Pomiary akustyczne. 1. Wstęp

Podobne dokumenty
POMIARY AKUSTYCZNE 1. WSTĘP

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

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

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

Dźwięk. Cechy dźwięku, natura światła

Fale dźwiękowe. Jak człowiek ocenia natężenie bodźców słuchowych? dr inż. Romuald Kędzierski

Ćwiczenie nr 25: Interferencja fal akustycznych

Temat ćwiczenia. Wyznaczanie mocy akustycznej

Ochrona przeciwdźwiękowa (wykład ) Józef Kotus

Mapa akustyczna Torunia

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

Przygotowała: prof. Bożena Kostek

4.3 Wyznaczanie prędkości dźwięku w powietrzu metodą fali biegnącej(f2)

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

Fal podłużna. Polaryzacja fali podłużnej

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

I. Pomiary charakterystyk głośników

Procedura techniczna wyznaczania poziomu mocy akustycznej źródeł ultradźwiękowych

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

Drgania i fale sprężyste. 1/24

Instrukcja do laboratorium z Fizyki Budowli. Temat laboratorium: CZĘSTOTLIWOŚĆ

Temat ćwiczenia. Pomiary drgań

Aktywne tłumienie drgań

INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN LABORATORIUM POMIARY AKUSTYCZNE

AKUSTYKA. Matura 2007

5.1. Powstawanie i rozchodzenie się fal mechanicznych.

Drania i fale. Przykład drgań. Drgająca linijka, ciało zawieszone na sprężynie, wahadło matematyczne.

P 13 HAŁAS NA STANOWISKU PRACY

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

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

Nauka o słyszeniu. Wykład I Dźwięk. Anna Preis,

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

Fale dźwiękowe - ich właściwości i klasyfikacja ze względu na ich częstotliwość. dr inż. Romuald Kędzierski

LABORATORIUM AUDIOLOGII I AUDIOMETRII

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN POMIAR WSPÓŁCZYNNIKA POCHŁANIANIA DŹWIĘKU METODĄ FAL STOJĄCYCH

BADANIE PODŁUŻNYCH FAL DŹWIĘKOWYCH W PRĘTACH

Nauka o słyszeniu Wykład IV Głośność dźwięku

Pomiar rezystancji metodą techniczną

Wydział EAIiE Kierunek: Elektrotechnika. Wykład 12: Fale. Przedmiot: Fizyka. RUCH FALOWY -cd. Wykład /2009, zima 1

1. Po upływie jakiego czasu ciało drgające ruchem harmonicznym o okresie T = 8 s przebędzie drogę równą: a) całej amplitudzie b) czterem amplitudom?

Rozdział 22 Pole elektryczne

Hałas w środowisku. Wstęp. Hałas często kojarzony jest z dźwiękiem, jednakże pojęcia te nie są równoznaczne.

Fale dźwiękowe wstęp. Wytworzenie fali dźwiękowej w cienkim metalowym pręcie.

Procedura orientacyjna wyznaczania poziomu mocy akustycznej źródeł ultradźwiękowych

Temat ćwiczenia. Pomiar hałasu zewnętrznego emitowanego przez pojazdy samochodowe

3. WYNIKI POMIARÓW Z WYKORZYSTANIEM ULTRADŹWIĘKÓW.

Pomiar poziomu hałasu emitowanego przez zespół napędowy

POMIAR NAPIĘCIA STAŁEGO PRZYRZĄDAMI ANALOGOWYMI I CYFROWYMI. Cel ćwiczenia. Program ćwiczenia

AKUSTYKA. Fizyka Budowli. Akustyka techniczna WYKŁAD Z PRZEDMIOTU: a) akustyki urbanistycznej. b) akustyki wnętrz

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

Temat ćwiczenia. Pomiary przemieszczeń metodami elektrycznymi

INSTYTUT ELEKTROENERGETYKI POLITECHNIKI ŁÓDZKIEJ BADANIE PRZETWORNIKÓW POMIAROWYCH

2LO 6 lu L 92, 93, 94 T3.5.2 Matematyczny opis zjawisk falowych cd. Na poprzednich lekcjach już było mamy to umieć 1. Ruch falowy 1.

