Stanovení hladin akustického výkonu zdrojů hluku pomocí akustického tlaku – Provozní metoda ve volném poli nad odrazivou plochou podle ČSN ISO 3746
Ing. Miroslav Kučera, Ph.D. Fakulta strojní ČVUT v Praze Ústav techniky prostředí
Přehled souvisejících norem
Parametr
ISO 3745 Přesná metoda – Třída 1
ISO 3744 Technická metoda – Třída 2
ISO 3746 Provozní metoda – Třída 3
Zkušební prostředí
Polobezodrazová /laboratoř/
Venkovní prostor nebo velké místnosti
Venkovní prostor nebo velké místnosti
K2 ≤ 2,0 dB
K2 ≤ 7,0 dB
Podmínka způsobilosti zkušebního prostředí
místnost
K2 ≤ 0,5 dB
Objem zdroje
Menší než 0,5% objemu zkušebního prostoru
Charakter hluku
Všechny typy bez omezení
Limit pro hluk pozadí Počet měřicích míst
Bez omezení – omezen zkušebním prostředím
Bez omezení – omezen zkušebním prostředím
∆L ≥ 10 dB
∆L ≥ 6 dB
∆L ≥ 3 dB
≥ 10
≥9
≥3
Přístroje alespoň a)zvukoměr b)integrující zvukoměr c)pásmové filtry Přesnost metody vyjádřená směrodatnou odchylkou reprodukovatelnosti
Třída 1 dle IEC 651 Třída 1 dle IEC 804 Třída 1 dle IEC 225 σR ≤ 1 dB
Třída 1 dle IEC 651 Třída 1 dle IEC 804 Třída 1 dle IEC 225 σR ≤ 1,5 dB
Třída 2 dle IEC 651 Třída 2 dle IEC 804 σR ≤ 3 dB pro diskrétní kmitočty σR ≤ 4 dB
ČSN ISO 3746 Provozní metoda ve volném poli nad odrazivou plochou
Tato měření se provádí podle normy ČSN ISO 3746. Tato mezinárodní norma stanovuje metodu pro měření hladiny akustického tlaku na měřicí ploše obklopující zdroj hluku, v podmínkách převažujícího volného pole v blízkosti jedné nebo více odrazivých rovin. Cílem je výpočet hladiny akustického výkonu vyzařovaného zdrojem. Metoda popsaná v této normě je vhodná pro měření všech typů hluku. Lze ji aplikovat na zdroje hluku jakéhokoliv typu a velikosti, omezení pouze dostupným zkušebním prostorem. Přesnost této normy je vyjádřena směrodatnou odchylkou reprodukovatelnosti hladiny akustického výkonu A rovnou nebo menší než 3 dB. Měření hluku podle této normy je vhodné provádět na rovné venkovní ploše nebo v místnosti splňující podmínky na hluk pozadí a způsobilost zkušebního prostředí. Po dobu měření se nesmí měnit teplota okolního vzduchu o více než ±10 K a relativní vlhkost vzduchu o ±15%.
Měřící přístroje K měření se musí používat zvukoměry včetně mikrofonů a kabelů splňující požadavky pro přístroje typu 2, dané normou IEC 651. V případě použití integrujících – průměrujících zvukoměrů jsou požadavky stanoveny normou IEC 804 pro přístroje typu 2. Použité filtry musí splňovat požadavky IEC 225. Při každé sérii měření, před i po měření, musí být mikrofony kalibrovány kalibrátorem o přesnosti ±0,3 dB, aby se ověřila kalibrace celého měřicího systému na jednom či více kmitočtech sledovaného kmitočtového rozsahu. Podle současných předpisů musí být hlukoměry každé dva roky cejchovány v laboratoři, která provádí kalibraci v souladu s příslušnými normami.
Příprava měření Uložení stroje Způsob, kterým se montuje a provozuje zkoušený stroj, může mít významný vliv na vyzařovaný akustický výkon. Zkoušený zdroj se musí namontovat na odrazivou rovinu nebo roviny na jednom či více místech tak, jak to odpovídá jeho běžnému použití. Pokud existuje více možností, nebo nejsou známi podmínky montáže, musí být zvolené uspořádání popsáno v protokolu o zkoušce. Vyžaduje-li zkoušený zdroj (např. ruční nářadí) k provozu podpěry, musí být podpěra konstrukce malé a musí být považována za součást zkoušeného zdroje a musí být popsána ve zkušebním postupu stroje. Zařízení určené pro montáž na stůl, musí být umístěno na podlahu ve vzdálenosti nejméně 1,5 m od každé stěny, nevyžaduje-li zkušební postup pro provoz zkoušeného zařízení stůl nebo stojan. Takovéto zařízení je nutno umístit doprostřed na horní plochu zkušebního stolu. Provoz během zkoušky Pokud existuje zkušební provozní předpis pro daný typ stroje, ve kterém jsou popsány podmínky provozování během měření musí být tento použit. V případě, že není zkušební postup vypracován musí být zdroj provozován, pokud je to možné, tak jak je tomu v běžném používání.
