Környezetvédelmi technológiák III. Zajvédelem Környezetmérnöki MSc szakos hallgatóknak
Kocsis Dénes tanársegéd
Elérhetőség • • • •
E-mail:
[email protected] Honlap: eng.undeb.hu/kocsisdenes Szoba: DE MK 310 Fogadóórák (2014 tavasz, szorgalmi időszak) – Szerda 10-12 – Csütörtök 10-12
• Zajvédelem: – 3x3 óra
Áttekintés • Hang és zaj – Légköri nyomás-változások – Zaj: „nem kívánatos” hang – Szubjektivitás fontossága
• Modern idők: egészségügyi kockázat – Modern ipar: több forrás (zeneerősítők)
• Hang: rezgő felület, vagy folyadékáramlás által rugalmas közegben (pl: levegő, víz, szilárd) keltett nyomás-változások vagy rezgések.
• A zaj fogalma: Különböző erősségű és frekvenciájú hangok olyan keveréke, amely az emberben kellemetlen, zavaró hatást eredményez • A hang a közegben hullám alakban terjed – Gázban és folyadékban: csak hosszanti (longitudinális) – Szilárd testekben: longitudinális és transzverzális is lehet
• Ember hallástartománya: 20…16000 Hz (kivételesen a 16…20000 Hz)
• A harmonikus rezgés matematikai alakja: y(t) = A sin(ωt) – ahol y(t) a pillanatérték az idő függvényében, – A az amplitúdó, – ω a körfrekvencia [rad/sec]-ban,
• továbbá: ω = 2πf – ahol f a frekvencia [Hz]-ben
• A harmonikus rezgőmozgást, mivel egyetlen f frekvencia alkotja, „tiszta” hangnak, vagy szinuszos rezgésnek is nevezzük (ilyen a természetben nem fordul elő, ezek mesterséges hangok)
• Rezgés ϕ fázisa: függvény értéke a t=0 időpillanatban y(t) = A0+A sin(ωt+ϕ) – ahol A0 az amplitúdó egyenszintje
• Levegőben történő hanghullámterjedés esetén az egyenszint az atmoszféranyomás – értéke A0≈105 [Pa] = 1 [atm] – az atmoszféranyomás a levegő paramétereitől, időjárástól, tengerszint feletti magasságtól függ
• Fülben ellennyomás segítségével kiegyenlítődik (száj nyitás, nyelés)→ha magas hegyre gyorsan megyünk fel, akkor nincs elég idő a szabályozásra és bedugul a fülünk – oka: a belső nyomás még az alsó nagyobb értéken van, és ez kifelé nyomja a dobhártyát – nyomáskiegyenlítő nyílás a fülben: Ún. Eustach-kürt
• Az y(t) a kitérés időfüggvénye→deriválás →terjedési sebesség→deriválás gyorsulás y(t) = Asin(ωt) v(t) = y'(t) = dy/dt = ωAcos(ωt) a(t) = y"(t) = v'(t) = d2y/dt2 = -ω2Asin(ωt) • A v(t) függvény láthatóan π/2-vel siet, míg az a(t) π-vel késik a kitérés időfüggvényéhez képest y(t) t v(t))
a(t) t
• Alapfogalmak
• A hang terjedési sebessége anyagfüggő: • függ a közeg anyagától, hőmérsékletétől, sűrűségtől
• A hangsebesség a hullám terjedési sebessége (jele: c; [m/s]) – Gázokban: • Ahol: – κ: fajhőviszony – po: a közeg statikus nyomása [Pa] – ρ0: a közeg nyugalmi sűrűsége [kg/m3]
• Levegőben: • Ahol T: a levegő abszolút hőmérséklete [K]
Szilárd anyagok (20 o C ) acél alumínium bazalt cink fa: bükk tölgy fenyő flintüveg gránit gumi jég (-4 o C ) keménygumi koronaüveg kvarcüveg márvány ólom ón paraffin porcelán réz sárgaréz tégla vas
a ( m/s) 5100 5110 5080 3800 3300 3800 4500 4000 4000 54 3200 1570 5300 5400 3800 1200 2700 1300 4880 3800 3500 3650 5180
Gázok (0 o C , 101,2 kPa) acetilén ammóniák argon bróm hélium hidrogén klór kéndioxid levegő -50 o C -10 o C 0 oC +10 o C +15 o C +20 o C +50 o C +100 o C metán neon nitrogén oxigén széndioxid szénmonoxid városi gáz
a (m/s) 327 415 308 135 971 1286 206 212 299 325 331 337 340 343 360 387 430 433 334 315 258 337
Folyadékok (20 oC) aceton benzol etilalkohol glicerin higany metilalkohol nehézvíz nitrobenzol paraffinolaj petróleum propilalkohol széndiszulfid széntetraklorid tengervíz toluol xilol
a ( m/s) 1190 132 1170 1923 1421 1123 1399 1470 1420 1320 1220 1158 943 1531 1308 1357
Víz (desztillált) 0 20 40 60 80 100
o
C o C o C o C o C o C
a ( m/s) 1403 1483 1529 1551 1555 1543
• Fajlagos akusztikai impedancia, más néven akusztikai keménység [Pa s/m]; [Ns/m3] vagy [kg/m2s] • Ahol: – ρ0: a közeg nyugalmi sűrűsége [kg/m3] – c: hangsebesség [m/s]
• Gyakorlatban: a hangnyomás effektív értéke (jele: pe, legtöbbször csak p)
• Ahol: T az integrálási idő • Szinuszos tisztahang esetén az effektív érték:
• Ahol pmax a hangnyomás legnagyobb pillanatnyi értéke (amplitúdója) [Pa]
• Intenzitás: a felületegységen áthaladó (hang)energia átlaga, ahol a felület merőleges a terjedésre, az időegység pedig a másodperc. – Más szóval, az intenzitás 1 m2 felületen, 1 s alatt átáramlott (átlag)energia. – A hangnyomással és a részecskesebességgel megadva:
i = pv [W/m2] vagy [J/m2s] • Az intenzitás teljesítmény-jellegű mennyiség valamint vektoriális (iránya is van) – Az irány a részecskesebességből öröklődik (a nyomás skaláris mennyiség) – Ha a terjedés iránya nem egyezik meg az intenzitás vektor irányával, akkor az eltérés szögének koszinuszával is be kell szorozni az értéket
Szintek • Hangtér jellemzői: nagy értéktartomány (hangnyomás 106 Pa; hangintenzitás és hangteljesítmény négyzetes összefüggés miatt 1012 W/m2 és W)→mennyiségek nem természetes egységben, hanem szintekkel, decibel dB • A szintek számításához használt mennyiségek mindig effektív értékek.
Szintek • Hangnyomásszint (Jele: Lp [dB]) – Ahol po=2*10-5 Pa, a hangnyomás alapértéke
• Hangintenzitásszint (Jele: Li [dB]) – Ahol Io=10-12 W/m2, a hangintenzitás alapértéke
• Hangteljesítményszint (Jele: Lw [dB]) – Ahol Po=10-12 W, a hangteljesítmény alapértéke
Szintek összegzése • A hangnyomásnégyezteket, a hangintenzitásokat és a hangteljesítményeket kell összeadni. Le eredő szint:
– ahol: Li az i-ik összegzendő szint
• Két azonos szint eredője 3-mal több az összetevőknél→különböző nagyságú szintek esetén a kisebbik szint 3 dB-nél kevesebbel járul hozzá az eredő nagyságához
Feladatok • Egy műhelycsarnokban öt munkagép üzemel. A hangtér ugyanazon pontjában külön-külön ezek rendre 92 dB(A), 81 dB(A), 88 dB(A), 77 dB(A) és 90 dB(A) hangnyomásszintet hoznak létre. Együttes üzemeltetés esetén mekkora lesz az eredő hangnyomásszint? • Két zajforrás eredő szintje 84 dB. Az egyik összetevő 77 dB nagyságú. Mekkora a másik?
