CC BY
9
П. И. ЛЕУШИН
Количественная оценка чувствительности человека к сотрясениям
Из Ленинградского научно-исследовательского санитарно-гигиенического института
Настоящая работа имеет в виду обобщить собранный различными авторами материал по 'восприятию механических колебаний человеком и дополнить его своими наблюдениями с тем, чтобы научно обосновать возможность построения шкалы чувствительности человека к сотрясениям.
Известно, что между физической силой, звука и слуховыми ощущениями, между физической силой световых раздражений и зрительными восприятиями, между тяжестью и ее восприятием существует в некоторых пределах логарифмическая зависимость, определяемая известным психофизическим законом Вебера-Фехнера. По этому закону соотношение между силой физического раздражителя и степенью ощущения его человеком определяется формулой:
Е = (1)
где Е — степень ощущения, Я0 — исходное (начальное) значение физического раздражения, Я — любое другое значение того же раздражителя, к — коэфициент пропорциональности. Формула показывает, что степень ощущения физических раздражений изменяется пропорционально логарифму отношения интенсивностей соответствующих раздражений.
Со времени установления логарифмической зависимости между объективным раздражением и субъективным ощущением прошло около 100 лет. За это время значение ее выяснено всесторонне. Многочисленные исследования в отношении различных раздражителей показали, что если не считать крайне высоких и крайне низких величин объективных раздражений, то равновеликие едва заметные приращения ощущений бывают всегда вызваны равновеликим относительным приращением раздражений, как бы ни изменялись абсолютные величины этих последних.
Количественная связь раздражений с ощущениями, определяемая формулой (1), прочно вошла в науку, и ею пользуются не только физиологи, но и техники при звуко- и светотехнических расчетах.
При применении формулы О) Для гигиенической оценки ощущения сотрясений возникает вопрос, какой же величиной следует определять степень физического раздражения Я и
Рассмотрим сначала, какими величинами Я характеризуют другие внешние раздражители при пользовании этой формулой.
В отношении зрительных восприятий известно, что их интенсивность связана не с количеством эргов светового излучения <3, воспринимаемых глазом в тот или иной промежуток времени ( секунд, а с мощностью излучения т. е. с величиной = у; эта величина называется лучистым
потоком и может измеряться в эрг/см2/сек.
Известно также, что для начальной силы звука в формуле (1) при вычислении интенсивности слухового ощущения принимается:
^ = Ю- ь ватг/сек=10 9 эрпсм2/сек, т. е. опять же величина мощности звукового потока на 1 см2. В случае ощущения тяжести, составляющем на первый взгляд как бы исключение из этого правила, мы реагируем в сущности также на мощность потенциальной энергии тяжелого тела.
Из изложенного следует весьма вероятное заключение, что и ощущение вибрации не составляет в этом отношении исключения и также следует за мощностями 'вибраций. Именно мощность вибрации или сотрясе-
ния является тем объективным показателем действия сотрясений, который должен быть принят в формуле ¡(1).
Из теории гармонического колебательного движения известно, что средняя энергия за один период, т. е. за время 7', выражается формулой:
Е — к ,
где к—постоянный коэфициент, А — амплитуда колебаний. Разделив это выражение на Т, мы получим энергию колебательного движения за единицу времени, т. е. мощность его — I
Д = • , (2)
или, заменяя период Т колебательного движения частотой:
Д = к А2п\ (3)
Применимость формулы (1) к восприятию механической вибрации человеком была проверена нами экспериментально.
Если относительный порог мощности вибраций независимо от амплитуд и частот их остается постоянным, то уравнение (1) может служить основой для построения шкалы субъективных ощущений.
Для постановки опытов с целью проверки изложенных 'выше соображений потребовалось создать вибрационную платформу, на которой можно было бы испытуемого человека подвергать действию вибраций.
Конструкция такой виброплатформы должна позволить плавное изменение .по желанию наблюдателя амплитуд и частот колебаний как основных характеристик вибрационного режима.
Виброплатформа, удовлетворяющая этим требованиям, была сконструирована нами на электромагнитном принципе возбуждения.