Badanie efektu Dopplera metodą fali ultradźwiękowej

WYDZIAŁ EKOLOGII LABORATORIUM FIZYCZNE

PRZETWORNIKI C / A PODSTAWOWE PARAMETRY

ε (1) ε, R w ε WYZNACZANIE SIŁY ELEKTROMOTOTYCZNEJ METODĄ KOMPENSACYJNĄ

Zastosowanie ultradźwięków w technikach multimedialnych

Drgania. W Y K Ł A D X Ruch harmoniczny prosty. k m

SCENARIUSZ LEKCJI Z FIZYKI DLA KLASY III GIMNAZJUM. Temat lekcji: Co wiemy o drganiach i falach mechanicznych powtórzenie wiadomości.

Podstawy fizyki wykład 7

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

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

Temat: Diagnostyka akustyczna obrabiarek i pomiary laserowe

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

Rys Ruch harmoniczny jako rzut ruchu po okręgu

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

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 25: Interferencja fal akustycznych. Prędkość dźwięku.

POMIARY AUDIOMETRYCZNE

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI ĆWICZENIE NR 3 SPRAWDZANIE PARAMETRÓW AUDIOMETRU TONOWEGO. AUDIOMETRIA TONOWA DLA PRZEWODNICTWA POWIETRZNEGO I KOSTNEGO

LIGA klasa 2 - styczeń 2017

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Podstawowe narzędzia do pomiaru prędkości przepływu metodami ciśnieniowymi

Widmo fal elektromagnetycznych

FALE DŹWIĘKOWE. fale podłużne. Acos sin

Fale mechaniczne i akustyka

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

1. Jeśli częstotliwość drgań ciała wynosi 10 Hz, to jego okres jest równy: 20 s, 10 s, 5 s, 0,1 s.

Fale dźwiękowe i zjawisko dudnień. IV. Wprowadzenie.

Fale w przyrodzie - dźwięk

Dźwięk, gitara PREZENTACJA ADAM DZIEŻYK

Temat ćwiczenia. Pomiary hałasu komunikacyjnego

FALE AKUSTYCZNE. Wytwarzanie fali akustycznej

Spis treści. 1. Cyfrowy zapis i synteza dźwięku Schemat blokowy i zadania karty dźwiękowej UTK. Karty dźwiękowe. 1

Teoria błędów pomiarów geodezyjnych

Wykład 9: Fale cz. 2. dr inż. Zbigniew Szklarski

Celem ćwiczenia jest badanie zjawiska Dopplera dla fal dźwiękowych oraz wykorzystanie tego zjawiska do wyznaczania prędkości dźwięku w powietrzu.

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

TEMAT: OBSERWACJA ZJAWISKA DUDNIEŃ FAL AKUSTYCZNYCH

POMIAR PRĘDKOŚCI DŹWIĘKU METODĄ REZONANSU I METODĄ SKŁADANIA DRGAŃ WZAJEMNIE PROSTOPADŁYCH

Politechnika Poznańska Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Podstawy Automatyki laboratorium

Wyznaczanie prędkości dźwięku

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Kwantowe własności promieniowania, ciało doskonale czarne, zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Laboratorium POMIAR DRGAŃ MASZYN W ZASTOSOWANIU DO OCENY OGÓLNEGO STANU DYNAMICZNEGO

Człowiek najlepsza inwestycja FENIKS

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia III. Pomiar natężenia przepływu za pomocą sondy poboru ciśnienia

Jest to graficzna ilustracja tzw. prawa Plancka, które moŝna zapisać następującym równaniem:

Transkrypt:

