Звук

Звук — упругие колебания, распространяющиеся в газообразной, жидкой или твердой среде, которые, воздействуя на слуховой анализатор, вызывают слуховые ощущения.

    Звуковые колебания характеризуются частотой (числом полных колебаний в единицу времени) и интенсивностью. Одно колебание в одну секунду принято за единицу частоты — герц (Гц). Колебания с постоянной частотой образуют тоны. В природе чистые тоны встречаются редко. Обычно это сложные колебания, состоящие из основного тона и отличающихся от него по частоте (в 2, 3, 4 и более раз) обертонов. Последние в зависимости от частоты и интенсивности придают З. особую окраску — тембр, который определяет характер звучания того или иного музыкального инструмента, голос конкретного человека или животного. Хаотическое сочетание различных сложных тонов образует шум.

    Как специфический раздражитель слухового анализатора человека, вызывающий слуховые ощущения, звуковые волны реализуются в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц. Эти границы весьма условны, что связано с индивидуальными особенностями слуха людей, возрастными изменениями чувствительности слухового анализатора и методом регистрации слуховых ощущений. Реально нижняя граница слухового восприятия может быть сдвинута до 5—8 Гц и даже до 1 Гц, верхняя — до 25 кГц. У некоторых животных верхняя граница слухового восприятия значительно выше, чем у человека, и варьирует в зависимости от расстояния между ушами: у собаки до 44 кГц, у крысы до 72 кГц, у летучей мыши до 115 кГц. Физическое понятие звука охватывает как слышимые, так и неслышимые частоты колебаний. Звуковые волны с частотой ниже 16 Гц условно называют инфразвуком, выше 20 кГц — ультразвуком.

    Интенсивность З. определяется количеством энергии, переносимой волной за единицу времени через единицу площади поверхности, перпендикулярной к направлению распространения волны. Ухо человека воспринимает звук в весьма широком интервале интенсивности: от самых слабых слышимых звуков до самых громких, например создаваемых двигателем реактивного самолета. Звуки высокой интенсивности вызывают ощущение давящей боли в ушах. Минимальная интенсивность З., при которой возникает слуховое ощущение, называется порогом слухового восприятия. Он зависит от частоты З. Наибольшей чувствительностью к З. человеческое ухо обладает в диапазоне частот от 1 до 5 кГц, соответственно и порог слухового восприятия здесь имеет наименьшее значение 10^-12 Вт/м². Эта величина принята в аудиометрии за нулевой уровень слышимости. Минимальная интенсивность звука, при которой возникает ощущение давящей боли в ушах (~ 10 Вт/м²), называется порогом болевого ощущения. Так же как и порог слухового восприятия, порог болевого ощущения зависит от частоты звуковых колебаний. Оценку З. удобно проводить по уровню (L) интенсивности (звукового давления), рассчитываемому по формуле:

 

    где J₀ — порог слухового восприятия, J — интенсивность звука (табл.).

Таблица.

Характеристика звука по интенсивности и его оценка по уровню интенсивности относительно порога слухового восприятия

Характеристика звука	Интенсивность (Вт/м2)	Уровень интенсивности относительно порога слухового восприятия (дБ)
Порог слухового восприятия	10-12	0
Тоны сердца, генерируемые через стетоскоп	10-11	10
Шепот	10-10—10-9	20—30
Речевые звуки при спокойной беседе	10-7—10-6	50—60
Шум, связанный с интенсивным движением транспорта	10-5—10-4	70—80
Шум, создаваемый концертом рок-музыки	10-3—10-2	90—100
Шум вблизи работающего двигателя самолета	0, 1—1,0	110—120
Порог болевого ощущения	10	130

    Субъективно уровень слухового ощущения определяется громкостью звука. В соответствии с психофизическим законом Вебера — Фехнера при увеличении интенсивности звука в геометрической прогрессии (в одинаковое число раз) слуховые ощущения усиливаются в арифметической прогрессии (на одинаковую величину), т.е. уровень громкости З. пропорционален логарифму интенсивности, отнесенной к порогу слухового восприятия. В качестве единицы громкости принят фон. Для чистого тона частотой 1 кГц шкала фона совпадает со шкалой децибел. Для других частот громкость определяют путем сравнения громкости исследуемого З. с интенсивностью равногромкого З. частотой в 1 кГц.

