Akustická diagnostika

Transkript

Název přednášky/cvičení
Zpracoval: Pavel Němeček
Pracoviště: TUL – FS - KVM
Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je
spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR.
INVESTICE DO ROZVOJE VZDĚLÁVÁNÍ
1
In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích
partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o.
Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro
konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského
sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu
ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj
tvůrčího potenciálu studentů.
Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování
inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat
bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního
konstrukčního řešení strojírenských výrobků.
Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce
strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů,
vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů
podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků.
Délka projektu: 1.6.2009 – 31.5. 2012
2
Co je zvuk
Fyzika
Vlnění
Vibrace
HLUK
Vlnění v pevných
látkách
Zvuk
Vlnění ve
vzduchu
3
Zvuk a hluk
Zvuk
Hluk
• Zvuk je mechanické vlnění
pružného prostředí
(vzduchu) v kmitočtovém
rozsahu normálního lidského
sluchu (20 Hz až 20 kHz).
• Hluk je každý nežádoucí
zvuk, který vyvolává
nepříjemný nebo rušivý vjem
nebo poškozuje lidské zdraví.
4
Hluk
Kvalitativní stránka
Kvantitativní stránka
•
•
•
•
•
•
Řeší vztah Hluk – Posluchač.
Vyznačuje se silně subjektivními
znaky.
Bývá popsána kvalitativními
ukazateli (vlastnostmi).
Číselný popis často vyjadřuje
bezrozměrnou (bez jednotky)
míru naplnění určité vlastnosti.
Zabývá se jí směr nazývaný
„akustický design“.
•
•
•
•
Popisuje především vlastnosti
zdrojů, akustických prostředí a
cest šíření zvuku.
Je vyjádřena měřitelnými
veličinami a lze ji popsat
číselnými hodnotami.
Na mnohé veličiny jsou dány
limity.
Má zázemí v legislativě.
Má široké odborné a literární
zázemí.
5
Akustické veličiny
•
•
•
•
Akustický tlak
Akustická rychlost
Intenzita zvuku
Akustický výkon
• Rychlost zvuku
6
Akustický tlak p [Pa]
• Střídavý tlak superponovaný barometrickému tlaku
– je skalár,
– má vlnový charakter,
– je přímo měřitelný.
• Barometrický tlak se pohybuje kolem 105 Pa
• Akustický tlak se pohybuje v rozmezí 2.10-5 Pa (práh
slyšitelnosti) až 2.102 Pa (práh bolestivosti).
7
r
Akustická rychlost u [m.s-1]
• Akustická rychlost (částicová rychlost) je rychlost, se
kterou se částice vzduchu pohybují pod působením
akustického tlaku kolem své rovnovážné polohy.
–
–
–
–
je vektor,
má vlnový charakter,
je energetickou veličinou,
je nepřímo měřitelná.
• Akustická rychlost se pohybuje v rozmezí 5.10-8 m.s-1
(práh slyšitelnosti) až 1,6.10-1 m.s-1 (práh bolestivosti).
8
r
Intenzita zvuku I [W.m-2]
• Intenzita zvuku je měřítkem akustické energie
procházející jednotkou plochy.
–
–
–
–
je vektor,
je nepřímo měřitelná.
• Je dána vzorcem :
r
r
I = p ⋅u
Intenzita =
Výkon
Síla ⋅ Rychlost
=
= Tlak ⋅ Rychlost
Plocha
Plocha
9
Akustický výkon W (P) [W]
• Akustický výkon je měřítkem celkové akustické energie, která je
vyzářena ze zdroje nebo která prochází danou plochou.
–
–
–
–
je skalár,
je nepřímo měřitelný.
– je základní a nejdůležitější veličinou popisující
akustické vlastnosti zdroje zvuku
• Je dán vzorcem :
W = I .S
10
Rychlost zvuku ve vzduchu c [m.s-1]
• Rychlost zvuku je rychlost, se kterou se akustická
informace šíří prostředím (pro naše účely především
plynným – vzduchem)
– je vektor,
– nemá vlnový charakter,
– je měřitelná.
• Za podmínek 23 oC, 1016 hPa dosahuje hodnoty cca
344 m.s-1.
11
Přibližné vztahy pro odhad rychlosti
zvuku ve vzduchu
c=
1,4 ⋅ b
ρ
c = 331,82 + 0,61⋅ t
•
•
•
•
ρ = hustota vzduchu (cca 1,21 kg.m-3)
t = teplota vzduchu [ oC ]
T = teplota vzduchu [ K ]
b = barometrický tlak [ Pa ]
c = 20,5 ⋅ T
12
Harmonický signál
akustická veličina
• je popsán funkcí sinus nebo cosinus
• je základním signálem pro odvození akustických veličin
A
ϕ
T
→ čas
13
Základní vztahy pro harmonický
signál
x = A ⋅ sin(2πft + ϕ )
c
λ = = c ⋅T
f
t = čas [ s ]
ϕ = počáteční fáze
λ = vlnová délka [ m ]
c = rychlost zvuku ve
vzduchu [ m.s-1 ]
• f = frekvence signálu [ Hz ]
• T = perioda signálu [ s ]
•
•
•
•
14
Vlnová délka zvuku
f [ Hz ]
20
25
31,5
40
50
63
80
100
125
160
200
250
315
400
500
630
λ[m]
17,20
13,76
10,92
8,60
6,88
5,46
4,30
3,44
2,75
2,15
1,72
1,38
1,09
0,86
0,69
0,55
λ/4 [ m ]
4,30
3,44
2,73
2,15
1,72
1,37
1,08
0,86
0,69
0,54
0,43
0,34
0,27
0,22
0,17
