Производственная санитария

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» В.С. Сердюк, Л.Г. Стишенко Конспект лекций по дисциплине «ПРОИЗВОДСТВЕННАЯ САНИТАРИЯ» ОМСК, 2005 Конспект лекций предназначен для оказания помощи слушателям в получении теоретических сведений по дисциплине «Производственная санитария». Данная дисциплина предусмотрена учебным планом для курсов профессиональной переподготовки «Безопасность технологических процессов и производств». Сведения, изложенные в конспекте, необходимы для решения задач и для выполнения домашних заданий. Содержание ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….… 5 1. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ СИ………………………….... 7 1.1. Исторические сведения…………………………………………………... 7 1.2. Определения основных единиц СИ……………………………………… 8 1.3. Производные единицы СИ……………………………………………….. 10 2. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА……………………………………….…. 12 2.1. Основные понятия термодинамики………………………………….… 12 2.2. Уравнение состояния идеальных газов…………………………….…... 13 2.3. Уравнение состояния реальных газов…………………………..….…... 13 2.4. Газовые законы……………………………………………………….…. 14 2.5. Температура…………………………………………………………….... 15 2.6. Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры…………... 16 2.7. Атмосферное давление…………………………………………………. 18 2.8. Насыщенный пар………………………………………………………... 19 2.9. Кипение………………………………………………………….……….. 21 2.10. Относительная влажность воздуха…………………………………….. 22 2.11. Тепловое (инфракрасное) излучение………………………………….. 23 2.12. Приборы для измерения параметров микроклимата………………….. 23 3. ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ………………………….. 25 3.1. Характеристики аэрозольных систем и их параметры………………... 25 3.2. Единицы измерения концентраций…………………………………….. 26 3.3. Методы и приборы измерения характеристик запыленности воздуха рабочей зоны……………………………………………………………... 28 4. АЭРОИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА………………………………………………. 29 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА…………………………….. 30 5.1. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны……………… 30 5.2. Характеристики звуковых волн………………………………………… 30 5.3. Эффект Доплера в акустике…………………………………………….. 32 5.4. Субъективное восприятие звука………………………………………... 34 5.5. Классификация шумов………………………………………………….. 35 5.6. Источники шума и их характеристики………………………………… 36 5.7. Коэффициенты отражения, поглощения, прохождения звука……….. 39 5.8. Реверберация…………………………………………………………….. 40 5.9. Основные способы защиты от шума…………………………………… 41 5.10. Приборы и методы измерения шума…………………………………… 43 6. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРАЦИИ………………..………. 44 6.1. Свободные и вынужденные колебания………………………………… 44 6.2. Основные параметры вибрации………………………………………… 45 6.3. Физические основы виброзащиты……………………………………… 46 6.4. Техника измерения вибраций…………………………………………... 49 7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ (ЭМП) И ИЗЛУЧЕНИЯ………………..... 50 7.1. Спектр электромагнитных излучений…………………………………. 50 7.2. Электростатические поля……………………………………………….. 51 7.3. Магнитное поле…………………………………………………………. 54 7.4. Физические основы защиты от ЭМП…………………………………... 56 7. 5. Приборы и методики измерений ЭМИ………………………………… 58 8. ПОКАЗАТЕЛИ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ…………………………………..…… 59 8.1. Спектральная чувствительность глаз………………………………….. 59 8.2. Точечные источники света……………………………………………… 60 8.3. Энергия излучения. Световой поток…………………………………… 60 8.4. Сила света, освещенность и яркость…………………………………… 62 8.5. Законы освещенности…………………………………………………… 63 8.6. Единицы измерения количественных светотехнических величин…... 64 8.7. Отражение и рассеивание света………………………………………… 64 8.8. Яркость освещенных поверхностей……………………………………. 66 8.9. Качественные светотехнические величины…………………………… 66 8.10. Световые измерения и измерительные приборы………..…………… 67 9. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ…………………………………….…… 68 9.1. Строение и важнейшие свойства ядер 68 9.2. Радиоактивность……………………………………………………..…. 69 9.3. α- и β-распад…………………………………………………………...... 70 9.4. Активность радионуклида……………………………………………… 71 9.5. Радиационные дозы и единицы их измерения……………………...… 72 9.6. Основные методы измерений характеристик ионизирующих излучений……………………………………………………………….. 74 10. ЛАЗЕРНЫЕ ИЗЛУЧЕНИЯ……………………………………………………. 75 Библиографический список…………………..………………………….….. 77 ВВЕДЕНИЕ Условия труда на рабочих местах производственных помещений или площадок складываются под воздействием большого числа факторов, различных по своей природе, формам проявления, характеру действия на человека. Факторы могут быть классифицированы по ряду признаков. Основным признаком является характер взаимодействия с человеком. По этому признаку производственные факторы делятся на три группы: 1) активные; 2) пассивно-активные; 3) пассивные. К активным относятся факторы, которые могут оказать воздействие на человека посредством заключенных в них энергетических ресурсов. По виду энергии эта группа факторов подразделяется на следующие подгруппы: а) механические факторы, характеризующиеся кинетической и потенциальной энергией и механическим влиянием на человека; б) термические факторы, характеризующиеся тепловой энергией и и аномальной температурой (отрицательной и положительной); в) электрические факторы: электрический ток, статическое электричество, ионизирующие излучения, электрическое поле, аномальная ионизация воздуха; г) электромагнитные факторы: освещенность, ультрафиолетовая и инфракрасная радиация, электромагнитные излучения, магнитное поле; д) химические факторы: едкие, ядовитые, огне- и взрывоопасные вещества, наличие вредных примесей в воздухе; е) биологические факторы: опасные свойства микро- и макроорганизмов, продукты жизнедеятельности людей и других биологических объектов; ж) психофизиологические: утомление, стресс, неудобная поза и т. п. К пассивно-активной группе относятся факторы, активизирующиеся за счет энергии, носителей которой является человек или оборудование. К этой группе относятся: острые неподвижные элементы; незначительное трение между соприкасающимися поверхностями (малый коэффициент трения); неровности поверхности, по которой перемещается человек и машины в процессе деятельности; уклоны и подъемы. К пассивным относятся факторы, проявляющиеся опосредованно. К этой группе относятся опасные свойства, связанные с коррозией материалов, накипью, недостаточной прочностью конструкций, повышенными нагрузками на механизмы и т. д. По структуре различают факторы: простые (электрический ток, повышенная запыленность воздуха и т. п.); производные, порождаемые взаимодействием простых факторов (пожары, взрывы). По последствиям выделяют факторы, вызывающие утомление человека, заболевания, травмы, аварии, пожары. По наносимому ущербу различают факторы, приносящие социальный ущерб, экономический, экологический. Носителями опасных и вредных производственных факторов являются: предметы труда, средства производства, продукты труда, энергия, природно-климатическая среда, флора, фауна, люди, производственная сфера. Факторы характеризуются потенциалом, качеством, временем существования или воздействия на человека, вероятностью появления. Размерами зоны действия. В соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 различают опасные и вредные производственные факторы (ОВПФ). Вредный производственный фактор – фактор среды и трудового процесса, воздействие которого на работающего при определенных условиях (интенсивность, длительность и др.) может вызывать профессиональное заболевание, временное или стойкое снижение работоспособности, повысить частоту соматических и инфекционных заболеваний, привести к нарушению здоровья потомства. Опасный производственный фактор – фактор среды и трудового процесса, который может быть причиной травмы, острого заболевания или внезапного резкого ухудшения здоровья, смерти. Один и тот же производственный фактор в зависимости от его уровня может являться и опасным и вредным. Все ОВПФ по ГОСТ 12.0.003-74 делятся на четыре группы: – физические; – химические; – биологические; – психофизиологические. В настоящем пособии будут рассматриваться основные физические вредные производственные факторы, которые оцениваются при аттестации рабочих мест по условиям труда. 1. МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ 1.1. Исторические сведения Измерения позволяют количественно сравнивать масштабы, свойства предметов и явлений. Единая Международная система единиц устанавливает и объединяет большинство единиц измерения из всех разделов деятельности человека. Эта система получила сокращенное название СИ (System International), а ее единицы называются единицами СИ. Первый решительный шаг к единой для всех стран и народов системе единиц был сделан после Великой французской революции 1789 г. Французские ученые разработали новую систему мер – метрическую – и предложили всем странам принять её. Идея метрической системы была гениально проста. Система счисления – десятичная, единица длины – метр, равный одной сорокамиллионной части меридиана Земли, проходящего через Париж. Все остальные единицы физических величин, необходимые для того времени, предложили сделать производными из единицы длины – метра и на основе физических свойств самого распространённого вещества на Земле – воды. С помощью геодезических измерений с максимальной точностью была определена длина Парижского меридиана на участке от Дюнкерка до Барселоны. Эти измерения заняли много лет. 1/40000 часть длины Парижского меридиана была названа словом метр. За единицу массы была принята масса 1 дм3 при 4 0С, названная килограммом. Из платино-иридиевого сплава изготовили эталон килограмма. Копии этих эталонов, тщательно изготовленные и сверенные с архивными, были разосланы во все страны и хранятся в институтах мер и весов разных стран. За единицу времени была принята секунда, равная 1/86400 доле суток – времени обращения земли вокруг своей оси. Другие единицы образовывались от основных: м2, м/с и т. д. В нашей стране метрическая система принята в 1918 г. Но, несмотря, казалось бы, на простоту и однозначность метрической системы мер, к началу ХХ в. в науке и технике появился целый ряд метрических систем единиц. Различались они выбором основных: СГС – см; г; с. МКГСС – м, кг-сила, с. МТС – м, т, с. Переход от одной системы к другой был затруднителен. Стала очевидной необходимость замены всех этих систем одной, универсальной системой. В 1960 г. ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила и рекомендовала всем странам Международную систему единиц СИ. В СИ имеется семь основных единиц, из которых могут быть образованы всевозможные единицы существующих физических величин: метр, килограмм, секунда, кельвин, ампер, кандела, моль. 1.2. Определения основных единиц СИ Метр (м, m) – единица длины. Архивный метр оказался короче 1/40000 доли парижского меридиана (на 0,2 мм). Еще более неприятным оказалось, что метр и его эталоны, разосланные в разные страны, изменились со временем в результате перекристаллизации в сплаве. Ученые обнаружили это измеряя длины эталонов при помощи световых волн. При этом они открыли, что длина волн света, излучаемого атомами некоторых элементов, гораздо постояннее, чем длина металла эталона метра. С помощью интерференционных компараторов можно измерить длину эталона, сравнивая её с длиной световой волны. Особенно пригодной для этой цели оказалась длина волны оранжевой линии спектра, излучаемого 86Kr при пропускании через него электрического тока. Длина этой волны принята за естественный эталон единицы длины – метра. Метр – длина, равная 1 650 763, 73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2 p10 и 5 d5 атома 86Kr. Погрешность воспроизведения метра составляет около 10-8. Число длин волн выбрано так, чтобы эта единица длины совпадала возможно точнее с парижским метром. Поэтому за единицу и не была выбрана длина, на которой укладывалась бы какое-либо круглое число длин волн. Государственный эталон метра представляет собой сложный комплекс аппаратуры, включающий криптоновую лампу, фотоэлектрический интерферометр и другие приборы. Эталон создан и хранится в Институте метрологии им. Менделеева (Санкт-Петербург). Килограмм (кг, кg) – единица измерения массы. Масса – мера инерции. Масса тела есть его характерное физическое свойство, определяющее соотношение между действующей на это тело силой и сообщаемым ею телу ускорением. Определение килограмма как массы 1 литра воды при 4 0С оказалось неточным. Масса 1 л при 4 0С на 28 г меньше, чем изготовленный во Франции эталон из платино-иридиевого сплава сплава. Но в отличие от эталона метра масса эталона килограмма практически совершенно не меняется со временем, и сравнить эталон килограмма с его копиями можно с большой точностью – до нескольких миллиардных долей. Это позволило положить его в основу принятого в СИ определения килограмма: килограмм равен массе международного прототипа (90 % платины + 10 % иридия) в виде цилиндрической гири. Секунда (с, s) – единица времени – самая древнейшая, она ведёт своё происхождение от системы измерения времени, изобретённой в древнем Шумерском царстве и Вавилоне. В сутках – полном обороте Земли вокруг своей оси – 24 часа, в часе – 60 мин, в минуте – 60 секунд, в полных сутках – 86 400 с. Секунда – (лат. secunda divisio – второе деление). Точные исследования показали, что Земля вращается вокруг своей оси неравномерно. Неравномерно и её вращение вокруг солнца. Эта неравномерность была замечена с помощью точнейших кварцевых часов. В них использовано свойство кварцевой пластинки, вырезанной из кристалла горного хрусталя, совершать строго определённое число колебаний в секунду. В настоящее время созданы ещё более точные атомные часы. Если атому 133Cs сообщить избыточную энергию, то атом испускает обратно эту избыточную энергию в виде электромагнитного излучения, частота и период которого строго постоянны и совершенно одинаковы для всех существующих атомов 133Cs. ХIII Генеральная конференция по мерам и весам в 1968 г. утвердила определение секунды: секунда – 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома 133Cs (переход атома из возбуждённого в обычное состояние). Ампер (А) – единица силы электрического тока. Эта единица устанавливается на основе открытого Ампером фундаментального закона о взаимодействии электрических токов, протекающих по параллельным проводникам. Ампер – сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным проводникам, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м, вызывает между этими проводниками силу притяжения, равную 2*10-7 Н на каждый метр длины проводников. Для воспроизведения ампера используют эталонные токовые весы. Ток пропускают через две катушки: одна из них неподвижна, а другая прикреплена к коромыслу точных весов. Подвижная катушка может втягиваться внутрь неподвижной, когда через них пропускают ток. Силу втягивания можно очень точно измерить, уравновесив её весом гирь на другом плече коромысла весов. Определённый таким образом ампер не нуждается в естественном «эталоне», так как установлен посредством единиц длины и силы. Можно было бы определить единицу силы тока как единицу количества электричества (Кл) естественным «эталоном», – скажем, зарядом электрона. Но пока ещё заряд электрона (или число электронов, составляющих кулон) известно с недостаточной точностью, чтобы его можно было принять за единицу в СИ. Взаимодействием катушек с током ампер определяется менее точно, чем определены эталоны длины, массы и времени; поэтому ведутся изыскания более точного эталона для электрических измерений. Кельвин (К) – единица термодинамической температуры. Нуль кельвинов – теоретически наинизшая температура. Если бы её можно было достичь, то прекратилось бы движение всех атомов и молекул. В термодинамической температурной шкале точка сосуществования трёх фаз воды – льда, воды как жидкости и паров воды (при равновесном давлении 6 кПа) – принимается равной 273,16 К. Кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Термодинамическую температуру практически измеряют гелиевым или водородным термометром, определяя давление газа в замкнутом неизменном объёме, принявшем температуру измеряемого тела. Практически температуру тел, жидкостей, газов измеряют жидкостными или электрическими термометрами. Наравне с кельвином допускается измерение температуры и их разности градусом Цельсия. Цельсий в точности равен кельвину, но за нуль принята температура тающего льда, а температура кипения при нормальном атмосферном давлении – за 100 0С. Температура тающего льда по шкале Кельвина равна 273,15 К. Кандела (кд, cd) – единица силы света. Наиболее воспроизводимым оказался свет, излучаемый платиной при температуре ее затвердевания. Кандела – (лат. candela – свеча) – сила света, испускаемого с площади 1/600 000 м2 (1,667 мм2) сечения полного излучателя в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре затвердевания платиныt (2042 К) и давлении 103 325 Па. Полный излучатель (или абсолютно черное тело) изготовлен в виде трубки длиной, примерно в 10 раз больше её диаметра. Трубка вставляется в тигель с расплавленной платиной. Тигель и трубка изготовляются из тугоплавкого вещества – оксида тория. Моль (моль, mol) – единица количества вещества – элемента или химического соединения. Моль – количество вещества, содержащего столько же структурных элементов (молекул, атомов, электронов, ионов и других частиц) или групп этих частиц, сколько атомов содержится в нуклиде 12С массой 0,012 кг. Это значит, что в 1 моле, то есть в 12 г 12С, или в 32 г кислорода, или в 44 г углекислого газа содержится одно и тоже число атомов (или молекул), равное числу Авогадро: Na = 6,02252·1023. Для измерения углов в СИ предусматриваются две дополнительные единицы. Радиан (рад, rad) – для измерения плоских углов, – угол между двумя радиусами, опирающимся на дугу окружности, равную по длине ее радиусу. Стерадиан (ср, sr) – для измерения телесных углов – равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную квадрату радиуса. 