Звуком называется волнообразно распространяющиеся продольные колебательные движения упругой среды: твердой, жидкой, газообразной.
Звуковое поле - это область пространства, в котором распространяются звуковые волны.
Всякий нежелательный для человека звук называется шумом.
Общее количество энергии, которое источник звука излучает в окружающее пространство, называется звуковой мощностью источника. Применительно к оценке шума в какой-либо точке звукового поля (например, на рабочем месте, в цехе, лаборатории) интерес представляет не общая акустическая мощность источника шума, а лишь та его часть, которая достигает этой точки. Часть общей мощности и источника шума, приходящейся на единицу площади, проходящей через заданную точку звукового поля и расположенной перпендикулярно распространению звуковой волны, называется интенсивностью звука I. Интенсивность звука измеряется в Вт/ м2.
Измерение интенсивности звука связано с большими техническими трудностями, и нет приборов, которые позволяют измерять этот параметр. Сравнительно просто можно измерять (шумомером) звуковое давление (Р), которое связано с интенсивностью звука (I) следующей зависимостью
где р - плотность среды; С- скорость звука в среде.
Звуковым давлением называется разность между мгновенным значением полного давления в какой-либо точке звукового поля и средним давлением, которое наблюдается в невозмущенной среде. Единица измерения - паскаль (Па). Поскольку в пределах полного колебательного цикла звуковое давление в точке звукового поля изменяется от нуля и далее до положительного максимума и т.д., то под этим термином (звуковое давление) принято понимать среднеквадратичное давление в течение полного цикла.
В органе слуха такое осреднение происходит за 30 - 100 мс и воспринимается человеком как специфический звуковой сигнал, если частота колебаний находится в диапазоне 16 - 20000 Гц. Величина звукового давления и интенсивности звука, с которыми приходится иметь дело на практике, могут изменяться в широких пределах: по давлению - до 107 раз, по интенсивности - до 1014 раз. Человеческое ухо реагирует на абсолютное, а не на относительное изменение интенсивности звука
Физиологической особенностью восприятия частотного состава звуков является то, что слух реагирует не на абсолютный, а на относительный прирост частот: увеличение частоты колебаний вдвое воспринимается как повышение тона (высота) на определенную величину, называемую октавой. Следовательно, октава – диапазон частоты, в котором верхняя граница больше нижней.
Характеристика шума по распределению энергии по частотам входящих в него звуков называется спектральной. При определении спектрального состава шума звуковая энергия может оказаться почти равномерно распределенной в широкой полосе частот. Это так называемый широкополосный, или белый (по аналогии со светом) шум. Но возможно и неравномерное распределение звуковой энергии, которая заметно преобладает в области одной - двух октав. Такой шум называется узкополосным, или тональным. По сравнению с широкополосным тональный шум оказывает большее раздражающее действие.
При гигиенической оценке шума измеряют его интенсивность (силу) и определяют спектральный состав по частоте входящих в него звуков.
При гигиенических исследованиях имеет значение знание и некоторых других физических особенностей шума. Низкочастотные звуки распространяются в пространстве сферически от источника их образования, высокочастотный - в виде более узкого луча. Поэтому низкочастотный шум легче проникает через неплотности и от него нельзя защититься экранированием, которое более эффективно в борьбе с распространением высокочастотного шума.
Подобно другим явлениям волновой природы, звуковые волны обладают способностью к дифракции и интерференции.
Дифракция представляет собой процесс огибания волной препятствия на своем пути. Она более выражена у низкочастотных звуков, что важно учитывать при устройстве звукоизолирующих и экранирующих конструкций.
Интерференция — эффект сложения двух и более волн. Она может способствовать как усилению, так и ослаблению звукового давления в определенных точках. Этим пользуются в борьбе с шумом, распространяющимся по каналам, при конструировании так называемых интерференционных глушителей и в ряде других случаев.