• Példa hangteljesítményekre, illetve hangteljesítmény szintekre Sugárhajtómű Láncfűrész Kiabálás Hangos beszéd Normál beszéd Suttogás
Hangteljesítmény (W) 10 000 1 10-3 2x10-4 10-5 10-9
Lw (dB) 160 120 90 83 70 30
• Megjegyzés :A fenti táblázatból látható a hangkeltés alacsony hatásfoka (láncfűrész kW nagyságrendű elektromos teljesítmény töredéke lesz akusztikus energia)
• Eredő hangnyomásszint két hangforrás egyidejű hatása esetén
Hangszínkép • Hangszínkép: hangnyomásszintek ábrázolása frekvencia függvényében – Tisztahang (szinuszos hang) színképe: az adott frekvenciához tartozó egyetlen függőleges vonal – Összetett periodikus hang színképe: vonalas – Összetett, nem periodikus hang színképe: folytonos
• Fehér zaj: folytonos színképű, a teljes frekvencia tartományban állandó intenzitású (vízszintes egyenes) zaj
• Szürke zaj: a frekvenciatartomány egy sávjában folytonos, és egyenletes intenzitású
• Rózsaszín zaj: egy frekvencia tartományban folytonos, lineárisan csökkenő intenzitású zaj
• Legtöbb hang a gyakorlatban „szélessávú” (nagy frekvencia tartományban jelentkeznek) • Ha a hang többé-kevésbé állandó, akkor hasznosabb elemezni a frekvenciatartománybeli jellemzőit, mint a hangnyomást az idő függvényében • Frekvencia analízis: a jel felbontás spektrális elemeire – Elvégezhető digitális analizátorral (FFT: Fast Fourier Transform, diszkrét trnaszformáció)
• Sávszűrők: meghatározott frekvenciasávban átengedik, ezen sávon kívül azonban visszatartják a hangenergiát • A szűrők lehetnek: – egyforma sávszélességűek – állandó relatív sávszélességűek (logaritmikus frekvencia skálán azonos távolság)
• Környezeti zajmérésnél: leggyakrabban oktávvagy tercszűrők (vagy keskenyebb)
• Oktáv: alapvető zenei skálaegység, frekvencia arány 2:1
• Oktávsávok: ff felső határfrekvencia az fa alsó határfrekvencia kétszerese, a középfrekvencia pedig a határfrekvenciák mértani középértéke • Tercsávok: az alsó és felső határfrekvencia hányadosa logaritmikusan harmada az oktávsávénak
• Mivel 210=1024≈103 valamint 210/3 ≈10 és 21/3 ≈101/10 azaz tíz egyharmad-oktáv majdnem egy dekád és egyharmad-oktáv majdnem azonos egytized dekáddal • Gyakorlatban az egyharmad-oktáv sávszűrők gyakorlatilag egytized-dekád szűrőknek tekinthetőek • Az emberi hallástartomány a kb. 20 Hz-től 20 kHz-ig 3 dekádot, 10 oktávot és 31 tercet foglal magába • Terc és oktáv középfrekvenciák (Hz)
• Frekvencia sávszélességek; tercsáv középfrekvenciák, oktávsáv középfrekvenciák (Hz)
• Egy oktávsávhoz tartozó három tercsávban mért hangnyomásszintek eredője egyenlő az oktávsáv-hangnyomásszintjével • Ha egy oktávsáv tercsávjaiban a hangnyomásszintek egyenlőek→oktávsávhangnyomásszintje 4,8 dB-el lesz nagyobb a tercsávoknál • Összes oktáv- ill. tercsáv mért hangnyomásszint eredője→összegszint (lineáris mérés eredménye)
• Hangszínkép megadása oszlopos diagrammal
Hangterjedés • Zajforrás okozta hangnyomásszint eloszlás ismeretének fontossága • A hangforrásokra jellemző hangteljesítmény és a hangtér közötti kapcsolatra döntő hatással van: a hangforrás alakja a hangforrást körülvevő tér jellege (szabad ill. zárt tér) a hangforrás térben elfoglalt helyzete a hangforrás az össz-teljesítményszintjének mekkora hányadát sugározza a hangtér különböző részeibe, – a terjedés útjában lévő hangakadály – – – –
Terjedés szabad térben • Szabad tér: olyan tér, amelyben a hullámterjedést akadály nem zavarja (a hanghullám minden irányban elhajlás, törés, visszaverődés nélkül terjed)→ez erős absztrakció • Hangforrás: rugalmas testek, amelyek meghatározott frekvenciatartományban rezgésre gerjeszthetők, azaz a velük közölt energia egy részét rezgési energiává (hangenergiává) alakítják át → ez az energia átadódik a környező közegnek és abban hanghullámok formájában terjed • Hangforrások – Pontszerű hangforrások – Vonalszerű sugárzók – Felületi sugárzók
Pontszerű hangforrások, irányítottság • Idealizált sugárzók (legegyszerűbb modelljük a lélegző gömb) • Irányítottság – Irányítási tényező: D – R távolságban viszonyítjuk a minden irányban azonos intenzitással sugárzó esethez képest
Irányítási tényező • • • •
Gömbsugárzó esetén Félgömbsugárzó Negyed térbe sugárzó Nyolcad térbe sugárzó
D=1 D=2 D=4 D=8
Pontszerű hangforrás • Hangnyomásszint és teljesítményszint összefüggése – Ahol r0=1 m – r távolság megkétszerezése esetén az intenzitásszint 6 dB-el csökken (hangnyomásszint esetén is igaz)
• Hangnyomásszint r2 távolságban ha ismert r1 távolságban
Vonalszerű sugárzók • A végtelen hosszú vonal minden eleme hangforrásként működik
• Koherens: minden eleme azonos fázissal és amplitúdóval sugároz (hullámfrontjai koncentrikus hengerek) • Inkoherens: egyidejűleg nem azonos fázisban sugárzó elemi gömbsugárzók egyenesen elhelyezett végtelen sora
Vonalszerű sugárzók • Intenzitásszint r távolságban: – inkoherens sugárzó esetén – Koherens sugárzó esetén
• Irányítási tényező – Hengersugárzó – Félhengersugárzó – Negyedhengersugárzó
D=1 D=2 D=4
• Hangnyomásszint r2 távolságban ha ismert r1 távolságban • A gyakorlatban a közutak és vasútvonalak vonalsugárzóknak tekinthetőek
Felületi sugárzók • A zaj nagyobb felületű szabad nyíláson, ablakon, vagy vékony falon át jut a környezetbe → felülea sugárzók • A felülelet egyenletesen elosztott, független zajforrásokból áll → zajenergia véletlenszerű fázisban félgömszerűen sugározzák szét
Hangterjedés szabad térben • Hangszint jellemzően csökken a terjedés során • Okai – Geometria (távolság) hatása – Elnyelődés (levegő hangelnyelése) – Földfelület hatása – Növényzet hatása – Épületek, falak, domborzat hatása
Hangterjedés szabad térben • Teljes gyengülés: A teljes = A div + A levegő + A föld + A egyéb – Az első három általános, és mindig figyelembe kell venni
Aegyéb = Anövényzet + Abeépítettség + Aárnyékolás – Ezek a tagok egymástól általában függetlenek tárgyalhatók
• A diffrakció egy akadály körül: együtt kell tárgyalni a földfelület által okozott elnyelődéssel • Mivel a gyengülések frekvenciafüggőek ezért jellemzően oktáv sávok szerint kell számolni
Távolság (geometriai divergencia) okozta gyengülés • Pontforrásra: A div = 20 log10 r + 10.9
• Frekvencia független • A távolság megduplázódásával a nyomásszint kb. 6 dB-el csökken
Gyengülés a levegőben történő elnyelődés hatására • Az akusztikus hullám haladása során az akusztikus energia fokozatosan hővé alakul molekuláris folyamatokon keresztül A levegő = αd / 1000 dB • • Elnyelődési együttható (terjedési csillapítás) α (dB/km) – Erősen függ a frekvenciától és a relatív páratartalomtól, és kevésbé a hőmérséklettől – Gyengén függ a nyomástól, azaz a magasságtól
• Rövid távolságokra elhanyagolható (kivéve 5000 Hz fölött)
