Instrukcja do laboratorium z Fizyki Budowli. Temat laboratorium: CZĘSTOTLIWOŚĆ

Podobne dokumenty
Ćwiczenie 3,4. Analiza widmowa sygnałów czasowych: sinus, trójkąt, prostokąt, szum biały i szum różowy

LABORATORIUM. Pomiar poziomu mocy akustycznej w komorze pogłosowej. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Procedura techniczna wyznaczania poziomu mocy akustycznej źródeł ultradźwiękowych

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Procedura orientacyjna wyznaczania poziomu mocy akustycznej źródeł ultradźwiękowych

Mapa akustyczna Torunia

Przygotowała: prof. Bożena Kostek

PROBLEMY AKUSTYCZNE ZWIĄZANE Z INSTALACJAMI WENTYLACJI MECHANICZNEJ

Badanie widma fali akustycznej

) (2) 1. A i. t+β i. sin(ω i

Imię i nazwisko ucznia Data... Klasa...

f = 2 śr MODULACJE

Temat ćwiczenia. Wyznaczanie mocy akustycznej

Dobór ochronników słuchu, ze względu na tłumienie dźwięku

Określenie właściwości paneli akustycznych ekranów drogowych produkcji S. i A. Pietrucha Sp z o. o.

Ze względu na dużą rozpiętość mierzonych wartości ciśnienia (zakres ciśnień akustycznych obejmuje blisko siedem rzędów wartości: od 2x10 5 Pa do

Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu

Percepcja dźwięku. Narząd słuchu

Pomiar poziomu hałasu emitowanego przez zespół napędowy

Analiza właściwości filtra selektywnego

Zjawisko aliasingu. Filtr antyaliasingowy. Przecieki widma - okna czasowe.

Podstawy elektroniki i akustyki

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 2 Pomiary i analiza ciśnienia akustycznego

Akustyka budowlana c f. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Wprowadzenie. Zagadnienia Współczesnej Fizyki Budowli

Wykład FIZYKA I. 11. Fale mechaniczne. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Dynamiczne badanie wzmacniacza operacyjnego- ćwiczenie 8

W celu obliczenia charakterystyki częstotliwościowej zastosujemy wzór 1. charakterystyka amplitudowa 0,

Badanie widma fali akustycznej

Filtry aktywne filtr górnoprzepustowy

Tabela 3.2 Składowe widmowe drgań związane z występowaniem defektów w elementach maszyn w porównaniu z częstotliwością obrotów [7],

Przykładowe poziomy natężenia dźwięków występujących w środowisku człowieka: 0 db - próg słyszalności 10 db - szept 35 db - cicha muzyka 45 db -

Ćwiczenie - 7. Filtry

Fale dźwiękowe i zjawisko dudnień. IV. Wprowadzenie.

Aby nie uszkodzić głowicy dźwiękowej, nie wolno stosować amplitudy większej niż 2000 mv.

Spis treści. Wykaz ważniejszych oznaczeń. Przedmowa 15. Wprowadzenie Ruch falowy w ośrodku płynnym Pola akustyczne źródeł rzeczywistych

LABORATORIUM. Pomiar poziomu mocy akustycznej w komorze bezechowej z odbijającą podłogą. Instrukcja do zajęć laboratoryjnych

Dobór ochronników słuchu, ze względu na tłumienie dźwięku

TEMAT: OBSERWACJA ZJAWISKA DUDNIEŃ FAL AKUSTYCZNYCH

BADANIE FILTRÓW. Instytut Fizyki Akademia Pomorska w Słupsku

PROTOKÓŁ POMIAROWY - SPRAWOZDANIE

Fale akustyczne. Jako lokalne zaburzenie gęstości lub ciśnienia w ośrodkach posiadających gęstość i sprężystość. ciśnienie atmosferyczne

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Laboratorum 2 Badanie filtru dolnoprzepustowego P O P R A W A

Charakterystyka amplitudowa i fazowa filtru aktywnego

WZMACNIACZ OPERACYJNY

ANALIZA HARMONICZNA DŹWIĘKU SKŁADANIE DRGAŃ AKUSTYCZNYCH DUDNIENIA.

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

LABORATORIUM PODSTAW TELEKOMUNIKACJI

Ponieważ zakres zmian ciśnień fal akustycznych odbieranych przez ucho ludzkie mieści się w przedziale od 2*10-5 Pa do 10 2 Pa,

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera

Protokół z wykonania pomiarów hałasu przy linii kolejowej nr 8 na odcinku Okęcie Czachówek.

