Понятие акустического комфорта системы «человек – машина» в субъективной оценке предполагает, что при эксплуатации и управлении «машиной» оператор должен испытывать минимальное психоэмоциональное раздражение и утомление. Труд водителя следует однозначно относить по нервно-эмоциональной напряжённости к вредному классу (в зависимости от интенсивности транспортного потока, в первую очередь) первой-третьей степени согласно действующему документу Руководству Р.2.2.2006-05 [2].
Санитарные правила СП 4641-88 [11] регламентируют энергетический эквивалент непостоянного звука на уровне 60 дБА (для легковых автомобилей) и 70 дБА (для грузовых машин) с возможностью оценки по «предельному спектру» (ПС-55 и ПС-65, соответственно). ГОСТ Р.51616-2000 [4] уточняет эти требования согласно действующей классификации механических транспортных средств и прицепов [5], нормирует шумы в децибелах, скорректированных по шкале А (дБА), и определяет порядок акустических испытаний, но только для измерения на этой шкале. Поэтому шум в кабинах и салонах автомобилей в настоящее время, в целом по уровням звука в дБА (более всего в легковых автомобилях) отвечает требованиям, что является несомненной заслугой конструкторов.
ГОСТ Р.51616-2000 [4] в отличие от действующих Санитарных правил СП 4641-88 [11] исключает оценку спектрального содержания внутреннего шума, влияющего на водителя и пассажиров. Из-за этого повсеместно нарушаются нормативы спектра шума, установленные санитарными правилами [11], нет нормативных документов, регламентирующих порядок замеров спектра шума. Считаем, что вопрос оценки соблюдения спектральных норм шума и дальнейшего совершенствования их нормирования, порядка измерений требует дополнительных решений.
В протоколе заседания Учёного совета Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека (протокол № 3 от 14.12.2016) отмечено: «… в нормативных и методических документах оценки шума имеется тенденция отхода от измерений и нормирования его спектральных характеристик…» Некоторое пренебрежение в гигиенических и инженерных оценках «спектрами производственного шума» обусловлено, на наш взгляд, трудностью сравнения, по крайней мере, девяти спектральных величин с их нормативными значениями.
Физические величины, характеризующие звук, являются функцией времени. Поэтому их можно представить в виде суммы гармонических колебаний с различными частотами и амплитудами. Зависимость амплитуды (или эффективного значения) гармонических составляющих звуковой волны от частоты называется спектром звука. Бесспорно утверждение: всякий производственный и иной шум (звук) имеет свой характерный для него спектр, определяемый источником и путями распространения волны.
По нашему мнению, спектральный анализ шумов в технике и гигиенической акустике [9], особенно в диагностических целях, используются недостаточно эффективно. Изучение спектрального содержания звуков, по большому счёту, позволяет обнаружить неисправности в работе машин, выделить доминирующие источники шума, производить рациональный выбор средств защиты от него (эффективность работы различных средств зависит от спектров шумов), а также доказать или опровергнуть диагноз профессиональной тугоухости. Расчёты звукопоглощения и звукоизоляции окажутся несостоятельны, если будут учитывать только эквивалентные значения непостоянного звука. Сопоставление спектров при наличии нескольких источников зачастую позволяет решать задачи определения ведущего источника зашумления территории и/или помещений [9].
Субъективные оценки содержания шумов используют в диагностике технического состояния автомашины. Так, мастера сервисных центров с помощью фонендоскопа пытаются определить возможные неисправности отдельных блоков двигателя по специфическим звукам. Практически они используют традиционный в медицине – метод аускультации. Однако в процедуре постановки диагноза существует негласное правило необходимости дополнения субъективной информации о пациенте объективными лабораторно-инструментальными характеристиками. Существующие измерительные средства для поиска неисправностей у автомашин (несмотря на их серьёзное программное обеспечение) недостаточно используют методики спектрального анализа.
Спектр шума также содержит информационную компоненту, которая, например, может проявляться в разнице психофизиологических реакций пассажиров и водителей транспорта на шум двигателя [7]. Описанным обстоятельствам принадлежит большое теоретическое значение для дальнейшего совершенствования гигиенического нормирования шумов, организации охраны труда, транспортной безопасности и т.д.
