливо впливає на весь організм людини, в т.ч. і на органи слуху, знижуючи слухову чутність на всіх частотах

Іонізуюче випромінювання – будь-яке випромінювання, яке прямо або посередньо викликає іонізацію оточуючого середовища (утворення позитивно та негативно заряджених іонів).

На іонізуючі випромінювання не реагують органи чуття людини, що робить їх особливо небезпечними.

Усі джерела іонізуючого випромінювання поділяються на природні (космічні промені, радіоактивні речовини, які знаходяться в земній корі) та штучні (ядерні реактори, прискорювачі заряджених частинок, рентгенівські установки, штучні радіоактивні ізотопи, прилади засобів зв’язку високої напруги).

Як природні, так і штучні іонізуючі випромінювання можуть бути електромагнітними (фотонними або квантовими) і корпускулярними.

Рентгенівське випромінювання виникає в результаті зміни стану енергії електронів, що знаходяться на внутрішніх оболонках атомів.

Характеристичним називають фотонне випромінювання з дискретним спектром, що виникає при зміні енергетичного стану атома.

Гальмівне випромінювання - фотонне з неперервним спектром, котре виникає при зміні кінетичної енергії заряджених частинок.

Рентгенівські промені проходять тканини людини наскрізь.

Гамма () – виникають при збудженні ядер атомів або елементарних частинок. Джерела: ядерні вибухи, розпад ядер радіоактивних речовин.

Альфа () – випромінювання - складається з частинок (ядер гелію), які утворюються при ядерних перетвореннях. Вони затримуються аркушем паперу, практично не здатні проникати через шкіряний покрив. Потрапляють всередину організму через відкриту рану або через кишково-шлунковий тракт разом із їжею.

Бета () – випромінювання – електронне та позитронне іонізуюче випромінювання з безперервним енергетичним спектром, що виникає при ядерних перетвореннях. Проникають в тканини організму на глибину до 1-2 см, а в повітрі – на декілька метрів.

Контакт з іонізуючим випромінюванням являє собою серйозну небезпеку для життя та здоров’я людини.

Радіоактивне випромінювання – виникають в результаті розпаду ядер радіоактивних елементів.

Кількість енергії, переданої організму, або поглинутої ним – доза. Розрізняють експозиційну (Х, Кл/кг), поглинуту (Д, Гр - грей), еквівалентну (Н, бер) дози.

Граничнодопустима доза – найбільше значення індивідуальної дози на рік, котре при рівномірному впливі протягом 50 років не викликає в стані здоров’я персоналу несприятливих змін, які виявляються сучасними методами.

Дія іонізуючого випромінювання на організм людини:

- висока руйнівна ефективність поглинутої енергії, навіть дуже мала його кількість, може спричинити глибокі біологічні зміни в організмі;

- присутність прихованого періоду уявного благополуччя;

- малі дози можуть підсумовуватись чи накопичуватись (кумулятивний ефект);

- впливає не тільки на даний живий організм, а й на його нащадків (генетичний ефект);

- різні органи живого організму мають певну чутливість до опромінення (найбільш чутливі: червоний кістковий мозок, щитовидна залоза, внутрішні кровотворні органи, молочні залози, статеві органи);

- різні організми мають істотні відмінні особливості реакції на дози опромінення;

- ефект опромінення залежить від частоти впливу іонізуючого випромінювання (одноразове у великій дозі – більш важкі наслідки, ніж фракціоноване).

Інфрачервоне, ультрафіолетове, лазерне випромінювання. Захист від них. Інфрачервоне випромінювання – електромагнітні випромінювання (ЕМВ) невидимої частини спектру, що знаходяться в діапазоні довжини хвилі λ 0,78 мкм - 1000 мкм. Джерела: будь-яке тіло, температура поверхні якого перевищує температуру абсолютного нуля (- 273 К).

Дія на людину: впливає на центральну нервову систему, серцево-судинну систему (збільшується частота серцебиття, змінюється артеріальний тиск, прискорюється дихання), порушує тепловий баланс в організмі, що призводить до посиленого потовиділення, втрати необхідних для організму людини солей, діє на очі, викликає помутніння кришталика, опік сітківки, кон’юктивіти.

Методи захисту: захист відстанню (при віддаленні від джерела густина потоку енергії зменшується пропорційно відстані до нього); захист часом (обмеження перебування людини в зоні інфрачервоного випромінювання); теплоізоляція джерела випромінювання (застосування конструкторських та технологічних рішень, направлених на теплоізоляцію випромінюваної поверхні матеріалами, що знижують температуру поверхні випромінювання); екранування джерела випромінювання (використання непрозорих або напівпрозорих екранів, які можуть бути відбиваючими або тепло поглинаючими, для охолодження – водяні завіси з водяної плівки); індивідуальні засоби захисту (спецвзуття, спецодяг, який витримує високі температури, окуляри зі скельцями жовто-зеленого або синього кольору).

Ультрафіолетове випромінювання (УФВ) – електромагнітні випромінювання в оптичній ділянці з довжиною хвилі в діапазоні 200-380 нм. Природне джерело – сонце. Штучні джерела: електричні дуги, лазери, газорозрядні джерела світла.

Вплив УФВ на людину кількісно оцінюється за еритемною дією, тобто в почервонінні шкіри, яке призводить до пігментації (засмаги). УФВ має незначну проникаючу здатність. Воно затримується верхніми шарами шкіри людини. За тривалої відсутності УФВ в організмі людини розвивається „світлове голодування”.

Заходи захисту від УФВ: конструкторські та технологічні рішення, які або усувають генерацію УФВ, або знижують його рівень; екранування джерел УФВ (хімічні і фізичні); індивідуальні засоби захисту (одяг зі спеціальних тканин, що затримують УФВ, окуляри із захисним склом, руки захищають рукавицями)

Лазер – генератор ЕМВ оптичного діапазону, робота якого полягає у використанні вимушених випромінювань.

Розрізняють термічну і біологічну дію на тканини, що може призвести до теплової, ударної дії світлового тиску, електрострикції (механічні коливання під дією електричної складової ЕМП), перебудови внутрішньоклітинних структур, у біологічних тканинах організму можуть виникати вільні радикали, які активно взаємодіють з органічними молекулами та порушують нормальний хід процесів обміну на клітинному рівні, загальне погіршення стану здоров’я.

Вражаюча дія лазерного променя залежить від потужності, довжини хвилі, тривалості імпульсу, частоти повторення імпульсів, часу взаємодії, біологічних та фізико-хімічних особливостей опромінюваних тканин та органів.

Лазерна безпека: сукупність організаційних, технічних і санітарно-гігієнічних заходів, які забезпечують безпеку умов праці персоналу при використанні лазерів.