Научно-производственная фирма "ИМКАС"

3. Физические основы звука выстрела

Выстрел из огнестрельного оружия сопровождается такими физическими явлениями, как звук (шум), пламя и дым.

В ряде случаев применения автоматов ликвидация этих явлений обязательна, так как они демаскируют стрелка. Кроме того, шум высокого уровня при выстреле неблагоприятно воздействует на организм стреляющего, затрудняет голосовую связь на поле боя. Основными источниками звука выстрела являются:

  • все движущиеся и соприкасающиеся при этом части и детали механизма оружия;
  • хлопок от выталкиваемого с большой скоростью пулей воздуха, находящегося в стволе по всей длине;
  • пороховые газы, прорывающиеся между стенкой канала ствола и пулей и опережающие ее;
  • пороховые газы, покидающие после вылета пули канал ствола;
  • ударная волна, создаваемая пулей в полете, в случае ее сверхзвуковой скорости [103, 104].

Рассмотрим основные характеристики шума и его влияние на организм человека [105-112].

Шум – разновидность звука.

Понятие «звук» означает колебательное движение частиц упругой среды (воздуха), распространяющееся в виде волн.

Изменение состояния среды при распространении звуковой волны характеризуется звуковым давлением Н/м2 , плотностью ρ кг/м3 и вектором скорости колебаний частиц V м/с среды в звуковой волне. Область пространства, в котором распространяются звуковые волны, т.е. происходят акустические колебания частиц среды, заполняющей эту область, называют звуковым полем.

Вдали от источника в звуковом поле практически любого излучателя звуковое давление уменьшается по закону 1/r (где r – расстояние от источника).

Шум с физической точки зрения – это беспорядочные колебания частиц среды.

С физиологической точки зрения шумом считается любой звуковой процесс, который в большей или меньшей степени неприятен для восприятия, мешает работе или отдыху.

Специфика восприятия человеком шума включает как высокую частотную разрешающую способность уха, представляющего орган частотного анализа, так и значительную чувствительность к амплитудам, которая в широком диапазоне частот для человека со здоровым слухом задается интервалом (0-130) дБ по уровню звука – от «порога слышимости» внизу до «болевого порога» вверху, при котором интенсивный звук вызывает травматические последствия. Отношение амплитуд составляет миллион к одному [105].

Дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде дает около 22000 элементарных градаций по всей области слухового восприятия, ограниченной снизу порогом слышимости, сверху – болевым порогом, охватывающим диапазон частот от 20 до 20000 Гц [106].

Звуками низких частот принято считать те, частота которых находится в пределах 30-300 Гц, средними – 300-800 и высокими выше 800 Гц. Человек по-разному воспринимает звуки различных частот. Наиболее неприятными и раздражающими являются звуки высоких частот [111].

Источник звука характеризуется акустической мощностью, частотным спектром излучения и характеристикой направленности.

Звуковой мощностью W , Вт, источника звука называют общую звуковую энергию, излучаемую им в единицу времени. Она определяется потоком интенсивности звука через замкнутую поверхность площади S' , окружающую источник звука.

В плоской волне она может быть выражена формулой I=W2c , где ρc – удельное акустическое сопротивление среды, через которую распространяется звук. В этом случае интенсивность звука пропорциональна квадрату эффективного значения звукового давления ρ .

Таким образом, интенсивность звука показывает, какая мощность W передается через единицу площади, расположенную перпендикулярно вектору скорости [107].

Интенсивность звуков, с которыми имеют дело на практике, изменяется на 15 порядков (в 1016 раз).

Кривые, ограничивающие область слышимости, приведены на рис. 3.1 [110].

Рис. 3.1. Кривые, ограничивающие область слышимости.

По закону Вебера-Фехнера раздражающее действие шума на человека пропорционально не квадрату звукового давления, а логарифму от него.