Terjedési csillapítás • α (dB/km) értékei a 25/2004. (XII. 20.) KvVM rendelet 6. melléklete alapján (°C)
h r (%)
10 20 30 15 15 15
70 70 70 20 50 80
T
Névleges oktávsáv-középfrekvencia (Hz) 63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
0.12 0.09 0.07 0.27 0.14 0.09
0.41 0.34 0.26 0.65 0.48 0.34
1.04 1.13 0.96 1.22 1.22 1.07
1.93 2.80 3.14 2.70 2.24 2.40
3.66 4.98 7.41 8.17 4.16 4.15
9.66 9.02 12.7 28.2 10.8 8.31
32.8 22.9 23.1 88.8 36.2 23.7
117 76.6 59.3 202 129 82.8
• A jogszabály szerint: tervezéskor a 10 °C hőmérséklethez és 70% relatív légnedvességhez tartozó értékkel kell számolni
A föld által okozott gyengülés • Két terjedési útvonal: – direkt vagy – reflektált
• Általában az eredő akusztikus szint erősen függ: – az útkülönbségektől – a beesési szögtől – a frekvenciától
• Kemény felületek hangelnyelése nagyon csekély, füves területek, kötött talaj elnyelése már jelentős
A föld által okozott gyengülés • A földtípusok osztályozása – 1. Kemény felület: alacsony porozitás. Aszfalt, vagy beton, víz. Gyárak körül a döngölt föld – 2. Lágy: fűvel, fákkal és egyéb növényzettel borított porózus felület, amely alkalmas mezőgazdaságra – 3. Nagyon lágy felület: nagyon porózus, hó (legalább 10 cm vastag) vagy tűlevél – 4. Kevert
A föld által okozott gyengülés • Számítása A föld = 4.8 − (2hm / s )(17 + 300 / s ) > 0 dB
– s: távolság a forrás és az észlelési pont között – hm: a talajszint fölötti közepes magasság • Nagy beesési szögeknél a lágy és nagyon lágy felületek is jó visszaverőkké válnak
A növényzet csillapító hatása • A hangterjedést erősen befolyásolja a törzsek, ágak, levelek és a növények közelében fellazított talaj által okozott szóródás • A növényzet csillapító hatása függ – – – –
a növényzet sűrűségétől, fajtájától, a hang növényzetben megtett útjának hosszúságától, a frekvenciától
• A növényzet nem nyújt védelmet a magasan fekvő zajforrások ellen • A szakirodalomban megadott értékek nagyon nagy szóródást mutatnak. • Jogszabály szerint a tervezés céljából tehát rendszerint nem lehet hatékony zajcsökkentést elérni a növényzet telepítésével (kivételes eset: örökzöldek)
A beépítettség csillapító hatása • Ha a forrás és az észlelő között épületekkel beépített terület van, árnyékolás miatt csillapodás léphet fel • A beépítéseket mint árnyékolókat kell figyelembe venni • Az egyes homlokzatokat egységesen 0,8 reflexiós tényezővel kell kezelni (25/2004. (XII. 20.) KvVM rendelet)
Az árnyékolás • A földfelszíni hangterjedést jelentősen befolyásolják az akadályok (épületek, házsorok, falak, gátak, domborzat) • Az akadályok mögött hangárnyék alakul ki • Ha a hangnak nincs mellékútja valamely tükröző, visszaverő felületről, akkor a hang az akadály élein át elhajlás (diffrakció) útján jut el az árnyékzónába – Az akadály élénél a hang szóródik→ezért az árnyékolás nem teljes, a hangakadály mögé is jut energia – Ezáltal csökken a hangnyomásszint ahhoz képest, amelyet szabad hangterjedésre számítottak
Árnyékolás • Árnyékolási tényező: – Jele: Z • Z=(a+b)-d
A szél és a hőmérséklet hatása • Szél- és hőmérsékleti gradiens nagysága és előjele befolyásolja a hangterjedési viszonyokat • A szélsebesség és a hang terjedési sebessége vektoriálisan összegződik – Szélirányban nagyobb, ellenkező irányban kisebb terjedési sebesség
• A légáramlást a talaj közelében a növényzet és a beépítehség fékezi → a szélsebesség a magasság növekedésével növekszik • Emiatt a hanghullámok a szélirányban történő terjedésnél a föld felé, ellenkező irányú terjedésnél a földtől felfelé hajlanak el.
A szél és a hőmérséklet hatása • A széllel szemben bizonyos távolságra: hangárnyék • Szélirányban nincs hangárnyék, sőt a hanghullámok föld felé hajlása miatt a zajcsökkentő hatást részben, vagy teljesen megszünteti (nagy távolságokban nagy ingadozások)
A szél és a hőmérséklet hatása • Szélhez hasonló hatása van a hőmérsékletnek is: – Ha a hullámfront bizonyos részeinek terjedési sebessége különbözik a hullámfront többi részének terjedési sebességétől → a hullámfront iránya megváltozik
• Nappal: talaj felmelegedés közben a levegő felső részei hidegebbek (negaiv hőmérséklea gradiens) → a hanghullám útját jelző nyomvonal felfelé görbül (bizonyos távolságban árnyékzóna) • Ha az alsó réteg hidegebb (télen, tiszta szélcsendes éjszakában) → akkor a nyomvonal a föld felé hajlik
A szél és a hőmérséklet hatása
Hangvisszaverődés • Figyelembe kell venni: a zajforrás vagy a megfigyelő közelében lévő nagyobb hangvisszaverő felületeket (falak, épületek stb.) • Ilyen esetben tükrözéssel kapott tükörzajforrással számolhatunk • Valamely homlokzati felület vagy más hangvisszaverő elem előtt mért adatokat a homlokzat vagy visszaverő elem visszaverő hatásának kiszűrése érdekében helyesbíteni kell (Ez a mért értékből 3 dB levonását jelenti)
Hangvisszaverődés • A tükörforrás hangteljesítményszintjét kisebbre kell vermi, mint az eredeti hangforrásét, mert a visszaverő felületen való abszorpció vagy szóródás miatt elvész a beeső hangenergia egy része
Terjedés zárt térben • Cél: a helyiségekben kialakuló hangtér megbízható leírása • Hangelnyelés, hangelnyelési fok – Anyagok és tárgyak hangelnyelési képességének van nagy jelentősége – Két közeget elválasztó felületre hanghullám esik → a hullám által közvetett energia egy része visszaverődik, másik része behatol a második közegbe, ahol részben elnyelődik (hővé alakul), illetve a közegben terjed – Újabb közegfelületen ismét visszaverődik, illetve részben behatol
Hangelnyelés, hangelnyelési fok • • • • • • • •
W1: a falra beeső teljesítmény; Wr: a falról visszavert teljesítmény; We: a falban elnyelt teljesítmény; Wh: a falban hővé alakult teljesítmény; W2: a falon közvetlenül áthaladt teljesítmény; W'2: kerülő utakon a vevőhelyiségbe jutó teljesítmény; L1: az átlagos hangnyomásszint az adóhelyiségben; L2: az átlagos hangnyomásszint a vevőhelyiségben
Hangelnyelés, hangelnyelési fok • Beeső energia: Wbeeső = Wvisszvert + Wátmenő + Wveszteségi
• Visszaverődési fok: ρ = Wvisszvert/ Wbeeső
• Veszteségi tényező: δ = Wveszteségi / Wbeeső
• Átvezetési fok: τ = Wátmenő / Wbeeső
• A fentiekből: ρ + δ + τ=1
Hangelnyelés, hangelnyelési fok • A hangforrás oldaláról nézve: – Csak két részre oszlik a hangenergia: • Vagy visszaverődik • Vagy elvész
• A hangelnyelés mértéke a hangelnyelési fok (α)
– A hangelnyelési fok: a felület által elnyelt és a felületre eső hangenergia viszonya • Ennek megfelelően 0 és 1 közötti értéket vehet fel
Hangelnyelés, hangelnyelési fok • Minden anyag képes a hangenergia egy részét elnyelni • Az elnyelt energia mennyisége (az anyag hangelnyelési foka) nagymértékben függ: – az anyag szerkezeti felépítésétől, – a frekvenciától, – a beesési szögtől.
