ФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ЭКОМОНИТОРИНГА

Мониторинг шумового загрязнения

Одним из важнейших физических видов загрязнения окружающей природной среды является акустический шум. Шум представляет собой беспорядочное сочетание звуков — механических колебаний в области частот от 16 до 20000 Гц, воспринимаемых ухом человека. Его источниками являются всевозможные движущиеся объекты, а его действию подвергаются люди в условиях производства, на улице и в быту.

Исследованиями установлено, что по степени вредности воздействия шуму принадлежит второе место после химического загрязнения окружающей среды. Шум оказывает влияние на слух, на центральную нервную и сердечно-сосудистые системы, а с ними и на весь организм человека. Люди, подверженные действию шума, быстро утомляются, у них часта одышка, боли в сердце, сердцебиение, неустойчивость кровяного давления, психические расстройства, изменения желудочно-кишечного тракта и другие заболевания. Совокупность этих симптомов, появляющихся у человека под воздействием шума рассматривают как «шумовую болезнь».

Особенно вредное влияние на организм оказывают импульсные и инфразвуковые источники звука, где среди других присутствуют колебания с частотой ниже 16 Гц и с динамическим диапазоном до 75 — 85 дБ, ухудшающие условия труда и отдыха населения. Так, интенсивные инфразвуки с частотой порядка 7 Гц, совпадающей с так называемым «альфа-ритмом мозга», влекут серьезные функциональные нарушения здоровья человека. Эти шумы присущи производству (клепка, штамповка, ткачество, работа двигателей и др.), транспорту (движение самолетов, автомобилей, катеров, поездов и др.) и бытовым условия проживания людей (работа пылесосов, стиральных машин и, особенно музыкальной аппаратуры с современными сверх низкочастотными трактами и акустическими системами высокой мощности).

Основным источником шума, оказывающим влияние на большинство из нас, являются транспортные потоки. Динамический диапазон их акустического шума составляет 75 — 85 дБ (болевые пороги слуха — 95 дБ для частоты 100 Гц и 120 дБ для 1000Гц). Вблизи автомагистралей шум в течение 15—18 часов на уровне 50 — 70 дБ воздействуют на организм человека, ухудшая условия его труда и отдыха.

Поданным ГоскомсанэпиднадзораРоссии, в 1996 г. на производстве воздействию сверх допустимых уровней подвергались 37,4% работающих на 58% предприятий, на транспорте— соответственно 50,8 и 61,6% (самые высокие показатели). Для объектов коммунального хозяйства, пищевой промышленности, общественного питания и торговли эти цифры несколько меньше. В городах обстановка по фактору шума более неблагоприятна, чем в сельской местности. Согласно результатам наблюдений, доля городов и сельских населенных пунктов с превышением допустимого уровня шума в жилых и общественных зданиях составляет, соответственно, 23,1 и 7,3%. Неблагоприятную акустическую обстановку, особенно в крупных городах, в районах жилой застройки создают объекты железнодорожного транспорта и аэропорты. Следует отметить, что реальная картина акустического загрязнения окружающей среды пока не ясна. Центры Госкомсанэпиднадзора России не располагают средствами измерений в достаточном количестве, а по причине дефицита финансирования не в состоянии приобрести новые [42].

Уровень шумового загрязнения можно измерять с помощью специальных приборов — шумомеров. Однако в задачах школьного мониторинга этот метод измерения мало применим из-за дефицитности и дороговизны шумомеров. Поэтому ниже описывается простая методика измерения шума с использованием устройств, которые имеются практически в любом кабинете физики — это кассетный магнитофон и аво- метр. Проведение такого гигиенического мониторинга акустического шума, производимого автотранспортом и предприятиями в микрорайоне своей школы осуществляется учениками под руководством учителя физики. Методика исследований состоит из двух этапов — записи акустического шума на магнитофон и его анализа в лабораторных условиях любым из предложенных ниже методов.

Проведение мониторинга шума

1. Проведение предварительного обследования территории.

На территории микрорайона школы выбирается ряд контрольных точек (одна или несколько), где будут проводиться наблюдения (наиболее шумные места, важные для жизни людей или просто более удобные для периодических исследований шума). Этим точкам присваивают номера и их наносят на план-карту микрорайона школы.

