XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка акустического роботизированного комплекса для оценки шумового загрязнения в школьных помещениях

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Крикливых Б.К. 1

---

1МБУДО «Дом детского творчества»

Муковозчикова Е.Н. 1

---

1МБУДО "Дом детского творчества"

Работа в формате PDF

825.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность исследования. Шумовое загрязнение является нагрузкой, оказывающей вредное и раздражающее действие на организм человека. Наиболее чувствительны к шумовой нагрузке дети [1]. Для того, чтобы ощущать себя в контакте с миром, человек должен быть в шумной среде с уровнем до 20дБ. Естественным фоном считается уровень в 20-30 дБ. Уровень 30-60 дБ соответствует разговору средней громкости. Свыше 80 дБ звук переходит грань допустимого и может оказать сильное влияние на физическое и психическое состояние школьников [2]. Оценка уровня шумовой нагрузки во время занятий является актуальной, поскольку высокие показатели ограничивает продолжительность труда, приводит к преждевременному расстройству и разрушению слухового аппарата, вызывает у человека различные болезни: звон в ушах, головокружение, головную боль, повышенную усталость [2].

Проблема в том, что, если санитарные нормы определяют ПДК внешнего шумового загрязнения и в них прописаны требования к расположению образовательных учреждений по отношению к автомобильным трассам, железным дорогам, промышленным предприятиям и должны находиться на удалении от них, то внутренняя шумовая нагрузка в школах не всегда изучается и требует рассмотрения.

Гипотеза. Учитывая, что измерение шумовой нагрузки на учащихся является дорогой услугой со стороны санитарных служб, возможно использование робота LEGO MINDSTORMS Education EV3 для оценки уровня шумового загрязнения в разных помещениях школы. Предполагается, что шумовая нагрузка является непостоянной и может достигать на отдельных занятиях высоких значений, превышающих нормативы.

Объект исследования акустический роботизированный комплекс на базе LEGO MINDSTORMS Education EV3, уровень шума в школьных помещениях. Предмет исследования: разработка ииспользование акустического роботизированного комплекса на базе LEGO MINDSTORMS Education EV3 для определения зависимости уровня шума от оборудования и типа урока в образовательной школе.

Цель исследования: Создание акустического роботизированного комплекса на базе LEGO MINDSTORMS Education EV3 для определения шумового загрязнения в школьных помещениях.

Задачи: 1.Собрать акустический роботизированный комплекс на базе LEGO MINDSTORMS Education EV3 на гусеничной платформе. 2. Разработать и установить программу для замера звуковых колебаний. 3.Провести замеры шумового загрязнения в разных помещениях школы с помощью акустического роботизированного комплексана базе робота LEGO MINDSTORMS Education EV3. 4. Выявить виды учебной деятельности и их длительность с данными звуковых колебаний, превышающих нормативы.

Методы исследования

Для реализации поставленных цели и задач были использованы следующие методы. На базе конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 был собран робот для замера шумового загрязнения учебных помещений (Рисунок 1). Для сборки и программирования использовался ноутбук на базе процессора Intel® Core Duo с частотой 1,5 ГГц, имеющий 4ГБ оперативной памяти, Bluetooth 4.0. Использовалась операционная система Windows 10.

Рисунок 1 – Сборка робота на базе конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3

Сначала была создана основа, которая состояла из двух моторов EV3 и платформы. Дальше к основе присоединялся главный модуль EV3. Робот создавался нами на гусеничном ходу. В результате он мог преодолевать препятствия, имел хорошее сцепление с поверхностью и был устойчивым. При испытании микрофон нами был установлен из набора NXT (Рисунок 2).

Разработана и установлена программа для движения робота и замеров звуковых колебаний. Передача данных на компьютер роботом осуществлялось дистанционно, через Bluetooth. Результаты выводились на ноутбук в виде осциллоскопа. Это программа, показывающая в виде графика минимальное и максимальное значения звуковых колебаний в децибелах (дБ) (Рисунок 3).

Замеры шумового загрязнения акустическим роботизированным комплексом проводилась в следующих школьных помещениях: в коридоре во время урока и во время перемены; в классе во время занятий в начальной и старшей школе; в мастерской во время работы старых и новых станков, при работе вентиляции; в столовой; в спортзале во время занятий младших классов и старших.

Шасси на

гусеничном ходу

Датчик гироскопа

Блок модуля EVA-3

Датчик звука

Рисунок 2 - Устройство акустического роботизированного комплекса

Акустический роботизированный комплекс устанавливался на крышке последней парты классной комнаты. Его расположение не отражалось на замерах шума, так как экспериментально нами было установлено, что падение уровня шума по длине класса происходит на очень небольшую величину (0,5—1 дБ), что практически находится в пределах ошибки измерений и не имеет существенного значения (Рисунок 4).

Рисунок 3 – Вывод данных звуковых колебаний на экран осциллоскопа в дБ

Измерение проводилось с продолжительностью 20 секунд и частотой 10 выборок в секунду. В течение урока делалось до 10 замеров.

Измерение уровня шума всегда сопровождалось наблюдением за поведением учащихся и за построением урока. На переменах измерение проводилось на полу коридора или рекреации, что также не отличалось от результатов замера на крышке рабочего стола.

Рисунок 4 - Замеры уровня звуковых колебаний в школьных помещениях

Все данные, полученные в результате исследования, сохранялись и обрабатывались в программе Microsoft Excel.