(1.1) gdzie: - f = f 2 f 1 - bezwzględna szerokość pasma, f śr = (f 2 + f 1 )/2 częstotliwość środkowa.

Nauka o słyszeniu. Wykład I Dźwięk. Anna Preis,

I. Pomiary charakterystyk głośników

Ćwiczenie nr 11. Projektowanie sekcji bikwadratowej filtrów aktywnych

Imię i nazwisko (e mail): Rok: 2018/2019 Grupa: Ćw. 5: Pomiar parametrów sygnałów napięciowych Zaliczenie: Podpis prowadzącego: Uwagi:

PROTOKÓŁ POMIARY W OBWODACH PRĄDU PRZEMIENNEGO

8. Realizacja projektowanie i pomiary filtrów IIR

WIDMA TERCJOWE I OKTAWOWE POZIOMU CIŚNIENIA DŹWIĘKU bez i z zastosowaniem filtra korekcyjnego A w paśmie słyszalnym

METODY ANALIZY SYGNAŁÓW WIBROAKUSTYCZNYCH

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

Zadanie nr II-22: Opracowanie modelu aktywnego ustroju dźwiękochłonno-izolacyjnego o zmiennych tłumieniu i izolacyjności

Filtry aktywne filtr środkowoprzepustowy

1. Określenie hałasu wentylatora

Podstawy Akustyki. Drgania normalne a fale stojące Składanie fal harmonicznych: Fale akustyczne w powietrzu Efekt Dopplera.

Podstawy Przetwarzania Sygnałów

Nauka o słyszeniu Wykład IV Głośność dźwięku

Wzmacniacze operacyjne

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 1115

Nauka o słyszeniu. Wykład III +IV Wysokość+ Głośność dźwięku

POMIARY WYBRANYCH PARAMETRÓW TORU FONICZNEGO W PROCESORACH AUDIO

Data wykonania ćwiczenia: Ćwiczenie prowadził:

Ruch falowy. Parametry: Długość Częstotliwość Prędkość. Częstotliwość i częstość kołowa MICHAŁ MARZANTOWICZ

5(m) PWSZ -Leszno LABORATORIUM POMIARY I BADANIA WIBROAKUSTYCZNE WYZNACZANIE POZIOMU MOCY AKUSTYCZNEJ MASZYN I URZĄDZEŃ 1. CEL I ZAKRES ĆWICZENIA

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI ĆWICZENIE NR 2. Podstawowe rodzaje sygnałów stosowanych w akustyce, ich miary i analiza widmowa

Katedra Podstaw Konstrukcji Maszyn i Mechatroniki

A3 : Wzmacniacze operacyjne w układach liniowych

Metoda pomiarowo-obliczeniowa skuteczności ochrony akustycznej obudów dźwiękoizolacyjnych źródeł w zakresie częstotliwości khz

Symulacje akustyczne

ANALIZA KORELACYJNA I FILTRACJA SYGNAŁÓW

Ochrona przeciwdźwiękowa (wykład ) Józef Kotus

TERAZ O SYGNAŁACH. Przebieg i widmo Zniekształcenia sygnałów okresowych Miary sygnałów Zasady cyfryzacji sygnałów analogowych

PWSZ -Leszno LABORATORIUM POMIARY I BADANIA WIBROAKUSTYCZNE

Ćwiczenie - 1 OBSŁUGA GENERATORA I OSCYLOSKOPU. WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI AMPLITUDOWEJ I FAZOWEJ NA PRZYKŁADZIE FILTRU RC.

Przekształcenia sygnałów losowych w układach

Analiza właściwości filtrów dolnoprzepustowych

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 1115

Analiza harmoniczna dźwięku.

