WYŻSZA SZKOŁA ZARZĄDZANIA OCHRONĄ PRACY W KATOWICACH II Konferencja Naukowa HAŁAS W ŚRODOWISKU Centralny Instytut Ochrony Pracy - Państwowy Instytut Badawczy w Warszawie Predykcja ha³asu w halach przemys³owych Przewidywanie hałasu jest działaniem niezbędnym do wykonania projektu zabezpieczeń przeciwhałasowych. Predykcją hałasu nazywa się określenie metodami obliczeniowo-pomiarowymi wybranych wielkości fizycznych charakteryzujących hałas w stanie ustalonym. W artykule opisano najczęściej stosowane metody predykcji hałasu w halach przemysłowych. Opisano także program komputerowy do predykcji hałasu w halach przemysłowych - STREFA, którego algorytm numeryczny oparty jest na metodzie źródeł pozornych. Podano również przykładowe wyniki obliczeń programu, które można wykorzystać przy projektowaniu zabezpieczeń przeciwhałasowych. Referat zrealizowany został w ramach II etapu programu wieloletniego pn. Dostosowanie warunków pracy w Polsce do standardów Unii Europejskiej oraz innych programów badawczych. Wprowadzenie Predykcja hałasu w halach przemysłowych polega na obliczaniu wielkości fizycznych charakteryzujących hałas w obszarach ograniczonych. Podstawową wielkością fizyczną charakteryzującą hałas jest poziom ciśnienia akustycznego, a obszarem gdzie się go określa, są wyróżnione punkty we wnętrzu hali przemysłowej (stanowiska pracy). Podczas obliczeń należy uwzględnić: kształt hal (w tym również nie prostopadłościenny), właściwości pochłaniające dźwięku powierzchni ograniczających pomieszczenie, źródła hałasu (wszechkierunkowe i o zadanej charakterystyce kierunkowej, o różnej mocy akustycznej), ekrany akustyczne oraz kabiny dla obsługi. W bardziej zaawansowanych metodach predykcji uwzględnia się także ugięcie fali akustycznej na: kabinach dla obsługi oraz krawędziach ścian wnętrza. W oparciu o wyniki obliczeń poziomu ciśnienia akustycznego, można wyznaczyć: mapy hałasu i strefy hałasu (na płaszczyźnie poziomej i/lub pionowej) oraz inne dane istotne przy projektowaniu zabezpieczeń przeciwhałasowych np. wpływ zabezpieczeń przeciwhałasowych na wypadkowy poziom ciśnienia akustycznego. Zalecane metody predykcji hałasu w halach przemysłowych podane są w normie PN EN-ISO 11690-3. 45
Metody predykcji akustycznej w halach przemysłowych Przy predykcji hałasu w hali przemysłowej obiekt rzeczywisty zastępuje się modelem obliczeniowym. Model ten uwzględnia niezbędne do symulacji pola akustycznego w obszarze ograniczonym, wybrane parametry obiektu rzeczywistego (geometryczne i akustyczne) oraz uwzględnia zasady propagacji energii akustycznej w obszarach ograniczonych (zachodzące zjawiska fizyczne). Dokładność wyników obliczeń uzależniona jest od dokładności wprowadzanych danych i dokładności modelu. Dokładności modelu wynika z dokładności opisu zjawisk fizycznych w tym modelu. Dokumenty międzynarodowe, europejskie oraz polskie m.in. norma PN EN- ISO 11690-3 określają zalecenia do wyboru metody obliczania poziomów ciśnienia akustycznego na stanowiskach pracy we wnętrzach przemysłowych. Zaleca się w niej stosowanie metod statystycznych lub metod geometrycznych. Zakładana dokładność wyniku predykcji determinuje wybór metody. Zaletą metod statystycznych jest ich prostota. Można je stosować w przypadku, gdy występujące pole akustyczne we wnętrzach jest dyfuzyjne lub quasi dyfuzyjne. Często w literaturze spotyka się kryterium, że można je stosować, gdy średni współczynnik pochłaniania dźwięku pomieszczenia jest mniejszy niż 0,2. Metody statystyczne znajdują zastosowanie do określenia, o ile zmniejszy się średni hałas w danym pomieszczeniu po zastosowaniu materiałów dźwiękochłonnych na powierzchniach ograniczających pomieszczenie. Natomiast metody te nie umożliwiają określenia o ile zmniejszy się hałas w konkretnym wybranym punkcie w pomieszczeniu (np. na stanowisku pracy). Wynika to z faktu, że metody statystyczne nie są wrażliwe na nierównomierne rozmieszczenie źródeł hałasu oraz materiałów dźwiękochłonnych na powierzchniach ograniczających pomieszczenie. Dlatego problematyczna jest ich przydatność