Dźwięk. Ultradźwięki. Infradźwięki. Hałas. Wibracje.
dr hab. n. med. Barbara Nieradko-Iwanicka
Katedra i Zakład Higieny Uniwersytetu Medycznego w Lublinie
Dźwięk to fala akustyczna rozchodząca się w danym ośrodku sprężystym (ciele stałym, płynie, gazie) zdolna wytworzyć wrażenie słuchowe, które dla człowieka zawarte jest w paśmie między częstotliwościami granicznymi od ok. 16 Hz do 20 kHz ( Ryc.1.). Pod względem fizycznym - dźwięk jest falą akustyczną polegającą na rozchodzeniu się drgań mechanicznych źródła dźwięku w środowisku sprężystym (powietrze, ciecze, ciała stałe). Pod wpływem drgań źródła dźwięku dochodzi do ruchu cząstek ośrodka względem położenia równowagi. Wywołuje to lokalne zmiany ciśnienia ośrodka względem ciśnienia statycznego (np. ciśnienia powietrza atmosferycznego). Zmiany ciśnienia przenoszą się w postaci kolejno po sobie następujących, lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń cząstek ośrodka w przestrzeń, tworząc fale akustyczną.
Cechy charakteryzujące zjawiska akustyczne
Prędkość
Okres drgań akustycznych
Faza drgań akustycznych
Częstotliwość drgań akustycznych
Długość fali akustycznej
Fale dźwiękowe
to rodzaj fal ciśnienia. Zaburzenia te polegają na przenoszeniu energii mechanicznej przez drgające cząstki ośrodka (zgęszczenia i rozrzedzenia) bez zmiany ich średniego położenia. Drgania mają kierunek oscylacji zgodny z kierunkiem ruchu fali (fala podłużna).
Ze względu na zakres częstotliwości można rozróżnić cztery rodzaje tych fal:
infradźwięki - poniżej 20 Hz,
dźwięki słyszalne 20 Hz - 20 kHz - słyszy je większość ludzi,
ultradźwięki - powyżej 20 kHz.
Poziom natężenia dźwięku - logarytmiczna miara natężenia dźwięku w stosunku do pewnej umownie przyjętej wartości odniesienia, wyrażana w decybelach. Skala decybelowa natężenia dźwięków jest skalą obiektywną. Wielkość ta wyznaczana jest ze wzoru:
gdzie:
L - poziom natężenia dźwięku
I - natężenie dźwięku
I0 - wartość odniesienia, wynosząca 10-12 W/m2
Poziom natężenia dźwięków wytwarzanych w różnych sytuacjach:
10 dB - szelest liści przy łagodnym wietrze
20 dB - szept
30 dB - bardzo spokojna ulica bez ruchu
40 dB - szmery w domu
50 dB - szum w biurach
60 dB - odkurzacz, rozmowa
70 dB - wnętrze głośnej restauracji, darcie papieru, wnętrze auta
80 dB - głośna muzyka w pomieszczeniach, trąbienie,
85 dB - budzik
90 dB - ruch uliczny
93 dB - ciężarówka w odległości 15 m
100 dB - motocykl bez tłumika
103 dB - kosiarka spalinowa
110 dB - piła łańcuchowa, tartaczna, krosno tkackie
120 dB - wirnik helikoptera w odległości 5 metrów, dyskoteka, młot pneumatyczny
140 dB - start myśliwca
160 dB - eksplozja petardy
190 dB - start statku kosmicznego
220 dB - eksplozja bomby atomowej
300 - 350 dB (huk był słyszalny z odległości 3200 kilometrów) - wybuch wulkanu Krakatau w Indonezji - prawdopodobnie najgłośniejszy w historii wyemitowany dźwięk na Ziemi
Ryc.1. Zakres poziomów ciemnienia (natężenia) akustycznego i częstotliwości wywołujących wrażenia słuchowe.
Skala fonowa (Ryc.2.) natężenia dźwięku jest skalą subiektywna. Fon - to jednostka poziomu głośności dźwięku. Poziom głośności dowolnego dźwięku w fonach jest liczbowo równy poziomowi natężenia (wyrażonego w decybelach) tonu o częstotliwości 1 kHz, którego głośność jest równa głośności tego dźwięku. Dźwięki o tej samej liczbie fonów wywołują to samo wrażenie głośności, ale nie muszą być to dźwięki identyczne w sensie barwy (np. o różnych częstotliwościach).
