Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem LGB_KM015_1 2014 – 2015. tanév tavasz 1. előadás Bedő Anett egyetemi tanársegéd SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki tanszék
ELÉRHETŐSÉG
Szoba: D 512 Telefonszám: 96/503-400/3103 E-mail:
[email protected] Weblap: www.sze.hu/~bedoa Konzultációs időpont:
hétfő: 1030-1230
KÖVETELMÉNYEK – Zaj, rezgés
Félévközi beszámoló
1 db zh 2014. május 9.: 60 pont
Zh-ból 60 %-ot elérte
Vizsga (írásbeli)
Zajmérés: 2014. május 9. mindkettő kötelező, aláírás feltétele
Megajánlott jegy kapható
Minimum követelmény 40 %
6 kérdés (60 pont)
Zaj + sugár = 100 pont
ÉRTÉKELÉS
Értékelés: 0-50 51-63 66-76 77-88 89-100
1 2 3 4 5
AJÁNLOTT IRODALOM
Zaj és rezgésvédelem Hefop jegyzet a honlapomon megtalálják Walz Géza: Zaj- és rezgésvédelem, Complex Kiadó, Bp. 2008. Dr. Kurutz Imre: Műszaki akusztika, Műegyetemi Kiadó, Bp. 2001. Dr. Kováts Attila: Zaj- és rezgésvédelem, Veszprémi Kiadó, Veszprém, 1995.
ELŐADÁS ANYAGA
Bevezetés Hang Hullám Fizikai alapfogalmak Szintértékek Hallás folyamata Spektrum – Színkép Műveletek szintekkel Hangosság Példák
IDÉZET
„A zajjal száz esztendő múlva több gondunk lesz, mint a fertőző betegségekkel…” Robert Koch (német bakteriológus)
BEVEZETÉS
A zaj egyidős az emberrel (ipai forradalom, közlekedés, építkezés, ipar) A zaj- és rezgésvédelem a környezetvédelemnek a legkevésbé hangsúlyozott része. Oka kettős:
A károsodás többnyire jelentős időveszteséggel jelentkezik. A zajprobléma megoldása nem okoz közvetlenül gazdasági hasznot.
BEVEZETÉS
Pedig egyre súlyosabb probléma: a legelső zavaró hatás, amely az infrastruktúra és az ipar fejlődésével együtt jár. Becslések szerint kb. az emberek fele él olyan övezetekben, ahol nem biztosított a lakosság „akusztikai komfortja“. Nehéz védekezni ellene, elsősorban a közlekedési zajra van panasz.
BEVEZETÉS
A közlekedés fejlődése miatt már nem csak a városokban probléma, hanem az agglomerációs övezetekben is. Újabb zajforrások jelennek meg (légkondi, ventillátor, liftek, számítógép stb.)
HANG
A hang az emberi élet alapvető velejárója, nélküle az emberek közötti kapcsolat nehezen képzelhető el. Kifejező eszköz (verbális kommunikáció) Élvezeti cikk (zenerajongóknak) Sok esetben a veszélyre is a hangok figyelmeztetnek bennünket. Hang/zaj: Méreg az aludni vágyóknak
HANG Hang:
Három jelentéstartalom
1. Fizikai jelenség – Hangjelenség (XX. sz. elejétől):
Valamely rugalmas közegben hullámszerűen tovaterjedő mechanikai zavarási állapot Mechanikai zavarás: adott helyen adott részecskével energiát közlünk többletenergia - rezgés – tovaterjed
HANG
2. Élettani (biológiai) jelenség – Hangérzet (XX. sz. 30-as éveitől)
A mechanikai hullám az élőlényekben hangérzetet kelt. Tehát a hang füllel érzékelhető külső inger – hallás folyamatáról később. A hang élettani hatása kap jelentőséget. Az ember számára hallható frekvenciatartomány vonatkozásában.
HANG
3. Értelmi, esztétikai (lélektani) jelenség – Hangélmény (XX. sz. végétől)
A hallott hang, a hanghullámok információt hordozhatnak (beszéd), jelenthetnek élményt. Megfejtése : az érzékszervi felfogás és idegi továbbítás útján az agyban, ahol az adat agyi megfejtéssel válik információvá. A hangélmény a hang legfontosabb jelentéstartalma az ember szempontjából.
HANG-ZAJ
Ezért: minden olyan hang zaj, ami nem hangélmény, hanem kellemetlen hang. Tehát: a zaj fogalma emberi értékelés függvénye, erősen szubjektív.
Egy motorkerékpáros számára a motorjának erős hangja a sebesség, a száguldás örömét jelenti, míg az utcán közlekedő vagy az oda néző lakásban élő embereket zavarja, számukra a motor egyértelműen zajforrást jelent. Sok fiatal örömmel teszi ki magát rendszeresen halláskárosodást okozó hangerőnek, amikor bulizni megy, a környezetben élők számára azonban ez a zene zajpanaszra ad okot.
HANG
A hang mechanikai hullám, azaz rugalmas közegben tovaterjedő rezgés. Az emberi fül bizonyos rezgéseket képes felfogni és hangérzetté alakítani, ezek a rezgések a hallható hangok. A hangforrás által keltett rezgési energia a rugalmas közegben nyomásváltozást okozva hullámformában terjed. Levegőben ez a nyomásváltozás a hallható hang. A fül, a levegő nyomáskülönbségét érzékeli.