do predykcji hałasu w typowych halach przemysłowych, w szczególności, gdy celem projektu jest predykcja wpływu różnych wariantów adaptacji akustycznej na hałas na stanowiskach pracy. Bardziej zbliżone wyniki predykcji hałasu do warunków rzeczywistych można osiągnąć przez zastosowanie metod geometrycznych. Metody te oparte są na założeniu analogicznego rozchodzenia się światła oraz fal akustycznych w obszarach ograniczonych i dlatego zależności opisujące propagację energii akustycznej zostały w tych metodach określone zgodnie z zasadami optyki i akustyki. Niewątpliwie najtrudniejszym elementem do uwzględnienia w metodach geometrycznych jest określenie odbicia się fali akustycznej od ścian pomieszczenia. Przyjmuje się w nich, że energia akustyczna rozchodzi się po liniach prostych, a fala akustyczna natrafiając na przeszkodę odbija się pod kątem padania. W celu prawidłowego i wystarczającego dla potrzeb predykcji uwzględnienia w modelu tego zjawiska fizycznego, konieczne jest określenie punktów (rys. 1 i 2), w których nastąpiły 46
Predykcja hałasu w halach przemysłowych odbicia się fali akustycznej od powierzchni odbijającej (konieczność uwzględnienia strat energii akustycznej podczas odbicia, przez uwzględnienie dla tych punktów współczynników pochłaniania dźwięku). W celu określenia zmniejszenia się poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji odległości, należy określić długość drogi, po której propaguje się fala akustyczna od źródła rzeczywistego do punktu obserwacji (krzywa łamana). Należy również określić pod jakim kątem wypromieniowywana jest fala akustyczna ze źródła w celu uwzględnienia właściwości kierunkowych emisji hałasu ze źródła. Rys. 1. Mechanizm tworzenia źródła pozornego pierwszego rzędu (odbicie fali akustycznej od powierzchni odbijającej) Najbardziej rozpowszechnione spośród metod geometrycznych są: metoda promieniowa i metoda źródeł pozornych. W metodzie promieniowej sferę wokół źródła akustycznego dzieli się na obszary (ilościowo tysiące obszarów). W każdy obszar przestrzenny (kąt bryłowy o wierzchołku w źródle) źródło hałasu promieniuje energię akustyczną, która dalej w modelu jest reprezentowana przez tzw. promień dźwiękowy. Ilość energii akustycznej przenoszonej przez promień dźwiękowy jest (dla źródła wszechkierunkowego) równa energii akustycznej emitowanej przez źródło pomnożonej przez ułamek wynikający z ilorazu wartości kąta bryłowego do kąta pełnego. Energia akustyczna docierająca do stanowiska pracy jest wypadkową ze wszystkich promieni, które na stanowisko pracy docierają różnymi drogami. Ponieważ promienie dźwiękowe są pękiem półprostych wychodzących ze źródła akustycznego i jest ich skończona liczba (choć bardzo duża), to prawdopo- 47
dobieństwo, że przejdą przez punkt obserwacji (punkt geometryczny) jest bliskie zeru. Dlatego, aby algorytm numeryczny działał prawidłowo punkt obserwacji musi być obszarem, np. kulą. Konieczność zastąpienia w modelu punktu obserwacji kulą jest przyczyną dużej komplikacji modelu. Wynika to z faktu, że do takiego obszaru może tą samą drogą docierać więcej niż jeden promień dźwiękowy, które będą rozpatrywane jako promienie różne (chodzi tu o sąsiadujące ze sobą promienie emitowane ze źródła). Jest to oczywisty błąd, ponieważ niezależne rozpatrywanie dwóch sąsiednich promieni dźwiękowych propagowanych tą samą drogą nie znajduje uzasadnienia fizycznego i dlatego trzeba tutaj zastosować specjalny algorytm numeryczny eliminujący możliwość powstania takiej sytuacji. Największą zaletą metody promieniowej jest to, że można w niej uwzględnić odbicie się fali akustycznej od dowolnych powierzchni, również małych i niepłaskich. Uwzględnienie takich przypadków jest jednak mocno problematyczne, z powodu braku fizycznych podstaw do uwzględnienia odbicia się fali akustycznej od powierzchni, których wymiary są dużo mniejsze od długości fali akustycznej. Drugą często stosowaną metodą geometryczną jest metoda źródeł pozornych. W metodzie tej odbicie się fali akustycznej od powierzchni odbijającej uwzględnia się