1.3. Производные единицы СИ Из основных и дополнительных единиц СИ образуются производные. Например, единица измерения объема – м3, единица измерения скорости – м/с и др. Некоторые производные единицы СИ имеют собственные названия, которые приведены в табл. 1.1. Если единица измерения названа по имени какого-либо ученого, полное ее название пишется со строчной буквы, а сокращенное обозначение – с прописной, например, единицей измерения силы является ньютон (Н). Таблица 1.1 Производные единицы СИ, имеющие собственное название Физическая величина Единица Выражение производной единицы наименование обозначение через другие единицы СИ через основные единицы СИ Частота герц Гц, Hz – с-1 Сила ньютон H, N – м·кг·с-2 Давление паскаль Па, Pa Н/м2 м-1·кг·с-2 Энергия, работа, количество теплоты джоуль Дж, J Н·м м2·кг·с-2 Мощность ватт Вт, W Дж/с м2·кг·с-3 Электрический заряд кулон Кл, С – с·А Электрический потенциал, напряжение вольт В, V Вт/А м2·кг·с-3·А-1 Электрическая емкость фарад Ф, F Кл/В м2·кг·с-3·А2 Электрическое сопротивление ом Ом, Ω В/А м2·кг·с-3·А-2 Электрическая проводимость сименс См, S А/В м-2·кг-1·с3·А2 Поток магнитной индукции вебер Вб, Wb В·с м2·кг·с-2·А-1 Магнитная индукция тесла Тс, Т Вб/м2 кг·с-2·А-1 Индуктивность генри Гн, Н Вб/А м2·кг·с-2·А-2 Световой поток люмен лм, lm – кд·ср Освещенность люкс лк, (lх) лм/м2 м-2·кд·ср Активность беккерель Бк, Bq – с-1 Поглощенная доза грей Гр, Gy Дж/кг м2·с-2 Иногда результаты измерений приходится выражать очень большими или очень малыми числами. Они одинаково неудобны для произношения и написания. Для более краткого и удобного выражения конечных результатов предусматривается использование десятичных кратных и дольных приставок. Кратные Дольные 101 – дека (да) 10-1 – деци (д) 102 – гекто (г) 10-2 – санти (с) 103 – кило (к) 10-3 – милли (м) 106 – мега (М) 10-6 – микро (мк) 109 – гига (Г) 10-9 – нано (н) 1012 – тера (Т) 10-12 – пико (п) 1015 – пета (П) 10-15 – фемто (ф) 1018 – экса (Э) 10-18 атто (а) 2. ПАРАМЕТРЫ МИКРОКЛИМАТА К показателям, характеризующим микроклимат в производственных помещениях, относятся температура воздуха, температура поверхностей, относительная влажность воздуха, скорость движения воздуха и интенсивность теплового облучения. Характеристики этих физических величин изучаются термодинамикой. 2.1. Основные понятия термодинамики Термодинамика – наука о температуре, теплоте и превращениях теплоты и работы друг в друга. В основе термодинамики лежит небольшое число основных законов. Термодинамика устанавливает связь между самыми разнообразными свойствами вещества, позволяет на основании изучения одних, легко измеряемых величин, вычислять другие, важные и необходимые, но трудно измеримые или недоступные непосредственному измерению. Термодинамика изучает состояние системы – некоторого определенного количества вещества. Обязательное условие: система должна быть конечной. Состояние системы – это совокупность ее свойств. Изменилось состояние системы – изменились и значения ее свойств. Изменение свойств не зависит от пути перехода системы из начального состояния в конечное (вода может получиться изо льда и из пара). Изменение состояния системы называется процессом. Термодинамика изучает процессы, в которых система не обменивается веществом с окружающей средой, но может обмениваться теплотой и работой. Такая система называется закрытой. Среди множества процессов некоторые, наиболее простые, имеют особо важное значение для термодинамики. Изотермические процессы протекают при постоянной температуре, например, таяние льда, превращение воды в пар, углекислого газа – в сухой лед. Почти все процессы в организме протекают при постоянной температуре. Адиабатические процессы протекают без обмена теплом с окружающей средой. Часто адиабатическим путем протекают очень быстрые процессы, когда система не успевает обменяться теплом с окружающей средой. И при изотермических, и при адиабатических процессах система взаимодействует с окружающей средой. При изотермических процессах система, совершая работу или изменяя состояние, поглощает из окружающей среды теплоту – ровно столько теплоты, что температура внутри системы остается постоянной. При адиабатических процессах система взаимодействует с окружающим миром, совершая работу. Важнейшими величинами, изучаемыми в термодинамике, являются количество вещества (m), его объем (V), давление (p) и температура (T). Любую из них можно рассчитать по уравнению состояния, если известны три остальные величины: F (m, v, p, T) = 0. Состояние газа определяется только условиями в данный момент, но не зависит от начальных условий, что резко отличает газ от любых механических систем. Для газа в отличие от механических систем нельзя установить непосредственной связи между состояниями в разные моменты времени. Свойства системы молекул не сводимы со свойствами отдельных молекул. 2.2. Уравнение состояния идеальных газов Идеальным называют газ, молекулы которого представляют собой материальные точки: обладают массой, но не имеют объема и никак не взаимодействуют между собой. Уравнение состояния идеальных газов имеет вид , (2.1) где p – давление газа, Па; V – объем газа, м3; m – масса газа, кг; μ – молярная масса газа, кг/моль; R – универсальная газовая постоянная, R = 8,31 Дж/моль·К; T – температура, К. Уравнение Менделеева-Клапейрона хорошо описывает поведение одного моля любого газа при малых давлениях и высоких температурах. Этому замечательному уравнению подчиняются и воздух, которым мы дышим, и раскаленные газы в топках, и плазма внутри звезды. 2.3. Уравнение состояния реальных газов В действительности нельзя пренебрегать ни собственными размерами молекул, ни их взаимным притяжением. Истинный свободный объем, в котором могут двигаться молекулы, будет меньше объема газа V, а давление, под которым находится газ, несколько больше внешнего давления, т. к. из-за межмолекулярного притяжения газ испытывает как бы дополнительное сжатие , где коэффициент а зависит от природы газа. Поправка к давлению должна быть тем больше, чем ближе друг к другу находятся молекулы в газе, чем более он сжат, чем меньший объем занимает. Эта поправка (а/V2) обратно пропорциональна квадрату объема: чем он меньше, тем ближе друг к другу и тем больше притяжение, а кроме того самих молекул в единице объема больше. Уравнение состояния реальных газов вывел Ван-дер-Ваальс: . (2.2) Величина b учитывает объем, занимаемый молекулами. Уравнение более точно и применимо в значительно более широких пределах при изменении давления и температуры. Для расчетов, связанных с определением параметров микроклимата, достаточным является использование уравнения Менделеева-Клапейрона. 2.4. Газовые законы Газовые законы являются частными случаями уравнения состояния идеального газа. Если газ из состояния с параметрами p1, V1, T1 в состояние с параметрами p2, V2, T2 и один их параметров при этом остается постоянным, то справедливы следующие законы. Закон Бойля-Мариотта. Давление некоторой массы газа при постоянной температуре (изотермический процесс) обратно пропорционально объему газа , или . (2.3) Другим и более существенным выражением закона Бойля-Мариотта является формула , (2.4) где ρ – плотность газа, кг/м3. Формулы могут быть применены также в том случае, если процесс изменения объема газа не был изотермическим, но изменения температуры были таковы, что и начале и в конце процесса температура данной массы газа была одна и та же. Закон Шарля. Давление некоторой массы газа при нагревании на 1 0С при неизменном объеме (изохорический процесс) увеличивается на 1/273 часть давления, которое эта масса газа имела при 0 0С: . (2.5) Величину α называют температурным коэффициентом давления. Она имеет одно и тоже значение для всех газов α = (1/273) 0С-1. Закон Гей-Люссака. Объем некоторой массы газа при нагревании на 1 0С при постоянном давлении (изобарический процесс) увеличивается на 1/273 часть объема, который эта масса газа имела при 0 0С: , (2.6) где β – температурный коэффициент расширения. Коэффициент β численно совпадает с коэффициентом α. Законы Шарля и Гей-Люссака можно выразить через термодинамическую температуру: , , Делим одно на другое , . (2.7) Аналогично . (2.8) При больших давлениях и низких температурах законы неприменимы. Закон Дальтона. Давление, которое будет иметь любой из газов, составляющих смесь, если удалить остальные газы из объема, занимаемого смесью, называется парциальным (pars – частичный). Дальтон нашел, что давление смеси невзаимодействующих газов равно сумме их парциальных давлений: р = р1 + р2 + …+ рn. (2.9) К сильно сжатым газам закон не применим. 2.5. Температура Температура есть количественная мера энергии хаотического молекулярного движения в телах. Ощущения тепла и прохлады, жары и холода присущи человеку и играют большую роль в его жизни. Однако возможности нашего непосредственного восприятия весьма ограничены. Для определения температуры тел в большом диапазоне ее изменения, а также для точного количественного суждения о ней необходимо прибегать не к непосредственному ощущению, а к приборам. Латинское слово «температура» означало «смесь». Под температурой тела понимали смесь из материи тела и теплорода тела. Затем понятие самого теплорода было отброшено как ошибочное, а слово температура осталось. Измерять температуру, подобно тому, как измеряют длину, объем, массу, нельзя потому, что температуры не складываются. Если мы сольем в бочку несколько ведер холодной воды, то бочка будет заполнена водой. Сумма объемов воды в ведрах будет равна объему бочки. Но сколько бы холодной воды ни влили в бочку, горячей воды при этом не получится. Рассуждение это совсем не смешно и не наивно, и факт этот вовсе не очевиден сам собой. Это важный закон природы, к которому мы просто привыкли, потому что знаем его из опыта. Невозможна такая единица температуры, которой можно непосредственно измерять любую температуру, подобно тому, как метром измеряют любую длину. Объем, длина, масса – примеры экстенсивных (количественных) свойств системы. Если железный стержень разделить на несколько частей, температура каждой из них от этого не изменится. Температура – пример интенсивных (качественных) свойств системы. Рассмотрим две какие-либо системы, состоящие из большого числа молекул (газы, жидкости или твердые тела). Приведем их в соприкосновение таким образом, чтобы они химически не реагировали друг с другом, чтобы не происходило переноса вещества из одной системы в другую, чтобы одна система не могла расшириться за счет другой, и вообще, чтобы они не могли обмениваться механической энергией макроскопических движений. При этом остается возможным переход энергии микроскопических, хаотических движений молекул, составляющих эти системы. Другими словами, остается возможным обмен внутренней энергией соприкасающихся систем. Такой обмен может происходить либо при непосредственном соприкосновении, либо через стенку, отделяющую системы одну от другой. Суммарную энергию, отданную таким путем одним телом другому, будем называть количеством переданной теплоты. Соприкосновение тел, при котором возможна лишь передача тепла от одного тела к другому называется тепловым контактом этих тел. При передаче тепла от одного тела к другому будет изменяться энергия хаотического теплового движения молекул в обоих телах, что приведет к изменению ряда физических характеристик этих систем, связанных с тепловым движением. Так для идеального газа, заключенного в сосуде постоянного объема, с ростом энергии молекулярного движения будет возрастать давление, а также и его температура. Говорят, что две системы имеют равные температуры, если при тепловом контакте их состояния не меняются. 2.6. Измерение температуры. Абсолютный нуль температуры С возрастанием энергии хаотического движения молекул возрастает и температура. Поскольку изменение энергии теплового движения молекул всегда приводит к изменению целого ряда других физических характеристик системы, то по численным значениям этих характеристик можно судить о температуре и устанавливать соответствующие шкалы. При любом методе определения температуры на температурной шкале можно отметить некоторую точку, имеющую абсолютное значение. Эта точка отвечает температуре, при которой отсутствует хаотическое (тепловое) движение молекул, и носит название абсолютного нуля температуры. В случае идеального газа значению абсолютного нуля отвечает отсутствие кинетической энергии поступательного движения молекул () и отсутствие давления (). Не следует думать, что при абсолютном нуле температуры прекращается всякое движение частиц вещества. Даже если все молекулы газа остановятся, то внутри них будут двигаться электроны по определенным орбитам вокруг ядер, определенным образом будут участвовать в движении протоны и нейтроны внутри ядер. Например, средняя кинетическая энергия свободных электронов в металле при абсолютном нуле в сотни раз превышает среднюю кинетическую энергию молекул газа при комнатной температуре. Абсолютный нуль температуры означает не отсутствие движения, но такое состояние тела, при котором дальнейшее уменьшение интенсивности этого движения за счет отдачи его энергии окружающим телам невозможно. Следовательно, при абсолютном нуле система находится в состоянии с наименьшей возможной энергией. Триста лет назад флорентийские академики открыли, что в смеси воды и льда температура постоянна. Спустя 50 лет стеклодув Фаренгейт установил, что температура кипения воды остается постоянной, если давление не меняется. Эти две постоянные температурные точки дали возможность прокалибровать термоскоп, что и превратило его в термометр. Первое время, чтобы измерять высоту столбика жидкости, расширяющейся при нагревании, делили расстояние между двумя точками – от точки плавления льда до точки кипения воды – на произвольное число частей. В 1742 г. Цельсий предложил делить расстояние между этими точками ровно на 100 частей. Он обозначил температуру плавления льда как сто градусов, а температуру кипения воды как нуль градусов. Вскоре эти значения поменяли местами и этой шкалой пользуются до сих пор. Температуры по шкале Цельсия и по шкале Кельвина связаны соотношением: ; ,15. (2.10) Температурная шкала Фаренгейта, появившаяся в 1715 г, применялась в США. За нуль градусов своей шкалы Фаренгейт принял температуру смеси льда с нашатырем (хлористым аммонием), полагая, что это самая низкая температура на Земле. За вторую точку шкалы Фаренгейт принял температуру тела здорового человека, приписав ей значение 96 0F. Перевести температуру из градусов Фаренгейта в градусы Цельсия можно по формуле . 0 0C = 32 0F; 100 0C = 212 0F. 2.7. Атмосферное давление Газы всегда полностью занимают объем, ограниченный непроницаемыми для газа стенками. Стремясь расшириться, газ оказывает давление на стенки баллона, камеры или любые другие тела, с которыми он соприкасается. Давлением называют физическую величину, равную отношению силы, действующей на определенную площадь, к величине этой площади: р = F/S. (2.11) Самый важный для нас газ – воздух. Земля окружена атмосферой – слоем воздуха, представляющего собой смесь целого ряда газов. Мы не будем учитывать, что воздух имеет сложный состав: в интересующих нас механических явлениях это не играет роли. Атмосфера (атмос – пар, воздух) удерживается вблизи земной поверхности силой притяжения Земли. Масса атмосферы примерно 5·1018 кг. Плотность воздуха при температуре 0 0С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 1,293 кг/м3. Давление воздуха вблизи поверхности Земли обусловлено его собственным весом; он сжат этим весом подобно тому, как сжата своим весом вода на дне океана. Давление воздуха вблизи поверхности Земли (точнее на уровне моря) примерно равно 105 Па. Следовательно, на каждый квадратный метр поверхности земли воздух давит с силой 105 Н. Поверхность Земли составляет примерно 5·1014 м2. Таким образом, воздух давит на поверхность Земли с силой 5·1019 Н. Если бы плотность воздуха на любой высоте была такая же, как вблизи поверхности Земли, то толщина атмосферы составила бы около 8 км. В действительности плотность быстро убывает с расстоянием от поверхности Земли, так что атмосфера простирается на сотни километров и не имеет четкой границы. Атмосферное давление было измерено в опытах Торричелли и составляет 760 мм рт. ст. = 1, 013·105 Па. Давление воздуха в одной и той же точке земной поверхности не остается постоянным, но меняется в зависимости от различных процессов, происходящих в атмосфере. Давление воздуха над уровнем моря во всех пунктах земного шара близко в среднем к одной атмосфере. Чем больше высота над уровнем моря, тем давление меньше. При небольших подъемах в среднем на каждые двенадцать метров подъема давление уменьшается на 1 мм рт. ст. Убывание давления воздуха при подъеме объясняется так же, как и убывание давления в морских глубинах при подъеме от дна к поверхности. Воздух на уровнем моря сжат всем весом атмосферы Земли, а более высокие слои сжаты весом только того воздуха, который лежит выше этих слоев. Вообще изменение давления от точки к точке в атмосфере, как и в любом другом газе, находящимся под действием силы тяжести, подчиняется тем же законам, что и давление жидкости: давление одно и то же во всех точках горизонтальной плоскости; при переходе снизу в верх давление уменьшается на вес столба воздуха, высота которого равна высоте перехода, а площадь поперечного сечения равна единице. Однако вследствие большой сжимаемости газов общая картина распределения давления по высоте в атмосфере оказывается совсем другая, чем для жидкостей. В самом деле, построим график убывания давления воздуха с высотой. По оси ординат откладывают высоты h, 2h, 3h, 4h и т. д., а по оси абсцисс – давление р (рис. 2.1). Будем подниматься вверх по ступенькам высоты h. Рис. 2.1. Изменение атмосферного давления с высотой Чтобы найти давление на следующей ступеньке, нужно из давления на предыдущей ступеньке вычесть вес столба воздуха высоты h, равный ρgh. Но с увеличением высоты давление воздуха уменьшается. Поэтому убыль давления, происходящая при подъеме на следующую ступеньку, будет тем меньше, чем выше расположена ступенька. Таким образом, при подъеме давление будет убывать неравномерно: на малой высоте давление убывает быстро; чем выше, тем меньше плотность ρ и тем медленнее падает давление. Мы считали, что давление р во всем слое толщины h одно и то же, поэтому мы получили ступенчатую линию. Но убывание плотности происходит непрерывно, поэтому в действительности график имеет вид плавной линии. Таким образом, в отличие от прямолинейного графика давления для жидкостей, закон убывания давления в атмосфере изображается кривой линией. Для небольших объемов достаточно пользоваться маленьким участком графика. В этом случае криволинейный участок можно без большой ошибки заменить прямым отрезком, как и для жидкости. 2.8. Насыщенный пар Количество воды или какой-либо другой жидкости в открытом сосуде постепенно уменьшается. Происходит испарение жидкости. Одновременно с испарением происходит обратный процесс – переход части хаотически движущихся молекул пара в жидкость. Этот процесс называется конденсацией. В особенно больших размерах происходят в природе и технике взаимные превращения водяного пара и воды. Для испарения жидкости нужно, чтобы образующийся пар удалялся. Когда поток воздуха над сосудом уносит образовавшиеся пары, жидкость испаряется быстрее, так как у молекулы пара уменьшается возможность вновь вернуться в жидкость. Если пар совсем не удаляется, например, если закупорить пробкой бутылку с жидкостью, то испарение скоро прекратится. При неизменной температуре система «жидкость – пар» придет в состояние теплового равновесия и будет находиться в нем сколь угодно долго. В первый момент, после того как жидкость нальют в сосуд и закроют его, она будет испаряться и плотность пара над жидкостью будет расти. Однако одновременно с этим будет расти и число молекул, возвращающихся в жидкость. Чем больше плотность пара, тем большее число молекул пара возвращается в жидкость. В результате в закрытом сосуде при постоянной температуре, в конце концов, установится динамическое равновесие. Одновременно с процессом испарения будет происходить конденсация, и оба процесса в среднем компенсируют друг друга. