OCHRONA PRZED HAŁASEM I WIBRACJAMI

Transkrypt

1 OCHRONA PRZED HAŁASEM I WIBRACJAMI Temat: Mierniki poziomu dźwięku jako narzędzie kontroli stanu zagrożeń akustycznych środowiska. Opracował: Damian Wolański 1 S t r o n a

2 Spis treści Tytuł... 3 Cel projektu... 3 Rola hałasu w życiu człowieka... 3 Dźwięk i zasady jego pomiarów Budowa miernika poziomu dźwięku Zasady pomiarów za pomocą miernika poziomu dźwięku Wybrane mierniki poziomu dźwięku Bibliografia: Engel Z., Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem, str , Wyd.PWN, Warszawa 2001 Ulotka informacyjna Brüel&Kjær, Pomiary dźwięku Gruca M. Grzelka J. i inni, Miernictwo i systemy pomiarowe, str , Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008 Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 maja 2007 r. w sprawie wymagań, którym powinny odpowiadać mierniki poziomu dźwięku, oraz szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych (Dz.U nr 105 poz. 717) Temat: Mierniki poziomu dźwięku jako narzędzie kontroli stanu zagrożeń akustycznych środowiska. 2 S t r o n a

3 2. Cel projektu: Celem projektu jest ukazanie poszczególnych przyrządów pomiarowych dźwięku jako narzędzi służących kontrolowaniu ochrony środowiska. W nowoczesnym świecie zagrożenia jakie niesie postęp technologiczny, są również związane z nadmierną emisją hałasu oraz wibracji do środowiska. Odpowiednie przyrządy i aparatura są zatem niezbędne do prawidłowego rozpoznawania i kontrolowania stanu środowiska akustycznego. 3. Rola hałasu w życiu człowieka : Dźwięk jest tak powszechnym elementem życia codziennego, że rzadko zdajemy sobie sprawę z jego wszystkich funkcji. Dostarcza przyjemnych wrażeń, takich jak słuchanie muzyki lub śpiew ptaków. Mimo to coraz częściej we współczesnym społeczeństwie dźwięk bywa uciążliwy. Wiele dźwięków jest nieprzyjemnych i niepożądanych nazywamy je wówczas hałasem. Jednakże stopień uciążliwości hałasu zależy nie tylko od jakości, ale również od indywidualnego nastawienia. Hałas może szkodzić i niszczyć. Fala uderzeniowa może wybijać okna lub powodować pękanie ścian. Najbardziej przykre jest to, że hałas może uszkodzić delikatny organ przeznaczony do jego odbioru ucho ludzkie. Hałas środowiskowy związany jest natomiast z pomiarem wszystkich hałasów w miejscu obserwacji, niezależnie od rodzaju i liczby źródeł dźwięku. Może być zatem spowodowany przez jedno lub kilka źródeł oraz ulegać na swej drodze odbiciom od ścian, stropów i innych urządzeń. 4. Dźwięk i zasady jego pomiarów: Dźwięk jest definiowany jako najmniejsza zmiana ciśnienia (w powietrzu, wodzie lub innym ośrodku), odczuwaną przez ucho ludzkie. Najbardziej 3 S t r o n a

