TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky, informatiky a mezioborových studií

Technická diagnostika Základy akustiky a hlukové diagnostiky

Učební text

Ivan Jaksch

Liberec

2010

Materiál vznikl v rámci projektu ESF (CZ.1.07/2.2.00/07.0247) Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měření, KTERÝ JE SPOLUFINANCOVÁN EVROPSKÝM SOCIÁLNÍM FONDEM A STÁTNÍM ROZPOČTEM ČESKÉ REPUBLIKY

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Základní pojmy a veličiny v akustice

Základy akustiky a hlukové diagnostiky • • • • •

Hluk představuje stálé nebezpečí pro civilizaci, zdraví obyvatel Hlučnost v životním prostředí stále roste Hluk se šíří na velké vzdálenosti, působí od jednoho zdroje a ovlivňuje velké množství lidí Působí nepříznivě na člověka Z hlediska hlučnosti si musíme všímat zejména těchto oblastí – konstrikce strojů. Pracovní prostředí, venkovní prostor, vnitřní prostor budov a staveb.

Specifické zdroje hluku u točivých strojů a jiných objektů jsou: • Převodovky, záběry zubů, mechanické rázy • Ložiska, poškození vnitřních a vnějších kroužků, kuliček ložiska • Spalovací motory, kompresory • Textilní a jiné stroje, různé mechanizmy strojů jako příraz, prohoz, klepání aj. • Elektrické točivé stroje, ventilátorů motorů, tření kartáčů, magnetostrikce, • Transformátory Proti hluku se bojuje různými způsoby jak přímou redukcí hluku ve strojích, tak i isolačními metodami.

1. Základní pojmy a veličiny v akustice Akustické vlnění postupuje od zdroje hluku ve vlnoplochách. Vlnoplocha se vyznačuje, že v jejich všech bodech je v daném okamžiku stejný akustický stav – viz. Obr. 1 Mechanismus šíření akustické vlny lze přibližně vysvětlit např. takto: Membrána reproduktoru začne konat dopředný pohyb. Tím bezprostředně před sebou zvyšuje tlak vzduchu. Molekuly vzduchu se začnou pohybovat tak aby tlak vyrovnaly, tedy od membrány reproduktoru. Přitom narážejí do ostatních molekul a předávají jim svou kinetickou energii, čímž je pošlou přibližně ve směru svého dosavadního pohybu. Tak postupuje zvuková vlna. V momentě, kdy se membrána reproduktoru dostane do maximální výchylky a pak obrátí směr svého pohybu, začne před reproduktorem klesat tlak. Částice vzduchu se opět pohybují tak, aby vyrovnaly tlak – tentokrát opačným směrem, tedy k membráně. Tím se posune místo poklesu tlaku dále od membrány, a tak se šíří zvuková vlna opačné polarity.

Obr. 1 Šíření zvuku od zdroje

2


Akustický tlak : p [Pa = Nm-2] Statický tlak ve vzduchu, kde se šíří zvuková vlna je součtem barometrického tlaku pb a akustického tlaku p.

Obr. 2 Časový průběh celkového statického tlaku ve vzduchu. Akustický tlak je základní veličinou akustiky, udává se v efektivní hodnotě a měří se mikrofony.

Akustická rychlost: v [ms-1] Je to rychlost, kterou se šíří částice v prostředí, kterým se šíří akustická vlna. Je to vektor. Pro rovinnou vlnu platí vztah: p/v = konst.= ρc= Z,

v= p/(ρc),

p= vρc

Kde ρ=hustota prostředí [kgm-3] c je rychlost šíření zvuku v daném prostředí [ms-1] Z měrný odpor prostředí [ Nsm-5], kgm-4s-1 Z a v jsou obecně vektory – komplexní čísla. Pro rovinné vlny jsou imaginární části rovné nule a uvádí se jako skaláry.

Rychlost šíření zvuku c [ms-1]

Obr. 3 Vlnová délka a rychlost zvuku.

Je to rychlost, kam dospěje zvuk od zdroje za 1sek. Vlnová délka λ je vzdálenost jedné zvukové vlny. Platí vztah λ = c/f kde f je frekvence zvukové vlny.