HANG
Terjedése: a részecskéről részecskére történik az elemi állapotváltozás terjedése, ami tehát a részecskék rezgésének a rugalmas közegben, hullámmozgás formájában történő terjedését jelenti Tehát csak a rezgési energia terjed, nem a részecske halad!
közeg gáz folyadék szilárd
hogyan nyomásingadozással nyomásingadozással rugalmas alakváltozás
neve léghang folyadékhang testhang
HULLÁM JELLEMZŐI Transzverzális hullám: a rezgőmozgás iránya merőleges a terjedés irányára (testhangok)
HULLÁM JELLEMZŐI Longitudinális hullám: a rezgés és a hullámterjedés iránya megegyezik (test-, folyadék- és léghangok) sűrűsödések ritkulások
HULLÁM JELLEMZŐI periódusidő (T) frekvenciája (f ) hullámhossz (): amplitúdó (A) terjedési sebesség (c)
PERIÓDUSIDŐ
Az a legrövidebb idő, amely alatt a rezgés periodikusan ismétlődik Jele: T Mértékegysége: s (idő)
FREKVENCIA
rezgések másodpercenkénti száma (1/T) Jele: f Mértékegysége: [Hz], [1/sec] Frekvencia a hangforrásra jellemző mennyiség, a hangforrás elsődleges fizikai adata. A normál hang frekvenciája 440 Hz.
FREKVENCIA
A hang terjedése közben más - más közegbe lépve a rezgés frekvenciája állandó, ezért akárhol észleljük, a kiinduló pontra, a zajforrásra utal. Ha egyszer egy adott frekvenciával sugároz a hangforrás, az meg fog maradni más közeg ill. anyag esetén is, és csak a c és a fog változni.
FREKVENCIA infrahang
hallható hang
ultrahang
f < 20 Hz
20 – 20.000 Hz
f > 20.000 Hz
200 Hz
14.000 Hz
440 Hz
16.000 Hz
5000 Hz
8000 Hz
18.000 Hz
INFRAHANG, ULTRAHANG
INFRAHANG, ULTRAHANG
Infrahang: Az ilyen hangokat az emberi fül nem hallja, a test azonban érzékeli. Robbanások és a testek körüli lökésszerű légáramlások keltik. A nagyon nagy frekvenciájú hangokat a különféle anyagok (pl. az emberi test különféle szövetei) másmás mértékben verik vissza. (gyógyászatilag előnyös módon, mert viszonylag kicsi a sérülés, az ártalom valószínűsége). Az ultrahangot ezért általánosan használják orvosi átvilágításra (pl. ultrahang diagnosztika a magzat vizsgálatára. Használják műszaki célokra (pl. vasúti sínek repedéseinek felderítésére). Állati kommunikáció (nagyméretű állatok kis frekvenciákat, kisméretű állatok nagyobb frekvenciákat használnak)
FREKVENCIA
A keltett hang magasságát mindig a frekvenciája határozza meg
a hang annál magasabb, minél nagyobb a rezgés frekvenciája a fül a hangmagasságot a frekvencia logaritmusával arányosnak érzékeli
HULLÁMHOSSZ
az a távolság,amit a hullám egy periódus alatt megtesz, szinusos hullámok esetén a két egymást követő csúcs közötti távolság egy periódus méterben mért hossza Jele: λ Mértékegysége: [m]
HULLÁMHOSSZ Jellemzők közötti összefüggés:
= c/f ,c = f
AMPLITUDÓ
Az egyensúlyi vagy a nyugalmi helyzettől számított legnagyobb kitérés. hangerősség Mindig pozitív szám. Jele: A
PÉLDA 1.
Milyen tartományba esik a hallható hangok hullámhossza, ha a hangsebességet 330 m/snak vesszük? Mekkora a hullámhossza az 1 kHz-es hangnak?
MEGOLDÁS 1. min = c/fmax → min = 330 m/s / 20000 Hz min = 0,0165 m = 16,5 mm max = c/fmin → max = 330 m/s / 20 Hz max = 16,5 m = c/f → = 330 m/s / 1000 Hz = 0,33 m = 33 cm
TERJEDÉS SEBESSÉGE
A hanghullám terjedésének sebessége. Jele: c Mértékegysége: [m/s] c = √E /
E - rugalmassági modulus, [Pa] - sűrűség [kg/m3]
Sebesség függ:
, E hőmérséklet, páratartalom, nyomás
TERJEDÉS SEBESSÉGE
A levegő hőmérséklete befolyásolja a terjedési sebességet.
Melegben a gázmolekuláknak nagyobb mozgási (kinetikus) energiája van Közelebb kerülve egymáshoz, gyorsabban adják át az energiát
TERJEDÉS SEBESSÉGE
Levegőben:
Édes vízben:
+ 40 °C = 355 m/s + 20 °C = 340 m/s - 40 °C = 306 m/s + 15 °C = 1437 m/s
Meleg levegőben ugyanazon hang hullámhossza is nagyobb, ugyanis meleg levegőben gyorsabban terjed a hang, tehát változatlan f mellett, ha c nagyobb, akkor is nagyobb.
