3654 ЭКОЛОГИЯ

Лабораторная работа № 3

ШУМ  КАК  ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ  ФАКТОР

Цель работы: ознакомление с характеристиками шума и особенностями его воздействия на организм человека, с особенностями измерения и нормирования параметров шума, а также с методами оценки шума в естественных условиях окружающей среды.

Теоретическая часть

1. Звук и его основные характеристики

Любое нарушение  стационарного состояния той или иной среды порождает волновые процессы. Механические колебания частиц среды в диапазоне частот 20 – 20000 Гц воспринимаются ухом человека и называются звуковыми волнами. Колебания среды с частотами ниже 20 Гц называют инфразвуком, а колебания с частотами выше 20000 Гц – ультразвуком. Длина звуковой волны  l связана с частотой  f и скоростью звука  с  зависимостью:  l = c / f . Нестационарное состояние среды при распространении звуковой волны характеризуется звуковым давлением (P), под которым понимают среднеквадратическое значение отклонения давления в среде при распространении звуковой волны  от давления в невозмущённой среде, измеряемое в паскалях (Па).Перенос энергии плоской звуковой волной через единицу поверхности, перпендикулярную к направлению распространения звуковой волны, характеризуют интенсивностью звука (плотностью потока звуковой мощности), Вт/м2:                                          ,                                                  (1)

где  P – звуковое давление, Па; r – удельная плотность среды, г/м3cскорость распространения звуковой волны в данной среде, м/с. Скорость переноса энергии равна скорости распространения звуковой волны.

Органы слуха человека способны воспринимать звуковые колебания в очень широких диапазонах изменения интенсивностей и звуковых давлений. Например, при частоте звука в 1 кГц усреднённому порогу чувствительности человеческого уха (порог слышимости) соответствуют значения звукового давления и интенсивности звука:  P0 = 2∙10-5 Па и I0 = 10-12 Вт/м2, а порогу болевого ощущения (превышение которого уже может при­вести к физическому повреждению органов слуха) соответствуют значения  Pб = 20  Па и   Iб = 1 Вт/м2. Величины P0 и  I0 в звукотехнике приняты в качестве стандартных (эталонных) величин. Согласно закону Вебера-Фехнера раздражающее человеческое ухо действие звука пропорционально логарифму звукового давления, поэтому на практике обычно вместо абсолютных значений интенсивности и звукового давления используют их относительные логарифмические уровни звука, выраженные в децибелах (дБ):                 ; ,                  (2)

где I0 = 10-12 Вт/м2 и  P0 = 2∙10-5 Па – стандартные пороговые значения интенсивности  и звукового давления. Для реальных атмосферных условий можно считать, что  LI = LP= L.

Реальное шумовое поле часто определяется не одним, а несколькими источниками шума. Наиболее просто выглядит экспериментально установленное правило сложения интенсивностей звука нескольких источников:                                     .                                              (3)Правило сложения звуковых давлений, создаваемых несколькими источниками, легко выводится из выражений (1), (3) и носит квадратичный характер:

.                                              (4)

Используя выражения (2) – (4), легко получить правило сложения относительных логарифмических уровней звука. Согласно определению относительные логарифмические уровни звука i-го источника и суммарный уровень звука определяются как

,

откуда соответственно получаем:

.                                       (5)Аналогично можно выразить и суммарный уровень звука:                            .Подставляя последовательно сюда выражения (5) и (4), получаем правило сложения относительных логарифмических уровней звука нескольких источников:                           .                                 (6)В случае n одинаковых источников звука  (Li = L)  формула (6) упрощается:                                    Lå = L + 10 lg(n) .                                       (7)Из формул (6) и (7) следует, что если уровень одного из источников звука превышает уровень другого более чем на 10 дБ, то звуком более слабого источника практически можно пренебречь, так как его вклад в общий уровень будет менее 0,5 дБ. Таким образом, при борьбе с шумом в первую очередь необходимо заглушать наиболее интенсивные источники шума. Кроме того, следует иметь в виду, что при наличии нескольких одинаковых источников шума устранение одного-двух из них очень слабо влияет на общее снижение уровня шума.Важной характеристикой источника шума является уровень его звуковой мощности. Звуковая мощность  W, Вт, – это общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в единицу времени.                                      .                                          (8)Если энергия излучается по всем направлениям равномерно и затухание звука в воздухе мало, то при интенсивности  I на расстоянии  r от источника шума его звуковая мощность может быть определена по формуле:  W = 4p r2I.  По аналогии с логарифмическими уровнями интенсивности и звукового давления введены логарифмические уровни звуковой мощности (дБ):                                      ,                                     (9)