4 znanym przyrządem do mierzenia zmian ciśnienia atmosferycznego jest barometr. Jednakże wahania te, występujące przy zmianach pogody przebiegają zbyt wolno, aby mogły być odczuwane przez ucho ludzkie stąd nie mogą być definiowane jako dźwięki. Jeśli zmiany ciśnienia atmosferycznego następują szybciej co najmniej 20 razy na sekundę, mogą być słyszalne i dlatego są nazywane dźwiękiem (barometr ze względu na dużą bezwładność nie nadaje się do mierzenia dźwięku. Liczbę zmian ciśnienia w ciągu 1 sekundy nazywa się częstotliwościądźwięku i mierzy się w hercach [Hz]. Częstotliwość dźwięku związana jest z powstaniem określonego tonu. Zwykle zakres słyszalności u zdrowego, młodego człowieka zawarty jest w przedziale od 20 Hz do Hz(20kHz), podczas gdy np. zakres częstotliwości dźwięków pianina wynosi od 27,5 Hz do 4186 Hz. Zmiany ciśnienia rozchodzą się w każdym ośrodku sprężystym (takim jak powietrze) od źródła dźwięku do ucha człowieka. Znając prędkość i częstotliwość dźwięku, można obliczyć długość fali tzn. odległość pomiędzy kolejnymi, maksymalnymi wartościami ciśnienia. Długość fali (ʌ) = ę ść ź ę ę ść Posługując się tym równaniem można obliczyć długości fal dla różnych częstotliwości. Np. przy 20 Hz długość fali wynosi ponad 17m, natomiast dla 20kHz tylko 1,7cm. Tak więc dźwięki o wysokiej częstotliwości mają mniejsze długości fal, zaś dźwięki o niskiej częstotliwości większe długości fal. Dźwięk zawierający tylko jedną częstotliwość nazywamy tonem prostym. W praktyce tony proste są rzadko spotykane i większość dźwięków jest sumą tonów o różnych częstotliwościach. Nawet pojedyncza nuta grana na pianinie jest tonem złożonym. Hałas przemysłowy, składający się z wielu dźwięków o różnych częstotliwościach zwany jest hałasem szerokopasmowym. Hałas składający się z dźwięków o częstotliwościach równomiernie rozłożonych w pasmie słyszalnym nazywa się szumem białym. Drugą podstawową jednostką określającą dźwięk jest wartość amplitudy zmian ciśnienia. Najsłabszy dźwięk słyszany przez zdrowego człowieka posiada amplitudę 20µPa tj. ok razy mniej niż normalne ciśnienie atmosferyczne. Zmiana ciśnienia o 20µPa jest tak mała, że powoduje 4 S t r o n a

5 wychylenie błony bębenkowej ucha o wartość mniejszą od średnicy pojedynczej cząstki wodoru. Ucho ludzkie toleruje również ciśnienie dźwięku milion razy większe. Tak więc aby uniknąć mierzenia w dużych, trudnych do stosowania liczbach, zastosowano jednostki względne decybele (db), wyrażające logarytm stosunku wartości mierzonej do wybranego poziomu odniesienia. Poziom ciśnienia akustycznego definiujemy następująco: [db] Gdzie: p - ciśnienie akustyczne p - ciśnienie akustyczne odniesienia Jednostką ciśnienia akustycznego jest decybel. Skala dbjest zatem skalą logarytmiczną. Jako poziom odniesienia przyjęto próg słyszalności równy 20µPa, któremu odpowiada poziom 0dB. Dziesięciokrotne zwiększenie ciśnienia akustycznego (w Pa) powoduje zwiększenie wartości poziomu dźwięku o 20dB. Tak więc 200µPa odpowiada 20dB. Skala decybelowa ogranicza milionowy zakres wartości wyrażonych w Pa do przedziału 0-120dB. Poziomy ciśnienia akustycznego (SPL) w db i Pa dla znanych dźwięków przedstawiono na rysunku: 5 S t r o n a

6 Rys.1. Poziomy ciśnienia akustycznego dla jednostek db oraz Pa. Pomiary dźwięku dostarczają wartości liczbowych określających i kwalifikujących dźwięk. Stwarzają możliwość polepszenia akustyki np. budynku czy głośnika, zwiększając przyjemność odbioru muzyki w sali koncertowej lub w domu. Pomiary akustyczne umożliwiają dokładną i rzetelną analizę uciążliwości hałasu. Należy jednak pamiętać, że ze względu na fizjologiczne i psychologiczne różnice między ludźmi, stopień uciążliwości nie może być określany na podstawie pojedynczej oceny subiektywnej. Przeprowadzenie pomiarów pozwala na obiektywne porównanie uciążliwości hałasu w różnych warunkach. Pomiary akustyczne pozwalają na ocenę ryzyka uszkodzenia słuchu i wskazanie możliwości jego zmniejszenia. Stopień uszkodzenia słuchu określa audiometria, przy pomocy której określana jest osobnicza wrażliwość słuchu. Pomiary i analiza dźwięku są ważnym narzędziem diagnostycznym w walce z hałasem począwszy od lotnisk, fabryk, autostrad aż do domów mieszkalnych i studiów nagrań. Jest to narzędzie mogące przyczynić się do polepszenia warunków naszego życia. 6 S t r o n a