Цель – измерить шум в кабинах автомобилей с тем, чтобы показать гигиеническую значимость его спектрального содержания в анализе сходства и различия в спектрах шума двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, природном газе или дизельном топливе.
Методы и объёмы исследований
Измерение шумов в кабинах выполняли по требованиям стандартов [3,4] согласно поставленной задаче: измерить и оценить спектральное содержание шумов от двигателей трёх типов. Для анализа звука моторов необходимо было устранить или минимизировать дополнительные источники зашумления: аэродинамический шум, посторонние внешние шумы, проникающие в салон автомобиля через не плотности кузова и остекление, структурные шумы, которые проникают в кабину через элементы подвески к кузову силового агрегата, трансмиссии, системы выхлопа, ходовой части. Согласно стандарту [3] длительность измерений постоянного шума на рабочем месте оператора машины должна быть не менее 15 с. Поэтому замеры выполняли в режиме холостых оборотов (2/3 от максимального числа на территории гаража или в боксах), максимально исключающих известные помехи. Замеры выполняли в течение 60 с., трижды, с использованием шкалы усреднения «Быстро» (Fast). Микрофон крепили на уровне уха водителя (на высоте 0,80 м от настила кабины) и на расстоянии до 10 см с горизонтальной ориентацией оси устройства на переднее стекло (на двигатель).
Измерены шумы в 71 кабине автомашин от 1991 г. до 2013 г. выпуска. Замеры проводили в автомобилях с бензиновым двигателем (63 ед.), на природном газе (4 ед.) и с дизельным приводом (4 ед.). Для анализа взяты результаты измерений в 58 легковых (ВАЗ, РЕНО, КИА и пр.) машинах, в 5 пассажирских автобусах, работающих на бензине, в 4 автобусах с двигателями, работающими на природном газе, и в 4 машинах с дизельным приводом (1 грузовик, 1 трактор, 2 пассажирских автобуса).
Для измерений использовали поверенный шумомер-виброметр – интегрирующий анализатор спектра портативный «Октава 110 (ЭКО) / ЭКОФИЗИКА – 110 А» (1 кл. точности). До и после измерений проводили проверку прибора с помощью поверенного калибратора АК-1000.
Результаты и обсуждение
Анализ спектра звука двигателя и его эквивалентного уровня не обнаружил зависимости изношенности обследованных автомобилей от года выпуска, поскольку «сроки эксплуатации» не несут в себе информации о реальном пробеге автомобиля, возможных ремонтах, техническом и ежедневном уходе и пр.
На рисунке показан график спектров шума от трёх типов двигателей внутреннего сгорания. Кривые получены путём энергетического суммирования по обследованным объектам. Видно, что в кривой спектра бензинового двигателя определяется всплеск на октавах 31,5, 63 и 125 Гц. Этот факт закономерно обнаруживается на всех частных графиках спектра шума от этого типа двигателя независимо от его мощности. Кроме того, и в предыдущих исследованиях обнаруживали такую же особенность для этого типа двигателей. В кабинах автотранспорта, работающего на газовом или дизельном топливе, указанная закономерность не наблюдается, но полученные кривые достаточно специфичны для соответствующего типа мотора.
Следует обратить внимание, что в итоге суммирования шумов определяется превышение предельно-допустимых уровней [11] на шкале А (дБА). Замеры звука в каждой машине по отдельности такие несоответствия не обнаружили.
Анализ представленного графика ставит вопрос о сходстве спектров разных двигателей. Корреляционный анализ [12] определил, что его спектральные кривые аналогичны между собой на 89 %. Данный факт объясняет требование ГОСТ Р.51616-2000 [4]: «Автотранспортные средства одного типа в отношении внутреннего шума не должны иметь существенных различий по…» В конструкции изученных двигателей и обследованных машин достаточно много одинаковых устройств и деталей, и процесс распространения звука связан в первую очередь (как не старались исключить при замерах!) с вибрацией корпуса машин.