W odróżnieniu od jednostki son, która jest jednostką liniową głośności, fony nie podlegają arytmetycznemu sumowaniu przy obliczaniu całkowitego poziomu głośności kilku jednoczesnych dźwięków.
Ryc 2. Krzywe jednakowej głośności (izofony) "normalnego" ucha wg Fletchera i Munsona. Wartości fonów są oznaczone na niebiesko.
Próg słyszalności - jest określona przez poziom ciśnienia akustycznego, przy którym ucho zaczyna odbierać wrażenia dźwiękowe. Poziom ten zależy od częstotliwości. Na przykład aby usłyszeć ton o częstotliwości 100 Hz, poziom ciśnienia akustycznego musi być o 35 dB wyższy niż dla tonu 1 kHz
Próg bólu- lub górna granica słyszalności jest określona przez poziom ciśnienia akustycznego, przy którym sygnał dźwiękowy powoduje ból.
Źródła infradźwięków
naturalne:
wulkany,
grzmoty,
silny wiatr,
trzęsienia ziemi (fale sejsmiczne),
duże wodospady,
sztuczne:
pojazdy samochodowe (głównie ciężkie a także samoloty, helikoptery, podczas szybkiej jazdy samochodem z uchylona boczna szybą),
przemysł (sprężarki tłokowe, pompy próżniowe i gazowe, wieże wiertnicze, turbodmuchawy),
eksplozje,
drgania mostów,
urządzenia chłodzące i ogrzewające powietrze,
wieże chłodnicze,
rurociągi,
głośniki.
Infradźwięki są też wykorzystywane przez słonie i wieloryby do komunikacji na duże odległości.
Oddziaływanie infradźwięków na zdrowie człowieka
Badanie nad oddziaływaniem infradźwięków zostały prowadzone głównie na zwierzętach, z tego względu nie jest dokładnie poznany wpływ infradźwięków na człowieka. Wiele opracowań wskazuje, przy narażeniu na wysokie poziomy infradźwięków mogą wystąpić: poczucie ucisku w uszach, dyskomfortu, nadmiernego zmęczenia, senności oraz zaburzenia sprawności psychomotorycznej i funkcji fizjologicznych a nawet apatii i depresji. Jednak nie ma wiarygodnych badań wskazujących na szkodliwość występujących w życiu codziennym źródeł infradźwięków. Dopiero narażanie na bardzo wysoki poziom takiego typu hałasu może być niebezpieczne dla zdrowia i powodować rezonans narządów wewnętrznych.
U osób narażonych na działanie infradźwięków opisywano:
łatwa męczliwość
bóle i zawroty głowy
uczucie chwiania się, omdlenia
zaburzenia snu
drażliwość
ból uszu (po 15 minutach narażenia na falę infradźwiękową o natężeniu 135 dB i częstotliwości mniejszej niż 10 Hz doznaje się nieprzyjemnego uczucia drgania błony bębenkowej, uczucia ucisku i tępego bólu
podwyższenie progu słuchu o 15-20dB; u osób długotrwale narażonych na infradźwięki w audiogramie zaznacza się przesuniecie wrażliwości narządu słuchu
zmiany ruchów gałek ocznych pod wpływem infradźwięków występuje oczopląs pionowy .
Nie opisano jednak dowodów na uszkodzenie nieodwracalne narządów i tkanek człowieka przez infradźwięki.
Ultradźwięki (UD) to fale dźwiękowe, których częstotliwość jest zbyt wysoka, aby usłyszał je człowiek. Za granicę uważa się 20 kHz, choć dla większości ludzi granica ta jest znacznie niższa. Niektóre zwierzęta mogą emitować i słyszeć ultradźwięki, np. pies, szczur, delfin, wieloryb, chomik czy nietoperz.
