СПОСОБ ФИЗИОЛОГИЧЕСКОГО, БИО- И ПСИХОФИЗИЧЕСКОГО ОБОСНОВАНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ДОЗ ЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ ЗВУКОВЫХ ДАВЛЕНИЙ, ПРЕДЕЛЬНО ДОПУСТИМЫХ УРОВНЕЙ ЗВУКОВЫХ ДАВЛЕНИЙ И САНИТАРНЫХ НОРМ ЭКСПОЗИЦИИ ЧЕЛОВЕКА В ЗВУКОВОМ ПОЛЕ НА СТАНДАРТНОЙ ЧАСТОТЕ 1000 ГЦ
METHOD OF PHISIOLOGICAL, BIO- AND PSYCHOPHYSICAL FOUNDATION AND DETERMINATION OF MAXIMUM ALLOWED DOSES OF SOUND IMPACT, MAXIMUM ALLOWED SOUND PRESSURES, MAXIMUM ALLOWED LEVELS OF SOUND PRESSURES, MAXIMUM ALLOWED LEVELS OF SOUND PRESSURES AND SANITARY STANDARDS OF EXPOSITION OF PEOPLE IN SOUND FIELD WITH STANDARD FREQUENCY 1000HZ

Изобретение относится к смежным областям науки, техники и производства, конкретно к физиологии слуха и оториноларингологии, гигиене человека, экологии шумовых производств, дозиметрии звука и метрологии параметров звука.
Самоочевидно, что комплекс исследования шумового загрязнения среды обитания человека должен включать четыре основополагающих группы документов:
1) документы, устанавливающие параметры звукового воздействия в жилых помещениях, в которых человек проводит до 2/3 своей жизни;
2) документы, устанавливающие параметры звукового воздействия в рабочих помещениях, в которых человек проводит до 1/3 своей жизни;
3) документы, устанавливающие способы измерения параметров звукового воздействия;
4) документы, устанавливающие стандарты безопасности жизни и труда.
Известно, что нормирование звукового давления и уровней звукового давления в производственных условиях осуществляется "Системой стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности", Санитарными нормами и Санитарными нормами и правилами.
Действующий ГОСТ 12.1.003-83 [18] устанавливает предельно допустимые уровни (ПДУ) звукового давления в децибелах на рабочих местах в определенных (октавных) полосах частот со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц, причем среднегеометрическая октавная (третьоктавная) полоса частот определяется как ,
в
н
в
н
н
в
для октавных полос f/f=2; третьоктавных f/f=1,26, где f, f - нижняя и верхняя граничные частоты, соответственно.
Действующие Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96 [22] и Санитарные нормы и правила СНиП 23-03-2003 [6] устанавливают классификацию шумов; нормируемые параметры и ПДУ шума на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы являются обязательными для всех организаций и юридических лиц на территории РФ, независимо от форм собственности, подчинения и принадлежности, и физических лиц, независимо от гражданства. В преамбуле к СНиПам 23-03-2003 отмечается, что ссылки на требования санитарных норм должны быть учтены в ГОСТе и во всех нормативно-технических документах, регламентирующих планировочные, конструктивные, технологические, сертификационные, эксплуатационные требования к производственным объектам, жилым, общественным зданиям, технологическому, инженерному, санитарно-техническому оборудованию и машинам, транспортным средствам, бытовой технике. На СНиПы ориентируются техническая документация, учебные пособия; на основе ПДУ подбираются средства защиты шумо- и звукоизоляции на производстве, считая априори представленные данные за основу [3, 4, 12, 20].
Целью данного изобретения является разработка способа физиологического, био- и психофизического обоснования, дефиниции и расчета предельно допустимых доз звукового воздействия на человека, предельно допустимых величин звуковых давлений, предельно допустимых уровней звуковых давлений и санитарных норм пребывания (экспозиции) человека в звуковом поле стандартной частоты 1000 Гц.
Аналогом является способ установления предельных давлений и предельных уровней давлений звукового воздействия на человека по ГОСТ 12.1.003 - 83, СН 2.2.4/2.1.8.562 - 96, СПиП 23-03-2003.