0,14
f [ Hz ]
800
1k
1,25k
1,6k
2k
2,5k
3,15k
4k
5k
6,3k
8k
10k
12,5k
16k
20k
λ[m]
0,4300
0,3440
0,2752
0,2150
0,1720
0,1376
0,1092
0,0860
0,0688
0,0546
0,0430
0,0344
0,0275
0,0215
0,0172
λ/4 [ m ]
0,1075
0,0860
0,0688
0,0538
0,0430
0,0344
0,0273
0,0215
0,0172
0,0137
0,0108
0,0086
0,0069
0,0054
0,0043
15
Efektivní hodnota signálu
• Efektivní hodnota je měřítkem energie šířené
akustickým signálem
– je součástí výpočtu celkových hladin,
– T = doba průměrování
– pro harmonický signál ji lze z amplitudy A stanovit
jako :
1
xef =
A
2
• je dána základním vztahem :
T
1 2
xef =
x (t )dt
∫
T0
16
Hladiny akustických veličin
• Plynou z Weberova-Fechnerova zákona,
který zjednodušeně říká:
– akustické veličiny, která se mění řadou
geometrickou vnímá lidské ucho řadou
aritmetickou.
– násobky akustického signálu jsou uchem vnímány
jako přírůstky.
• Převod geometrické řady na aritmetickou
umožňuje funkce logaritmus
17
Hladina
x
L = log
x0
x
L = 10⋅ log
x0
• L= hladina akustické veličiny [ Bel ]
• x = akustická veličina
• x0 = vztažná (srovnávací) hodnota
akustické veličiny
• x a x0 musí mít energetický tvar
[B]
[dB]
• protože Bel by dával akustické
veličině velmi hrubou stupnici, je
jednotkou hladiny deci Bel - dB
18
Hladina akustického tlaku [ dB ]
2
p
p
Lp = 10 ⋅ log 2 = 20 ⋅ log
p0
p0
• p0 = 2⋅10-5 Pa
• Na prahu slyšitelnosti je Lp = 0 dB
• Na prahu bolestivosti je Lp = 140 dB
19
Hladina akustické rychlosti [ dB ]
2
u
u
Lu = 10 ⋅ log 2 = 20 ⋅ log
u0
u0
• u0 = 5⋅10-8 m⋅s-1
20
Hladina intenzity zvuku [ dB ]
I
LI = 10 ⋅ log
I0
• I0 = 10-12 W⋅m-2
21
Hladina akustického výkonu [ dB ]
W
LW = 10 ⋅ log
W0
• W0 = 10-12 W
22
Poznámky
• Základem pro výpočet hladin jsou efektivní hodnoty signálu.
• Hladina se záporným znaménkem znamená, že velikost
měřeného akustického signálu je menší než vztažná hodnota.
• Měřidla přímo vyhodnocují hladiny a operátor nemusí zadávat
hodnoty vztažných veličin (jsou implementovány v měřidlech).
• Hladiny jsou především hygienickou veličinou.
• Pro přepočet na fyzikální veličiny je třeba použít inverzní funkci
k hladinám ve tvaru :
L
10
x = x0 ⋅10
23
Matematické operace s hladinami
• Jedná se výhradně o sčítání a odčítání hladin.
• Sčítání hladin se provádí především pro odhad výsledného
působení více zdrojů hluku.
• Odčítání hladin se provádí především pro odečet hluku pozadí z
měřeného signálu.
• Výsledné vzorce plynou ze součtu a rozdílu čtverců efektivních
hodnot fyzikálních veličin:
x =x ±x
2
ef
2
1ef
2
2ef
• Pro běžné výpočty se předpokládá, že akustické signály jsou
širokopásmové (bez shodných a výrazných frekvenčních složek).
24
Součet a rozdíl hladin - početně
Pro součet
• Základní vzorec zní :
n
Li
10
LC = 10 ⋅ log ∑ ± 10
i =1
Pro rozdíl
25
Součet hladin - početně
• Pro n shodných zdrojů o hladině L
LC = L + 10⋅ log (n)
• Dva shodné zdroje zvýší původní hladinu vždy
o 3 dB
• Vypnutí jednoho ze dvou shodných zdrojů se
hladina sníží vždy o 3 dB.
26
Součet hladin - graficky
LC = L1 + ΔL ( L1 > L2 )
27
Rozdíl hladin - graficky
L1 = L − ΔL ( L1 > L2 )
L2 = hluk
pozadí [dB]
L = celková
hladina
[dB]
28
Poznámky
•
•
•
•
•
Součet dvou shodných hladin zvyšuje hodnotu o 3 dB.
Sčítat hladiny, mezi nimiž je rozdíl větší než 10 (15) dB je prakticky
zbytečné. Výsledek je roven přibližně vyšší hladině ze sčítanců.
Odčítat hladiny, jestliže je odstup hluku pozadí větší než 10 (15) dB je
prakticky zbytečné. Výsledek je roven původní hladině. To ukazuje na
hodnotu bezpečného odstupu hluku pozadí.
Odčítat hladiny, pokud je hluk pozadí nižší o méně než 2 dB se
nedoporučuje. Důvodem je velká variabilita při odečtu ΔL a především
vysoká hladina hluku pozadí, která příliš ovlivňuje celkovou hladinu. To
ukazuje na nepřípustnou hodnotu hluku pozadí.
Nejpřesnější stanovení výsledných hladin je jejich měření.
29
Zvukoměr
Měřidlo hladin akustického tlaku
Zvukoměr je přesné elektrické zařízení, reagující
na zvuk podobně jako lidský sluch a umožňující
objektivní a reprodukovatelné měření hladin hluku.
Zvukoměrná zařízení různých výrobců se vzájemně
mohou lišit v detailech konstrukce a v provedení,
avšak všechna bez rozdílu obsahují mikrofon,
ústrojí zpracování signálu a indikační zařízení
30
Zvukoměr
Rozdělení podle :
•
•
•
•
•
•
frekvenční analýzy
počtu měřících kanálů
typu konstrukce
formy výstupu
možnosti rozšíření
podpory v software
31
Zvukoměr
32
Mikrofon
• nejdůležitější část měřícího řetězce
• převodník změny akustického tlaku na
změnu jiné veličiny
kondenzátorové mikrofony :
- konstrukční jednoduchost
- vysoká citlivost
- provozní stálost
33
Mikrofon
34
Mikrofon
35
Mikrofon
