Вибрации и акустические колебания - Статьи

Вибрации. Малые механические колебания, возникающие в упругих телах или телах, нахо-дящихся под воздействием переменного физического поля, называются вибрацией. Воздействие вибрации на человека классифицируют: по способу передачи колебаний; по направлению действия вибрации; по временной характеристике вибрации.

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.
По направлению действия вибрацию подразделяют на: вертикальную, распространяющуюся по оси х, перпендикулярной к опорной поверхности; горизонтальную, распространяющуюся по оси у, от спины к груди; горизонтальную, распространяющуюся по оси z, от правого плеча к левому плечу.
По временной характеристике различают: постоянную вибрацию, для которой контролиру-емый параметр за время наблюдения изменяется не более чем в 2 раза (6 дБ); непостоянную вибра-цию, изменяющуюся по контролируемым параметрам более чем в 2 раза.
Вибрация относится к факторам, обладающим высокой биологической активностью. Выра-женность ответных реакций обусловливается главным образом силой энергетического воздействия и биомеханическими свойствами человеческого тела как сложной колебательной системы. Мощ-ность колебательного процесса в зоне контакта и время этого контакта являются главными пара-метрами, определяющими развитие вибрационных патологий, структура которых зависит от часто-ты и амплитуды колебаний, продолжительности воздействия, места приложения и направления оси вибрационного воздействия, демпфирующих свойств тканей, явлений резонанса и других условий.
Между ответными реакциями организма и уровнем воздействующей вибрации нет линей-ной зависимости. Причину этого явления видят в резонансном эффекте. При повышении частот колебаний более 0,7 Гц возможны резонансные колебания в органах человека. Резонанс человече-ского тела, отдельных его органов, наступает под действием внешних сил при совпадении соб-ственных частот колебаний внутренних органов с частотами внешних сил. Область резонанса для головы в положении сидя при вертикальных вибрациях располагается в зоне между 20...30 Гц, при горизонтальных –1,5...2 Гц.
Особое значение резонанс приобретает по отношению к органу зрения. Расстройство зри-тельных восприятий проявляется в частотном диапазоне между 60 и 90 Гц, что соответствует резо-нансу глазных яблок. Для органов, расположенных в грудной клетке и брюшной полости, резо-нансными являются частоты 3...3,5 Гц. Для всего тела в положении сидя резонанс наступает на ча-стотах 4...6 Гц.
Вибрационная патология стоит на втором месте (после пылевых) среди профессиональных заболеваний. Рассматривая нарушения состояния здоровья при вибрационном воздействии, следу-ет отметить, что частота заболеваний определяется величиной дозы, а особенности клинических проявлений формируются под влиянием спектра вибраций. Выделяют три вида вибрационной па-тологии от воздействия общей, локальной и толчкообразной вибраций.
При действии на организм общей вибрации страдает, в первую очередь, нервная система и анализаторы: вестибулярный, зрительный, тактильный. Вибрация является специфическим раз-дражителем для вестибулярного анализатора, причем линейные ускорения –для отолитового аппа-рата, расположенного в мешочках преддверия, а угловые ускорения –для полукружных каналов внутреннего уха.
У рабочих вибрационных профессий отмечены головокружения, расстройство координации движений, симптомы укачивания, вестибуло-вегетативная неустойчивость. Нарушение зрительной функции проявляется сужением и выпадением отдельных участков полей зрения, снижением остроты зрения, иногда до 40 %, субъективно – потемнением в глазах. Под влиянием общих виб-раций отмечается снижение болевой, тактильной и вибрационной чувствительности. Особенно опасна толчкообразная вибрация, вызывающая микротравмы различных тканей с последующими реактивными изменениями. Общая низкочастотная вибрация оказывает влияние на обменные про-цессы, проявляющиеся изменением углеводного, белкового, ферментного, витаминного и холесте-ринового обменов, биохимических показателей крови.
