Hluk Nepříjemný nebo nežádoucí zvuk, nebo jiné rušení (ČSN ).

Transkript

1 14SF3 00 Úvod do akustiky Zvuk Zvuk je mechanické vlnění ružného rostředí (lynného nebo kaalného), které je vnímatelné lidským sluchem. Jedná se o odélné vlnění, kdy částice rostředí kmitají v ásmu slyšitelných kmitočtů od 16 Hz do 16 khz (res. 0 Hz do 0 khz). Šíří-li se zvuk evnými látkami, nazývá se toto vlnění chvěním. Pokud nejsou ředmětem zkoumání ouze slyšitelné kmitočty, ak se oužívá termín vibrace. (htt://aws.kettering.edu/~drussell/demos/waves/wavemotion.html) Hluk Neříjemný nebo nežádoucí zvuk, nebo jiné rušení (ČSN ). Akustický tlak Kmitání částic rostředí kolem rovnovážné olohy zůsobuje oakované zhušťování a zřeďování rostředí, vedoucím ke změnám tlaku. Rozdíl mezi celkovým tlakem a atmosférickým tlakem v určitém místě rostředí se nazývá akustický tlak. Akustický tlak se mění s časem a může být kladný nebo záorný vzhledem k atmosférickému tlaku. V raxi se k oisu střídavých veličin, tedy i akustického tlaku, často oužívá tzv. efektivních hodnot. Efektivní hodnota (rootmean-square) akustického tlaku je dána vztahem: rms kde ( t) lim 1 / / t d t (t) je okamžitý akustický tlak, časový interval růměrování (v raxi volen mnohem delší ve srovnání s dobou jedné eriody, ro náhodné zvuky obecně blížící se k nekonečnu). Výraz od odmocninou ředstavuje časově růměrovanou hodnotu druhé mocniny akustického tlaku. Používání efektivních hodnot (tedy středních kvadratických hodnot) vylývá z faktu, že akustický tlak je střídavá veličina, jejíž aritmetický růměr je nulová hodnota, která nic neříká o velikosti akustického tlaku. Navíc mnoho veličin v akustice závisí na akustické intenzitě, která je úměrná rávě druhé mocnině akustického tlaku. Efektivní hodnota časově roměnné veličiny odovídá jejímu energetickému růměru za dobu. Jiří Nováček Strana 1 /5/015

2 14SF3 00 Úvod do akustiky (Glasscock-Shambaugh, Surgery of the Ear, 0) Vlevo - Průběh akustického tlaku v závislosti na čase ro tón 51 Hz. Vravo - Průběh akustického tlaku v závislosti na čase ro náhodný zvuk. Atmosférický (statický) tlak je v obou říadech 0 kpa. V rvním říadě má akustický tlak sinusový růběh s dobou jedné eriody 1/51=0,00195 s. Amlituda akustického tlaku může být hodnocena omocí hodnoty eak-to-eak = Pa, eak = 1 Pa nebo hodnotou rms = 0,71 Pa. Ve druhém říadě jsou změny akustického tlaku neravidelné a z toho důvodu nelze využít hodnoty eak-to-eak a/nebo eak k oisu zvuku. Naroti tomu rávě hodnota rms je k tomuto účelu vhodná (v uváděném říadě byla určena za dobu 0,01 s). Hodnota rms je v obou říadech stejná. Pro zvláštní říad čistě tónového zvuku (sinusový signál) je efektivní hodnota akustického tlaku určena vztahem: P rms kde P je amlituda akustického tlaku. Efektivní hodnota akustického tlaku se běžně určuje v závislosti na kmitočtu (jednočíselná hodnota bývá k oisu zvuku nedostatečná). Označení rms se obvykle neuvádí. Kmitočet Počet eriodických změn akustického tlaku za sekundu se nazývá kmitočet. Zvuk může obsahovat ouze jeden kmitočet, běžné zvuky však mají sojité sektrum. Jinými slovy růběh akustického tlaku v čase nebývá harmonický (sinusový), ale složitější. Každý takový růběh však lze omocí Fourierovy transformace rozložit na řadu harmonických růběhů. ento roces se nazývá kmitočtová analýza zvuku. Alternativně lze využít analogové nebo digitální filtry k rozkladu zvuku do kmitočtových ásem. V raxi se nejčastěji oužívají filtry s konstantní relativní šířkou ásma zravidla jedné oktávy nebo jedné třetiny oktávy. akové filtry mají šířku ásma f odovídající určitému rocentu středního kmitočtu f c : f 0, 316f ro 1/3-oktávová ásma a f 0, 7071f ro oktávová ásma. c c Jiří Nováček Strana /5/015