przy pomocy źródła zastępczego tzw. pozornego źródła dźwięku. Źródło pozorne znajduje się po przeciwnej stronie powierzchni odbijającej niż źródło rzeczywiste (symetrycznie względem powierzchni odbijającej; rys.1). Energię akustyczną odbitą od powierzchni odbijającej traktuje, się jakby była promieniowana ze źródła pozornego i propagowała się do punktu obserwacji bez odbić. Źródło pozorne zastępuje więc źródło rzeczywiste, przy czym moc źródła pozornego jest równa mocy źródła rzeczywistego pomniejszonej o straty energii akustycznej podczas odbicia fali akustycznej od powierzchni odbijającej. Wpływ zmniejszenia się poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji odległości od źródła określa się dla źródła pozornego uwzględniając rzeczywistą trasę fali akustycznej (uwzględniającą odbicia). Ponieważ jednak długość takiej trasy jest dokładnie równa odległości źródła pozornego od punktu obserwacji (rys.2; a+b+c = d+c), dlatego ze względów praktycznych do obliczeń stosuje się tą drugą. Na rys. 1 pokazano w metodzie źródeł pozornych mechanizm uwzględniania odbicia fali akustycznej od powierzchni odbijającej poprzez tworzenie źródła pozornego pierwszego rzędu, a na rys. 2 pokazano źródła pozorne pierwszego i jedno źródło pozorne drugiego rzędu. 48
Predykcja hałasu w halach przemysłowych Rys. 2. Mechanizm tworzenia źródła pozornego drugiego rzędu (odbicie od jednej powierzchni) Wybór metody predykcji hałasu jest skutkiem wymaganej dokładności wyników predykcji. W tabeli nr 1 podanej w normie PN EN-ISO 11690 w zależności od przyjętej kategorii dokładności metody obliczeniowej, podane jest kryterium wyboru metod obliczeniowych oraz stopnia szczegółowości danych wejściowych do obliczeń. W tabelach nr 2, 3, 4 i 5 (w tej normie) dla zadanej dokładności metody obliczeniowej podano, stopień dokładności opisu wprowadzanych danych (pogłosowych współczynników pochłaniania dźwięku ścian pomieszczenia, kształtu pomieszczenia, wyposażenia pomieszczenia oraz poziomu mocy i właściwości kierunkowych źródeł akustycznych). W typowych warunkach przemysłowych powinno się stosować metodę o największej dokładność, tzn. gdy wnętrze można opisać przez podanie prostopadłościennego kształtu pomieszczenia, dla którego każdą powierzchnię można opisać przez podanie pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku, lub wnętrze można opisać przez podanie prostopadłościennego kształtu pomieszczenia, dla którego można powierzchne odbijające podzielić na elementy o różnych pogłosowych współczynnikach pochłaniania dźwięku, lub wnętrze można opisać przez podanie dokładnego jego kształtu, dla którego dokładnie można uwzględnić rozkład pochłaniających i odbijających powierzchni. Dla wszystkich przypadków: wyposażenia nie uwzględnia się przy obliczeniach lub wyposażenie uwzględnia się przez podanie jednej średniej wartości jego gęstości lub wyposażenie uwzględnia się przez podanie dokładnego jego kształtu i położenia. Przy opisie źródeł hałasu można uwzględnić ich charakterystykę promieniowania dźwięku. 49
Metoda obliczeń Przyjęto do predykcji stosować bardzo dokładną metodę źródeł pozornych symulacji pola akustycznego w obszarach ograniczonych, rozszerzoną o wybrane elementy geometrycznej metody promieniowej. Wypadkowy poziom ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji od każdego źródła hałasu oddzielnie oblicza się, w db, ze wzoru: gdzie: n - liczba źródeł hałasu, L p,sum,i - poziom ciśnienia akustycznego od i-tego źródła hałasu, w db, D'p - poprawka równa izolacyjności akustycznej kabiny dźwiękoizolacyjnej, stosowana, gdy punkt obserwacji znajduje się w kabinie, w db. Poziom ciśnienia akustycznego od każdego źródła hałasu, obliczany jest jako wypadkowy: od fali akustycznej docierającej do punktu obserwacji bez odbić od powierzchni ograniczających pomieszczenie oraz od fal akustycznych docierających do punktu obserwacji po odbiciu od powierzchni ograniczających pomieszczenie, w db, ze wzoru: gdzie : L p,b - poziom ciśnienia akustycznego fali akustycznej docierającej do punktu obserwacji