где  W0 = I0 s0 = 10-12 – стандартное значение звуковой мощности, Вт; s0 = 1 м2.

Распределение энергии шума в диапазоне звуковых частот характеризуется с помощью частотного спектра. В практическом применении спектр шума показывает уровни звукового давления или интенсивности (для источников звука – уровни звуковой мощности) в октавных частотных полосах частот, характеризующихся нижней fн и верхней fв граничными частотами в соотношении fв/fн = 2 и среднегеометрической частотой: fсг = (fн · fв)0,5. Среднегеометрические частоты соседних октавных полос соответствуют стандартному двоичному ряду, включающему 10 значений:  31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000; 8000; 16000 Гц.

 

2. Особенности субъективного восприятия звука

Восприятие звука человеческим ухом очень сильно и нелинейно зависит от его частоты. Особенности субъективного восприятия звука иллюстрируются графически с помощью кривых равной громкости на рис. 1. Каждая кривая на рис. 1 характеризует уровни звукового давления на различных частотах, воспринимаемые ухом человека с одинаковым уровнем громкости (LN).

Рис. 1. Кривые равной громкости

Относительный логарифмический уровень громкости оценивается с помощью специальных единиц – фон. Для определения уровня громкости произвольной точки N в поле чертежа на рис. 1 следует через эту точку провести кривую равной громкости (как показано пунктирной линией на рис. 1) и определить уровень звукового давления (LP*) при котором эта кривая пересекает линию частоты в 1000 Гц. Полученное указанным образом численное значение уровня звукового давления, выраженное в дБ, и определит численное значение уровня громкости, выраженное в фон, т. е.:                  .Физический прибор для измерения уровней звукового давления (объективного физического параметра) – «шумомер» – технически реализуется просто. Для оценки уровней громкости (субъективно воспринимаемого человеком параметра)  необходимо, как следует из чертежа на рис. 1, так скорректировать измерительный процесс в шумомере, чтобы при изменении уровня звукового давления в соответствии с одной из кривых равной громкости его показания оставались неизменными и равными уровню звукового давления на частоте 1000 Гц. То есть для произвольной кривой равной громкости (например, показанной пунктирной линией на рис. 1) необходимо, чтобы выполнялось условие:              .Сравнительно простыми техническими средствами осуществить точную коррекцию не удаётся. Поэтому практически реализуемая коррекция осуществляется приближённо. Возможны несколько разновидностей коррекции показаний шумомера для оценки уровней громкости. Наибольшее распространение получила коррекция, называемая коррекцией типа А. Таким образом, корректированные уровни звукового давления, полученные с помощью физического шумомера (т.е. работающего в режиме с коррекцией типа А) и принимаемые в качестве оценок уровней громкости, субъективно воспринимаемых человеком,  определяются в виде                                                                          (10)

и называются уровнями звука, измеряемыми в специальных единицах дБА.

Из вышеизложенного можно сделать следующий вывод: если любую из кривых равной громкости для тонального звука подвергнуть коррекции  А, то в результате получим значение постоянного уровня звука (в дБА), приближённо (точная коррекция практически не осуществима) соответствующее уровню громкости ΔLN данной кривой, выраженному в единицах измерения громкости (фон), т. е. можно считать уровни звука LA приближённой оценкой субъективного восприятия шума в виде уровней громкости LN :                            .