Вибрационная болезнь от воздействия общей вибрации и толчков регистрируется у водите-лей транспорта и операторов транспортно-технологических машин и агрегатов, на заводах железо-бетонных изделий. Для водителей машин, трактористов, бульдозеристов, машинистов экскавато-ров, подвергающихся воздействию низкочастотной и толчкообразной вибраций, характерны изме-нения в пояснично-крестцовом отделе позвоночника. Рабочие часто жалуются на боли в пояснице, конечностях, в области желудка, на отсутствие аппетита, бессонницу, раздражительность, быструю утомляемость. В целом картина воздействия общей низко- и среднечастотной вибрации выражает-ся общими вегетативными расстройствами с периферическими нарушениями, преимущественно в конечностях, снижением сосудистого тонуса и чувствительности.
Бич современного производства, особенно машиностроения – локальная вибрация. Локаль-ной вибрации подвергаются главным образом люди, работающие с ручным механизированным ин-струментом. Локальная вибрация вызывает спазмы сосудов кисти, предплечий, нарушая снабжение конечностей кровью. Одновременно колебания действуют на нервные окончания, мышечные и костные ткани, вызывают снижение кожной чувствительности, отложение солей в суставах паль-цев, деформируя и уменьшая подвижность суставов.
Колебания низких частот вызывают резкое снижение тонуса капилляров, а высоких частот – спазм сосудов.
Сроки развития периферических расстройств зависят не столько от уровня, сколько от дозы (эквивалентного уровня) вибрации в течение рабочей смены. Преимущественное значение имеет время непрерывного контакта с вибрацией и суммарное время воздействия вибрации за смену. У формовщиков, бурильщиков, заточников, рихтовщиков при среднечастотном спектре вибраций заболевание развивается через 8...10 лет работы. Обслуживание инструмента ударного действия (клепка, обрубка), генерирующим вибрацию среднечастотного диапазона (30...125 Гц), приводит к развитию сосудистых, нервно-мышечных, костно-суставных и других нарушений через 12...15 лет. При локальном воздействии низкочастотной вибрации, особенно при значительном физическом напряжении, рабочие жалуются на ноющие, ломящие, тянущие боли в верхних конечностях, часто по ночам. Одним из постоянных симптомов локального и общего воздействия является расстрой-ство чувствительности. Наиболее резко страдает вибрационная, болевая и температурная чувстви-тельность.
К факторам производственной среды, усугубляющим вредное воздействие вибраций на ор-ганизм, относятся чрезмерные мышечные нагрузки, неблагоприятные микроклиматические усло-вия, особенно пониженная температура, шум высокой интенсивности, психоэмоциональный стресс. Охлаждение и смачивание рук значительно повышают риск развития вибрационной болез-ни за счет усиления сосудистых реакций. При совместном действии шума и вибрации наблюдается взаимное усиление эффекта в результате его суммации, а возможно, и потенцирования.
Усугубляющее влияние сопутствующих факторов учитывается при расчете показателей ве-роятности вибрационной болезни. В табл. 3.9 приведены значения расчетных коэффициентов К повышения риска вибрационной болезни в зависимости от уровня сопутствующего шума, темпера-туры окружающей среды и категории тяжести работ. Изменение коэффициентов К для шума и температуры находятся в линейной зависимости от значения изменяемого фактора, и поэтому промежуточные значения подсчитывают по экспериментальным формулам:

Кш = (Lш-80)0,025+1,
Кто = (20-То)0,08+1,
где Кш – коэффициент влияния шума; Кто – коэффициент влияния температуры.
Пример. Работа с перфоратором ПТ-29 (Lэкв 128 дБ) производится при температуре 4 ˚C и сопро-вождается шумом уровнем Lэкв = 116 дБ. Необходимо определить срок и вероятность риска вибрационной болезни в этих условиях Известно, что на пятом году работы без усугубляющих факторов вероятность виб-рационной болезни составляет 1,4 %. Коэффициенты влияния сопутствующих факторов (шума и охлажде-ния) соответственно равны Кш = (116–80)0,025 + 1 = 1,9, Кто == (20–4)0,08 + 1 = 2,28. Категория тяжести труда –III, Ктяж =1,5.