• A fentiek alapján megkülönböztetünk: – jó hangelnyelő képességű anyagokat – rossz hangelnyelő képességű anyagokat (hangvisszaverő anyagok)
• Frekvencia szerinti megkülönböztetés alapján – nagy-, közepes- és kisfrekvenciás hangelnyelő anyagok, szerkezetek
Energiaeloszlás zárt térben • Közeltér: – A forrás közvetlen közelében a rezgő levegőrészecskék sebessége (részecskesebesség) nem esik szükségszerűen a hullámterjedés irányába, ezért bármely pontban jelentős tangenciális sebességösszetevő létezhet. – A hangtérnek ez a része a közeltér, amelyet gyakran a hangnyomásnak a helytől függő jelentős változása jellemez. Ezenfelül a hangintenzitás nincs egyszerű összefüggésben a hangnyomás négyzetével. – A zajforrás közelterének kiterjedése a frekvenciától, a forrásra jellemző mérettől és felület sugárzó részeinek fázisától függ. A jellemző méret változhat a frekvenciával és a szögbeli helyzettel. Ezért nehéz egy tetszőleges hangforrás közelterének általános hatásait pontosan megadni.
Energiaeloszlás zárt térben • Közvetlen hangtér: – A hangtér azon része, amelyben a hangforrástól közvetlenül érkező, még vissza nem verődött hangenergia határozza meg a tér energiatartalmát ( közvetlen sugárzási vagy szabad hangtér) – Ez a hangtér nem függ a helyiség akusztikai tulajdonságaitól. Ebben a térrészben a szabad hangtéri energiaterjedés vehető figyelembe – A részecskesebesség elsősorban a hangterjedés irányába esik és a hangintenzitás a hangnyomás négyzetével arányos:
Energiaeloszlás zárt térben • Visszavert hangtér: – A hangforrás által lesugárzott energia a helyiség falairól visszaverődik. A visszavert energia intenzitása kisebb, mint a beesőé, mivel a beeső energia α-szorosát a fal elnyeli. – A vizsgált helyiség sok esetben nagy a hangforrás méreteihez viszonyítva, s nem mindig szabályos alakú. Ennek folytán a helyiség minden pontján a legkülönbözőbb irányú és intenzitású hanghullámok haladnak: kialakul a szórt (diffúz), visszavert hangtér. – A hangforrásból kilépő P teljesítménynek az a hányada jut a visszavert hangtérbe, melyet a helyiség falai nem nyelnek el. Állandósult állapotban a visszavert hangtérbe jutó (az első visszaverődés során el nem nyelt) teljesítmény:
Energiaeloszlás zárt térben •
Állandósult állapotban a visszavert hangtérben minden visszaverődés során az energiának α-szorosa elnyelődik. Időegység alatt n visszaverődés történik, így a visszavert hangtér energiájából elnyelt teljesítmény:
•
ahol: a tér átlagos elnyelési tényezője, wv a hangtér energiasűrűsége, V a helyiség térfogata.
•
Mivel Pv = Pe
•
A két visszaverődés közötti közepes szabad úthossz:
•
A visszavert hangtér intenzitása: Iv = wv c
•
Így:
•
Az akusztikában az
RT mennyiséget teremállandónak nevezik Ahol S: elnyelés szám vagy egyenértékű elnyelési felület
Energiaeloszlás zárt térben • Elnyelési szám (S): – Fizikailag annak a minden beeső hangenergiát elnyelő felületnek a nagyságát adja, mely egyenértékű a helyiség elnyelőképességével
• A hangnyomás és a hangnyomásszint:
Energiaeloszlás zárt térben • Az előzőekben meghatározott intenzitások és hangnyomások eredőjeként jön létre a helyiségben az állandósult eredő hangtér
Energiaeloszlás zárt térben • A gyakorlatban: – RT teremállandó helyett az A elnyelési számot használják (közelítés) – Zajcsökkentés szempontjából fontos, hogy a hangtér adott pontján a közvetlen, vagy a visszavert hangtér uralkodik-e • A két hangtér határának azt az rh távolságot értjük, melynél a két hangtérből származó hangnyomásszintek egyenlők (zengősugár, Hall-rádiusz)
Refrakció, diffrakció és reflexió • A hangterjedés legfontosabb jellemzője az irány. Három alapvető jelenséget ismerünk meg: – refrakció, – diffrakció, – reflexió
• A refrakció magyarul elhajlást jelent, azaz a hang, ha különböző sűrűségű anyagok határára érkezik, a sűrűbb anyag felé hajlik el. • A diffrakció az „árnyékba hatolás” jelensége: a hang az útjába kerülő tárgyat annak méretétől valamint a frekvenciától függően megkerül (más az árnyékoló egy kis tárgynak mint egy falnak) • A reflexiót más néven visszaverődésnek is nevezzük
Visszhang • A visszhang a reflexió speciális esete – Kb. 50 ms az a határ, amit echóküszöbnek nevezünk • Ehhez minimum 17 méter távolság szükséges a forrás és a visszaverő felület között
• A visszhang nem más, mint az eredeti hang és annak késleltetett, csillapított verzióinak a fülbe érkezése. • Ha az időkülönbség jóval meghaladja az 50 ms-t, nem visszhangot fogunk érzékelni, hanem két különböző hangforrást; ha lényegesen kisebb nála, akkor pedig egy „zengőbb” hangérzetet. • Nagyobb termek tervezésénél igyekeznek tartani, hogy a forrás és a hallgató között sehol ne legyen meg a 17 méteres útkülönbség lehetősége
• Ha a hullámhossz jóval kisebb a visszaverő felületnél, a geometriai hullámterjedés leírja a hangutakat, a beesési szög megegyezik a visszaverődési szöggel • Ha a hangutak különbsége nem haladja meg a 17 métert, nem keletkezik visszhang (ez a 20 Hz-es jel hullámhossza)
• A diffrakció és a reflexió mértéke attól függ, mekkora a hullámhossz (λ) a geometriai méretekhez képest • Diffrakciónál az akadály összemérhető méretű a hullámhosszal • Ha az akadály kisebb, a jelenség elhanyagolható, ha nagyobb, akkor árnyékolás lép a helyébe • Akkor következik be, ha a hang lyukon halad át • Ha az kicsi, akkor a lyuk pontforrásként viselkedik, • ha túl nagy, akkor zavartalanul átáramlik
• Négy alapesetet ismerünk terjedő hang akadályba ütközésekor: – 1. Fal kis nyílással • Egyenletes, gömbhullámú terjedés lép fel a nyílás után is (A nyílás új pontforrásként működik, azaz „elfelejti” honnan jött) • Csak kis energia jut át a nyíláson, a nagy része annak faláról visszaverődik
– 2. Fal nagy nyílással • Ekkor az energia nagy része átáramlik és síkhullám jelleggel terjed tova a nyílás másik oldalán • A reflexiók a „tükörforrásból” jönnek
– 3. Kis méretű korong • A kis méretű akadályt a hang kikerüli (diffrakció), kicsi a hangárnyék és a reflexió is
– 4. Nagy méretű korong • Ebben az esetben a hangárnyék és a reflexió is nagy, a diffrakció azonban csökken.