2. Определение конкретного времени проведения периодических наблюдений. Поскольку уличные шумы крайне неравномерны в разные периоды времени, то выбранное время должно быть всегда одним и тем же, что дает возможность сравнения шумового уровня территорий, а также прослеживать динамику шума на одной и той же территории. Кроме того, время измерений должно быть удобным для учащихся.

Периодичность исследований шума устанавливается в зависимости от задач исследовательской группы — раз в неделю, раз в месяц, в сезон, в год. В журнал результатов наблюдений мониторинга заносится для каждого объекта: час, день недели, месяц и год измерения шума.

3. Первый этап исследований шумового загрязнения в каждой точке наблюдения заключается в записи акустического шума на переносный магнитофон без автоматической регулировки уровня записи (АРУЗ), или с отключенной АРУЗ. Уровни записи и тембра устанавливаются в постоянное положение и в дальнейшем, при проведении мониторинга, они всегда остаются одинаковыми. Их положение заносится в журнал, куда записывается и марка микрофона (при использовании внешнего микрофона).

Время записи шумов на улице составляет обычно 10—15 минут. В микрофон по окончанию записи шумов сообщается номер объекта, час, день недели, месяц, год и фамилии учеников, проводивших исследования. Запись служит документом мониторинга шумового загрязнения.

Настройка каждого из таких приборов для записи шума делается при проведении предварительных исследований и заключается в выборе положений всех регуляторов магнитофона, с записью в лабораторном журнале.

4. Второй этап исследований шумового загрязнения — это наиболее ответственная часть мониторинга. Анализ и оценка записанных на пленку шумов (шумо- метрия) проводится в кабинете физики на базе стандартного оборудования школьного физического кабинета. Здесь могут быть использованы несколько подходов для измерения интенсивности записанного шума.

Акустический метод сравнения

Акустический метод сравнения (фонометрия шума) является субъективным методом определения громкости шума путем сравнения его с чистым тоном.

Для этого метода необходим школьный звуковой генератор, к выходу которого подключен громкоговоритель (всегда один и тот же). Параллельно громкоговорителю включается вольтметр, например школьный аво- метр для контроля напряжения звуковой частоты. Частота выбирается всегда одна и та же (например 1000 Гц). Громкоговоритель и магнитофон располагаются рядом, чтобы оба звука воспринимались одновременно.

Ход работы

Магнитофон включается на воспроизведение записанного на улице шума. Ручки регуляторов громкости и тембра устанавливается в строго определенном положении (всегда одинаковом), например: уровень громкости — 2 деления, регуляторы тембра выведены на максимум.

На школьном звуковом генераторе с помощью регулятора уровня звука устанавливается интенсивность звука так, чтобы оба звука (из магнитофона и громкоговорителя) были одинаковой громкости. Тогда уровни шума и сигнала сравнения будут считаться равными. Показания вольтметра, контролирующего напряжение звуковой частоты, записываются в лабораторный журнал. Измерения проводят не менее 10 — 20 раз и рассчитывается среднее значение. Это среднее напряжение и характеризует уровень шума в точке, где проводилась запись.

Отметим, что акустический метод сравнения можно реализовывать и посредством наушников, у которых один из телефонов подключен к звуковому генератору, а другой к магнитофону.

Акустометрический метод

Акустометрический метод является объективным способом определения громкости шума по уровню электрического сигнала.

Магнитофон включают на воспроизведение шума (ручки всех регуляторов в стандартном, строго определенном положении), к его выходу через согласующее устройство подключается вольтметр (школьный авометр, или гальванометр, включаемый через добавочное сопротивление) . Согласующее устройство предназначено для некоторого сглаживания шума. Оно представляет собой обычный выпрямитель напряжения шума (диод из школьного набора полупроводников) со сглаживающим фильтром, состоящим из резистора и конденсатора (можно использовать конденсатор — магазин емкостей на 64 мкФ из школьного набора). Параметры фильтра (номиналы емкости конденсатора и значения сопротивления резистора) подбираются экспериментально. Эти значения остаются всегда одними и теми же и вносятся в лабораторный журнал.

Ход работы. Включается магнитофон в режиме воспроизведения шума, производится отсчет среднего положения колеблющейся стрелки (в единицах напряжения) и записывается в журнал. Измерения проводят 10 — 20 раз, после чего рассчитывается среднее значение напряжения, которое и характеризует уровень шума в точке, где проводилась запись шума.

