Ультразвук. Инфразвук

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Ультразвук 
 

       В последнее время все более широкое распространение в производстве находят технологические процессы, основанные на использовании энергии ультразвука. Ультразвук нашел также применение в медицине. В связи с ростом единичных мощностей и скоростей различных агрегатов и машин растут уровни шума, в том числе и в ультразвуковой области частот.

     Ультразвуком  называют механические колебания упругой  среды с частотой, превышающей  верхний предел слышимости -20 кГц. Единицей измерения уровня звукового давления является дБ. Единицей измерения интенсивности ультразвука является ватт на квадратный сантиметр (Вт/с2) Человеческое ухо не воспринимает ультразвук, однако некоторые животные, например, летучие мыши могут и слышать, и издавать ультразвук. Частично воспринимают его грызуны, кошки, собаки, киты, дельфины. Ультразвуковые колебания возникают при работе моторов автомобилей, станков, ракетных двигателей.  
        В практике для получения ультразвука обычно применяют электромеханические генераторы ультразвука, действие которых основано на способности некоторых материалов изменять свои размеры под действием магнитного (магнитострикционные генераторы) или электрического поля (пьезоэлектрические генераторы), при этом генераторы издают звуки высокой частоты.  
        Вследствие большой частоты (малой длины волны) ультразвук обладает особыми свойствами. Так, подобно свету, ультразвуковые волны могут образовывать строго направленные пучки. Отражение и преломление этих пучков на границе двух сред подчиняется законам геометрической оптики. Он сильно поглощается газами и слабо - жидкостями. В жидкости под воздействием ультразвука образуются пустоты в виде мельчайших пузырьков с кратковременным возрастанием давления внутри них. Кроме того, ультразвуковые волны ускоряют протекание процессов диффузии (взаимопроникновения двух сред друг в друга). Ультразвуковые волны существенно влияют на растворимость вещества и в целом на ход химических реакций.  
        Эти свойства ультразвука и особенности его взаимодействия со средой обусловливают его широкое техническое и медицинское использование. Ультразвук применяют в медицине и биологии для эхолокации, для выявления и лечения опухолей и некоторых дефектов в тканях организма, в хирургии и травматологии для рассечения мягких и костных тканей при различных операциях, для сварки сломанных костей, для разрушения клеток (ультразвук большой мощности). В ультразвуковой терапии для лечебных целей используют колебания 800-900 кГц.  
       

     Влияние ультразвука на организм человека 

     Ультразвук  обладает главным образом локальным  действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечно-сосудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Наиболее характерным является наличие вегетососудистой дистонии и астенического синдрома. Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. При действии локального ультразвука возникают явления вегетативного полиневрита рук (реже ног) разной степени выраженности, вплоть до развития пареза кистей и предплечий, вегетативно-сосудистой дисфункции. Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия. Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ – дают поражающий эффект.

     В поле ультразвуковых колебаний в живых тканях ультразвук оказывает механическое, термическое, физико-химическое воздействие (микромассаж клеток и тканей). При этом активизируются обменные процессы, повышаются иммунные свойства организма. Ультразвук оказывает выраженное обезболивающее, спазмолитическое, противовоспалительное и общетонизирующее действие, стимулирует крово- и лимфообращение, ускоряет регенеративные процессы, улучшает трофику тканей. Время воздействия на болевую зону 3-5 мин, а в сумме - на несколько зон - не более 12-15 мин на всю процедуру и не более 10-12 процедур раз в 3 месяца. Так как ультразвук полностью отражается от тончайших прослоек воздуха, к телу его подводят через безвоздушные контактные среды. 
 
 
 
 
 
 
 
 

Инфразвук 

     Развитие  техники и транспортных средств, совершенствование технологических процессов и оборудования сопровождаются увеличением мощности и габаритов машин, что обусловливает тенденцию повышения низкочастотных составляющих в спектрах и появление инфразвука, который является сравнительно новым, не полностью изученным фактором производственной среды.

     Инфразвуком называют акустические колебания с  частотой ниже 20 Гц. Этот частотный  диапазон лежит ниже порога слышимости и человеческое ухо не способно воспринимать колебания указанных частот. Производственный инфразвук возникает за счет тех же процессов что и шум слышимых частот. Наибольшую интенсивность инфразвуковых колебаний создают машины и механизмы, имеющие поверхности больших размеров, совершающие низкочастотные механические колебания (инфразвук механического происхождения) или турбулентные потоки газов и жидкостей (инфразвук аэродинамического или гидродинамического происхождения). Максимальные уровни низкочастотных акустических колебаний от промышленных и транспортных источников достигают 100-110 дБ.  
 

     Влияние инфразвука на организм людей 

     Исследования  биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может  вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечно-сосудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора. В соответствии с Гигиеническими нормами инфразвука на рабочих местах (№ 2274-80) по характеру спектра инфразвук подразделяется на широкополосный и гармонический. Гармонический характер спектра устанавливают в октавных полосах частот по превышению уровня в одной полосе над соседними не менее чем на 10 дБ. По временным характеристикам инфразвук подразделяется на постоянный и непостоянный. Нормируемыми характеристиками инфразвука на рабочих местах являются уровни звукового давления в децибелах в октавных полосах частот со среднегеометрическими частотами 2, 4, 8, 16 Гц. Допустимыми уровнями звукового давления являются 105 дБ в октавных полосах 2, 4, 8, 16 Гц и 102 дБ в октавной полосе 31,5 Гц. При этом общий уровень звукового давления не должен превышать 110 дБ Лин. Для непостоянного инфразвука нормируемой характеристикой является общий уровень звукового давления.