А
По ГОСТу влияние звука и шума на объекты оцениваются дозой воздействия D как интегральной величиной, учитывающей акустическую энергию за определенный период времени. При текущем среднеквадратическом звуковом давлении р(t), Па, измеренном шумомером с учетом коррекции по шкале «А» [2, 3, 8, 15, 19], величина дозы в эксперименте D за время Т определяется соотношением
2
с единицей измерения [D]=1 Па·ч.
Эквивалентный (по энергии) уровень звукового давления  данного звука [2, 3, 18] при этом рассчитывается по формуле
о
c
-5
где р=2·10 Па - минимальное звуковое давление (порог слышимости), воспринимаемое спиральным ухом среднестатистического человека на стандартной частоте f=1 кГц с вероятностью 1/2.
д
Допустимую дозу шума D определяют по формуле
где , Па, - звуковое давление, соответствующее допустимому уровню  звука;
р
Т, ч, - продолжительность рабочего дня (рабочей смены).
р
В ГОСТе приводится расчет, которым утверждается, что при  соответствующем допустимому уровню давления  и Т=8 ч допустимая доза звукового воздействия
д
А
2
Физический смысл этой величины D=1 Па·ч состоит в том, что она определяет дозу воздействия звуковой энергии по среднему звуковому давлению р=0.356 Па и длительности воздействия, равной рабочей смене продолжительностью 8 ч.
отн
Вводя понятие относительной дозы воздействия шума D, %,
д
отн
при D=D устанавливают, что D=100%. Этим фактом, очевидно, устанавливается предельно допустимый уровень звукового давления, равный  что соответствует предельно допустимому звуковому давлению
р
д
2
при Т=8 ч, и предельно допустимая доза шумового воздействия за 8-часовой рабочий день - D=1 Па·ч.
Анализируя ПДУ звуковых давлений, приведенные в ГОСТе и СНиПах, можно показать, что главным признаком графического представления является монотонность убывания их значений с ростом среднегеометрических частот октавных полос в диапазоне 63÷8000 Гц. Отметим (фиг.1, а), что для помещений управления, рабочих комнат учреждений ПДУ по ГОСТу завышены для частот 250 и 500 Гц. По Санитарным нормам для высококвалифицированной деятельности, измерительных и аналитических работ, рабочих мест в лабораториях ПДУ завышены для 250 Гц и 4000 Гц (фиг.1, б). Графический анализ приводит к выводу о необходимости коррекции отдельных значений ПДУ для некоторых частот, так как монотонность изменения графиков будет свидетельствовать о лучшей корреляционной зависимости и возможности приведения ее к функциональной. В литературе, имеющей ссылки на нормативные документы [10, 11, 15], авторы порой самостоятельно вводят некоторую коррекцию данных (фиг.1, в). Анализ данных СНиПов в графической интерпретации свидетельствует о явно хорошем корреляционном приближении ПДУ к функциональной зависимости с достаточно выраженной монотонностью изменения уровней звукового давления от частоты (фиг.1, г). Однако, что касается ГОСТа и СНиПов, они обладают серьезным недостатком - отсутствием значений уровней звуковых давлений (интенсивностей звука) для высоких частот, хотя, как известно, именно звуки ВЧ обладают максимальным деструктивным действием [16, 20].
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.
Способ предполагает использование комплекса исследований, включающих:
1) выявление физиологических механизмов ощущения звукового давления от внешних раздражителей слуховыми рецепторами;
2) выявление биофизических механизмов передачи звукового давления от внешних раздражителей к слуховым рецепторам;
3) выявление психофизических механизмов восприятия слуховыми рецепторами звукового давления от внешних раздражителей;
4) определение (расчет) предельно допустимых доз звукового воздействия, предельно допустимых звуковых давлений, предельно допустимых уровней звуковых давлений и санитарных норм экспозиции человека в звуковом поле на стандартной частоте 1000 Гц.