TERJEDÉS SEBESSÉGE
Minden 1°C emelkedés esetén 0,6 m/s sebességnövekedés várható. Száraz időben, tengerszint nyomáson, 0°C-on c= 331m/s Más körülmények között:
cp=co+0,6xTp m/s cp= adott Tp hőmérsékleten a sebesség
co= 0°C esetén a sebesség
TERJEDÉS SEBESSÉGE A közeg
Hőmérséklet Hangsebesség
megnevezése
°C
m/s
Levegő
–10
325
0
331
10
337
15
340
20
343
50
360
100
387
Nitrogén
20
337
Oxigén
20
326
Szén-dioxid
20
268
Metán
20
445
Hélium
20
1005
Hidrogén
20
1310
20
1180
Benzin
20
1120
Meti-alkohol
20
1450
0
1440
10
1480
15
1498
Higany Víz
TERJEDÉS SEBESSÉGE
Ha a levegő sűrűsége kicsi, tehát a részecskék távolsága nagyobb, mint az a távolság, ami a hangnyomás által keltett részecske elmozdulás mértéke, akkor nincs hangterjedés. Ezért légüres térben nem terjed a hang, mert nincs ami közvetítse a zavarást.
Ez az érték: l = 10-5 – 10-11 m A terjedés sebessége a közeg tulajdonságaitól függ, nem a hang tulajdonságaitól.
A hangterjedés sebessége egy adott közegben állandó T esetén állandó.
TERJEDÉS SEBESSÉGE
A cseppfolyós anyagokban, szilárd testekben a molekulák szorosabb kapcsolata miatt a részecskék könnyen át tudják adni egymásnak a rezgést. Tehát a hang a folyékony és szilárd közegben gyorsabban terjed, mint levegőben! Hidrogén: kicsi molekula c= 1284 m/s Hélium: nagyobb tehetetlenségű c= 965 m/s Acél: szoros kötésű molekulák c= 5940 m/s
PÉLDA 2.
Egy 20°C -os szobában mekkora a hang terjedési sebessége?
MEGOLDÁS 2. Co=331m/s Tp=20°C cp= co+0,6x20=331+12=342m/s cp~ 340m/s
PÉLDA 3.
Egy 25 °C -os szobában mekkora a hang terjedési sebessége ha 0 °C –on 331 m/s? Mekkora a 25 °C –os hang hullámhossza mm-ben 1 kHz-es frekvencián?
MEGOLDÁS 3. Co=331m/s
Tp=25°C f= 1 kHz
cp= co+0,6xTp=331+0,6*25=346m/s
cp= 346m/s = c/f = 346/1000 = 0,346 m = 346 mm = 346 mm
HULLÁM JELLEMZŐI
A hang terjedése közben a részecskék mozgása súrlódással jár, ennek legyőzése pedig munkavégzést kívánt. Mennél távolabb jut el a hang, egyre gyengül, végül teljesen megszűnik, energiája pedig hővé, hőenergiává alakul.
HULLÁM JELLEMZŐI
A magas hangok rezgésszáma nagy, a mélyeké kevesebb. Amikor a magas hangok terjednek, akkor azokat a levegőben lévő részecskéket igen sokszor kell ide-oda mozgatni. A mély hangok terjedésük közben kevesebb munkát végeznek. Tehát: A magas hangok nem terjednek olyan messzire, mint a mély hangok.
HULLÁM JELLEMZŐI
„TISZTA HANG”
Tiszta hangnak nevezzük a tiszta szinuszos hangrezgést, azaz azt a hangot, amelynek spektrumában egyetlen vonal van. Tiszta hangot keltő mechanikai eszköz a hangvilla.
„TISZTA HANG”
A részecskék elmozdulását a nyugalmi helyzethez képest (x) az alábbi függvény adja meg:
x = X · sin (2 · f · t)
ahol: X – maximális kitérés (amplitúdó) f – frekvencia [Hz] t – idő [s]
„ÖSSZETETT HANG”
A gyakorlatban azonban (szinte kizárólag) összetett hangokkal van dolgunk Azokat a hangrezgéseket, amelyeknek frekvenciaspektrumában nemcsak egy, hanem több, egymástól különböző frekvenciájú komponensek is találhatók, összetett hangoknak nevezzük. Az összetett hangok két nagy csoportra oszthatók: periodikusak és nemperiodikusak.
HULLÁMOK ÖSSZETÉTELE • egyszerű harmonikus rezgés (tiszta hang): a rezgő részecskék egyensúlyi helyzetből való kitérése az idő függvényében szinuszosan változik
• több hullám eredője:
HANGOK CSOPORTOSÍTÁSA
Frekvencia szerint Infrahang f > 20 Hz Hallható hang 20 Hz < f < 20 kHz Ultrahang f < 20 kHz A hang időbeli lefolyása állandó hang: jellege (frekvenciája, erőssége) nem változik: ventilátor, szivattyú változó hang: jellege időben változik A hang lefutása szerint folytonos: időbeli megszakítások nélküli zaj szakaszos (időszakos): időbeli megszakításokkal, csak időszakosan lép fel egyszeri: egyetlen alkalommal jelentkező zaj
HANGOK CSOPORTOSÍTÁSA
Forma (fizikai hullám alakja) tiszta hang (szinuszos hullám) zenei hang (periodikus) zörej (statikus jellegű) összetett (kevert) A hang időtartama hanglökés (t < 10 ms) rövididejű hang (10 ms t 1 s) tartós hang (t > 1 s) hosszú (t >60s)
MITŐL „ZAJ” A HANG?
Természetes hang: forrása valamilyen természeti jelenség, anyagi mozgás vagy élőlény, és megszólalását nem mesterséges beavatkozás váltja ki. PI. természetes hang a szél, a patakcsobogás, a madárcsicsergés, az állatok hangja, a mennydörgés, az emberi beszéd stb.