3


Ve vzduchu se rychlost šíření zvuku v běžných podmínkách spočítá podle vzorce c = 331,8m/s + 0,6.T [m/s], kde T vyjadřuje teplotu vzduchu ve stupních Celsia. Standardizovaná hodnota 340m/s pak odpovídá teplotě 13,6 °C.

Tab.1 Rychlost šíření zvuku v různých prostředích.

Intenzita zvuku: I [Wm-2] Akustická energie je rozložena ve vlnoplochách a s nimi postupuje rychlostí šíření zvuku. Energie W za 1 sekundu na jednotku plochy S 1 m2 kolmé k šíření vln určuje intenzitu zvuku. Intenzita zvuku je vektor. Za předpokladu, že akustická rychlost a akustický tlak jsou ve fázi můžeme psát:

I= W/S = Fx v/S = (F/s) v = pv

= p2/(ρc) = v2ρc

(x značí vektorový součin)

Vzorec platí pro volné zvukové pole, kde nedochází k odrazům a intenzita na každé zdvojení vzdálenosti od zdroje klesá na ¼, tedy o 6dB.(Ve volném prostoru je I= W/(4πr2), I1/ I2 = (r22/ r12) tj. pokles intenzity na ¼ tedy 6 dB)

Akustický výkon W [W] W= Istřední S Je výkon, který prochází plochou S Pozn.: někdy se označuje výkon symbolem P (power)

Decibelové stupnice v akustice – hladiny Velký rozsah hodnot tlaku p, intenzity I, výkonu P, je lépe charakterizovaný logaritmickými souřadnicemi. Proto byly zavedeny logaritmické veličiny, které se nazývají hladinami – level L. W0 =10-12 [W] LW=10 log10 (W/W0) LI=10 log10 (I/I0) I0 =10-12 [Wm-2] Lp=20 log10 (p/p0) p0 =2 10-5 [Pa]

Obr. 4 Výpočet dvou hladin akustického tlaku Lp

4


Pro různá zvuková prostředí jsou známy průměrné hodnoty hladin akustického tlaku. Často jsou tyto hladiny překračovány a škodí lidskému zdraví. Zejména automobilová doprava značně zvyšuje hladiny, které potom překračují normu. Zde potom nastupuje Hygienická stanice, která provádí měření a v případě překročení limitů musí dojít k opatření pro snížení hluku. Průměrné hladiny akustického tlaku jsou znázorněny na Obr. 5.

Obr. 5 Hladiny akustického tlaku a akustický tlak v různém prostředí

Počítání s hladinami Tab.2. Převod změn na intenzitu a tlak

změna 104 103 102 10 8 5 4 2

2 1 1/ 2 ½ 1/4 1/5 1/8 1/10 1/100 1/1000 1/10000

Intenzita, výkon [dB] 40 30 20 10 9 7 6 3 1.5

Akustický tlak [dB] 80 60 40 20 18 14 12 6 3

0 -1.5 -3 -6 -7 -9 -10 -20 -30 -40

0 -3 -6 -12 -14 -18 -20 -40 -60 -80

Počítání dB → poměr L=72 dB= 60 +12 →1000. 4= 4000 72dB odpovídá poměru, změně 4000

Obráceně

poměr →dB

Poměr = 140 = 100.1.4 →40+3 = 43 dB Rozkládáme na známé tabulkové hodnoty. Součtu v logaritmických stupnicích odpovídá násobení.

5


Vzájemné souvislosti decibelových veličin: p2 ρc I p p ρc LI = 10 log = 10 log = 20 log + 10 log 0 0 = 20 log 2 ρc I0 p0 p0 p0 ρ 0 c0 ρc protože 10 log 0 0 je téměř roven nule (-0,2) ρc tedy platí LI = LP

LW = 10 log

W I S S = 10 log = L p + 10 log W0 I 0 S0 S0

To je výhodné pro zjišťovaní hladin akustického výkonu z měření hladin akustického tlaku.

