人机工效学噪声及振动环境.ppt

第六章 噪声及振动环境,第一节 声音及其度量,一、声音的基本概念频率、波长、声速二、声音的物理度量声压、声压级、声压级合成法则、频谱分析三、人耳对声音的主观感觉声音的响度级与响度、计权声级、等效连续声级、统计声级,第一节 声音及其度量,一、声音的基本概念物体的振动产生声音，振动发声的物体被称为声源。声振动、纯音、复合音、乐音、噪声 声音的形成是由振动的发生与传播这两个环节组成。,第一节 声音及其度量,三个重要的物理量声音的频率声音的波长声音传播的速度,第一节 声音及其度量,频 率声源每秒钟振动的次数称为频率，以f表示，单位为赫兹（Hz）。在声频范围内，声波的频率愈高，声音显得愈尖锐；反之，显得低沉。,第一节 声音及其度量,波长和声速声波在一个波动的周期内传播的距离称为波长，记作,单位为m。声波在媒介中传播的速度称为声速，用c表示，单位为m/s。,第一节 声音及其度量,式中，为波长（m）；c 为声速（ms）；f 为频率（HZ）。,频率、波长和声速之间的关系,二、声音的物理度量,（一）声压、声压级声波在空气传播过程中，引起空气质点振动导致空气压强变化叫声压。声压是表示声音强弱的物理量，用P表示，单位是帕（Pa）。,二、声音的物理度量,声 压 级通常用对数值来度量声压，称为声压级。声压级是声压与基准声压之比的以10为底的对数乘以20，用符号Lp表示，单位是分贝（dB）。,二、声音的物理度量,式中，为声压级（dB）；P 为声压（Pa）；P0为基准声压（P0=210-5 Pa）。,（二）声压级表达式,表6-1 各种环境的声压和声压级,二、声音的物理度量,声压级合成法则在实际噪声环境中，往往有多个声源同时存在，几个不同的声源同时作用在声场中同一点上，它们产生的总声压可以通过能量合成的原则进行计算。,二、声音的物理度量,若在某点分别测得几个声源的声压为P1，P2，Pn，该点总声压Pt 满足（i=1,2,n）,总声压级,（i=1,2,n）,求总声压级的公式推导,根据声压合成法则有背景声压级计算如下,（三）频谱分析,什么是频谱？各种声源发出的声音大多是由许多不同强度，不同频率的声音复合而成。具有不同频率(或频段)成分的声波具有不同的能量，这种频率成分与能量分布的关系称为声的频谱。什么是频谱分析？将声源发出的声音强度按频率顺序展开，使其成为频率的函数，并考察变化规律，称为频谱分析。,什么是频程？为了便于实际测量和分析，人为地把声频范围划分为几个小的频段，在每一个频段中，上限频率与下限频率之间的距离称为频程，它以上限频率和下限频率之比的对数表示，此对数通常以2为底。,（三）频谱分析,（三）频谱分析,或 式中 为倍频程数。为上限频率，为下限频率 几何中心频率,表6-3 倍频程的频率范围,（三）频谱分析,频谱图各频率成分与能量分布关系的图形称为频谱图 以频率为横坐标，以声压级(或声功率级)为纵坐标进行绘图，如图所示。,三、人耳对声音的主观感觉,声音的响度级与响度 计权声级 等效连续声级 统计声级,（一）声音的响度级与响度,响度级是人们对噪声进行主观评价的一个基本量，用LN表示，单位为方(phon)响度级(方值)就等于与该声音同样响度的1000赫兹纯音的声压级。,等响度曲线,声音的响度,声音的响度是人耳对声音强度所产生的主观感觉量，它与人对声音响亮程度的主观感觉成正比.响度与响度级的关系式为,总 响 度,式中，Nt为总响度指数（宋）；Nm为各频带中响度指数最大者；Nt为所有频带的响度指数之和；F为倍频程选择系数。对倍频程，F=0.3；对1/3倍频程，F=0.15。