MITŐL „ZAJ” A HANG? természetes hangok:
MITŐL „ZAJ” A HANG?
Mesterséges hang: valamilyen ember alkotta készülék vagy berendezés működése közben keletkezik, vagy ezek működtetésével, megszólaltatásával kelthető. PI. a gépek zaja, a munkavégzés zaja, a hangszóró hangja, s nem utolsósorban a hangszerek hangja, a zene is mesterséges hang stb.
MITŐL „ZAJ” A HANG? mesterséges hangok:
Zenei hangok Mennyivel érezzük magasabbnak egyik hangot a másiknál? pl.
200 Hz
250 Hz
440 Hz
500 Hz
Zenei hangok Az első hangköz a nagyobb, pedig ott a különbség csak 50 Hz, míg a másodiknál 60 Hz. nem a frekvenciák különbsége határozza meg a hangok egymáshoz viszonyított magasságát, hanem a frekvenciák aránya
Zenei hangok A hangok egymáshoz viszonyított magasságát a frekvenciák aránya határozza meg. Oktáv: a két hang frekvenciájának aránya 2szeres 440 Hz:
440+880 Hz:
880 Hz:
Hangközök 1 oktáv = 12 félhang 660 Hz
699 Hz
e – f : 1 félhang távolság (kis szekund) 660 Hz
989 Hz
e – h: 7 félhang távolság (kvint):
Hangközök
MITŐL „ZAJ” A HANG? mesterséges hangok:
MITŐL „ZAJ” A HANG? emberi hang:
MITŐL „ZAJ” A HANG? József Attila: Születésnapomra Harminckét éves lettem én meglepetés e költemény csecse becse: ajándék, mellyel meglepem e kávéházi szegleten magam magam. Harminckét évem elszelelt s még havi kétszáz sose telt. Az ám, Hazám! Lehettem volna oktató, nem ily töltőtoll koptató szegény legény. De nem lettem, mert Szegeden eltanácsolt az egyetem fura ura. Intelme gyorsan, nyersen ért a "Nincsen apám" versemért, a hont kivont szablyával óvta ellenem. Ideidézi szellemem hevét s nevét: "Ön, amig szóból értek én, nem lesz tanár e féltekén" gagyog s ragyog. Ha örül Horger Antal úr,hogy költőnk nem nyelvtant tanul, sekély e kéj. Én egész népemet fogom nem középiskolás fokon tanítani!
MITŐL „ZAJ” A HANG?
MITŐL „ZAJ” A HANG? Kellemes hangok madár
hegedű
Zajok
gyár
közlekedés
MITŐL „ZAJ” A HANG? Csillapított rezgés
Szinuszos hang Lecsengő zenei hang Állandósult zenei hang Öngerjesztett rezgés Keverékhang Zörej
MITŐL „ZAJ” A HANG?
Következtetés: azoknak a hangoknak, amelyeket zajnak érzünk, az idő-kitérés grafikonja sokkal egyenetlenebb. Zaj: különböző magasságú és erősségű hangok keveréke, amit az ember kellemetlennek, zavarónak érez (szubjektív fogalom).
Alapfogalmak
Az előzőekben objektív, mérhető fogalmakkal ismerkedtünk. A hangot azonban az ember szubjektíven érzékeli hol hangosnak, hol magasnak stb. Tulajdonképpen hangnyomás ingadozásokat érzékelünk. Hogy mekkorák ezek az ingadozások, az a hangforrás energiaközlésétől függ. Ehhez kapcsolódó fogalmakról lesz szó.
HANGNYOMÁS A hangnyomás a hangrezgések által a közegben keltett nyomás. A légköri nyomás nyugalmi értékétől való eltérés a hangnyomás. jele: p
p = p' – p0 [Pa], [N/m2] p - 2 * 10-5 a legkisebb hangnyomás különbség amit egy átlagember füle érzékel.
HANGTELJESÍTMÉNY Adott felületen egységnyi idő alatt merőlegesen átáramló hangenergia. jele: W, P mértékegysége: Watt
HANGINTENZITÁS Egységnyi felületen egységnyi idő alatt átáramló energia azaz, a felületegységre eső hangteljesítmény jele: I mértékegysége: W / m2 a hangteljesítmény és az intenzitás közötti összefüggés: P= I · F ahol F az a teljes felület, amelyen a hangenergia átáramlik.