Stanovení výsledné hladiny dvou a více zvuků

Obr. 6 Akustické pole dvou samostatných akustických zdrojů

Ic = ∑ I

platí: Ic= I1 + I2

dále platí : LI = 10 log

I , I0

log

I LI = = 0.1 LI I 0 10

I = 10 0.1 LI I0

Nakonec dostaneme obecný závěr, vyjádřený následným vzorcem, který umožní v kontrolním bodě sečítání hladin různých akustických signálů. n

Lc = 10 log ∑ i =1

I = 10 log I0

n

∑10

0.1LI

i =1

Př. Dva zdroje zvuku L1p, L2p, = 60 dB. Jaká je výsledná hladina akustického tlaku mezi zdroji? L c = 10 log ( 2 .10

0 .1 L p

) = 10 log 2 + 10 log 10

0 .1 L p

= 3 dB + L1

Sečtením dvou stejných hladin vyjde hladina o 3 dB vyšší. Př. 2 100 strojů, každý má 60 dB. Jaká bude výsledná hladina? Lc = 60 + 10log 100 = 60+20 = 80dB.

Průměrná, střední hodnota Lm na ploše kde je n zdrojů s hladinami L Lm = 10 log (

1 n 0.1LI ∑10 ) , n i =1

pro zdroje, které se neliší více než o 3dB platí Lm =

1 n ∑ Li n i =1

6

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Akustická intenzita

2. Akustická intenzita: Základem měření je intenzitní sonda, skládající se ze dvou mikrofonů. Dva kanály zvukoměru musí být přesně fázované. Měří se gradient tlaku (tlaková diference), který je úměrný rychlosti.

Obr. 9 Princip výpočtu akustické intenzity z tlaku a akustické rychlosti a uspořádání intenzitní sondy. Výpočet intenzity: (viz Obr. 9)

Platí vektorově: I= p x v, Celkově platí pro intenzitu:

v se počítá jako rozdíl tlaků

t

P +P I = − 2 1 ∫ ( P2 − P1 ) dt 2 ρ 0 Δr 0

Δr je vzdálenost dvou mikrofonů

Na základě tohoto vztahu byl zkonstruován zvukoměr pro přímé měření akustické intenzity. Přístroj může být realizován jako samostatný, nebo jako software ve vyšším přístroji jako je tomu u analyzátoru PULSE.

Blokové uspořádání zvukoměru pro měření akustické intenzity. Viz předchozí vztah pro intenzitu.

Obr.10 Přístroj pro měření akustické intenzity.

7

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Akustická intenzita

Směrová citlivost sondy akustické intenzity. Směrovou citlivost ukazuje Obr.11. Je-li sonda směrována přímo ke zdroji hluku, pak je její citlivost maximální, je=li směrována kolmo ke zdroji hluku, není žádný rozdíl v akustickém tlaku pro oba mikrofony a intenzita je nulová. Toho se nechá využít při lokalizaci zdrojů hluku. Při nulové intenzitě je sonda orientovaná přesně kolmo na zdroj hluku. Další velkou předností intenzitní sondy je možnost mapování akustických polí.

Obr. 11 Směrová citlivost intenzitní sondy.

Obr.12 Odchylka měření intenzity při úhlu α od kolmého směru

8

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Hladiny akustického výkonu

3. Měření hladin akustického výkonu Akustický výkon: od 0.05 W kávová konvice do 100 MW raketa při startu Vyjádření v hladinách akustického výkonu Lw

LW = 10 log

W W0

1. Pomocí sondy akustické intenzity Wcelk = Isřední As

Isřední průměrná intenzita na ploše As celková plocha obklopující objekt

Prakticky provedeme měření vytvořením uzavřené plochy obklopující měřený objekt. Jili celá plocha mimo zdroj akustické energie je integrál nulový – spodní část obrázku.

Obr. 7 Akustická intenzita procházející uzavřenou plochou –zdroj uvnitř plochy a mimo plochu.

9

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Hladiny akustického výkonu

2. Pomocí měření akustického tlaku

LW = L p + 10 log Lm = 10 log (

1 N

N

S S0

∑10

S plocha měřeného objektu, S0= 1m2 0.1Lpi

) pro výpočet Lp = Lm

i =1

Prakticky:

Obr.8 Měřicí plocha obklopující zdroj hluku při měření akustického výkonu.