Teremakusztika • A teremakusztika külön a termek akusztikájával, hangzásával foglalkozik • A tervezés során a cél – jobb hangzás – hangszigetelés: zajmentesség ki- és befelé
• Egy akadályba (fal) ütköző hanghullám egy része – visszaverődik, – kisebb része áthatol azon, – a legkisebb része pedig hő formájában melegíti azt
• Ha a λ hullámhossz jóval kisebb a fal felületénél, a beesési- és visszaverődési szögekre, a hangutak kiszámításához alkalmazhatók a fénytörési törvények (pld. beesési szög = visszavert szög) • 50 ms-nál található a visszhang-küszöb (ez kb. 17 méteres távolságnak felel meg), e felett visszhangot fogunk érzékelni. – A visszhang káros jelenség, rontja a beszédérthetőséget és a hangzást is – Ugyanakkor a jó hangzáshoz visszaverődésekre szükség van (a süketszobának zeneileg nem jó az akusztikája)
• Többutas hangterjedéskor a visszaverődések hozzátartoznak a zenei élményhez
• A hangenergia egy pontban a direkt és a visszavert hullámok energiájának az összege, lehet: – erősítés és – kioltás is (interferencia)
• A terem komplex rezonátor, természetes rezgő módosukkal – A kialakuló hullámtér elsősorban a hullámhossz és a terem geometriájától függ – A terem természetes módusai (rezonanciái) helyi maximumokat és minimumokat hoznak létre, amelyek a geometriai alaktól és mérettől és a hullámhossztól függnek
• A falban elnyelt hangenergiát általában állandónak tekinthetjük és hő formájában szabadul fel • Mivel tökéletes visszaverődés csak elméletben van, a betáplált hangenergia egy teremben fokozatosan elvész – Ha állandó energiaszintet akarunk tartani, akkor a veszteségeknek megfelelően azt állandóan pótolni kell – Ha ez a betápláló forrás leáll, az energia exponenciálisan esni kezd, mértéke függ • az anyagtól, a frekvenciától és a beesési szögtől
Utózengési idő • Egy helyiségben elhelyezett és működésbe hozott zajforrás hatására a helyiségben rövid idő alatt kialakul az állandósult eredő hangtér • A hangtér feltöltődése után a szint állandó marad, majd a hangforrás kikapcsolása után csökkenni kezd, ugyanis a felhalmozódott energiának kell pótolnia az elnyelt energiát is • Nemzetközi megállapodás alapján azt az időt, mely alatt a hangforrás működésének megszűnése után zárt térben a hangnyomás az ezredrészére, azaz a hangnyomásszint 60 dB-lel csökken, utózengési időnek nevezzük (T):
• Az utózengési időről: – T nagy, ha sok a reflexió (pl. fürdőszobában) – T kicsi, ha kevés a reflexió (pl. bútorok, könyvek között) – T frekvenciafüggő: kis frekvenciáknál hosszabb (nehezebb elnyelni) – T határozza meg a terem felhasználhatóságát – a nagy T rontja a beszédérthetőséget és a zene élvezhetősége is csökken – zenéhez kb. Tmax = 1...3 s szükséges
• Az utózengési idő megadja a terem felhasználhatóságát: – TV stúdió, rádió stúdió 1 s alatti – koncerttermek 1-2 s közöttivel, – nagyobb templom belső tere 3 s-nál hosszabb idővel is rendelkezhet
• Utózengési idő meghatározása: – Méréssel vagy számítással
• Számítás: – Sabine-formula (nem túl kicsi T (vagy τ) esetén), három lépésben
• Utózengési idő [s], V [m3], 0,161 konstans [s/m], A abszorpció: – Itt S felület [m2], α a hozzá tartozó elnyelési tényező – Α= elnyelt energia/beeső energia (mérhető, számolható)
• Kisebb T esetén Eyring-formula
– Ahol egy átlagos alfával számolunk: és
– Akkor a legpontosabb ez a formula, ha: • α-k kb egyenlőek (hátrány), vizsont matematikailag korrektebb (süketszobára T zérus)
• Utózengési idő mérése: – Impulzosválaszos mérés: impulzussal gerjesztjük a termet (pisztoly hangforrás, papírzacskó) • Kezdeti „bumm” szintje 60 dB-t esik
– Zajgerjesztéses mérés: • Fehérzaj (vagy rózsaszín), hangos hangforrás, bekapcsolás után a hangteret feltölti energiával, beáll egy állandó szint→kikapcsoláskor nézik mennyi idő alah esik a szint 60 dB-t
• Elnyelés mérése: – Tipikusan zengőszobában adott felületű (10 m2) mintát kell bevinni, Sabine-formulából visszaszámolni (a zengőszoba utózengés ideje ismert, korábban mért)
– S a mintaanyag felülete, V a terem térfogata, Ts az utózengési idő a mintaanyaggal, Te pedig az üres szobáé
• Az elnyelési tényező frekvenciafüggése néhány anyag esetén és hangelnyelési osztályok
• Hangszigetelés (Sound Insulation) – Falakra vonatkozó számszerűsítő adata: • R (Sound Reduction Index), mért egysége [dB] – A beeső hangteljesítmény és az átjutott teljesítmény hányadosa
– i incident (beérkező), t transmitted (átjutott) – Függ a frekvenciától és a beesési szögtől • Egy homogén falfelület indexének diagramja a frekvencia függvényében felosztható részekre – attól függ, hogy a fal mely tulajdonsága fejti ki éppen hatását: merevség, rezonancia, tömeg vagy koincidencia effektus
Hangterjedés falon keresztül • A falak szerkezetüktől függő mértékben gátolják a hang terjedését • A falba behatoló I1 intenzitású hanghullám a falban energiája egy részét elveszti, majd a másik oldalon a falból kilépve I2 intenzitási hullámként továbbhalad. A két intenzitás viszonya a transzmissziós tényező: • A hanggátlás: az adott felületű falba belépő I1 és annak kilépő I2 intenzitások viszonyának tízszeres logaritmusa.
Egyrétegű falak hanggátlása • A fal felületére merőlegesen beeső hanghullámok (a hullámfront a fal felületével párhuzamos) esetén a hanggátlás mértékét a fal felületegységre jutó tömege és a frekvencia egyértelműen meghatározzák: • ahol: f – a frekvencia (Hz), M – felületegységre jutó tömeg (kg/m2), ρ0 – levegő sűrűsége (ρ0 = 1,2 kg/m2), c – hang terjedési sebessége
Egyrétegű falak hanggátlása • A kis frekvenciákon („A” szakasz) a hanggátlás adott frekvencián lényegében csak a fal M fajlagos tömegétől (felületegységre eső tömegétől, kg/m2) függ. • Ezen „A” szakaszon érvényes az ún. tömegtörvény: a hanggátlás a frekvencia vagy a felületegységre jutó tömeg megkétszerezésével 6 dB-lel nő. • Jó közelítést ad ezen szakaszra a tapasztalati Berger-féle törvény:
R = 18 lg M + 12 lg f – 25
Egyrétegű falak hanggátlása • „B” szakasz: hullámkoincidencia lerontja a lemezszerkezetek hanggátlást • koincidencia (magyarul egybeesés) jelensége: – a levegőből a falba belépő hanghullámok bizonyos körülmények között jó hatásfokkal gerjeszthetik a falban fellépő hajlító-hullámokat, amely hullámok a fal síkjában terjednek. – Ahhoz, hogy ez a gerjesztés létrejöjjön, a hanghullámnak a falra nem merőlegesen, hanem θ szög alatt kell érkezni, és a levegőből beeső hang hullám-hosszának (λlevegő) falra merőleges vetülete meg kell, hogy egyezzen a falban terjedő hajlító-hullám hullámhosszával (λhajlító):
λlevegő = sin θ λhajlító
Egyrétegű falak hanggátlása • Koincidencia akkor jön létre, amikor a falra ferdén beeső hanghullám hullámhosszának vetülete egybeesik a hajlítási hullám hullámhosszával • Koincidencia esetén a lesugárzás a fal másik oldalán felerősödik • Az fk koincidenciahatárfrekvencia: • ahol: d – a fal vastagsága, cm, ρ – a fal sűrűsége kg/m3; E – a rugalmassági modulus, N/m2.