Физиологический подход к установлению механизмов ощущения звукового давления от внешних раздражителей слуховыми рецепторами предполагает, что
1) для нормальной работы слухового органа необходимо
а) для ощущения высоты одного тона в мелах [17], - возбуждение одной внутренней волосковой клетки (ВВК) по соответствующему распределению [12, 25] (фиг.2, сектор, выделенный жирными линиями);
б) для одного тона ощущение разных уровней громкости Е, в декафонах [5, 24] (разных уровней интенсивности звука или звукового давления L в белах [7]), - возбуждение нескольких наружных волосковых клеток (ВВК) количеством n, на единицу превышающим значение уровня громкости или уровня интенсивности звука или звукового давления (n=L+1=Е+1, поскольку на уровне Е=L=0 возбуждено n=1 НВК, на уровне Е=L=1 возбуждено n=2 НВК и т.д.), по соответствующему распределению [13] (фиг.2, любой выделенный сектор);
c
2) для стационарной (безадаптационной) работы слухового органа на любой частоте, в том числе и на стандартной f=1000 Гц, необходимо (фиг.2)
а) раздражение слуховых рецепторов с возможностью получения ответного сигнала на звуковой стимул, [1, 4];
б) раздражение слуховых рецепторов, не приводящее к их адаптации;
c
3) для полнофункциональной работы слухового органа на любой частоте, в том числе и на стандартной f=1000 Гц, необходимо (фиг.2)
а) предписание непременного использования звукозащитных средств при звуковых стимулах крайне высокого звукового давления (крайне высокой интенсивности) с L≥13 Б при возбуждении более n>13 НВК и приводящих без защитных средств, даже при кратковременной экспозиции, к слуховой контузии (оглушению), частичной и полной глухоте [13];
б) предписание осторожности и использования звукозащитных средств при звуковых стимулах короткой длительности и высоком звуковом давлении (высокой интенсивности) при уровнях 11≤L<13 Б и возбуждении 11<n≤13 НВК;
в) предписание осторожности и по возможности использование звукозащитных средств при звуковых стимулах более продолжительных по времени и по уровням 6≤L<11Б и возбуждении 6<n≤11 НВК, которые угнетают человека и могут привести к частичной глухоте и снижению восприятия громкости звукового сигнала;
г) толерантное отношение к стимулам малого звукового давления (малой интенсивности) с уровнями L<6 Б при возбуждении n≤6 НВК, не приводящим к адаптации слухового восприятия в течение длительного времени.
Таким образом, физиологический подход к установлению способа являет собой тот факт, что для устойчивой и полнофункциональной работы слухового органа необходим такой уровень звукового давления (интенсивности звука), который вовлекал бы в ощущение звука до 6 рецепторов (НВК). Возбуждение большего числа НВК может вызвать проблемы в работе слухового органа.
Физиологическая концепция способа в литературе не представлена.
Биофизическая основа способа заключается в том, чтобы
1) обосновать метод определения восприимчивости НВК к внешнему звуковому стимулу. Эта проблемы появляется потому, что на практике возможно непосредственное измерение только трех параметров звука, а именно:
а) времени экспозиции - секундомерами или обычными часами;
б) частоты звука - резонаторами Гельмгольца или с использованием преобразователей - электронными методами;
в) звукового давления - манометрами и измерительными микрофонами, или уровней звукового давления - шумомерами и измерителями уровней звукового давления [2].
Параметр (а) определяется стандартными приемами.
Параметр (б) не связан с решаемой проблемой.