Отсюда, вероятность вибрационной болезни составляет 1,4•1,9•2,28•1,5 = 9,1 % при стаже 5 лет. Со-путствующие факторы увеличили риск вибрационной болезни в 6,5 раз (9,1:1,4).

Длительное систематическое воздействие вибрации приводит к развитию вибрационной болезни (ВБ), которая включена в список профессиональных заболеваний. Эта болезнь диагностируется, как правило, у работающих на производстве; в условиях населенных мест (ВБ) не регистрируется, несмотря на наличие многих источников вибрации (наземный и подземный транспорт, промышленные источники и др.). Лица, подвергающиеся воздействию вибрации окружающей среды, чаще болеют сердечно-сосудистыми и нервными заболеваниями и обычно предъявляют много жалоб общесоматического характера.
Гигиеническое нормирование вибраций регламентирует параметры производственной виб-рации и правила работы с виброопасными механизмами и оборудованием, ГОСТ 12.1.012–90 «ССБТ. Вибрационная безопасность. Общие требования», Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.556–96 «Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий». Доку-менты устанавливают: классификацию вибраций, методы гигиенической оценки, нормируемые па-раметры и их допустимые значения, режимы труда лиц виброопасных профессий, подвергающихся воздействию локальной вибрации, требования к обеспечению вибробезопасности и к вибрацион-ным характеристикам машин.
При гигиенической оценке вибраций нормируемыми параметрами являются средние квад-ратичные значения виброскорости v (и их логарифмические уровни Lv) или виброускорения для локальных вибраций в октавных полосах частот, а для общей вибрации – в октавных или треть ок-тавных полосах. Допускается интегральная оценка вибрации во всем частотном диапазоне норми-руемого параметра, а также по дозе вибрации D с учетом времени воздействия. Допустимые значе-ния Lv представлены в табл. 3.10.
Для общей и локальной вибрации зависимость допустимого значения виброскорости vt (м/с) от времени фактического воздействия вибрации, не превышающего 480 мин, определяется по фор-муле, где V480 –допустимое значение виброскорости для длительности воздействия 480 мин, м/с.
Максимальное значение vt для локальной вибрации не должно превышать значений, опре-деляемых для T= 30 мин, а для общей вибрации при T= 10 мин.
Допустимые уровни вибрации в жилых домах, условия и правила их измерения и оценки регламентируются Санитарными нормами СН 2.2.4/2.18.566–96. Основными нормируемыми пара-метрами вибрации являются средние квадратичные величины уровней виброскорости и вибро-ускорения в октавных полосах частот.
Акустические колебания. Физическое понятие об акустических колебаниях охватывает как слышимые, так и неслышимые колебания упругих сред. Акустические колебания в диапазоне 16 Гц...20 кГц, воспринимаемые человеком с нормальным слухом, называют звуковыми, с частотой менее 16 Гц–инфразвуковыми, выше 20 кГц– ультразвуковыми. Распространяясь в пространстве, звуковые колебания создают акустическое поле.
Ухо человека может воспринимать и анализировать звуки в широком диапазоне частот и интенсивностей. Область слышимых звуков ограничена двумя пороговыми кривыми: нижняя – по-рог слышимости, верхняя – порог болевого ощущения. Самые низкие значения порогов лежат в диапазоне 1...5 кГц. Порог слуха молодого человека составляет 0 дБ на частоте 1000 Гц, на частоте 100 Гц порог слухового восприятия значительно выше, так как ухо менее чувствительно к звукам низких частот. Болевым порогом принято считать звук с уровнем 140 дБ, что соответствует звуко-вому давлению 200 Па и интенсивности 100 Вт/м2. Звуковые ощущения оцениваются по порогу дискомфорта (слабая боль в ухе, ощущение касания, щекотания).
