Действие шума на человека и окружающую среду

Среди основных чувств человека слух и зрение играют важней­шую роль — позволяют человеку владеть звуковыми и зрительны­ми информационными полями.

Насыщение окружающего пространства шумами повышенной интенсивности может привести к искажению звуковой информа­ции и нарушению слуховой активности человека.

В настоящее время достаточно хорошо изучены процессы дове­дения звуковых колебаний воздушной среды до чувствительных окончаний слуховых волокон нервной системы. В значительно мень­шей степени исследованы процессы преобразования физических колебаний в звуковые образы или ощущения в нервной системе. Известно, что в ней акустический сигнал преобразуется в элект­рический и в результате сложного взаимодействия в сфере нерв­ной деятельности создается звуковой образ, адекватный реально­му.

Орган слуха, преобразующий колебания воздушной среды в электрические сигналы нервной системы человека, состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего уха (см. рис. 12.7). Ушная раковина 1 наружного уха направляет принимаемые аку­стические колебания в слуховой проход 2, заканчивающийся барабанной перепонкой 3. Ушная раковина благодаря своей форме согласовывает процесс перехода звуковой волны из свободного пространства в ухо. В слуховом проходе, как в звуковом резона­торе, настроенном на частоты, близкие к 3 кГц, происходит при­мерно трехкратное усиление звукового давления, воздейству­ющего далее на барабанную перепонку 3. Последняя образует гра­ницу с областью среднего уха; здесь она соединена с костно-мы­шечным рычажным механизмом в виде молоточка 4 и наковаленки 5. Мышечная ткань ножки наковаленки опирается на входной элемент внутреннего уха — мембрану овального окна 6 внутрен­него уха 8.

Рычажная система молоточек—наковаленка выполняет роль трансформатора колебаний барабанной перепонки, повышая зву­ковое давление на мембране овального окна для наибольшей от­дачи энергии из воздушной среды среднего уха, сообщающегося с внешней средой через носоглотку 11, ъ область внутреннего уха 8, заполненную несжимающейся жидкостью — лимфой.

Весь процесс получения звуковой информации из окружающей среды, ее преобразования по цепи (энергия акустической вол­ны —> механическая энергия —> энергия нервных импульсов) за­вершается во внутреннем ухе.

Структура внутреннего уха представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в виде улитки, к которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде колец 7. На рис. 12.7 для пояснения основных механизмов звукопередачи все это показано схематически и «улитка» дана в развернутом виде.
Мембрана круглого окна 10 выполняет вспомогательную функ­цию согласования внутреннего уха со средним. Весь рассматрива­емый слуховой лабиринт ограничен костной перегородкой.

По всей длине улитки внутреннего уха располагается основная мембрана 9 — анализатор акустического сигнала. Она представля­ет собой узкую ленту из гибких связок, расширяющуюся к вер­шине улитки. Вдоль основной мембраны проходят слои оконча­ния нервных волокон, так называемого органа Корти, объеди­ненных далее в жгут, по которому электрические нервные им­пульсы поступают в нервную систему и далее к слуховым обла­стям мозга. Каждое нервное волокно представляет собой волосковую клетку, которые составляют массив примерно из 25 тыс. штук,
имеющих до 100 волосковых окончаний (ресничных эпителиаль­ных клеток). Акустические колебания вызывают деполяризацию мембран этих клеток, в результате чего возникают электрические импульсы, которые распространяются по нервным волокнам. Осо­бенность биологических клеток заключается в том, что деполяри­зация их мембран возможна лишь с определенного уровня воз­действия, что в случае акустического сигнала определяет порог слышимости.

Действие внутреннего уха принято трактовать так. При колеба­ниях мембраны овального окна в жидкости внутреннего уха воз­никают упругие колебания, перемещающиеся вдоль основной мембраны от основания улитки к ее вершине. Структура основной мембраны аналогична системе резонаторов с резонансными ча­стотами, локализованными по длине. Участки мембраны, распо­ложенные у ее основания, реагируют на высокочастотные состав­ляющие звуковых колебаний, средние участки реагируют на сред­нечастотные, а участки, расположенные вблизи вершины, — на низкие частоты. Высокочастотные компоненты в лимфе быстро
затухают и на удаленные от начала участки мембраны не воздейст­вуют.

