声波是物体的机械振动产生的一种能在特定介质(包括固态介质、液态介质和气态介质)中传播的纵波。物体振动通过空气传播的波称为噪声,通过固体或液体传播的波称为振动。
来自自然界的振动主要是地震和海啸。实际上,影响人类活动的振动污染主要是人为造成的,其发生源包括高速行驶的车辆、飞速运转的机器、喷气打桩的打桩机等等。人为造成的振动虽然不像地震那样破坏性极强,但是,它对人体健康带来的损害是持久而深远的。因此,科学家们把振动也视为一种污染。次声波的特点是频率低、波长长、穿透力强,故其可传播至很远的地方而能量衰减很小。飞驰的车辆、飞速运转的机器、打桩机打桩、火箭发射、核爆炸等等,都是次声波的一种形式。
环境振动污染即振动超过一定的界限时,对人体的健康和设施产生损害,对人的生活和工作环境形成干扰,或使机器、设备和仪表不能正常工作。与噪声污染一样,振动污染带有强烈的主观性,是一种危害人体健康的感觉公害。
振动污染和噪声污染一样是局部性的,即振动传递时,随距离增大而衰减,仅涉及振动源邻近的地区。振动污染也不像大气污染那样随气象条件而改变,也不污染场所,是一种瞬时性的能量污染,正如在地震时所见到的那样,振动只是简单通过在地基内的物理变化传递,随着距离衰减而逐渐消失,不引起环境的其他变化。
随着社会发展,接触振动作业的人数日益增多,振动污染导致的职业危害也越来越引起人们的重视。目前,从事声学、力学、机械制造等专业的科技人员大多都从事振动研究。
振动是指力学系统在观察时间内,它的位移、速度或加速度往复经过极大值和极小值变化的现象。任何物理量,当其平衡位置围绕平均值或基准值作从大到小,又从小到大的周期性往复运动时,都可称该物理量在振动。换言之,当一个物体处于周期性往复运动的状态,就可以说物体在振动。振动是自然界中普遍存在的现象,在日常生产和生活中极为常见。物体振动产生声音,因此振动与声音密切相关,但又有相对的独立性,声音的产生、传播和接收都离不开振动。
振源按其来源可分为自然振源和人工振源两大类:自然振源如地震、海浪和风等;人工振源如运转的各种动力设备、建筑施工使用的一些设备、运行的交通工具、电声系统中的扬声器、人工爆破等。
振动按其动态特征又可分成四类:①稳态振动,即观测时间内振级变化不大的环境振动,如空气压缩机、柴油机、发电机、通风机等;②冲击振动,即具有突发性振级变化的环境振动,如锻压设备以及建筑施工机械等;③元规则振动,即任何时刻不能预先确定振级的环境振动,如道路交通振动、居民生活振动、房屋施工、地震等;④铁路振动,即由铁路列车行驶带来的轨道两侧30m外的环境振动。人的生命现象也离不开振动,心脏的搏动、耳膜和声带的振动,都是人体不可缺少的功能。
1、对人体的危害
振动作用于人体,会伤害到人的身心健康。振动对于人体的影响可分为全身振动和局部振动。全身振动是由环境振动引起,是指人直接位于振动物体上时所受到的振动。全身振动对人体健康的影响是多方面的,如呼吸加快、血压改变、心率加快、胃液分泌和消化能力下降、肝脏的解毒功能代谢发生障碍等。局部振动是指手持振动物体时引起的人体局部振动,它只施加在人体的某个部位。长期局部振动引起的振动病,主要表现为肢端血管痉挛、周围神经末梢感觉障碍和上肢骨与关节改变,称之为职业性雷诺症、血管神经症和振动性“白指”病。
(1)振动频率
人能感觉到的振动按频率范围分为低频振动(30Hz以下)、中频振动(30~100Hz)和高频振动(100Hz以上)。对于人体最有害的振动频率是与人体某些器官固有频率相吻合(共振)的频率。这些固有频率是:人体在6Hz附近;内脏器官在8Hz附近;头部在25Hz附近;神经中枢则在250Hz左右;低于2Hz的次生振动甚至有可能引起人的死亡。