Pomiary akustyczne 1. Wstęp Z fizycznego punktu widzenia dźwięk to drgania mechaniczne gazowego, płynnego lub stałego elastycznego medium, w trakcie których energia odprowadzana jest ze źródła za pomocą fal akustycznych. Potocznie przez dźwięk rozumiemy takie zaburzenie (zmianę ciśnienia, przemieszczenie cząstek), które jest w stanie wywołać wraŝenie słuchowe. RozwaŜmy cząstkę medium, która jest mała w stosunku do zaburzenia akustycznego (tj. długości fali), ale wystarczająco duŝa by reprezentować własności fizyczne ośrodka. JeŜeli taka cząstka zostanie wytracona z połoŝenia równowagi, to uderzy swa sąsiadkę, powodując jej ruch o podobnym przemieszczeniu, sama się odbijając. Ta sąsiednia cząstka uderzy teraz następną itd. Nastąpi w ten sposób propagacja zaburzeń medium dzięki kolejnym oscylacjom sąsiadujących ze sobą elastycznych drobin. śadna z nich nie porusza się wraz z zaburzeniem (fala) - to tylko energia zaburzenia podlega transmisji, a same cząstki drgają jedynie wokół połoŝeń równowagi wzdłuŝ kierunku propagacji fali akustycznej. Rozprzestrzenianie się tej zmiany jest związane z przenoszeniem energii wibroakustycznej z jednego do drugiego punktu przestrzeni bez przenoszenia materii między tymi punktami. Jest to moŝliwe, poniewaŝ, energia jest przekazywana łańcuchowo od cząsteczki do cząsteczki wskutek drgań wokół połoŝenia równowagi. Kierunki i prędkości tych drgań oraz powstałej wskutek tego fali mogą być róŝne. Fala akustyczna rozchodzi się w ośrodku spręŝystym nawet po zakończeniu działania źródła zakłóceń. Gdyby to był ośrodek zachowawczy, to po pewnym czasie fala dotarłaby bez zniekształceń do kaŝdego punktu ośrodka leŝącego na kierunku rozprzestrzeniania się fali. Jednak rzeczywiste ośrodki mają zawsze pewne własności tłumiące i dlatego przenoszona energia wibroakustyczna ulega rozpraszaniu z upływem czasu, co powoduje zanikanie drgań cząsteczek ośrodka. W ruchu falowym powstającym w ośrodku spręŝystym ciągłym moŝna wyróŝnić: falę podłuŝną, w której cząsteczki materialne drgają w kierunku rozchodzenia się fali (rys. 1a), falę poprzeczną, w której cząsteczki materialne drgają prostopadle do kierunku rozchodzenia się fali (rys. 1b). Czas niezbędny do przekaza- a) b) Kierunek rozchodzenia się fali Kierunek drgań cząsteczek Rysunek 1. Drgania cząsteczek ośrodka w fali: a) podłuŝnej, b) poprzecznej 1

nia ruchu pomiędzy kolejnymi cząstkami, a wiec i prędkość propagacji zaburzeń (prędkość dźwięku) zaleŝy od modułu spręŝystości ośrodka. Prędkości rozchodzenia się fal są wyraŝone zaleŝnościami: dla fali podłuŝnej: c 1 = K + 4 3 G K - moduł odkształcenia objętościowego [MPa], G - moduł spręŝystości poprzecznej [MPa], ρ - gęstość ośrodka kg/m 3, ρ dla fali poprzecznej: c 2 = G ρ. Z porównania wyraŝeń znajdujących się pod pierwiastkami wynika, Ŝe zawsze c 1 >c 2. Dla stałego ciała izotropowego obowiązują zaleŝności: E K = 3 (1-2 ν ) E G = 2 (1 + ν ) E - moduł spręŝystości wzdłuŝnej [MPa], ν - liczba Poissona. Dla płynów o małej lepkości ( praktycznie pozbawionych sił stycznych) moŝna przyjąć, Ŝe G=0. Wtedy: c 1 = K ; c 2 = 0 ρ Oznacza to, Ŝe w cieczach i gazach mogą rozchodzić się tylko fale podłuŝne. Dla wody moŝna przyjąć: ρ=1000 kg/m 3 i K=2220 MPa. Stąd prędkość fali podłuŝnej w wodzie wynosi: c 1 =1480 m/s. Moduł spręŝystości objętościowej gazu jest określony zaleŝnością: K = lim p 0 p dp = = ρ * ρ dρ ρ 2