HANGINTENZITÁS P = I dF
Psík = I · F
F = felület [m2 ] I = intenzitás [W/m2 ]
Pgömb = I·4r2π
Az intenzitás a távolság négyzetével csökken! Intenzitás mértékét a fülünk dönti el, hogy hogyan érzékeli: hallja- e - hallásküszöb elviseli- e - fájdalomküszöb
Hallásküszöb I0 = 10-12 W/m2
Fájdalomküszöb Imax = 10 W/m2
HANGINTENZITÁS
Hangteljesítmeny : P (Watt) Hangintenzitas: I =P/Agömb = P/(4*3,14.r2) W/m2 Hangnyomás (ingadozás) p (Pa)
HANGINTENZITÁS I = p2 / ( c) ahol: : sűrűség c : a hang sebessége p : hangnyomás
MEGJEGYZÉS
emisszió
immisszió
SZINTÉRTÉK Hallásküszöb I0 = 10-12 W/m2 Fájdalomküszöb Imax = 10 W/m2 nagyon széles tartomány, ezzel dolgozni, számolni nehéz, a mindennapi életben előforduló –hallható hangot kibocsátó zajforrások teljesítménye 15 nagyságrend széles tartományban mozog az érzékelés, a hallásunk logaritmikus érzékenységű, az ún. szubjektív hangosság érzet a mennyiségek logaritmusával arányos a minimum és maximum határok nagyon nagyok frekvenciában és amplitúdóban is, ezért a logaritmikus skálázás könnyebb a számolás egyszerűbb ezért kellett a hang erősségének jellemzésére a szintértékeket bevezetni
SZINTÉRTÉK
Meghatározott alaphoz való viszonyítás logaritmikus rendszerben, azaz két azonos mértékegységű, teljesítményarányos jellemző hányadosának 10-es alapú logaritmusa Jele: Li Mértékegysége: (bel),decibel dB i = a jellemző jelölése pl.: Lp LI LW,P
HANGNYOMÁSSZINT (Lp) (mivel szint képzésénél teljesítményarányos mennyiségek hányadosát kell alapul venni, és I p2) Lp = lg (p/p0)2 Bel A bel nem elég érzékeny, tizedes is gyakran előfordulhat, hogy könnyebben számolhassunk, ennek az értéknek a tizedrészével fejezzük ki a szintértékeket. 1 bel = 10 decibel, 10 dB Lp = 10 · lg (p/p0)2 dB Lp = 20 · lg p/p0 dB
A hangnyomásszint függ - a hangforrás helyétől - a környezeti feltételektől - a mérési ponttól való távolságtól
HANGINTENZITÁSSZINT (LI) LI = lg I / I0 Bel
ahol I0 = 10 –12 W / m2. I = jelenlegi sugárzó hang intenzitása 1 bel = 10 decibel dB
LI = 10 lg (I/I0) dB
MEGJEGYZÉS A hangintenzitásszint és a hangnyomásszint a hangtér egy adott pontjában mérhető mennyiségek, a zaj által okozott terhelést mérik, immissziós jellemzők. A gyakorlatban inkább a hangnyomásszint használatos. (Pl. egy lakóház homlokzatánál a közlekedési zaj hangnyomásszintje 40 dB) Lp = 40 dB
HANGTELJESÍTMÉNYSZINT (LW) Lw = 10 · lg W/W0 (dB) Lw =70dB ahol W: a hangforrás teljesítménye W0: viszonyítási alap: 10 –12 Watt, 1 pW (Pl. egy ipari berendezés hangteljesítmény-szintje 70 dB) A hangteljesítményszint a hangforrásra jellemző mennyiség, a kibocsátott teljesítményt méri emissziós jellemző.
PÉLDA 4. Mekkora a hallásküszöbhöz I0 = 10-12 W/m2 – hez tartozó hangnyomás? (p0) Levegő esetén: 0 = 1,2 kg/m3 c = 340 m/s
MEGOLDÁS 4. I0 = p2 / (0 c) 10-12 (Nm/sm2 ) = p02 (N/m2)2/ (1,2 (kg/m3) * 340 m/s) p0 = 20,19 · 10-6 N/m2 p0 = 2· 10-5 N/m2
I=W/m2 W = Joule/s J = Nm
N = kg · m/s2
PÉLDA 5.
Mekkora az éppen hallható és a maximális elviselhető hang hangintenzitásszintje?
MEGOLDÁS 5.
LImin=I0/I0=10-12 W/m2/10-12 W/m2=0 dB LImin = 0 dB LImax=Imax/I0=10 W/m2/10-12 W/m2=130 dB LImax=130 dB
PÉLDA 6.
1.Mekkora teljesítményszintnek felel meg 3 μW?
MEGOLDÁS 6.
3 μW = 3×10-6 W W0 = 10-12 W LW = 10 lg W/W0 = 64,8 dB = 65 dB LW = 65 dB
PÉLDA 7.
Határozzuk meg P=1,35 mW hangteljesítményű zajforrás abszolút és P0=1 nW-ra vonatkoztatott relatív teljesítményszintjét Egy hangszóró 1,5 W teljesítménnyel sugározza a hangot a tér minden irányában. Mekkora a hangintenzitása és a hangintenzitásszintje tőle 5 m távolságban.
MEGOLDÁS 7.
LP =10log P/10-12 W LP =10log /1,35*10-3W/10-12 W=91,3 dB LP =91 dB LP =10log P/10-9 W LP =10log /1,35*10-3W/10-9 W=61,3 dB LP =61 dB
MEGOLDÁS 7.
I = P/A = P/4R2 I = 4,77*10-3 W/m2 LI =10log I/I0 LI =10log /4,77*10-3 W/m2/10-12 W/m2 LI =97 dB
PÉLDA 8.
Egy forgalmas autóút közelében 90 dB az átlagos hangintenzitásszint. Mekkora a hangintenzitás? Hány m2-ről kellene a hangot összegyűjteni és árammá alakítani, hogy egy 100W-os izzót működtetni lehessen vele?
MEGOLDÁS 8.
LI =10log I/I0 90 dB =10log I/10-12 W/m2 I = 10-3 W/m2 I= P/A A =P/I = 100 W/ 10-3 W/m2 A= 105 m2
PÉLDA 9.
P1=1012 W P2=106 W Mennyi a szintkülönbség B-ben és dBben?
MEGOLDÁS 9.