Vlivy prostředí :
•
•
•
•
•
•
vítr
( nežádoucí účinky lze eliminovat speciálním krytem )
vlhkost
( do 90 % nemá vliv – POZOR na kondenzaci )
teplota
( rozsah použití -25 oC až 70 oC )
atmosférický tlak
( v rozmezí 10% jen zanedbatelný vliv )
mechanické chvění ( nutná ochrana )
elektrostatická a magnetická pole ( zanedbatelný vliv )
36
Váhové filtry – křivky stejné hlasitosti
37
Váhové filtry
• Přizpůsobují frekvenční charakteristiku
měřeného signálu charakteristice lidského
ucha (křivkák stejné hlasitosti)
• Uplatňují se především při měření
celkových (širokopásmových) hladin
• Standardizovány jsou 4 váhové filtry : A,
B, C a D
38
Váhové filtry
39
Průměrování
• Jedná se o zpracování časového průběhu
signálu s cílem získat průměrnou hodnotu:
– za předem stanovenou dobu – Lineární
průměrování
– za stanovenou dobu, která předchází
aktuálnímu času – Exponenciální
průměrování
40
Lineární průměrování
• Po nastaveném čase měřidlo ukončí
měření a indikuje průměrnou hodnotu.
• Každá část časového signálu má v
průměrné hodnotě stejnou váhu.
• Používá se především v hygienické oblasti
a při stanovení akustických vlastností
zdrojů zvuku.
41
Exponenciální průměrování
• Probíhá trvale.
• Používá se pro vyhlazení časového
průběhu.
• Měřidlo indikuje průměrnou hodnotu za
právě uplynulou dobu (časovou konstantu)
• Používá se při monitorování hluku, popisu
proměnlivých dějů a při normalizovaných
měřeních.
42
Časové konstanty
• Číselně jsou dány exponentem 2
(.... 2-4; 2-3; 2-2; 2-1; 20; 21; 22; ......)s
• Jsou dány standardizované časy:
– FAST
– SLOW
– IMPULS
1/8 s
1s
0,035 s (indikace impulsu) + 2 s
(pomalý pokles)
43
Časové konstanty
44
Časové konstanty
45
Časové konstanty
46
Frekvenční analýzy
• s konstantní absolutní šířkou
pásma FFT
fC =
( fS + fH )
2
• s konstantní relativní šířkou
pásma CPB
fC =
fS + fH
47
• s konstantní absolutní šířkou pásma FFT
[dB/2 0,0u Pa]
Autospe ctru m(Si gn al 1 ) - In put
Worki ng : In put : Inp ut : FFT Anal yze r
90
80
70
60
50
40
30
20
0
2k
4k
6k
8k
10 k
12 k
14 k
[Hz]
16 k
18 k
20 k
22 k
24 k
48
• s konstantní relativní šířkou pásma CPB
[dB/2 0,0u Pa]
Autospe ctru m(Si gn al 1 ) - In put1
Worki ng : In put : Inp ut : CPB Ana l yzer
90
80
70
60
50
40
30
20
31 ,5
63
12 5
25 0
50 0
[Hz]
1k
2k
4k
8k
16 k
49
Frekvenční analýza CPB
Oktáva – zdvojnásobení kmitočtu
31,5 63 125 250 500 1000
2000 4000 8000 16000 Hz
Zlomky oktáv – 1/3 1/6 1/12 1/24
f S 2 = f S1 ⋅ 2
n
f H = f S ⋅ 2n 2
1
f D = f S ⋅ 2n
2
50
Pásmové filtry a šířka pásma
Šířka pásma = f2 – f1
Centrální frekvence = f0
B
0
Ideální filtr
f1
f0
Zvlnění (šum)
0
f2
- 3 dB
Frekvence
Reálný filtr a
definice
3 dB šířky pásma
f1
f0
f2
Frekvence
51
Zvukové pole
Zvukové pole – prostor v němž se šíří zvukové vlny.
Na zvukové pole má vliv :
•
•
•
•
šíření zvuku
ohyb a odraz vlnění
akustické vlastnosti prostředí
členitost prostředí
• ….
52
Zvukové pole
Základní typy zvukového pole
• pole volné (bezdozvukové)
• pole difúzní (dozvukové)
53
Zvukové pole - volné
Šíření vln pouze směrem od zdroje hluku.
54
Šíření akustické energie
W – akustický výkon zdroje
r – poloměr kulové vlnoplochy
55
pro r2 = 2 r1
je Lp2 - Lp1 = - 6
Se zdvojnásobením vzdálenosti od zdroje
hluku ve volném zvukovém poli klesne
hladina akustického tlaku o 6 dB.
56
Orientační závislost útlumu zvuku se vzdáleností od
zdroje v [dB]
57
Zvukové pole - difúzní
58
Zvukové pole - smíšené
59
Měření zvuku (hluku)
Měření zvuku
Ostatní
měření
Technická
měření
Hygienická
měření
Stavební
akustika
60
Technická měření
Cíle
Prostředky
• Sledovat akustický signál z
pohledu :
•
•
•
•
–
–
–
–
zdrojů,
velikosti energie,
přenosových cest,
akustického výkonu.
měření celkových hladin,
měření akustického výkonu,
frekvenční analýza,
multispektrální analýza,
• hluk není „prvotně“ sledován
z hygienického hlediska.
• hluk může být porovnáván s
legislativně danými limity.
61
Měření zvuku (hluku)
Technická
měření
Hladina akustického
tlaku
Hladina intenzity
zvuku a akustického
výkonu
Akustická
diagnostika
62
Hladina akustického tlaku
• Výhody měření
–
–
–
–
jednoduchost měření,
konstrukční jednoduchost snímače,
legislativní zázemí,
základ pro odvozené veličiny (akustická rychlost,
intenzita zvuku),
– rozšířenost měřidel,
– dostupnost odborné literatury.
63
Hladina akustického tlaku
• Nevýhody měření
– akustický tlak je skalár,
– akustický tlak není energetická veličina,
– měřením je udána akustická situace v měřicím
bodě, což nelze obecně vztahovat k určitému
zdroji.
64
Hladina akustické intenzity
• Je odvozené z měření hladin akustického tlaku,
• je výrazně energetickou veličinou,