 

3. Действие шума на организм человека

Шумом считается всякий звук, неблагоприятно действующий на организм человека.  В зависимости от интенсивности и длительности действия шума на организм человека происходит снижение чувствительности органов слуха, выражающееся в виде временного смещения порога слышимости (нижняя кривая на рис. 1). В результате такого смещения порога чувствительности слухового аппарата человек начинает плохо слышать тихие звуки. Как правило, порог чувствительности восстанавливается спустя некоторый (сравнительно непродолжительный) интервал времени. Однако при большой интенсивности и длительности действия шума возможна необратимая потеря чувствительности слухового аппарата человека (тугоухость).Регулярное длительное воздействие на человека интенсивного шума (с уровнем вывшее 80 дБА) обычно рано или поздно приводит к частичной или даже полной потере слуха. Исследования показывают, что в настоящее время тугоухость выходит на одно из лидирующих мест в ряду профессиональных заболеваний и имеет тенденцию к дальнейшему росту.Действие шума на организм не ограничивается лишь непосредственным влиянием на органы слуха. Звуковое раздражение через нервную систему слуховых органов передаётся в центральную и вегетативную нервные системы и посредством их может воздействовать на внутренние органы человека, вызывая существенные изменения в их состоянии. Таким образом, шум способен оказывать воздействие на организм человека в целом. Данный факт подтверждается тем, что статистика общей заболеваемости рабочих шумных производств оказывается на 10 – 15 % выше.Воздействие на вегетативную нервную систему проявляется  даже при небольших уровнях звука (40 – 70 дБА) и не зависит от субъективного восприятия шума человеком. Из вегетативных реакций наиболее выраженным являются нарушение периферического кровообращения в результате сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышение артериального давления (при уровнях звука выше 85 дБА). Воздействие на центральную нервную систему человека вызывает увеличение времени зрительно-моторных реакций, нарушает биоэлектрическую активность головного мозга с возможным возникновением общих функциональных изменений в организме (при уровнях звука выше 50 – 60 дБА), а также возникают биохимические изменения в структурах головного мозга.Психическое воздействие на человека шум может оказывать, начиная с уровней звука в 30 дБА. Воздействие на психику человека растёт с увеличением интенсивности звука, а также с уменьшением ширины полосы частотного спектра шума.При импульсных и нерегулярных шумах степень их воздействия повышается. Изменения в состояниях центральной и вегетативной нервных систем возникают гораздо раньше и при меньших уровнях шума.К симптомам «шумовой болезни» относятся: снижение слуховой чувствительности, изменение функций пищеварения (пониженная кислотность), сердечно-сосудистая недостаточность, нейроэндокринные расстройства. Под воздействием шума снижаются уровни внимания и памяти, возникает повышенная утомляемость, могут возникать головные боли.

4. Нормирование шума

По характеру спектра шумы подразделяют на широкополосные  и тональные. Широкополосные шумы имеют непрерывный частотный спектр шириной менее одной октавы. В спектре тональных шумов имеются выраженные дискретные тона, определяемые путём измерений в третьоктавных полосах частот с превышением уровня звукового давления над соседними полосами не менее чем на 10 дБ.По временным характеристикам шумы делят на постоянные, уровень звука которых в течение 8-часового рабочего дня изменяется не более чем на 5 дБА при измерениях на временной характеристике “медленно” шумомера, и непостоянные, не удовлетворяющие данному условию.Непостоянные шумы, в свою очередь, делятся на следующие виды:

  • колеблющиеся во времени шумы, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;
  • прерывистые шумы, уровень звука которых ступенчато изменяется (на 5 дБА и более), причём длительность интервалов, в течение которых уровень остается постоянным, составляет не менее 1 с;
  • импульсные шумы, состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, каждый длительностью менее 1 с, при этом уровни звука в дБА и дБА(I), измеренные соответственно на временных характеристиках “медленно” и “импульс” шумомера, отличаются не менее чем на 7 дБА.