3 14SF3 00 Úvod do akustiky Číslo ásma Střední kmitočet oktávového ásma [Hz] Střední kmitočet 1/3-oktávového ásma [Hz] Mezní kmitočet ásma Dolní [Hz] Horní [Hz] ,5 31, Kmitočtová ásma ro běžné technické výočty a měření hluku Kmitočtová ásma ro běžné technické výočty a měření zvukové izolace Rozšířená kmitočtová oblast Hladinové vyjádření akustických veličin K oisu zvuku se neoužívá římo akustický tlak, ale odvozená veličina hladina akustického tlaku (v decibelech). Jsou k tomu zejména dva důvody: lidský sluch je schoen vnímat zvuky od 0 Pa (normální ráh slyšení ro Hz) do 60 Pa (normální ráh bolesti ro Hz) takto široké rozmezí hodnot není ro běžnou raxi oužitelné, logaritmická závislost mezi velikostí zvukového odnětu a velikostí sluchového vjemu (Weber-Fechnerův zákon: Intenzita očitku je úměrná logaritmu odnětu.). kde lg rms 0log rms je erenční akustický tlak (ro vzduch =0 Pa). Jiří Nováček Strana 3 /5/015

4 14SF3 00 Úvod do akustiky V říadě vzájemně nezávislých zdrojů zvuku lze rokázat, že ro celkovou efektivní hodnotu akustického tlaku latí: rms, tot rms,1 rms,... rms,i i rms,i oto nelatí ouze ve zvláštních říadech, nař. dvou tónových zvuků o stejném kmitočtu. Po dosazení do rovnice ro hladinu akustického tlaku lze odvodit následující vztah: lg lg i rms,tot i lg rms,1 rms,... rms,i Poslední člen v rovnici se nazývá energetický součet. lg 1... i Časové vážení idský sluch vnímá řechodné zvuky trvající kratší dobu než 15 ms méně hlasitě. Pro vnímání lné hlasitosti musí zvuky trvat alesoň o dobu integračního času sluchu. uto vlastnost lidského sluchu simulují zvukoměry časovým vážením časová charakteristika F (Fast). Kromě této charakteristiky bývají zvukoměry vybaveny ještě dalšími S (Slow), Peak. Exonenciální časová konstanta charakteristiky F je 15 ms, odezva zvukoměru tedy odovídá vlastnostem Jiří Nováček Strana 4 /5/015

5 14SF3 00 Úvod do akustiky lidského sluchu. Přechodné zvuky trvající kratší dobu než 15 ms tedy dávají nižší hodnoty, než stejné zvuky trvající 15 ms nebo déle. Nicméně, ro roměnné (kolísavé) zvuky nař. řeč, mohou být údaje na disleji zvukoměru říliš rychlé, než aby je bylo možné sledovat. Proto jsou mnohé zvukoměry vybaveny také charakteristikou S (Slow), jejíž exonenciální časová konstanta je 1 s, tedy umožňuje snazší odečítání hodnot z disleje a určení růměrné hladiny. Pro měření řechodových zvuků je možné využít některou ze dvou následujících charakteristik. Charakteristiku I (Imulse) s rychlým vzrůstem (35 ms) a omalým oklesem, která by měla odkazovat na odezvu lidského sluchu na imulzní zvuky, nebo šičkovou hladinu Peak s časovou konstantou kratší než 0 mikrosekund (s co nejkratší časovou odezvou a lineárním frekvenčním vážením). t 1 t / ( t) lg e d / 0 kde je exonenciální časová konstanta, v sekundách, časové charakteristiky F nebo S, omocná roměnná časové integrace od nějakého času v minulosti, označeného - do doby ozorování t, () okamžitý akustický tlak (kmitočtově vážená hodnota), erenční akustický tlak. 0 Kmitočtové vážení idský sluch nevnímá zvuky o různých kmitočtech stejně citlivě. Snaha o řiblížení se těmto vlastnostem vedla k zavedení různých váhových funkcí. V raxi se nejčastěji oužívá váhová funkce A : Váhová funkce A K A [db] Střední kmitočet oktávového ásma [Hz] 16 31, ,7-39,4-6, -16,1-8,6-3, 0,0 +1, +1,0-1,1-6,6 Jiří Nováček Strana 5 /5/015