(2)振动振幅及加速度
振动对人体的影响,常因振幅或加速度的不同而表现出不同的效应。当振动频率较高时,振幅起主要作用,比如作用于全身的振动频率为40~120Hz时,一旦振幅达0.05~1.3mm就会对全身都有害。高频振动主要对人体和组织的神经末梢发生作用,引起末梢血管痉挛的最低频率是35Hz。
当振动频率较低时,则振动加速度起主要作用。试验表明,人体处于匀速运动状态下是无感觉的,而且匀速运动速度的大小对人体也不产生任何影响。当人处在变速运动状态时,就会受到影响,也就是加速度对人体会有影响。加速度以m/s2为单位,考虑其对人体振动的影响则以重力加速度g来表示,g—9.8m/s2。
频率为15~20Hz范围的振动,加速度在4.9m/s2以下,对人体不致造成有害影响。随着振动加速度的增大,会引起前庭装置反应以致造成内脏、血液位移。变速或撞击,如果时间极短,人体所能忍受的加速度比上述值大得多。如果持续时间不超过0.1S,人体直立向上运动时能忍受(不受伤害)的加速度为156.8m/s2,而向下运动时为98m/s2,横向运动时则为392m/s2。如果加速度超过这一数值,便会造成皮肉青肿、骨折、器官破裂、脑震荡等损伤。
(3)振动作用时间
在振动作用下的时间越长,对人体的影响就越大。因此,评价振动对人体是否有危害,必须考虑人体暴露在振动下的时间长短。
(4)人的姿势
立位时对垂直振动比较敏感,而卧位时对水平振动比较敏感。人的神经组织和骨骼都是振动的良好传导体。
2、对机械设备的危害和对环境的污染
在工业生产中,机械设备运转发生的振动大多数是有害的。振动使机械设备本身疲劳和磨损,从而缩短机械设备的使用寿命,甚至使机械设备中的构件发生刚度和强度破坏。对于机械加工机床,如振动过大,可使加工精度降低;飞机机翼的颤振、机轮的摆动和发动机的异常振动,都有可能造成飞行事故。各种机器设备、运输工具会引起附近地面的振动,并以波动形式传播到周围的建筑物,造成不同程度的环境污染,从而使振动引起的环境公害日益受到人们的关注。具体说来,振动引起的公害主要表现在以下几个方面。
①由振动引起的对机器设备、仪表和建筑物的破坏,主要表现为干扰机器设备、仪表的正常工作,对其工作精度造成影响,并由于对设备、仪表的刚度和强度的损伤造成其使用寿命的降低;振动能够减弱建筑物的结构强度,在较强振源的长期作用下,建筑物会出现墙壁裂缝、基础下沉,甚至发生当振级超过140dB(A)使建筑物倒塌的现象。
②冲锻设备、加工机械、纺织设备如打桩机、锻锤等都可以引起强烈的支撑面振动,有时地面垂直向振级最高可达150dB(A)左右。另外为居民日常服务和维护服务的如锅炉引风、水泵等都可以引起75~130dB(A)之间的地面振动,超过75dB(A)时,便产生烦躁感,85dB(A)以上,就会严重干扰人们正常的生活和工作,甚至损害人体健康。
③机械设备运行时产生的振动传递到建筑物的基础、楼板或其相邻结构,可以引起它们的振动,这种振动可以以弹性波的形式沿着建筑结构进行传递,使相邻的建筑物空气发生振动,并产生辐射声波,引起所谓的结构噪声。由于固体声衰缓慢,可以传递到很远的地方,所以常常造成大面积的结构噪声污染。
④强烈的地面振动源不但可以产生地面振动,还能产生很大的撞击噪声,有时可达100dB(A),这种空气噪声可以以声波的形式进行传递,从而引起噪声环境污染,进而影响人们的正常生活。