Zastosowania ultradźwięków
Sonary
Obróbka powierzchni (usuwanie kamienia nazębnego)
Diagnostyka obrazowa tkanek miękkich (ultrasonografia)
Rozbijanie kamieni nerkowych, usuwanie zaćmy, fizykoterapia
Piloty TV
Mycie narzędzi medycznych
W terapii mamy do czynienia z UD o częstotliwości drgań powyżej 800 kHz i to przekazywanych drogą kontaktową z głowicy do skóry i głębiej położonych tkanek, a część urządzeń do celów technicznych wytwarza UD w zakresie 16 - 65 kHz. przekazując energię tkankom przez powietrze. Im większa częstotliwość, tym większe pochłanianie przez powietrze.
Rozprzestrzenianie się UD w tkankach wywołuje mikrowibrację - podstawę zmian cieplnych i chemicznych . Największe przegrzanie następuje na granicy ośrodków niejednorodnych, np. nerwu i włókien mięśniowych. Miejscowe podwyższenie temperatury w nerwie podczas zabiegu fizykoterapii z wykorzystaniem UD może wynosić 1,8ºC. Jest to podstawą leczniczego stosowania UD. Pod wpływem UD dochodzi do nieznacznego zapalenia wysiękowego skóry, rozszerzenia naczyń limfatycznych i krwionośnych. W mięśniach UD nasilają procesy fosforylacji tlenowej i glikolizy Większe natężenia (o d3 do 6 W/cm 2) powodują powstanie obrzęku komórek mięśniowych, tworzenie się wodniczek i zmian pyknotycznych w jądrach komórkowych. UD mogą wpływać na narząd wzroku wywołując zaćmę. Jeśli ich natężenie jest większe niż 10 W/cm2. Powstają także zmiany w rogówce, które są związane z rozplemem komórek nabłonka.
Szkodliwe działanie UD na organizmy żywe:
zaćma
hipoglikemia ( wskutek nasilonego 30-40% oddychania tkankowego wywołanego przez UD)
aktywacja enzymów ( oksydazy cytochromu C, dehydrogenazy ksantynowej
nadczynność przysadki
nadczynność tarczycy
nadczynność nadnerczy
choroba ultradźwiękowa(u osób obsługujących urządzenia emitujące ultradźwięki do środowiska zakresie 16-65kHz i poziomie natężenia 110-148dB; rozwijają się zaburzenia w układzie nerwowym, bóle głowy, szumy uszne, przewlekłe zmęczenie, zaburzenia snu w nocy, senność w ciągu dnia, zaburzenia łaknienia, okresowo wzrost temperatury ciała, wahania ciśnienie tętniczego krwi) .
Hałas-wszelki dźwięk przeszkadzający
Hałas - to każdy dźwięk lub zespół dźwięków o tak dużym natężeniu, które działa uszkadzająco, jak również dźwięki o małym natężeniu, ale niepożądane dla danej osoby w danych warunkach z punktu widzenia kultury i organizacji pracy oraz wypoczynku (np. dźwięk silnika autobusu jest źródłem informacji dla kierowcy o jego prawidłowej pracy, a dla pasażerów - hałasem).
Szkodliwość hałasu zależy od następujących czynników:
poziomu natężenia (ciśnienia) akustycznego,
udziału poszczególnych częstotliwości drgań w widmie hałasu
czasu działania hałasu,
charakteru hałasu
osobniczej wrażliwości na działanie hałasu,
interakcji z substancjami chemicznymi.
Widmo hałasu
Termin ten oznacza poziomy natężenia (ciśnienia) akustycznego (w dB) w poszczególnych pasmach częstotliwości drgań akustycznych. Ponieważ narząd słuchu człowieka jest najbardziej wrażliwy na dźwięki o częstotliwości 2000-5000 Hz, przewaga tych częstotliwości w widmie hałasu będzie decydować o jego większej szkodliwości. Bardziej szkodliwe są dźwięki wysokie (o dużej częstotliwości) np. dźwięk gwizdka niż dźwięki niskie, np. uderzenia młota. Hałas jednotonowy, wąskopasmowy (np. ryk syreny) jest bardziej szkodliwy niż szerokopasmowy (np. hałas uliczny)
Ze względu na przebieg czasowy dzieli się hałas na:
hałas ciągły, którego poziom nie ulega zmianom w okresie narażenia, brak jest wyraźnych przerw,
hałas przerywany, którego poziom ulega znacznym wahaniom w okresie zmiany roboczej (spada poniżej wartości określanej jako tzw. Tło akustyczne 75 dB), występują okresy przerwy w narażeniu.