6 14SF3 00 Úvod do akustiky Pro hodnocení hluku se často oužívá tzv. hladina akustického tlaku A, definovaná následujícím vztahem: i K Ai A lg i Časové růměrování - ekvivalentní hladina akustického tlaku Časově lineárně růměrovaná hladina akustického tlaku (energetický růměr): t 1 t dt t1 eq, lg kde =t 1 -t je časový interval růměrování. Pro řerušovaný zvuk (nař. z růmyslového zdroje racujícího v určitém režimu) lze ekvivalentní hladinu akustického tlaku za dobu vyočítat ze vztahu: i t i i eq, lg kde t i je časový interval odovídající ustálené hladině akustického tlaku i. Pro hodnocení hluku se často oužívá ekvivalentní hladina akustického tlaku A, Aeq,. Šíření zvuku ve vzduchu Zvuk se šíří ve vzduchu ve formě odélného vlnění rychlostí cca 343 m.s -1 (zejména v závislosti na telotě vzduchu a nadmořské výšce, avšak nezávisle na kmitočtu). Vzdálenost, kterou ostuující vlna řekoná během doby jedné eriody, se nazývá vlnová délka a odovídá vzdálenosti dvou nejbližších míst zhuštění (res. zředění): c. f V ásmu slyšitelných kmitočtů se tedy mohou vyskytovat vlnové délky od cca 0 m do 0 mm. Jiří Nováček Strana 6 /5/015

7 14SF3 00 Úvod do akustiky Akustický výkon Zatímco veličiny akustické imise (hladina akustického tlaku, hladina akustického tlaku A, ekvivalentní hladina akustického tlaku A,...) charakterizují zvuk v místě říjmu, k oisu zdrojů zvuku se oužívají veličiny akustické emise. Základní veličinou je hladina akustického výkonu W v decibelech definovaná následovně: W lg P P kde P je akustický výkon (množství akustické energie vyzářené zdrojem do okolí za sekundu, ve wattech), P erenční akustický výkon = -1 W. Akustická intenzita Na cestě mezi zdrojem zvuku a říjemcem charakterizuje zvuk akustická intenzita. I I lg I kde I je akustická intenzita (tok akustického výkonu jednotkovou lochou kolmou ke směru šíření zvuku), I erenční hodnota akustické intenzity = -1 W.m -. U rovinných vln a ve velkých vzdálenostech od bodového zdroje zvuku latí: rms I. c 0 0 Hladina zvukové exozice AE A eq, lg 0 kde 0 je erenční časový interval =1 s. Hlukové limity 58/000 Sb. o ochraně veřejného zdraví a o změně některých souvisejících zákonů, ve znění ozdějších ředisů zásady ochrany roti hluku 7/011 Sb. o ochraně zdraví řed neříznivými účinky hluku a vibrací nejvyšší říustné limity hluku ( Aeq,, Amax ). Příklady Příklad 1 V hale je umístěn výrobní stroj, který vytváří ve vzdáleném místě haly hladinu akustického tlaku 1 =66 db v ásmu 500 Hz. Jak se změní tato hodnota v říadě, že bude do haly: a.) instalován ještě jeden stejný výrobní stroj, b.) instalováno n dalších stejných výrobních strojů, c.) instalován výrobní stroj ůsobící v daném místě hladinu =70 db. Předoklad: všechny stroje racují současně. Příklad V místnosti ůsobí v ásmu 500 Hz tikající hodiny hladinu akustického tlaku 1 =9 db a vysavač hladinu =57 db. Vyočtěte hladinu akustického tlaku od obou zdrojů a roveďte diskuzi výsledků. Jiří Nováček Strana 7 /5/015

8 14SF3 00 Úvod do akustiky Příklad 3 Změřená hladina akustického tlaku v ásmu 500 Hz se zanutým ventilátorem je 1 =76,3 db. Po vynutí ventilátoru klesne hladina v témže místě na hodnotu =68,1 db, zůsobenou hlukem ozadí (a kterou není možné ovlivnit). Výočtem stanovte hladinu akustického tlaku zůsobenou ventilátorem bez hluku ozadí. Příklad 4 V dílně je hladina hluku ozadí Aeq1 =55 db o celou dobu racovní směny. První zdroj zvuku je v rovozu o dobu 4 hodin a ůsobí hladinu akustického tlaku A A = 7 db. Druhý zdroj zvuku je zanutý ouze o dobu 1 hodiny a zůsobuje hladinu A3 = 64 db. Vyočtěte ekvivalentní hladinu akustického tlaku A Aeq,8h ro celou racovní směnu. Jiří Nováček Strana 8 /5/015