,（二）计 权 声 级,声级通过计权网络测得的声压级称为计权声级，简称声级。为使噪声测量结果与人对噪声的主观感觉量一致，通常在声学测量仪器中，引入一种模拟人耳听觉在不同频率上的不同感受特性的计权网络，对被测噪声进行测量。通过计权网络测得的声压级称为计权声级，简称声级。它是在人耳可听范围内按特定频率计权而合成的声压级。,频率计权电网络在声学测量仪器中，通常根据等响度曲线，设置一定的频率计权电网络，使接收的声音按不同程度进行频率滤波，以模拟人耳的响度感觉特性。一般设置A、B 和C 三种计权网络，其中 A 计权网络是模拟人耳对40 方纯音的响应，当信号通过时，其低频段（500Hz 以下）的声音有较大的衰减；B 计权网络是模拟人耳对70 方纯音的响应，它使接收、通过的低频声音有一定的衰减；C 计权网络是模拟人耳对100 方纯音的响应，在整个可听频率范围内有近乎平直的特性。使所有频率的声音近乎平直通过。,（二）计 权 声 级,A、B、C声级不同计权网络测量的结果，分别标以dB（A）、dB（B）或dB（C），称为A 声级、B声级和C声级。原来规定70dB以下用A声级计，7090 dB用B声级计，90 dB以上用C声级计。后来研究表明，无论声强多大，A声级都能较好地反映人耳的响应特征，所以，如无特殊说明，基本都用A声级表示噪声评价指标。表6-4 为几种常见声源的A 声级。,（二）计 权 声 级,表6-4 几种常见声源的A声级,（三）等效连续声级,等效连续声级是指某一段时间内的A声级能量平均值，简称等效声级或平均声级，用符号Leq表示，单位是dB(A),式中，LPA(t)为瞬间A声级（dB(A)）；T为总测量时间（s）。,（四）统计声级,统计声级的物理定义为达到或大于某一声级的概率，用符号Ls表示 噪声的统计特征符合正态分布，则,第二节 噪声及其对人的影响,一、噪声及其来源 工业噪声，主要包括空气动力噪声、机械噪声和电磁噪声 交通噪声，主要指的是机动车辆、火车、飞机和船舶噪声。,一、噪声及其来源,建筑施工噪声，声音强度很高又属于露天作业，因此污染也十分严重社会噪声，主要指社会活动和家庭生活所引起的噪声,二、噪声对听力的影响,噪声对人们正常生活的影响主要表现：精力难以集中；情绪焦躁不安，不愉快感，睡眠质量；妨碍语言交流。持续性的强烈噪声使人的听力受到损害。对200Hz、1000Hz、2000Hz三个频率平均听力损失超过25dB，称为噪声性耳聋。8h噪声暴露的听力保护标准为等效连续声级8590dB(A)。时间减半，提高3dB(A)。噪声性耳聋与噪声的强度、噪声的频率及接触的时间有关。,三、噪声对其他生理机能的影响,对神经系统的影响 大脑皮层兴奋和抑制平衡失调，导致条件反射异常，引起各种神经系统疾病，如头痛、耳鸣、多梦、失眠、心慌、记忆力衰退等症状。对内分泌和心血管系统的影响 甲状腺机能亢进，肾上腺皮质功能增强等症状。不平衡噪声引起前庭反应、呕吐；心跳加速、心律不齐、心电图改变、高血压、末梢血管收缩、供血减少等。,对消化系统的影响肠胃功能阻滞、消化液分泌异常、胃酸度降低、胃收缩减退。造成消化不良、食欲不振、胃功能紊乱等症状。肾病和胃溃疡发病率增高。,四、噪声对心理的影响,噪声对心理的影响主要是使人产生烦恼、焦急、讨厌、生气等不愉快的情绪 噪声引起的烦恼与声强、频率及噪声的稳定性都有直接关系。,五、噪声对语言交流的影响,声音的掩蔽效应 语言干扰级(SIL)是评价噪声对语言通讯干扰程度的评价参量 500Hz、1000Hz、2000Hz、4000Hz为中心频率的4个声压级的算术平均值定义为语言干扰级，单位是dB。,六、噪声对作业能力和工效的影响,噪声直接或间接地影响工作效率。