Охорона праці в авіації - Буріченко Л.А. - 7.1. Загальні відомості

7.1. Загальні відомості

Шум є безладним поєднанням звуків, які відрізняються інтенсивністю та частотою в частотному діапазоні 20-20000 Гц (діапазон звукового сприймання). Органи слуху людини найчутливіші до звукових коливань частотою 800-5000 Гц. З погляду фізіології шум характеризується як звуковий процес, більшою або меншою мірою неприємний для сприймання, що заважає роботі й відпочинку.

Звуки бувають повітряні й структурні: перші — поширюються в повітряному середовищі, другі - спричиняються коливаннями, які поширюються в твердих тілах.

Звукові хвилі виникають при порушенні стаціонарного стану середовища в результаті дії на нього будь-якої збурювальної сили.

Частинки середовища при цьому починають коливатися відносно положення рівноваги, причому швидкість таких коливань (коливальна швидкість) значно менша від швидкості поширення хвилі (швидкості звуку).

Швидкість звуку в газі в метрах за секунду (м/с) залежить від температури. Для повітря

Де t-температура, °С.

Проте цією залежністю можна скористатися тільки у випадку відносно чистого повітря. Наприклад, для газів, які витікають із сопла реактивного двигуна і містять значну кількість вуглекислого газу, залежність швидкості звуку від температури виражена слабше, ніж для повітря.

Відоме також співвідношення між швидкістю звуку с, частотою/і довжиною хвилі X коливань:

Добуток густини середовища р на швидкість звуку в ньому називається питомим акустичним опором середовища або хвильовим опором і виражається в паскалях за секунду на метр (Пас /м). Для повітря питомий акустичний опір дорівнює 410 Па-с /м, для води - 1,5-10* Па-с/м, для сталі - 4,8107 Па-с/м.

Питомий акустичний опір визначає ступінь відбиття звукових хвиль при переході від одного середовища до іншого, а також звукоізолювальні властивості матеріалів.

Звукове поле — це область простору, в якій поширюються звукові хвилі. У кожній точці звукового поля тиск і швидкість руху частинок повітря змінюються з часом. Різниця між миттєвим значенням повного тиску звуку і середнім, яке спостерігається у незбуреному середовищі, називається звуковим тиском Р.

Одиниця вимірювання звукового тиску — паскаль. Звуковий тиск - величина скалярна. Для того, щоб уявити собі звуковий тиск в 1 Па, можна навести такий приклад. Нормальний атмосферний тиск на рівні моря на широті 45° і при температурі 0°С дорівнює 101325 Па, звідки виходить, що 1 Па приблизно відповідає одній стотисячній атмосферного тиску.

Шепіт створює в повітрі на відстані 1 м звуковий тиск, який дорівнює приблизно 0,001 Па, звичайна розмова - біля 0,1 Па, голосний крик - 0,5—1,0 Па. Шум поблизу працюючого поршневого авіадвигуна відповідає приблизно тиску 20 Па.

Інтенсивністю звуку і називається кількість звукової енергії, яка проходить за одиницю часу крізь одиницю поверхні, перпендикулярної до напрямку поширення звукової хвилі. Інтенсивність звуку — величина векторна, оскільки вона визначається залежно від напрямку руху звукового потоку. Одиницею вимірювання інтенсивності звуку є ват на квадратний метр (Вт/м2). Інтенсивність звуку безпосередньо визначити важко, значно легше виміряти звуковий тиск. Якщо середньоквадратичне значення звукового тиску визначити як Р і швидкість звуку с, інтенсивність звуку для плоскої хвилі можна визначити за формулою:

Під інтенсивністю звуку, як правило, розуміється і його гучність, хоч гучність та інтенсивність звуку не одне й те ж. Інтенсивність звуку — певна фізична величина, гучність же зумовлюється відчуттям цієї інтенсивності звуку нашою свідомістю. З медичних досліджень відомо, що усяке відчуття, в тому числі й відчуття інтенсивності звуку, збільшується значно повільніше, ніж подразнення, яке його викликає. Ступінь відчуття зростає в арифметичній прогресії, а сила подразнення, що його викликає, — в геометричній. Але перед тим, як охарактеризувати поняття "гучність звуку", розглянемо так звану шкалу децибелів, яка частково враховує описану вище особливість органів слуху людини.