• měření je prováděno na dvoukanálovém měřidle speciální
sondou.
65
Akustická intenzita
• Je definována jako součin fázorů:
I = p ⋅u
• Akustická intenzita, akustický tlak a akustická rychlost jsou fázory
(mají sinusový průběh)
• Výsledná intenzita je průměrnou hodnotou
• Velikost průměrné intenzity bude záviset na vzájemné fázi
akustického tlaku a rychlosti
– Volné pole → fáze = 0 → maximální intenzita
– Difúzní pole → fáze = 90o → nulová intenzita (existuje pouze tzv.
zdánlivá intenzita)
66
• Teoretický vztah pro intenzitu zvuku zní:
p ∂p
I = − ∫ dt
ρ ∂r
• Tento vztah je v technicky neřešitelný, protože vyžaduje
parciální derivaci podle vzdálenosti r
• Aby bylo možné vztah přenést do podoby snímače a
metodiky je nutné jeho zjednodušení
67
• Derivace – Tečna je nahrazena sečnou
• Akustický tlak je nahrazen průměrným akustickým tlakem
• Akustické tlaky jsou snímány na vzdálenosti Δr
68
• Snímač – Sonda – je principiálně založená na měření
dvou hladin akustického tlaku
p A + pB
( pB − pA )dt
I =−
∫
2 ⋅ ρ ⋅ Δr
69
Měření akustické intenzity
70
• Zjednodušení výpočtového vztahu
přináší:
– Vysokofrekvenční omezení,
– Nízkofrekvenční omezení.
• Principiálně neexistuje vzdálenost Δr,
která by vyhovovala celému
slyšitelnému pásmu 20 Hz – 20 kHz.
71
Vysokofrekvenční omezení
• Dáno nemožností nahradit tečnu sečnou pro konkrétní
Δr malé λ
Tato omezení
má fyzikální
základ, nelze
jej technicky
odstranit
Vzdálenost Δr
nelze dále
snižovat kvůli
konečné
velikosti
mikrofonů
72
Vysokofrekvenční omezení
Vzdálenost Maximální měřitelná frekvence pro
mikrofonů chybu měření menší než 1 dB |Hz|
Δr |mm|
6
10k
8,5
8k
12
50
5k
1,25k
73
Nízkofrekvenční omezení
• Dáno existující (konečnou) fázovou chybou mezi
kanály A a B v měřicím řetězci. Tato chyba se
nazývá fázový rozdíl při souběhu kanálů Φε
• Tato chyba nesmí být srovnatelná se skutečnou
fází na měřeném signálu
• Fázová chyba se určuje kalibrací sondy
• Tato omezení nemá fyzikální základ, vyplývá z
technických parametrů měřidla
74
Nízkofrekvenční omezení
Vzdálenost
mikrofonů
Δr |mm|
Minimální měřitelná frekvence pro chybu měření menší než
1 dB |Hz|
Φε = 0,1o
Φε = 0,2o
Φε = 0,3o
6
80
160
250
8,5
63
125
200
12
40
80
125
50
10
20
31,5
75
Vysoko- a nízkofrekvenční omezení
Minimální frekvence |Hz|
Vzdálenost
mikrofonů
Φε = 0,1o Φε = 0,2o Φε = 0,3o
Δr |mm|
Maximální
frekvence
|Hz|
80
160
250
6
10k
63
125
200
8,5
8k
40
80
125
12
5k
10
20
31,5
50
1,25k
76
Index reaktivity
• Je definován jako rozdíl mezi hladinami
akustické intenzity a akustického tlaku
LK = LI − Lp
dB
• Význam indexu reaktivity vyplývá z rovnosti
obou hladin ve volném zvukovém poli
• LK = 0 → volné pole
77
Význam LK
• Identifikace frekvencí zvuku, pro které
můžeme pole považovat za volné
• Posouzení měřicího pole obecně
• Nalezení optimálního místa pro měření
• Monitorování prostoru během měření
• Potvrzení vysoko- a nízkofrekvenčního
omezení
78
• Výhody měření
– intenzita zvuku je vektor, dává informaci o
směru šíření akustické energie prostorem,
– měření intenzity zvuku je nejlepším podkladem
(z definice) pro stanovení akustického výkonu,
– intenzita zvuku je podkladem pro mapování
zvukových polí a identifikaci zdrojů hluku,
– při měření intenzity zvuku lze určit kvalitu
zvukového pole (volné – difúzní).
79
• Nevýhody měření
– vysoká pořizovací cena měřidel,
– při jakékoliv konfiguraci sondy nelze měřit
v celém frekvenčním pásmu (20 Hz – 20
kHz),
– vyšší nároky na odbornost operátorů a
jejich zkušenosti s akustickými měřeními.
80
Identifikace směru šíření
akustické energie
• Na měřidlech je kladný a záporný smysl šíření
barevně rozlišen
• Sondou se otáčí v prostoru dokud není
zobrazena maximální hladina intenzity v barvě
odpovídající kladnému smyslu (ideálně s
exponenciálním průměrováním)
• Sonda se vzhledem k stanovenému směru
otočí o 90o, údaj na měřidle by měl mít
kolísající smysl šíření intenzity (barvy se mění)
81
Identifikace směru šíření akustické energie
82
Akustický výkon
• Jediná akustická konstanta charakterizující zdroj hluku
(výrobek, stroj, zdroj zvuku apod.)
• Je vyžadován legislativou
• Je udáván na výrobcích (lednice, sekačky, stroje apod.)
• Existují vzorce, ze kterých je možné na základě znalosti
akustického výkonu stanovit hladiny akustického tlaku v
obecném bodě prostoru
• Existují metodiky (normy) pro jeho výpočet v různých
polích
83
© Pavel Němeček / Snímek 83
Akustický výkon
• Dán skalárním součinem vektoru intenzity
zvuku a normálového vektoru plochy
r
I
ϕ
r
S
r r
W = I ⋅S
W = I ⋅ S ⋅ cos(ϕ)
S
84
Akustický výkon
Z definice plyne:
• Je nutné stanovit plochu a měřit tak, aby sonda byla