p - ciśnienie gazu N/m 2. Zakładając przemianę adiabatyczną wielkość K=κ p i stąd prędkość fali podłuŝnej w gazach moŝna wyrazić wzorem: c 1 = κ p ρ. Dla powietrza w temperaturze 273K moŝna przyjąć: κ=1,41, p=0,1mpa, ρ=1,2933kg/m 3. Stąd prędkość fali podłuŝnej w powietrzu, która w tym przypadku jest równieŝ prędkością dźwięku w powietrzu wynosi c o =330 m/s. Prędkość dźwięku w gazie zmienia się z temperaturą wg zaleŝności: c 1 = co 1 + t 1 273 t 1 - temperatura gazu w o C, c o - prędkość dźwięku w temperaturze 0 o C. Element drgający powoduje lokalna kompresje ośrodka (np. powietrza), która rozprzestrzenia się z ta sama częstotliwością, co drganie wymuszające i o tym samym kształcie falowym. Uwzględniając stałość prędkości dźwięku w powietrzu, długość fali (λ) określić za pomocą odcinka czasu pomiędzy kolejnymi kompresjami tj. okresu fali (T) lub jego odwrotności, czyli częstotliwości (f) fali akustycznej: λ = c T = c f Dźwięk sensie ogólnym występuje w bardzo szerokim zakresie częstotliwości. Dźwięki słyszalne (przez młodych ludzi) zawierają się w zakresie od (16) 20 do 20000 Hz. Dźwięki o częstotliwościach poniŝej 16 Hz nazywane są infradźwiękami, a dźwięki w zakresie 20kHz do 10 GHz - ultradźwiękami, a dźwięki > 10GHz - hiperdźwiękami. Dźwięki słyszalne dla psa 200 30000 Hz, dla nietoperza: 50 100000 Hz) 2. Miary akustyczne Większość zjawisk akustycznych, które człowiek odbiera za pomocą ucha, jest przekazywana za pośrednictwem ośrodka gazowego, jakim jest powietrze. JeŜeli nie rozchodzą się w nim fale akustyczne, to istnieje w tym ośrodku ciśnienie statyczne zwane często ciśnieniem atmosferycznym. Obszar przestrzeni, w którym rozchodzą się fale akustyczne nazywa się polem akustycznym. W kaŝdym punkcie pola ciśnienie ośrodka zmienia się z czasem, oscylując wokół 3

wartości średniej, jaką jest ciśnienie statyczne. RóŜnicę chwilowej wartości ciśnienia i ciśnienia statycznego nazwano ciśnieniem akustycznym, którego wartość podaje się w (Pa). Wartość fali dźwiękowej moŝe być opisana róŝnymi sposobami, ale zwykle najwygodniej jest mierzyć ciśnienie akustyczne (a nie przesunięcie cząstek czy ich prędkość). Intensywnością dźwięku jest średnią wartością mocy płynącej przez jednostkowa powierzchnie: I = p(t) v(t) = 1 p(t) v(t) dt T, v(t)-chwilowa prędkość cząstek p(t)-chwilowe ciśnienie akustyczne { Moc N=p(t) A v(t)}. Z teorii rozchodzenia się małych zaburzeń wiemy, Ŝe: p(t) = ρ c v(t) v(t) = p(t). ρ c T 0 Iloczyn ρ c nazywany jest impedancja akustyczna medium charakteryzująca jego własności, np. dla powietrza ρ c=407 kg/m 3 s. Uwzględniając powyŝsze w równaniu na intensywność otrzymamy: I = 1 T T 2 T 2 p (t) 1 2 p dt = p (t)dt = 0 ρ c ρ c T 0 RMS ρ c Szczególnie przydatnymi miarami są tzw. poziomy dźwięku. Z akustyki fizjologicznej wiadomo, Ŝe ucho ludzkie moŝe odbierać dźwięki o ciśnieniu z zakresu 10-5 do 10 2 Pa tzn. róŝniące się 10 milionów razy. Wiemy takŝe, Ŝe ludzkie odczucie głośności jest proporcjonalne do logarytmu ciśnienia lub intensywności. Dla tych powodów w akustyce uŝywa się jednostek względnych zwanych belami (decybelami), a mierzone tym sposobem wartości noszą nazwę poziomów. Moc akustyczną nazywa się ilość energii wysyłanej przez źródło dźwięku w jednostce czasu. Moc tę określa się w watach (W). Moce akustyczne spotykanych zazwyczaj źródeł dźwięków bardzo się róŝnią między sobą. Na przykład cichy szept odpowiada mocy akustycznej 10-9 W, głos w czasie normalnej rozmowy - 10-3 W, natomiast startujący samolot odrzutowy emituje hałas o mocy równej 10 7 W. Posługiwanie się tak znacznie róŝniącymi się wartościami wyraŝonymi w skali liniowej byłoby w praktyce bardzo niewygodne. Z tych względów w akustyce wprowadzono bezwymiarową skalę logarytmiczną określoną wzorem: L N = 10 log N L N - poziom mocy akustycznej [db], N - moc akustyczna źródła dźwięku [W], N 0 - moc odniesienia, równa 10-12 W. N 0 4