Příprava měření Uložení stroje
Příprava měření
Volba měřicí plochy Měřicí plocha je hypotetická plocha o velikosti S obklopující daný zdroj a referenční rovnoběžnostěn a končí na rovině odrážející zvuk. Při definování této měřicí plochy lze zanedbat části, které vystupují ze zdroje a nevyzařují zvukovou energii. Tyto vystupující části je třeba popsat ve zkušebním protokolu. Norma předepisuje jeden ze dvou tvarů měřicích ploch: a) pravoúhlý rovnoběžnostěn vzdálený od referenčního rovnoběžnostěnu o měřicí vzdálenost d. b) polokulová plocha nebo část polokulové ploch s poloměrem r.
Příprava měření Měřicí plocha tvaru pravoúhlého rovnoběžnostěnu Jde o hypotetickou měřicí plochu obklopující referenční rovnoběžnostěn v měřicí vzdálenosti d. Měřicí vzdálenost d je kolmá vzdálenost mezi referenčním rovnoběžnostěnem a měřicí plochou. Norma předepisuje volit vzdálenost d podle doporučení: 0,15, 0,25, 0,5, 1, 2, 4, 8 m. Preferovanou hodnotou je d = 1 m. Větší hodnoty něž 1m je možno volit u velkých zdrojů. Základní polohy mikrofonů na hypotetické měřicí ploše S obklopující daný zdroj jsou zobrazeny na následujícím obrázku. Je předepsáno 5 základních poloh mikrofonu rozmístěných po měřicí ploše v případě měření malého stroje umístěného na jedné odrazivé ploše. V příloze C citované normy jsou jednotlivé případy rozmístění mikrofonů na měřicí ploše popsány pro různě velké zdroje hluku. Norma uvádí postup stanovení jednotlivých poloh mikrofonů. Každá rovina měřicí plochy se považuje za samostatnou a rozdělíme ji tak, aby výsledkem byl nejmenší možný počet pravoúhlých dílčích částí o stejné velikosti, s maximální délkou strany rovnou 3d. Mikrofony jsou umístěny ve středu každé dílčí části. Podmínkou je, aby rozměry zdroje byly menší nebo rovny měřicí vzdálenosti.
Příprava měření Zdroj umístěný na jedné odrazivé ploše (podlaha) - rozmístění mikrofonů
S = 4 ⋅ (ab + bc + ac ) a = 0,5 ⋅ l1 + d b = 0,5 ⋅ l 2 + d c = l3 + d
Příprava měření Zdroj umístěný u jedné odrazivé stěny - rozmístění mikrofonů
S = 2 ⋅ (2ab + bc + 2ac ) a = 0,5 ⋅ l1 + 0,5 ⋅ d b = 0,5 ⋅ l 2 + d c = l3 + d
Příprava měření Zdroj umístěný u dvou odrazivých stěn (v rohu místnosti) - rozmístění mikrofonů
S = 2 ⋅ (2ab + bc + ac ) a = 0,5 ⋅ l1 + 0,5 ⋅ d b = 0,5 ⋅ l 2 + 0,5 ⋅ d c = l3 + d
Příprava měření Doplňkové polohy mikrofonů Doplňkové polohy mikrofonů je třeba volit v případě kdy: - rozdíl hodnot v decibelech mezi nejvyšší a nejnižší hladinou akustického tlaku překročí počet poloh mikrofonu, - zdroj vyzařuje hluk s vysokou směrovostí, - hluk velkého zdroje je vyzařován pouze z malé části.
Stanovení hladiny akustického tlaku a hladiny akustického výkonu Korekce na hluk pozadí Hluk pozadí např. od aerodynamického proudění blízko mikrofonu, od vibrací přenášených na měřicí přístroje, od vlivu elektrických nebo magnetických polí nebo jiných zdrojů hluku do měření nezahrnovaných se musí měřit ve stejných veličinách a měřicích místech jako hluk zkoušeného stroje. Počet měřicích míst hluku pozadí se muže snížit, jestliže je hluk pozadí rozložen rovnoměrně v prostoru. Korekce na hluk pozadí se neprovádí v případě, že ∆L ≥ 10 dB. Je-li rozdíl mezi hladinou akustického tlaku zdroje a hladinou hluku pozadí menší než 3 dB přesnost výsledků se snižuje. Pro hodnoty ∆L mezi 3 a 10 dB se korekce vypočtou podle vztahu: K1 = −10 log (1 − 10−0,1⋅∆L )
∆L = L′p − L′′p
kde L ′pA je průměrná hladina akustického tlaku na měřicí ploše [dB], ′ průměrná hladina akustického tlaku pozadí na měřicí ploše [dB]. L ′pA
Stanovení hladiny akustického tlaku a hladiny akustického výkonu Korekce na zkušební prostředí Pro hodnocení vlivu odrážených zvukových vln a stanovení korekce pro odražený zvuk ve zkušebním prostoru se musí stanovit hodnota korekce K2 pro hladiny akustického tlaku. Výsledky měření podle této normy jsou platné je-li splněna podmínka K2 ≤ 7 dB. Hodnotu korekce K2 určíme ze vztahu:
kde A S
⎡ ⎛ S ⎞⎤ K 2 = 10 log ⎢1 + 4 ⎜ ⎟ ⎥ ⎝ A ⎠⎦ ⎣ je celková pohltivost zvuku místnosti [m2], je plošný obsah měřicí plochy [m2].