За основу побудови шкали децибелів взято закон Вебера-Фехнера, згідно з яким чутливість слухового апарата пропорційна логарифму відношення інтенсивності звуків І і Іо.

Логарифмічна одиниця відношення інтенсивностей або кожна ступінь шкали, яка відповідає зміні інтенсивності звуку в 10 разів, носить в акустиці найменування бел (Б).

Рівень інтенсивності звуку (незалежно від частоти тону)

Отже, в той час, як інтенсивність звуку швидко зростає в геометричній прогресії, відповідні покази за логарифмічною шкалою рівнів повільно зростають в арифметичній прогресії. Це не тільки враховує фізіологічну особливість органів слуху, але й створює відповідні зручності при користуванні шкалою, оскільки в невелику кількість поділок логарифмічної шкали вкладається величезний діапазон змін інтенсивностей звуку або шуму.

Людський слух спроможний відрізняти і менші, ніж у два рази зміни гучності. Тому в акустиці зручніше користуватися дрібнішою одиницею, яка дорівнює 0,1 Б і називається децибелом (дБ).

Рівень інтенсивності звуку, що вимірюється в децибелах,

де Р0 - пороговий звуковий тиск, за який умовно взято тиск відчутного звуку, Р0 = 2-10 Па в октавній смузі середньогеометричною частотою 1000 Гц. Так, наприклад, під час роботи токарного верстата шум становить 70-80 дБ, пневматичний інструмент створює шум 110-120 дБ, шум працюючого реактивного двигуна транспортного ПС на відстані 1 м від сопла перевищує 150 дБ і т.д.

Рівень інтенсивності звуку, виражений у децибелах, ще не дозволяє повністю зробити висновок про те фізіологічне відчуття гучності, яке цей звук викликає. Це пояснюється тим, що чутливість слухового апарата неоднакова до звуків різних частот, і тому звуки, однакові за своєю інтенсивністю, але різні за частотою, можуть здаватися неоднаково гучними. Отже, користуючись шкалою децибелів, важко оцінити шкідливість звуку або шуму. Тому для порівняння різних за частотним складом звуків різних рівнів служить одиниця - ной. За один ной умовно беруть гучність звуку частотою 1000 Гц, який має рівень звукового тиску 40 дБ.

Кожна крива рівної гучності (рис. 7.1, а) яка побудована при різних значеннях рівнів гучності в ноях, являє собою геометричне місце точок, координати яких - частота і рівень звукового тиску - забезпечують однакову гучність. При цьому крива 1 відповідає порогові чутливості, а крива 2 - порогові больового відчуття. Верхня границя порогу больового відчуття від частоти майже не залежить, і різниця у рівнях звукового тиску рівногучних звуків на різних частотах при високих абсолютних значеннях рівнів шуму зменшується. Перерахунок рівнів звукового тиску, вираженого в децибелах, подано нарис. 7.1,6.

Просте гармонічне, тобто синусоїдне, коливання тіла, наприклад, камертона, викликає звук, який сприймається вухом як музичний або так званий простий тон. Висота тону визначається частотою коливань. На практиці частіше доводиться мати справу зі складними звуками, які являють собою сполучення декількох або багатьох простих коливань різної інтенсивності Й частоти (рис. 7.2, е). Такий складний коливальний процес можна математично представити у вигляді суми гармонічних функцій:

v(f,t)=Σ Ai sin (2πf_i +j_і),

де f і t - частота і час; A_t і j_i, - відповідно амплітуда і фаза окремих членів ряду (і - будь-яке ціле число). При кратному і будемо мати ряд Фур'є, який може бути побудований для складових тиску, швидкості або інших параметрів коливального процесу. Складові ряду, що зображають складний звук, можна відкладати у функції часу t, або частоти f Зображення коливального процесу або окремих його складових у функції часу називається осцилограмою.