Wartość mocy akustycznej fali przechodzącej przez jednostkową powierzchnię prostopadłą do kierunku rozchodzenia się fali nazywa się natęŝeniem dźwięku I. Oblicza się je za pomocą zaleŝności: I = N S N - oznacza moc akustyczną fali przechodzącej przez powierzchnię o polu S [m 2 ]. Jednostką natęŝenia dźwięku jest 1W/m 2. Podobnie jak dla mocy akustycznej wprowadzono równieŝ dla natęŝenia dźwięku bezwymiarową skalę logarytmiczną określoną wzorem: I L = 10 log I 0 L - poziom natęŝenia dźwięku [db], I 0 =N 0 /S 0 - natęŝenia odniesienia = 10-12 W/m 2, S 0 - powierzchnia odniesienia = 1m 2. Między oboma wyŝej wymienionymi zaleŝnościami jest zachowana zaleŝność: L N = L +10 log S. Między natęŝeniem dźwięku I a ciśnieniem akustycznym p istnieje związek określony zaleŝnością: I = p Z Z - impedancja akustyczna właściwa ośrodka [N s/m 3 ]. Po wykorzystaniu ostatniego związku poziom intensywności (natęŝenia) dźwięku moŝna przedstawić jako: L = 10 log 2, p p p 0 - ciśnienie odniesienia występujące przy natęŝeniu odniesienia I 0, jest to tzw. umowne ciśnienie progowe wynoszące 20µPa. A stąd moŝna określić tzw. poziom ciśnienia dźwięku L p jako: L 0 p = 20 log p p. 0 2 5

Oznacza to, Ŝe poziom natęŝenia dźwięku moŝna wyznaczyć za pomocą pomiaru ciśnienia akustycznego. Pomiar taki wykonuje się przewaŝnie za pomocą specjalnych mikrofonów spełniających rolę czujników ciśnienia. Warto tu zaznaczyć, Ŝe dla fali płaskiej poziom ciśnienia dźwięku odpowiada poziomowi natęŝenia dźwięku: L = 10 log 2 I p RMS p = 10 log = 20 log 2 I u p u pu ρ c Poziom natęŝenia dźwięku podany w db wyraŝa stosunek natęŝenia do przyjętego natęŝenia odniesienia, a więc jest wielkością bezwymiarową. Przyjęta wartość odniesienia I 0 =10-12 W/m 2 odpowiada progowi słyszalności ucha ludzkiego (0 db). Oznacza to, Ŝe poziom natęŝenia dźwięku podany w db moŝe być uwaŝany ze względów fizjologicznych za bezwzględną miarę natęŝenia. NaleŜy przy tym zdawać sobie sprawę z tego, Ŝe dwukrotne powiększenie natęŝenia I nie podwaja wartości poziomu natęŝenia L, lecz tylko zwiększa tę wartość o 3 db. RMS = L p 3. Percepcja dźwięku - głośność Miary dźwięku umoŝliwiają obiektywny opis dźwięku, ale nie uwzględniają jego ludzkiej percepcji. Relacje pomiędzy fizycznym poziomem dźwięku, a odczuciem głośności jak równieŝ uciąŝliwość i szkodliwość hałasu są ciągle obiektem badań. To co wiemy dziś to: - ucho ludzkie nie odbiera wzrostu poziomu akustycznego jako proporcjonalnego przyrostu głośności, do podwojenia odczucia głośności niezbędny jest 10dB przyrost poziomu), - odpowiedź częstotliwościowa ucha nie jest liniowa i zmienia się wraz z poziomem. Ucho najbardziej czule jest w zakresie od 2 do 5 khz, a najmniej dla bardzo duŝych i małych częstotliwości, - ucho ma pewna skłonność do ignorowania dźwięków słabych pojawiających się wraz z głośnymi,- krótkie dźwięki impulsowe odbierane są jako mniej głośne niŝ dźwięki krótkie o tym samym poziomie. Nie oznacza to jednak mniejszego zagroŝenia słuchu, - rozróŝnienie dźwięku wymaga odpowiedniego czasu trwania. Czas niezbędny do oceny głośności wynosi 0.1 0.2 s; do oceny wysokości tonu - ok.0.05 s; zdolność rozdzielcza słuchu wynosi ok.0.1s. PrzybliŜenie charakterystycznego dla ludzkiego ucha sposobu odbioru dźwięku prezentują krzywe jednakowej głośności wyraŝonej w fonach (fon - jednostka głośności; poziom głośności jest równy poziomowi ciśnienia przy częstotliwości 1kHz), które pokazują poziom ciśnienia dźwięku niezbędny do zapewnienia odczucia stałej głośności (wedle opinii reprezentatywnej populacji badanych). Krzywe te charakteryzują czułość ludzkiego ucha na dźwięki proste i są rezultatem bardzo wielu doświadczeń. Polega ono na zadawaniu słuchaczowi pytań, czy dźwięk o określonej częstotliwości i pewnym poziomie natęŝenia ma taki sam poziom głośności jak dźwięk o częstotliwości 1000 Hz i takim samym poziomie natęŝenia. Na przykład na rys. 2 przedstawiono dźwięk o częstotliwości 100 Hz i poziomie 50 db, którego poziom głośności odpowiada dźwiękowi o częstotliwości 1000 Hz i poziomie natęŝenia 40 db. 6