Вследствие этого, на практике удобно пользоваться не абсолютными, а относительными единицами – уровнями, измеряемыми децибелами (дБ). Децибел – это десятикратный десятичный логарифм отношения интенсивности или мощности к выбранному стандартному значению. Так определяемые отношения называются уровнями. Уровень, дБ:

  • Интенсивность звука ;
  • звукового давления ;
  • звуковой мощности источника ;
  • колебательной скорости частиц ,

где 

Чувствительность слуха падает с понижением частоты звука. Для того чтобы приблизить результаты объективных измерений к субъективному восприятию, вводят понятие корректированного уровня звукового давления (уровня звуковой мощности и т.п.). Коррекция заключается в том, что вводятся за-висящие от частоты звука поправки к уровню соответствующей величины. Эти поправки стандартизированы в международном масштабе [108].

Наиболее употребительна коррекция А. Корректированный уровень звукового давления

называется уровнем звука и измеряется в дБ (А). Стандартное значение коррекции ΔLA приведено ниже.

Частота, Гц

16

31,5

63

125

250

500

1000

2000

4000

5000

Коррекция, дБ

80

42

26,3

16,1

8,6

3,2

0

-1,2

-1,0

1,1


Звук (шум) выстрела относится к газодинамическим шумам. Спектр этого шума – широкополосный, с максимальными значениями в определенной области частот.

Уровень звука при выстреле достигает 170 дБ, что заметно превышает болевой порог. Задача понижения уровня звука выстрела, кроме других обстоятельств, является актуальной по причине серьезного негативного влияния звука такого уровня на организм стреляющего.

Тем более, что действие шума на организм человека не ограничивается воздействием на орган слуха. Через волокна слуховых нервов раздражение шумом передается в центральную и вегетативную нервные системы, а через них – воздействует на внутренние органы, приводя к значительным изменениям в функциональном состоянии организма, влияет на психическое состояние человека, вызывая чувство беспокойства и раздражения.

Человек, подвергающийся воздействию интенсивного шума, затрачивает в среднем на 10-20% больше физических и нервно-психических усилий, чтобы сохранить выработку, достигнутую им при уровне звука ниже 70 дБ (А).

Воздействие шума на вегетативную нервную систему проявляется даже при небольших уровнях звука [40-70 дБ (А)] и не зависит от субъективного восприятия шума человеком.

Из вегетативных реакций наиболее выраженным является нарушение периферического кровообращения за счет сужения капилляров кожного покрова и слизистых оболочек, а также повышение артериального давления [при уровнях звука выше 85 дБ (А)].

В то время, как для вегетативной нервной системы характерно четкое соответствие между шумом и реакцией, в области психики такое соответствие отсутствует.

Воздействие на психику возрастает с увеличением частоты и уровня шума, а также с уменьшением ширины полосы частот шума.

Воздействие шума на центральную нервную систему вызывает увеличение скрытого периода зрительно-моторной реакции, приводит к нарушению подвижности нервных процессов, изменению электроэнцефалографических показателей, нарушает биоэлектрическую активность головного мозга с проявлением общих функциональных изменений в организме, уже при шуме 50-60 дБ (А), существенно изменяет биопотенциалы мозга, их динамику, вызывает биохимические изменения в структурах головного мозга.

При импульсных и нерегулярных шумах степень воздействия шума повышается. Изменения в функциональном состоянии центральной и вегетативной нервных систем наступают гораздо раньше, и при меньших уровнях шума, чем снижение слуховой чувствительности.

Под воздействием шума снижается концентрация внимания, нарушаются физиологические функции, появляется усталость в связи с повышенными энергетическими затратами и нервно-психическим напряжением, ухудшается речевая коммутация. Все это снижает работоспособность человека и его производительность, качество и безопасность труда.

Неблагоприятное воздействие шумов высоких уровней на организм человека используется при создании «акустического оружия». Фирма American Technology Corporation разработала и производит установку LRAD (Longe Range Acoustic Dence), которая снабжена параболической антенной, излучающей звуковые волны частотой 2100-3100 Гц и мощностью 150 децибел, с радиусом эффективного действия в 300 метров, и портативное акустическое «ружье», излучающее звук мощностью около 140 дБ с радиусом действия около 90 метров [112].

Согласно исследованиям отечественных гигиенистов безопасный уровень звука составляет 80 дБ (А). Он соответствует нулевому риску потери слуха и по стандарту IСО-1999-75.