Вибрации. Влияние вибрации на человека и окружающую среду

Все виды колебаний по способу их возбуждения подразделяют­ся на свободные, вынужденные и связанные.

К свободным колебаниям относятся колебания, вызванные начальными условиями (начальным возбуждением) системы и протекающие без дальнейшего внешнего воздействия (возбужде­ния).

Вынужденные колебания происходят под действием внешних сил (преимущественно периодических).

Как правило, машины и механизмы представляют собой слож­ные колебательные системы. Силы, вызывающие колебания, по своей природе подразделяются на силы механического, аэроди­намического, гидродинамического и магнитного (электромагнит­ного) происхождения.

Оценку вибрационных процессов, происходящих в окружающей среде, проводят с помощью таких характеристик, как вибраци­онное смещение, вибрационная скорость и вибрационное уско­рение.

Вибрационное смещение (вибросмещение) S, мкм, — это мгно­венное значение отклонения колеблющегося элемента относитель­но положения равновесия. По величине вибросмещения можно судить о зазорах между вибрирующими деталями и узлами, их податливости и остаточной неуравновешенности.

Амплитуда смещения является фактором, от которого зависит шум изделия.

Вибрационная скорость (виброскорость) v, м/с, является опре­деляющей характеристикой вибрации. Ее определяют по уравне­нию

Уровень виброскорости Lv, дБ, определяют по уравнению

где щ— опорное (условно нулевое) значение скорости, щ – 5 – 10-5 м/с.

В случае гармонических колебаний с частотой со и амплитудой вибросмещения S амплитуда виброскорости

Вибрационным ускорением (виброускорением) характеризуются силы, действующие на конструкционные материалы и вызыва­ющие усталость материалов.

Амплитуда виброускорения а, м/с^ 2, определяется по формулеУровень виброускорения Lа, дБ, определяется по формуле

где а0 — условно нулевое значение виброускорения, До= 3 • 10^-4 м/с^2.
Так как в общем случае вибрации представляют собой слож­ный негармонический процесс, анализ вибраций целесообразно проводить с помощью спектра. Спектральный анализ позволяет выделить частоты и амплитуды отдельных составляющих вибрации. Вибрации, также как и звук, инфра- и ультразвук, ударные волны, являются постоянно действующими физическими факто­рами, сопровождающими эволюцию жизни на земле, в процессе которой в живом организме возникали и совершенствовались спе­циальные структуры — механорецепторы.

Вибрации, действующие на биологические объекты, имеют двойственный характер. В одних случаях они стимулируют жиз­ненные процессы, а в других угнетают их.

Например, кобра начинает «пританцовывать» (танец кобры) при касании флейтой корзины (ящика), в которой помещена змея. В этом случае мы имеем дело с проявлением коброй «эмоций удо­вольствия».

Примером драматического исхода восприятия колебаний (виб­раций) служит поведение многощетинковых червей (полихетов), живущих в прибрежных зонах и зарывающихся в песок. Во время отлива кулички (птицы-охотники) начинают «вытанцовывать» у норок, создавая тем самым колебания почвы и провоцируя чер­вей на выход из укрытия; в результате черви становятся добычей куличков.

Особое внимание исследователи уделяют изучению физиоло­гического воздействия инфразвуковых вибраций на живые орга­низмы, которые вызывают чувства угнетения, беспричинного стра­ха, панического состояния, неадекватного реагирования на про­исходящее и др.

Важную роль в понимании происходящего играет уровень изу­ченности процессов, возникающих в человеческом организме под действием вибрации.

Деформация и переменные напряжения, возникающие в тка­нях организма человека, улавливаются множеством рецепторов. Напряжения трансформируются в энергию биоэлектрических или биомеханических процессов.

В живых организмах происходят собственные колебательные про­цессы с низкой частотой.

На рис. 12.9 представлена модель строения человека с указани­ем частот собственных колебаний различных органов.

Например, резонансная частота сердца f 0 = 7 Гц.

При инфразвуковых колебаниях, равных частоте 7 Гц, ампли­туда сердечных сокращений увеличивается настолько, что может произойти разрыв артерий. Колебания той же частоты и интен­сивности, но противоположные по фазе, затормаживают крово­обращение и вызывают остановку сердца. Во время шторма в море генерируются колебания с частотой в среднем около 6 Гц, дости­гая временами 7 Гц. В результате воздействия таких колебаний на команду судна в считанные секунды наступает гибель всех членов команды.

Низкочастотные (инфразвуковые) колебания распространяются на большие расстояния от источника как в воде, так и в земной коре.

Инфразвуковые колебания являются причиной беспокойного поведения многих видов животных и пресмыкающихся перед зем­летрясением. За несколько часов до его наступления они покида­ют свои норы и укрытия в поисках безопасных мест.

Инфразвуковые колебания даже малой интенсивности, возни­кающие, например, при работе городского транспорта, вызыва­ют нервную усталость и нарушение функционирования различных органов и систем человека.

Сложность и неоднородность вибрационных процессов обус­ловлены многообразием источников.

Все источники вибрации подразделяют на две группы. К пер­вой группе относятся транспортные средства и промышленные предприятия; ко второй — инженерно-техническое оборудование и системы, а также предприятия торговли и коммунально-быто­вого назначения и др.

Исследования показывают, что в зданиях, расположенных на расстоянии около 10 м от тоннеля метрополитена мелкого зало­жения, на резонансных частотах 31,5…63,0 Гц уровень виброус­корения достигает 45 дБ, а на расстоянии 40 м — до 26 дБ.

Движение железнодорожного транспорта и трамваев приводит к превышению допустимых уровней для жилых зданий в октавных полосах частот 16…63 Гц в радиусе 10…20 м на 10… 15 дБ для железнодорожных составов и на 3…7 дБ для трамваев.

Кроме транспортных средств источниками низкочастотных (ин­фразвуковых) вибраций являются мощные компрессорные, штам­повочные участки, испытательные стенды и другие виды обору­дования промышленных предприятий.

Распространяясь на расстояние до 5 000 м, инфразвуковые виб­рации превышают допустимый уровень на 4… 8 дБ.

Эксплуатация лифтового оборудования также приводит к пре­вышению допустимого уровня вибрации (виброускорения) на 15…20 дБ.

Физиологические, гигиенические и поликлинические иссле­дования показали, что длительное действие вибрации, превыша­ющей на 2…9 дБ нормативные значения даже малой интенсивно­сти, в условиях жилища вызывают функциональные изменения центральной нервной и сердечно-сосудистой систем, которые проявляются удлинением скрытого времени слуховой и зритель­но-моторной реакций, развитием вегетативно-сосудистой дисто­нии и гипертонической болезни и др.