Určení celkové pohltivosti zvuku místnosti je možné provést pomocí „Přibližné metody“ podle vztahu: A = α ⋅ Sv
kde α Sv
je střední činitel pohltivosti [-], celková plocha ohraničující zkušební prostor (stěny, strop, podlaha) [m2].
Stanovení hladiny akustického tlaku a hladiny akustického výkonu Střední činitel pohltivosti (ČSN ISO 3744) Střední činitel pohltivosti
Druh prostoru
α
0,05
Téměř prázdná místnost s tvrdými stěnami z betonu
0,1
Částečně prázdná místnost s tvrdými stěnami
0,15
Pravoúhlá místnost zařízená nábytkem - dílna, průmyslová hala
0,2
Nepravidelná místnost zařízená nábytkem - dílna, průmyslová hala
0,25
Místnost s čalouněným nábytkem, dílna atd. s dílčími zvuk pohltivými obklady na stropu nebo stěnách
0,35
Místnost s větším množstvím zvuk pohltivých obkladů stropu a stěn
0,5
Místnost s velkým množstvím zvuk pohltivých materiálů na stěnách a stropu
Jiná možnost určení celkové pohltivosti prostoru je z doby dozvuku:
⎛V ⎞ A = 0,16⎜ ⎟ ⎝T ⎠
Stanovení hladiny akustického tlaku a hladiny akustického výkonu Stanovení hladiny akustického tlaku
Průměrnou hladinu akustického tlaku na měřicí ploše vypočteme z naměřených hladin akustického tlaku v i-té poloze mikrofonu ze vztahu: ⎡ 1 N 0,1⋅L′pi ⎤ L′p = 10 log ⎢ ∑10 ⎥ ⎣ N i =1 ⎦ Stejným způsobem určíme hladinu akustického tlaku pozadí: ⎡ 1 N 0,1⋅L′′pi ⎤ L′′p = 10 log ⎢ ∑10 ⎥ ⎣ N i =1 ⎦ kde L ′pA je průměrná hladina akustického tlaku A na měřicí ploše, zkoušeného zdroje [dB], ′ L ′pA průměrná hladina akustického tlaku A pozadí na měřicí ploše [dB], L ′pAi hladina akustického tlaku A naměřená v i-té poloze mikrofonu [dB], ′ L ′pAi hladina akustického tlaku A pozadí naměřená v i-té poloze mikrofonu [dB], N počet měřicích míst [-].