Компьютерный метод

Появление в школах компьютеров позволяет проводить наиболее точную оценку уровня громкости шума по характеристикам его электрического сигнала. В этом методе магнитофон включают на воспроизведение записанного на улице шума (ручки всех регуляторов в стандартном, строго определенном положении). К его выходу подключается вход звуковой карты компьютера. Шумовой сигнал поступает в компьютер и обрабатывается с помощью стандартных программ. Это позволяет получить значения средней мощности и спектра шума. Все характеристики шумов записываются и хранятся в файловом виде. Проведение оценок изменений в мониторинге акустического шума производится непосредственно компьютером, путем сопоставления файлов, полученных в разное время.

В заключение отметим, что те, кто любит мастерить, могут самостоятельно изготовить портативный шумо- мер для оценки уровней шума непосредственно в точках мониторинга. Не останавливаясь на бесчисленных возможностях конкретных конструкций прибора, поясним его структурную схему. Такой шумомер состоит из микрофона (например пьезоэлектрического капсюля), усилителя шумовых сигналов (на базе операционного усилителя), выпрямителя переменного напряжения (диода), активного фильтра (на базе операционного усилителя), стрелочного индикатора (микроамперметра) и источника питания (батарейки).

Ниже приводится описание испытанного на практике и хорошо зарекомендовавшего себя способа измерения шума акустометрическим методом.

Рекомендуемый метод шумометрии

Ход работы

Цель: исследование шумового загрязнения школы, микрорайона.

Оборудование: кассетный магнитофон (например, «Романтик-306»), многопредельный авометр (например, Ц-4317), таймер (в качестве таймера можно использовать любое фотореле, используемое в фотолаборатории или простейший самодельный релаксационный генератор, например на основе динистора).

Порядок выполнения работы:

• 1 этап. Запись акустического шума на магнитофон
• 1. На территории своего микрорайона выбираются контрольные посты (точки наблюдений). Эти точки нумеруют и их местоположение наносят на план микрорайона школы.
• 2. Заранее устанавливаются конкретное время исследований шума (час, день недели, месяц) и периодичность измерений (раз в неделю, раз в месяц, в сезон, раз в год). Время наблюдений должно быть всегда одним и тем же, оно заносится в журнал мониторинга для каждого контрольного поста — час, день недели, месяц и год.
• 3. С помощью переносного магнитофона вначале записывается наиболее шумный объект (например, шумная улица). При записи ручку «Уровень записи» необходимо установить так, чтобы стрелка индикатора уровня не заходила за критическую отметку (на красное деление).
• 4. Положение регулятора уровня записи заносится в журнал и в последующих записях сохраняется. Запись шума производится в течение 10— 15 мин.
• 2 этап. Анализ шума в лабораторных условиях

Анализ записанных на пленку шумов (шумометрия) проводится акустометрическим методом стандартным школьным оборудованием кабинета физики.

Рис. 9.1. Блок-схемы установки для анализа шума

Уровни силы тока выходного сигнала магнитофона, включенного на режим воспроизведения шума (ручки регуляторов громкости и тембра устанавливают в положении максимума), измеряют школьным авомет- ром, включенным последовательно с динамиком. Аво- метр включается в режиме измерения переменного тока. Для удобства работы (приглушения шума) магнитофон можно установить в коробку и закрыть тканью. Сила тока измеряется через равные промежутки времени 5—10 секунд в течение всей записи. Пределы измерения силы тока на авометре выбираются в зависимости от интенсивности звука, записанного на магнитофон.

В качестве таймера можно использовать фотореле (например, МИГ — 2). К выходу фотореле вместо фотоувеличителя подключается настольная лампа. При ее выключении фиксируется отклонение стрелки прибора.

Анализ шума проводят два человека. Один фиксирует отклонения стрелки прибора и сообщает другому, который заносит значения силы тока (делений шкалы) в рабочую тетрадь. Для удобства лучше заносить вначале количество делений шкалы измерительного прибора, а затем с учетом цены деления шкалы прибора перевести в значения силы тока. Каждый объект анализируется по три раза.

Результаты измерений оформляют в виде таблицы (табл. 9.1).

Пример оформления результатов измерений

Опыт №1. Шумная улица. Измерение №1.

Прибор: авометр Ц —4317

Предел 1А.

Таблица 9.1.

Зная значения силы тока и сопротивление динамика, рассчитываются мощности для выбранных интервалов времени.