7 5. Budowa miernika poziomu dźwięku: Miernik poziomu dźwięku jest przyrządem reagującym na dźwięk podobnie jak ucho ludzkie i umożliwia obiektywny i powtarzalny pomiar poziomu ciśnienia akustycznego. Istnieje wiele typów mierników, ale każdy z nich zawiera mikrofon, układ przetwarzający i układ odczytu. Rys.2. Schemat budowy miernika poziomu dźwięku. Mikrofon przetwarza dźwięk na sygnał elektryczny. Najczęściej stosowanym typem mikrofonu do pomiaru dźwięku jest mikrofon pojemnościowy, odznaczający się dokładnością, trwałością i dużą stabilnością. Ze względu na to, że wytwarzany przez mikrofon sygnał elektryczny jest bardzo mały niezbędne jest stosowanie przedwzmacniacza, wzmacniającego sygnał przed jego dalszym przetwarzaniem. Przetwarzanie sygnału może odbywać się w różnorodny sposób np. z zastosowaniem układów korekcji wg. krzywych ważonych. Stosunkowo łatwo można zbudować układ elektroniczny o charakterystyce czułości podobnej do tej, jaką posiada ucho ludzkie symulujący krzywe jednakowej głośności. Zrealizowano to przy pomocy trzech różnych, znormalizowanych w skali międzynarodowej, krzywej korekcji: A, B, C. 7 S t r o n a

8 Rys.3. Krzywe korekcyjne A, B, C. Krzywa ważona A koryguje sygnał w sposób zbliżony do charakterystyki jednostkowej głośności dla niskich poziomów ciśnienia akustycznego (SPL), krzywa B dla wartości średnich, natomiast C dla wartości wysokich. Mierniki poziomu dźwięku posiadają oprócz wymienionych korekcji, charakterystykę liniową, oznaczoną Lin, która nie zmienia kształtu sygnału. Charakterystyka A jest najczęściej stosowana, bowiem krzywe B, C, nie odpowiadają wynikom testów subiektywnych. 8 S t r o n a

9 Jedną z przyczyn tej niezgodności jest fakt, że krzywe jednakowej głośności zostały wyznaczone dla tonów prostych, podczas gdy większość mierzonych dźwięków jest sumą wielu tonów prostych. Końcowym układem miernika poziomu dźwięku jest wskaźnik odczytu, wskazujący wartość poziomu dźwięku w [db] lub innych jednostkach pochodnych, np. db(a) co oznacza, że pomiaru dokonano z użyciem układu korekcji A. Możliwe jest również, poprzez gniazdo wyjściowe miernika, wyprowadzenie sygnału w postaci zmiennoprądowej (AC) lub stałoprądowej (DC) do urządzeń zewnętrznych, np. do magnetofonu, celem zarejestrowania i późniejszej analizy. Cechowanie Cechowanie miernika poziomu dźwięku gwarantuje poprawne i dokładne wyniki pomiarowe. Polega ono na założeniu na mikrofon pomiarowy przenośnego kalibratora akustycznego lub pistonfonu. Urządzenia te wytwarzają dokładnie określony poziom ciśnienia akustycznego, według którego cechowany jest miernik. Czynności kalibracji powinno się wykonywać bezpośrednio przed i po każdej serii pomiarów. W przypadku nagrań magnetofonowych, sygnał kalibracyjny musi być również zarejestrowany, ponieważ stanowi on poziom odniesienia przy odtwarzaniu. Stałe czasu miernika Większość mierzonych dźwięków oscyluje wokół pewnego poziomu. Aby pomiar był prawidłowy, wahania te powinny być mierzone jak najdokładniej. W przypadku szybkich zmian wartości poziomów i na wskaźniku analogowym (z ruchomą cewką) drgania wskazówki są tak szybkie, że odczyt staje się niemożliwy. W związku z tym wprowadzono dwie znormalizowane charakterystyki miernika znane jako F (fast-szybko) i S (slow-wolno). Charakterystyka F posiada stałą czasu 125 milisekund i oznacza szybką reakcję wskaźnika, umożliwiającą śledzenie i pomiar umiarkowanie szybko zmieniających się poziomów dźwięku. Charakterystyka S ze stałą czasu 1 sekundy reaguje wolniej, uśredniając wahania wskaźnika analogowego i w ten sposób umożliwiając pomiar sygnałów szybkozmiennych. Wiele nowoczesnych 9 S t r o n a