rovnoběžná s normálou k této rovině
• Sonda zachytí kosinovou složku vektoru intenzity
Z toho plyne:
• Minimalizovat úhel ϕ, čímž se zlepší reaktivita a sníží
chyba stanovení intenzity
• Normálový vektor plochy by měl směřovat ke zdroji zvuku
85
Hladina akustického výkonu
• Volné pole:
Lp ≈ Lu ≈ LI
• Ve volném poli lze zaměnit LI a Lp
LW = LI + 10 log S
LW = (Lp ) + 10 log S
Avšak:
• Akustický tlak je skalár (nemáme informaci o vektoru šíření)
• Nemáme informaci o kvalitě pole (nutno řešit korekcemi)
• Nelze oddělit aktivní (šířící se) a reaktivní (nešířící se) intenzitu
86
Hladina akustického výkonu
• Na ploše je třeba stanovit průměrnou
intenzitu
• Ta se stanoví prostorovým
průměrováním
• Jedná se o kombinaci
– lineárního průměrování v čase a
– přemisťování sondy po ploše
87
Prostorové průměrování hladiny
intenzity zvuku
• Metoda přetírání
– V nastaveném čase lineárního průměrování se plocha pro
výpočet akustického výkonu sondou „přetře“ vodorovně a
svisle. Všemi směry se prochází stejnou rychlostí. Plocha musí
být rovnoměrně pokryta.
– Nutno sladit čas a pokrytí plochy.
– Nevhodné pro mapování pole.
• Bodová metoda
– Plocha se rozdělí na rastr bodů. V každém bodě se sondou měří
stejně dlouhý čas. Data se ukládají do matice.
– Vhodné pro mapování zvukového pole.
– Vhodné pro automatizaci měření.
88
Plocha S
• Kvádr
S = 4 ⋅ ( a ⋅ b + a ⋅ c + b ⋅ c)
S = 2 ⋅ ( d ⋅ v + š ⋅ v) + d ⋅ š
• a = d/2
• b = š/2
•c=v
v
d = 2a
š = 2b
89
Plocha S
• Polokoule
S = 2πr
2
• min 10 měřicích bodů
• Obalová plocha
Kopíruje vnější povrch objektu
90
Korekce na zkušební prostředí
• Prostředí pro měření LW by mělo být
především volné
– Bezodrazová místnost
– Venkovní prostředí
– Prostředí nesmí obsahovat akustické překážky a
odrazivé plochy (s výjimkou podložky)
– Odrazivá plocha musí být rozšířena o λ/2 než je
půdorys objektu
– Pohltivost podložky α ≤ 0,06 (beton a asfalt
vyhovují)
91
Korekce na zkušební prostředí pomocí
pohltivosti místnosti
S⎞
⎛
K2 = 10 log⎜ 1 + 4 ⎟
A⎠
⎝
dB
• Pohltivost prostředí A
A = α SV
– S = měřicí plocha [ m2 ]
– SV = plocha ohraničující místnost [ m2 ]
– α = střední činitel pohltivosti místnosti
K2 ≤ 0,5 dB lze zanedbat
92
Hygienická měření
Cíle
Prostředky
pohledu :
•
•
•
•
– působení na člověka,
– ochrany zdraví,
• technické hledisko je až
druhotné (v okamžiku řešení
situace)
• existují jasné legislativní
limity.
měření speciálních
hygienických veličin,
• statistické hodnocení.
Hygienická měření kladou vysoké nároky na metrologické
zabezpečení a metrologické uznání měřidel.
93
SEL
dB
Základní hygienické
výpočty
L(t)
Leq
čas
1s
T
94
Základní vztahy
⎞
⎛ 1 T p2
⎜
Leq = 10 ⋅ log⎜ ∫ 2 (t )dt ⎟⎟
⎠
⎝ T 0 p0
⎛1
SEL = 10 ⋅ log⎜⎜
⎝ T0
T
∫
0
⎞
p2
(t )dt ⎟⎟
2
p0
⎠
Ekvivalentní hladina (lineárně průměrovaná)
Hladina zvukové expozice
T0 = 1s
SEL = Leq + 10 ⋅ log T
95
Hladina hlukové expozice SEL
• Sound Exposure Level
• Je nazývána též jako „jednosekundový
ekvivalent“
• Je základním parametrem pro výpočty –
spojuje Leq s různými časy T
• Je hodnotou pro srovnávání
• Umožňuje modelování
• Fyziologicky nemá význam
96
Schéma výpočtu Leq z dílčích hodnot
n
Leq1 (T1)
SEL1 (T1)
Leq2 (T2)
SEL2 (T2)
Leqi (Ti)
SELi (Ti)
T = ∑ Ti
i =1
n
SEL = 10 log ∑ 10
SELi
10
i =1
n
dB ∑ SELi
SEL (T)
i =1
Leq (T)
Leqn (Tn)
Leq = SEL − 10 log T
SELn (Tn)
SELi = Leqi + 10 log Ti
97
Přepočet limitních hodnot
LAeq,8h (T8h)
SEL8h (T8h)
Leq,T (T)
SEL8 h = LAeq ,8 h + 10 log T8 h
LAeq ,T = SEL8 h − 10 log T
98
Statistické hladiny
• L10 – Hladina akustického tlaku jejíž
hodnota je překročena v 10% případů
• L90 – Hladina akustického tlaku jejíž
hodnota je překročena v 90% případů
• L100 = LMIN
• L0 = LMAX
• Určují se ze vzorkování časového průběhu hluku
a stanovené distribuční funkce
99
Stavební akustika
Cíle
Prostředky
pohledu :
•
•
•
•
– šíření v uzavřených
prostorech,
– útlumu stavebními
konstrukcemi,
• převládá technické hledisko
měření,
• cílem je i hygienický dopad.
měření speciálních
stavebních a izolačních
veličin,
• statistické hodnocení.
100
• Využívá vyzařování zvukové energie ze
stroje jako nositele informace o jeho
technickém stavu.
• Využívá stejné nástroje zpracování signálu
jako vibrační diagnostika.
• Využívá stejné (podobné) přístrojové
vybavení jako vibrační diagnostika.
101
Akustická diagnostika - Výhody
• Bezkontaktní snímání signálu (v bezpečné
vzdálenosti)
• Propracovaná metodika zpracování a hodnocení
naměřených hodnot
–
–
–
–
Frekvenční analýza
Celkové hladiny
Akustický výkon
Intenzita zvuku
• Subjektivní hodnocení
• Lze pracoval v on-line režimu
102
Akustická diagnostika - Nevýhody