Спектры шума от трёх типов двигателей внутреннего сгорания:
Бенз/дв – двигатель, работающий на бензине, Газ/дв – двигатель, работающий на природном газе, Диз/дв – дизельный двигатель
Представляет также интерес, насколько хорошо анализируемые кривые рисунка могут быть описаны элементарными функциями. Анализ их трендов привёл к таблице, в которой показаны соответствующие коэффициента аппроксимации. Из таблицы следует, что наилучшее приближение для бензиновых моторов – логарифмическая функция (y=-11,1* Ln(x) +87,561 и y=-11,41 * Ln(x) +78,138). Другие кривые рисунка лучше всего описываются, соответственно, степенной и экспоненциальной функцией. Данные факты означают в целом, что анализируемые спектры должны также иметь существенные различия.
Коэффициенты аппроксимации спектров шума элементарными функциями
|
Тип двигателя и автомобиль |
Элементарные функции |
|||
|
Линей- ная |
Экспоненциальная |
Степенная |
Логарифмическая |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
Легковые машины на бензиновом двигателе |
0,574 |
0,560 |
0,599 |
0,627 |
|
Автобусы на бензиновом двигателе |
0,597 |
0,578 |
0,606 |
0,638 |
|
Автобусы на газовом двигателе |
0,272 |
0,294 |
0,368 |
0,360 |
|
Грузовые машины на дизельном двигателе |
0,012 |
0,015 |
0,0001 |
6Е-07 |
Обнаруженные различия (в целом на 11 %) кривых спектрального содержания звука от разных двигателей внутреннего сгорания, в том числе и характерный «всплеск» на графике бензинового двигателя, определены их устройством и принципом работы.
Дизель – это поршневой двигатель внутреннего сгорания, работающий по принципу мгновенного самовоспламенения распылённого топлива, под воздействием разогретого при сжатии воздуха. Ведущей причиной возникновения шума является периодическое увеличение давления в цилиндрах при хаотическом сгорании топлива. Мелкие фрагменты солярки испаряются в ускоренном режиме и соединяются с воздушной массой. Благодаря достаточно высокому температурному воздействию образовавшаяся смесь легко воспламеняется, и поджог смеси искрой – не требуется. Кроме того, топливовоздушная смесь формируется гораздо быстрее, чем в бензиновом двигателе, что также может повлиять на обнаруженные различия в спектрах.
В цилиндрах бензиновых моторов сдавливается только воздух, температура которого соответствует примерно 900 0С. Бензин подаётся отдельно для последующего сгорания. Воздух и горючее в бензиновых движках сжимается во впускном коллекторе, после чего топливо попадает в отсек для дальнейшего сжигания. Когда завершается акт сжатия, выполняется финальный этап образования топливовоздушного состава. После сдавливания полученная смесь достигает температуры примерно 500 0С, а затем выполняется процедура её воспламенения с использованием искры.
Газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение её от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. При этом газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путём впрыскивания (инжекции) газа.
Гигиенические оценки спектра [11] действующего шума предполагают процедуру сравнения 9 величин, каждая из которых имеет своё регламентируемое значение. Использование значений «предельного спектра» для этого (несмотря на то, что в гигиенической акустике [9] в последние годы о нём незаслуженно забыли) несколько разряжает ситуацию. Однако математические построения на базе 9 параметров разницы «эталон-норматив» несколько затруднительны, особенно, если таких пар больше двух.
Сравнительный анализ абсолютных значений различий полученных суммарных значений по среднегеометрическим октавам с нормируемыми величинами [11] каких-либо закономерностей не обнаружил. Спектры шума от бензинового мотора начинают превышать регламентируемые уровни с октавы 63 Гц, от газовых двигателей обследованных автобусов – с октавы 125 Гц. Полученные абсолютные значения расхождений между нормируемыми величинами спектра и сумм значений по всем обследованным транспортным единицам наиболее оптимально описываются полиномиальным уравнением шестой степени (коэффициент аппроксимации 0.996), что ещё раз указывает на сложности сравнительного спектрального анализа.