    Область пространства, в которой распространяется З., называется звуковым полем. Скорость распространения в нем звуковой волны определяется свойствами заполняющей его среды (сжимаемостью и плотностью). Изучение закономерностей распространения З. в различных средах, в т.ч. в биологических тканях, имеет большое значение для выяснения особенностей их взаимодействия с целью практического использования звука в различных областях науки, в народном хозяйстве и медицине. В жидкостях, газах и мягких биологических тканях, обладающих упругостью объема, но не обладающих упругостью формы, могут распространяться только продольные волны, в твердой среде, в т.ч. в костной ткани, — как продольные, так и поперечные. Скорость звуковой волны возрастает с увеличением плотности среды. Так, в воздухе при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении скорость З. близка к 330 м/с, в воде и мягких тканях человека и животных составляет около 1500—1600 м/с, в костной ткани — примерно 3500 м/с. В однородной упругой среде звуковая волна распространяется прямолинейно, в неоднородной рассеивается, что приводит к ее ослаблению. Если размер препятствия велик по сравнению с длиной волны, то происходит отражение звука. Это свойство звуковой волны используется в медицине для диагностики заболеваний внутренних органов (см. Ультразвуковая диагностика). Отражение звуковой волны возникает также на границе двух сред с различными акустическими свойствами (например, воздух — вода). Чем значительнее различие, тем сильнее отражается З., а это, в свою очередь, приводит к потере звуковой энергии. Так, например, разница в величине акустического сопротивления воздуха и жидкости внутреннего уха вызывает большие потери энергии звуковых сигналов, воспринимаемых слуховым рецептором. Снижение этих потерь достигается благодаря функционированию системы слуховых косточек и барабанной перепонки (см. Слух).

    Уменьшение энергии звуковой волны может быть связано также с ее частичным поглощением в результате происходящих в среде физико-химических процессов, ведущим к постепенному затуханию волны. Чем выше частота звуковых колебаний, тем значительнее поглощение, Этим объясняется практический интерес к ультразвуку. Благодаря малой длине волны его можно направленно излучать или фокусировать с помощью специальных линз, что позволяет сконцентрировать энергию в малом объеме вещества. Под влиянием высокоинтенсивного ультразвука в жидкой среде за счет периодического понижения давления до уровня, сравнимого с прочностью жидкости, возникает кавитация — процесс образования и пульсации полостей (пузырьков), заполненных газом. Попав в зону повышенного давления, они быстро сокращаются в объеме (захлопываются), при этом резко повышается температура газа, находящегося в пузырьке. Кавитация сопровождается различными физико-химическими явлениями — энергичными внутриклеточными течениями, смешивающими органеллы клеток, свечением, ударными волнами, эрозией поверхности твердых тел, а также возникновением или ускорением химических реакций, которые в отсутствие кавитации не наблюдаются либо протекают с малыми скоростями. Явление кавитации широко используется для дезинтеграции тканей и клеток, для выделения из животных и растительных клеток ферментов, гормонов и других биологически активных веществ, а также в медицинской практике для очистки и дезинфекции поверхности ран и полостей. Кавитация находит все более широкое применение во многих отраслях промышленности с целью совершенствования старой или создания новой технологии производства.

    Использование в современной промышленности технологических ультразвуковых установок и тяжелых машин с вращающимися частями обусловливает тенденцию к повышению уровня интенсивности шумов на рабочих местах, что вызывает необходимость тщательного изучения биологического действия высоко- и низкочастотных упругих колебаний различной интенсивности с целью разработки эффективной системы мероприятий по предупреждению их вредного влияния на организм человека.