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром. Это название подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара. При сжатии пара равновесие начинает нарушаться. Плотность пара в первый момент немного увеличивается, и из газа в жидкость начинает переходить большее число молекул, чем из жидкости в газ. Это продолжается до тех пор, пока вновь не установится равновесие и плотность, а значит, и концентрация молекул примет прежнее значение. Следовательно, концентрация молекул насыщенного пара не зависит от объема при постоянной температуре. Так как давление пропорционально концентрации в соответствии с формулой p = nkT, то из независимости концентрации (или плотности) насыщенных паров от объема следует независимость давления насыщенного пара от занимаемого им объема. Независимое от объема давление пара ро, при котором жидкость находится в равновесии со своим паром, называется давлением насыщенного пара. При сжатии насыщенного пара все большая часть его переходит в жидкое состояние. Жидкость данной массы занимает меньший объем, чем пар той же массы. В результате объем уменьшается при неизменной плотности пара. Принципиальной разницы между паром и газом нет. Слово «газ» обычно применяют к тем веществам, давление насыщенного пара которых при обычных температурах выше атмосферного (например, углекислый газ). Напротив, о паре говорят тогда, когда при комнатной температуре давление насыщенного пара меньше атмосферного и вещество более устойчиво в жидком состоянии, например, водяной пар. Итак, плотность и давление насыщенного пара при неизменной температуре являются постоянными величинами, у разных жидкостей – разными. Состояние насыщенного пара приближенно описывается уравнением состояния идеального газа, а его давление приближенно определяется формулой . С ростом температуры давление растет. Так как давление насыщенного пара не зависит от объема, то, следовательно, оно зависит только от температуры. Однако эта зависимость р0(Т), найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа при постоянном объеме. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет быстрее, чем давление идеального газа. При нагревании жидкости с паром в закрытом сосуде часть жидкости превращается в пар. В результате давление пара растет не только вследствие увеличения температуры, но и вследствие увеличения концентрации молекул (плотности) пара. Основные различия в поведении идеального газа и насыщенного пара в том, что при изменение температуры пара в закрытом сосуде (или при изменение объема при постоянной температуре) меняется масса пара. Жидкость частично превращается в пар или, напротив, пар частично конденсируется. С идеальным газом ничего подобного не происходит. Когда вся жидкость испарится, пар при дальнейшем нагревании перестанет быть насыщенным, и его давление при постоянном объеме будет расти прямо пропорционально температуре. 2.9. Кипение Проследим за процессом закипания воды. При размещении сосуда с холодной водой на горелке стенки его покроются пузырьками, в которых находятся воздух и пар воды. Пузырьки появляются в тех местах стенок сосуда, где нет полного смачивания. Наблюдая за пузырьками при неизменной температуре, мы видим, что он сохраняет свои размеры; значит, давление изнутри и извне на его поверхность взаимно уравновешиваются. Так как внутри пузырька находится воздух, количество которого надо считать постоянным, то это равновесие является устойчивым. При увеличении температуры пузырек постепенно расширяется настолько, что сумма давления воздуха и пара в нем остается равной внешнему давлению. Однако когда пузырек сделается достаточно большим, выталкивающая сила воды заставит его оторваться, подобно тому, как отрывается слишком тяжелая капля воды, повисшая на крыше. При этом между пузырьком и стенкой сосуда образуется все сужающаяся воздушная перемычка и, наконец, пузырек отрывается, оставляя у стенки небольшое количество воздуха, из которого с течением времени разовьется новый пузырек. Поднимаясь кверху, оторвавшиеся пузырьки снова уменьшаются в размерах. Почему это происходит? Пузырек содержит пар и немного воздуха. Когда пузырек достигает верхних, еще не успевших нагреться слоев воды, то значительная часть водяного пара конденсируется в воду и пузырек уменьшается. Это попеременное уменьшение и увеличение пузырьков сопровождается звуками: закипающая вода «шумит». Наконец, вся вода прогревается в достаточной мере. Тогда поднимающиеся пузырьки уже не уменьшаются в размерах и лопаются на поверхности, выбрасывая пар во внешнее пространство. «Шум» прекращается, и начинается «бульканье» – вода закипела. Термометр, помещенный в пар над кипящей водой, все время, пока вода кипит, показывает одну и ту же температуру около 100 0С. Очевидно, что при кипении давление паров, образующихся внутри пузырьков у дна сосуда, таково, что пузырьки могут расширяться, преодолевая атмосферное давление, действующее на свободную поверхность воды, а также давление столба воды. Таким образом, кипение происходит при такой температуре, при которой давление насыщенного пара жидкости равно внешнему давлению. Температуру пара кипящей жидкости называют температурой кипения. Температура кипения зависит от внешнего давления. Чем больше внешнее давление, тем выше температура кипения. При давлении равном 15 атмосфер температура кипения воды приблизительно равна 200 0С. При давлении 300 мм рт. ст. – 70 0С. Когда говорят о температуре кипения, не указывая давления, всегда имеют в виду нормальное давление (760 мм рт. ст.). Различие температур кипения жидкостей определяется различием в давлении их насыщенных паров. Чем выше давление насыщенного пара, тем ниже температура кипения соответствующей жидкости, так как при меньших температурах давление насыщенного пара становится равным атмосферному. 2.10. Относительная влажность воздуха Количество водяного пара, содержащегося в воздухе, имеет важнейшее значение для процессов, происходящих в атмосфере. Оно оказывает так же большое влияние на жизнь растений и животных. Количество водяного пара в воздухе можно выразить при помощи следующих величин: 1) парциальное давление пара; 2) абсолютная влажность воздуха; 3) относительная влажность воздуха. Абсолютная влажность воздуха – масса водяного пара в 1 м3 воздуха, выраженная в граммах. Относительная влажность воздуха – отношение давления пара, содержащегося в воздухе, к давлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах (2.12) При понижении температуры воздуха при постоянной массе водяного пара относительная влажность воздуха φ увеличится, так как чем ниже температура воздуха, тем ближе водяной пар к состоянию насыщения. Наконец, при какой-то определенной температуре относительная влажность становится равной 100 % и дальнейшее уменьшение температуры приводит к конденсации водяного пара. Появляется туман, запотевают окна, на траве оседают капельки росы. Температура, при которой пар при заданном давлении становится насыщенным, называется точкой росы. 2.11. Тепловое (инфракрасное) излучение Инфракрасные (ИК) лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны от 0,76 до 1000 мкм. Верхняя граница определяется чувствительностью глаза. Нижняя граница условна и простирается до субмиллиметровых и миллиметровых волн. Весь диапазон ИК излучения делят на три диапазона: ближняя область (0,76–2,5 мкм), средняя область (2,5–50 мкм), дальняя. ИК излучение не воспринимается человеческим глазом, но ощущается кожей. Часто ИК излучение называют тепловым. Наиболее распространенным источником ИК излучения техногенного происхождения является лампа накаливания. При температуре нити лампы накаливания 2300–2800 К максимум излучения приходится на длину волны примерно 1,2 мкм и около 95 % энергии излучения приходится на ИК-диапазон. К техногенным источникам относятся также газоразрядные лампы, электронагревательные приборы, плазменные установки, печи различного назначения, электротехнические устройства с превращением доли электрической энергии в тепловую, ДВС, электродвигатели, ракетные двигатели и т. д. Длина волны λmax, м, соответствующая максимальному значению лучеиспускательной способности (2.13) где b = 0,002898 м·К – постоянная Вина; Т – термодинамическая температура источника. Инфракрасные лучи с длиной волны до 1,5 мкм проникают внутрь организма, вызывают нагрев органов и тканей, при длительном воздействии могут вызвать тепловой удар. Длинны инфракрасные лучи (λ > 1,5 мкм) задерживаются кожей и вызывают ожоги. Нормируемой величиной для теплового излучения является его интесивность – величина энергии, проходящей через единицу площади в единицу времени, Вт/м2. 2.12. Приборы для измерения параметров микроклимата Для измерения температуры воздуха применяют термометры ртутные метеорологические ТМ-6 с абсолютной погрешностью ± 0,1 0С. Данные приборы используют в составе приборов измерения относительной влажности воздуха на психрометрическом принципе. В практике для измерения давления используют металлический барометр, называемый анероидом (с гр. – безжидкостный). Так барометр называют потому, что он не содержит ртути. Главная его часть – металлическая коробочка с гофрированной поверхностью. Из этой коробочки выкачан воздух, а чтобы атмосферное давление не раздавило коробочку, ее крышку пружиной оттягивают вверх. При увеличении атмосферного давления крышка прогибается вниз и натягивает пружину. При уменьшении давления пружина выпрямляет крышку. К пружине при помощи передаточного механизма прикреплена стрелка-указатель. Под ней укреплена шкала, деления которой нанесены по показаниям ртутного барометра. Для определения относительной влажности воздуха пользуются гигрометром и психрометром. Волосяной гигрометр. Основная часть прибора – обезжиренный человеческий волос, обладающий способностью удлиняться при увеличении относительной влажности воздуха. Волос навит на ролик и держится в натянутом состоянии грузиком. При изменении влажности меняется длина волоса, ролик вращается и движет стрелку. Психрометр состоит из двух одинаковых термометров. Резервуар одного из термометров обернут куском чистого батиста, нижний край которого опущен в небольшой стеклянный стаканчик с дистиллированной водой. Вода смачивает батист и испаряется на шарике термометра, если водяной пар в воздухе не является насыщенным. Вследствие потери тепла на испарение шарик термометра охлаждается, и смоченный термометр показывает меньшую температуру, чем сухой. Разница между показаниями термометр тем больше, чем больше отличается давление водяного пара, содержащегося в воздухе, от давления насыщенного пара. По показаниям сухого и смоченного термометра с помощью психрометрических таблиц находят давление водяного пара и относительную влажность. На практике для измерения параметров микроклимата используют измеритель влажности и температуры «ТКА-ТВ». Конструктивно прибор состоит из двух функциональных блоков: зонда с датчиками температуры и влажности и измерительного блока-преобразователя, связанных между собой многожильным кабелем. Измерительный блок-преобразователь обеспечивает индикацию результатов измерений на трехразрядном жидкокристаллическом индикаторе, расположенном на его лицевой панели. Жидкокристаллический индикатор является отсчетным устройством прибора. Датчиком температуры является полупроводниковый диод, питаемый постоянным током. Датчиком влажности является специальный сенсор, параметры которого зависят от значения относительной влажности окружающего воздуха. Электрические сигналы с датчиков температуры и влажности, пропорциональные величине измеряемых параметров, поступают через многожильный кабель связи на вход измерительного блока-преобразователя. Принцип работы основан на преобразовании параметров сенсора влажности и напряжения датчика температуры в числовые значения измеряемых параметров, с отображением результатов измерений на индикаторе. Измерение скорости движения воздуха производится традиционно крыльчатыми анемометрами. Малые величины скорости движения воздуха (менее 0, 3 м/с), особенно при наличии разнонаправленных потоков, измеряют электроанемометрами, а также цилиндрическими и шаровыми кататермометрами. Термоанемометр ТА-059 «Алмаз» предназначен для измерения скорости движения воздуха и температуры. Тепловое облучение, температуру поверхностей оборудования или его ограждающих устройств следует измерять приборами типа актинометров, болометров, электротермометров. 3. ЗАПЫЛЕННОСТЬ ВОЗДУХА РАБОЧЕЙ ЗОНЫ 3.1. Характеристики аэрозольных систем и их параметры В воздухе рабочей зоны всегда присутствуют взвешенные частицы естественного и антропогенного происхождения. Аэрозолями или аэродисперсными системами называются системы, состоящие из газообразной среды и взвешенных в ней частиц конденсированной дисперсной фазы (твердой, жидкой или многофазной). Особенностью аэрозольного состояния является чрезвычайно высокая удельная поверхность единицы массы вещества, что обусловливает высокую активность его взаимодействия с организмом. Различают следующие виды аэрозолей: пыль – дисперсная система из твердых частиц размером более 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии; туман – дисперсная система из жидких частиц размером более 10 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии; дым – дисперсная система из твердых частиц размером менее 1 мкм, находящихся в газовой среде во взвешенном состоянии. Для определения степени воздействия на организм человека веществ, находящихся в аэрозольном состоянии, вводятся следующие основные параметры: – дисперсный состав, – концентрация аэрозоля, – форма и строение частиц – дополнительный параметр, в некоторых случаях приобретающий качества доминирующего – химический состав. Дисперсный состав аэрозольных частиц описывается функцией распределения частиц по величине в определенном диапазоне размеров. Обычно за размер частицы принимается ее диаметр. Пыль с частицами размером от 1 до 10 мкм называется мелкодисперсной, с частицами размером от 10 до 50 мкм – среднедисперсной, с частицами размером более 50 мкм – крупнодисперсной. Концентрация – мера количества вещества в единице массы или объема среды (твердой, жидкой или газообразной). Форма частиц пыли может быть самой разнообразной: от простейших сплошных сфер, эллипсоида и кристаллов до сложнейших неправильных многосвязных образований. 3.2. Единицы измерения концентраций В качестве единиц измерения концентраций используют следующие. 1. Объемные проценты показывают, сколько процентов общего объема смеси занимает данное вещество. Например, содержание кислорода в чистом воздухе составляет 20, 98 %. 2. Млн-1 (ррm) и млрд-1 (ррb) – показывают количество объемов данной примеси в 1 млн (млрд) объемов газовой смеси. 3. Мг/м3, мкг/м3 – массовые концентрации, определяют массу примеси в единице объема газовой смеси. 4. Мол/см3 и мол/м3 – счетные концентрации, показывают число молекул в 1 см3 или 1 м3. Эти единицы могут также обозначаться следующим образом: см-3 и м-3. 5. Мольная концентрация измеряется в моль/л. Используется для жидких сред. Для установления связи между единицами измерения концентрации приведем следующую задачу. Задача В 80-х годах 20-го века среднегодовая концентрация углекислого газа (СО2) в атмосфере, приведенная к температуре 273 К и давлению воздуха 101,3 кПа, достигла 340 ррm. Определить значение концентрации СО2 в процентах, в см-3, в моль/л, в мг/м3 и парциальное давление углекислого газа в Па при средней температуре воздуха вблизи поверхности Земли. Решение Концентрация СО2 в процентах С"' = С"·10-4, где С" – концентрация в ррm. С"' = 340 ∙ 10-4 = 0,034 % (об). При нормальных условиях (н.у.) (t = 0 ºC; р = 101,3 кПа) в каждом см3 газа содержится N0 = Na/Vм = 6,02∙ 1023/22,4 ∙ 103 = 2,69 ∙ 1019 (cм-3). Число получается при делении числа Авогадро на объем, занимаемый одним молем газа, выраженный в см3. Поскольку мольный объем газа меняется в зависимости от температуры и давления, при температуре Т и атмосферном давлении число молекул в кубическом сантиметре любого газа составит NТ = N0 где NТ и N0 – число молекул в одном сантиметре кубическом данного газа при заданных и н. у соответственно; T0, р0, T, р –температура и давление при н.у. и заданных условиях. Средняя температура вблизи поверхности Земли равна 15 ºС = 288 К. Тогда N15 = Количество молекул углекислого газа в одном сантиметре кубическом воздуха при условии, что воздух и углекислый газ ведут себя как идеальные газы, можно определить, зная его объемную долю: где С* – концентрация СО2 в ррm. Определим парциальное давление СО2 в воздухе. Значения объемных концентраций примесей приводятся обычно в пересчете на сухой воздух, при определении парциального давления в реальных условиях следует учитывать парциальное давление паров воды, которые присутствуют в атмосферном воздухе. Поэтому рекомендуется пользоваться уравнением р = (рвозд.- рводы) ∙ С'''/100, где р - парциальное давление примеси, кПа; рвозд – атмосферное давление, кПа; рводы – давление паров воды, кПа; С''' – концентрация примеси в %; 100 – коэфициент перевода % (об.) в доли. Поскольку в условиях задачи отсутствуют данные о парциальном давлении паров воды в воздухе, проведем упрощенный расчет: р = (рвозд∙С''')/100; р = (101,3∙3,4∙10-2)/100 = 35 (Па). Количество молей СО2 в 1 л воздуха = n/V = m/μV = р/RT, = 35/8,31∙288∙103 =1,46∙10-5 моль/л. Концентрация углекислого газа в мг/м3 где μ = 0,044 кг/м3 – молярная масса углекислого газа. 3.3. Методы и приборы измерения характеристик запыленности воздуха рабочей зоны Методы измерения параметров пыли можно разделить на две основные группы: методы, основанные на предварительном осаждении, и методы без предварительного осаждения. Основным преимуществом методов первой группы является возможность измерения массовой концентрации. К недостаткам следует отнести цикличность измерения, высокую трудоемкость, низкую чувствительность. В качестве базового для определения массовой концентрации частиц принят метод прокачивания аэрозоля через фильтр с помощью отсасывающего компрессора. Приборы без предварительного осаждения частиц применяют в основном оптические и электрические методы измерения параметров аэрозоля. Оптические методы основаны на использовании свойств рассеянного и поглощенного в аэрозольной среде оптического излучения. Электрические методы можно подразделить на индукционный, контактно-электрический, емкостный и пьезоэлектрический. В основу индукционного метода положено определение наведенного на электроде камеры заряда, возникающего при движении через камеру заряженных частиц. Контактно-электрический метод основан на способности аэрозоля электризоваться при соприкосновении с твердым телом. Емкостный метод основан на изменении емкости конденсатора при введении частиц аэрозоля между его пластинами. Пьезоэлектрический метод основан на возникновении электрических импульсов на электродах пьезокристалла при соударении частиц аэрозоля с кристаллом, причем амплитуда электрических импульсов будет зависеть от массы частицы, ее размеров и скорости соударения с пьезокристаллом. Перечисленными методами не ограничивается возможность измерения параметров аэрозолей – в настоящее время их насчитывается более 50. Аспиратор для отбора проб воздуха (модель 822) предназначен для отбора проб воздуха с цель анализа содержащихся в нем примесей. Отбор проб производится при просасывании воздуха через специальные фильтры с определенной скоростью. Зная скорость прохождения воздуха и время его прохождения, определяют объем воздуха, прошедшего через фильтр. Определив количество примесей в фильтрах, можно определить количество примесей в единице объема воздуха. Измеритель массовой концентрации аэрозольных частиц «Аэрокон» предназначен для непрерывного измерения мгновенных значений массовой концентрации аэрозольных частиц различного происхождения и химического состава в атмосферном воздухе и в воздухе рабочей зоны, а также сигнализации при превышении заданных порогов после градуировки по месту эксплуатации сравнительным методом. 