• Rušení (maskování) signálu šumem z
pozadí
• Logaritmická stupnice (lze přepočítat)
• Vyšší náklady oproti vibrační diagnostice
103
Vhodné aplikace
• Transformátory
• Stroje s kontaktním rizikem
• Průjezdový test dopravních prostředků
(např. tramvají)
• Výrobky s nízkou hlučností (např.
klimatizace)
104
Akustické vlastnosti
izolačních materiálů
105
Rozklad akustické energie v
izolačním materiálu
WDOP
WPROŠ
WODR
WPOH
106
Zvuková pohltivost
• Schopnost materiálu pohltit část
dopadajícího akustického výkonu.
• je funkcí frekvence
• vyjadřujeme ji zvukovou pohltivostí α
• nabývá hodnot od 0 do 1.
107
Zvuková pohltivost
1. přístup
• Vlastnost konstrukce zmenšit odraženou část
akustické energie,
• Je popsána zvukovou pohltivostí α
• Je rozeznávána α pro kolmý a všesměrový
dopad akustické vlny
WPOH
α=
WDOP
108
Zvuková pohltivost
2. přístup
WPOH
ε=
WDOP
WPOH + WPROŠ
α=
WDOP
109
Akustická odrazivost
• Vlastnost konstrukce odrazit část akustické
energie,
• Je popsána činitelem zvukové odrazivosti β
WODR
β=
WDOP
110
Průzvučnost
• Je závislá pouze na vlastnostech materiálu
• Je definována jako:
WPROŠ
τ=
WDOP
111
Vzduchová neprůzvučnost
• je vlastnost konstrukce, projevující se
ztrátou akustického výkonu zvuku při
přenosu vzduchem prostřednictvím
konstrukce.
• Neprůzvučnost značíme R [dB]
112
Vzduchová neprůzvučnost
• Je vyjádřením izolačních vlastností
materiálu na základě průzvučnosti
• Je definována jako:
WDOP
[dB]
R = 10 ⋅ log
WPROŠ
R = LDOP − LPROŠ
S
+ 10 ⋅ log
A
113
Jednočíselná hodnota neprůzvučnosti
R', dB
80
R‘W (C;Ctr) = 58 (-1;-5) dB.
75
70
Pro případ požadavku na zvýšenou
ochranu proti hluku je vypočtená
jednočíselná hodnota
65
60
55
R‘W korigována faktorem
přizpůsobení C.
50
45
40
ČSN EN ISO 717-1
35
3150
2500
2000
1600
1250
1000
800
630
500
400
315
250
200
160
125
100
30
Kmitočet, f, Hz
114
Energetická rovnováha
• 1. přístup
α + β +τ = 1
• 2. přístup
β +τ + ε = 1
α
115
Rozdělení materiálů podle
pohltivosti zvuku
• Materiály kmitající
• Materiály rezonanční
• Materiály porézní
116
Materiály kmitající
Dopadající zvukové vlny uvádějí tento materiál do
ohybového kmitání, přičemž v důsledku vnitřního
tření dochází k absorpci energie změnou na teplo.
Akustické vlastnosti jsou dány hmotností, tuhostí
desky a tloušťkou zvukové mezery.
117
Materiály rezonanční
Dopadající zvukové vlny dostanou do kmitavého
pohybu vzduchový objem hrdla rezonátoru.
Jakmile se jeho kmitočet dostatečně přiblíží k
rezonančnímu kmitočtu, rozkmitá se i celý
vzduchový objem.
Část zvukové energie je tedy pohlcena v
rezonátoru, zbytek je postupně vrácen do
prostoru.
118
Materiály porézní
Zvukové vlny dopadající na pórovité povrchy
těchto materiálů vnikají do pórů a prostupují jimi.
Vzduchové částice uvedené do pohybu zvukovou
energií se třou o stěny pórů, čímž se značná část
zvukové energie promění v energii tepelnou.
Pohltivost je tím větší, čím větší je pórovitost
materiálu.
119
Akustické Rezonanční Soustavy
membrány, desky
ma
ca, Ra
ma
Ra
ca
akustická hmotnost ma ...
(indukčnost)
akustická poddajnost ca …
(kapacita)
akustický odpor Ra…
(elektrický odpor)
120
Akustická Rezonanční Soustava
membrány, desky
α [-]
f [Hz]
121
Akustická Rezonanční Soustava - Děrované
Panely
Helmholtzův rezonátor
y
V
akustická hmotnost ma
S
l
akustická poddajnost ca
S1
S2
fr =
l
d
c
2π
S1
S 2ld
122
Akustická Rezonanční Soustava Děrované Panely
Helmholtzův rezonátor
α [-]
f [Hz]
123
AKUSTICKÁ TĚLĚSA
124
AKUSTICKÁ TĚLĚSA
125
Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na Tloušťku
Vlákenného Materiálu
Absorption coefficient [-]
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
100
1000
10000
Frequency [Hz]
10, 25, 35 mm
126
Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na
Objemovou Hmotnost Vlákenného Materiálu
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
100
1000
10000
Frequency [Hz]
10, 13, 32 kgm-3
127
Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na
Vzdálenost Vlákenného Materiálu od Odrazivé
Podložky
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
100
1000
10000
Frequency [Hz]
0, 10, 20, 30, 40, 50 mm
128
Činitel Zvukové Pohltivosti
Rezonanční Membrány
2
1
129
Činitel zvukové pohltivosti [-]
Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční
Membrány
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
100
1000
10000
Frekvence [Hz]
NV0
NV1
NV2
NV3
NV4
NV5
NV6
NV7
130
Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční
Membrány s Porózní Výplní
2
1
131
Činitel zvukové pohltivosti [-]
Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční Membrány
s Porózní Výplní