Шум определяют как совокупность апериодических звуков различной интенсивности и ча-стоты. Окружающие человека шумы имеют разную интенсивность: разговорная речь – 50...60 дБ А, автосирена – 100 дБ А, шум двигателя легкового автомобиля –80 дБ А, громкая музыка –70 дБ А, шум от движения трамвая –70...80 дБ А, шум в обычной квартире –30...40 дБ А.
По спектральному составу в зависимости от преобладания звуковой энергии в соответству-ющем диапазоне частот различают низко-,средне-и высокочастотные шумы, по временным харак-теристикам – постоянные и непостоянные, последние, в свою очередь, делятся на колеблющиеся, прерывистые и импульсные, по длительности действия – продолжительные и кратковременные. С гигиенических позиций придается большое значение амплитудно-временным, спектральным и ве-роятностным параметрам непостоянных шумов, наиболее характерных для современного произ-водства.
Интенсивный шум на производстве способствует снижению внимания и увеличению числа ошибок при выполнении работы, исключительно сильное влияние оказывает шум на быстроту ре-акции, сбор информации и аналитические процессы, из-за шума снижается производительность труда и ухудшается качество работы. Шум затрудняет своевременную реакцию работающих на предупредительные сигналы внутрицехового транспорта (автопогрузчиков, мостовых кранов и т. п.), что способствует возникновению несчастных случаев на производстве.
В биологическом отношении шум является заметным стрессовым фактором, способным вы-звать срыв приспособительных реакций. Акустический стресс может приводить к разным проявле-ниям: от функциональных нарушений регуляции ЦНС до морфологически обозначенных дегенера-тивных деструктивных процессов в разных органах и тканях. Степень шумовой патологии зависит от интенсивности и продолжительности воздействия, функционального состояния ЦНС и, что очень важно, от индивидуальной чувствительности организма к акустическому раздражителю. Ин-дивидуальная чувствительность к шуму составляет 4...17 % . Считают, что повышенная чувстви-тельность к шуму определяется сенсибилизированной вегетативной реактивностью, присущей 11 % населения. Женский и детский организм особенно чувствительны к шуму. Высокая индивидуальная чувствительность может быть одной из причин повышенной утомляемости и развития различных неврозов.
Шум оказывает влияние на весь организм человека: угнетает ЦНС, вызывает изменение скорости дыхания и пульса, способствует нарушению обмена веществ, возникновению сердечно-сосудистых заболеваний, гипертонической болезни, может приводить к профессиональным забо-леваниям.
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 уровнем свыше 75 дБ может привести к потере слуха – профессиональной тугоухости. При действии шума высоких уровней (более 140 дБ) возможен раз-рыв барабанных перепонок, контузия, а при еще более высоких (более 160 дБ) и смерть.
Специфическое шумовое воздействие, сопровождающееся повреждением слухового анали-затора, 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 наруша-ется способность слышать важные звуковые сигналы, наступает ослабление разборчивости речи.
Оценка состояния слуховой функции базируется на количественном определении потерь слуха и производится по показателям аудио-метрического исследования. Основным методом ис-следования слуха является тональная аудиометрия. При оценке слуховой функции определяющими приняты средние показатели порогов слуха в области восприятия речевых частот (500, 1000, 2000 Гц), а также потеря слухового восприятия в области 4000 Гц.
Критерием профессионального снижения слуха принят показатель средней арифметической величины снижения слуха в речевом диапазоне, равный 11 дБ и более. Помимо патологии органа слуха при воздействии шума наблюдаются отклонения в состоянии вестибулярной функции, а также общие неспецифические изменения в организме; рабочие жалуются на головные боли, голо-вокружение, боли в области сердца, повышение артериального давления, боли в области желудка и желчного пузыря, изменение кислотности желудочного сока. Шум вызывает снижение функции защитных систем и общей устойчивости организма к внешним воздействиям.