130 L [db] 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 poziom głośności [fon] 100 80 60 40 20 10 0 10 100 1000 f [Hz] 10000 Rysunek 2. Krzywe równego poziomu głośności dźwięków prostych w polu swobodnym (krzywe Fletchera-Munsona). Jednostką poziomu głośności dźwięku jest fon. Według przyjętego określenia jest on równy poziomowi natęŝenia dźwięku przy częstotliwości 1000 Hz. Wskutek tego krzywa izofoniczna osiągająca poziom 40 db przy częstotliwości 1000 Hz nazywa się krzywą o poziomie głośności 40 fonów. Taki sam poziom głośności ma dźwięk prosty o częstotliwości 100 Hz i poziomie natęŝenia równym 50 db. Przy ocenie głośności dźwięku uŝywa się równieŝ jednostki 1 son. Jest to głośność dźwięku, którego poziom wynosi 40 fonów. Poziom głośności L g podany w fonach jest związany z głośnością G podaną w sonach za pomocą zaleŝności (20): G = 2 Odpowiednikiem tych krzywych (w układzie odwrotnym ) są linie stałego poziomu dźwięku opisujące odpowiedz (odczucie głośności) ludzkiego ucha na czyste tony o stałym poziomie ciśnienia dźwięku. L g 40 10 7

4. Pomiar poziomu dźwięku Najprostszym sposobem pomiaru dźwięku byłoby określenie poziomu ciśnienia akustycznego. Niestety taki pomiar nie charakteryzuje dźwięku pod względem częstotliwości, ani nie uwzględnia ludzkiego sposobu percepcji. W celu przybliŝenia charakterystyki przyrządu pomiarowego charakterystyki ucha opracowano i znormalizowano tzw. krzywe (charakterystyki) korekcyjne oznaczone literami A, B, C, D, a ostatnio takŝe E i SI oparte na własnościach krzywych jednakowej głośności (rys. 3). Krzywa A najlepiej koreluje z subiektywnym odczuciem głośności i dlatego jest najczęściej stosowana. Krzywe B i C aproksymują kontury linii odpowiednio 70 i 100 fonów, krzywa D ( nie pokazana na rysunku) stosowana jest w pomiarach jednego typu hałasu - hałasu samolotów. W filtry o takich charakterystykach wyposaŝa się mierniki poziomu dźwięku. Rysunek 3. Krzywe korekcyjne 8