Исследования были произведены над десятью лицами при различных частотах колебаний виброплатформы как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении. Человек находился в лежачем положении на виброплатформе; голову он помещал на скрещенные позади нее руки, которые выполняли в данном случае роль амортизатора колебаний.
После каждого незначительного изменения амплитуды подопытному задавался вопрос, чувствует ли он какое-либо изменение вибрации и если да, то увеличение или уменьшение. На основании ответов можно было установить порог чувствительности и, как показал опыт, с достаточной точностью. Определения амплитуд и частот при этом производились объективными методами.
Результаты наблюдений показали не только весьма удовлетворительное совпадение относительных вибрационных порогов /г) Для од"
ного и того же лица при разных амплитудах и одинаковых частотах, но и для разных лиц они оказались почти одинаковыми. Последнее обстоятель-
1А л/г
ство позволило вычислить средние амплитудные -д и мощностные
пороги по показаниям разных лиц. Результаты вычислений помещены в следующей таблице с указанием средней ошибки их определения.
Данные этой таблицы показывают, что относительные амплитудные пороги ощущения вибраций в пределах частот от 4 до 25 Нг одинаковы и равны приблизительно 10°/о1 задаваемой амплитуды.
О чувствительности человека к вибрациям разных частот можно судить на основании величины Д/'. Эти величины, выраженные в бриггах, представляют собой наименьшие различимые ступени. При вертикальной вибрации с частотой 6—7 Нг человек способен различить около 4 500 таких ступеней, расположенных между начальным и болевым порогом ощущения, а при частоте 25 Нг — уже только 540.
Высокую чувствительность человека к вибрациям с частотой 6—7 Нг можно объяснить наличием резонанса между собственными колебаниям« " отдельных органов человеческого тела и вынужденными.
Частоты в герцах Пределы амплитуд в мм Д А Средняя ошибка д/? Средняя ошибка Д р в бриггах
А Л
Вертикальная вибрация
4 0,14-2,30 0,10 ±0.03 0,9-Ю-2 +0.3-10-2 0.04
6 0 08-1,65 0,с7 0,02 о.з-ю-2 о.мо-2 0,01
7 0,16-1,22 0,07 0,02 0,3-Ю-2 0,1-10~2 0,01
9 0,12-0,36 0,10 0,03 0,7- Ю-2 0,2-10-2 0,03
10 0,05—0,21 0,10 0,03 0,8-Ю-2 0,3-10~2 0,03
15 0 05 -0,17 0,08 0.03 0.610-2 0,2- Ю-2 0,02
20 0,07—0.13 0,10 0.03 0,8-10-2 о.з-ю-2 0,03
¿5 0,05 -0,11 0,12 0,04 1,5* 10~2 0,5-10 2 0,06
Го ри зо шальная ви браи и я в д О Л 1 оси тела
4 0,38 -4,74 0,13 ±0,04 1,4-Ю-2 +0.4-Ю-2 0,06
6 0,13—1,81 0,08 0,02 1,0-10"2 0,3-Ю-2 0,04
7 0,12-0,94 0,10 0,03 1,2-10-2 0,3-Ю-2 0.05
9 0,11-0,47 0,10 0,03 1,2 10~2 ' 0,3-ю-2 0,05
10 0,11-0,30 0,12' 0,04 1,7-Ю-2 0,5-1(Г2 0,07
Следует заметить, что все указанные величины порогов и их числа между двумя крайними границами ощущений вибраций при различных частотах получены при условии непосредственной замены одной вибрации другой. Если последовательная смена между этими двумя вибрациями будет разделена некоторым промежутком времени, то величины порогов Ар заметно увеличатся, а их число будет значительно меньше.
Работа по определению относительных порогов ощущения вибраций доказала справедливость логарифмической зависимости между физической мощностью вибраций и интенсивностью их ощущения. Логарифмическая единица ощущения вибраций человеком —бритт — и шкала бриг-гов, построенная на основании формулы (1), получают законное право на существование.
Для практического применения шкалы бриггов потребовалось сопоставить шкалу бриггов с субъективными оценками соответствующих вибраций. Далее необходимо было определить область применимости шкалы бриггов и, вследствие неодинаковой чувствительности человека к вибрациям разных частот, установить шкалу эквивалентных бриггов, дать оценку точности ее практического применения.