Для оценки непостоянных шумов введено понятие эквивалентного  уровня звука LАэ (по энергии воздействия), выражаемого в дБА и представляющего уровень звука такого постоянного широкополосного шума, интенсивность которого в течение рассматриваемого интервала времени (T) имеет такое же среднее значение, что и данный изменяющийся во времени шум:                        ,

где  LA(t) – текущие значения, соответственно, звукового давления и уровня звука изменяющегося во времени шума. Значения  LАэ могут быть измерены с помощью автоматических интегрирующих шумомеров в течение заданного периода T.

Нормируемыми параметрами шума являются:для постоянного шума –  уровни звукового давления LP (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 31,5; 63; 125; 250; 500; 1000; 2000; 4000 и 8000 Гц; кроме того, для ориентировочной  оценки постоянного широкополосного шума на рабочих местах допускается использовать уровень звука  LA, выраженный в дБА;для непостоянного шума (кроме импульсного) – эквивалентный уровень звука  LАэ (по энергии воздействия), выраженный в дБА, представляет собой уровень звука такого постоянного широкополосного шума, который воздействует на ухо с такой же звуковой энергией, как и реальный, меняющийся во времени шум за тот же период времени;для импульсного шума – эквивалентный уровень звука  LАэ,  выраженный в дБА, и максимальный уровень звука  LА max в дБА(I), измеренный на временной характеристике “импульс” шумомера.Допустимые значения параметров шума на рабочих местах регламентируются ГОСТ 12.1.003-83* “Шум. Общие требования безопасности” и СН 3223-85 “Санитарные нормы допустимых уровней шума на рабочих местах”. Допустимые значения параметров шума устанавливаются в зависимости от вида выполняемой работы (рабочих мест) и характера шума. Для работ, связанных с творческой, управленческой, научной деятельностью или требующих повышенного внимания, сосредоточенности, слухового контроля, предусмотрены более низкие уровни шума.Ниже приведены характерные виды работ, различаемые при нормировании, с указанием порядкового номера.Творческая, научная работа, обучение, проектирование, конструирование, разработка, программирование.Административно-управленческая работа, требующая сосредоточенности работа, аналитическая работа  в лаборатории.Диспетчерская работа, требующая речевой связи по телефону, в залах обработки информации на ЭВМ, на участках точной сборки, в машинописных бюро.Работы в помещениях для размещения шумных агрегатов ЭВМ, связанные с процессами наблюдения и дистанционного управления без речевой связи по телефону; работы в лабораториях с шумным оборудованием.Все виды работ за исключением перечисленных в п.п. 1 – 4.Для широкополосного шума в табл. 1 приведены допустимые уровни звукового давления  LP в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами   fсг, уровни звука  LA (для субъективной оценки громкости постоянных шумов) и эквивалентные уровни звука  LАэ (для оценки непостоянных шумов).Для тонального и импульсного шумов, а также для шумов, создаваемых в помещениях установками кондиционирования и вентиляции, допустимые уровни должны быть на 5 дБ ниже указанных в табл.1 (при измерениях на характеристике “медленно” шумомера).

Таблица 1

Допустимые уровни шума

вида работы

Уровни звукового давления LP (дБ) в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами, Гц

Уровни звука LА , дБА

31,5

63

125

250

500

1000

2000

4000

8000

1

86

71

61

54

49

45

42

40

38

50

2

93

79

70

63

58

55

52

50

49

60

3

96

83

74

68

63

60

57

55

54

65

4

103

91

83

77

73

70

68

66

64

75

5

107

95

87

82

78

75

73

71

69

80

Для колеблющегося во времени и прерывистого шумов максимальный уровень звука не должен превышать 110 дБА.Для импульсного шума максимальный уровень звука, измеренный на характеристике “импульс” шумомера, не должен превышать 125 дБА (I).Согласно СН 3077-84 установлены более жесткие требования к шуму в жилых помещениях, общественных зданиях и на территории жилой застройки. Например, в аудиториях учебных заведений уровни  LA и  LАэ не должны превышать 40 дБА, а максимальный уровень звука – 55 дБА.В любом случае запрещается даже кратковременное пребывание людей в зонах с уровнями звукового давления свыше 135 дБ в любой октавной полосе. Зоны с уровнем звука свыше 85 дБ должны быть обозначены знаками безопасности; работающих в таких зонах следует снабжать средствами индивидуальной защиты.