Egyrétegű falak hanggátlása
levegő
hajlító
10
8
Hullámhossz (m)
• Levegőben terjedő hang ill. falban (10 cm vastag téglafal) terjedő hajlító hullám hullámhosszának λ frekvenciafüggése λ = sinθ • alacsony frekvencián a levegőben terjedő hanghullám hullámhossza nagyobb, mint a hajlítóhullám hullámhossza (nincs koincidencia) • Kritikus frekvencia: két görbe metszéspontja, legalacsonyabb frekvencia, ahol létrejöhet koincidencia
6
4
2
0 0
200
400
600
800
1000
1200
Frekvencia (Hz)
1400
1600
1800
2000
Egyrétegű falak hanggátlása • A koincidencia-frekvencián és annak környékén a fal hanggátlása lecsökken, mivel a levegőből érkező hang energiája jó hatásfokkal átadódik a hajlító rezgéseknek, és ezek a rezgések az átvett energiát a fal túloldalán kisugározzák • A koincidencia jelenségének elkerülésére a fal anyagát és vastagságát úgy kell megválasztani, hogy a koincidenciafrekvencia 100 Hz alá vagy 3150 Hz fölé essék (beszéd) • A „C” szakaszon a hanggátlás ismét egyenesen emelkedik, 7,5 dB/oktávval, tehát valamivel meredekebben, mint az A szakaszon
Összetett falak hanggátlása • Gyakori eset, hogy a fal nem homogén, hanem különböző hanggátlású elemekből áll. (téglafalban ajtó vagy ablak) Ekkor a τe eredő átvezetési tényező: – ahol: S1 és S2 – a két falelem felülete, τ1 és τ2 – a két falelem átvezetési tényezője.
• Az Re eredő hanggátlás: – ahol: R1 a nagyobb hanggátlású elem, R2 a kisebb hanggátlású elem hanggátlása (R1 //>// R2), S1, S2 az R1 ill. R2 hanggátlású elem felülete.
• Ha a falban nyílás van, a képletben R2 = 0-t kell helyettesíteni
Kétrétegű falak hanggátlása • Akusztikai szempontból kétrétegű, megfelelően méretezett fal alkalmazásával nagyobb hanggátlás érhető el, mint azonos fajlagos tömegű egyrétegű fal esetén – A két falréteg között levegőréteg, ill. rugalmas anyag a rendszerben rugóként működik.
Kétrétegű falak hanggátlása
• • • •
a: kétrétegű fal; b: ugyanolyan súlyú egyrétegű fal; fr: rezonancia frekvencia; fλ1, fλ2, fλ3: kritikus frekvencia
Kétrétegű falak hanggátlása • A rezonanciafrekvencia ( fr) alatt a kétrétegű fal hanggátlása megegyezik az azonos fajlagos tömegű, egyrétegű fal hanggátlásával – Úgy lehet számítani mintha a két fal egy réteg lenne: M = M1 + M2
•
A rezonanciafrekvencián a hanggátlás erősen csökken, elméletileg 0 értéket is elérheti. Az fr rezonanciafrekvencia, (Hz), ha a két falréteg között levegő van: – ahol: M1 és M2 – a két réteg fajlagos tömege, kg/m2, d – a két falréteg távolsága, cm.
• Az fr rezonanciafrekvencia, Hz, ha a két falréteg között rugalmas anyag van: – ahol: s – a rugó anyagának dinamikai merevsége
• A szerkezetek kialakításakor arra kell törekedni, hogy a rezonanciafrekvencia a lehető legkisebb legyen
Kétrétegű falak hanggátlása • A rezonanciafrekvencia felett a hanggátlás javulása: 12 dB/oktáv • A közepes és nagy – frekvenciáknál is jelentkeznek rezonanciák, melyeknél a hanggátlás erősen csökken • Ezek a rezonáns frekvenciák akkor alakulnak ki, ha a falak közötti rés mérete (t) a frekvenciának megfelelő hullámhossz felével, vagy annak egész számú többszörösével egyenlő, s így a hézagban állóhullámok alakulnak ki (résbe hangelnyelő anyag a kialakulásuk ellen)
Kétrétegű falak hanggátlása • A nagy frekvenciákon, ahol a hullámhossz jóval kisebb a t méretnél, a két fal hanggátló hatása egymástól függetlenül érvényesül, ennek megfelelően az eredő hanggátlás a két fal hanggátlásának összege • A koincidencia jelensége a kettős falaknál is fellép: hatását csökkenti a légrésben levő hangelnyelőanyag, valamint különböző vastagságú falrétegek esetén a koincidencia frekvenciák eltérése
Hangosságszint, hangosság • Az egyenlő hangosságszintek görbéit az ún. phon-görbék – A görbék kétfülű hallásra, az emberrel szemben érkező, szinuszos, szabadtéri hanghullámokra vonatkoznak – A görbéket sok emberen végzett kísérletek alapján állapították meg – A szaggatott vonallal rajzolt görbe a hallásküszöb-görbe
• Tetszés szerinti frekvenciájú és intenzitású hang hangosságszintje annyi phon, amennyi az azzal szubjektíven azonosan hangosnak ítélt 1000 Hz-es tisztahang hangnyomásszintje, dB-ben • A hallószerv érzékenysége az egészen magas és a mély hangok felé jelentősen csökken, de a csökkenés mértéke függ az intenzitástól is, a görbék nagyobb hangnyomásszintek esetén laposabbak lesznek
Hangosságszint, hangosság
Hangosságszint, hangosság • Fletcher-Munson görbék: azonos hangosságszintek görbéi • Két hang közül az egyiket akkor értékeljük szubjektíven kétszer olyan hangosnak, ha a hangosságszintek különbsége 10 phon • Hangosságskála son-ban, arányos a hangosságérzettel: 1 son 40 phonnak felel meg • Az N hangosság (son) és az LN hangosságszint (phon) összefüggése: • A hangosságszintek meghatározására több eljárást dolgoztak ki, amelyekkel vizsgált zaj frekvenciaelemzésének eredményeiből a hangosságszintek jó közelítéssel kiszámíthatók (pl.: a Stevens- és Zwicker-eljárás)
Súlyozott hangnyomásszintek • A zaj emberre gyakorolt hatásának jellemzésére szabványosan az Ahangnyomásszintet alkalmazzuk • Az A-hangnyomásszint a hangnyomásszint-mérőkbe beépített A-szűrővel mért hangnyomásszint, amely a műszerről közvetlenül leolvasható • Az A- B-, C- és D-súlyozószűrű csillapítása a frekvencia függvényében
• Az A-szűrő a phon-görbékből származtatott súlyozószűrő, amely a halláséhoz hasonló hatást fejt ki a mért hangokra. Oktávsáv-középfrekvencia, Hz 31,5
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
Tercsáv-középfrekvencia, Hz
Az A-szűrő csillapítása, K, dB
25
–44,7
31,5
–39,4
40
–34,6
50
–30,2
63
–26,2
80
–22,5
100
–19,1
125
–16,1
160
–13,4
200
–10,9
250
–8,6
315
–6,6
400
–4,8
500
–3,2
630
–1,9
800
–0,8
1000
0
1250
+0,6
1600
+1,0
2000
+1,2
2500
+1,3
3150
+1,2
4000
+1,0
5000
+0,5
6300
–0,1
8000
–1,1
Súlyozott hangnyomásszintek • Az A-hangnyomásszint szabványos jele és mértékegysége: LpA vagy LA, dB, de alkalmazható az Lp vagy L, dB (A) jelölés is • A terc-, ill. oktávszintek ismeretében az Ahangnyomásszint számítható: – ahol: Li – az i-edik terc-vagy oktáv-hangnyomásszint, dB; Ki – az A-szűrő csillapítása az i-edik terc-vagy oktávsávban; n – a terc-vagy oktávsávok száma
Súlyozott hangnyomásszintek • A mérési eredményeket a műszer időkarakterisztikája (időállandója) is befolyásolja • Három időállandót szabványosítottak: – lassú (S), megfelel hozzávetőlegesen 4 dB/1000 ms jelváltozási sebességnek; a műszer mutatója lassabban mozog, a zajt bizonyos mértékig átlagolja, a gyors változású zajt nem követi teljesen; – gyors (F), megfelel hozzávetőlegesen 4 dB/125 ms jelváltozási sebességnek; a műszermutató szaporán mozog, a zajt bizonyos mértékig átlagolja, csak az egészen gyors változású zajt nem követi teljesen; – impulzus (I), megfelel hozzávetőlegesen felfutáskor 4 dB/35 ms, lefutáskor 4 dB/3000 ms jelváltozási sebességnek; impulzusos zajok csúcsainak mérésére használjuk, mert felfutáskor az igen gyors jeleket is követi, lefutása viszont késleltetett
Egyenértékű hangnyomásszint • A környezetünkben észlelt zajok többsége nem állandó, hanem az idő függvényében kisebb vagy nagyobb mértékben változik • Az időben változó zajok jellemzésére olyan állandó zajt keresünk, amelynek hatása az emberre ugyanaz, mint a vizsgált változó zajé • Ez a mennyiség az egyenértékű Ahangnyomásszint (egyenértékű A-szint), jele: LAeq mértékegysége dB
Egyenértékű hangnyomásszint • Lényegében az A-szűrővel mért intenzitásátlagból képzett szint: – ahol: pA(t): az A-szűrővel súlyozott hangnyomás időfüggvénye, (Pa), p0: 2·10–5 (Pa), t1 és t2: a vonatkoztatási idő kezdete és vége, (s), T: t2 – t1 a vonatkoztatási idő, (s)
• Az integráló zajszintmérők az egyenértékű A-hangnyomásszintet a képlet szerint mérik, és az eredményt közvetlenül kijelzik • Ha az egyes ti részidőkre vonatkoztatott i egyenértékű Ahangnyomásszinteket ismerjük, a T vonatkoztatási időre az LAeq egyenértékű A-hangnyomásszint:
Egyenértékű hangnyomásszint • A zajt az idő függvényében akkor tekinthetjük állandónak, ha az A-hangnyomásszintek ingadozása 5 dB-en belül marad • Állandó zaj esetén a szintek L Am átlaga közelítően egyenlő az egyenértékű A-hangnyomásszinttel, tehát elegendő a szintek számtani átlagolása: – ahol: LAi az A-hangnyomásszint pillanatnyi értéke, dB, n a mérési adatok (minták) száma
Zajmérés • Fontos szem előtt tartani a vizsgálat célját • Például: – a zajterhelés megítélése (lakóhelyi vagy munkahelyi környezetben), – a zajcsökkentés módszerének, eszközeinek megválasztása, – tervezési adatok gyűjtése vagy a megvalósult tervek ellenőrzése.