Результаты измерений обсчитывают по формуле

где Р — мощность на выбранных интервалах времени, Вт,

R — сопротивление динамика, Ом, I — сила тока, А.

3 этап. Обработка результатов измерений

По полученным значениям мощностей строится график зависимости мощности шума Р(Вт) от времени t(c). Вертикальная ось мощности шума Р разбивается на несколько (10 — 20) секторов, которые нумеруются, (рис. 9.2).

Для каждого сектора зоны подсчитывается количество точек, соответствующих определенному интервалу мощностей шума, р^.

По полученным результатам строится график — гистограмма. По горизонтальной оси откладываются номера этих секторов или мощности шума. Каждому сектору соответствует определенное значение мощности. По вертикальной оси откладываются отношение числа точек в зоне щ к общему количеству точек N (щ/N) или это отношение выраженное в процентах (щ/N) • 100% (рис. 9.3).

Используя гистограмму, рассчитывают средневзвешенное значение мощности шума по формуле:

где Р_ср — средневзвешенное значение мощности, N — общее количество точек,

Pi — мощность, соответствующая сектору i, щ — число точек в секторе i.

4 этап. Оценка и анализ результатов измерений

Отметим, что по данной методике можно количественно оценивать значения интенсивности звука в пределах от 40 (читальный зал) до 80 (шумная улица) дБ. При этом исключаются звуки наименьшей и наибольшей интенсивностей, так как магнитофон не может охватить по интенсивности весь звуковой диапазон.

По полученным трем значениям средневзвешенных мощностей определяется среднее значение мощности и оцениваются результаты измерений — вычисляются абсолютная и относительная погрешности рассеяния.

При выборе количества секторов мощностей около 20 данная методика позволяет определять средне-

Рис. 9.2. Распределение экспериментальных точек по секторам

Рис. 9.3. Гистограмма спектра мощности шума исследуемого объекта

взвешенные значения мощностей с относительной погрешностью рассеяния порядка 2 — 5%.

Из гистограммы видно, что среднее значение мощности шума, которое присуще данному объекту, соответствует максимальным значениям отношений n/N (самые высокие столбцы на гистограмме — ее огибающей). Гистограммы наглядно показывают, звуки какой мощности наиболее характерны для данного объекта. Для каждого объекта они имеют свой вид, например, для читального зала самые высокие столбцы гистограммы смещены в область малых мощностей, а для шумной улицы, наоборот — в область больших мощностей.

Поскольку динамический диапазон интенсивности звука достаточно широк, целесообразно введение логарифмической шкалы. По этой шкале звук измеряется в уровнях интенсивности (уровнях громкости) в децибелах. Поэтому при оценке результатов измерений, полученных данным методом, может возникнуть необходимость сравнения этих результатов с другими данными, где результаты представлены в децибелах. В этом случае возникает необходимость иметь результаты измерений средневзвешенной мощности в децибелах.

Для грубой оценки можно предложить следующий метод — графический. Экспериментально определяются значения средневзвешенных мощностей для 3-х объектов, например шумная улица, шумное помещение, читальный зал. Известны для этих объектов уровни шума в децибелах (эти данные можно взять из справочника по физике). Так, например, уровень шума для шумной улицы 80 дБ, шумного помещения — 70 дБ, читального зала — 40 дБ. Из экспериментальных данных рассчитываются логарифмы средневзвешенных мощностей: шумная улица, 1дР_ср = 0,43, шумное помещение, 1дР_ср — — 0,44, читальный зал, 1дР_ср = — 3,8. По этим данным строится график — по вертикальной оси откладывается логарифм средневзвешенной мощности, по горизонтальной — уровень шума в децибелах.

Используя график, можно перевести значения средневзвешенных мощностей, полученных при шумо- метрии с помощью магнитофона, в уровни шума в децибелах для интервалов от 40 до 80 дБ (рис 9.4).

Отметим, что для более точного перевода средневзвешенных мощностей в уровни шума в дБ необходимо использовать шумомер, которым располагают службы санэпиднадзора, используя вышеизложенный метод.

Рис. 9.4. График для перевода средневзвешенной мощности в децибелы

5 этап. Отчетность

Для каждого поста наблюдений подсчитывают средневзвешенное значение мощности шума, которые заносят в графы экопаспорта (табл. 9.2).

Таблица 9.2.

Мощность шума на территории микрорайона школы