Korekce při měření v zahlučeném prostředí ( v továrních a jiných halách a uzavřených prostorách). K1 korekce na hluk pozadí Základem je údaj o rozdílu mezi hlukem pozadí bez zapnutí měřeného stroje a s měřeným strojem,. Je- li menší než 3dB, pak měření nelze uskutečnit. Při rozdílu: 3 je korekce3 4.5 je korekce 2 6-8 je korekce 1 10 je korekce 0.5 při vyšším rozdílu je již korekce nulová. K2 korekce na odražené zvukové vlny. Je zjišťována dle doby dozvuku. Nelze měřit při vzdálenosti stroje od stěny menší než 1.5 m.

10

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Kmitočtová analýza

4. Kmitočtová analýza zvuku Při měření hluku nás zajímá, jak velkých amplitud dosahuje akustický tlak na různých frekvencích nebo frekvenčních pásmech. Při kmitočtové analýze můžeme použít klasickou spektrální analýzu, prováděnou Fourierovou transformací nebo oktávovou tzv. CPB analýzu. 1. FFT analýza Při kmitočtové analýza je možno použít také kalsickou Fourirovu analýzy FFT. Nejčastěji se používá pro počet vzorků N= 512 až 2048. Tato úzopásmová analýza není častá ( na rozdíl od vibrací), ale ve speciálních případech lze použít.

2. CPB analýza (Konstantní procentuální šíře pásma-Constant Percentage Band) Dříve než byla vyvinuta diskrétní Fourierova transformace nebo FFT, používaly se pro kmitočtovou analýzu přepinatelné analogové filtry. Filr má stejnou směrnici útlumu a proto při vyšších kmitočtech pokrýval větší frekvenční pásmo. Při 2x větším kmitočtu pokrývá 2x větší pásmo. Tím vznikla tzv. oktávová nebo jemnější dělená oktávová analýza, která později přešla i pro digitální zpracování. Tedy frekvenční analýzu můžeme rozdělit: Jednotlivá pásma mají střední kmitočty v pásmu daném určitým násobkem – kvocientem předchozího středu pásma. Také šířka pásma je dána určitým násobkem – kvocientem q předchozí šířka pásma. V logaritmické stupnici mají pásma konstantní šířku a také poměr šířky ku střednímu kmitočtu je konstantní. •

Oktávové pásmo ohraničeno dvěmi sousedními frekvencemi (f2,f1) q= f2/f1 =2,

fm =

f1 f 2 , f1 = f m / 2

•

Třetinoktávové pásmo

•

q= f2/f1 = 3 2 Víceoktávová pásma až do n =12, 24

q= f2/f1 = n 2 Obecně platí: fk = f0 qk

f2 = f m

2

fk = fk-1 q

Obr. 13 Šířka oktávového a 1/3 oktávového pásma.

11

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Kmitočtová analýza

Tab. 3 Střední oktávové a 1/3 oktávové kmitočty.

Obr. 14 1/3 oktávová analýza, celková hladina a celková hladina vážená filtrem A.

Obr. 15 Rozdíly mezi 1/1 a 1/3 oktávovou analýzou. Celkové hladiny akustického tlaku vážené různými filtry A,B,C.D a nevážené –Lin.

12

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Akustická pole

5. Fyziologická akustika – sluchVáhové filtry, korekční křivky Lidské ucho vnímá při stejném akustickém tlaku odlišně různé frekvence zvuku. Statistiky se zjistily a normalizovaly křivky hladin stejné hlasitosti (na Obr.16 s naznačenými typickými zdroji hluku. )

Obr. 16 Křivky hladin stejné hlasitosti

Pro měření hluku vzhledem k fyziologické akustice byly zavedeny různé filtry.

Obr. 17 Útlumové charakteristiky různých filtrů

13


Nejznámější je křivka A, která zhruba odpovídá tomu, jak je lidským sluchem vnímán zvuk. Je to vlastně obrácená křivka stejné hlasitosti. Používá se při hygienických měřeních, kdy se používá filtr A. Hladina hluku A znamená hladinu akustického tlaku frekvenčně váženého filtrem A. Značí se LpA [dB] nesmí se značit LA [dBA] Křivka A je součástí každého zvukoměru. Hodnoty křivek jsou normalizovány.