4. АЭРОИОНИЗАЦИЯ ВОЗДУХА Фактор ионизации воздуха является важным критерием его качества. Повышенная или пониженная ионизация воздуха относится к группе физических факторов. Ионизация воздуха – процесс превращения нейтральных атомов и молекул воздушной среды в ионы – электрически заряженные частицы, несущие положительный или отрицательный заряд. Характеристиками ионов являются подвижность и заряд. Подвижность иона – это отношение средней скорости его дрейфа в направлении электрического поля к напряженности последнего. Подвижность обычно измеряется в см2с-1В-1. По подвижности ионы в воздухе условно делят на два диапазона: – легкие, у которых носителями являются атомы, молекулы и комплексы молекул; – средние, тяжелые и ультратяжелые, у которых носителями являются высокодисперсные аэрозольные частицы, в том числе и микроорганизмы. Граница подвижностей, отделяющая диапазон легких ионов, составляет (0,5±0,3) см2/(с·В). Наряду с возникновением происходит непрерывное исчезновение аэроионов – их деионизация. Факторами, определяющими деионизацию, являются: – рекомбинация легких ионов; – взаимодействие их с аэрозольными частицами и с различными предметами; – осаждение и рекомбинация на различных фильтрах и в системах очистки воздуха. В зависимости от соотношения скоростей процессов ионизации и деионоизации устанавливается определенное состояние ионизированности воздушной среды. Основной величиной, характеризующей ионизированность воздуха, является полярная объемная плотность электрического заряда (ПОПЭЗ), равная количеству электрического заряда ионов положительной или отрицательной полярности в единице объема воздуха. ПОПЭЗ в системе СИ выражается в Кл/м3. На практике удобнее использовать дольную единицу 1 пКл/м3. К нормируемым параметрам ионизированности воздуха относят концентрация (n) легких ионов в воздухе и показатель полярности П: П = (4.1) где n+ – концентрация положительных легких ионов; n- – концентрация отрицательных легких ионов. Показатель полярности может изменяться от –1 до +1. Часто удобнее вместо показателя полярности применять коэффициент униполярности, равный отношению концентраций положительных и отрицательных легких ионов. Основным методом измерения ПОПЭЗ аэроионов является аспирационный метод. На этом методе основана работа практически всех аэроионометрических приборов – счетчиков, спектрометров, анализаторов аэроионов и измерителей электропроводности воздуха. Парк приборов, используемых для измерения концентрации аэроионов, представлен двумя группами приборов: – универсальные счетчики аэроионов, позволяющие проводить измерения в широком диапазоне электрических подвижностей ионов и представляющие собой сложные лабораторные приборы в стационарном исполнении, например, UT-7003, UT-8401, АСИ-1; – переносные или портативные счетчики легких ионов, например, АСИ-2, АИ-1, Сапфир-3К, МАС-01. 5. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУМА 5.1. Волновые процессы. Продольные и поперечные волны Колебания, возбужденные в какой-либо точки среды (твердой, жидкой, газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. При изучении распространения колебаний среда рассматривается как сплошная и обладающая упругими свойствами. Процесс распространения колебаний в сплошной среде, периодический во времени и пространстве, называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн независимо от их природы является перенос энергии без переноса вещества. Среди волн выделяют следующие типы: волны на поверхности жидкости, упругие и электромеханические. Упругими (механическими) волнами называется механические возмущения, распространяющиеся в упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных частицы среды колеблются в направлении распространения волны, в поперечных – перпендикулярно направлению распространения волны. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах – как продольные, так и поперечные. 5.2. Характеристики звуковых волн Звуковыми (акустическими) называют распространяющиеся в среде упругие волны с частотами 16 – 20 000 Гц. Колебания с частотами ν<16 Гц называют инфразвуковыми, ν >20 кГц – ультразвуковыми. Область пространства, в которой распространяются звуковые волны, называют звуковым полем. В звуковом поле периодически колеблются частицы среды, периодически меняются их скорости и силы давления (в жидкости или газе) или нормальные и касательные напряжения (в твердых телах). Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления и средним давлением за определенный промежуток времени (рис. 5.1). Рис. 5.1. Звуковое давление Человек воспринимает не мгновенное значение давления, а его среднеквадратичное: (5.1) где Тус – время усреднения. Интенсивность звука может характеризоваться амплитудой колебаний скоростью, давлением, напряжениями. Но целесообразно ввести единую энергетическую характеристику. Такая характеристика была предложена Умовым. Поток энергии (I) – энергия, переносимая распространяющейся волной через единицу площади за единицу времени. Вектор потока энергии направлен в сторону распространения волны и носит название вектора Умова. Величина потока энергии измеряется в Вм/м2 и для звукового поля называется интенсивностью звука или силой звука. Интенсивность и звуковое давление связаны зависимостью: . (5.2) Звуковые волны распространяются с определенной скоростью. Скорость распространения звука в различных средах различна. Как уже указывалась, в твердых телах могут распространяться упругие колебания двух типов: продольные и поперечные. В изотропных твердых телах скорости этих двух типов колебаний равны соответственно: , (5.3) , (5.4) где Е – модуль упругости, Па; G – модуль сдвига, Па; ρ – плотность, кг/м3. В анизотропных кристаллах упругие свойства и модули упругости различны по разным направлениям. Поэтому скорость звука в анизотропных телах зависит от направления распространения волны по отношению к кристаллографическим осям, а для поперечных волн – еще и от ориентации плоскости их поляризации. В жидкостях могут распространяться только продольные звуковые волны сжатия и разрежения. Их скорость выражается формулой , (5.5) где K – модуль сжатия жидкости. Скорость распространения звука в идеальном газе определяется выражением , (5.6) где – показатель адиабаты; СР и СV – теплоемкость газа при постоянном давлении и постоянном объеме; р – статическое давление среды, Па; R – универсальная газовая постоянная, Дж/моль·К; Т – термодинамическая температура газа, К; μ – молярная масса газа, кг/моль. Для одноатомных газов γ =1,67, а для многоатомных приближается к 1. Для воздуха γ = 1,41. 5.3. Эффект Доплера в акустике Эффектом Доплера называется изменение частоты колебаний, воспринимаемых приемником, при движении источника этих колебаний и приемника относительно друг друга. Из опыта известно, что тон гудка поезда повышается по мере приближения к платформе и понижается при удалении, т. е. движение источника колебаний (гудка) относительно приемника (уха) изменяет частоту принимаемых колебаний. Предположим, что источник и приемник звука движется вдоль соединяющей их прямой; VИСТ и VПР – скорости движения источника и приемника, причем они положительны, если источник (приемник) приближается к приемнику (источнику), и отрицательны – если удаляется. Частота колебаний источника равна ν0. 1. Источник и приемник покоятся относительно среды: VИСТ = VПР =0. Если V – скорость распространения звуковой волны в рассматриваемой среде, то длина волны . Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вызовет колебание его звукочувствительного элемента с частотой , следовательно, частота ν, которую зарегистрирует приемник, равна частоте ν0, с которой звуковая волна излучается источником. 2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т. е. VПР>0, VИСТ = 0. В данном случае скорость распространения волны относительно приемника станет равной V + Vпр. Так как длина волны при этом не меняется, то , (5.7) т. е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, в V + Vпр/V раз больше частоты колебаний источника. 3. Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т. е. VИСТ>0, VПР = 0. Скорость распространения колебаний зависит лишь от свойств среды, поэтому за время, равное периоду колебаний источника, излученная им волна пройдет в направлении к приемнику расстояние V·T (равное длине волны λ) независимо от того, движется ли источник или покоится. За то же время источник пройдет в направлении волны расстояние VИСТ T, т. е. длина волны в направлении движение сократится и станет равной (рис. 5.2). Рис. 5.2. Изменение длины волны при движении источника Тогда , (5.8) т. е. частота ν колебаний, воспринимаемых приемником, возрастает в V/(V-VИСТ) раз. В формулах (5.7), (5.8) при VИСТ<0 и VПР<0 знак будет обратным. 4. Источник и приемник движутся относительно друг друга. Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых источником, в общем случае: , (5.9) причем «+» в числителе соответствует приближению приемника к источнику; «–» – его удалению от источника; в знаменателе «+» соответствует удалению источника от приемника, знак «–» – приближению его к приемнику. Если направление VИСТ и VПР не совпадают с проходящей через источник и приемник прямой, то вместо этих скоростей надо брать их проекции на направление этой прямой. 5.4. Субъективное восприятие звука Физиологическое восприятие звука является отражением соответствующих его физических характеристик. Гармоническое колебание определенной частоты воспринимаются нами как музыкальный тон. Физической характеристике – частоте колебаний – соответствует физиологическое понятие – высота звука. С ростом частоты и, следовательно, уменьшением периода колебаний, высота звука увеличивается, или звук становится «выше». Малые частоты колебаний вызывают ощущение низкого тона (бас, баритон). Большие частоты вызывают ощущение высокого тона (сопрано, дискант). Субъективной характеристикой звука, связанной с его интенсивностью, является громкость звука, зависящая от частоты. По закону Вебера–Фехнера, с ростом интенсивности звука громкость возрастает по логарифмическому закону. На этом основании вводят объективную оценку громкости звука по измеренному значению его интенсивности – уровень интенсивности: (5.10) где I0 = 10-12 Вт/м2 – пороговая интенсивность звука; I – текущее значение интенсивности, Вт/м2. С учетом формулы (5.2) введена аналогичная величина для давления – уровень звукового давления: , (5.11) где р и р0 – соответственно текущее и пороговое значение звукового давления, Па; р0 = 2·10-5 Па. Уровни интенсивности и звукового давления измеряются в децибелах (дБ). Физиологической характеристикой звука является уровень громкости, измеренный в фонах. Громкость звука в 1000 Гц (частота стандартного чистого тона) равна 1 фон, если его уровень интенсивности равен 1 дБ. Фон – единица, которая определяется как разность уравнений громкости двух звуков данной частоты, равногромкие которым звуки с частотой в 1000 Гц отличаются по интенсивности на 10 дБ. Звукам одинаковой громкости разных частот соответствуют разные уровни интенсивности. Наблюдается как бы взаимная компенсация интенсивности и частоты. Звуковое ощущение характеризуется помимо высоты и громкости еще и тембром. Если колебание не является гармоническим, на слух оно имеет специфический оттенок – тембр. Согласно теореме Фурье всякое периодическое колебание периода Т может быть представлено в виде суммы гармонических колебаний с периодами, равными Т, Т/2, Т/3, T/4 и т. д., т. е. с частотами ν=1/T; 2ν; 3ν и т. д. Наиболее низкая частота ν называется основной частотой. Колебания с основной частотой называют первой гармоникой, или основным тоном, а колебания с частотами 2ν, 3ν и т. д. – высшими гармониками, или обертонами. В совместном звучании основной тон и обертоны создают тембр звука. Любому музыкальному инструменту, любому человеческому голосу присущ свой тембр. 5.5. Классификация шумов Шум – совокупность апериодических звуков разной интенсивности и частоты. По характеру спектра шумы делятся на широкополосные и тональные. Спектр представляет собой зависимость между частотой и уровнем звукового давления (интенсивности). Различают сплошные (непрерывные) спектры (рис. 5.3, а), линейчатые (дискретные) спектры (рис. 5.3, б) и смешанные спектры (рис. 5.3, в). L L L f f f а) б) в) Рис. 5.3 5.3. Виды спектров шума Широкополосными называются шумы, имеющие непрерывный спектр шириной более октавы. Октава – диапазон, в котором верхняя граничная частота в два раза больше нижней граничной частоты: . (5.12) Октава характеризуется среднегеометрической частотой (5.13) Тональный шум характеризуется тем, что в спектре присутствуют отдельные слышимые дискретные тона. По временным характеристикам шумы делятся на постоянные и непостоянные. Постоянные не изменяют уровень сигнала в течение 8 часов более чем на 5 дБА. Непостоянные шумы делятся: – на импульсные – состоящие из одного или нескольких звуковых сигналов, длительностью до 1 с и с уровнями звука, отличающимися более чем на 7 дБА (удар молота); – прерывистые – уровень звука изменяется на 5 дБА и более несколько раз за время измерения, причем длительность импульса больше 1 с и в момент действия импульса амплитуда остается постоянной, превышающей фон (сброс сжатого воздуха). – колеблющиеся во времени – уровень меняется со временем (шум транспорта). В технике измерений шумов в зависимости от среды распространения различают воздушный и структурный шумы. Воздушный распространяется по воздуху от источника до точки измерения. Структурный возникает из–за колебаний упругой среды (стены зданий, перекрытие, трубопроводы) с последующим излучением с колеблющихся поверхностей. 5.6. Источники шума и их характеристики При непериодичности колебаний возникают шумы: либо это длительное колебание, но очень неправильное, сложное по форме (шипение, скрип), либо же отдельные выбросы (щелчки, стуки). С этой точки зрения к шумам следует отнести и звуки, выражаемые согласными. Выделяют следующие источники шума: а) естественного происхождения. В реальной атмосфере вне зависимости от человека всегда присутствуют шумы естественного происхождения с широким спектральным диапазоном от инфразвука с f = 3·10-3 Гц до ультразвука и гиперзвука (1019 – 1013 Гц); (шум морского прибоя, горного обвала, грозового разряда, извержение вулкана, пение птиц). Источниками инфразвуковых шумов могут быть различные метеорологические и географические явления (магнитные бури, полярные сияния, движение воздуха в кучевых и грозовых облаках, ураганы, землетрясения). В слышимой области частот под действием ветра всегда создается звуковой фон. В природе при обтекании воздухом различных тел за счет отрыва вихрей образуются инфразвуковые колебания и слышимые низкие частоты. б) техногенного происхождения – все применяемые в современной технике механизмы, оборудование и транспорт. Техногенные шумы по физической природе могут быть разделены: – на механические, возникающие при взаимодействии различных деталей в механизмах (одиночные или периодические удары), а также при вибрациях поверхностей машин, устройств и т. п.; – электромагнитные, возникающие вследствие колебаний деталей и элементов электромеханических устройств под действием электромагнитных полей (дроссели, трансформаторы, статоры, роторы); – аэродинамические, возникающие в результате вихревых процессов в газах (адиабатическое расширение сжатого газа или пара из замкнутого объема в атмосферу; возмущения, возникающие при движении тел с большими скоростями в газовой среде, при вращении лопаток турбин и т.п.); – гидродинамические, вызываемые различными процессами в жидкостях (возникновение гидравлического удара при быстром сокращении кавитационных пузырей, кавитация в ультразвуковом оборудовании, в жидкостных системах самолета). Любой источник шума характеризуется, прежде всего, звуковой мощностью. Звуковая мощность источника Р – общее количество звуковой энергии, излучаемой источником шума в окружающее пространство за единицу времени. Если окружить источник шума замкнутой площадью, то звуковая мощность источника (5.14) где In – нормальная к поверхности составляющая интенсивности. Окружая источник шума условной сферой с достаточно большим диаметром r, чтобы можно было считать источник точечным, получим величину средней интенсивности звука на поверхности этой сферы: . (5.15) Это выражение предполагает излучение шума по всем направлениям одинаковым, что справедливо для точечных источников, размеры которых малы по сравнению с длиной излучаемых ими волн. Однако источники шума часто излучают звуковую энергию неравномерно по всем направлениям, т. е. обладают определенной направленностью излучения. Эта неравномерность излучения характеризуется коэффициентом Ф – фактором направленности, показывающим отношение интенсивности звука, создаваемой направленным источником в данной точке I, к интенсивности Iср, которую развил бы в этой же точке ненаправленный источник, имеющий ту же звуковую мощность и излучающий звук в сферу (во все стороны одинаково), т. е. . (5.16) Характеристики направленности обычно представляют в виде зависимости показателя направленности G от угла между выбранным направлением и осью источника (рис. 5.4). , (5.17) где р и L – звуковое давление и его уровень, измеренный на определенном расстоянии от источника звука, дБ; рср и Lср – звуковое давление и его уровень, усредненный по всем направлениям при том же расстоянии. Рис. 5.4. Показатель направленности шума Шумовыми характеристиками, которые должны быть указаны в прилагаемых к машине документах, являются: 1) уровни звуковой мощности шума в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 63 до 8000 Гц; 2) характеристики направленности излучения шума машины. Уровни звуковой мощности LР (дБ) установлены по аналогии с уровнем интенсивности звука: , (5.18) где Р – фактическая звуковая мощность; Р0 – пороговая звуковая мощность, равная 10-12 Вт. Дополнительными характеристиками являются октавные уровни звукового давления или уровни звука на определенном расстоянии от машины. Если в расчетную точку попадает шум от нескольких источников, складываются их источники, но не уровни: I∑ = I1 + I2 + … + In. Разделим на I0 и прологарифмируем: или (5.19) При большом числе одинаковых источников глушение лишь нескольких из них практически не ослабит суммарный шум. Если же на рабочее место попадает шум от разных по интенсивности источников, то снижать необходимо сначала шум от более мощных источников. Для нескольких одинаковых источников формула (5.19) примет вид L∑ = Li + 10 lg n. (5.20) 5.7. Коэффициенты отражения, поглощения, прохождения звука Рассмотрим в общем случае процесс взаимодействия звуковой волны при её нормальном падении на границу раздела двух сред с разными акустическими сопротивлениями. Часть падающей энергии звуковой волны отражается, часть – поглощается средой, а часть проходит преграду толщиной d (рис. 5.5).