    Биологическое действие З. различных диапазонов частот (от инфразвуковых до ультразвуковых) качественно подчиняется общим закономерностям, однако в зависимости от частоты и интенсивности звуковых колебаний имеет существенные количественные различия. Взаимодействие инфразвука с биологическими объектами в диапазоне частот от 1 до 16 Гц носит, вероятно, резонансный характер. При этом частота действующей на тело звуковой волны совпадает с частотой его собственных колебаний (механический резонанс) или с частотой колебаний, характерных для какого-либо процесса в организме, например a-ритмов головного мозга, сокращений сердца (кинетический резонанс). Инфразвук может вызвать головокружение, тошноту, чувство угнетения и страха, а также ощущение слухового дискомфорта, давящей боли в ушах. Степень выраженности этих явлений зависит от интенсивности, частоты и длительности действия инфразвука. При средних уровнях интенсивности (110—130 дБ) могут возникнуть нарушение мозгового кровообращения, изменение частоты и ритма сердечных сокращений, частоты дыхания, снижение остроты зрения, вестибулярные реакции (тошнота, головокружение). При уровне интенсивности свыше 150 дБ возможна акустическая травма (см. Внутреннее ухо), а также разрыв легочной ткани, отек миокарда, деструктивные изменения клеток печени и поджелудочной железы, кровоизлияния во внутренних органах. При этом наблюдаются рвота, нарушения дыхания, глотания, пространственная дезориентация.

    Биологическое действие упругих волн слышимого диапазона частот связано главным образом с наличием в окружающей среде шумов. Их неблагоприятное влияние сказывается как непосредственно на слуховом анализаторе, так и на состоянии всего организма, З. высокой интенсивности (свыше 130 дБ) и шум могут вызвать острую акустическую травму или при длительном воздействии медленное развитие тугоухости, а также нарушение функций сердечно-сосудистой системы, двигательного анализатора, ц.н.с. и других систем. Кроме того, мощное звуковое воздействие может привести к денатурации ряда тканевых белков и повышению проницаемости цитоплазматических мембран.

    Ультразвук в зависимости от интенсивности и длительности действия оказывает самые разнообразные влияния на организм — тепловое, механическое, химическое, электрофизическое. Эффективность отдельных факторов, из которых складывается действие ультразвука, зависит от его параметров и условий облучения. Пороговой, интенсивностью его биологического действия является такая интенсивность, ниже которой не возникает изменение проницаемости клеточных мембран. По данным многих исследователей, этот порог составляет 0,01 Вт/см². При кратковременном воздействии (до 10—15 мин) ультразвук интенсивностью 0,01—0,1 Вт/см² практически не вызывает видимых изменений в структуре и функции клеток, В интервале интенсивностей, превышающих 0,1 Вт/см², наблюдаемые биологические эффекты обратимы (см. Ультразвуковая терапия). Верхняя граница этого интервала совпадает, как правило, с порогом кавитации (1 Вт/см²). Более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению. Кавитация в тканях может сопровождаться разрушением отдельных клеток или возникновением внутриклеточных микропотоков, смещающих органеллы клеток. При этом возможно образование химически активных частиц, которые, реагируя с биомакромолекулами клеточных мембран и клеточного содержимого, способны приводить к глубоким и необратимым изменениям характера обменных и других биохимических процессов, протекающих в клетках.

    Профессиональные вредности. Источниками шумов, в т.ч. высоко- и низкочастотных, на современном производстве являются работающие кондиционеры, турбины, нефтяные форсунки, вибрационные площадки, печи, тяжелые машины с вращающимися частями, технологические ультразвуковые установки и др.

    Так называемый производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов, что и шум слышимых частот, а именно турбулентности, резонанса, пульсации и возвратно-поступательного движения и, как правило, сопровождается слышимым шумом. В этом заключаются особенности его влияния на организм в условиях производства. Установлен аддитивный характер действия инфразвука и низкочастотного шума. Средняя величина общего уровня интенсивности инфразвука в промышленности и на транспорте составляет 108 дБ. Однако в результате длительного воздействия инфразвука на организм даже при малых уровнях интенсивности отмечаются снижение умственной работоспособности, утомление, раздражительность,

головные боли, беспокойство, нервозность. В зависимости от уровня интенсивности и длительности воздействия инфразвук может вызывать неприятные ощущения (головокружение, тошноту, чувство угнетения и страха) различной степени выраженности и многочисленные реактивные изменения в ц.н.с., сердечно-сосудистой и дыхательной системе.

    Ведущая роль в профилактике неблагоприятного влияния инфразвука принадлежит гигиеническому нормированию. В СССР действуют «Гигиенические нормы инфразвука на рабочих местах» №2274-80, которые устанавливают классификацию, характеристики, критерии оценки и допустимые уровни интенсивности инфразвука на рабочих местах, а также методы и условия контроля при проведении гигиенической оценки этого фактора на производстве. В соответствии с нормами уровни интенсивности инфразвука на рабочих местах не должны превышать 105 дБ в октавных полосах частот 2—16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. Общий уровень интенсивности не должен превышать 110 дБ.