嘈杂环境，心情烦躁，容易疲劳，反应迟钝，注意力不易集中等直接影响工作效率、质量和安全，尤其对非重复性劳动。噪声干扰对人的脑力劳动有消极影响，使人精力分散，工作效率下降。在从事需长时间保持紧张注意的工作，大大降低工作效率。,第三节 噪声测量及评价标准,噪声的测量（一）室内噪声的测量图6-3为声级计。测量室内噪声时，将声级计传声器放在操作人员耳朵处或放在工作面附近，选择若干个测点，进行测量。若噪声有明显变化或出现间隙，则还应测量等效连续声级。,图6-3数字式声级计,（1）外形尺寸小于30cm的小型设备，测点距其表面30cm左右。（2）外形尺寸在30100cm的中型设备，测点距其表面50cm左右。（3）外形尺寸大于100cm的较大型设备，测点距其表面100cm左右。（4）大型或特大型设备，测点距其表面100500cm左右。,（二）机器设备噪声的测量,交通车辆噪声的测量测量行驶中的车辆的噪声，应在平坦开阔的区间中进行工作。测量行驶时车内的噪声，要求车窗紧闭，测点选择在车内中央且离地1.2m处、在司机、乘客的头部附近，分别记录加速、满载、惯性行驶及制动时的情况。测量行驶时车外的噪声，测点取距离车体中心线7.5米、距地面或轨道上方1.2m高处。,（三）交通车辆噪声的测量,二、噪声评价标准,第一类基于对作业者的听力保护，以等效连续声级为指标；第二类基于降低人们对环境噪声烦恼度，以等效连续声级、统计声级为指标；第三类基于改善工作条件、提高效率，以语言干扰声级为指标。,(一)国外噪声标准听力保护的噪声标准（A声级）环境噪声标准(二)中国噪声标准,二、噪声评价标准,表6-5 听力保护的噪声标准（A声级）,1.国外听力保护的噪声标准（A声级）,1971年ISO提出的ISORl996环境噪声标准是：住宅区室外噪声标准为3545dB(A)。不同时间应按表6-6修正，不同地区按表6-7修正，室内按表6-8修正。非住宅区的室内噪声标准见表6-9。,表6-6 不同时间环境噪声标准修正表,2.国外环境噪声标准,表6-7 不同地区环境噪声标准修正表,2.国外环境噪声标准,表6-8 室内噪声标准修正表,2.国外环境噪声标准,表6-9 非住宅区室内噪声标准,2.国外环境噪声标准,（二）中国噪声标准,我国曾先后公布了多个重要的噪声标准，如工业企业噪声卫生标准、城市环境噪声标准和机动车辆噪声标准等。2002年经国家卫生部正式工业企业设计卫生标准GBZ 1-2002中规定：具有生产性噪声的车间应尽量远离其他非噪声作业车间、行政区和生活区；噪声较大的设备应尽量将噪声源与操作人员隔开；工艺允许远距离控制的，可设置隔声操作(控制)室。工作场所操作人员每天连续接触噪声8小时，噪声声级卫生限值为85dB(A)。,表6-10 工作地点噪声声级的卫生标准,表6-11 非噪声工作地点噪声声级的卫生限值,表6-13 城市5类环境噪声标准值*,第四节 噪声控制,声源控制 控制噪声的传播操作者的听力保护,声源控制,降低机械噪声（不平稳、冲击、精度、误差）选择发声小的材料（内阻尼）改变机械传动方式（带式、齿轮精度）改进设备机械结构（刚性，加筋；工艺，电火花代替切削、焊接代替铆接、液压代替锤锻）降低空气动力性噪声（气流速度、压力脉冲、涡流）,控制噪声的传播,对工厂各区域合理布局 调整声源的指向 充分利用天然地形 采用吸声、隔声、消声等措施 采用隔振与减振措施（弹簧、橡胶、软木、毡类）,操作者听力保护,个人防声用具,第五节 振动环境,振动及其分类振动变量 人体对振动频率的反应 振动对人体的影响 振动对工效的影响 振动的评价与控制,振动及其分类,振动振动觉生产性振动和非生产性振动来源：不平衡物体的转动、旋转物体的扭动和弯曲、活塞运动、物体冲击、物体摩擦、空气冲击波锻造机、印刷机、切断机；运输工具、农用机械全身振动和局部振动,振动变量,位移（振幅）、频率、速度、加速度“级”dB加速度级，振动加速度与基准加速度之比的对数乘以20，基准加速度值为105m/s2,人体对振动频率的反应,人体对低频反应的主要现象是身体共振，使某些器官或结构比其相邻的组织结构发生更大的振动，从而引起人体的不舒适、工效降低或危及健康。