p p p zmierzona wartość ciśnienia akustycznego w Pa, p 0 ciśnienie odniesienia równe Pa.

Transkrypt

1 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: 1 1. CEL ĆWCZEA Celem ćwiczenia jest ugruntowanie wiadomości dotyczących pomiarów hałasu maszyn, zależności zachodzących pomiędzy ciśnieniem, natężeniem i mocą akustyczną oraz praktyczne zastosowanie orientacyjnej metody wyznaczania poziomu mocy akustycznej na podstawie pomiarów poziomu ciśnienia akustycznego nad powierzchnią odbijającą dźwięk.. PODSTAWOWE POJĘCA Wprowadzenie. Każde ciało znajdujące się w ośrodku sprężystym (przenoszącym fale dźwiękowe) i drgające z częstotliwością mieszczącą się w paśmie częstotliwości słyszalnych, jest źródłem energii akustycznej słyszalnej. Fala dźwiękowa wytworzona przez to ciało niesie ze sobą pewną energię, która odniesiona do jednostki czasu nazywa się mocą. Jeżeli dźwięk rozchodzi się we wszystkich kierunkach (tzw. fala kulista) to ze wzrostem odległości od źródła maleje energia przechodząca przez daną powierzchnię, gdyż wypromieniowana przez źródło energia (moc akustyczna) rozkłada się na coraz to większą powierzchnię kulistą. Moc akustyczna przypadająca na jednostkę powierzchni prostopadłej do kierunku rozchodzenia się fali nazywana jest natężeniem dźwięku. m mniejsza jest powierzchnia przez którą promieniowana jest energia (moc akustyczna) źródła tym większe jest natężenie dźwięku panujące w dowolnym punkcie tej powierzchni. Ciśnienie akustyczne jest różnicą pomiędzy wartością chwilowego ciśnienia wywołanego drganiem cząstek w ośrodku sprężystym (powietrzu) i ciśnienia, jakie panuje w środowisku (tzw. ciśnienia barometrycznego). Ciśnienie akustyczne oznacza się literą p, mierzy w Pa (1 Pa = 1 /m ) a wyraża w jako: p p L p = 1log = log, (1) p p p zmierzona wartość ciśnienia akustycznego w Pa, p ciśnienie odniesienia równe 1-5 Pa. Moc akustyczna to ilość energii wysyłana przez źródło dźwięku do otoczenia w jednostce czasu. Moc akustyczną mierzymy w Watach [W], a w zasadzie, ze względu na wielkość tej energii, w mw (1mW = 1-3 W) lub µw (1µW = 1-6 W). Moc akustyczną źródła dźwięku można obliczyć z wyrażenia: p = S, W () Z f p ciśnienie akustyczne w Pa, S powierzchnia promieniowania energii akustycznej w m, Z f oporność falowa ośrodka wyrażona ilorazem ciśnienia akustycznego p do prędkości cząstki ν w tym samym punkcie pola fali: p Z f = (3) ν Oporność falowa charakteryzuje prędkość drgań cząstek powietrza pod wpływem działania ciśnienia akustycznego o określonej wartości. Oporność ta nie wyznacza strat energii w ośrodku. W odległości od źródła fali znacznie większej niż długość fali dźwiękowej oporność falowa jest równa oporności właściwej ośrodka (impedancji akustycznej ośrodka) i wyraża wzorem: Z kg ρ o c, (4) m s = ρ o gęstość ośrodka w kg/m 3, c prędkość rozchodzenia się fali w ośrodku w m/s.