Bodziec akustyczny wpływa na narząd słuchu wywołując swoistą reakcję. Zmęczenie słuchu i zjawisko maskowania są głównymi efektami fizjologicznymi.
Zmęczenie słuchu wiąże się z czasowym podniesieniem progu słuchu ( TTS- ang. temporary threshold shift) związanym ze zmniejszeniem wrażliwości komórek słuchowych występującym w okresie kilku minut. Do wywołania tego zjawiska niezbędne jest natężenie powyżej 75dB. Im dłużej trwa hałas i im większe jest jego natężenie, tym przesunięcie TTS jest większe, a powrót do wartości prawidłowej wolniejszy. Przy podniesieniu progu słuchu o 50 dB, stwierdzanym 2 minuty po zakończeniu działania hałasu, narząd słuch wymaga 16-godzinnej regeneracji w warunkach ciszy.
Efekt maskowania odnosi się do zjawiska, w którym z dwóch tonów o różnej częstotliwości i natężeniu słyszymy tylko ten silniejszy, słabszy z nich jest bowiem zagłuszany. Efekt maskowania wiąże nie z chwilowym podniesieniem progu słyszalności dla tonu maskowanego. Tony wysokie są maskowane przez tony niskie (nie słyszymy dźwięków o wysokiej częstotliwości).
Patologicznym następstwem działania hałasu jest głuchota. Może się ona pojawić jako uraz akustyczny w następstwie bardzo intensywnego, nagłego hałasu lub jako następstwo wielokrotnego oddziaływania hałasu o poziomie przekraczającym 90dB. Typowym przykładem jest głuchota zawodowa rozwijająca się u osób pracujących w hałasie bez odpowiedniej ochrony narządu słuchu. Trwałe uszkodzenie słuchu zawiera się zwykle w paśmie 1 - 6 kHz, utrudniając zrozumienie rozmowy. Najbardziej osłabiona jest percepcja dźwięków o częstości 4000Hz. Uszkodzenie to jest nieodwracalne, a stopień niedosłuchu pogłębia się z upływem lat życia.
Z wiekiem fizjologicznie występuje głuchota starcza - podwyższenie progu słuchu oraz ubytki związane z działaniem nadmiernego poziomu hałasu w ciągu życia.
Przepisy dotyczące norm środowiskowych oraz bezpieczeństwa i higieny pracy stanowią, że poziom hałasu nie przekraczający 75dB nie stanowi zagrożenia dla narządu słuchu. Przy wartościach między 75 a 120 dB o wystąpieniu uszkodzenia decyduje czas trwania tego bodźca.
Pozasłuchowe działanie hałasu:
stres
tachykardia
przyspieszenie tętna,
przyspieszenie oddechu
spadek pojemności wyrzutowej serca
wzrost ciśnienia tętniczego krwi
skurcz obwodowych naczyń krwionośnych
pogorszenie ukrwienia skóry i błon śluzowych
pogorszenie ukrwienia nerek, wątroby, mózgu
wzrost oporu obwodowego naczyń
zmiany w EEG
zaburzenia metabolizmu w mięśniu sercowym
spadek stężenia magnezu w erytrocytach
hiperglikemia
hipikaliemia
eozynofilia.
Narażenie na hałas może wywoływać:
nadciśnienie tętnicze
nadczynność tarczycy
pogorszenie widzenia (ponieważ silne bodźce akustyczne wywołują napięcie mięśni rzęskowych utrzymujących odpowiednią krzywiznę soczewki, także mięśni gałki ocznej, utrudniając postrzeganie obrazów Pogorszenie ukrwienia siatkówki ogranicza pole widzenia, zmniejsza percepcję barw (zwłaszcza czerwonej), i pogarsza widzenie nocne.
choroba wrzodowa żołądka i dwunastnicy ponieważ długotrwałe narażenie na hałas powoduje zmniejszenie sekrecji w przewodzie pokarmowym ,osłabienie perystaltyki
ryzyko dl płodu, gdy kobieta ciężarna jest stale narażona na hałas.