Stanovení hladiny akustického tlaku a hladiny akustického výkonu Hladinu akustického tlaku na ploše vypočteme z průměrné hladiny akustického tlaku na měřicí ploše korigováním na hluk pozadí a odražený zvuk podle vztahu: Lpf = L′p − K1 − K 2 Výpočet hladiny akustického výkonu
Hladina akustického výkonu A vypočteme ze vztahu: kde L pfA je hladina akustického tlaku na ploše [dB], S plošný obsah měřicí plochy [m2], = 1m2. S0
⎛S ⎞ LW = Lpf + 10 log ⎜ ⎟ ⎝ S0 ⎠
Váhový filtr A Oktávové pásmo
1/3 okt. pásmo
KAi
Oktávové pásmo Hz
1/3 okt. pásmo
KAi
Hz
dB
800
-0,8
1000
0
Hz
Hz
dB
31,5
31,5
-39,4
40
-34,6
1250
0,6
50
-30,2
1600
1,0
63
-26,2
2000
1,2
80
-22,5
2500
1,3
100
-19,1
3150
1,2
125
-16,1
4000
1,0
160
-13,4
5000
0,5
200
-10,9
6300
-,1
250
-8,6
8000
-1,1
315
-6,6
10000
-2,5
400
-4,8
12500
-4,3
500
-3,2
16000
-6,6
630
-1,9
20000
-9,3
63
125
250
500
1000
2000
4000
8000
16000
Provedení měření
Mikrofon se musí při měření umístit do měřicího prostoru a orientovat ve směru na zkoušený stroj (kolmý dopad zvukového signálu na mikrofon). Mezi mikrofonem a zkoušeným strojem se nesmějí vyskytovat osoby nebo předměty, zkreslující zvukové pole. Vzdálenost mezi mikrofonem a pozorovatelem nesmí být menší než 0,5 m. V každém měřicím místě se měří hladina akustického tlaku v oktávových pásmech se středními kmitočty od 125 Hz do 8 000 Hz, nebo v třetinooktávových pásmech se středními kmitočty od 100 Hz do 10 000 Hz, nebo v užších kmitočtových pásmech. Připouští se měření také na nižších nebo vyšších kmitočtech, jestliže se měří ve volném prostoru nebo jestliže prostor objemem odpovídá následujícím požadavkům: objem zkoušeného prostoru bez zvuk pohlcujících úprav nesmí být menší než 200 m3 pro měření v oblasti kmitočtů nad 100 Hz, 1 000 m3 pro měření nad 50 Hz atd. Hladiny akustického tlaku získané měřením zdroje zvuku korigujeme na hluk pozadí a vliv prostředí. Hledanou hodnotu akustického výkonu zdroje spočteme podle výše uvedeného vztahu ze znalosti, že veškerý akustický výkon vyzářený zdrojem musí projít měřicí plochou S.
Rozsah výsledných prací - Zpráva o měření bude obsahovat: 1) Cíl měření 2) Seznam značek 3) Popis proměřovaného zařízení – jeho technické parametry a charakteristiku prostředí, kde je instalováno 4) Zařízení a pomůcky použité k měření 5) Postup měření (v bodech) 6) Schéma měření s vyznačenými polohami mikrofonu. 7) Výsledky měření včetně dílčích výpočtů (teoretický vztah včetně dosazení pro jednu hodnotu). 8) Grafická závislost hladiny akustického výkonu zdroje v závislosti na frekvenci sloupcový graf). 9) Zhodnocení měření
Rozsah výsledných prací - Zpráva o měření bude obsahovat:
Rozsah výsledných prací - Zpráva o měření bude obsahovat: Alternativně je možné získaná data zobrazit křivkou, kde jednotlivé boty jsou spojeny přímkami.
Použitá literatura
[1] ČSN ISO 3740: Akustika. Určení hladin akustického výkonu zdrojů hluku. Směrnice pro užití základních norem a přípravu zkušebních postupů. Český normalizační institut. 1994. [3] ČSN ISO 3744: Akustika. Určení hladin akustického výkonu zdrojů hluku pomocí akustického tlaku. Technická metoda ve volném poli nad odrazivou rovinou. Český normalizační institut. 1996. [2] ČSN ISO 3746: Akustika. Určení hladin akustického výkonu zdrojů hluku pomocí akustického tlaku. Provozní metoda ve volném poli nad odrazivou rovinou. Český normalizační institut. 1996. [4] Nový, R.: Hluk a chvění. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2000. 389 s. ISBN 80-02246-3. [5] Matuška, T. a kol.: Experimentální metody v technice prostředí. Praha: Ediční středisko ČVUT, 2005. 200 s.
Návod na měření se zvukoměrem Robotron 04003
Kanál 1
Kanál 2
8
2
1
4 5
6
7 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Zap./vyp. přístroje Stupnice pro odečítání Zásuvka pro napojení mikrofonu Tlačítko pro přepínání kanálů Zapnutí a nastavení počáteční frekvence Display zobrazující na jaké frekvenci přístroj právě měří Tlačítko na přepínání frekvencí Přepínání rozsahu měřící stupnice (posuv měřící stupnice) Nastavení rozsahu počáteční a konečné frekvence
9
1
Měření:
a) Připojíme k přístroji mikrofon do zásuvky [3] b) Zapneme oba přístroje tlačítkem [1] c) Zmáčkneme a opět vymáčkneme tlačítko [5], čímž nastavíme počáteční frekvenci, na které budeme měřit d) Ujistíme se zda je aktivní pro měření Kanál 2 (zmáčknutím tlačítka [4] )
Hodnoty odečítáme na display [6] na druhé stupnicí z vrchu (s dílky směřujícími dolů) tak, že přepínačem [8] posouváme rozsah stupnice . Je-li na přepínači nastaveno např. 70 dB je 0 na stupnici rovna 70 a 10 je rovna 80 (tedy 80 dB). Jednotlivá oktávová pásma přepínáme tlačítkem [7] aktuální frekvence se zobrazuje na display [6]. Pozn. Stupnice [6] zobrazuje tak, že 0,315 2 odpovídá 31,5 Hz .