2 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: W jednostkach bezwzględnych moc akustyczna wyrażamy w W, jednak ze względu na bardzo dużą rozpiętość tych wartości posługiwanie się jednostkami bezwzględnymi staje się uciążliwe. Jako przykład można podać, że moc akustyczna odpowiadająca szeptowi człowieka wynosi ok. 1-9 W, jadącemu pojazdowi 1-1 W, a moc przelatującego samolotu wynosi 1 7 W (patrz Rys.1). Z tego też powodu wprowadzono względną miarę mocy akustycznej, wyrażoną logarytmem ze stosunku mocy akustycznej wypromieniowanej przez źródło do przyjętej mocy odniesienia równej o = 1-1 W. Moc akustyczną wyrażoną w mierze względnej nazywa się poziomem mocy akustycznej L W i podaje się w : L W = 1log, (5) moc akustyczna w W, o akustyczna moc odniesienia równa o = 1pW = 1-1 W. W przypadku, gdy poziom mocy akustycznej zostanie wyznaczony na podstawie pomiarów skorygowanego poziomu ciśnienia akustycznego, czyli pomiarów poziomu dźwięku przeprowadzonych z włączoną charakterystyką korekcyjną A mikrofonu, to poziom ten nazywamy skorygowanym poziomem mocy akustycznej i oznaczamy symbolem L WA. W 1 7 samolot odrzutowy silnik turboodrzutowy samolot z silnikami tłokowymi orkiestra młot pneumatyczny fortepian wentylator przemysłowy głośne radio krzyk pralka, suszarka rozmowa praca komputera szept Rys.1. Orientacyjne poziomy mocy akustycznej dla różnych źródeł dźwięku []. atężenie dźwięku to ilość energii przepływająca przez dany przekrój o powierzchni S w jednostce czasu. atężenie dźwięku można zatem wyrazić wzorem: - mocą akustyczną wyrażoną w W, S polem powierzchni w m. W =, (6) S m

3 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: 3 Dla fali płaskiej natężenie dźwięku możemy obliczyć z następującej zależności, otrzymanej po podstawieniu równania () do wzoru (6): p W =, (7) Z m f atężenie dźwięku, podobnie jak i moc akustyczna, charakteryzuje się dużą rozpiętością wartości granicznych, dlatego też w praktyce stosuje się logarytmiczną miarę względną. Poziom natężenia dźwięku wyraża się następująco: L 1log, = (8) gdzie o jest natężeniem odniesienia odpowiadającym w przybliżeniu progowi słyszalności tonu o częstotliwości 1 Hz ( o = 1-1 W/m ). Ciśnienie, moc, natężenie. Bezpośredni pomiar mocy akustycznej jest praktycznie niemożliwy. ajczęściej mierzoną wielkością pola akustycznego jest ciśnienie akustyczne, za pomocą którego można wyrazić zarówno natężenie pola akustycznego jak i moc akustyczną. Ze względu na proporcjonalność natężenia dźwięku do kwadratu ciśnienia akustycznego poziom natężenia dźwięku można w przybliżeniu obliczyć ze wzoru: L p p = 1log = 1log = log = L p (9) p p, gdzie p o jest akustycznym ciśnieniem odniesienia ( 1-5 równym W/m. Po przekształceniu równania (6) moc akustyczną można wyrazić następująco: skąd po zlogarytmowaniu obu stron równania otrzymamy zależność: 1log Pa) odpowiadającym natężeniu odniesienia = S, W (1) S = 1log + 1log, (11) S Uwzględniając, że L L p otrzymamy wzór wyrażający poziom mocy akustycznej: S LW = L p + 1log, (1) S S pole powierzchni pomiarowej prostopadłej do kierunku rozprzestrzeniania się fali w m, S pole powierzchni odniesienia równe 1 m, L p poziom ciśnienia akustycznego określony na powierzchni pomiarowej S. 3. METODA ORETACYJA WYZACZAA MOCY AKUSTYCZEJ 3.1. Wybór powierzchni pomiarowej W pomiarach mocy akustycznej stosowane są dwa rodzaje powierzchni pomiarowych: półkulista lub prostopadłościenna (Rys.1). Obie powierzchnie mogą być stosowane zamiennie. W przypadku źródeł hałasu zamontowanych lub badanych w pomieszczeniach lub przestrzeni otwartej o niekorzystnych warunkach akustycznych (np. z wieloma przedmiotami odbijającymi dźwięk lub z wysokim poziomem tła akustycznego) właściwe jest wybranie małej odległości pomiarowej co wiąże się z wyborem prostopadłościennej powierzchni pomiarowej. W przypadku źródeł zamontowanych lub badanych w otwartej przestrzeni (polu swobodnym) o zadowalających warunkach akustycznych należy przyjąć większą odległość pomiarową, a więc wybrać powierzchnię półkulistą.