5. Miernik poziomu dźwięku Mikrofon przetwarza zmiany ciśnienia powietrza na odpowiednie napięcie elektryczne. Zadaniem umieszczonego za nim przedwzmacniacza jest przetransformowanie wysokiej impedancji wyjściowej mikrofonu na niŝszy poziom, aby moŝliwe było uŝycie długich kabli łączących mikrofon z sonometrem. Po dwustopniowym wzmocnieniu (tłumiki na wejściu wzmacniaczy zapewniają dopasowanie zakresu dynamicznego do poziomu mierzonego sygnału) i skorygowaniu w filtrze o odpowiedniej charakterystyce (A, B, C itp.) sygnał podawany Rysunek 4.Schemat blokowy szeregowego analizatora: M-mikrofon, W-zespół wzmacniaczy, A-analizatory jest do prostownika, na którego wyjściu otrzymuje się sygnał stałoprądowy (DC) proporcjonalny do wartości RMS lub (przy odpowiedniej stałej czasowej) do wartości szczytowej. Przetwornik Lin/Log umoŝliwia wskazanie sygnału na mierniku bezpośrednio w db. Wskaźniki przeciąŝenia sygnalizują poprawne ustawienie tłumików, a wyjścia zmiennoprądowe (AC) i (lub) DC zapewniają współpracę z przyrządami rejestrującymi. Przyrządy ze wskazaniem cyfrowym posiadają dodatkowo przetwornik A/C umoŝliwiający uzyskanie sygnału w postaci kodu cyfrowego. Istnieje takŝe moŝliwość wbudowania dodatkowych obwodów rozszerzających uniwersalność przyrządu. Do pomiarów L eq (ekwiwalentnego ciągłego poziomu dźwięku) dostępne są specjalne przyrządy automatycznie obliczające końcowy wynik uwzględniając zarówno poziom jak i czas trwania hałasu. Rys. 4 przedstawia schemat blokowy szeregowego analizatora do pomiaru poziomu dźwięku. Natomiast na rysunku 5 przedstawiono schemat blokowy miernika natęŝenia dźwięku. Rysunek 5. Schemat blokowy miernika natęŝenia dźwięku 9

6. Praktyka pomiarowa Większość pomiarów akustycznych przeprowadzana jest w pomieszczeniach, które nie są całkowicie bezodbiciowe. Utrudnia to prawidłowy wybór punktu pomiarowego i interpretacje wyników. W trakcie pomiarów wykonywanych zbyt blisko źródła dźwięku, poziom dźwięku moŝe się znacząco zmieniać przy minimalnych zmianach połoŝenia punktu pomiarowego. Ma to miejsce przy odległościach mniejszych od długości fali emitowanej z najniŝszą 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. Przy dokładnej analizie pola akustycznego ustalono, Ŝe w pobliŝu pulsującej kuli cząsteczki powietrza drgają nie w kierunku promieniowym, a ich prędkość jest przesunięta o pewien kąt fazowy względem ciśnienia akustycznego. Drgania takie nazywamy pseudodźwiękami, a pole akustyczne, w którym one dominują to właśnie pole bliskie. W całym jego obszarze natęŝenie dźwięku zaleŝy nie tylko od odległości od źródła dźwięku, lecz równieŝ od charakterystyki promieniowania źródła dźwięku. Dopiero po przekroczeniu określonej odległości od pulsującego źródła dźwięku kierunki drgań cząstek powietrza pokrywają się dokładnie z kierunkiem rozchodzenia się fali i jednocześnie występuje zgodność faz między prędkością cząsteczek a ciśnieniem akustycznym. Takie pole nazywane jest polem dalekim. JeŜeli znajduje się ono w przestrzeni otwartej, to ma własności pola swobodnego. L Pole bliskie Pole swobodne Pole dalekie Pole rozproszone Rysunek 6. ZaleŜność poziomu natęŝenia dźwięku L w pomieszczeniu zamkniętym od odległości r źródła dźwięku W przybliŝeniu moŝna przyjąć, Ŝe warunki określające pole dalekie są juŝ spełnione w odległości od źródła dźwięku większej od długości fali lub dwa razy większej od największego wymiaru tego źródła. Innym źródłem błędu charakteryzują się pomiary w punkcie, w którym odbicia od ścian lub innych obiektów mogą mieć taki sam poziom, co dźwięk mierzony. Wskutek tego ciśnienie akustyczne przed przeszkodą składa się na ogół z ciśnienia wywołanego falą bezpośrednio wypromieniowaną przez źródło i ciśnienia wytworzonego przez falę odbitą. W ten sposób powstaje pole rozproszone (pole pogłosowe). Rzetelny pomiar jest wiec niemoŝliwy. Prawidłowy pomiar powinien być dokonywany pomiędzy polem bliskim a polem pogłosowym tj. w tej części obszaru otaczającego obiekt badany, która charakteryzuje się spadkiem poziomu dźwięku o 6dB na kaŝde podwojenie odległości od źródła hałasu. r 10