LP= log P1/P2= log1012 W/106 W= 6 B L P= 6 B LP= 10logP1/P2= 10log 1012W/106W= 60 dB LP= 60 dB
HALLÁS „A hallás egy rendkívül
összetett folyamat; az öt érzék közül az első, mely a magzatban kifejlődik és mely képessé teszi a külvilággal való kapcsolatra…”
HALLÁS
A hang, mint fizikai jelenség, a fülünkön keresztül válik valósággá. A fülünk hangnyomást érzékel, ezt átalakítja érzékszervi-agyi- adatokká, így lesz a hangnyomásból hangosság. Ezek az érzékszervi adatok okoznak bennünk magatartásunkat és állapotunkat meghatározó hatásokat. Ezek alapján mondunk egy hangot kellemetlennek, ezek a folyamatok hozzák létre a hangosságból a zajosságot.
FÜL
A fül mechanikai, hidrodinamikai és elektromos jelátalakító, idegvezetési és agyi szerkezet. Két érzékszerv:
hallás szerve egyensúlyozás szerve
Eddigi legtöbb ismeretünket a fülről Békésy Györgynek köszönhetjük, aki kutatásaiért 1961-ben Nobel –díjat kapott.
FÜL
FÜL
külső fül (dobhártyáig) részei fülkagyló külső hallójárat A hallójárat bemenetele a porcos fülkagyló Összegyűjti a hanghullámokat és a hallójáraton át a dobhártyáig tereli, a hang megrezegteti a hallójáratot lezáró dobhártyát. Dobhártya fel erősíti a rezgéseket.
FÜL
középfül (levegővel teli üreg) dobhártyához kapcsolódik: kalapács, üllő, kengyel → hallócsontok testünk legkisebb csontja, a kengyel a hallócsontok ízületekkel kapcsolódnak egymáshoz a hangrezgéseket hallócsontok viszik a dobhártyáról a belső fülre a csigához a kengyel talpa a csiga ovális ablakához illeszkedik ide továbbítja a felerősített rezgéseket a középfül része a fülkürt, amely a garatba vezet.
FÜL
Belső fül: ebben található a csiga
FÜL
A keletkezett ingerület a szőrsejtek idegvégződésein, az idegrostokon, majd a hallóidegen halad az agy hallóközpontjába. Itt keletkezik a hangérzet.
A hallás érzékszerve a csiga A csiga csontos, spirálisan feltekeredő szerv, belül találjuk az alaphártyát, alsó felső középső csigajárat található A csigát folyadék tölti ki amit a kengyel mozgás rezgésbe hoz. A hallócsontok rezgése a csiga folyadékában nyomás-ingadozást vált ki. Az alaphártyán található Corti-féle szerv, amelynek szőrsejtjeiben váltja ki a csigafolyadékának nyomásingadozása az ingerületet.
HALLÁS FOLYMATA
A nagyobb frekvenciájú rezgések (magasabb hangok) a csiga alapjához közel elnyelődnek és rezgésbe hozzák az alaphártyát. A kisebb frekvenciájú rezgések (mélyebb hangok) a csiga csúcsához közelebb rezgetik meg az alaphártyát az elnyelődés helyén elektromos ingerület alakul ki, ami az agyba jut. Így az ingerület keletkezésének helye kódolja a hang magasságát. Az elektromos ingerület kialakulása a Corti szervben történik. A csigában keletkező rezgés hatására a fedőhártya hozzányomódik az alaphártyán ülő szőrsejtekhez a szőrök elhajlanak és ingerület alakul ki. Corti szerv ily módon a rezgést képes elektromos jellé alakítani, ami a hallóidegrostjain az agyba, majd a hallópályán az agykéregbe jut. Az agykéregben kialakul a hangérzet.
SPEKTRUM - SZÍNKÉP
Spektrum (színkép): egy adott időpillanatban ábrázolja az egyes frekvenciákhoz tartozó hangnyomásszintet. Olyan függvény, amely megmutatja, hogy a zajforrás milyen frekvencián milyen erősségű hangot bocsát ki. A tisztahang (szinuszos hang) színképe az adott frekvenciához tartozó egyetlen függőleges vonal.
Vonalas Folytonos
SPEKTRUM - SZÍNKÉP
vonalas színkép: a sugárzás csak meghatározott frekvencián vagy frekvenciákon történik (sziréna, zenei hang)
Folytonos és vonalas színkép
•
SPEKTRUM - SZÍNKÉP
folytonos színkép: a hangforrás valamennyi (színes spektrum: x-idő, y-frekvencia, szín-dB frekvencián sugároz rózsaszín-kék-zöld irányban nő a hangnyomás)
SPEKTRUM - SZÍNKÉP
L [dB]
f [Hz]
f [Hz]
L [dB]
fehér zaj: olyan zaj, amelynek színképe folytonos, és valamennyi frekvencián ugyanakkora a hangnyomás 20Hz-20kHz között „Fehér zaj” elnevezés: a fehér fény mintájára, amely valamennyi látható fény keveréke. szürke zaj: egy adott frekvenciatartományban a spektrum folytonos, és intenzitása egyenletes (pl. társalgás) rózsaszín zaj: hangnyomásszintje a frekvenciával fordítva arányosan esik oktávonként 3dB-lel, a természetben nem fordul elő, műszer-beállítási célokra használatos
L [dB]
f [Hz]
MŰVELETEK SZINTEKKEL
A dB-ben mért szintek logaritmikus jellemzők közvetlenül nem adhatók össze! Közvetlenül összeadhatók a teljesítménnyel arányos mennyiségek: hangteljesítmény, hangintenzitás, hangnyomás négyzete.