Wibracje to drgania mechaniczne przekazywane z ciała stałego bezpośrednio na poszczególne tkanki lub cały organizm człowieka. Wibracje są drganiami cyklicznymi o częstości >0,5Hz.
Obecnie wibracja stanowi jedno z poważniejszych zagrożeń zdrowia. Jest ona wytwarzana w środkach transportu (transport drogowy, wodny, lotniczy), w maszynach i narzędziach obsługiwanych przez człowieka.
Kontakt człowieka z materiałem drgającym może odbywa się za pośrednictwem:
stóp ( w pozycji stojącej)
guzów kulszowych i mięsni pośladkowych (w pozycji siedzącej)
rąk.
Dlatego rozróżniamy:
wibrację ogólną (WBV ang. whole body vibration) - działającą na cały organizm wzdłuż osi długiej ciała
wibrację miejscową (HAV ang hand-arm vibration) - przez kontakt za pośrednictwem rąk.
Zespół wibracyjny to choroba zawodowa wywołana zawodowym narażeniem na wibracje
Wibracja ogólna (WBV). Ten rodzaj wibracji wiąże się z przekazywaniem drgań mechanicznych z podłoża wzdłuż osi ciała, bardziej angażując kręgosłup. Najczęściej narażeni są kierowcy samochodów ciężarowych. Elementy chrzęstne kręgosłupa mają znaczne możliwości tłumienia drgań, z jednoczesną modyfikacją ich częstotliwości i amplitudy. Drgania pojazdów charakteryzują się niskimi częstotliwościami Wywołują one rezonans narządów wewnętrznych. Tłumienie i zmiana amplitud wibracji powoduje spłaszczenie tarcz międzykręgowych (dysków), występowanie bólu w okolicy lędźwiowo-krzyżowej i zaburzenia widzenia. Długotrwałe narażenie na wibrację ogólną wywołuje hiperglikemię. Wibracja ogólna powoduje zaburzenia w ośrodkowym i obwodowym układzie nerwowym, przewodzie pokarmowym, narządzie słuchu i równowagi, zaburzenia przemiany materii Objawy: osłabienie, męczliwość, zaburzenia snu, bóle kręgosłupa, wzmożone napięcie mięśni, skurcz naczyń, pogorszenie widzenia
Odmianą jest kinetoza (choroba lokomocyjna) przy wibracjach <0,5Hz; objawy: nudności, wymioty, bladość skóry.
Wibracja miejscowa (HAV). Wykonywanie pracy narzędziami ręcznymi o napędzie elektrycznym klub spalinowym (wskutek długotrwałej pracy z narzędziami pneumatycznymi, wiertarkami, pilami elektrycznymi) powoduje przekazywanie znacznych ilości energii w stosunkowo krótkim czasie z narzędzia na kończyny górne pracownika. Szybko utrwalają się zaburzenia wywołane miejscowym działem wibracji.
Najczęstsze są zaburzenia w:
układzie ruchu (uszkodzenia struktury kostno-stawowej, rozrzedzenie lub zagęszczenie struktury kości, zniekształcenie nasad kości, nierówność powierzchni stawowych, torbiele kostne, mikrozłamania, ogniska osteoporozy, martwicy jałowej, zmiany zwyrodnieniowe kości nadgarstka.. W stawie łokciowym najczęściej zmiany dotyczą nasady dalszej kości ramiennej, torebki stawowej, przyczepów ścięgnistych, niekiedy rozwija się wysięk w stawie, zapalenie pochewek ścięgnistych, zwapnienie więzadeł, mogą tworzyć się ostrogi kostne).
układzie krążenia (objawy Raynaud'a - napadowy skurcz naczyń obwodowych najczęściej obejmujący palce rąk, przebiega fazowo zblednięcie, potem zasinienie, a następnie przekrwienie z towarzyszącym uczuciem, bólu, mrowienia, drętwienia. Objaw Raynaud'a występuje w spoczynku, często w nocy, po pracy. W obrazie kapilaroskopowym część naczyń włosowatych jest zwężona, wydłużona i kręta, część zaś poszerzona na całym przebiegu - megakapilary. W tętniczkach dochodzi do uszkodzenia błony wewnętrznej z drobnymi zakrzepami. Przewlekły skurcz naczyń powoduje niedotlenienie tkankowe, nasila przepuszczalność błon komórkowych. Towarzyszy temu niskie ciśnienie tętnicze krwi, bradykardia. Dochodzi do uszkodzenia ośrodków naczynioruchowych w układzie nerwowym (w zwojach autonomicznych, rogach bocznych rdzenia kręgowego, w podwzgórzu a nawet w układzie limbicznym).