Измерение звукового давления, - параметра (в) - осуществляется в окружающей человека среде (в воздухе), в то время как преобразование энергии звукового сигнала (звукового давления или интенсивности звука) в электрический (рецепторный) потенциал происходит в спиральном органе улиткового протока.
c
Для решения проблемы воспользуемся законом Вебера-Фехнера, обоснованным только для стандартной частоты f=1000 Гц. По закону Вебера-Фехнера (2) на этой частоте для уровня звукового давления L имеем давление (фиг.4, сплошная линия)
в
н
н
B
Разделив эту величину p(L) на чувствительность Z-(n-1) НВК на уровне L [13], где Z=N+N - общее число всех клеток (N=15 наружных ВК и N=1 внутренней ВК, фиг.2), получим величину , приобретающую смысл восприимчивости НВК на соответствующем уровне L звукового давления p(L). Поделив восприимчивость НВК на общее число клеток Z и умножив на число n HBK, отзывающихся на приложенное давление, получим величину того давления g(L, n) во внутреннем ухе, которое можно идентифицировать с уровнем L для n возбужденных НВК
с
c
c
с
c
c
-4
-4
Графический анализ (5) и расчет давления g(L, n) для n=6 НВК, которым соответствует (фиг.3) создаваемый ими уровень L=5 Б (уровень громкости Е=5 дафон), поскольку n=L+1, получаем g(L, n)=2.156·10 Па. Это давление можно считать репером давления в физиологии слуховых ощущений. Тета-плоскость Θ=g(5, 6)≈2.2·10 Па (фиг.3) выделяет ниже себя все значения g(L, n)<g(L, n).
Формула (5) может быть упрощена до одной переменной связью n=L+1 так, что (фиг.4, штрихпунктирная синяя нижняя линия)
c
c
-4
где для L=5 Б, имеем также g(L)=2.156·10 Па. Это такое давление, которое, как отмечалось, не может вызвать деструктивных изменений самих рецепторов на протяжении длительного времени (возможно, всей жизни человека). Его можно считать базовым для установления предельно допустимой, воздействующей на слуховые рецепторы во внутреннем ухе без ущерба для их полноценного функционирования длительное время дозы (репер дозы в акустической метрологии).
Для любого уровня L доза звукового воздействия может быть установлена формулой
c
c
2
причем для L=5 Б и времени Т=360 лет, на которое рассчитана работа уха [12], имеем D(L)=0.147 Па·ч.
р
р
2
Доза звукового воздействия, по сути, является энергетической величиной [9], и по закону сохранения и превращения полной механической энергии [23] доза звукового воздействия во внутреннем ухе D(L) за время Т является дозой воздействия звукового давления G(L), подвергающегося расчету во внешнем звуковом поле за рабочую смену, длительностью Т, т.е. D(L)=G(L)·Т, откуда
(фиг.4, пунктирная красная верхняя линия).
c
c
р
Для L=5 Б давление G(L)=0.135 Па. Именно это давление, подвергаемое измерению в окружающем человека пространстве, и является пороговым или предельно допустимым при отсчете за рабочую смену длительностью Т=8 ч.
П
причем р=0.135 Па (репер давления в акустической метрологии).
c
Биофизическая основа способа заключается в том, чтобы оценить уровень громкости звукового сигнала, не вызывающего деструктивных изменений в слуховом органе. Для стандартной частоты f=1000 Гц это достигается с помощью закона Вебера-Фехнера
П
П
П
c
П
которое для установленного р=0.135 Па (7) дает значение L=7.7 Б (или в привычном виде L=77 дБ). Это значение уровня звукового давления (для стандартной частоты f=1000 Гц и для уровня громкости звукового сигнала Е=7.7 дафон = 77 фон) является предельно допустимым уровнем звукового давления (репер уровня звукового давления в психофизике слуха).
П
c
2
Предлагаемый метод позволяет, преобразовав (8), получить зависимость для определения экспозиции человека в звуковом поле с предельно допустимой дозой звукового воздействия D=D(L)=0.147 Па·ч (7)
график которой представлен на фиг.5, а (заштрихованная область соответствует безопасным длительностям экспозиции человека в заданном звуковом поле с уровнем звукового давления L).
П
С использованием этого же соотношения (9) можно решить и обратную задачу определения звукового давления, выдерживаемого человеком в звуковом поле с заданной предельно допустимой дозой D в зависимости от длительности экспозиции τ (фиг.5, б)
Биофизическая (функциональная) концепция способа в литературе не представлена.