bez odbić tj. fali bezpośredniej lub fali ugiętej (na ekranie, kabinie dźwiękoizolacyjnej lub krawędzi wypukłej wnętrz wklęsłych), w db, L p,o - poziom ciśnienia akustycznego wypadkowy od wszystkich fal odbitych od powierzchni ograniczających pomieszczenie, w db. Poziom ciśnienia akustycznego od fali akustycznej docierającej do punktu obserwacji bez odbić oblicza się, w db, ze wzoru: gdzie : L P - poziom mocy akustycznej źródła hałasu, w db, D φ - wskaźnik kierunkowości w płaszczyźnie poziomej - poprawka uwzględniająca wpływ kierunkowości źródła hałasu zależna od kąta, pod jakim wysyłany jest promień dźwiękowy w stosunku do przyjętej osi głównej, w db, L r - poprawka wynikająca z odległości jaką pokonuje promień dźwiękowy od 50
Predykcja hałasu w halach przemysłowych punktowego źródła hałasu do punktu obserwacji, w db, L e - poprawka uwzględniająca wpływ ugięcia się fali akustycznej na krawędziach ekranu akustycznego lub kabiny dźwiękoizolacyjnej lub krawędziach ugięcia pomieszczenia, w db, L p - poprawka uwzględniająca wpływ pochłaniania dźwięku przez powietrze, w db. Wypadkowy poziom ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji od wszystkich fal odbitych oblicza się, w db, ze wzoru: gdzie: m - liczba uwzględnianych źródeł pozornych (promieni dźwiękowych), L p,o,j - poziom ciśnienia akustycznego w punkcie obserwacji od fali odbitej, z j- -tego źródła pozornego, w db. Poziom ciśnienia akustycznego od fali odbitej, od j-tego źródła pozornego oblicza się, w db, ze wzoru: gdzie : L o -poprawka uwzględniająca straty energii akustycznej podczas odbicia się fali akustycznej od powierzchni odbijających, w db, pozostałe oznaczenia jak we wzorze poprzednim (z uwzględnieniem rzeczywistej trasy promienia dźwiękowego). Program komputerowy STREFA do predykcji hałasu Program STREFA umożliwia dla hali przemysłowej (rys. 3): określanie poziomu ciśnienia akustycznego w punktach obserwacji, określanie stref hałasu na płaszczyznach pionowych i/lub poziomych (rys. 4), określanie map hałasu na płaszczyznach pionowych i/lub poziomych (rys. 5), wykres poziomów ciśnienia akustycznego w punktach obserwacji - histogram którego każdy słupek reprezentuje wartość poziomu ciśnienia akustycznego w pojedynczym punkcie obserwacji (rys. 6a), widmo hałasu w wybranym punkcie obserwacji (rys. 6b), histogram źródeł - dla wybranego punktu obserwacji histogram, którego każdy słupek reprezentuje wartość poziomu ciśnienia akustycznego od pojedynczego źródła (rys. 6c), 51
histogram udziałów - dla wybranego punktu obserwacji i wybranego źródła akustycznego kolejne słupki obrazują wpływ fali bezpośredniej i fal odbitych, wpływ ekranu akustycznego i kabiny dźwiękoizolacyjnej na wypadkowy poziom ciśnienia akustycznego (rys. 6d). Rys. 3. Widok badanego obiektu Rys. 4. Strefy hałasu (w środku na płaszczyźnie poziomej, górny i dolny na płaszczyznach pionowych) 52
Predykcja hałasu w halach przemysłowych Rys. 5. Mapa hałasu Rys. 6. Wykresy słupkowe: a) w punktach obserwacji, b) widmo hałasu w oktawowych pasmach częstotliwości, c) histogram źródeł, d) histogram udziałów a) 53
b) c) 54
Predykcja hałasu w halach przemysłowych d) Podsumowanie Zastosowanie predykcji hałasu w obiektach nowoprojektowanych umożliwia zarządzanie hałasem w fazie uruchamiania zakładu. Zastosowanie predykcji hałasu w procesie projektowania zabezpieczeń przeciwhałasowych umożliwia obniżenie hałasu w sposób optymalny pod względem akustycznym i ekonomicznym. LITERATURA: 1. Mikulski W., Metoda obliczania poziomu ciśnienia akustycznego na stanowiskach pracy w halach przemysłowych oraz program komputerowy oparty na tej metodzie, XXVIII Zimowa Szkoła Zwalczania Zagrożeń Wibroakustycznych, Gliwice-Wisła, 28-02-2000. 2. Ocena ryzyka zawodowego, (red.) D. Koradecka, W. M. Zawieska, Centralny Instytut Ochrony Pracy, Warszawa 2004. 3. PN-EN ISO 11690-3. Akustyka - Zalecany sposób postępowania przy projektowaniu miejsc pracy o ograniczonym hałasie, wyposażonych w maszyny - Część 3: Propagacja dźwięku i prognozowanie hałasu w pomieszczeniach pracy. 55