5. Особенности распространения звука в атмосфере

Уровень звука (дБ), создаваемого точечным источником на расстоянии r (м) от него в однородной среде без поглощения и вдали от каких-либо препятствий, определяется формулой:                    ,                         (11)

где LW – относительный логарифмический уровень звуковой мощности источника (формула (9)); ф – фактор направленности излучения звука источником относительно контрольной точки (для точечных источников звука, рассматриваемых в данной работе, ф=1 ); Ω – телесный (пространственный) угол излучения звука источником, ср; ΔLв – дополнительное ослабление уровня звука, вызываемое поглощением энергии звуковой волны атмосферным воздухом.

Уровень звукового давления, создаваемого источником звука в точке наблюдения, удалённой на некоторое расстояние от источника, зависит от характеристик источника (излучаемый спектр, характеристика направленности излучения), от расположения точки наблюдения (контрольной точки) относительно источника звука и ряда некоторых других параметров.Телесный угол (W) представляет собой часть пространства, ограниченную конической поверхностью. Коническая поверхность в общем случае представляет собой множество прямых линий (образующих) в трёхмерном пространстве, соединяющих все точки некоторой линии (направляющей) с данной точкой (вершиной). Мерой телесного угла является отношение площади той части поверхности сферы s произвольного радиуса r с центром в вершине телесного угла, которая вырезается конической поверхностью данного телесного угла, к квадрату радиуса сферы (рис. 2):                            , стерадиан (ср).                                (12)Коническая поверхность представляется как множество прямых линий (образующих) в пространстве, соединяющих все точки некоторой, в общем случае произвольной, линии (направляющей) с данной точкой (вершиной), как показано на рис. 2.

Если источник звука расположен в свободном пространстве и излучает по всем направлениям (не обязательно одинаково), то телесный угол излучения будет равен полному телесному углу (телесный угол заключает в себе всё пространство):  W = 4p ср.

При расположении источника звука на некоторой плоскости, например на земной поверхности, телесный угол будет включать в себя полупространство и, следовательно, величина телесного угла в данном случае составит 2p ср.Из выражения (11), без учёта величины ΔLв, следует, что уровень звукового давления в контрольной точке уменьшается на 6 дБ при удвоении расстояния до источника звука. Такое уменьшение звукового давления называют «геометрическим спадом уровня звука».В реальной окружающей среде подавляющее большинство источников звука расположено вблизи земной поверхности, обладающей определённой звукоотражающей способностью. В таких случаях уровень звука в контрольной точке будет определяться и прямой, и отражённой звуковыми волнами (рис. 3). На рис. 3 обозначено:  r1 и  r2 – расстояния, проходимые прямой и отражённой звуковыми волнами, мhш и  hк.т. – высоты расположения над поверхностью источника звука и контрольной точки.С учётом обозначений на рис. 3 имеет место формула для оценки уровня звука, распространяющегося вблизи отражающей поверхности:  ,        (13)где:  ф1 и ф2 – факторы направленности излучения звука источником в направлении контрольной точки и в направлении точки отражения звуковой волны от поверхности (в данной работе для точечных источников шума принимаются равными 1); aотр – коэффициент отражения звуковой волны от поверхности (0 < aотр < 1, для земной поверхности aотр = 0,37)[Б.В.Е.1] .При  hш £ r1 /3 и  aор 1 с незначительной погрешностью можно считать, что излучение звука происходит непосредственно с поверхности. В этом случае полагают  r1r2 r (рис. 4),  ф = 0,51 + ф2)=1  и  W = 2p ср (излучение звука в полупространство) и в качестве расчётной формулы используют формулу (11).Если hк.т << r hш << r и  fср £ 40/(hш hк.т.) – средняя частота излучаемой источником полосы частот, Гц, то прямая и отражённая звуковые волны синфазно складываются и уровень звукового давления возрастает на величину DLдоп = 3 дБ относительно уровня, определяемого формулой (14).Дополнительное ослабление уровня звука, вызываемое потерями звуковой энергии в атмосферном воздухе, пропорционально расстоянию r (м), проходимому звуковой волной:                                       ,                                     (14)