Hałas przy zgrzewaniu ultradźwiękowym metali. dr inż. Jolanta Matusiak mgr Piotr Szłapa mgr inż. Joanna Wyciślik

POMIARY HAŁASU I WIBRACJI W REJONIE PRZYSZŁEJ INWESTYCJI PRZY UL. 29 LISTOPADA W KRAKOWIE

Własności dynamiczne przetworników pierwszego rzędu

BADANIE ELEKTRYCZNEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA POCHŁANIANIA DŹWIĘKU METODĄ FAL STOJĄCYCH

Wydział Elektryczny Katedra Telekomunikacji i Aparatury Elektronicznej

x(n) x(n-1) x(n-2) D x(n-n+1) h N-1

Ćwiczenie F3. Filtry aktywne

L ABORATORIUM UKŁADÓW ANALOGOWYCH

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Ćwiczenie 6 IZOLACJA DRGAŃ MASZYNY. 1. Cel ćwiczenia

Zastosowania liniowe wzmacniaczy operacyjnych

Transkrypt:

Instrukcja do laboratorium z Fizyki Budowli Temat laboratorium: CZĘSTOTLIWOŚĆ 1

1. Wprowadzenie 1.1.Widmo hałasu Płaską falę sinusoidalną można opisać następującym wyrażeniem: p = p 0 sin (2πft + φ) (1) p chwilowa nadwyżka ciśnienia ponad ciśnienie atmosferyczne zwana ciśnieniem akustycznym [Pa] p 0 amplituda zmian ciśnienia akustycznego [Pa] f częstotliwość [Hz] φ kąt fazowy Suma dwóch drgań sinusoidalnych jest prostą sumą składowych: p 3 = p 1 + p 2 (2) p 1 = p 01 sin (2πf 1 t + φ 1 ) p 2 = p 02 sin (2πf 2 t + φ 2 ) Każdą falę złożoną można rozłożyć na sumę prostych drgań zgodnie z zasadami teorii Fouriera, co nosi nazwę wyznaczenia widma drgań lub analizy widmowej. Charakterystyka częstotliwościowa (widmo) sygnału akustycznego, poziom natężenia dźwięku i czas ekspozycji to podstawowe parametry określające hałas. Z podanych wyżej zależności wynika, że drgania sinusoidalne charakteryzują się jedną wartością częstotliwości. W prezentacji widmowej (układ współrzędnych amplituda częstotliwość) odpowiada to pojedynczemu prążkowi (Rys. 1). Sygnał taki nosi nazwę tonu prostego. Rys. 1 Drgania okresowe niesinusoidalne lub drgania poliharmoniczne charakteryzują się widmem wieloprążkowym, przy czym położenie prążków harmonicznych na osi częstotliwości, wyznaczone z rozkładu na szereg Fouriera jest równomierne, zwykle jest to wielokrotność częstotliwości podstawowej. Przykładem jest widmo drgań prostokątnych 2

(Rys. 2). Widmo takie nosi nazwę widma harmonicznego, a prążki 3f0, 5f0 harmonicznych składowej podstawowej. Rys. 2 Przy pomiarach hałasu najczęściej spotykamy się z dźwiękami nieokresowymi. W uproszczeniu można powiedzieć, że stanowią one sumę nieskończenie dużej liczby dźwięków sinusoidalnych. W przestrzeni częstotliwości poszczególne prążki położone są tak gęsto, że obrazem jest widmo ciągłe (Rys. 3). Rys. 3 1.2. Częstotliwość jako parametr akustyczny Znaczenie częstotliwości jako parametru określającego hałas wynika między innymi z zależności między subiektywnym odczuciem głośności, a częstotliwością dźwięku (Rys. 4). Głośność jest złożoną funkcją wielu parametrów ale zależy przede wszystkim od poziomu natężenia dźwięku i częstotliwości. Tony niskie są gorzej słyszalne niż częstotliwości w zakresie 1000Hz 2000Hz. Informacje o charakterystyce częstotliwościowej potrzebne są zatem do oceny wpływu hałasu na organizm człowieka. Współczynnik pochłaniania dźwięku α materiałów i ustrojów dźwiękochłonnych zależy również od częstotliwości. Oznacza to, że dobór tych materiałów przy wykonywaniu adaptacji akustycznych wnętrz powinien uwzględniać charakterystykę widmową dźwięku. Fale dźwiękowe na swej drodze napotykają różnorodne przeszkody w postaci budynków, ekranów akustycznych lub innych elementów, które powodują ugięcie i dobicie fali. Przy analizie tych zjawisk należy brać pod uwagę stosunek długości fali do wymiarów geometrycznych przeszkody. Można przyjąć, że w przypadku gdy długość fali λ jest dużo większa od wymiarów przeszkody to fala jej nie zauważa. Gdy wielkości te są porównywalne następuje rozpraszanie energii akustycznej. Przy dużo większych od długości fali wymiarach przeszkody następuje kierunkowe odbicie energii akustycznej zgodnie z zasadą, że kąt padania jest równy kątowi odbicia. 3