MŰVELETEK SZINTEKKEL 3,0
Korrekciós faktor (dB)
2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 0
2
4
6
8
10
Szintkülönbség (dB)
12
14
MŰVELETEK SZINTEKKEL Az ábráról leolvasható, hogy 0 db eltéréshez 3 dB-es növekedés tartozik.
Ha egy 55dB-es és egy 51 dB -es hang eredőjét akarjuk megkapni, akkor a különbségből kell kiindulni, ami 4dB. Ha ez a két hang egyszerre szól, akkor annak nem 106 dB lesz az eredménye, hanem lényegesen kevesebb! A vízszintes tengelyen megkeressük a 4 dB-es pontot és kivetítjük a függőleges tengelyre, ahol 1,4 dB-t kapunk. Ezt végül a nagyobb hangnyomásszintű hanghoz adjuk hozzá, a végeredmény tehát: 55 dB + 51 dB = 56,4 dB!
MŰVELETEK SZINTEKKEL DECIBELEK ÖSSZEADÁSÁNAK ÁLTALÁNOS KÉPLETE:
Le = 10 · lg (100,1 L1+ 100,1 L2+ 100,1 L3+ … + 100,1 Ln) Ha a nyomásszintek adottak: n
LP 10 lg 100,1LPi dB Például két forrás esetén:
i 1
LP1, 2 10 lg(100,1LP1 100,1LP 2 ) dB
PÉLDA 10. A hangtér egy adott pontjában egy időben 3
zajforrás zaja észlelhető. Az egyes forrásoktól származó hangnyomásszint: Lp1=62 dB, Lp2 =65 dB, Lp3 =71 dB. Mekkora az eredő hangnyomásszint?
MEGOLDÁK 10. A fenti értékeket behelyettesítve: Lpe = 72,39 dB 72 dB A szintértékeket egész dB-re kell kerekíteni!
PÉLDA 11. Egy műhelyben 90 dB hangnyomásszint mérhető. Ha az egyik gépet leállítják, a hangnyomásszint 85 dB-re csökken. Mekkora hangnyomásszint tartozik ahhoz a géphez, amelyet leállítottak?
MEGOLDÁS 11. Le = 10 · lg (100,1 L1 + 100,1 L2) Le = 90 dB L1 = 85 dB 90 = 10 · lg (100,1·85 + 100,1 L2)
109 = 108,5 + 100,1 L2 (109 – 108,5) lg (109 – 108,5) = 0,1 L2 L2 = 88 dB
= 100,1 L2
PÉLDA 12. Ha 4 különböző hangforrás eredetijét akarjuk kiszámolni: L1=70 dB, L2=76 dB, L3=75 dB, L4=73 dB
MEGOLDÁS 12. Megoldás: (diagram segítségével) L2-L1=76-70=6 dB L=1 dB L1+2=77 dB L1+2-L3=77-75=2 dB L=2 dB L1+2+3=79 dB L1+2+3-L4=79-73=6 dB L=1 dB L1+2+3+4=80 dB Számítással: Le = 10 · lg (100,1 L1 + 100,1 L2 +100,1 L3 + 100,1 L4 )
Le = 10 · lg (100,1 76 + 100,1 70 +100,1 75 + 100,1 73 ) = 80 dB
HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE
Hallószervünk nem egyformán érzékeli a különböző frekvenciájú hangrezgéseket. Adott frekvenciájú hang szubjektív hangosságérzete meghatározott hangnyomáson egészen más, mint egy másik frekvenciájú hang által keltett hangosságérzet ugyanazon a hangnyomáson. Az ember által érzékelt hangmagasságra a WeberFechner-féle törvény vonatkozik, amely szerint a hangmagasságérzet és a frekvencia között logaritmikus az összefüggés (100Hz-300Hz, 3000 Hz-6000 Hz)
HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE H. Fletcher és W. A. Munson végzett kísérletet a hangosság szubjektív érzetének a vizsgálatára 1933-ban. A kísérlet lényege: sokezer egészséges, ép hallású kísérleti alany fülhallgató 103 Hz tiszta hang (nemzetközileg ezt választották összehasonlítási alapnak) frekvencia- és intenzitásszint változtatása
HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE
Méréseik eredményét egy egyesített hangosságérzetdiagramban ábrázolták, amely az azonos hangossághoz tartozó hangintenzitások görbéit tartalmazza
HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE
Menetük hasonló Nem párhuzamosak Azonos vonalon azonos nagyságúnak érezzük a hang erősségét Szaggatott vonal – hallásküszöb 103 Herznél 4 dB szintnél Az eredeti görbéken 1933ban ez 0 volt! Azóta az átlagos hallásküszöb 4 dB-t romlott!