где bв – коэффициент поглощения звука в воздухе, дБ/км. Величина bв зависит от частоты звука, а также от температуры и относительной влажности воздуха [1] (в данной работе принято bв =5,2 дБ/км).

Дополнительное ослабление шума на пути распространения звуковых волн в окружающей среде могут вызывать различные препятствия, например полосы лесонасаждений. Если высота лесонасаждений не менее 5 м, то звук частично отражается от неё, а частично рассеивается в кронах деревьев и кустарнике. Дополнительное ослабление шума полосой лесонасаждений может быть учтено путём вычисления отрицательной поправки к формулам (11) и (13):                                   DLл.п. = bл.п. bл.п ,                                           (15)где:  bл.п. – коэффициент ослабления звука полосой лесонасаждений, дБ/мbл.п – ширина полосы лесонасаждений, м. Коэффициент ослабления звука лесополосой сложным образом зависит от вида растительности и типа её посадки, а также от её ширины. Усреднённым значением коэффициента ослабления звука лесополосой считается значение  bл.п. = 0,08 дБ/м. Следует, конечно, иметь в виду, что лесополоса, состоящая из лиственных насаждений, в зимнее время практически не ослабляет уровень проходящей сквозь неё звуковой волны. Приведённые выше формулы позволяют оценить уровень шума на некотором удалении от его точечного источника. Однако в окружающей среде имеют место шумовые источники, такие как протяжённые улицы, шоссе, шумные производственные цехи и т. п., которые нельзя считать точечными. Такие источники шума называют протяжёнными или линейными.Уровень звукового давления (дБ) при удалении на расстояние d от бесконечно длинного  линейного источника шума в среде без поглощения снижается на 3 дБ при удвоении расстояния (d, м) [1]:                         Lк.т. = L*W – 10 lg(d) – 3 ,                                      (16)где  L*W относительный логарифмический уровень звуковой мощности, излучаемой участком протяжённого источника длиной 1 м. Уровни звукового давления, создаваемые отдельными участками линейных источников или протяжёнными источниками конечной длины в произвольно расположенной контрольной точке (рис. 4), определяются по формуле [1]: .                 (17)На рис. 4 обозначено:  lщ – длина протяжённого источника шума, мd – кратчайшее расстояние от фронта протяжённого источника шума до контрольной точки, мα – угол, под которым виден протяжённый источник шума из данной контрольной точки, радr – расстояние от середины протяжённого источника шума до контрольной точки, м. Если  r > 2lш , то можно использовать формулу (14) с ф = 1  и  Ω = 2p  ср, т. е. протяжённый источник в данном случае можно считать точечным.

 

Рис. 4. К определению уровня звукового давления вблизи протяжённого источника шума конечной длины

При достаточно большом удалении от протяжённого источника шума в формулах (16) и (17) следует делать поправки на поглощение звука воздушной средой (формула (14)) и при необходимости на ослабление шума лесозащитной полосой (формула (14)).

Практическая часть

1. Получить у преподавателя вариант задания.

2. Изучить полученное задание.

3. Произвести классификацию шума в заданной ситуации.

4. Путём соответствующих расчётов оценить уровень шума в ситуациях, определённых вариантом задания.

5. По результатам расчётов построить графические зависимости, указанные в задании.

6. Оценить полученные характеристики шума на соответствие нормативным уровням.