4 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: 4 powierzchnia pomiarowa a) b) prostopadłościan odniesienia Rys.1. Przykładowe powierzchnie pomiarowe: a) prostopadłościenna, b) półkulista. 3.. Konstrukcja prostopadłościanu odniesienia Prostopadłościan odniesienia może być utożsamiony z obrysem badanej maszyny. Zasadę jego konstrukcji w przypadku ustawienia maszyny nad powierzchnią odbijającą dźwięk oraz wymiary charakterystyczne przedstawiono na Rys.. l3 d Q l 1 l Rys.. Przykład budowy prostopadłościanu odniesienia na jednej płaszczyźnie odbijającej dźwięk Obliczanie pola powierzchni i pozycji mikrofonu na prostopadłościennej powierzchni pomiarowej Pozycje mikrofonu rozkłada się na powierzchni pomiarowej hipotetycznego prostopadłościanu o polu powierzchni S otaczającego źródło, którego ściany są równoległe do ścian prostopadłościanu odniesienia i usytuowane w odległości d (odległość pomiarowa) od prostopadłościanu odniesienia. Odległość pomiarowa d jest definiowana jako odległość między prostopadłościanem odniesienia a powierzchnią pomiarową. Zalecana odległość pomiarowa d wynosi 1 m, a jej wartość minimalna co najmniej,15 m. Zaleca się, aby odległość pomiarowa przyjmowała jedną z następujących wartości:,15;,5;,5; 1; ; 4 lub 8 m. Odległości pomiarowe większe niż 1 m mogą być stosowane w przypadku dużych źródeł.

5 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: 5 Pozycje mikrofonu na równoległościennej powierzchni pomiarowej przedstawiono na Rys.3. Pole powierzchni pomiarowej S oblicza się ze wzoru: w którym: ( ab + bc ca) S = 4 + a =,5 l b =,5 l c = l d + d + d l 1, l i l 3 - są długością, szerokością i wysokością prostopadłościanu odniesienia. prostopadłościan odniesienia P5 P d P3 c P1 P4 l3 d l b=l +d a=l 1 +d l 1 d Rys.3. Przykład wyznaczenia pozycji mikrofonu (P1-P5) na powierzchni pomiarowej Przeprowadzenie pomiarów akustycznych W każdym z wyznaczonych w rozdziale 3.3 punktów pomiarowych (Rys.3) zlokalizowanych na powierzchni pomiarowej należy przeprowadzić pomiary poziomu dźwięku A emitowanego przez pracującą maszynę. W każdym punkcie pomiarowym należy wykonać co najmniej 3 pomiary, a ich wartości uśrednić. astępnie należy wyłączyć pracującą maszynę i wykonać pomiary poziomu tła akustycznego w każdym z punktów. Wyniki pomiarów zapisać w protokole pomiarowym. L pai L pai

6 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: Obliczenie uśrednionego poziomu dźwięku A na powierzchni pomiarowej Obliczyć uśredniony poziom dźwięku A na powierzchni pomiarowej L pa w czasie pracy badanego źródła wg wzoru: L pa 1 = 1lg 1 i= 1,1L pai, L pai - średni poziom dźwięku A zmierzony w i-tej pozycji mikrofonu w, całkowita liczba pozycji mikrofonu. astępnie obliczyć uśredniony poziom tła akustycznego na powierzchni pomiarowej L pa 1 = 1lg 1 i= 1,1L pai, L pai - średni poziom A hałasu tła zmierzony w i-tej pozycji mikrofonu w, całkowita liczba pozycji mikrofonu. L pa wg wzoru: 3.6. Wyznaczenie poprawki uwzględniającej wpływ hałasu tła K 1A Obliczyć poprawkę K 1A uwzględniającą wpływ tła na wynik pomiaru wg wzoru: K,1 A ( 1 ) L 1A = 1lg 1, LA = LpA LpA, Jeżeli L A > 1 to nie wprowadza się żadnej poprawki, zatem K 1A =. Jeżeli L A 3 to pomiary są zgodne z normą 3746 i mogą stanowić podstawę do obliczenia mocy akustycznej. Dla L A w zakresie od 3 do 1 wprowadza się poprawę K 1A różną od zera obliczoną wg wcześniej podanego wzoru. Jeśli L A < 3 to dokładność uzyskanych wyników jest zmniejszona i przeprowadzone pomiary nie powinny stanowić podstawy do dalszych obliczeń Wyznaczenie poprawki uwzględniającej środowisko badawcze Poprawka uwzględniająca wpływ środowiska badawczego na wynik pomiaru K A uwzględnia wpływ niepożądanych odbić od powierzchni ograniczających pomieszczenie i/lub obiektów odbijających dźwięk zlokalizowanych w pobliżu badanej maszyny. Wartość poprawki środowiskowej zależy głównie od stosunku chłonności akustycznej pomieszczenia A do pola powierzchni pomiarowej S. Poprawkę K A oblicza się wg wzoru: S K A = 1lg 1 + 4, A A chłonność akustyczna pomieszczenia w m, S pole powierzchni pomiarowej w m.