Zajmérés • Alapvető elvárás, hogy a vizsgált zaj jellemzőit torzítatlanul, a többi zaj hatásától függetlenül határozzuk meg • A nem vizsgált zajoknak a mérés időpontjában is ható komponenseit, amelyeket erre az időre sem tudunk elkerülni, alapzajnak nevezzük • Az alapzaj hatását le kell választanunk a mérés eredményeiről (alapzajkorrekció) – Ha a mérés idejére az alapzajt ki tudjuk kapcsolni, alapzajkorrekcióra nincs szükség – Ha az alapzaj kikapcsolására nincs lehetőségünk, akkor két állapotban mérünk: egyszer a vizsgált zaj és az alapzaj eredő jellemzőit határozzuk meg, egyszer pedig a vizsgált zajforrást kikapcsolva az alapzaj jellemzőit mérjük meg. Ezután a két eredmény alapján a vizsgált zaj jellemzőit számítással határozzuk meg. – Ha erre sincs lehetőség, akkor a zajforrástól eltávolodva olyan helyet keresünk, ahol az alapzaj jellemzői feltehetően olyanok, mint az eredeti mérési pontban, s az alapzaj jellemzését ezen az új helyen végezzük el. Egyebekben a számítást ugyanúgy végezzük el mint a fenti esetben.
• A mérőkészülékek az RMS értéket mérik (négyzetes középérték), mely közvetlen összefüggésben áll a jel energiatartalmával – A csúcsszint mérése és tartása manapság alapkövetelmény.
• A drágább digitális berendezések rendelkeznek beépített FFT analizátorral is – A mért jel spektrumát oktávsávban (1/1 octave band) vagy a jobbak már tercsávban (1/3 octave band) is képesek valós időben felrajzolni. • Az 1 kHz középfrekvenciájú oktávszűrő 707 és 1414 Hz között enged át
• Oktáv -és tercsáv analízis a hangnyomás időfüggvényéből (alul az esetlegesen alkalmazott szűrő hatása)
Stratégiai zajtérképezés • Európai Parlament és Tanács: 2002/49/EK irányelv: környezeti zaj kezelése és menedzsmentje – Környezeti Zaj Irányelv (Environmental Noise Directive, END) – Direktíva célja: közös megközelítés meghatározása a környezeti zaj okozta káros hatások, ideértve a zajterhelésnek való kitettség elkerülése, megelőzése vagy csökkentése
• Az irányelv céljából: – Stratégiai zajtérképezés felvállalása a környezeti zajnak való kitettség meghatározására – A környezeti zajról illetve annak hatásairól a közvélemény tájékoztatása – Akció tervek elfogadása a zajtérképezési eredmények alapján (megelőzés-csökkentés ahol szükséges, megőrzés ahol megfelelő)
• Az irányelv által meghatározott definíciók: – Zajtérképezés: zajterhelési adatok bemutatása egy meglévő vagy előre jelzett szituáció alapján, amely jelzi: • a lényeges hatályos határértékek megsértését, • a vizsgált területen az érintett lakosok számát, • a bizonyos terhelésnek kitett épületek számát
– Stratégiai zajtérkép: a zajnak való kitettség átfogó megjelenítésére tervezett térkép, amely az adott területen lévő különböző zajforrásokat vagy azok előrejelzését foglalja magába – Akció tervek: tervezett intézkedések a zajterhelési kérdések és hatásaik kezelésére, beleértve az esetlegesen szükséges zajcsökkentéseket is
• Az irányelv kimondja, hogy stratégiai zajtérképet kell készíteni: – a fő környezeti zajforrásokra (jelentős közutak, vasutak, repterek), illetve – a 100 ezer főnél nagyobb lélekszámú településekre több lépcsőben 2012-ig
• A szabályozás nem vonatkozik: – – – – – –
Zajterhelésnek kitett személy által okozott zajra, Háztartási munkákból származó zajra, Szomszédok zajára, Munkahelyi zajra, Közlekedési járműveken belüli zajra, Katonai tevékenységek miatti zajra
• Stratégiai zajtérkép célja: – Információ szolgáltatása a közvélemény és a döntéshozók számára – Akciótervek fejlesztése (csökkentés, kezelés, megőrzés) – Az Európai Bizottság számára stratégiai becslések készítése az európai zajterhelésekről
• Készítése: – 3D számítógépes szoftver segítségével (nagy terület, nagy adatmennyiség)
• Egy terület vizsgálata során azok a források tekinthető lényeges, hatást gyakorló forrásoknak, amelyekre igaz a vizsgált terület bármely részén, hogy: – Lden ≥ 55 dB és/vagy – Léjjel ≥ 50 dB
• A stratégiai zajtérképek (helyi, illetve nemzeti felhasználásra egyaránt) 4 m értékelési magasságra készülnek és az Lden (és Léjjel) értékeket 5 dB-es lépcsőkben ábrázolják Lden = 10 lg
(
1 0 ,1L 12 ⋅10 nap + 4 ⋅10 0,1( Leste +5) + 8 ⋅10 0,1( Léjjel +10 ) 24
)
Lnap = egyenértékű A-hangnyomásszint nappalra (12 óra: 06.00–18.00) Leste = egyenértékű A-hangnyomásszint estére (4 óra: 18.00–22.00) Léjjel = egyenértékű A-hangnyomásszint éjjelre (8 óra: 22.00–06.00)
• Az eddigi hazai gyakorlattól eltérően az egész napra vonatkozó Lden súlyozott érték – Súlyzószorzóval veszi figyelembe a nap közbeni és az esti érzékenységet (Estére ugyanis fáradtak leszünk, és kevésbé tudjuk tolerálni még az alacsony zajszintet is)
• A stratégiai zajtérkép az adatokat a következő szempontokból jeleníti meg: – Meglévő, korábbi, vagy előre jelzett zaj-szituáció, – Határértékek túllépése, – A lakóépületek, iskolák, kórházak száma egy területen belül, amelyek bizonyos zajterhelésnek vannak kitéve, – Zajterhelésnek kitett emberek száma
• A stratégiai zajtérképeket a következő formákban lehet a közvélemény számára bocsátani: – Grafikus ábra, – Táblázatos számadatok, – Számadatok elektronikus formában
• Stratégiai zajtérképezés folyamata – Sematikusan: Adatfeldolgozás speciális térinformaakai (GIS) környezetben → zajtérképezési szosveres környezet → eredmények vissza a térinformatikai környezetbe
• 1. Lépés – Térképezési terület meghatározása – Kétféle terület: • Térképezési terület – A meghatározott földrajzi terület, amelyen a zajszámítási eredményekre szükség van – Településekre egyértelműen szabályozott (település határ), fő utakra, vasútvonalakra, repterekre zajszint-függő