układzie nerwowym. Najwcześniejszym objawem zespołu wibracyjnego jest zaburzenie czucia bólu i wibracji. Następuje zmniejszenie wrażliwości na swoisty bodziec - wibracje. Określenie progu wibracji (palestezjometria) jest jedną z metod diagnostycznych. W okresie napadowego skurczu naczyń podwyższa się wyraźnie próg czucia wibracji . U części chorych rozwija się zespół rzekomonerwicowy z bólami głowy, drażliwością, bezsennością, drżeniem rąk, nasileniem odruchów, dermografizmem. Wielu chorych źle znosi wstrząsy podczas jazdy.
układzie pokarmowym - nieżyt błony śluzowej przewodu pokarmowego, pogorszenie wchłaniania, skurcz przewodów żółciowych i trzustkowych, pogorszenie wydolności wątroby.
Postaci zespołu wibracyjnego:
Naczyniowa
Naczyniowo-nerwowa
Kostna
Kostno-stawowa
Mieszane: naczyniowo-kostna, naczyniowo-kostno-stawowa, naczyniowo-nerwowo-kostno-stawowa.
Postać naczyniowo-nerwowa zespołu wibracyjnego
Okres zwiastunów- drętwienia i parestezje rąk po pracy, oziębienie i wzmożone pocenie rąk, bóle rąk
Okres zmian wczesnych- bóle i parestezje nasilone, bóle spoczynkowe, nadwrażliwość na chłód, objaw Raynaud'a, osłabienie czucia bólu, temperatury, wibracji
Okres zmian zaawansowanych- nasilenie objawów, zmiany troficzne na skórze rak, akroparestezje i bóle w pracy, brak tętna na tętnicy promieniowej, osłabienie siły rąk i czucia, zanik mięśni śródręcza
Postać kostno-stawowa HAV
Zmiany w stawach nadgarstka, kości promieniowej, łokciowej, stawu łokciowego, w stawach barkowo-obojczykowych
W rtg: torbiele, martwica jałowa, zmiany zwyrodnieniowe, zwapnienia więzadeł i przyczepów ścięgien, odczyny okostnowe, zanik kostny
Uszkodzenie naczyń włosowatych, zatory
Uszkodzenie ścięgien, więzadeł, torebek stawowych
Piśmiennictwo:
Brzozowski J., Wawrzyszuk B., Zaborowska W., Kozak H., Zieminska M. Elementy pryzrodnicze w ochronie zdrowia człowieka. Lublin 1986.
Marcinkowski J.T. :Podstawy Higieny.Volumed Wrocław 1997.
Maśliński S., Ryżewski J.: Patofizjologia. Wydawnictwo lekarskie PZWL , wydanie II, Warszawa 1992.
Zaborski L.( red.) Przewodnik do ćwiczeń z Higieny. Gdańsk 2005.
Pytania:
Jakie mogą być skutki zdrowotne narażenia człowieka na wibracje?
Jakie apostaci choroby wibracyjnej?
Jakie są skutki zdrowotne narażenia człowieka na hałas?
Czym różni się starcze uszkodzenie słuchu od zawodowego?
Jakie są słuchowe i pozasłuchowe skutki działania hałasu na człowieka?
Scharakteryzuj UD.
Jak można wykorzystywać UD w medycynie?
Jakie mogą być negatywne skutki narażenia człowieka na UD?
Scharakteryzuj infradźwięki.
Jakie mogą być negatywne skutki narażenia człowieka na infradźwięki.
Wyjaśnij pojęcia „dźwięk” , ”próg słyszalności”, „próg bólu”.
Jakie są sposoby pomiaru i wyrażania poziomu natężenia dźwięków?