Сопоставление шкалы бриггов с субъективными оценками вибраций произведено нами на основании результатов испытаний, проведенных Рейером и Мейстером. Их наблюдения позволили разделить всю область воспринимаемых человеком колебаний на пять отдельных областей со следующими характеристиками: слабо ощутимые, хорошо ощутимые, сильно ощутимые, неприятные и тягостные. Нами были вычислены для разных частот величины вибраций в бриггах, относящиеся к границам отдельных областей. Порог начального ощущения вибраций меняется в пределах до 10 бриггов при разных частотах, и величина ощущения вибраций в бриггах будет зависеть от того, какую величину мы примем за начальный порог. В нашей работе мы относили ощущение вибраций к на-
2 Гигиена и санитария, № 10
чальному порогу для 10 Нг вибрации. При восприятии вертикальной вибрации лежачим человеком порог начального ощущения, соответствующий 10 Нг вибрации, равен /?0 = 1,26 см2/сек, а при восприятии горизонтальной вибрации, действующей в направлении оси тела, Яо=0,66 см2/сек. Эти пороги и были приняты при производстве пересчета.
Выбор 10 Нг вибрации в качестве основной, с которой производится сравнение ощущений вибрации любой другой частоты, сделан нами по аналогии с установлением шкалы децибелл в физиологической акустике. В дальнейшем будет показано, что такой выбор практически себя оправдывает.
Для наглядности количественных оценок в бриггах различных вибраций дадим их характеристику: 0—10 бриггов — слабо ощутимо, 10—22 — хорошо ощутимо, 22—33 — сильно ощутимо, 33—40 — неприятно, 40 бриггов и выше — тягостно.
Заметим здесь, что при всех наших вычислениях количеств бриггов по формуле (1) коэфициент к, стоящий перед логарифмом отношения
мощностей, принят равным 10. Выбор этого численного значения коэфициен-та к удобен в том отношении, что вся шкала бриггов от порога начального ощущения до болевого порога выражается небольшими числами. Такое же значение к принято и в шкале децибелл для оценки громкости звука или шума*
Представление о точности оценки ощущения вибрации разных частот по шкале бриггов, построенной, исходя из начального порога ощущения 10 Нг вибрации, можно получить из рисунка. На этом рисунке по оси ординат отло-ю го зо ^о 5,о жены бригги над порогом 10 Пг вибрации для вертикальных колебаний разных частот, указанных при соответствующих графиках на чертеже, а по оси абсцисс отложены бригги эквивалентной 10 Нг вибрации над ее собственным порогом. При таком изображении бригги 10 Нг вибрации над ее собственным порогом будут лежать на прямой, идущей под углом в 45° к оси абсцисс. Отклонения других графиков от этой прямой показывают, на сколько бриггов будет отличаться ощущение вибрации другой частоты от эквивалентной 10 Нг вибрации.
Наибольшее несоответствие между ощущаемой и эквивалентной вибрацией достигает 6 бриггов. При оценке эффективного вибрационного воздействия указанное несоответствие не может иметь практического значения. Заметим зДесь, что в физиологической акустике при оценке громкости звука по шкале децибелл, построенной на начальном пороге слухового восприятия 1 000 Нг тона, существующее несоответствие между эквивалентной громкостью и пороговой доходит до 60 децибелл.
Шкала бриггов имеет большое значение при гигиенической оценке сотрясений на объектах коммунального хозяйства, где преобладающие частоты колебаний находятся в диапазоне от 6 до 20 Нг. Пользуясь этой шкалой, можно определять степень воздействия вибраций на человека одним числом. Широкое применение в гигиенической практике эта шкала получит после того, как будут построены специальные приборы для измерения сотрясений и вибраций, градуированные на бригги. В настоящее время схема такого прибора нами разработана и уже построена опытная модель.
¡о
40
30
20
Ю
5 г ери^ 1 'УЮгери
/ // г'' ' г
л // ^л * л // 1
20 герц,-\<>»
/// / / Л ' 40 герц