Отношение интенсивности отраженной волны Iотр к интенсивности падающей волны I0 называется коэффициентом отражения . (5.21) Рис. 5.5. Распределение интенсивности звуковой волны Вместо интенсивностей можно выбрать отношение соответствующих энергий. За коэффициент поглощения принимают отношение , (5.22) где Iп – интенсивность волны, поглощенная средой. Отношение интенсивности на выходе из среды Iпр к падающей называется коэффициентом прохождения (проницаемости): . (5.23) Поскольку , . Аналогично Таким образом, по закону сохранения энергии Строгое определение коэффициентов Котр, Кп, Кпр представляет некоторые трудности, так как в реальных случаях не удаётся вычислить части отраженной, поглощенной энергии звуковой волны. При отражении имеет место как направленное, так и рассеянное (диффузное) отражение. При поглощении имеет место как чистое поглощение, так и потери на рассеяние, просачивание через щели, отверстия. Поэтому на практике часто применяют коэффициент экстинкции (ослабления), имеющий более широкий смысл. В акустике для характеристики поглощающей способности отдельных объектов введено понятие общего звукового поглощения тела, которое определяется произведением площади тела на его коэффициент поглощения. За единицу общего поглощения принимают квадратный метр открытого окна, так как оно практически не отражает звука. Эту величину называют сэбин. 5.8. Реверберация Любой звук прекращается не сразу после того, как замолк его источник, а замирает постепенно. Отражение звука в помещении обусловлено явлением послезвучания, называемым реверберацией. Любое помещение представляет собой колебательную систему с очень большим числом собственных частот. Колебание, распространяющееся в замкнутом воздушном пространстве, характеризуется своим коэффициентом затухания, зависящим от поглощения звуковой энергии при многократном его отражении от границ раздела. В связи с этим собственные колебания различных частот затухают не одновременно. Процесс реверберации оказывает большое влияния на акустику помещения, так как человеческое ухо воспринимает прямой звук на фоне ранее возбужденных собственных колебаний, спектр которых изменяется во времени вследствие постоянного затухания отдельных собственных гармоник. Плотность звуковой энергии зв в общем виде можно выразить формулой где зв – плотность звуковой энергии в момент выключения источника звука; τ – постоянная времени реверберации, определяемая выражением , (5.24) где V – объём помещения; υ - скорость звука; – сумма общих звуковых поглощений всех тел, находящихся в помещении, включая стены, пол, потолок и т. д. Таким образом, за время t звуковой энергии понижается в е раз. На практике применяют время стандартной реверберации Т, в течение которого плотность звуковой энергии уменьшится в 106 раз, т. е. на 60 дБ: . Прологарифмировав, получаем (5.25) Подставляя в (5.25) (5.24) для τ и значение скорости звука υ = 340 м/с, получаем . (5.26) Отношение 106 выбрано потому, что нормальная речь в помещении среднего размера воспринимается как звук с интенсивностью, превышающей порог слышимости на 60 дБ. Время реверберации определяет акустические качества помещения. Оптимальное значение для реверберации лежит в пределах от нескольких десятых долей секунд до 1–3 секунд. Если время реверберации меньше этих значении, звук получается глухим. При Т >3с собственные колебания накладываются друг на друга, и речь становится неразборчивой. 5.9. Основные способы защиты от шума 1. Уменьшение шума в источнике возникновения Уменьшение механического шума в источнике возникновения достигается за счет: – замены ударных процессов и механизмов безударными; – замены возвратно-поступательного движения равномерным вращательным; – применения клиноременных передач вместо зубчатых, а если это невозможно, замены прямозубых шестерен на косозубые и шевронные; – замены подшипников качения подшипниками скольжения; – использования пластмасс в качестве конструкционных материалов; – принудительного смазывания трущихся поверхностей и т. п. Аэродинамический шум снижается, в основном, за счет уменьшения скорости движения среды. В большинстве случаев меры по ослаблению аэродинамических шумов в источнике оказываются недостаточными, поэтому основное снижение шума достигается путем звукоизоляции источника и установки глушителей. Снижение электромагнитных шумов осуществляется путем конструктивных изменений в электрических машинах. 2. Изменение направленности излучения шума предполагает учет показателя направленности при проектировании установок. 3. Рациональная планировка предприятий и цехов обеспечивается концентрацией шумных цехов вдали от тихих помещений, при этом снижение уровня шума достигается увеличением расстояния от источника шума до расчетной точки 4. Акустическая обработка помещений Акустическая обработка помещений – размещение звукопоглощающих материалов на ограждающих конструкциях. Звукопоглощением называется процесс перехода части энергии звуковой волны в тепловую энергию среды, в которой распространяется звук. Звукопоглощение обладает дисперсией, т. е. достаточно сильно зависит от частоты. При её повышении звукопоглощение повышается. Наряду с непосредственным переходом части звуковой энергии в тепловую, звуковая волна ослабляется за счёт её частичного проникновения через ограждения, щели, окна. Кроме частотной характеристики звукопоглощение зависит от угла падения звуковой волны на границу раздела. К звукопоглощающим материалам относятся материалы, у которых коэффициент поглощения на средних частотах больше 0,2. В зависимости от механизма звукопоглощения материалы делятся на несколько видов. 1. Материалы, в которых поглощение осуществляется за счёт вязкого трения воздуха в порах (волокнистые пористые материалы типа ультратонкого стеклянного и базальтового волокна), в результате чего кинетическая энергия падающей звуковой волны переходит в тепловую энергию материала. 2. Материалы, в которых помимо вязкого трения в порах происходят релаксационные потери, связанные с деформацией нежесткого стекла (войлок, древесно-волокнистые материалы, минеральная вата). 3. Панельные материалы, звукопоглощение которых обусловлено деформацией всей поверхности или некоторых её участков (фанерные щиты, плотные шторы). Звукопоглощение наиболее эффективно на высоких и средних частотах. Для повышения поглощения пористых материалов на низких частотах либо увеличивают их толщину, либо используют воздушный промежуток между материалом и ограждением. Максимальное поглощение наблюдается тогда, когда воздушный зазор между поверхностями конструкции и материала равен половине длины волны падающего звукового колебания. 5. Звукоизоляция Под звукоизоляцией понимается процесс снижения уровня шума, проникающего через ограждения в помещение, за счет отражения звука назад к источнику. Для изоляции на практике часто используется звукоизолирующие кожухи, стены, перегородки, выгородки, кабины и т. п. В звукоизолированном помещении звуковая энергия зависит не только от коэффициента проницаемости, но и от звукопоглощения. Звукоизолирующая способность ограждения с учетом звукопоглощения выражается формулой дБ, где S – площадь ограждения, м2. Звукоизоляция ограждающей конструкции не зависит от физической структуры материала, если составляющие элементы обладают примерно одинаковой плотностью и модулем упругости. В этом случае звукоизоляция определяется массой на единицу площади. Для повышения звукоизоляции применяют слоистые ограждающие конструкции. В них жесткие элементы, имеющие большую массу, чередуются с гибкими слоями. 5.10. Приборы и методы измерения шума Реверберационная камера. Для проведения различных акустических исследований и измерений служит реверберационная камера, в которой звуковые колебания эффективно отражаются от всех ограждающих поверхностей. Внутреннюю поверхность камеры облицовывают хорошо отражающим звук материалом, коэффициент поглощения которого выбирают минимальным. Основными измерениями, проводимыми в реверберационной камере, являются: измерение звукопоглощающих свойств материалов, градуировка и исследование свойств микрофонов, шумомеров и другой акустической аппаратуры; исследование и измерение различных источников шума; звуковых полей устройств, приборов, машин и т.д. Для измерения времени реверберации после выключения источника звука записывают динамику уменьшения звукового распространения. С этой целью применяют самописцы с логарифмической шкалой. Звукомерная камера. Предназначена для проведения акустических измерений с имитацией неограниченного пространства. В отличие от реверберационной камеры звуковая камера имеет внутреннюю поверхность, покрытую звукопоглощающим материалом с коэффициентом поглощения, близким к единице. При измерении на высоких частотах вместо качественного заглушения применяют импульсный метод измерений. При этом основные измерения проводятся в момент прохождения прямого сигнала (до прихода отраженного). Микрофон. Микрофон называют приемник звука (шума), в котором происходит преобразование звукового колебания воздушной среды в электрический сигнал. Микрофон характеризуется чувствительностью, частотной зависимостью, динамическим диапазоном, направленностью. Помимо электроакустического преобразования в комплект микрофона входят предварительные усилители, согласующие трансформаторы. Любой микрофон имеет мембрану, которая колеблется под действием звукового поля, в результате чего происходит акустически-механическое преобразование. По направленности микрофоны делят на три вида: приемники давления, преемники градиентного давления, комбинированные приемники. Шумомер. Для объективных измерений уровня громкости шума используется шумомер, блок-схема, которая предоставлена на рис. 5.6. Рис. 5.6. Блок-схема микрофона: 1 – микрофон; 2 – усилитель; 3 – корректирующие фильтры; 4 – детектор; 5 – стрелочный индикатор Учитывая особенностью слухового аппарата к восприятию звука разных частот и разной громкости, шумомеры снабжаются тремя комплектами фильтров, с помощью которых можно обеспечить требуемые формы частотной характеристики на трех уровнях громкости. Шкала «A» соответствует характеристике при малой громкости, 40 фон (диапазон шкалы от 20 до 55 фон). Используется также для измерения уровня громкости, выраженного в дБА при любых уровнях громкости. Шкала «В» соответствует средней громкости 70 фон (от 55 до 85 фон). Шкала «C» – большой громкости (от 85 до 140 фон). Характеристика при большей громкости равномерна в диапазоне частот от 30 до 8000 Гц. Наиболее широкое применение для измерения уровней шума нашли отечественные шумомеры ВШВ-003-М2, RFT (Германия). Требования к методам измерения шумовых характеристик мест пребывания людей и источников шума установлены ГОСТ 12.1.050-86 и ГОСТ 23941-2002. 6. ФИЗИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВИБРАЦИИ 6.1. Свободные и вынужденные колебания Среди всевозможных совершающихся вокруг нас механических движений часто встречаются повторяющиеся движения. В одних случаях каждый новый цикл очень точно повторяет предыдущий, в других различие между следующими друг за другом циклами может быть заметным. Отклонение от совершенно точного повторения очень часто настолько малы, что ими можно пренебречь и считать движение повторяющимся вполне точно, т. е. считать его периодическим. Периодическим называют повторяющиеся движения, у которого следующий цикл в точности воспроизводит следующий другой цикл. Продолжительность одного цикла называется периодом. Тела, которые сами по себе могут совершать периодические движения, называются колебательными системами. Колебания, совершающиеся в этих системах без воздействия внешних сил, являются свободными. У каждой системы, способной совершать свободные колебания, имеется устойчивое положение равновесия. Наибольшее отклонение от положения равновесия называется амплитудой колебаний. Колебание, которое совершает при равномерном движение точки по окружности проекция этой точки на какую-либо прямую, называется гармоническим. Кривая, изображающая гармоническое колебание, есть синусоида. Число циклов гармонического колебания, совершаемых за 1 с называется частотой этого колебания и равна (6.1) Фазой гармонического колебания называется угол, соответствующий времени, прошедшему от какого-нибудь произвольно выбранного момента. Наличие трения в системе приводит к затуханию колебаний. Незатухающие свободные колебания, которые происходили бы в колебательной системе в отсутствии трения, называются собственными колебаниями. В колебательной системе, на которую действует периодически меняющаяся сила, устанавливаются периодические движения, называющиеся вынужденными колебаниями. Совпадение периода свободных колебаний системы с периодом внешней силы, действующей на эту систему, называется резонансом. Амплитуда вынужденного колебания достигает наибольшего значения при резонансе. Если сила меняется периодически, но не по гармоническому закону, то она может вызвать резонансные явления не только при совпадении её периода с периодом свободных колебаний системы, но и тогда, когда период силы в целое число раз длиннее этого периода. 6.2. Основные параметры вибрации Под вибрацией понимается движение точки или механической системы, при котором происходит поочередное увеличение и уменьшение во времени значений, по крайней мере, одной координаты. Основными параметрами вибрации, происходящей по синусоидальному закону являются: амплитуда вибросмещения xm, амплитуда виброскорости υm, амплитуда колебательного ускорения аm, период колебания Т, частота ν, связанная с периодом колебаний соотношением (6.1). Вибросмещение в случае синусоидальных колебаний определяют по формуле , где ω – угловая частота(ω = 2πf); φ0 – начальная фаза вибросмещения. В большинстве случаев φ0 в задачах охраны труда значения не имеет и может не учитываться. В общем случае физическая величина, характеризующая вибрацию, является некоторой функцией времени: υ=υ(t). Математическая теория показывает, что такой процесс можно представить в виде бесконечно длящихся синусоидальных колебаний с различными периодами и амплитудами. В случае периодического процесса частоты этих составляющих кратны основной частоте процесса. В силу специфических свойств органов чувств определяющими являются действующие значения параметров, характеризующих вибрацию. Действующее значение виброскорости есть среднеквадратичное мгновенных значений скорости υ(t) за время усреднения Тy: (6.2) Анализ и построение спектров параметров вибрации может производиться как в октавных, так и в третьоктавных полосах частот. В третьоктавной полосе (6.3) . (6.4) Так как абсолютные значения параметров, характеризующих вибрацию, изменяются в очень широких пределах, в практике используют понятие логарифмического уравнения колебаний (6.5) где υ0 = 5·10-5 м/с – пороговая виброскорость. 6.3. Физические основы виброзащиты Методы борьбы с вибрацией базируются на анализе уравнений, описывающих колебания машин и агрегатов в условиях производства. Эти уравнения сложны т. к. каждый вид оборудования является системой со многими степенями подвижности и обладает рядом резонансных частот. Следует ограничиться анализом уравнений вынужденных колебаний такой системы, которую можно представить в виде массы, покоящейся на пружине, другой конец её жестко закреплен (рис. 6.1). Система, кроме того, обладает трением. Элементы упругости, массы и трения отделены друг от друга. Для простоты можно считать, что на систему воздействует переменная возмущающаяся сила, изменяющаяся по синусоидальному закону: F = Fm·ejωt. Рис. 6.1. Схема колебательной системы Уравнение колебаний в этом случае имеет вид (6.6) где x – вибросмещение, м; – текущее значение виброскорости, м/с; – текущее значение виброускорения, м/с2; m – масса системы, кг; μ – коэффициент сопротивления, Н·с/м; с – жесткость системы, Н/м; Fm – амплитуда вынуждающей силы, м; ω – угловая частота вынуждающей силы, рад/с. Общее решение этого уравнения содержит два слагаемых: первый член соответствует свободным колебаниям, которые в данном случае являются затухающими из-за наличия в системе трения, второй соответствует вынужденным колебаниям. Главную роль в рассматриваемых задачах играют вынужденные колебания. Выражая вибросмещение в комплексном виде x = xm·ejωt и подставляя соответствующие значения и в (6.1), найдем соотношение между амплитудами виброскорости и вынуждающей силы: (6.7) Знаменатель характеризует сопротивление, которое оказывает система вынуждающей переменной силе, и называется полным механическим импедансом системы. Величина μ составляет активную, а – реактивную часть этого сопротивления. Последняя, в свою очередь, состоит из упругого и инерционного сопротивлений. При резонансе реактивное сопротивление равно нулю. Этому соответствует частота . При этом система оказывает сопротивление вынуждающей силе только за счет наличия активных потерь в системе. Амплитуда колебаний в таком режиме резко возрастает. Амплитуда виброскорости будет составлять где η – коэффициент потерь, характеризующий диссипативные силы в колебательной системе и определяющий значение амплитуды виброскорости при резонансе: . При частоте ниже резонансной , т. е. в случае, когда инерционное сопротивление значительно меньше упругого, полное сопротивление системы возмущающей силы при небольшом трении практически оказывается равным упругому: , следовательно, на этих частотах система оказывает упругое сопротивление, как при действии статической силы. Амплитуда вибросмещения при этом равна упругой деформации xст при статическом действии силы: , а амплитуда скорости . Если частота вынуждающей силы значительно выше резонансной, то . При малом трении система будет оказывать только инерционное сопротивление z = mω. При этом амплитуда виброскорости и вибросмещения будут соответственно равны: ; , где xст – осадка системы при статическом воздействии силы Fm. Из анализа решения уравнения (6.2) вынужденных колебаний системы с одной степенью свободы следует, что основными методами борьбы с вибрацией являются: 