6. Akustická pole: Šíření zvuku v ohraničeném prostoru Je-li zdroj hluku blízko stěny, vytvoří se u této stěny blízké pole. Pokud je prostor dostatečně velký, vytvoří se za blízkým polem volné pole. Zvuková energie se šíří všemi směry (kulové vlnoplochy). V uzavřeném prostoru narazí na překážku, stěnu. Stěna není dokonale pohltivá a část energie se odrazí. Odražené vlny se kříží a překrývají. Velké množství odrazů vytvoří tzv. difuzní pole. Pokud je prostor malý, volné pole se vůbec nevytvoří a v uzavřeném prostoru vznikne pouze difuzní pole.

Obr. 18 Akustická pole v uzavřené místnosti.

14


Stojaté vlnění V trubici nebo i v místnosti se může vytvořit stojaté vlnění. Na stěně má akustický tlak p vždy maximum, kdežto akustická rychlost v má nulovou hodnotu. Akustická rychlost je proti tlaku fázově posunuta o λ/4, což znamená, že tam kde má akustická rychlost uzel, má akustický tlak kmitnu. Akustický tlak se odrazí s opačnou fází a vznikne tzv. stojajté vlnění, které má v určtých bodech nulovou hodnotu - uzel a v dalších bodech maximum – kmitnu.tlaku.

Obr. 19 Stojaté vlnění, akustický tlak p a rychlost v Kmitny a uzle stojatého vlnění.

7. Hodnocení hluků s proměnným akustickým tlakem. Hluk proměnný nazýváme takový, kde hladina akustického tlaku A s v místě mění více než o 5dB. Tento hluk není možno charakterizovat hladonou akustického tlaku A a zavádí se Ekvivalentní hodnota akustického tlaku A LAekv, T. Je to ustálená hladina, která má na člověka stejné účinky během analyzované doby T, jako proměnlivá hladina. T

LAeq ,T

1 0.1L = 10 log [ ∫ 10 pA dτ ] T 0

kde LpA je okamžitá hladina vázaná filtrem A. Je možno počítat také z histogramu n

LAeq ,T = 10 log ∑ 10 0.1LpAi η i i =1

kde ηi je relativní četnost výskytu v intervalu i

Je-li rozptyl hodnot menší než 5dB (± 2.5 dB) je možno jako výslednou hodnotu volit průměr. Další pojmy pro hodnocení při proměnném hluku. Další pojmy při hodnocení proměnného hluku jsou: Hluková expozice statistické údaje LA,T Hlukové klima z histogramu rozložení hladin akustického tlaku, odečteny nejvyšší a nejnižší hodnoty Pozn.: U ekvivalentních a středních hodnot je nutno vždy uvádět dobu měření T. Je zjištěno, že krátkodobě působící hlasitý zvuk může působit menší zdravotní škody, než dlouhodobě působící slabší zvuk.

15

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Měření zvuku

8. Měření zvuku. Nestandardizované - výzkumné účely, speciální měření, nové postupy aj

Standardizované –pro měření hluku existuje velké množství norem, v poslední době jsou všechny čs.normy nahrazeny ISO nebo EN normami.

Měřicí technika Mikrofon Většinou se používá kondenzátorový mikrofon s polarizačním napětím. Standardizované průměry mikrofonů 1”, ½”, ¼”,1/8”.