В современной математике достаточно много способов получения однозначной (альтернативной) оценки многообразных параметров. Зачастую используем метод функционалов расстояний в n-мерном Евклидовом пространстве [1,6,10]. Анализ спектральных расхождений в едином, однозначном представлении (по всем автомашинам) позволил получить вклад каждой частоты в общее количество несоответствий, а также оценить их в обобщённом показателе [8]: D= 1,234. Данная величина означает, что в совокупности 71 пары «эталон – норматив» несоответствия требований по спектральному содержанию шумов в среднем составляют 23 %.
В работах Колганова А.В. [7] доказывается, что при воздействии постоянной акустической энергии напряжение функциональной системы слуха и других систем организма, обеспечивающих работоспособность оператора, прямым образом, зависят от энтропии шума. При равенстве интенсивности и вероятностных характеристик воздействия факторов, сдвиги показателей функционального состояния больше, если один из параметров акустического раздражения является сигналом. Влияние шума на психику человека возрастает с увеличением его интенсивности, а также с уменьшением ширины октавных полос в спектральном содержании. Постоянные или периодические превышения регламентируемых уровней звука на отдельных октавах или их совокупности при соблюдении норматива эквивалентного уровня (дБА) в кабине могут сформировывать адекватные изменения физиологического статуса водителя (оператора), в том числе и в виде развития преждевременного утомления, особенно на очень мощных автомашинах.
Особенности конструкции моторов, кузовов автомашин, а также измеренные спектры звука в кабинах, другие обстоятельства заставляют утверждать, что для полноценной гигиенической оценки условий труда водителя по акустическому фактору недостаточно знать и сравнивать с предельно-допустимыми санитарными нормативами и техническими нормами [4,11] уровни шума только в децибелах, скорректированных по шкале А (дБА).
Санитарные нормативы спектрального содержания шума [11] обоснованы, в первую очередь, психофизиологическими изменениями у оператора, распределением интенсивности звука по октавным полосам среднегеометрических частот (Гц) обычной человеческой речи (на уровне 60-70 дБА). Несоблюдение требований по интенсивности звука на октавных полосах среднегеометрических частот, несомненно, влияет на слышимость речи в кабинах и салонах транспортных средств. Поэтому пренебрежение в техническом нормировании и конструировании машин гигиенических требований к спектральному содержанию шумов не может обеспечить полный акустический комфорт оператора, даже при соблюдении требований по уровню звука на шкале дБА.
Выводы
- В анализе спектров шума в кабинах 71 машины обнаружили сходство и различие их содержания, зависящее от используемого типа двигателя. Выявленные специфики спектральных кривых на рисунке могут оказать помощь в экспертизе результатов измерений фактора в кабинах и салонах машин, а также и в диагностике нарушений слуха.
- Дальнейшее гигиеническое нормирование спектрального содержания звука автомобильных двигателей требует новых психофизиологических исследований с коррекцией гигиенических нормативов по речевым уровням, по «информационным компонентам» [7] на холостых оборотах мотора и при движении автомашины;
- В анализе шумов двигателей можно использовать более глубокое (чем 1/1 или 1/3 октавы) разложение спектральных кривых с тем, чтобы выявить их специфику, зависимую от типа мотора, которую можно использовать в диагностике динамики технического состояния машин и степени их изношенности;
- Технические стандарты на автотранспорт должны учитывать гигиенические нормативы [11] силы звука (дБ) в октавных полосах среднегеометрических частот (Гц) и определять специфику процедуры измерения и анализа спектрального содержимого шума в кабинах и салонах (вплоть до применения методов получения однозначной оценки всех сравниваемых параметров);
- Применённая в анализе автомобильных шумов математическая процедура [1,6,10], однозначной оценки 9 пар «эталон-норматив» позволяет устранить существующие трудности в гигиенических и инженерных оценках их спектрального содержания.
Библиографическая ссылка
Красовский В.О., Мухаметдинова З.М., Галиуллин А.Р., Вагапова Л.Ф., Халфин Р.Р. О ГИГИЕНИЧЕСКОЙ ЗНАЧИМОСТИ СПЕКТРАЛЬНОГО СОДЕРЖАНИЯ ШУМА АВТОМОБИЛЕЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2017. – № 2. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=26225 (дата обращения: 08.12.2024).