10 mierników poziomu dźwięku posiada wskaźniki cyfrowe. Eliminuje to w dużym stopniu problem oscylacji wskazań, bowiem wyświetlana jest maksymalna wartość skuteczna, zmierzona w ciągu ostatniej sekundy. Wybór odpowiedniej charakterystyki miernika podyktowany jest zazwyczaj przez normę obowiązującą dla danego rodzaju pomiarów. Impulsowy miernik poziomu dźwięku Jeśli mierzony dźwięk jest ciągiem pojedynczych impulsów lub uderzeń, zwykle stosowane stałe czasu miernika, F i S, nie są dostatecznie krótkie, aby dać wyniki zgodne z subiektywnym odczuciem dźwięku przez człowieka. W tych przypadkach stosowane są impulsowe mierniki poziomu dźwięku, wyposażone w znormalizowaną charakterystykę I (impuls). Charakterystyka ta posiada stałą czasu 35 milisekund, dostatecznie krótką, aby umożliwić poprawny pomiar hałasu impulsowego zgodnie z fizjologią odczuwania tego typu hałasu przez człowieka. Ryzyko uszkodzenia słuchu w wyniku działania hałasów ciągłych, mimo że ich subiektywna głośność jest mniej odczuwalna. W związku z tym niektóre mierniki wyposażone są w specjalny układ podtrzymania, umożliwiający pomiar wartości szczytowych poziomu dźwięku, niezależnie od czasu ich trwania. Ze względu na różnice w wymaganiach normowych odnośnie mierzonych parametrów, istnieje możliwość odczytu wartości szczytowej lub maksymalnej wartości skutecznej (RMS), wyznaczonej przy stałej czasu I. W obu przypadkach odczyt jest ułatwiony dzięki zastosowaniu układu podtrzymania oznaczonego Hold. 10 S t r o n a

11 Rys.4. Wykres charakterystyki impulsowej. 6. Zasady pomiarów za pomocą miernika poziomu dźwięku: Większość pomiarów akustycznych przeprowadzana jest w pomieszczeniach, które nie są całkowicie bez odbiciowe. Utrudnia to prawidłowy wybór punktu pomiarowego i interpretacje wyników. W trakcie pomiarów wykonywanych zbyt blisko źródła dźwięku, poziom dźwięku może się znacząco zmieniać przy minimalnych zmianach położenia punktu pomiarowego. Ma to miejsce przy odległościach mniejszych od długości fali emitowanej z najniższą częstotliwością lub odległościach mniejszych od podwojonego rozmiaru obiektu badanego. Większa z tych dwu odległości określa bliskie pole dźwiękowe. W zasadzie, w polu tym nie powinno się prowadzić pomiarów. Wynikają stąd wymagania co do położenia punktu pomiarowego, które muszą być brane pod uwagę i stosowane w praktyce: W oddaleniu od elewacji budynków W oddaleniu od przeszkód Po stronie zawietrznej W suchych warunkach przy prędkości wiatru mniejszej niż 5m/s Z mikrofonem umieszczonym 1,2 1,5 metra powyżej poziomu gruntu 7. Wybrane mierniki poziomu dźwięku: Rozróżniamy dwie klasy dokładności mierników: 11 S t r o n a

12 klasę dokładności 1 klasę dokładności 2 Miernik powinien mierzyć co najmniej jedną z następujących wielkości: poziom dźwięku A uśredniony wykładniczo według charakterystyki czasowej F równoważny poziom dźwięku A poziom A ekspozycji na dźwięk Wyróżniamy następujące rodzaje mierników: Miernik konwencjonalny miernik, w którym wielkością mierzoną jest poziom dźwięku wyznaczany metodą uśrednianiawykładniczego. Miernik całkująco-uśredniający - miernik, w którym wielkością mierzoną jest równoważny poziom dźwięku. Miernik całkujący - miernik, w którym wielkością mierzoną jest poziom ekspozycji na dźwięk; 12 S t r o n a

13 SON-50 całkujący miernik poziomu dźwięku 1 klasy SON - 50 to całkujący miernik poziomu dźwięku 1 klasy dokładności, mierzący sygnały nieustalone, ustalone i impulsowe. Stosowany jest głównie do pomiarów wielkości określających narażenie pracownika na hałas na stanowisku pracy (zgodnie z aktualnie obowiązującymi normami), monitorowania środowiska, a także, dzięki możliwości dołączenia zewnętrznych filtrów oktawowych lub infradźwiękowych, może służyć do badań diagnostycznych maszyn i urządzeń. Miernik posiada dwa niezależne tory pomiarowe: wartości skutecznej, do pomiaru: Leq, Lmx, Lmn oraz drugi, do pomiaru wartości szczytowej. Dzięki temu możliwy jest np. jednoczesny pomiar wartości skutecznej na charakterystyce A oraz wartości szczytowej z wykorzystaniem charakterystyki C. Przyrząd mierzy także poziom ekspozycji na hałas odniesiony do ustawianego czasu pracy (4 godz., 8 godz. itp.). Jedną z jego zalet jest równoczesny pomiar wielu istotnych i złożonych parametrów, co zwalnia użytkownika od konieczności kłopotliwego opracowywania wyników pomiarów. Ma możliwość zapamiętania kompletu wyników z 40 sesji pomiarowych, np. na maksymalnie 40 różnych stanowiskach pracy. 13 S t r o n a