Hangosságszintek Mértékegysége: phon Értelmezése: annak az 1 kH frekvenciájú, szabad hangtérben szemközt érkező tisztahangnak a hangnyomásszintje, amely azonos hangérzetet kelt a kérdéses hanggal Az 1 kHz-es hangok annyi phonosak, ahány dB-ek
AZ EMBERI HALLÁS FREKVENCIAFÜGGŐ VÁLTOZÁSAI
HALLÁSKÜSZÖB FÁJDALOMKÜSZÖB
A hallható frekvenciákon kísérleti úton megállapították, hogy mekkora az a legkisebb hangintenzitás, amely még hangérzetet kelt a normális hallású emberben, ill. mekkora nagyságú hangintenzitás hatására keletkezik fájdalomérzet Ez a hallásküszöb ill. fájdalomküszöb A hallásküszöb valamely adott frekvenciájú tiszta hang az a legkisebb hangnyomásértéke, amely süketszobában egy normális hallású személy hallószervében még hangérzetet kelt.
ÉRDEKESSÉG
Az emberi hallás jellemzője, hogy két hangforrás hangosságát csak akkor érzékeljük jelentős mértékben különbözőnek, ha a hangszintek közötti különbség eléri a 10 dB értéket.
HANGOK ÉS ZAJOK
Szubjektív, hogy ki mit tart zajnak Hogyan lehet ilyen szubjektív dologra zajvédelmet szervezni? Meg kell keresni azokat az érzékelhető jellemzőket, szubjektív hatásokat, amelyek mérhető, objektív fizikai adatokkal összekapcsolhatók. Csak úgy mondhatjuk valamire, hogy hangos, ha tudjuk, mit jelent a hangosság (mivel mérhetjük).
HANGOK ÉS ZAJOK ember (szubjektív) hangosság hangmagasság hangszín időtartam irány E = érzékelés I = idegi továbbítás A = agyfunkció
É - B - M E - I - A
fizikai (objektív) hangerősség intenzitás frekvencia időtartam színkép irány
M = mérés B = mérési eredmény bemutatása, É = eredmény értékelése
Kettő közötti kapcsolatot kell megtalálni, ha a zajvédelmet akarjuk megvalósítani
A, dBA
Az emberi fül hangosságérzése tehát frekvenciafüggő, nem minden frekvencián egyformán érzékeny Hogyan mérjünk, hogy az emberi fül érzékenységének feleljen meg? Ehhez olyan mérőműszer kell, melynek azonos vagy nagyon hasonló tulajdonságai vannak, mint a fülünk hallásérzékelésének. Tehát szintén frekvenciafüggő hangosságot mér.
A, dBA
Az emberi hallás frekvencia függésének modellezésére az „A” súlyozószűrőt használják. Az „A” súlyozószűrővel mért zajszintet A-hangnyomásszintnek nevezzük, és dBA-val jelöljük.
A, dBA
Olyan zajmérő műszert kell tervezni, amelyiknek azonos az átviteli karakterisztikája a fülünkével. Mi az emberi fül átviteli karakterisztika függvénye? A phon-görbék!
A, dBA A sok görbe közül ki választottak egyet. Ez a 40-es phongörbe türörképe. Mert ez jellemzi legjobban a fül érzékenységét.
A, dBA
A-súlyozás (dB)
0
-10
-20
-30
-40 100
1000
Frekvencia (Hz)
A-súlyozás
Súlyozó görbék összehasonlítása
ÁLTALÁNOS INTENZITÁSSZINTEK dB 180 168 150 140 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 10 0
Forrás (távolság) A Krakatau vulkán robbanása 100 mérföldről (160 km) a levegőben géppuska lövése 1 méterről repülőgép sugárhajtóműve 30 méterről pisztolylövés 1 méterről fájdalomküszöb; vonat kürt 10 méterről gyorsító motorkerékpár 5 méterről; láncfűrész 1 méterről légkalapács 2 méterről; diszkó belül üzemi zaj, kamion 1 méterről porszívó 1 méterről, zaj forgalmas utca járdáján erős forgalom 5 méterről iroda vagy vendéglő belül csendes vendéglő belül lakóterület éjjel színházi csend emberi lélegzet 3 méterről emberi hallásküszöb (egészséges fül esetén) egy szúnyog repülésének hangja 3 méterről
Oktáv sáv szintek
Elméletileg egy akusztikus zajesemény teljes leírásához minden (az emberi fül által hallható) frekvencián ismerni kell az adott frekvenciához tartozó hangnyomásszintet. A gyakorlati életben, a legtöbb esetben azonban ilyen részletes ismeretére a zajnak nincs szükség, mivel egymáshoz közeli frekvenciákon a legtöbb esetben nincs jelentős változás a hangnyomásszintekben.
Oktáv sáv szintek
Oktáv sáv szintek
Pl. fk=1000 Hz, fa =707 Hz, ff =1414 Hz Amennyiben nagyobb frekvenciafelbontásra van szükség (mert pl. a vizsgált zaj éles rezonanciákat tartalmaz) akkor kerülhet sor az egyharmad-oktáv sávok (más néven tercsávok) alkalmazására.
Oktáv sáv szintek Frekvencia [Hz]
A-súlyozás [dB]
31,5
-39,4
63
-26,2
125
-16,1
250
-8,6
500
-3,2
1000
0,0
2000
+1,2
4000
+1,0
8000
-1,1
Oktáv sáv szintek
Az oktáv sáv szintekből az A-hangnyomásszintet (LpA) két lépésben lehet kiszámolni. Elsőként minden oktáv sávra vonatkozóan az adott oktáv sávban mért hangnyomásszintet korrigáljuk az A-súlyokkal (azaz pl. a 31,5 Hz központi frekvenciájú oktávsávban mért hangszintből levonunk 39,4 dB-t), majd az így kapott korrigált hangszinteket összegezzük.
Köszönöm a figyelmet!