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
100
1000
10000
Frekvence [Hz]
NP1
NP2
NP3
NP4
NP5
NP6
NP7
132
Měření pohltivosti
• V difúzním poli
• V α-kabině
• V impedanční trubici
• Pomocí intenzity zvuku
• Pomocí odrazu akustické vlny
133
Měření zvukové pohltivosti
1. Postupem podle normy ČSN ISO 354
Akustika - Měření zvukové pohltivosti v
dozvukové místnosti
–
–
–
–
–
Mezinárodní standard
Objem místnosti minimálně 150 m3
Frekvenční rozsah 100 Hz – 5 kHz
Plocha vzorku 10 m2 až 12 m2
Všesměrový dopad zvukových vln na měřený vzorek
134
Podstata měření
• V dozvukové místnosti o objemu V se změří
doba dozvuku → Te
• V téže místnosti se umístí vzorek o ploše S a
změří se doba dozvuku → TS
• Stanoví se koeficient zvukové pohltivosti:
0 ,16 V
α =
S
⎛ 1
1⎞
⎟⎟
⎜⎜
−
⎝ TS Te ⎠
135
α-kabina
2.
–
–
–
–
–
–
určena pro měření zvukové pohltivosti vzorků absorpčních materiálů,
obkladů spojených s nosičem, součástí nebo výrobků,
určena pro měření zvukové pohltivosti při všesměrovém dopadu
zvukových vln,
výstupem z měření je koeficient zvukové pohltivosti α (v případě, že je
možné stanovit plochu, na které dochází k pohlcování)
výstupem z měření je ekvivalentní pohltivost A (v případě, že není
možné stanovit plochu, na které dochází k pohlcování)
je objektivní platformou pro měření zvukové pohltivosti
vychází z požadavků ISO 354 (ČSN ISO 354 Akustika - Měření zvukové
pohltivosti v dozvukové místnosti), respektuje metodiku, avšak
odstraňuje nevýhodu potřeby vzorku o velkých rozměrech.
136
α-kabina
137
Důležité parametry α-kabiny
Parametr
Objem kabiny
Vnější rozměry α-kabiny
Rozměr vstupních dveří α-kabiny
Rozměry standardního vzorku
Povrch měřených tvarových dílů
Rozsah měřených frekvencí
Hodnota
6,44 m3
3,22 m ¯ 2,37 m ¯ 2,03 m
123 cm ¯ 75 cm
1,0 m ¯ 1,2 m
0,6 m2 až 2,4 m2
oktávová analýza
500 Hz až 8 kHz
1/3-oktávová analýza
400 Hz až 10 kHz
138
α-kabina
139
140
Příklad výsledku měření
1,00
0,90
0,80
0,70
3 IT
4 IT
5 IT
3a
4a
5a
0,60
0,50
0,40
0,30
0,20
0,10
10k
8k
6,3k
5k
4k
3,15k
2,5k
2k
1,6k
1,25k
1k
800,00
630,00
500,00
400,00
315,00
250,00
200,00
160,00
125,00
100,00
80,00
63,00
50,00
40,00
31,50
25,00
20,00
0,00
-0,10
16,00
akustická pohltivost α | - |
1,20
1,10
frekvence | Hz |
141
3. V impedanční trubici
–
–
–
–
Měření na vzorku ∅100 mm (7,85 • 10-3 m2)
Frekvenční rozsah 16 Hz – 6,3 kHz
Kolmý dopad zvukových vln (minimální hodnota
zvukové pohltivosti)
Určeno především pro vývoj protihlukových materiálů
a porovnávací měření
142
Měření v impedanční trubici
143
Doba dozvuku – pokles
intenzity zvuku
I = I 0 e − ( c α S / 4V ) T
10 − 6 = e − ( cαS / 4V )T
Energie není pohlcována
plynule, ale v určitých
kvantech
.......... .......... ..
.......... .......... ..
I 0 (1 − α ) k
V
T = 0,164
αS
V
T = 0,164
− S ln(1 − α )
144
Měření pohltivosti pomocí intenzity
zvuku
• V dozvukové místnosti se změří v blízkosti
vzorku průměrná hladina intenzity zvuku LI a
akustického tlaku LP
• Stanoví se koeficient zvukové pohltivosti:
α =
4
1 + 10
LP − LI
10
145
Měření pohltivosti odrazem zvukové
vlny
• Použije se reproduktor, který vysílá signál (šum) a
měřicí mikrofon
• Ve volném poli se změří hluk šumu v definované
vzdálenosti od mikrofonu → Lp,d
• Pro stejnou vzdálenost se vytvoří odrazová dráha
(odraz přes vzorek) → Lp,r
α = 1 − 10
−
( Lp ,d − Lp , r )
10
146
Aplikace pohltivých materiálů
• Ideální je aplikace do kmitny akustické rychlosti
• Kmitna je od uzlu vzdálena o λ/4
• Na stěně je uzel (částice nemohou kmitat)
• Na stěnu je nutné umístit materiál o minimální
tloušťce λ/4 nebo
• Posunout materiál do polohy λ/4 od stěny
147
Přehled ČSN pro měření a hodnocení
akustické pohltivosti
• ČSN ISO 10534-1 Akustika - Určování činitele zvukové
Pohltivosti a akustické impedance v impedančních
trubicích - Část 1: Metoda poměru stojaté vlny
• ČSN ISO 10534-2 Akustika - Určování činitele zvukové
Pohltivosti a akustické impedance v impedančních
trubicích - Část 2: Metoda přenosové funkce
• ČSN EN ISO 354 Akustika - Měření zvukové Pohltivosti v
dozvukové místnosti
148
• ČSN ISO 13472-1 Akustika - Měření in situ
zvukové Pohltivosti povrchu vozovky - Část 1:
Metoda zvětšené plochy
• ČSN EN 1793-1 Zařízení pro snížení hluku
silničního provozu - Zkušební metody stanovení
akustických vlastností - Část 1: Určení zvukové
Pohltivosti laboratorní metodou
149
• ČSN EN 12354-6 Stavební akustika - Výpočet
akustických vlastností budov z vlastností
stavebních prvků - Část 6: Zvuková Pohltivost v
uzavřených prostorech
• ČSN EN ISO 11654 Akustika - Absorbéry zvuku
používané v budovách - Hodnocení zvukové