6.1 Odejmowanie poziomów dźwięku Jednym z czynników mających ewidentny wpływ na dokładność pomiarów jest relacja poziomu szumów otoczenia do poziomu hałasu badanego. Aby sygnał ten nie utonął w szumie otoczenia, musi być on, co najmniej o 3dB wyŝszy od poziomu tła. W ogólnym przypadku przeprowadzić naleŝy korekcje wyników pomiarów. Procedura jest następująca. Po wyłączeniu badanej maszyny mierzy się poziom dźwięku tła akustycznego L t, następnie po uruchomieniu maszyny mierzy się w tym samym miejscu całkowity poziom dźwięku L c. Okazuje się, Ŝe w miejscu pomiaru poziom hałasu powiększył się o wartość L=L c -L t, jeŝeli róŝnica jest mniejsza niŝ 3dB, to poziom tła jest zbyt wysoki dla pomiarów dokładnych, natomiast jeŝeli róŝnica jest zawarta w przedziale 3dB do 10dB dokonać naleŝy korekcji uwzględniając odpowiednia poprawkę z krzywej korekcyjnej (rys. 7). Korekcja polega na odjęciu poprawki od poziomu całkowitego. Wynik odejmowania jest szukanym poziomem hałasu obiektu. Taka procedurę nazywamy korekcja tła lub odejmowaniem poziomów dźwięku. JeŜeli róŝnica jest większa niŝ 10 db, to wpływ tła kaustycznego na wynik pomiaru moŝna pominąć. Rysunek 7. Poprawki korekcyjne przy odejmowanie poziomów dźwięku. 11

6.2 Dodawanie poziomów dźwięku Dodawanie poziomów dźwięku ma miejsce wtedy, gdy znany jest poziom hałasu pojedynczych obiektów, a poŝądana jest znajomość poziomu sumarycznego (np. w trakcie ich wspólnej pracy). W skali logarytmicznej wynik syntezy hałasów pochodzących z róŝnych źródeł nie jest sumą arytmetyczną wielkości zmierzonych dla oddzielnych źródeł. W ogólnym przypadku przy n źródłach hałasu, poziom wypadkowy określa zaleŝność: L i=n 0.1Li = 10 log 10. Σ i=1 Dla dwu źródeł hałasu moŝna wprowadzić oznaczenie L 1 -L 2 = L, przyjmując, Ŝe L 1 >L 2, a stąd wynika, Ŝe L>0, hałas wypadkowy jest określony jako: L = L + δl Σ 1 L - oznacza nadwyŝkę poziomu natęŝenia dźwięku wywołaną wystąpieniem drugiego źródła hałasu. W tym pomiaru hałasu wypadkowego naleŝy: określić poziomy dźwięku obiektu 1 i 2, określić róŝnicę L 1 -L 2, dla tej róŝnicy odczytać poprawkę na wykresie korekcyjnym (rys. 8), wartość poprawki dodać do wyŝszego z wyników. Z powyŝszych rozwaŝań wynikają następujące ogólne wnioski: o poziomie natęŝenia hałasu wypadkowego decyduje zawsze najgłośniejsze źródło, poziom hałasy wywołanego przez dwa identyczne źródła ( L=0) jest zawsze o 3 db większy od poziomu hałasu emitowanego tylko przez jedno źródło. Rysunek 8. Dodawanie poziom dźwięku 12