14 DLM-102 całkujący miernik poziomu dźwięku Miernik DLM-102 jest w pełni cyfrowym, jednozakresowym całkującym miernikiem poziomu dźwięku o dokładności odpowiadającej klasie 2. Spełnia wymagania normy PN EN 61672:2005. Prosta obsługa, szeroki zakres pomiarowy oraz niewielkie wymiary umożliwiają pomiary hałasu w wielu dziedzinach. Miernik ten jest idealnym narzędziem dla zakładowego inspektora BHP. Niska cena umożliwia użycie miernika tam, gdzie do tej pory hałas nie był oceniany z powodu wysokiego kosztu przyrządów pomiarowych. Wewnętrzny akumulator Li-ION umożliwia długotrwałe pomiary, bez konieczności ładowania, a czytelny, podświetlany wyświetlacz ułatwia odczytanie wyniku w trudno dostępnych, nieoświetlonych miejscach. Najistotniejsze funkcje miernika: Pomiar: L XF, L XFmn, L XFmx, L XS, L XSmn, L XSmx, L XPk, L XMPk, L Xeq (X- oznacza charakterystykę A lub C). Możliwość zapamiętania kompletu mierzonych wielkości z max. 99 sesji pomiarowych. Odczyt wszystkich wartości wielkości mierzonych w trakcie pomiaru, bez jego przerywania lub podczas pauzy. Uaktualnianie wyników raz na sekundę. Wskaźnik wartości chwilowej w postaci poziomego paska uaktualniany 16 razy na sekundę. 14 S t r o n a

15 AZ Instruments - AZ8921 [RS232] Przyrząd AZ8922 to małogabarytowy miernik poziomu hałasu. Standardowe wyposażenie i duża dokładność dają możliwość szerokiego zastosowania w pomiarach poziomu dźwięku procesów technologicznych produkcji oraz kontroli dopuszczalnej wartości hałasu maszyn i urządzeń oraz sprzętu np. AGD. Najistotniejsze funkcje miernika: Pomiar szumów tła Pamięć wartości zmierzonych MIN i MAX Filtry ważące korekcji częstotliwości A i C Dynamiczne charakterystyki czasowe S (wolna) i F (szybka) Automatyczna i ręczna zmiana zakresów Dynamiczna skala analogowa BARGRAF Pamięć wartości szczytowej MAX HOLD Wyjścia napięciowe AC i DC Interfejs RS 232 do współpracy z komputerem PC 15 S t r o n a

16 AS Miernik hałasu pojazdów samochodowych Miernik przeznaczony jest przede wszystkim do pomiarów hałasu wytwarzanego przez pojazdy samochodowe na postoju i w ruchu. Może też służyć do oceny głośności innych sygnałów dźwiękowych (klaksonów, syren). Urządzenie skonstruowano w taki sposób, aby spełniało wymagania Instytutu Transportu Samochodowego w Warszawie. Metalowa obudowa o odpowiednim kształcie nie wpływa ujemnie na dokładność pomiaru, a równocześnie zabezpiecza miernik przed wpływem zewnętrznego promieniowania elektromagnetycznego i chroni go przed uszkodzeniem. Dane, wprowadzane z foliowej klawiatury, a także wyniki pomiarów widoczne są na ciekłokrystalicznym wyświetlaczu graficznym. Dzięki programowi AS-200 RAPORT możliwe jest przesłanie danych do komputera, który stanowić może bazę danych o dokonanych pomiarach oraz umożliwia wydruk i edycję raportów z badań.przymiar ułatwia ustawienie mikrofonu we właściwym położeniu względem wylotu rury wydechowej (odległość 0,5 m, kąt 45 ). Zadaniem osłony przeciwwietrznej jest ograniczenie szumów przepływu wiatru oraz ochrona mikrofonu przed pyłem, kurzem i spalinami występującymi w pobliżu wylotu rury wydechowej. Kalibrator akustyczny służy do kontroli miernika przed i po pomiarze. 16 S t r o n a