而当频率高至1000Hz范围时，振动在人体组织内传播与声音相似，大部分能量在人体内的传递率逐渐衰减，其生物效应也相应减弱。,三、振动对人体的影响,全身振动对人体的影响 局部振动对人体的影响 振动的心理效应,全身振动多为低频大幅度的振动。全身振动能引起前庭器官、内分泌系统、循环系统、消化系统和植物神经系统等一系列变化，并使人产生疲劳、劳动机能衰退等主观感觉。由于人体不同部位和系统有各自的固有频率，所以当人体承受的振动频率接近或等于某一部位的固有频率时，就会产生共振，共振使得生理效应增大。如果是重要的器官发生了共振，则人体的反应最强烈。,1.全身振动对人体的影响,表6-14 人体各部位共振的大致频率,局部振动病是长期使用振动工具引起的。局部振动能引起神经系统、循环系统、骨关节肌肉运动系统的障碍及其他系统不同程度的机能改变。振动的早期影响以神经系统受损为主。一般情况下先出现神经末梢病变（功能受损），继而发生中枢神经系统病变（大脑皮层功能简下降，反应时间延长，血压不稳）。振动对骨骼肌肉系统的影响表现为肌无力，肌肉疼痛和萎缩。振动对胃肠功能、妇女月经、生理及生殖功能也可能发生影响。,2局部振动对人体的影响,振动引起的心理效应主要是感觉不舒适和烦恼，甚至疼痛，进而影响工效。不同的振动参数下人体受振时的主观感觉不同。坐姿的人，对12 Hz的轻度振动感觉轻松和舒适；对48 Hz的中度振动，感觉十分不适。,3.振动的心理效应,四、振动对工效的影响,对人体视觉的影响 对操作反应的影响,振动对视觉绩效的影响主要有两种情形：视觉对象处在振动环境中；观察者处于振动环境中。,（1）对视觉辨认绩效的影响,图6-4人受横向水平振动时的选择反应时间,通过手或足操纵控制器以追踪某一活动目标的追踪活动是比较典型的操作动作。振动引起操纵界面的运动可使手控工效降低，这是由于手、脚和人 机界面的振动，使人们的动作不协调、操纵误差大大增加。,（2）对操作动作的影响,图6-5垂直振动时人的手眼协调的平均动作时问,（一）振动评价标准1国际标准化组织提出的“人承受全身振动的评价指南”IS02631-1989（E）该标准根据加速度有效值（0.120m/s2）、振动频率（1/3倍频程的中心频率，180 Hz）、振动方向（Z轴向，X、Y轴向）、接触振动持续时间（1分钟到24小时）这四个振动参数制定了全身振动评价的界限曲线，并依据参数之间的关系来评价全身振动对人体的影响。,五、振动的评价,（一）振动评价标准,图6-6 全身振动允许界限,(1)疲劳一工作效率降低界限。疲劳工作效率降低界限是从振动引起人体疲劳，从而影响其工作效率的角度而确立的。超过这个界限，人会产生疲劳，降低工效。图6-6所示的界限正是疲劳一工作效率降低界限。该界限主要用于劳动环境振动评价。(2)舒适性降低界限。舒适性降低界限以不影响人的日常活动或工作中的基本动作(如饮食、阅读或书写等)为基础，此界限与保持在振动环境下人体的舒适感有关。它比疲劳一工作效率降低界限的振动级低10dB，超过这个界限，人可能不舒适。该界限较多用于交通工具振动评价。,（一）振动评价标准,(3)受振极限(或健康界限)。