Obr. 20Měřicí kondenzátorový mikrofon 1 pružné uložení, 2 mikrofon, 3 křemenný izolátor, 4 pevná elektroda, 5 ochranná mřížka, 6 membrána

Princip činnosti: Mikrofon sestává z kovové tenké membrány, která je umístěna blízko pevné opěry (elektrody). To tvoří vzduchový kondenzátor, jehož kapacita se mění při pohybu membrány vyvolané zvukovou vlnou. Proměnná kapacita se mění na elektrické napětí podle: Q= CV a C= εA/d V= Q/C = (Q/εA) d ΔV= (Q/εA) Δ d Kde Q je náboj na pevné opěře, C je kapacita mikrofonu, V je polarizační napětí A je plocha membrány a d je vzdálenost mezi membránou a pevnou elektrodou. Mikrofon pracuje podle teorie za předpokladu, že náboj Q je stále konstantní. Konstantní náboj je proveden připojením ss napětí přes veliký odpor 109 Ω. Někdy bývá pevná elektroda vybavena vrstvou elektretu, jehož nabité částice nahrazují polarizační napětí. Následný zesilovač je připojen přes kondenzátor a na vstup zesilovače se dostane pouze střídavé napětí.

Základní charakteristiky: • •

Všesměrová snímací charakteristika Ochranný kryt proti větru

16

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Měření zvuku

Obr. 21 Blokové schéma zvukoměru, starší provedení

Obr. 22 Blokové schéma zvukoměru, novější provedení.

17

Základy akustiky a hlukové diagnostiky Snižování hluku

9. Akustické prostředky snižování hluku V případě, že měření prokáže přítomnost hluku s nepřípustnými hladinami je nutno diagnostikovat příčiny a provést kroky ke snížení hluku. • •

•

Snižování hluku přímo u jeho zdroje. Akustické úpravy zdrojů hluku, změny konstrukce, změny materiálů aj. Zvuková izolace na cestách šíření hluku. Zvuková izolace se musí vztahovat jak k hluku šířícího se prostorem, tak i k akustickým signálům šířícím se pevným prostředím tj. použití izolačních krytů a přepážek. Snížení hluku v uzavřených prostorách je možno docílit celkové pohltivosti a snížením odraznosti stěn, stropů a podlah pomocí vhodných akustických materiálů.

Rozdělení intenzity zvuku I0 dopadající na přepážku Následný obrázek ukazuje celkové možnosti rozdělení dopadající intenzity zvuku na přepážku.

I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7

Obr. 23 Rozdělení intenzity zvuku I0 dopadající na přepážku

intenzita dopadajícího zvuku intenzita zvuku odražené vlny intenzita zvuku pohlcené vlny intenzita zvuku vlny vyzářené celkem za stěnu intenzita zvuku vlny prošlé za stěnu otvory a póry intenzita zvuku kterou stěna vyzáří v důsledku svého ohybového kmitání intenzita zvuku vlny, která je vedena formou chvění do ostatních částí intenzita zvuku přeměněná ve stěně na teplo

18


Doba dozvuku Je dána charakterem prostoru. Má- li prostor dobrou zvukovou pohltivost, je doba dozvuku malá. Obsahuje-li prostor převážně odrazné stěny, bude doba dozvuku velká. Je definována jako doba T, při níž se klesne hustota akustické energie na 10-6 původní hodnoty tj. o -60 dB. Tomu odpovídá pokles hladiny akustického tlaku o -60 dB.

Obr. 24 Definice doby dozvuku.

Při měření takového poklesu by bylo třeba, aby hladina akustického tlaku před vypnutím zdroje byla o 60 dB vyšší než hladina zvuku pozadí, což není vždy reálné. Proto norma předpokládá, že se bude měřit pokles o 30 dB a doba se zdvojnásobí. Pokles akustické intenzity je exponenciální a v logaritmických souřadnicích je tedy lineární a můžeme tedy pokles aproximovat přímkou. Dobu dozvuku můžeme v běžných místnostech o objemu místnosti V (m3) a ekvivalentní pohltivé ploše A (m2) určit ze empirického vztahu, který odvodil Sabine:

T = 0.163

V

αm A

kde αm je střední činitel zvukové pohltivosti. Vztah dává pouze přibližné hodnoty