1) снижение вибрации посредством действия на источник возбуждения (уменьшение вынуждающей силы); 2) отстройка от режима резонанса путем рационального выбора массы или жесткости колеблющейся системы; 3) вибродемфирование – увеличение механического импеданса путем увеличения диссипативных сил; 4) динамическое гашение вибраций – присоединение к защищаемому объекту системы, реакция которой уменьшает размах вибрации объекта в точках присоединения системы. Кроме того, используется такой метод, как виброизоляция, которая осуществляется введением в колебательную систему дополнительной упругой связи, препятствующей передаче колебаний от источника к защищаемому объекту. Эффективность виброизоляции определяют коэффициентом передачи, который имеет физический смысл отношения амплитуды вибросмещения (виброскорости, виброускорения) защищаемого объекта или действующей на него силы к амплитуде той же величины источника возбуждения: . (6.8) Обычно эффективность виброизоляции определяют в децибелах: , дБ. (6.9) 6.4. Техника измерений вибрации Измерение параметров вибрации включает измерение виброскоростей и виброускорений. К основным средствам относятся виброметры и акселерометры. Методы измерения вибрационных параметров делятся на две группы: измерение величин в системе отсчета, не связанной с колеблющимся телом; измерение упругой деформации с помощью инерционного элемента, связанного с колеблющимся телом. В состав виброизмерительной аппаратуры входят датчики, преобразователи, анализаторы, КИП и сигнализирующие устройства, вибрационные стенды. Калибровка виброизмерительной аппаратуры включает в себя определение амплитудной, амплитудно-частотной, фазо-частотной и температурной характеристик аппаратуры, а также чувствительности вибродатчиков. Методика измерения вибрационных колебаний в жилых домах определяется рекомендациями Минздрава № 2957-84, а измерительная аппаратура должна отвечать требованиям ГОСТ 20844-87. Для измерения вибраций в октавных полосах со среднегеометрическими частотами от 31,5 до 8000 Гц используют шумомеры с вибродатчиком. Виброизмерительный комплекс ВШВ-003 снабжен пьезоэлектрическими датчиками Д13, Д28. Для измерения вибраций в октавных полосах частот до 16 Гц и меньше используется виброизмерительная аппаратура ВМ-1 с соответствующими фильтрами. Акселерометр – прибор для измерения ускорений или перегрузок. Применяется при испытании различных механизмов и двигателей, для измерения ускорения движущихся объектов. По принципу действия различают акселерометры механические, электромеханические и др. По назначению – линейные и максимальные. Линейные измеряют ускорение как функцию времени, а максимальные измеряют момент достижения заданным объектом максимума или заданного значения ускорения в кратковременном процессе. Большими возможностями при исследовании разнообразных видов вибрации обладают голографические методы. Особое место занимает голография в виброметрии для изучения вибраций акустических преобразователей, ультразвуковых излучателей, вибростендов. 7. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ПОЛЯ (ЭМП) И ИЗЛУЧЕНИЯ 7.1. Спектр электромагнитных излучений Земля с момента начала своего существования подвергалась воздействию электромагнитного излучения Солнца и Космоса. В процессе этого воздействия происходят сложные, взаимосвязанные явления в магнитосфере и атмосфере Земли, влияющие самым непосредственным образом на живые организмы биосферы и среду обитания. В процессе эволюции живые организмы адаптировались к естественному фону ЭМП. Однако вследствие научно-технического прогресса электромагнитный фон Земли в настоящее время не только увеличивается, но и претерпевает качественные изменения. Появились электромагнитные излучения таких длин волн, которые имеют искусственное происхождение в результате техногенной деятельности. К основным источникам ЭМП антропогенного происхождения относятся телевизионные и радиолокационные станции, мощные радиотехнические объекты, промышленное технологическое оборудование, высоковольтные ЛЭП промышленной частоты, термические цеха, плазменные, лазерные и рентгеновские установки, атомные и ядерные реакторы. Спектральная интенсивность некоторых техногенных источников ЭМП может существенным образом отличаться от эволюционно сложившегося естественного электромагнитного фона, к которому привык человек и другие живые организмы. Электромагнитное поле представляет собой совокупность двух взаимосвязанных полей: электрического и магнитного. Характерная особенность электрического поля состоит в том, что оно действует на электрический заряд (заряженную частицу) с силой, которая не зависит от скорости движения заряда. Характерная особенность магнитного поля (МП) в том, что оно действует на движущиеся электрические заряды с силами, пропорциональными скоростям зарядов и направленными перпендикулярно этим скоростям. Электромагнитными волнами называются возмущения электромагнитного поля (т. е. переменное электромагнитное поле), распространяющиеся в пространстве. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света в вакууме. Спектр электромагнитных излучений, освоенный человечеством в настоящее время, представляется необычно широким: от нескольких тысяч метров до -12 см. В настоящее время известно, что радиоволны, свет, инфракрасные и ультрафиолетовые излучения, рентгеновские лучи и - излучения – все это волны одной электромагнитной природы, отличающиеся длиной волны . Существуют определенные области электромагнитного спектра, в которых генерация и регистрация волн затруднена. Длинноволновый и коротковолновый концы спектра определены не очень строго. Шкала электромагнитных излучений представлена на рис. 7.1. № 1 – 11 – поддиапазоны, установленные международным консультативным комитетом радиосвязи (МККР). По решению этого комитета поддиапазоны 5 – 11 относятся к радиоволнам. По регламенту МККР к СВЧ-диапазону отнесены волны с частотами  ГГц. Однако исторически сложилось под СВЧ-диапазоном понимать колебания с длиной волны от 1 м до 1 мм. Поддиапазоны № 1 – 4 характеризуют электромагнитные поля промышленных частот. Под оптическим диапазоном в радиофизике, оптике, квантовой электронике понимается диапазон длин волн приблизительно от субмиллиметрового до дальнего ультрафиолетового. Видимый диапазон составляет небольшую часть оптического. Границы переходов ультрафиолетового излучения, рентгеновского, -излучений точно не фиксированы, но приблизительно соответствуют указанным на схеме значениям  и ; -излучение переходит в излучение очень больших энергий, называемое космическими лучами. Несмотря на единую электромагнитную природу любой из диапазонов электромагнитных колебаний отличается своей техникой генерации и измерений. 7.2. Электростатические поля Электрическое поле неподвижных электрических зарядов, осуществляющее взаимодействие между ними, называется электростатическим полем. Электростатика – область физики, изучающая неподвижные электрические заряды. Существует два вида электричества: положительное и отрицательное. При появлении одного рода электричества всегда возникает равное количество электричества другого рода. Наличие электрических зарядов двух видов является фундаментальным свойством материи. Исторически название Рис. 7.1. Шкала электромагнитных излучений положительного заряда было выбрано случайно. Главное в том, что одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Наша планета представляет собой уравновешенную систему положительных и отрицательных зарядов. Суммарный заряд в изолированной системе всегда остается неизменным. Электрические заряды в природе состоят из дискретных зарядов постоянной величины, являющихся зарядом электрона. В 30-х годах XX в. была показана возможность аннигиляции заряда и массы в электромагнитное излучение и, наоборот, рождение пары «электрон – протон» при соударении  - кванта с ядром атома. Замечательным фактом является то, что другие заряженные частицы имеют заряды, кратные по величине заряду электрона. На основании последних теоретических исследований высказывается возможность существования частиц с зарядами, равными 1/3 и 2/3 заряда электрона, но обнаружить их экспериментально не удается. Два неподвижных электрических заряда взаимодействуют друг с другом с силой, пропорциональной произведению величин зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Это закон Кулона, который является основным законом в электростатике: (7.1) где q1, q2 – величины зарядов; – единичный вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2; F12 – ила, действующая на заряд 2 (). Считаем, что |r12|>>|re|, где re – радиус заряда. Умножение на вектор показывает, что сила параллельна линии, соединяющей эти заряды, и равна k = 8,9875· 109 (в СИ). Электростатическое поле представляет собой стационарное, т. е. не изменяющееся во времени, электрическое поле, создаваемое неподвижными зарядами. Оно является частным случаем электромагнитного поля. Силовой характеристикой электрического поля служит вектор его напряженности: (7.2) где F – сила, действующая со стороны поля на неподвижный «пробный» заряд q0, помещенный в рассматриваемую точку поля. Единицей измерения напряженности электрического поля является вольт, деленный на метр (В/м). Напряженность электростатического поля не зависит от времени. Силовыми линиями называются линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности в этой точке поля. Силовые линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительных и оканчиваются на отрицательных зарядах. Напряженность электрического поля системы точечных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности (принцип суперпозиции): (7.3) Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал. Потенциалом φ (В) в данной точке поля называется скалярная величина, численно равная потенциальной энергии Wn единичного положительного заряда, помещенного в эту точку: (7.4) Работа, которая совершается силами электростатического поля при перемещении точечного электрического заряда q, равна произведению этого заряда на разность потенциалов в начальной и конечной точках пути: Если точка 2 находится в бесконечности, то Wп2 = 0 и принимается, что 2 = 0. Работа перемещения заряда q из точки 1 в бесконечность: (7.5) Часто за нуль потенциала принимается не значение его в бесконечности, а значение потенциала Земли. Это несущественно, ибо во всех практических работах важно знать разность потенциалов между двумя точками, а не абсолютные значения потенциалов в этих точках. Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек в электростатическом поле, имеющих одинаковый потенциал. Связь между напряженностью и потенциалом электростатического поля: (7.6) 7.3. Магнитное поле Магнитное поле существует вокруг проводников с током и постоянных магнитов. Магнитное поле создается только движущимися зарядами. Опыты показывают, что сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в этом поле заряженную частицу, подчиняется следующим закономерностям: 1. Сила Fм всегда перпендикулярна вектору скорости частицы. 2. Отношение не зависит ни от заряда частицы, ни от модуля ее скорости по отдельности. 3. При изменении направления скорости частицы в точке А поля модуль силы Fм изменяется от 0 до максимума, который зависит не только от произведения, но также от значения в точке А силовой характеристики магнитного поля – магнитной индукции В, (Тл). Модуль магнитной индукции равен: (7.7) Магнитная индукция численно равна отношению силы, действующей на заряженную частицу со стороны магнитного поля, к произведению абсолютного значения заряда и скорости частицы, если направление скорости частицы таково, что эта сила максимальна. Вектор направлен перпендикулярно вектору силы Fм(max), действующей на положительно заряженную частицу, и вектору скорости частицы так, что из конца вектора вращение по кратчайшему расстоянию от направления силы к направлению скорости видно происходящим против часовой стрелки. Иначе говоря, вектора Fм(max), и образуют правую тройку (рис. 7.2). Рис. 7.2. Направление вектора магнитной индукции Для графического изображения стационарного (не изменяющегося со временем) МП используют линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции (силовыми линиями МП) называют линии, проведенные в МП так, что в каждой точке поля касательная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора магнитной индукции в этой точке. Линии индукции МП не могут ни начинаться, ни кончаться: они либо замкнуты, либо бесконечно навиваются на некоторую поверхность. Сила, действующая на заряд со стороны МП в общем случае: . (7.8) Модуль силы: где  – угол между векторами скорости и магнитной индукции. Если на движущуюся частицу действует одновременно электрическое и магнитное поле, то результирующая сила (сила Лоренца) (7.9) Магнитным потоком (потоком вектора B магнитной индукции) сквозь малую поверхность площадью dS называется физическая величина где – единичный вектор нормали к площадке dS; Bn – проекция вектора на направление нормали. Малая площадка dS выбирается так, чтобы ее можно было считать плоской, а МП в ее пределах – однородным. Магнитный поток сквозь произвольную поверхность S (7.10) Если МП однородное, а поверхность S плоская, то Плотность магнитного потока – поток через единицу площади – есть магнитная индукция: Единицей измерения плотности магнитного потока (магнитной индукции) является тесла: 7.4. Физические основы защиты от ЭМП В зависимости от частоты источника ЭМП, его мощности и режима работы выбираются те или иные средства защиты от воздействий электромагнитных колебаний на человеческий организм. Пространство вокруг источника ЭМП условно делят на ближнюю и дальнюю зоны действия. Ближняя зона – зона, в которой электромагнитное поле еще не сформировано на расстоянии от излучателя. Ближняя зона (зона индукции) ограничена сферой с радиусом , в которой излучатель находится в центре. В ближней зоне электромагнитное поле характеризуется электрической составляющей поля Ē (B/м). Такая оценка относится к диапазонам № 5 – 8. В случае одновременной работы нескольких источников в данной зоне принимается суммарное значение квадратов напряженности поля: , где Ei – напряженность поля i-ого источника в точке измерения. Дальняя зона (зона излучения). В дальней зоне на расстояниях r>λ/6 существует и распространяется ЭМП. Обе составляющие его сформированы в поддиапазонах № 9 – 11. ЭМП характеризуется интенсивностью излучения WS (поверхностная плотность потока энергии, или вектор Умова-Пойнтинга), выражаемой в Вт/м2. В случае работы нескольких источников берется суммарная интенсивность излучений N источников: , где – интенсивность излучения i-го источника в точке измерения дальней зоны. При работе нескольких источников ЭМП различных диапазонов суммарное действие излучателя должно удовлетворять следующему требованию: где E0i – ПДУ напряженности электрического поля для i-го источника на границе санитарно-защитной зоны; – ПДУ интенсивности излучения для j-го источника на границе санитарно-защитной зоны; Ei, – фактическое значение параметров; i = 1, 2, 3, …, k; j = 1, 2, 3, …, m. Наиболее распространенным способом защиты является экранирование, использующее процессы отражения и поглощения электромагнитных волн. Для поглощения электромагнитных волн широко используются радиопоглощающие материалы (РПМ). При взаимодействии падающей электромагнитной волны с РПМ происходит ее поглощение, рассеяние, а в некоторых типах РПМ – интерференция. В результате этих процессов происходит диссипация энергии падающей волны в поглощающем покрытии, и отраженная волна становится незначительной. По принципу действия РПМ делятся на две большие группы: объемные и резонансные. В объемных поглотителях используется объемное поглощение электромагнитной энергии за счет внесения электрических или магнитных потерь. Объемные поглотители обеспечивают высокое поглощение ЭМП с малым коэффициентом отражения в широком диапазоне частот. К числу недостатков можно отнести относительно большие массогабаритные параметры. Резонансные (интерференционные) поглотители представляют собой композицию из чередующихся слоев диэлектрика и проводящих пленок метала. Толщина диэлектрика составляет четверть длины волны падающего излучения или кратна нечетному числу . Принцип действия таких систем основан на интерференции падающей волны и образовании в них стоячих волн. Такие поглотители обладают низким коэффициентом отражения, малой массой, компактностью, но недостаточной широкополосностью. 7.5. Приборы и методики измерений ЭМИ Область электро- и радиоизмерений также обширна, как обширен спектр электромагнитных колебаний. Особым классом в области радиоизмерений является импульсная техника измерений, имеющая дело с короткими по длительности импульсами. В СВЧ-технике используются волноводные и коаксиальные линии передачи, коаксиально-волноводные переходы, полые резонаторы и т. п. В магнитостатике для измерения постоянных МП используются приборы с датчиками Холла, микровиброметры и т. п. Для измерения электрической и магнитной составляющих ЭМП служат приборы типа ИЭМП. Измерение плотности потока энергии производят с помощью приборов ПЗ – 15, ПЗ – 25, ПЗ – 267, радар-тестеров ГК4 – 14 и т. п. Широкое распространение для измерения уровней ЭМП мониторов ПЭВМ получили ВЕ-МЕТРы. Для стационарных электрических полей используют измеритель напряженности электростатического поля СТ-01. Методика измерения объемного поглощения в диэлектрической среде исследуемых образцов РПМ определенных размеров может производиться по схеме, представленной на рис. 7.3. Рис. 7.3. Схема измерения объемного поглощения в диэлектрической среде От СВЧ источника 1 по волноводной линии передачи 2 распространяется падающая (прямая) волна. Для индикации наличия колебаний в волноводе служит детекторная головка 3 с регистрирующим прибором. Измерение длины волны производится волнометром 4. Для измерения уровня мощности СВЧ предназначен регулируемый аттенюатор 5. Для определения уровней прямой и обратной волн служат направленные ответвители 6, снабженные детекторными головками, сигнал с которых поступает на измерительное устройство 7. Далее СВЧ сигнал, распространяясь по волноводу, поступает в секцию, заполненную исследуемым образцом 9. Обладая конечными потерями, исследуемое тело поглощает определенную долю мощности. Прошедшее через исследуемый образец излучение регистрируется измерителем мощности 8. Таким образом, по описанной схеме можно регистрировать падающую, отраженную, поглощенную и прошедшую мощности. При проведении эксперимента необходимо обращать внимание на форму образцов, помещаемых в волновод. Она не должна вызывать значительных отражений волны, возникающих из-за различия диэлектрических постоянных исследуемого полимера и среды в волноводе. При исследовании жидких материалов можно использовать специальные ампулы из кварца или керамики. 