Расположенные послойно в основной мембране волосковые клетки с сенсорными окончаниями в виде ресничных эпители­альных клеток вырабатывают электрические информационные сигналы в соответствии с коэффициентом передачи того участка,
в котором они расположены. Обработка информации и преобра­зование ее в звуковые образы либо — в простейшем случае — в воспринимаемые уровни звука происходит в слуховой ассоциа­тивной зоне головного мозга. Здесь приходящие по нервным во­локнам электрические сигналы сравниваются в блоках нейронной памяти с хранящимися эталонами звуковой информации, приоб­ретенными человеком в процессе эволюции и его повседневной деятельности. Благодаря этому новые поступающие стимулы «уз­наются».

Таким образом, ассоциативный слуховой участок мозга совмест­но с другими его частями участвует в процессах запоминания, распознавания, научения и мышления. Эта область называется психофизическим восприятием.

Психофизическое восприятие звука начинает действовать, когда в сенсорных звуковых клетках аппарата Корти возникнут элект­рические импульсы за счет деполяризации их мембран. Для чело­веческого слуха на частоте 1ООО Гц это происходит начиная с минимального уровня звукового давления р0 = 2 • 10-5 Па или ин­тенсивности звука (потока звуковой мощности) 10-12 Вт/м2. Эти значения были приняты в качестве стандартных величин порогов слышимости и используются для определения относительных еди­
ниц измерения звуковых характеристик в виде уровней звука (шума).

Способность человеческого уха анализировать звуки в широ­ком диапазоне частот и интенсивностей можно проиллюстриро­вать тем, что самый громкий из слышимых звуков в 1012 раз ин­тенсивнее самого слабого звука, регистрируемого человеческим ухом. Это один из совершеннейших измерительных приборов по динамическому диапазону измеряемых величин. Природа позабо­тилась о системах самозащиты слуха от повреждения. Одной из таких систем является сообщение пространства среднего уха с внешней средой через канал носоглотки 11 (см. рис. 12.7), что позволяет компенсировать интенсивные внешние воздействия аку­стических волн их подачей в противоположном направлении к барабанной перепонке через канал носоглотки. В ограничении боль­ших интенсивностей участвуют мышцы среднего уха, ограничи­вающие перемещения молоточка и наковаленки и тем самым сни­жающие интенсивность звука, поступающего во внутреннее ухо.

При возникновении внешних звуковых раздражителей, превы­шающих 135… 140 дБ, элементы внутреннего уха вместо нормаль­ных колебательных движений вперед-назад начинают перемещаться из стороны в сторону, снижая перепад между давлением в «улит­ке» и проникающим из окружающей среды звуковым давлением. Любая система защиты имеет свои ограничения, поэтому избы­точные шумы, действующие даже кратковременно, вызывают повреждения внутреннего уха, которые проявляются в лучшем случае временным смещением порога слышимости. Восстанови­тельный период может длиться от нескольких минут до несколь­ких дней в зависимости от степени повреждения.

Диагноз «потеря слуха, вызванная шумом» констатирует по­стоянную потерю слуха при длительном воздействии избыточных шумов. В таких случаях происходит отмирание ресничных эпите­лиальных клеток.

Шум производственного происхождения меняется по интен­сивности и частоте в зависимости от типа и числа машин и меха­низмов, задействованных в технологическом процессе.

Акустические колебания, выходящие за пределы диапазона нормального звуковосприятия человека (20… 20 ОООГц), могут так­же приводить к повреждению слуха. Так, ультразвуки (свыше 20000 Гц), достаточно широко распространенные в промышлен­ности, являются причиной повреждения слуха, хотя человече­ское ухо на них не реагирует. Мощный ультразвук воздействует на нервные клетки головного мозга и спинной мозг, вызывает жже­ние в наружном слуховом проходе и ощущение тошноты.

Не менее опасными являются инфразвуковые воздействия акустических колебаний (менее 20 Гц). При достаточной интен­сивности инфразвуки могут воздействовать на вестибулярный аппарат, снижая слуховую восприимчивость и повышая уста­лость и раздражительность, и приводят к нарушению коорди­нации.