    Характер профвредностей, которые воздействуют на лиц, обслуживающих ультразвуковые установки, определяется многими факторами, прежде всего частотой генерируемых ультразвуковых колебаний. Операторы, работающие с низкочастотными ультразвуковыми установками и приборами (рабочая частота 18—66 кГц), применяемыми для активного воздействия на вещества и различные технологические процессы (обезжиривание, очистка, сварка, пайка и др.), для резки и соединения биологических тканей, стерилизации инструментов и рук медперсонала, испытывают комплексное акустическое воздействие, состоящее из высоко- и низкочастотного шума. Общий уровень интенсивности в слышимом и ультразвуковом диапазонах частот колеблется от 90 до 120 дБ. Помимо общего воздействия на организм низкочастотный ультразвук оказывает локальное действие при соприкосновении с обрабатываемыми деталями или приборами, в которых возбуждены колебания. У лиц, длительно работающих с ультразвуковыми аппаратами, отмечаются головные боли, головокружения, общая слабость, быстрая утомляемость, расстройства сна, раздражительность, ухудшение памяти, повышенная чувствительность к звукам. При клиническом исследовании диагностируется астенический или астеновегетативный синдром, иногда наблюдаются диэнцефальные расстройства (потеря массы тела, субфебрилитет). Высокочастотный ультразвук (рабочая частота 0,5—30 мГц, интенсивность 0,01—5 Вт/см²), используемый в промышленности (дефектоскопии), связи и медицине (в диагностических и лечебных целях), вследствие малой длины волны практически не распространяется в воздухе и оказывает воздействие на работающих только при контакте с его источником, поэтому оно наиболее выражено в зоне контакта. Длительная работа с источниками контактного ультразвука, например дефектоскопами, сопровождается развитием у операторов вегетативно-сосудистых нарушений в виде вегетативного полиневрита (см. Полиневропатии), ангиодистонического синдрома и вегетативно-сосудистой дисфункции (см. Ангиотрофоневрозы, Вегетативно-сосудистая дистония).

    Гигиенические нормы по воздушному ультразвуку регламентируются ГОСТ 12.1.001-83 «ССБТ. Ультразвук. Общие требования безопасности». Предельно допустимый уровень контактного ультразвука, установленный «Санитарными нормами и правилами при работе с оборудованием, создающим ультразвук, передаваемый контактным путем на руки работающих» №2282-80, составляет 110 дБ, или 0,1 Вт/см². для зоны контакта рук с приборами и установками.

    Мероприятия по предупреждению неблагоприятного влияния ультра- и инфразвука на работающих (организационно-технические, санитарно-гигиенические и лечебно-профилактические) осуществляются комплексно на всех стадиях проектирования, разработки и эксплуатации технологического оборудования и машин путем ослабления звука в источнике его образования, рационализации режима работы оборудования, а также использования средств коллективной (кабины наблюдения, дистанционное управление) и индивидуальной (противошумы и двуслойные перчатки — наружные резиновые и внутренние хлопчатобумажные) защиты при контактном воздействии ультразвука. Лица, подвергающиеся действию контактного ультразвука, подлежат предварительному (при приеме на работу) и ежегодным периодическим медосмотрам (см. Медицинский осмотр) в соответствии с приказом МЗ СССР №700. Лица моложе 18 лет и беременные не допускаются к работе с источниками ультразвука.

    См. также Профессиональные болезни, Профессиональные вредности.

 

    Библиогр.: Карпова Н.И. и Малышев Э.Н. Низкочастотные акустические колебания на производстве, М., 1981, библиогр.; Ремизов А.Н. Медицинская и биологическая физика, с. 168, М., 1987; Сагалович Б.М. Слуховое восприятие ультразвука, М., 1988, библиогр.; Суворов Г.А., Ермоленко А.Е. и Лошак А.Я. Проблема шума, вибрации, ультра- и инфразвука в гигиене труда, М., 1979; Хечинашвили С.Н. и Кеванишвили З.Ш. Слуховые вызванные потенциалы человека, Тбилиси, 1985, библиогр.; Шум и вибрация, под ред. А.А. Каспарова и Г.А. Суворова, с. 61, М., 1982.