• Modellezett terület – Hogy a települések szélén is pontos eredmény legyen a modellezett terület nagyobb, meg kell fontolni a területen kívüli hangforrások lehetséges hatását – Utakra, vasutakra, repterekre a modellezett terülte jellemzően megegyezik a térképezési területtel
– A lépés eredménye: a földrajzi terület meghatározása, amelyről adatgyűjtésre, bevitelre van szükség, valamint amelyre a zajterhelési szintek számításra kerülnek
• 2. Lépés – Zaj számítási módok meghatározása – A jogszabályok által meghatározott Magyarország: 25/2004. (XII. 20.) KvVM rendelet A stratégiai zajtérképek, valamint az intézkedési tervek készítésének részletes szabályairól
• 3. Lépés – Adatkészlet specifikáció fejlesztése – Eddig: mely adatok és honnan – Most: • adatkészletek sorozatának kidolgozása minden réteg (layer) számára: – Térbeli és érték (attribútum) adatok
• Központi kezelése és menedzselése a különböző eredetű adatoknak
– A zajtérképezéshez széles bemeneti adatállományra van szükség
3D-s modell környezet
Vasúti források
DTM – 3D-s felszín modell
Vasút középvonala
DEM – 3D-s épület modell
Forgalom áramlása
Törés vonalak
Vonat sebessége
Töltések - kivágások
Vonat típusa
Topográfia
Sínfej érdessége
Hidak/aluljárók
Ipari források
Elválasztók
Elhelyezkedés
Közúti források
Folyamat típusa
Úttest középvonala
Zajkibocsátási szint
Forgalom áramlása
Repülési források
Forgalom sebessége
Repülési útvonal
Nehéz tehergépjárművek aránya (%)
Légi jármű típusa
Útfelület típusa
Teljesítményszint a repülési pályán
Útszerkezet mélysége
• Adatok amelyek nem a zajszámításokhoz szükségesek: – Lakosok száma – Lakosság eloszlása – Épületek azonosítása: lakóépületek vagy más zajérzékeny épületek (iskola, kórház, stb.) – Különlegesen hangszigetelt helyek (épület, épületrész, stb.)
• Ebben a fázisban a zajtérkép készítő szoftvert is ki kell választani
• 4. Lépés – Adatkészletek létrehozása – Ebben a szakaszban a nyers GIS adatkészleteket kell összegyűjteni, egybevetni és katalogizálni – Tartalmazza: • Az adatkészlet összevetését a specifikációban meghatározottal, úgymint: – Lefedettség, felbontás, pontosság, attribútumok, formátum, adott célra való alkalmasság, stb.
• Rés elemzés (Gap analysis): mely adatok szükségesek még, illetve hogyan szerezhetőek be? • Adatok engedélyezési feltételeinek vizsgálata és dokumentálása (Lehetséges-e felhasználni? Szellemi tulajdonjogok? Korlátozások? …) • Értékelést, rés elemzést és engedélyezési kérdések vizsgálatát követően az adatkészleteknek teljesnek kell lenniük
• 5. Lépés – Zaj-modell adatkészletek fejlesztése – Eddig rendelkezésre állnak a nyers GIS adatkészletek – Térinformatikai adatok nem speciálisan a zajtérkép céljára → opamalizálni kell a zajszámításokhoz • Adatkészlet igazítása a számítási követelményekhez
– Elvégezhető térinformatikai környezetben, vagy már a zajtérképező szoftverben
• 6. Lépés – Zajterhelés számítások – Zajtérkép-készítő (számító) szoftver – Jellemzően: • Elemek utolsó igazítása a számítás optimalizálásához • A felhasználó által kiválasztott egyedi számítási beállítások • Zajszámítás futtatása a teljes területre, minden modell területre vonatkozó adat felhasználásával • Eredmény adatkészletek létrehozása (általában a zajtérkép-készítő szoftverben maradnak, de lehet vissza GIS rendszerbe is)
• 7. Lépés – Utófeldolgozás és elemzés – Adatok rendezése a jogszabályi és előírási követelményeknek – Tartalom a korábbiak szerint: • Érintett lakosok, lakóépületek száma, stb.
• Jelentés és közzététel: – Európai Közösség által javasolt jelentési mechanizmus szerint – Nyilvánosság számára hozzáférhető
• Európai Unió: 2012-ig zajtérkép készítése: – Minden 100 000 főnél nagyobb városra (a városhatárig) – „fő” közutakra • Útszakaszok, ahol legalább 3 000 000 jármű elhaladás van évente
– „fő” vasútvonalakra • Szakaszok, ahol legalább 30 000 vonatelhaladás van évente
– „fő” repterekre • Legalább 50 000 légi mozgás van évente (kb. 137 mozgás/nap) (mozgás: fel- ill. leszállás)
• Modellezett terület nagysága: – Települések esetén: nincs konkrét érték, javasolt 2 km (puffer) – Reptereknél, mint ipari zajnál az • 55 dB (Lden) és 50 dB (Léjjel)
– Vasutaknál: • 55 dB (Lden) és 50 dB (Léjjel) táv *1,5 • általában 2 km, de minimum 1 km puffer táv
– Közutaknál • 55 dB (Lden) és 50 dB (Léjjel) táv *1,5 • 1-3 km, autópályáknál minimum 2 km
• Ipari zaj modellezése: – Választható megközelítés • Átfogó források • Zonális források • Egyedi források
• Épületek magasságadatai: – Amennyiben nincsenek erre vonatkozó adatok (radar, felmérések,…) javasolt: • 8 m-es általános épületmagassággal számolni • Ha van lehetőség: terepi felmérés (jobb minőségű adat) – Épületmagasság számítása vagy vizuális becslés » Vizuális becslés: kategóriák szerint Kategória
Modellezett magasság [m]
Becslés tartománya [m]
A
8,0
10–ig
B
12,0
10-14
C
16,0
14-18
D
20,0
18-22
E
24,0
22-től
•Általánosságban hasznos ha az épületek külön poligonok, de teraszok, összekötő falak, stb. ábrázolása kellő előny nélkül nagyon megnövelné a számítási időt
Felhasznált irodalom • • • • • • • • •
Dr. Wersényi György: Műszaki akusztika (jegyzet), 2010 Kováts Attila: Zaj és vibráció diagnosztika, 2008 Barótfi István: Környezettechnika, 2000 Környezetmérnöki tudástár 13. kötet: Zaj- és rezgésvédelem (szerk.: Domokos Endre, Horváth Béla), 2011 Finn Jacobsen, Torben Poulsen, Jens Holger Rindel, Anders Christian Gade and Mogens Ohlrich: Fundamentals of acoustics and noise control, 2011 Guidance Note for Strategic Noise Mapping, Environmental Protection Agency, 2011 CTC University, https://www.ctconline.com Dr. Nagy István: Állapotfüggő karbantartás Műszaki Diagnosztika I. , Rezgésdiagnosztika http://e-oktat.pmmf.hu/kepeshang_3_fejezet