Нормируемые параметры шума на рабочих местах определены ГОСТ 12.1.003–83* и Сани-тарными нормами СН 2.2.4/2.1.8.562–96 «Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, обще-ственных зданий и на территории жилой застройки». Документы дают классификацию шумов по спектру на широкополосные и тональные, а по временным характеристикам – на постоянные и не-постоянные. Для нормирования постоянных шумов применяют допустимые уровни звукового дав-ления (УЗД) в девяти октавных полосах частот (табл. 3.11) в зависимости от вида производствен-ной деятельности. Для ориентировочной оценки в качестве характеристики постоянного широко-полосного шума на рабочих местах допускается принимать уровень звука (дБ А), определяемый по шкале А шумомера с коррекцией низкочастотной составляющей по закону чувствительности орга-нов слуха и приближением результатов объективных измерений к субъективному восприятию.
Непостоянные шумы делятся на колеблющиеся во времени, прерывистые и импульсные. Нормируемой характеристикой непостоянного шума является эквивалентный по энергии уровень звука (дБ А).
При оценке шума допускается использовать дозу шума, так как установлена линейная зави-симость доза–эффект по временному смещению порога слуха, что свидетельствует об адэкватности оценки шума по энергии. Дозный подход позволяет также оценить кумуляцию шумового воз-действия за рабочую смену.
Нормирование допустимого шума в жилых помещениях, общественных зданиях и на терри-тории жилой застройки осуществляется в соответствии с СН 2.2.4/2.1.8.562–96.
Оценивать и прогнозировать потери слуха, связанные с действием производственного шума, дает возможность стандарт ИСО 1999: (1975) «Акустика–определение профессиональной экспозиции шума и оценка нарушений слуха, вызванных шумом».
В производственных условиях нередко возникает опасность комбинированного влияния вы-сокочастотного шума и низкочастотного ультразвука, например при работе реактивной техники, при плазменных технологиях.
Ультразвук как упругие волны не отличается от слышимого звука, однако, частота колеба-тельного процесса способствует большему затуханию колебаний вследствие трансформации энер-гии в теплоту.
По частотному спектру ультразвук классифицируют на: низкочастотный – колебания 1,12·104... 1,0·105 Гц; высокочастотный – 1,0·105…1,0·109 Гц; по способу распространения–на воз-душный и контактный ультразвук.
Низкочастотные ультразвуковые колебания хорошо распространяются в воздухе. Биологи-ческий эффект воздействия их на организм зависит от интенсивности, длительности воздействия и размеров поверхности тела, подвергаемой действию ультразвука. Длительное систематическое влияние ультразвука, распространяющегося в воздухе, вызывает функциональные нарушения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. У работающих на ультразвуковых установках отмечают выраженную астению, сосудистую гипото-нию, снижение электрической активности сердца и мозга. Изменения ЦНС в начальной фазе про-являются нарушением рефлекторных функций мозга (чувство страха в темноте, в ограниченном пространстве, резкие приступы с учащением пульса, чрезмерной потливостью, спазмы в желудке, кишечнике, желчном пузыре). Наиболее характерны вегетососудистая дистония с жалобами на резкое утомление, головные боли и чувство давления в голове, затруднения при концентрации внимания, торможение мыслительного процесса, на бессонницу.
Контактное воздействие высокочастотного ультразвука на руки приводит к нарушению ка-пиллярного кровообращения в кистях рук, снижению болевой чувствительности, т. е. развиваются периферические неврологические нарушения. Установлено, что ультразвуковые колебания могут вызывать изменения костной структуры с разрежением плотности костной ткани.
Профессиональные заболевания зарегистрированы лишь при контактной передаче ультра-звука на руки – вегетосенсорная (ангионевроз) или сенсомоторная полиневропатия рук.
Гигиенические нормативы ультразвука определены ГОСТ 12.1.001– 89.
Инфразвук – область акустических колебаний с частотой ниже 16...20 Гц. В условиях произ-водства инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, в ряде случаев – с низкоча-стотной вибрацией.