П
С использованием закона Вебера-Фехнера [14, 20] и соотношения (12) решается психофизическая задача определения уровня давления L(τ) как функции длительности экспозиции человека в звуковом поле τ с заданной предельно допустимой дозой звукового воздействия D
(фиг.5, в, заштрихованные области соответствуют безопасным давлениям и уровням давлений экспозиции человека в звуковом поле).
П
На фиг.6 и 7 соотношения (12) и (13) даны в 2 D- и 3 D-представлении как функции двух переменных - предельной дозы звукового воздействия D и экспозиции τ:
и
П
П
П
П
П
П
П
П
П
П
П
П
На фиг.7, а, кроме поверхности давлений р(τ, D), представлена дополнительная омега-плоскость ′Ω=р, которая отделяет толерантные давления (с р(τ, D)≤р) от превышающих пороговые (с р(τ, D)>р). На фиг.7, б, кроме поверхности уровней давлений L(τ, D), представлена также дополнительная гамма-плоскость Г=L, которая отделяет толерантные допустимые уровни давления (с L(τ, D)≤L) от превышающих пороговые (с L(τ, D)>L).
П
На фиг.8 дано 3 D-представление зависимости (11) как функции двух переменных - предельной дозы звукового воздействия D и звукового давления p(L).
р
р
Кроме того, на фиг.8 представлена тау-плоскость Т=Т, ограничивающая снизу экспозицию τ≤Т,
П
Фиг.9 определяет характер изменения предельно допустимых доз D как функцию двух переменных - L и τ в виде соотношения
Кроме того, здесь показана дополнительно кси-плоскость Ξ, ограничивающая снизу допустимые уровни звукового давления L и допустимые экспозицию τ.
В качестве итога приводим примеры некоторых конкретных числовых расчетов.
П
П
П
На фиг.10 представлен расчет звуковых давлений в зависимости от дозы звукового воздействия (с шагом 0.1 D - по горизонтальной оси графика и верхним входом в таблицу) и экспозиции человека в поле (с шагом 1 ч - по вертикальной оси графика и входом слева в таблицу). Значения давлений, не превышающих предельно допустимых, а также соответствующих им доз и экспозиций соответствую белой области на графике, ограниченной ′Ω-плоскостью, соответствующей р. На фиг.11 представлен расчет уровней звуковых давлений по фиг.10 с гамма-плоскостью Г, соответствующей L.
П
П
Фиг.12 иллюстрирует расчет доз звукового воздействия в зависимости от действующих давлений (с шагом 0.1 р - по горизонтальной оси графика и верхним входом в таблицу) и экспозиций человека в звуковом поле (с шагом 1 ч - по вертикальной оси графика и входом слева в таблицу). Значения доз, не превышающих предельно допустимых, а также соответствующих им давлений и длительности воздействия соответствую белой области на графике, ограниченной тета-плоскостью Θ, соответствующей D.
2
2
Сравнивая результаты предлагаемого способа с действующим ГОСТом 12.1.003-83 [17], можно отметить значительные расхождения в сторону завышения ГОСТом предельно допустимых доз звукового воздействия (1 Па·ч по ГОСТу - против 0.147 Па·ч по способу), предельно допустимых звуковых давлений (0.356 Па по ГОСТу - против 0.135 Па по способу), предельно допустимых уровней звуковых давлений звукового поля на стандартной частоте 1000 Гц (85 дБ по ГОСТу - против 77 дБ по способу).
Однако, сравнивая результаты предлагаемого способа с рекомендациями ВОЗ [3], можно отметить незначительное расхождение в сторону увеличения по способу предельно допустимых уровней звуковых давлений звукового поля на стандартной частоте 1000 Гц, равного 75 дБ.
Таким образом, используя физиологический, био- и психофизический подходы к механизмам восприятия звуковой энергии (звукового давления, интенсивности звука), разработан способ обоснования и определения предельно допустимых доз звукового воздействия, предельно допустимых звуковых давлений, предельно допустимых уровней звуковых давлений и санитарных норм экспозиции человека в звуковом поле на стандартной частоте 1000 Гц.