Звуковые волны могут отражаться от поверхностей или поглощаться ими. Степень отражения зависит от свойств материалов отражающих поверхностей, их формы. Если материалы имеют большое внутренне сопротивление (резина, войлок и др.), то основная часть падающей на них звуковой энергии поглощается, а не отражается.
Источники шума по своей физической природе подразделяются на источники механического (механическая энергия переходит в акустическую), аэродинамического (энергия газовой струи переходит в аэродинамическую), гидродинамического (энергия жидкости – в акустическую) и электромагнитного шума (энергия электромагнитного поля - в акустическую).
При расчетах уровня шума используют величину интенсивности звука, а для оценки воздействия шума на человека – уровень звукового давления.
Человеческое ухо воспринимает как слышимые колебания, лежащие в пределах от 20 до 20 000 гц. Звуковой диапазон принято подразделять на низкочастотный (20–400 гц), среднечастотный (400–1000 гц) и высокочастотный (свыше 1000 гц). Звуковые волны с частотой менее 20 гц называются инфразвуковыми, а с частотами более 20 000 гц – ультразвуковыми. Инфразвуковые и ультразвуковые колебания органами слуха человека не воспринимаются.
Ультразвуковой диапазон частот делится на два поддиапазона – низкочастотный (20–100 кГц) и высокочастотный (100 кГц– 1000 МГц). Ультразвуки весьма сильно поглощаются газами и во много раз слабее – жидкостями. Так, например, коэффициент поглощения ультразвука в воздухе приблизительно в 1000 раз больше, чем в воде. Ультразвуки применяются в промышленности для контрольно-измерительных целей (дефектоскопия, измерение толщины стенок трубопроводов и др.), а также для осуществления и интенсификации различных технологических процессов (очистка деталей, сварка, пайка, дробление и т.д.). Ультразвуки ускоряют протекание процессов диффузии, растворения и химических реакций.
Инфразвук – это область акустических колебаний в диапазоне ниже 20 Гц. В производственных условиях инфразвук, как правило, сочетается с низкочастотным шумом, а в ряде случаев и с низкочастотной вибрацией. Источниками инфразвука в промышленности являются компрессоры, дизельные двигатели, вентиляторы, реактивные двигатели, транспортные средства и др.
Характеристиками ультразвуковых и инфразвуковых колебаний, как и в случае звуковых волн, являются уровень интенсивности (Вт/м2), уровень звукового давления (Па) и частота (Гц).
Рассмотрим, как действуют шум, ультра- и инфразвук, а также вибрация на организм человека.
Звуки очень большой силы, уровень которых превышает 120-130 дБ, вызывают болевое ощущение и повреждения в слуховом аппарате (акустическая травма).
Последствия воздействия шума небольшой интенсивности на организм человека зависят от ряда факторов, в том числе возраста и состояния здоровья работающего, вида трудовой деятельности, психологического и физического состояния человека в момент действия шума и ряда других факторов. Шум, производимый самим человеком, обычно не беспокоит его. В отличие от этого посторонние шумы часто вызывают сильный раздражающий эффект. Если сравнивать шумы с одинаковым уровнем звукового давления, то высокочастотные шумы (f > 1000 Гц) более неприятны для человека, чем низкочастотные (f < 400 Гц). В ночное время шум с уровнем 30–40 дБА является серьезным беспокоящим фактором.
При постоянном воздействии шума на организм человека могут возникнуть патологические изменения, называемые шумовой болезнью, которая является профессиональным заболеванием.
Инфразвук также оказывает негативное влияние на органы слуха, вызывая утомление, чувство страха, головные боли и головокружения, а также снижает остроту зрения. Особенно неблагоприятно воздействие на организм человека инфразвуковых колебаний с частотой 4–12 Гц.
Вредное воздействие ультразвука на организм человека выражается в нарушении деятельности нервной системы, снижении болевой чувствительности, изменении сосудистого давления, а также состава и свойств крови. Ультразвук передается либо через воздушную среду, либо контактным путем через жидкую и твердую среду (действие на руки работающих). Контактный путь передачи ультразвука наиболее опасен для организма человека.