Długość fali określona jest wzorem: λ = c f (3) c prędkość propagacji dźwięku [m/s] (w powietrzu c = 340 m/s) f częstotliwość [Hz] Częstotliwości dźwięków słyszalnych zawierają się w granicach 20Hz 20000Hz co odpowiada zakresowi długości fal 17m 17mm. Oznacza to, że nie można analizować interakcji między przeszkodą a falą bez uwzględnienia częstotliwości. 1.3. Filtry akustyczne Filtry i analizatory akustyczne pozwalają na drodze pomiarowej określić widmo sygnału dźwiękowego. Są to urządzenia elektroniczne, których wzmocnienie zależy od częstotliwości. Na Rys. 5 pokazano idealną charakterystykę filtrów pasmowych (środkowoprzepustowych). fd dolna częstotliwość graniczna f0 częstotliwość środkowa filtru fg górna częstotliwość graniczna Rys. 5 Przy zastosowaniu filtru z Rys. 5 następuje całkowite wytłumienie częstotliwości mniejszych od fd i większych od fg. Składowe sygnału spełniające zależność fd<f<fg przejdą przez filtr ze wzmocnieniem równym 1. Innym rodzajem filtru jest filtr dolnoprzepustowy (Rys. 6). Filtr ten działa jak sito przy analizie uziarnienia kruszyw, przepuszcza tylko częstotliwości niższe od pewnej wartości granicznej. 4

Rys. 6 W celu przeprowadzenia dokładnej analizy widmowej należałoby zastosować szereg filtrów pasmowych o częstotliwościach środkowych f0 pokrywających zakres od 20Hz do 20000Hz. Oznacza to, że przy szerokości pasma np.: 10Hz (fg-fd=10hz) musimy stosować ok. 2000 filtrów. Żeby ułatwić pomiary, w laboratoriach akustycznych stosuje się inne rodzaje filtrów. Są to filtry o stałej względnej szerokości pasma, najczęściej oktawowe lub tercjowe. Charakterystyka tych filtrów spełnia następującą zależność: f g f d f 0 = const. (4) Oznacza to, że pasmo określone różnicą fg-fd wzrasta wraz ze wzrostem częstotliwości środkowej f0. 1.3.1. Filtry oktawowe Częstotliwość środkowa określona jest zależnością: f 0 = (f g f d ) 1 2 (5) f g = 2f d f 0 = (2f 2 d ) 1 2 = 1.41f d Częstotliwości środkowe filtrów oktawowych (Rys. 7) wynoszą: 16, 32, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000Hz i pozawalają przeprowadzić analizę w zakresie częstotliwości słyszalnych. Częstotliwość fd filtru wyższego pokrywa się z wartością fg filtru niższego. Względna szerokość pasma przepuszczania filtrów oktawowych określona jest zależnością: f g f d f 0 100% = 2f g f d (2) 1 100 = 70,7% (6) 2f d 5

Rys. 7 1.3.2. Filtry tercjowe Jeżeli każdy filtr oktawowy podzielimy na trzy filtry o środkowych częstotliwościach określonych przez zależność (5), lecz przy spełnieniu równości: f g = 2 1 3f d (7) to otrzymamy ciąg filtrów tercjowych (1/3 oktawowych). Na każdy filtr oktawowy składają się trzy filtry tercjowe. Rys. 8 Względna szerokość pasma przepuszczania filtrów tercjowych określona jest zależnością: f g f d 100% = 2 1 3 f d f d f 0 (2) 1 100 = 23,1% (8) 5f d 1.3.3. Filtry korekcyjne A, B, C Jak już wspomniano wyżej głośność dźwięku zależy od częstotliwości. Na Rys. pokazane są krzywe równej głośności. Wynika z nich, że częstotliwości niskie są relatywnie gorzej słyszane niż wysokie. Charakterystyki częstotliwościowe filtrów korekcyjnych naśladują krzywe równej głośności, to znaczy w tym samym stopniu i w tym samym zakresie częstotliwości tłumią sygnał akustyczny co organ słuchu człowieka (Rys. 9). W związku z tym, że kształt krzywych równiej głośności zależy od poziomu natężenia dźwięku 6