Источники информации
1. Албертс Б. Молекулярная биология клетки в 5 т., т.5. / Б.Албертс и др. // М.: Мир, 1987. - 232 с.
2. Беранек Л. Акустические измерения. / Л.Беранек // М.: Мир, 1952. - 524 с.
3. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. 12. Шум. Всемирная организация здравоохранения, Женева, 1983. // М.: Медицина, 1984. - 156 с.
4. Гистология. / Под ред. В.Г.Елисеева, Ю.И.Афанасьева, Н.А.Юриной. // М.: Медицина, 1983. - 592 с.
5. Громкость звука. / БСЭ, т.7. // М.: Сов. Энцикл., 1972. - С.348-349.
6. Защита от шума. / СПиП 23-03-2003. // М.: ГК РФ по строительству и жилищно-ком. комплексу, 2004. - 12 с.
7. Звуковое давление / Физика. БЭС.// // М.: Бол. Рос. Энцикл., 1999. С.198-199.
8. Каспаров А.А. Гигиена труда и промышленная санитария / А.А.Каспаров. // М.: Медицина, 1981. - 368 с.
9. Международный электротехнический словарь. Гр. 65. Радиология и радиологическая физика. - М.: Сов. Энцикл., 1966. - 256 с.
10. Митрофанов В.В. Физические факторы среды и внутренне ухо. / В.В.Митрофанов, А.Н.Пащинин, В.И.Бабияк // СПб.: Гиппократ, 2003. - 426 с.
11. Мучин П.В. Безопасность жизнедеятельности. / П.В.Мучин // Новосибирск: СГТА, 2003. - 273 с.
7
12. Пат. №2184485, Российская Федерация, МПК А61В 5/12. Способ установления координатного распределения внутренних волосковых клеток на базилярной пластинке периферического отдела слухового анализатора человека. // Е.Л.Овчинников, Н.В.Еремина, Н.Ю.Хохлова, опубл. - 10.04.2002. - Бюлл. №19, 2002. - С.149.
7
13. Пат. №2248752, Российская Федерация, МПК А61В 5/12. Способ определения громкости тонов для произвольной частоты звуков по Е.Л.Овчинникову с учетом закона Вебера-Фехнера. // Е.Л.Овчинников, опубл. - 27.03.05. - Бюлл. №9, 2005. - 26 с.
14. Психофизиология. / Под ред. Ю.И.Александрова. // СПб.: Питер, 2004. - 464 с.
15. Руководство к практическим занятиям по гигиене труда. / Под ред. В.Ф.Кириллова. //М.: Медицина, 2001. - 400 с.
16. Руководство по оториноларингологии. / Под ред. И.Б.Солдатова. // М.: Медицина, 1994. - 608 с.
17. Русаков И.Г. Мел. // И.Г.Русаков / БСЭ, т.16. // М.: Сов. Энцикл., 1974. - С.38-39.
18. Система стандартов безопасности труда. Шум. Общие требования безопасности. ГОСТ 12.1.003 - 83 // М.: Изд. стандартов, 1983. - 12 с.
19. Тейлор Р. Шум. / Р.Тейлор. // М.: Мир, 1978. - 399 с.
20. Физиология сенсорных систем. / Я.А.Альтман / Ред. // СПб.: Паритет, 2003. - 352 с.
21. Хадспет А.Дж. Волосковые клетки внутреннего уха. // А.Дж.Хадспет, В мире науки (Scientific American), 1983, №3. - С.26-37.
22. Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки. Санитарные нормы СН 2.2.4/2.1.8.562-96. // М.: МЗ РФ, 1997. - 14 с.
23. Яворский Б.М. Справочник по физике. / Б.М.Яворский, А.А.Детлаф. // М.: Наука, 1990. - 624 с.
24. Fernandez С. The innervation of the cochlea (guinea pig.) // Laryngoscope, 1951, v.61. - P.1152-1172.
25. Lim D.J. Fine morphology of the tectorial membrans:Its relationship to the organ of Corti. // Arch. Otol., 1972, v.96. - P.199-215.