Инфразвук отнюдь не является недавно открытым явлением. В действительности органистам он известен уже более 250 лет. Во многих соборах и церквях есть столь длинные органные трубы, что они издают звук частотой менее 20 Гц, не воспринимаемый человеческим ухом. Но, как выяснили британские исследователи, такой инфразвук может вселить в аудиторию разнообразные и не слишком приятные чувства — тоску, ощущение холода, беспокойство, дрожь в позвоночнике. Люди, подвергшиеся воздействию инфразвука, испытывают примерно те же ощущения, что и при посещении мест, где происходили встречи с призраками.  
 Сотрудник Национальной лаборатории физики в Англии доктор Ричард Лорд и профессор психологии Ричард Вайсман из Хертфордширского университета провели довольно странный эксперимент над аудиторией из 750 человек. С помощью семиметровой трубы им удалось примешать к звучанию обычных акустических инструментов на концерте классической музыки сверхнизкие частоты. После концерта, слушателей попросили описать их впечатления. "Подопытные" сообщили, что почувствовали внезапный упадок настроения, печаль, у некоторых по коже побежали мурашки, у кого-то возникло тяжелое чувство страха. Самовнушением это можно было бы объяснить лишь отчасти. Из четырех сыгранных на концерте произведений, инфразвук присутствовал только в двух, при этом слушателям не сообщали, в каких именно. "Некоторые ученые полагают, что инфразвуковые частоты могут присутствовать в местах, которые, по легендам, посещают призраки, и именно инфразвук вызывает странные впечатления, обычно ассоциирующиеся с привидениями, - наше исследование подтверждает эти идеи", - заявил Вайсман.

      26 сентября 2002 года в Ливерпуле  посетители концерта органной  музыки стали участниками научного  эксперимента: британские исследователи хотели проверить, как слушатели будут реагировать на инфразвук, то есть звуковые вибрации, недоступные для восприятия человеческим ухом. Учёные ожидали, что во время 50-минутного концерта российской органистки Евгении Чудинович, который прошел в центральном соборе города (Metropolitan Cathedral), инфразвук вызовет у аудитории сугубо положительные эмоции, к примеру, у людей поднимется настроение. С другой стороны, от "беззвучной музыки" у слушателей могут возникнуть и рвотные позывы.

      Результаты  свидетельствуют, что странные ощущения возрастали на 22% при прослушивании самых низких нот. По мнению профессора Ричарда Вайсмана, именно наличием таких труб в органе можно объяснить таинственный трепет, охватывающий многих прихожан, который они отождествляют с Богом. "Странные ощущения" включали в себя: "дрожь в суставах", "странное ощущение в животе", "участившееся сердцебиение", "ужасное беспокойство", "внезапное воспоминание об утрате".  

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 

     Тема 1: Обеспечение комфортных условий  жизнедеятельности

Качество  воздушной среды. Микроклимат помещений.

Задача 1.1 

      Определить  потребный воздухообмен L в помещении, если в результате технологического процесса выделяется моноксид углерода в количестве G₁=21,5 г/ч и избыточное тепло в количестве Q₁=2250 ккал/ч. Температура приточного воздуха равна t_прит = 18˚, температура в рабочей зоне t₁ = 21˚. Высота вытяжных отверстий над уровнем площадки равна H = 3 м. В приточном воздухе моноксила углерода не содержится.

      Примечание:

1. ПДК_СО = 20 мг/м³;
2. плотность воздуха кг/м³, удельная теплоемкость с=0,24 кал/г.

      Решение: 

      Потребный воздухообмен(L) – количество воздуха, которое необходимо подавать в помещение или удалять из него в течении часа

      L_В→L_Q

      Расчёт  потребного воздухообмена при выделении в рабочей зоне избыточного тепла:

       - градиент температуры на  высоте, =0,5-1,5 ˚С/м

      Расчёт  потребного воздухообмена при выделении в рабочей зоне вредных примесей:

       концентрация вредных веществ  в приточном воздухе,

      Примем  за потребный воздухообмен L= L_В=1,9·10³ м³/ч.

Ответ: L=1,9·10³ м³/ч.

Задача 1.2 

      Оценить пригодность цеха (т.е. соответствие потребного и фактического воздухообмена) объемом V₁=1500 м³ для выполнения работ, в ходе которых выделяется G₂ = 79,5 г/ч - СО, G₃ = 6,5 г/ч - С₂Н₂, G₄ = 115 г/ч - NH₃, G₅ = 25 г/ч - SO₂, а также Q₂ = 1550 ккал/ч избыточного тепла. Вентиляционная система обеспечивает полную замену воздуха в цехе 5 раз в течении часа. Температура в рабочей зоне равна t₂ =26˚, температура приточного воздуха равна 22˚. Высота вытяжных отверстий над уровнем рабочей площадки равна H = 5 м.