Осцилограма звукового тиску у разі простого гармонічного коливання, коли відсутні будь-які інші складові, крім основної частоти, показана на рис. 7.2, а, а на рис. 7.2, б і в показані складніші осцилограми. Недоліком такого способу представлення коливального процесу є трудомісткість. Часто буває так, що часу на

осцилографування будь-якого шуму потрібно значно менше, ніж на розшифровування осцилограми. Тому в акустиці найчастіше використовують метод зображення коливальних процесів у вигляді складових у функції частоти. Такий запис називається спектрограмою процесу.

Рис. 7.2. Осцилограми і спектрограми деяких коливальних процесів

Записування спектрограм виконують на спеціальній апаратурі. За спектрограмою будь-якого звукового процесу можна його оцінити з погляду слухового сприйняття. Оскільки звуки різної частоти сприймаються людиною по-різному, то спектрограма дає можливість оцінити значення інтенсивніших складових і визначити, на яких частотах вони розташовуються.

Спектрограма (рис. 7.2, г) відображає синусоїдальні коливання фіксованої частоти у дискретному вигляді. По горизонтальній осі, як і в усіх наступних спектрограмах, відкладена частота коливання, а по вертикальній - амплітуди складових. Спектрограми (рис. 7.2, д, е) вміщують велику кількість складових різної частоти і амплітуди.

Для оцінки авіаційного шуму зазвичай застосовують такі критерії: рівні сприйманого шуму РNL у РN децибелах (в цих одиницях виконується нормування авіаційного шуму на місцевості відповідно до Додатку 16 Чиказької конвенції ІСАО); ефективні рівні сприйманого шуму ЕРNL в ЕРN децибелах. Вони визначаються розрахунком, куди входить реакція людини на шум різного частотного складу, а ЕРNL в децибелах враховує додатково І тривалість дії шуму. Як уже зазначалось, ці критерії застосовують найчастіше при оцінці шуму в населених пунктах, розташованих поблизу великих аеропортів.

Розрахунки рівнів сприйманого шуму виконують за гучностями в окремих смугах частот. При цьому гучність частотних смуг сигналу і відповідні рівні сприйманого шуму РNL можна визначити за таблицями, наведеними в ГОСТ 17229-85. Самолеты пассажирские и транспортные. Метод определения уровней; шума, создаваемого на местности, або наближено (див. рис. 7.1).

Аналітично сумарна гучність у ноях

N = 0,85 nmax + 0,15 Σni

Де nmax - максимальне з усіх 24 значень ni, одержаних під час тритинооктавного аналізу спектра.

Тоді рівні сприйманого шуму в РN децибелах

РNL = 40 + 33,3 lgN.

У тих випадках, коли потрібна висока точність оцінки шуму ПС, часто використовують прямі виміри за допомогою стандартних шумомірів із фільтрами А, В, С або D). Наприклад, за допомогою виміряних рівнів L_A або L_D із використанням наближених співвідношень можна записати:

РNL = L_A + 13; PNL = L_D + 7.

Методика розрахунку ефективних рівнів сприйманого шуму має вигляд:

EPNL = PNLTM + Д,

де PNLTM - максимальне значення змінюваного у часі рівня сприйманого шуму РNL з урахуванням поправки на дискретні складові С, тобто PNLTM = РNL + С; Д — поправка на тривалість дії шуму.

Для орієнтовної оцінки дії постійного або непостійного виробничого шуму використовують рівні звуку, виміряні в децибелах за шкалою А, які умовно записуються у децибелах (дБА) стандартного шумоміра з корекцією, що враховує особливості сприйняття звуків різних частот вухом людини.