opracowano trzy rodzaje filtrów korekcyjnych A, B i C. Filtr A powinien być stosowany przy poziomach natężenia dźwięku od 0 do 55dB. W zakresie 55dB - 85dB należy stosować filtr B, a powyżej 85dB filtr C. W praktyce przy ocenie hałasu, niezależenie od poziomu natężenia dźwięku, stosuje się tylko filtr A. Mówimy wtedy o pomiarze dźwięku A, wynik podajemy w db(a). Poziom dźwięku A może być określony na podstawie wyników analizy częstotliwościowej wykonanej w pasmach oktawowych. Obliczenia należy przeprowadzić zgodnie ze wzorem: L(A) = 10lg 10 0,1(L i+k i ) n i=1 L i poziom natężenia dźwięku w i-tym paśmie częstotliwości n liczba pasm częstotliwości K i poprawka korygująca wg krzywej A (tablica I) (9) Tabela 1 poprawki korekcyjne wg krzywej A Częstotliwości środkowe pasm oktawowych [Hz] 31,5 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000 Paprawka [db] -39-26 -16-9 -3 0 +1 +1-1 1.4. Krzywe oceny hałasu Jedną z metod oceny hałasu jest porównanie zmierzonej charakterystyki częstotliwościowej dźwięku z krzywymi oceny hałasu N (noise ratio). Nie jest to metoda obligatoryjna w świetle aktualnie obowiązujących przepisów normowych, które jako kryterium przyjmują równoważny poziom dźwięku A. Metoda ta ma jednak istotną zaletę z punktu widzenia projektowania w dziedzinie inżynierii akustycznej. Naniesienia wyników analizy częstotliwościowej na wykresy krzywych N pozwala zorientować się w jakim zakresie częstotliwości następuje przekroczenie wartości dopuszczalnych. Oczywiście kryteria oceny hałasu muszą być określone przez liczbę N. Można z dobrym przybliżeniem przyjąć, że wielkość N odpowiada wartości wyrażonej w db(a) pomniejszonej o 5. To znaczy, że dopuszczalny poziom dźwięku 85dB(A) odpowiada krzywej oceny hałasu N80. Analiza częstotliwościowa sygnału akustycznego musi być wykonana przy użyciu filtrów oktawowych. Przykład Obliczyć poziomy dźwięku A na podstawie zmierzonych charakterystyk częstotliwościowych (pasma oktawowe). 63Hz 125Hz 250Hz 500Hz 1kHz 2kHz 4kHz 8kHz Sygnał I 100 90 80 70 60 58 49 46 Sygnał II 45 47 57 60 70 73 73 72 7

Rozwiązanie: Po uwzględnieniu poprawek Ki (tabela 1) należy dodać poziomy natężenia dźwięku w poszczególnych oktawach zgodnie z zasadami sumowania poziomów. Sygnał I: L I (A) = (100 26) + (90 16) + (80 9) + (70 3) + (60 0) + (58 + 1) + (49 + 1) + (46 1) = 74 + 74 + 71 + 67 + 60 + 59 + 50 + 45 = 78dB(A) Sygnał II: L II (A) = (45 26) + (47 16) + (57 9) + (60 3) + (70 0) + (73 + 1) + (73 + 1) + (72 1) = 19 + 31 + 48 + 57 + 70 + 74 + 74 + 71 = 79dB(A) Sygnał I to hałas niskoczęstotliwościowy, natomiast w sygnale II przeważają składowe wysokoczęstotliwościowe mimo to poziom dźwięku wyrażony w db(a) jest prawie taki sam. Przykład W jakim zakresie częstotliwości należy przede wszystkim obniżyć hałas technologiczny piły tarczowej, żeby dopuszczalna wartość 85db(A) nie była przekroczona. Widmo hałasu: F [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 L [db] 75 80 82 90 90 93 Dopuszczalny poziom dźwięku 85dB(A) odpowiada krzywej N80: F [Hz] 125 250 500 1000 2000 4000 L [db] 92 87 83 80 78 76 Przekroczenie wartości dopuszczalnych występuje w zakresie częstotliwości wyższych od 500Hz. Należy np.: stosować materiały o dużym współczynniku pochłaniania dźwięku w zakresie wysokich częstotliwości. 2. Program ćwiczenia Należy przeprowadzić analizę częstotliwościową w pasmach tercjowych i oktawowych sygnałów zarejestrowanych na magnetofonie, zmierzyć liniowy poziom natężenia dźwięku i poziom dźwięku A. W przypadku hałasu obrabiarki porównać widmo z krzywą N80. Sprawozdanie powinno zawierać wyniki pomiarów (tabele i wykresy) oraz wnioski wynikające z analizy badanych sygnałów. 8

9