19


Zvuková pohltivost Pohlcováním rozumíme přeměnu zvukové energie v energii jinou. Zvukové vlny způsobí, že vlákna a jiné částice začnou vibrovat. Vibrace způsobí tření a změnu akustické energie na tepelnou. Přeměna akustické energie se uskutečňuje tedy třením molekul vzduchu o vláknitý materiál. Aby bylo přeměněno dostatečné množství energie, musí plocha na níž nastává tření dostatečně velká. Z těchto důvodů se k pohlcování zvuku nejlépe hodí látky porézní. Zvuk se šíří v látkách jemnými póry, jejichž celková plocha je značně velká vzhledem k jejich objemu. Všeobecně je velký problém pohlcování zvuku na nízkých kmitočtech s dlouhou vlnovou délkou a zde se uplatňuje zejména větší vrstva (tloušťka) pohltivého materiálu. Naštěstí lidské ucho je na nízké frekvence méně citlivé. Pro účely pohlcování zvuku jsou zvláště vhodné různé pórovité vlákenné materiály. Zde je však velký rozdíl ve velikosti vláken a v mezerách mezi vlákny. Ukazuje se, že existuje optimum mezi vlákny a mezerami, při kterém je nejlépe pohlcován zvuk. Vlákenný materiál nesmí být ani příliš hustý s malými mezerami, ani příliš řídký s velkými mezerami. Dalo by se předpokládat, že dobrou pohltivost zvuku budou vykazovat textilie s s nanovlákny. Mezivlákenné prostoty mají nanorozměry a jejich plocha vzhledem k objemu je veliká. Textilie však musí být kombinovány s mykaným rounem a tato kombinace nemusí být optimální pro pohcování zvuku. Také porézní látky bez vláken ale s mezerovitovou strukturou mají velmi dobré vlastnosti pohlcování zvuku, neboť je dobře pohlcován vzniklými mezerami. Tyto materiály však nejsou ohebné a pro mnoho aplikací nepoužitelné. Uplatnění je zejména ve stavebnictví. Dalším produktem pro pohlcování zvuku jsou kmitající membrány. Membrána může být umístěna uvnitř pohltivého materiálu nebo vně, kde má další význam pro zpevnění materiálu a snížení znečistění. Pokud je membrána pevná jako plastická vrstva (igelit, polyetylén) může způsobit i zhoršení neprůzvučnosti při vyšších frekvencích, kde znemožní šíření zvukových vln do dalších částí absorberu. Možnost je provést membránu jako perforovanou, nebo jako tenkou látku či vlákennou vrstvu. Pro zvýšení pohltivosti je možno použít tzv. kmitající membránu za kterou je porézní materiál. Membrána má však svůj resonanční kmitočet a při něm dochází k maximálnímu pohlcování akustické energie. Pokud by za membránou byl pouze vzduch, frekvenční charakteristika pohltivosti vykazuje ostré maximum a to pro celkové pohlcení zvuku není příliš dobré. Pokud je za membránou porézní materiál, maximum je nižší a plošší a zvětší se šířka kmitočtového pásma. Umístění pohlcující vrstvy Absorpce zvuku je efektivnější, je li materiál umístěn v místech, kde je vysoká akustická rychlost – rychlost částic. V místě stěny nebo jiného akusticky odrazného materiálu je akustická rychlost malá, dokonce nulová a proto je vhodné umístit je dále od odrazné stěny, kde je již akustická rychlost vyšší. Silnější vrstvy absorbují lépe zvuk o nižších frekvencích – delších vlnových délkách. Z tohoto důvodu se pro zvýšení zvukové pohltivosti umísťují pohltivé materiály dále od odrazné stěny, a pokud to není možné, mají mít co největší tloušťku. Činitel zvukové pohltivosti α je reálná hodnota definovaná jako poměr akustického výkonu vstupujícího do materiálu (nenávratně) o určité ploše k akustickému výkonu, který na tuto plochu dopadá. Hodnota α je v intervalu od 0-1. Materiál pohlcující zvuk plně má α =1, materiál plně odrážející zvuk má α =0. Činitel zvukové pohltivosti alfa je kmitočtově závislý, měření se obvykle provádí v 1/3 oktávových pásmech v rozsahu 100 - 6300 Hz. Při měření v akustických komorách dle norem může nabývat činitel zvukové pohltivosti i hodnot větších než 1. Tento výsledek je způsoben tzv. okrajovým efektem Ekvivalentní pohltivá plocha A

20


je součinem plošného obsahu pohltivého materiálu S a činitele zvukové pohltivosti alfa: A = S*α.[m2] Např. plocha o obsahu 10 m2 a činiteli zvukové pohltivosti 0,7 má tedy ekvivalentní pohltivou plochu 7 m2. Normálová povrchová akustická impedance Z je podíl komplexního akustického tlaku p(0) a normálové složky komplexní akustické rychlosti v(0) v referenční rovině.