受振极限是区分振动强度对人体健康与安全是否有损害的界限。它比疲劳工作效率降低界限的振动级高6dB，超过这个界限，会影响人体健康与安全。,（一）振动评价标准,GBZl-2002工业企业设计卫生标准中对工作场所的振动强度规定如下：局部振动作业，其接振强度4小时等能量频率计权振动加速度不得超过5 m/s2，接振时间少于4小时可按表6-17适当放宽。,2我国振动控制标准,表6-17 局部振动强度卫生限值,2我国振动控制标准,表6-18 全身振动强度卫生限值,六、振动的测量,振动测量是测量振动强度、频率及不同频率下的加速度 把声级计上的电容传声器换成振动传感器，就可以用于振动测量,（1）减少和消除振源1）隔离振源。2）改进生产工艺，如用液压、焊接代替铆接可消除或减少振动。3)增加设备的阻尼，如采用吸振材料、安装阻尼器或阻尼环、附加弹性阻尼材料等，以减轻设备的振动。对于可能引起机械振动的陈旧设备，应定期检查、维修或改造。4）采取隔振、吸振、阻尼等措施来消除或减小振动，阻止振动的传播，最大限度地减少振动对人体的不良影响。例如设计减振座椅、弹性垫，以缓冲振动对人的影响,七、振动的控制与防护,5)采用钢丝弹簧类、橡胶类、软木类、毡板、空气弹簧和油压减振器等多种形式的减振器。6)降低设备减振系统的共振频率。可通过减少系统刚性系数或增加质量来降低共振频率。例如，风扇、吹风机、泵、空气压缩机等，常用增加质量的方法来降低共振频率。（2）个体防护。使用防振手套，在全身振动时使用防振鞋等。由于防振鞋内有由微孔橡胶做成鞋垫，利用其弹性使全身减振。对于坐姿作业人员，可使用减振座椅、弹性垫，以缓冲振动对人的影响。（3）限制接触振动时间。,七、振动的控制与防护,第六节 特殊工作环境,加速度效应 失重效应高压与低压效应 电磁场环境及其对人体的伤害,加速度效应,由于加速度和惯性力的作用，会使物体重量增加，称为“超重”在加速度作用下，机体内会出现一系列的变化，在飞行员、航天员工作中，长时间加速度作用可以很快地导致视觉障碍,失重效应,“失重”，就是指人体身体各部分所受到的外力合力等于零，人处于一种完全飘浮的状态。失重时人的操作活动不能像地面有重力时那样进行活动,高压与低压效应,静水压力和水下作业条件 潜水作业低压和缺氧的环境条件 高空飞行(如航空和航天)及登山作业,电磁场环境及其对人体的伤害,电磁辐射由电磁发射引起的。辐射来源分天然辐射和人工辐射 辐射损伤症状：疲乏、恶心、呕吐、食欲减退、头痛、眩晕、失眠、白细胞、红细胞和血小板显著减少、腹泻、便血、皮肤和粘膜出血、水肿、毛发脱落、白内障、消化功能紊乱.,案例:高架道路交通噪音和防噪屏设置,交通噪声一直是城市坏境噪声中的主要来源。在噪声传播途径中把声音隔绝起来是噪声控制最有效的方法之一，防噪屏是最常见的措施。,高架道路上的防噪屏设计,隔声屏障的作用和应用,隔声屏障能使声能衰减，是利用声波的反射和衍射原理，在板后形成声影区，在声影区中噪声可以得到衰减 在上海、深圳及北京等大城市的高架道路两旁先后建起了不同形式和结构的道路隔声屏。,复习思考题,1.简述声压级,响度级与声级的关系。2.在某背景噪声下，测得一机器声源好背景噪声的总声压级为100dB，关闭该机器后测得背景噪声的声压级为80dB，求该机器的声压级。3.噪声对人体生理机能有哪些主要不良影响？4.噪声对人的心理有哪些主要影响？5.噪声控制标准有哪些？6.试举例说明噪声测量时对背景噪声的修正方法。7.简述如何降低机械噪声？8.简述如何控制噪声的传播？9.如何进行听力的保护？10.简述振动对人体的生理和心理影响。11.如何进行振动的控制？,