Особую роль играют инфрачастотные колебания с частотой 7 Гц. В результате их совпадения с собственной частотой альфа-ритма головного мозга не только наблюдаются перечисленные ранее нарушения слуха, но и могут возникать внутренние кровотечения. Инфразвуки (с частотой колебаний 6 . . . 8 Гц) могут привести к нарушению сердечной деятельности и кровообращения.

Совокупность шумов повышенной интенсивности в широком диапазоне частот (от инфра- до ультразвука включительно) могут вызывать изменения электрической проводимости кожи, актив­ности головного мозга и сердца, скорости дыхания и двигатель­ной активности. В отдельных случаях шумы могут стать причиной изменения размеров желез эндокринной системы, сужения кро­веносных сосудов, повышения давления, расширения зрачков, снижения половой активности, потери аппетита, бессонницы, расстройства психики и т.д.

Для профилактической работы, направленной на обеспечение безопасных условий труда по шумовому фактору, проводится аудиометрический контроль состояния органов слуха. Анализ ре­зультатов контроля направлен на выявление ухудшения слуховой функции как среднеарифметического значения снижения поро­гов слуховой чувствительности в речевом диапазоне частот (500…2000 Гц) и на частоте 4000 Гц.

Эффект получения звуковой информации двумя ушами одно­временно называется бинауральным и способствует стереоакустическому восприятию звуков. Это позволяет человеку выявлять на­правление звуковых волн с разрешающей способностью в гори­зонтальной плоскости 3…4°, а в вертикальной — около 20°.

Бинауральность обусловлена пространственным расположени­ем ушей и экранирующим влиянием головы. Разница возбужде­ния характеризуется временным (несовпадением моментов воз­действия на левое и правое ухо одинаковых по фазе звуковых волн) и амплитудным (разной величиной звуковых давлений, действу­ющих на уши из-за наличия акустической тени) показателями.

Бинауральный эффект способствует локализации источников звука благодаря двум факторам: временной разности и интенсивностной разности приходящих в уши сигналов. На низших часто­тах слухового диапазона (ниже 500 Гц) направление на источник определяется в основном по временному запаздыванию бинау­рального эффекта. В то же время источники сигналов с частотой ниже 150 Гц практически не локализуются слухом. Направление на источники звука с частотой выше 500 Гц определяется как временным, так и интенсивностными бинауральными эффекта­ми. Эффект локализации источника звука проявляется в условиях открытого пространства. При наличии отраженных волн простран­
ственная картина восприятия искажается.

Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Ощущение возникновения звука, а также его прекращения воз­никает не сразу.

Время, в течение которого ощущение уровня громкости умень­шается на 8 … 10 фон, называется постоянной времени слуха, вели­чина которой в среднем составляет 150…200 мс.

Время адаптации слуха при оценке высоты тона зависит от ча­стоты. На низких частотах оно составляет 30 мс, на высоких — несколько выше. При возбуждении слуха короткими звуковыми импульсами (менее 50 мс) и через такие же промежутки времени происходят их интегрирование при восприятии и временная маски­ровка, проявляющаяся в подавлении последующего импульса пре­дыдущим. Происходит также накопление в памяти коррелирован­ных по структуре звучаний. В процессе восприятия человеком двух
различных звуковых сигналов одновременно один сигнал слышится хорошо, а второй как бы тонет в нем. Такой эффект называют маскирующим.

Эффект маскировки объясняется сдвигом порога слышимости под действием более сильного звука и зависит от разности частот этих звуков. Низкочастотные шумы обладают большей маскиру­ющей способностью, чем высокочастотные. Так, пароходный гу­док низкого тона заглушает более высокие тона. Высокочастотные шумы средней интенсивности слабо маскируют человеческую речь, но создают дискомфорт у слушателей.

Важнейшим свойством слуха является способность объединять определенные области частот в так называемые частотные группы. Смысл этого понятия состоит в том, что степень маскирования полезного узкополосного сигнала шумом растет с расширением спектра шума вокруг этого сигнала до определенной полосы это­го шума. После этого не происходит усиливающего действия эф­фекта маскировки шумом. В диапазоне от 20 Гц до 16 кГц имеется 24 частотных группы.

Количественной мерой маскировки является число децибел, на которое возрастает порог слышимости маскируемого сигнала в присутствии другого сигнала по сравнению с порогом слышимо­сти в тишине.