Результаты исследования

Шум — беспорядочные колебания различной физической природы, отличающиеся сложностью временной и спектральной структуры. Первоначально слово шум относилось исключительно к звуковым колебаниям. Звук — физическое явление, представляющее собой распространение упругих волн в газообразной, жидкой или твёрдой среде. В узком смысле под звуком имеют в виду эти волны, рассматриваемые в связи с тем, как они воспринимаются органами чувств [5]. Однако в современной науке оно было распространено и на другие виды колебаний (радио-, электричество). Звуки, слившиеся в нестройное, громкое звучание принято считать шумом [5]. С физиологической точки зрения шум — это всякий неблагоприятный воспринимаемый звук. Уровень шума измеряется в единицах, выражающих степень звукового давления - децибелах. Это давление воспринимается не беспредельно. Естественный шумовой фон в 20-30 дБ практически безвреден для человека. Это тихий шелест листвы, журчание ручья, птичьи голоса, легкий плеск воды, которые не замечаются человеком. Гигиенической нормой считается громкость звуков в диапазоне 40-50 дБ, которые можно сравнить со спокойным разговором, тихим музыкальным фоном. Уже при громкости шума в 60 дБ появляется раздражение, головная боль, утомляемость. А шумовая нагрузка свыше 80 дБ приводит к утрате слуха и различного рода заболеваниям [3]. Институт биофизики Академии наук, проводивший исследования о влиянии уровня шума на работоспособность школьников, опубликовал результаты влияния шума малых уровней звукового давления (20, 40, 60 дБ). При воздействии шума в 40дБ время решения задач пятиклассниками не изменилось по сравнению с контролем. При шумовой нагрузке в 50 дБ уже отмечалось увеличение времени на решение задачи на 28% , а в 60 дБ – на 105% [4].

Школьный шум является определяющим фактором психогигиенической обстановки, который зачастую, может значительно превышать допустимые показатели [1]. Замеры уровня шума, проведенные нами в школе, показали следующие результаты (Таблица 1).

Таблица 1 – Результаты измерения уровня шумовой нагрузки в школьных помещениях акустическим роботизированным комплексом

Абсолютной тишины в помещениях школы даже во время уроков нет. Шумовая нагрузка зависит от методов, оборудования, применяемых на уроке, и видов образовательной деятельности, громкости голоса педагога и обучающихся, поведения школьников во время занятий и на перемене.

Приказом Минстроя России утвержден свод правил СП 51.13330.2011 «Защита от шума, в котором указаны предельно допустимые и допустимые уровни звукового давления, уровни звука в помещениях различного назначения. Для классных помещений, учебных кабинетов, аудиторий образовательных организаций, конференц-залов, читальных залов библиотек установлены нормативы не превышающие 55 дБ [6].

Максимальный уровень шумовой нагрузки наблюдался нами в мастерских – 97дБ, во время перемены - 93 дБ, в школьной столовой во время организации питания – 92 дБ, в спортивном зале – до 104 дБ.

В коридоре во время урока он составил – 20 дБ, что не отвлекает обучающихся от учебного процесса в классных помещениях.

Влияние видов работ на шумовое загрязнение особенно заметно на уроках в мастерских (Рисунок 5).

Рисунок 5 - Шумовое загрязнение при разных видах работ в школьной мастерской (токарный станок 1- старые станки: токарный станок 2 – новые станки).

Анализ результатов показал, что наиболее высокий уровень шума приходится при работе школьников на старых токарных станках – 84дБ, сверлильных станках - 89дБ, при опиловке стальных деталей напильником -84дБ; при работе молотком при забивании гвоздей – 88дб.

Современные токарные станки оказались более экологичны с точки зрения шумовой нагрузки на обучающихся (максимальное значение -65дБ).

Уровень шума при включенной вентиляции в среднем составил 9 дБ

Выводы

1. Показано, что используя наборы конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 возможно создать акустический роботизированный комплекс для замеров уровня шума в различных школьных помещениях.

2. Определено, что уровень шумового загрязнения колеблется в течение дня от 3 до 104 дБ и зависит от вида образовательной деятельности и методов ведения занятий.

3. Выявлено, что шумовые нагрузки во время занятий в физкультурном зале – до 104 дБ, мастерских – до 89 дБ превышает допустимые нормативы для классных помещений.

4. Показано, что старое оборудование в мастерских работает с большей шумовой нагрузкой, по сравнению с новыми станками почти в 2 раза.

Литература

1. Гельтищева Е.А. Гигиеническая оценка шумового фактора в школе / Е.А. Гельтищева / Автореферат дис. на соискание ученой степени кандидата медицинских наук / М-во здравоохранения СССР. Центр. ин-т усовершенствования врачей. - Москва : [б. и.], 1961. - 11 с.

2. Сидякин П.А., Белая Е. Н., Алексенко Д. Н., Павленко Е. А. Оценка шумового загрязнения территорий дошкольных образовательных учреждений города Пятигорска // Современная наука и инновации. — 2017. — № 19 (3). — С. 147–155.

3. Ханхареев С.С. Гигиеническая оценка факторов, формирующих здоровье обучающихся в общеобразовательных учреждениях различного типа. Автореф. дисc. канд. мед. наук. — Иркутск, 2014.

4. Ширманкина М.В., Китаева Л. И., Чернова Н. Н., Балыкова О. П. Анализ объективных показателей и субъективных данных шумовой нагрузки в общеобразовательных учреждениях города Саранска / IV Всероссийская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов, студентов «Актуальные проблемы медико-биологических дисциплин»; 21–22 февраля, 2019.

5. Большая Российская энциклопедия.- [Электронный ресурс] - Режим доступа. - URL: https://bigenc.ru/c/shum2887e6?ysclid=m6yi37asxk830910153

6. Методические указания МУК 4.3.3722-21 "Контроль уровня шума на территории жилой застройки, в жилых и общественных зданиях и помещениях" (утв. Федеральной службой по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека 27 декабря 2021 г.) / Информационный портал «Гарант.ру» / Режим доступа. – URL: - https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/403287707/?ysclid=m67dbx8qfo826321729