7 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: 7 Chłonność akustyczną pomieszczenia można wyznaczyć na podstawie metody przybliżonej lub pogłosowej. W metodzie przybliżonej wartość chłonności akustycznej pomieszczenia można oszacować na podstawie wzoru: A = α w którym: α - średni współczynnik pochłaniania dźwięku wg Tablicy 1, S v całkowite pole powierzchni ograniczających pomieszczenie badawcze (ściany, sufit, podłoga) w m. W metodzie pogłosowej średni współczynnik pochłaniania dźwięku wyznacza się na podstawie pomiaru czasu pogłosu pomieszczenia T wyrażonego w sekundach na podstawie wzoru: S v V A =,16, m T V objętość pomieszczenia w m 3, T czas pogłosu w s. Tablica 1. Przybliżone wartości średniego współczynnika pochłaniania dźwięku α Średni współczynnik pochłaniania dźwięku α,5,1,15,,5,35,5 Opis pomieszczenia Pomieszczenia prawie puste, z gładkimi ścianami odbijającymi dźwięk, wykonanymi z betonu, cegły, pustaków lub ze ścianami tynkowanymi Pomieszczenia częściowo puste, pomieszczenia z gładkimi ścianami Pomieszczenia umeblowane; prostopadłościenna maszynownia; prostopadłościenne pomieszczenie przemysłowe Pomieszczenie umeblowane o nieregularnym kształcie; maszynownia lub pomieszczenie przemysłowe o nieregularnym kształcie Pomieszczenie umeblowane meblami tapicerowanymi; maszynownia lub pomieszczenie przemysłowe z niewielką ilością materiałów pochłaniających dźwięk na ścianach lub suficie (np. częściowo pochłaniający sufit) Pomieszczenie z materiałami pochłaniającymi dźwięk, zarówno na suficie, jak i na ścianach Pomieszczenie z duża ilością materiałów pochłaniających dźwięk, na suficie i na ścianach 3.8. Obliczenie powierzchniowego poziomu dźwięku A Obliczenie powierzchniowego poziomu dźwięku A ( L pfa ) należy przeprowadzić na podstawie wzoru: LpfA = LpA K1A K A

8 POLTECHKA ŚLĄSKA. WYDZAŁ ORGAZACJ ZARZĄDZAA. Strona: Obliczenie skorygowanego poziomu mocy akustycznej Skorygowany poziom mocy akustycznej A (L WA ) oblicza się wg wzoru: S LWA = L pfa +1log, S S pole powierzchni pomiarowej w m, S o pole powierzchni odniesienia: S o = 1m. o 3.1. Obliczenie mocy akustycznej nnym wzorem opisującym moc akustyczną jest: L = 1log WA, moc akustyczna w W, o moc odniesienia równa W. o Stąd, znając poziom mocy akustycznej oraz poziom odniesienia można wyznaczyć moc akustyczną wyrażoną w W: LWA 1, 1 =, W LTERATURA: 1. Bruel & Kjaer: Pomiary dźwięków. Wydawnictwo B&K, Dania.. Engel Z.: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem. PW, Warszawa Puzyna Cz.: Zwalczanie hałasu w przemyśle. Zasady Ogólne. WT, Warszawa Sadowski J.: Akustyka architektoniczna. PW, Warszawa Żyszkowski Z.: Miernictwo akustyczne. WT, Warszawa P-E SO 3746:1999. Akustyka - Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego. Metoda orientacyjna z zastosowaniem otaczającej powierzchni pomiarowej nad płaszczyzną odbijającą dźwięk.