Měření a určení zvukové pohltivosti je prováděno podle dvou základních metod. • Metoda rovinné vlny v impedanční trubici kde je možno měřit činitel α pro kolmý dopad vln. Pro tato měření jsou stanoveny dvě normy ČSN ISO 10534-2, používaná zejména v Evropě a ASTME 1050 používaná v USA. Obě využívají metodu nazvanou „dvou- mikrofonovou“ nebo také „metodou přenosové funkce“. Obě metody měří pohltivost α a také zároveň akustickou impedanci nebo admitanci. Pro tuto metodu byla firmou Bruel& Kjaer vyvinuto speciální zařízení PULSE material testing 7758. Zařízení obsahuje zdroj zvuku, impedanční trubici, dvou 1/8 palcové mikrofony a úplný vyhodnocovací software. Trubice jsou ve dvou průměrech a měří v rozsahu 100- 1600 Hz a 1600 6400 Hz. Takto zjištěné hodnoty nejsou v některých případech praxí příliš uznávány a mají pro praxi malý význam. Samotný kolmý dopad zvukových vln se v praxi prakticky nevyskytuje. Hodnoty se mohou lišit od hodnot zjištěných druhou metodou dozvukové komory. • Metoda dozvukové komory dává výsledky, které se blíží více praxi. Dopad akustických vln je všesměrový. Činitel zvukové pohltivosti daného materiálu se vypočte z rozdílu měřených dob dozvuku T prázdné komory a komory obložené pohltivým materiálem. Přesný popis udává norma ČSN ISO 354. Dozvuková komora je navržena tak, že jednotlivé stěny nejsou souběžné a paralelní. Stěny jsou hladké a akusticky tvrdé. Objem komory musí být tak velký, aby se vytvořilo difúzní zvukové pole již pro nízké kmitočty. Doba dozvuku T měříme tak, že určíme čas, za který hladina akustického tlaku poklesne v uzavřeném prostoru po vypnutí zdroje zvuku na 10-3 původní hodnoty, tj. o 60 dB viz. Obr. 24. Koeficient α určíme podle rovnice

α m = 0.163

V TA

Přesně se určí koeficient α podle rovnice

⎤ ⎡ 55.3 ⎛ 1 1 ⎞ ⎜⎜ − ⎟⎟ − 4ma ⎥ V⎢ c ⎝ T1 T2 ⎠ ⎦ +α α= ⎣ 1 S kde T1 je doba dozvuku prázdné komory a T2 doba dozvuku komory obložené měřeným pohltivým materiálem, c je rychlost šíření zvuku ve vzduchu, S je plocha měřeného materiálu, ma je činitel útlumu vlivem absorpce zvuku ve vzduchu a α1 je činitel pohltivosti prázdné komory. V difúzním poli jsou všechny směry šíření zastoupeny rovnoměrně a tak nazýváme takto změřenou hodnotu činitel pohltivosti α pro všesměrový dopad zvuku. Při měření v akustických komorách dle norem může nabývat činitel zvukové pohltivosti i hodnot větších než 1. Tento výsledek je způsoben tzv. okrajovým efektem

21


Další doporučená literatura: 1. C. Smetena a kol.: Hluk a vibrace, Sdělovací technika 1998, ISBN 80-901936-2-5 2. R.Nový: Hluk a chvění, skripta ČVUT Praha, 3. Kreidl M, Šmíd, R.: Technická diagnostika, BEN, Praha 2006 4. http://www.bksv.com/ Library/application notes aj.

Poděkování: Tento text vznikl za podpory projektu ESF CZ.1.07/2.2.00/07.0247 Reflexe požadavků průmyslu na výuku v oblasti automatického řízení a měřen.

22

TECHNICKÁ UNIVERZITA V LIBERCI

Recommend Documents