8. ПОКАЗАТЕЛИ СВЕТОВОЙ СРЕДЫ 8.1. Спектральная чувствительность глаз Свет – электромагнитное излучение с длиной волны от 380 до 760 нм, воспринимаемое глазом. Чувствительность глаза к свету различных длин волн характеризуется функцией видности V(λ) – относительной спектральной световой эффективностью излучения. Эта величина нормирована: за единицу принята чувствительность V(λ) при длине волны λ, соответствующей максимальной чувствительности глаза. Значения относительной спектральной световой эффективности излучения стандартизованы Международной комиссией по освещению (МКО) как для фотопического (дневного) зрения, так и для скотопического (ночного) (рис. 8.1). Рис. 8.1. Кривые спектральной чувствительности глаза: 1 – V(λ) при яркости 100 кд/м2; 2 – V(λ) при яркости 10-5 кд/м2 Максимум световой чувствительности глаза смещается по спектру в зависимости от уровня освещения, что объясняется наличием колбочкового и палочкового аппаратов глаза. 8.2. Точечные источники света Все вопросы, связанные с определением световых величин, особенно просто разрешаются в том случае, когда источник излучает свет равномерно во всех направлениях. Таким источником является, например, раскаленный металлический шарик. Подобный шарик посылает свет равномерно во все стороны. Это означает, что действие источника на какой-либо приемник света будет зависеть только от расстояния между приемником и центром светящегося шарика и не будет зависеть от направления радиуса, проведенного к приемнику из центра шарика. Во многих случаях действие света изучается на расстоянии R, настолько превосходящем радиус r светящегося шарика, что размеры последнего можно не учитывать. Тогда можно считать, что излучение света происходит как бы из одной точки – центра светящегося шара. В подобных случаях источник света называется точечным источником. Точечный источник не является точкой в геометрическом смысле, а имеет, как и всякое физическое тело, конечные размеры. Источник излучения исчезающе малых размеров не имеет физического смысла, т. к. такой источник должен был бы с единицы своей поверхности излучать бесконечно большую мощность, что является невозможным. Более того, источник, который мы можем считать точечным, не всегда должен быть малым. Дело не в абсолютных размерах источника, а в соотношении между его размерами и теми расстояниями от источника, на которых исследуется его действие. Так, для всех практических задач наилучшим образцом точечных источников являются звезды; хотя они имеют огромные размеры, расстояния от них до Земли во много раз превосходят эти размеры. Необходимо также помнить, что прообразом точечного источника является равномерно светящийся шарик. Поэтому источник света, посылающий свет неравномерно, не является точечным, хотя бы он был и очень маленьким по сравнению с расстоянием до точки наблюдения. Полное излучение какого-либо источника распределяется в телесном угле 4π ср. Излучение называется равномерным, или изотропным, если в одинаковые телесные углы, выделенные по каждому направлению, излучается одинаковая мощность. Чем меньше телесные углы, в которых производят сравнение мощности, тем с большей точностью проверяется равномерность излучения. Итак, точечным источником является источник, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до места наблюдения и который посылает свет равномерно во все стороны. 8.3. Энергия излучения. Световой поток Отдел оптики, изучающий методы и приемы измерения световой энергии, называется фотометрией. Выделим мысленно на пути света, распространяющегося от какого-либо источника S небольшую площадку σ (рис. 8.2). Через эту площадку за время t пройдет некоторая энергия излучения W. Для того чтобы измерить эту энергию, надо представить себе эту площадку в виде пленки, покрытой веществом, полностью поглощающим всю падающую Рис. 8.2. Распространение света от источника S на него энергию излучения (например, сажа), и измерить поглощенную энергию по нагреванию этой пленки. Отношение показывает, какая энергия протекает через площадку за единицу времени, и называется потоком излучения через площадку σ. Поток излучения оценивается в единицах мощности – Вт, а интенсивность излучения – Вт/м2. Однако для восприятия и использования световой энергии исключительно важную роль играет глаз. Поэтому наряду с энергетической оценкой света пользуются оценкой, основанной на непосредственном световом восприятии глаза. Поток излучения, оцениваемый по зрительному ощущению, называется световым потоком Ф. Таким образом, в световых измерениях используются две системы обозначения и две системы единиц, одна из них основана на энергетической оценке света, другая – на оценке света по зрительному ощущению. Связь между световым потоком и потоком излучения (мощностью) выражается формулой (8.1) где Pλ = dP/dλ; V(λ) – относительная спектральная световая чувствительность излучения для стандартного фотометрического наблюдателя МКО; Km – максимальная спектральная световая эффективность, Km = 683 лм/Вт. При вычислении Ф по формуле (8.1) интеграл берут в пределах не от 0 до ∞, а от 380 до 760 нм. Казалось бы естественным положить Km = 1 лм/Вт, но так как световые величины и единицы появились еще в ХVIII веке, а современные единицы для мощности только в XIX в., то последние пришлось согласовывать с уже установившимися световыми величинами. 8.4. Сила света, освещенность и яркость Полный световой поток характеризует излучение, которое распространяется от источника по всем направлениям. Для практических же целей часто важнее знать не полный, а тот поток, который идет по определенному направлению или падает на определенную площадку. В соответствии с этим установлены два вспомогательных понятия – сила света J и освещенность Е. Силой света называется световой поток, рассчитанный на телесный угол, равный стерадиану, т. е. отношение светового потока Ф, заключенного внутри телесного угла Ω, к этому углу: . (8.2) Освещенность – отношение светового потока Ф, падающего на поверхность, к площади σ этой поверхности: . (8.3) Формулы (8.2) и (8.3) определяют среднюю силу света и среднюю освещенность. Они будут тем ближе к истинным, чем равномернее поток или чем меньше телесный угол Ω и площадка σ. Согласно формуле (8.2) Ф = IΩ. Если телесный угол Ω = 0, т. е. лучи строго параллельны, то световой поток также равен нулю. Это означает, что строго параллельный пучок световых лучей не несет никакой энергии, т. е. не имеет физического смысла, – ни в одном реальном опыте не может быть осуществлен строго параллельный пучок. Это чисто геометрическое понятие. Тем не менее, параллельными пучками лучей очень широко пользуются в оптике. Дело в том, что небольшие отступления от параллельных световых лучей, имеющие с энергетической точки зрения принципиальное значение, в вопросах, связанных с прохождением световых лучей через оптические системы, практически не играют никакой роли. Действительные источники обычно являются не точечными, а протяженными. Когда мы рассматриваем какой-либо источник света, для нас имеет значение не площадь самой излучающей поверхности, а размеры видимой поверхности, т. е. проекции излучающей поверхности на плоскость, перпендикулярной к направлению наблюдения. Для характеристики свойств протяженного источника света нужно знать силу света, рассчитанную на единицу площади видимой поверхности источника. Эта световая величина называется яркостью: . (8.4) С учетом (8.2) можно записать . (8.5) 8.5. Законы освещенности Как показывают формулы (8.2) и (8.3), освещенность и сила света связаны между собой. Пусть точечный источник S освещает небольшую площадку σ, расположенную на расстоянии R от источника (рис.8.3). Рис. 8.3. Освещенность, создаваемая точечным источником Построим телесный угол Ω, вершина которого лежит в точке S и который опирается на края площадки σ. Он равен . Поток, посылаемый источником в этот телесный угол, обозначим через Ф. Тогда , , отсюда (8.6) т. е. освещенность площадки равна силе света, деленной на квадрат расстояния до точечного источника. Сравнивая освещенности площадок, расположенных на разных расстояниях R1, R2 от точечного источника, найдем ; и т. д., или , (8.7) т. е. освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния от площадки до точечного источника. Это так называемый закон обратных квадратов. Если бы площадка σ была расположена не перпендикулярно к оси потока, а повернута на угол α, то она имела бы размеры , где σ0 – площадка, пересекающая тот же телесный угол перпендикулярно к оси пучка, так что . В таком случае освещенность площадки σ (8.8) Освещенность, создаваемая точечным источником на некоторой площадке, равна силе света, умноженной на косинус угла падения света на площадку и деленной на квадрат расстояния до источника. Закон обратных квадратов соблюдается вполне строго для точечных источников. Если же размеры источника не очень малы по сравнению с расстоянием до освещаемой поверхности, то формула (8.6) не верна и освещенность убывает медленнее, чем по закону . Формула (8.6) дает вполне хорошее согласие с наблюдением при соотношении (d – размер источника). 8.6. Единицы измерения количественных светотехнических величин Рассмотренные в пунктах 8.3 и 8.4 светотехнические величины носят название количественных светотехнических величин. В системе световых величин за исходную величину принята единица силы света – кандела (кд). Эта единица носит условный характер: в качестве единицы силы света принята сила света некоторого эталонного источника (п. 1.2). За единицу измерения светового потока принят люмен (лм) – световой поток, испускаемый точечным источником, сила света которого равна 1 кд, внутри единичного телесного угла: 1 лм = 1 кд·1 ср. Для излучения, соответствующего максимальной спектральной чувствительности глаза (λ = 555 нм), Ф = 683 лм, если энергетическая сила света равна 1 Вт/ср. За единицу освещенности принимается освещенность такой поверхности, на один квадратный метр которой падает световой поток в 1 лм, равномерно распределенный по площадке. Единица измерения носит специальное название – люкс (лк): 1 лк = 1 лм·1 м-2. Единицей измерения яркости является кд/м2. 8.7. Отражение и рассеивание света Нередко возникает потребность распределения светового потока на большую площадь с целью создания равномерной и умеренной освещенности. Для этой цели обычно заставляют световой поток отражаться от соответствующих поверхностей. Однако надо считаться с тем, что при этом лишь часть светового потока отражается или пропускается телом, часть же неминуемо поглощается. Если некоторое тело отражает свет сильнее, чем окружающие его тела, то оно представляется нам светлым на темном фоне. Если же тело отражает меньше света, чем окружающие тела, то оно будет казаться темным. Прозрачные тела мы видим частично в отраженном, частично в прошедшем через них свете. Поглощение света ведет к потерям в световом потоке, энергия которого расходуется при этом главным образом на нагревание поглощающего тела. Поглощение характеризуется коэффициентом поглощения α, равным отношению поглощенного светового потока Фα к падающему Фi: . (8.9) Отражение светового потока оценивается коэффициентом отражения ρ: , (8.10) где Фρ – отраженный поток. Наконец, для характеристики пропускания света служит коэффициент пропускания τ: , (8.11) где Фτ – поток, прошедший сквозь тело. По закону сохранения энергии , откуда . Коэффициенты α, ρ, τ зависят от длины волны света. Как при отражении, так и при пропускании светового потока следует различать направленное и диффузное (рассеянное) отражение и пропускание. При зеркальном отражении от плоской поверхности телесный угол светового потока не изменится. При рассеянном отражении происходит увеличение телесного угла, в котором распространяется световой поток. Аналогично, направленное пропускание характеризуется сохранением телесного угла при прохождении потока сквозь тело. Диффузное пропускание сопровождается более или менее значительным увеличением телесного угла. Примером диффузно отражающей поверхности может служить матовая бумага; пример диффузно пропускающего материала – молочные стекла. Диффузно отражающие поверхности могут различаться по коэффициенту отражения, который для таких поверхностей называется альбедо. 8.8. Яркость освещенных поверхностей Экраны кинотеатров и аудиторий, окрашенные потолки, стены, декорации и т. п. представляют собой диффузно отражающие поверхности. Такого рода поверхности при освещении играют роль протяженных источников с большими поверхностями и обычно с умеренной яркостью. Яркость такой освещенной поверхности пропорциональна ее освещенности. Действительно, чем больше освещенность, т. е. чем больший световой поток падает на единицу поверхности, тем больше и поток, отраженный этой поверхностью, а, следовательно, и яркость освещенной поверхности. Яркость освещенной поверхности будет, кроме того, тем больше, чем больше ее альбедо, т. е. чем большая часть падающего на поверхность потока рассеивается ею. Таким образом, яркость освещенной поверхности должна быть пропорциональна произведению освещенности Е на альбедо ρ, т. е. L~ρE. Яркость по разным направлениям может быть различна, и вычисление ее представляет сложную задачу. Задача эта упрощается, если поверхность рассеивает свет равномерно по всем направлениям. В таком случае и яркость по всем направлениям будет одинаковой и равной . (8.12) 8.9. Качественные светотехнические величины При нормировании производственного освещения рассматриваются не только количественные, но и качественные светотехнические величины. К последним относятся следующие. Фон – поверхность, прилегающая непосредственно к объекту различения, на которой он рассматривается. Фон считается: светлым – при коэффициенте отражения поверхности более 0,4; средним – при коэффициенте отражения поверхности от 0,2 до 0,4; темным – при коэффициенте отражения менее 0,2. Контраст объекта различения с фоном К определяется отношением абсолютной величины разности между яркостью объекта и фона к яркости фона: (8.13) Контраст объекта различения с фоном считается: большим – при К>0,5; средним – при 0,2≥К≥0,5; малым – при К<0,2. Коэффициент пульсации освещенности КП, % – критерий оценки относительной глубины колебаний освещенности в результате изменения во времени светового потока газоразрядных ламп при питании их переменным током, выражающийся формулой , (8.14) где Емакс, Емин и Еср – соответственно максимальное, минимальное и среднее значание освещенности за период ее колебания, лк. Показатель ослепленности Р –критерий оценки слепящего действия осветительной установки, определяемый выражением Р = (S – 1)∙1000, (8.15) где S– коэффициент ослепленности, равный отношению пороговых разностей яркости при наличии и отсутствии слепящих источников в поле зрения. 8.10. Световые измерения и измерительные приборы Измерение световых величин может производиться непосредственно с помощью глаза (визуальные методы) или с помощью фотоэлемента или термостолбика (объективные методы). Приборы, служащие для измерения световых волн, называются фотометрами. Визуальные методы основаны на свойстве глаза очень хорошо устанавливать равенство яркостей двух смежных поверхностей. В то же время с помощью глаза очень трудно оценить, во сколько раз яркость одной поверхности больше яркости второй. Поэтому во всех визуальных фотометрах роль глаза сводится к установлению равенства яркостей двух смежных площадок, освещаемых сравниваемыми источниками. Так как сравниваемые поверхности делаются диффузно отражающими, то равенство их яркостей соответствует равенству освещенностей. Освещенность площадки, на которую падает свет от более сильного источника, ослабляется тем или иным способом в известное число раз. Установив равенство освещенности двух площадок и зная, во сколько раз ослаблен свет одного из источников, мы можем количественно сравнить силу света обоих источников. Таким образом, во всяком фотометре должны быть два смежных световых поля, одно из которых освещено только одним источником, второе – только другим. Вид сравниваемых полей может быть различен. В большинстве случаев они имеют форму двух смежных полукругов или двух концентрических кругов. Оба сравниваемых поля должны освещаться каждый своим источником под одним и тем же углом; глаз наблюдателя также должен рассматривать оба поля под одинаковыми углами зрения. Для того чтобы получить одинаковую освещенность обеих площадок фотометра, наиболее простым средством является изменение расстояний сравниваемых источников от фотометра при условии применения закона обратных квадратов. Если освещенности площадок одинаковы, то , где I – сила света, R – расстояние. Способ имеет тот недостаток, что варьировать расстояния R1 и R2 практически можно лишь в не очень широких пределах. Другой способ ослабления светового потока от одного из источников состоит в том, что на пути его вводится поглощающее тело, представляющее собой два скользящих друг относительно друга клина, сделанных из материала, поглощающего свет (рис. 8.4). Рис. 8.4. Способ ослабления светового потока Передвигая их, мы изменяем толщину поглощающего слоя и тем самым изменяем степень поглощения светового потока. Предварительно производится градуирование ослабителя: устанавливается, насколько меняется поглощение при смещении клина на определенное расстояние. Фотометры, приспособленные для непосредственного измерения освещенности, называются люксметрами. Воспринимающим устройством в них является фотоэлемент. Под действием света фотоэлемент дает электрический ток тем больший, чем больше освещенность элемента. Люксметры «ТКА –Люкс» предназначены для измерения освещенности, создаваемой различными источниками, произвольно пространственно расположенными. Диапазон измерения освещенности – от 1,00 до 200 000 лк. Люксметры/яркомеры ТКА-04/3 позволяют измерить не только освещенность, но и яркость светящихся поверхностей. Для измерения коэффициента пульсации используют пульсметр-люксметр «Аргус-07». 9. ИОНИЗИРУЮЩИЕ ИЗЛУЧЕНИЯ 9. 