Pohltivosti
150
neprůzvučnosti
• ČSN EN 20140-10 Akustika. Měření zvukové izolace stavebních
konstrukcí a v budovách. Část 10: Laboratorní měření vzduchové
Neprůzvučnosti malých stavebních prvků (ISO 140-10:1991)
• ČSN EN 20140-9 Akustika. Měření zvukové izolace stavebních
Neprůzvučnosti mezi místnosti pro stanovení zvukové izolace
zavěšeného podhledu s průběžnou vzduchovou vrstvou (ISO 1409:1985)
• ČSN EN ISO 140-12 Akustika - Měření zvukové izolace stavebních
konstrukcí a v budovách - Část 12: Laboratorní měření vzduchové
a kročejové Neprůzvučnosti v horizontálním směru podlah s
průběžnou vzduchovou vrstvou
151
neprůzvučnosti
• ČSN EN ISO 140-3 Akustika. Měření zvukové izolace stavebních
Neprůzvučnosti stavebních konstrukcí (ISO 140-3:1995)
konstrukcí a v budovách - Část 4: Měření vzduchové Neprůzvučnosti
mezi místnostmi v budovách
konstrukcí a v budovách - Část 5: Měření vzduchové Neprůzvučnosti
obvodových plášťů a jejich částí na budovách
konstrukcí a v budovách - Část 6: Laboratorní měření kročejové
Neprůzvučnosti stropních konstrukcí
152
neprůzvučnosti
• ČSN EN ISO 140-7 Akustika - Měření zvukové izolace
stavebních konstrukcí a v budovách - Část 7: Měření
kročejové Neprůzvučnosti stropních konstrukcí v
budovách
• ČSN EN 12354-1 Stavební akustika - Výpočet akustických
vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 1:
Vzduchová Neprůzvučnost mezi místnostmi
Kročejová Neprůzvučnost mezi místnostmi
Vzduchová Neprůzvučnost vůči venkovnímu zvuku
153
neprůzvučnosti
• ČSN EN ISO 717-1 Akustika - Hodnocení zvukové
izolace stavebních konstrukcí a v budovách Část 1: Vzduchová Neprůzvučnost
• ČSN EN ISO 717-2 Akustika - Hodnocení zvukové
izolace stavebních konstrukcí a v budovách Část 2: Kročejová Neprůzvučnost
• ČSN EN 12758 Sklo ve stavebnictví - Zasklení a
vzduchová Neprůzvučnost - Popisy výrobků a
stanovení vlastností
154
Metody snižování hluku
155
Metody snižování hluku
• Primární - Snižování akustické
emise zdroje hluku
• Sekundární - Snižování akustické
energie na cestě od zdroje k
posluchači
• Terciální – ochranou posluchače
156
Snižování akustické emise
zdroje hluku
• Nejúčinnější z protihlukových úprav
• Často je založeno zejména na snižování vibrací
• Je zaměřeno na odstranění příčin nadměrných
vibrací, tření, proudění kapalin a plynů …
• U některých zařízení lze jen velmi obtížně
(spalovací motor, vibrační lis…)
157
Snižování akustické emise zdroje hluku
158
Úpravy zvukového pole
• Změny akustické pohltivosti stěn
• Změny rozmístění zdrojů hluku
• Vkládání překážek mezi zdroj
hluku a „posluchače“
• Zakrytování zdrojů hluku
159
Vkládání překážek mezi zdroj hluku a „posluchače“
160
161
162
Zakrytování zdrojů hluku
163
Kalibrace zvukoměru
• KALIBRACE = soubor úkonů, kterými se stanoví za
specifikovaných podmínek vztah mezi hodnotami veličin, které
jsou indikovány měřicím přístrojem nebo měřicím systémem
nebo hodnotami reprezentovanými ztělesněnou mírou nebo
referenčním materiálem a odpovídajícími hodnotami, které jsou
realizovány etalony.
• KALIBRACE je metrologický úkon :
–
–
–
–
který probíhá podle písemně daného postupu,
ze kterého je vydán protokol,
který se provádí v kalibračních lhůtách
jehož důležitým výsledkem je nejistota při kalibraci
164
© Pavel Němeček / Snímek 164
Obsah kalibračního postupu
•
•
•
•
•
•
•
•
•
určení měřicího a zkušebního zařízení
parametry veličin
stanovení všech etalonů a doplňkového zařízení
požadované podmínky prostředí
popis vlastního postupu
kritéria a/nebo normy pro prohlášení shody
údaje, které musí být zaznamenány a
metoda jejich analýzy a prezentace
analýza nejistot měření
165
1
Korekce na
barometrický
tlak
0,5
1013 hPa ~ 0 dB
Korekce na tlak vzduchu [ dB ]
0
-0,5
-1
-1,5
-2
dB = −6.10 −6 b2 + 0 ,0205b − 14 ,616
-2,5
-3
-3,5
-4
650
700
750
800
850
900
950
1000
1050
Baromtrický tlak [ hPa ]
166

Akustická diagnostika

Transkript

Podobné dokumenty

Optika je věda, která studuje původ a zákonitosti světelných jevů

L 10 log 10 - Katedra technických zařízení budov K11125

L 10 log 10 - Katedra technických zařízení budov K11125

Snižování vibrací a hluku

Montážní příručka sádrokartonáře

Sbírka příkladů - THD - Vysoké učení technické v Brně

Akustika stavebních konstrukcí

Zvukoměr SLM322

Využití mobilních zařízení ve výuce

2007b - Ivana Follová.

ZDE - Air Technology sro

www.armstrong.cz

ZDE - Časopis SILNICE ŽELEZNICE

N°|2 2007 - Schachermayer spol. s ro

Kniha Hluk větrných elektráren 2

požární bezpečnost staveb

Měření v informačních a komunikačních technologiích pro

Vzdělávací materiály - Dřevěné konstrukce a dřevostavby