При воздействии инфразвука на организм уровнем 110...150 дБ могут возникать неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения: нарушения в ЦНС, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Отмечают жалобы на головные боли, головокружение, осязаемые движения барабанных перепонок, звон в ушах и голове, сниже-ние внимания и работоспособности; может появиться чувство страха, сонливость, затруднение ре-чи; специфическая для действия инфразвука реакция – нарушение равновесия. При воздействии инфразвука с уровнем 105 дБ отмечены психофизиологические реакции в форме повышения тре-вожности и неуверенности, эмоциональной неустойчивости.
Установлен аддитивный характер действия инфразвука и низкочастотного шума. Следует отметить, что производственный шум и вибрация оказывают более агрессивное действие, чем ин-фразвук сопоставимых параметров.
Гигиеническая регламентация инфразвука на рабочих местах производится по СН 2274–80. В условиях городской застройки нормирование инфразвука обеспечивается санитарными нормами допустимых уровней инфразвука и низкочастотного шума на территории жилой застройки № 42-128-4948–89 (табл. 3.14).
На людей и животных может воздействовать ударная волна. Прямое воздействие возникает в результате воздействия избыточного давления и скоростного напора воздуха. Ввиду небольших размеров тела человека, ударная волна мгновенно охватывает человека и подвергает его сильному сжатию в течение нескольких секунд. Мгновенное повышение давления воспринимается живым организмом как резкий удар. Скоростной напор при этом создает значительное лобовое давление, которое может привести к перемещению тела в пространстве. Косвенные поражения людей и жи-вотных могут произойти в результате ударов осколков стекла, шлака, камней, дерева и других предметов, летящих с большой скоростью.
Степень воздействия ударной волны зависит от мощности взрыва, расстояния, метеоусло-вий, местонахождения (в здании, на открытой местности) и положения человека (лежа, сидя, стоя) и характеризуется легкими, средними, тяжелыми и крайне тяжелыми травмами.
Избыточное давление во фронте ударной волны 10 кПа и менее для людей и животных, рас-положенных вне укрытий, считаются безопасными. Легкие поражения наступают при избыточном давлении 20...40 кПа. Они выражаются кратковременными нарушениями функций организма (зво-ном в ушах, головокружением, головной болью). Возможны вывихи, ушибы. Поражения средней тяжести возникают при избыточном давлении 40...60 кПа. При этом могут быть вывихи конечно-стей, контузии головного мозга, повреждение органов слуха, кровотечения из носа и ушей.
Тяжелые контузии и травмы возникают при избыточном давлении 60...100 кПа. Они харак-теризуются выраженной контузией всего организма, переломами костей, кровотечениями из носа, ушей; возможно повреждение внутренних органов и внутреннее кровотечение. Крайне тяжелые контузии и травмы у людей возникают при избыточном давлении более 100 кПа. Отмечаются раз-рывы внутренних органов, переломы костей, внутренние кровотечения, сотрясение мозга с дли-тельной потерей сознания. Разрывы наблюдаются в органах, содержащих большое количество кро-ви (печени, селезенке, почках), наполненных газом (легких, кишечнике), имеющих полости, наполненные жидкостью (головном мозге, мочевом и желчном пузырях). Эти травмы могут приве-сти к смертельному исходу.
Радиус поражения обломками зданий, особенно осколками стекол, разрушающихся при из-быточном давлении 2...7 кПа, может превысить радиус непосредственного поражения ударной волной.
Воздушная ударная волна также действует на растения. Полное повреждение лесного мас-сива наблюдается при избыточном давлении более 50 кПа. Деревья при этом вырываются с кор-нем, ломаются и отбрасываются, образуются сплошные завалы. При избыточном давлении 30...50 кПа повреждается около 50 % деревьев, создаются сплошные завалы, а при избыточном давлении 10...30 кПа –до 30 % деревьев. Молодые деревья более устойчивы, чем старые.

Опубликовано на сайте: http://www.knowed.ru
Прямая ссылка: http://www.knowed.ru/index.php?name=pages&op=view&id=1514

1111