1. Строение и важнейшие свойства ядер Ядром называется центральная часть атома, в которой содержится практически вся масса атома и его положительный заряд. Все атомные ядра состоят из элементарных частиц – протонов и нейтронов, которые считаются двумя зарядовыми состояниями одной частицы – нуклона. Протон имеет положительный электрический заряд, равный по абсолютной величине заряду электрона. Нейтрон не имеет электрического заряда. Заряд ядра – равен величине z·e, где z – порядковый номер химического элемента в периодической системе, равный числу протонов в ядре, e – заряд протона. Число нуклонов в ядре А = N + Z называется массовым числом. Здесь N – число нейтронов, Z – число протонов. Нуклонам приписывается массовое число, равное единице, электрону – массовое число, равное нулю. Ядра с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов называются изотопами. Любой химический элемент обозначается символом . Известно около 300 устойчивых изотопов химических элементов и более 2000 естественных и искусственных радиоактивных изотопов. Энергией связи нуклона в ядре называется физическая величина, равная той работе, которую нужно совершить для удаления нуклона из ядра, не сообщая ему кинетической энергии. Энергия связи ядра определяется той работой, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на составляющие его нуклоны, не сообщая им кинетической энергии. Энергия связи ядра является разностью между энергией всех свободных нуклонов, составляющих ядро, и их энергией в ядре. При образовании ядра происходит уменьшение его массы: масса ядра меньше, чем сумма масс составляющих его нуклонов, что объясняется выделением энергии связи. Если Wсв – энергия, выделяющаяся при образовании ядра, то соответствующая ей масса m = Wсв/с2 называется дефектом массы и характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составляющих его нуклонов. Если ядро с массой Мя образовано из z протонов массой mp и из (А – Z) нейтронов массой mn, то Вместо Мя величину Δm можно выразить через атомную массу Ма: (9.1) где mH – масса водородного атома. Критерием устойчивости атомных ядер является соотношение между числом протонов и нейтронов. Условие минимума энергии ядра приводит к соотношению между ZУСТ и А: (9.2) Берется целое число, ближайшее к тому, которое получается по этой формуле. При малых и средних значениях А число протонов и нейтронов в устойчивых ядрах примерно одинаковы. С ростом порядкового номера силы кулоновского отталкивания растут пропорционально Z2, и для компенсации этого отталкивания ядерным притяжением число нейтронов должно расти быстрее числа протонов. 9.2. Радиоактивность Под радиоактивностью понимается превращение неустойчивых изотопов одного элемента в изотопы другого элемента, сопровождающееся испусканием некоторых частиц. Различают искусственную и естественную радиоактивность. Естественная наблюдается у существующих в природе неустойчивых изотопов. Искусственная радиоактивность – радиоактивность изотопов, полученных в результате ядерных реакций. Ядро, испытывающее радиоактивный распад, называется материнским, возникающее дочернее ядро, как правило, оказывается возбужденным, и его переход в основное состояние сопровождается излучением γ-фотона. Самопроизвольный распад атомных ядер подчиняется закону радиоактивного распада: (9.3) где N0 –число ядер в данном объеме вещества в начальный момент времени t =0; N – число ядер в том же объеме к моменту времени t; λ – постоянная распада, имеющая смысл вероятности распада ядра за одну секунду и равная доле ядер, распадающихся в единицу времени. Величина 1/λ является средней продолжительностью жизни радиоактивного изотопа. Характеристикой устойчивости ядер относительно распада является период полураспадаТ1/2 – время, в течение которого первоначальное количество ядер данного радиоактивного изотопа уменьшается наполовину. Связь между λ и Т1/2: Т1/2 = ln2/λ. (9.4) Закон сохранения электрических зарядов при радиоактивном распаде ядер: (9.5) где zя·е – заряд материнского ядра; zi·e – заряды ядер и частиц, возникших в результате распада. Правило сохранения массовых чисел в явлениях естественной радиоактивности: Ая = ΣАi, (9.6) где Ая – массовое число материнского ядра; Аi – массовые числа ядер и частиц, получившихся в результате распада. 9.3. α- и β-распад К основным типам радиоактивности относятся α-распад, β-распад и спонтанное деление. α-частица представляет собой ядро гелия α-распад является свойством тяжелых ядер с массовыми числами более 200 и зарядами более 82. Внутри таких ядер происходит образование обособленных α-частиц, состоящих каждая из двух протонов и двух нейтронов. Образовавшаяся α-частица подвержена большему действию кулоновских сил отталкивания от протонов ядра, чем отдельные протоны. Одновременно α-частица испытывает меньшее ядерное притяжение к нуклонам в ядре, чем отдельные нуклоны. Правило смещения при α-распаде: (9.7) Здесь X и Y – соответственно символы материнского и дочернего ядер. Термином «β-распад» обозначают три типа ядерных превращений: электронный распад (β-), позитронный распад (β+) и электронный захват. Первые два типа состоят в том, что ядро испускает электрон (позитрон) и электронное антинейтрино (нейтрино). Эти процессы происходят при превращении одного вида нуклона в ядре в другой по схеме: В случае электронного захвата (К-захвата) превращение протона в нейтрон идет по схеме и заключается в том, что исчезает один из электронов на ближайшем к ядру К-слое атома. Особенностью этого типа β-распада является вылет из ядра только одной частицы – электронного нейтрино. β--распад происходит у естественно радиоактивных и искусственно радиоактивных ядер; β+-распад характерен только для явления искусственной радиоактивности – возникновения собственных радиоактивных излучений под действием α-частиц,, нейтронов и других частиц. Правило смещения при β--распаде: (9.8) Обычно все типы радиоактивности сопровождаются испусканием жесткого коротковолнового электромагнитного γ-излучения. γ-излучение не является самостоятельным типом радиоактивности, оно не вызывает изменения заряда и массового числа ядра. Установлено, что γ-излучение испускается дочерним ядром, которое в момент своего образования оказывается возбужденным. 9.4. Активность радионуклида Активность – мера радиоактивности, представляет собой число dN спонтанных ядерных превращений, происходящих в источнике ионизирующего излучения за интервал времени dt: А = dN/dt. (9.9) Единица измерения активности – беккерель (Бк) – активность радионуклида в источнике, в котором за время 1 с происходит одно спонтанное ядерное превращение. Внесистемная единица – кюри (Кu). 1 Кu = 3,7·1010 Бк. Активность А связана с числом N радиоактивных атомов в источнике в данный момент времени соотношением A = λ·N, (9.10) где λ – постоянная распада. Так как по закону радиоактивного распада то и активность также уменьшается во времени по экспоненциальному закону: A(t) = A0 exp (-λt), (9.11) где А0 – активность радионуклида в момент времени t=0. С учетом зависимости (9.4) получим N(t) = N0 exp (– 0,693t/T1/2); A(t) = A0 exp (– 0,693t/T1/2). Свяжем массу радионуклида m с его активностью. Масса одного атома в граммах где Ма – атомная масса, Na = 6,02·1023 моль-1 – постоянная Авогадро. M = N·ma = (9.12) Значит, активность в Бк m граммов радионуклида A = (9.13) Отношение активности радионуклида в источнике к его массе или объему называется удельной или объемной активностью соответственно: Am = A/M, Av = A/V, где M и V –масса и объем вещества-носителя радионуклида. Если отношение активности берется к площади поверхности или к длине источника, то эти отношения называются соответственно поверхностной или линейной активностью. Выбор единиц активности определяется конкретной задачей: в воздухе – Бк/м, в воде – Бк/л, в мясе, хлебе – Бк/кг. 9.5. Радиационные дозы и единицы их измерения Экспозиционная доза – отношение суммарного электрического заряда dQ ионов одного знака, созданных электронами, освободившимися в облученном воздухе при полном использовании ионизирующей способности электронов, к массе dm этого воздуха: D = dQ/dm. (9.14) Единица измерения экспозиционной дозы в системе СИ – Кл/кг. Внесистмная единица измерения – рентген (Р). 1 Р = 2,58·10-4 Кл/кг. Доза поглощенная – величина энергии, переданная ионизирующим излучением веществу: П = dE/dm, (9.15) где dE – средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме; dm – масса вещества в этом объеме. Энергия может быть усреднена по любому определенному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В системе СИ поглощенная доза измеряется в Дж/кг и имеет специальное название – грей (Гр). Внесистемная единица – рад. 1 рад = 0,01 Гр. Доза эквивалентная – поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения: HT,R = WR·ПT,R, (9.16) где ПT,R – средняя поглощенная доза в органе или ткани Т; WR – взвешивающий коэффициент для излучения вида R. Установлены следующие значения для взвешивающих коэффициентов: Фотоны любых энергий……………………….…….. 1 Электроны и мюоны любых энергий……………….. 1 Нейтроны с энергией менее 10 кэВ…………………. 5 от 10 кэВ до 100 кэВ…………. 10 от 100 кэВ до 2 МэВ…………. 20 от 2 МэВ до 20 МэВ………….. 10 более 20 МэВ………………… 5 Протоны с энергией более 2 МэВ, кроме протонов отдачи…………………………………………………. 5 Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра….. 20 При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения (9.17) Единицей эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). 1 Зв = 1 Гр/ WR. Внесистемная единица эквивалентной дозы – бэр. Соотношение между этими единицами: 1 бэр = 0,01 Зв. Доза эффективная – величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет собой сумму произведений эквивалентных доз в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты: (9.18) где HT – эквивалентная доза в органе или ткани Т; WT – взвешивающий коэффициент для органа или ткани. Значения взвешивающих коэффициентов для тканей и органов при расчете эффективной дозы приведены в НРБ–99. Отношение любой дозы к промежутку времени, в течение которого она получена, называется мощностью дозы. 9.6. Основные методы измерений характеристик ионизирующих излучений Средства измерений ионизирующих излучений условно делятся на следующие классы. Дозиметры – средства измерений экспозиционной дозы и ее мощности, поглощенной дозы и ее мощности. Радиометры – средства измерений активности радионуклидов в образцах и объектах, объемной активности радионуклидов в жидкостях и газах, объемной активности радиоактивных аэрозолей, удельной активности радионуклидов в твердых и сыпучих материалах, удельной поверхностной активности и др. Спектрометры – средства измерений энергии частиц ионизирующих излучений. В комбинированных приборах могут объединяться функции средств измерений из различных классов. Различие методов измерений связано с использованием различных методов регистрации излучений, применяемых в измерительных преобразователях, и методов обработки, применяемых в аппаратурных средствах обработки информации и измерительных преобразователей. Основные методы регистрации излучений: Калориметрический метод – метод, основанный на измерении изменения температуры твердого или жидкого поглотителя при поглощении в нем энергии излучения. Метод в основном используется в первичных и вторичных эталонах и из-за малой чувствительности и громоздкости измерительной аппаратуры не используется в обычных условиях в сфере контроля радиационной безопасности; ионизационный метод – метод с использованием детекторов с газовым наполнением, в которых заряженные частицы вызывают ионизацию газа. Метод широко используется в рабочих средствах измерения, используемых в сфере контроля радиационной безопасности; сцитилляционный метод основан на использовании органических и неорганических сцинтилляторов, в которых энергия, передаваемая излучением, превращается в световое излучение и регистрируется с помощью детекторов, чувствительных к световому излучению в данном спектре; термолюминисцентный метод заключается в регистрации энергии, запасенной в специальном веществе при взаимодействии излучения с этим веществом и освобождаемой в виде светового излучения при последующем нагревании этого вещества в определенных условиях; полупроводниковый метод – метод, основанный на регистрации изменений свойств полупроводникового детектора, вызванных взаимодействием излучения с полупроводниковым материалом, или регистрации импульсов (тока), возникающих от образования электронов (дырок) в полупроводниковом детекторе падающим на него излучением; фотоэмульсионный метод – метод, основанный на регистрации изменений в фотоэмульсии, вызванных взаимодействием излучения со светочувствительным материалом фотоэмульсии; активационный метод основан на регистрации наведенной активности в детекторах из различных материалов, вызванной в материале при облучении его нейтронами. 10. Лазерное излучение Лазерное излучение (ЛИ) представляет собой особый вид электромагнитного излучения с длиной волны 0,1–1000 мкм. Принцип действия лазеров основан на использовании вынужденного электромагнитного излучения, возникающего в результате возбуждения квантовой системы. В соответствии с биологическим действием диапазон ЛИ может быть разбит на ряд областей: 0,2–0,4 мкм – ультрафиолетовая область; 0,4–0,7 мкм – видимая; 0,75–1,4 мкм – ближняя инфракрасная; свыше 1,4 мкм – дальняя инфракрасная. Чаще всего применяют лазеры с длинами волн 0,34; 0,49–0,51; 0,53; 0,694; 1,06 и 10,6 мкм. Следует различать прямое, отраженное и рассеянное ЛИ. Отраженное ЛИ опасно в той же мере, что и прямое. Основными энергетическими параметрами лазерного излучения согласно ГОСТ 15093-90 являются: энергия излучения Е, энергия импульса Еи, мощность излучения Р, плотность энергии (мощности) излучения Wе (Wр). При описании поля рассеянного излучения используют энергетические характеристики: поток излучения Ф, поверхностную плотность излучения Еэ, интенсивность излучения I. Излучение также характеризуется временными параметрами: длительностью импульса τ, частотой повторения импульсов f, длительностью воздействия излучения t, длиной волны λ. Особенности ЛИ: монохроматичность, когерентность, большая мощность, высокая степень направленности. Монохроматичность предполагает наличие излучения с одинаковой длиной волны (Δλ<10-11 м). При распространении в пространстве двух волн одинаковой частоты, но с разными фазами (φ1, φ2) в некоторый момент времени разность фаз Δφ = ( φ1- φ2) будет оставаться постоянной. Две волны когерентны, если амплитуда, частота, фаза, поляризация и направление распространения этих волн остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Идеальных монохроматических колебаний в природе не существует, т. к. некоторый энергетический уровень имеет конечную ширину, связанную со временем жизни уровня. Длительность процесса излучения τ и естественная ширина линии излучения связаны выражением Принимая Δt (время жизни уровня) равным τ, можно сказать, что ширина линии излучения Δν тем уже, чем больше время жизни уровня. Величину принято называть временем когерентности. Величину называют длиной когерентности. В отличие от других известных оптических источников, излучение лазеров обладает чрезвычайно высокой интенсивностью. Время когерентности составляет примерно 10-3 с. Если, например, предположить, что рубиновый стержень при накачке получил энергию W=20 Дж и высветился за 10-3 с, то поток излучения Фе=20/10-3 Дж/с = 2·104 Вт. Фокусируя это излучение на площади 1 мм2, получим мощность излучения . Мощность твердотельного оптического квантового генератора может достигать 1012 Вт. При воздействии такого излучения на вещество развиваются чрезвычайно высокие температуры. Если учесть, что время воздействия больших плотностей в случае импульсного действия гораздо меньше времени установления стационарного процесса, станет ясно, что при этом происходит взаимодействие интенсивного излучения с веществом в локальном объеме, т. е. в области облучения, не затрагивая соседние области. Лазерные излучения, обладая чрезвычайно высокой интенсивностью, позволяют получать высокие значения электрической напряженности в потоке. Эти значения сравнимы с внутриатомными полями. Одной из важных характеристик лазерного излучения является направленность (коллимация) излучения. Важность коллимации заключается в том, что энергия, переносимая лазерным потоком, может быть собрана (сфокусирована) на малой площади. При санитарно-гигиенической оценке действия лазерного излучения нормируемыми параметрами являются энергетическая экспозиция Н и облученность Е. Энергетическая экспозиция физически эквивалентна плотности энергии, которая представляет собой энергию пучка, поступающую на элементарную площадку δА, деленную на площадь δА. Плотность энергии обычно используется для описания распределения энергии в пучке. Энергетическая экспозиция обычно используется для описания распределения излучения, падающего на поверхность. Обе величины измеряются в джоулях на единицу площади. Облученность (энергетическая освещенность) физически эквивалентна плотности мощности. Обе величины измеряются в ваттах на единицу площади. Библиографический список 1. Безопасность жизнедеятельности: Учеб. пособие / Под ред. С.В. Белова. – М.: Высш. шк., 1999. – 378 с. 2. Безопасность производственных процессов: Справочник / С.В. Белов, В.Н. Бринза, Б.С. Векшин и др.; Под общ. ред. С.В. Белова. – М.: Машиностроение, 1985. – 448 с.: ил. 3. Борьба с шумом на производстве: Справочник / Е. Я. Юдин, Л. А. Борисов, И. В. Горенштейн и др.; Под общ. Ред. Е. Я. Юдина – М.: Машиностроение, 1985. – 400 с. 4. Гигиенические критерии оценки и классификация условий труда по показателям вредности и опасности факторов производственной среды, тяжести и напряженности трудового процесса // Руководство Р 2.2.755 - 99. 5. ГОСТ 12.0.003-74. ССБТ. Опасные и вредные производственные факторы. Классификация. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 5 с. 6. ГОСТ 12.1.003-83. ССБТ. Шум. Общие требования безопасности. – М.: Изд-во стандартов, 1991. – 14 с. 7. ГОСТ 12.1.005-88. ССБТ. Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны. – М.: Изд-во стандартов, 2000. – 49 с. 8. ГОСТ 12.1.006-84. ССБТ. Электромагнитные излучения. Общие требования безопасности. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 5 с. 9. ГОСТ 12.1.012-90. ССБТ. Вибрационная безопасность. – М.: Изд-во стандартов, 2003. – 12 с. 10. Долин П.А. Справочник по технике безопасности. – 6-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 824 с. 11. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: Энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экологическим и медицинским измерениям. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 2002. – 488 с. 12. Куклев, Ю. И. Физическая экология: Учеб. пособие для техн. спец. вузов / Ю. И. Куклев. - М.: Высш. шк., 2001. – 357 с. 13. Максимов М. Т. Оджагов Г. О. Радиоактивные загрязнения и их измерение: Учеб. пособие. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 304 с. 14. Нормы радиационной безопасности (НРБ-99) СП 2.6.1.758-99. – М.: НПК «Апрохим», 2000. – 109 с. 15. СанПиН 2.2.2/2.4.1340-03. Гигиенические требования к персональным электронно-вычислительным машинам и организации работы: Санитарные правила и нормы. М.: Информ.-изд. центр Минздрава России, 2004. – 48 с. 16. СниП 23-05-95. Естественное и искусственное освещение. – М.: Изд-во стандартов, 1996. – 36 с. 17. Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. пособие для инженер.-техн. спец. вузов / Т. И. Трофимова; 7-е изд., стер. - М.: Высш. шк., 2001. - 542 с. 18. Элементарный учебник физики. Учеб. пособие для вузов: В 3 т. / Г. С. Ландсберг, С. Г. Калашников; Сост. С. Г. Калашников. – 10-е изд., перераб. – М.: Наука, 1985. 19. Эргономика зрительной деятельности человека / В. В. Волков, А. В. Луизов, Б. В. Овчинников, Н. П. Травникова. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989. – 112 с. 20. Энциклопедия по безопасности и гигиене труда: Пер. с англ. – М.: Мир, 1985-1988. Т. 1-4. Редактор Т.А. Жирнова ИД № 060339 от 12.10.2001 Свод. темплан 2005 г. Подписано к печати 20.09.05. Бумага офсетная. Формат 60х84 1/16. Отпечатано на дупликаторе. Усл. печ. л. 5,0. Уч.-изд. л. 5,0. Тираж экз. Заказ Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр-т Мира, 11 Типография ОмГТУ