Akustická diagnostika

Transkript

1 Zpracoval: Pavel Němeček Pracoviště: TUL FS - KVM Tento materiál vznikl jako součást projektu In-TECH 2, který je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem ČR. 1

2 In-TECH 2, označuje společný projekt Technické univerzity v Liberci a jejích partnerů - Škoda Auto a.s. a Denso Manufacturing Czech s.r.o. Cílem projektu, který je v rámci Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost (OP VK) financován prostřednictvím MŠMT z Evropského sociálního fondu (ESF) a ze státního rozpočtu ČR, je inovace studijního programu ve smyslu progresivních metod řízení inovačního procesu se zaměřením na rozvoj tvůrčího potenciálu studentů. Tento projekt je nutné realizovat zejména proto, že na trhu dochází ke zrychlování inovačního cyklu a zkvalitnění jeho výstupů. ČR nemůže na tyto změny reagovat bez osvojení nejnovějších inženýrských metod v oblasti inovativního a kreativního konstrukčního řešení strojírenských výrobků. Majoritní cílovou skupinou jsou studenti oborů Inovační inženýrství a Konstrukce strojů a zařízení. Cíle budou dosaženy inovací VŠ přednášek a seminářů, vytvořením nových učebních pomůcek a realizací studentských projektů podporovaných experty z partnerských průmyslových podniků. Délka projektu:

3 Co je zvuk Fyzika Vlnění Vibrace Vlnění v pevných látkách HLUK Zvuk Vlnění ve vzduchu 3

4 Zvuk a hluk Zvuk Zvuk je mechanické vlnění pružného prostředí (vzduchu) v kmitočtovém rozsahu normálního lidského sluchu (20 Hz až 20 khz). Hluk Hluk je každý nežádoucí zvuk, který vyvolává nepříjemný nebo rušivý vjem nebo poškozuje lidské zdraví. 4

5 Hluk Kvalitativní stránka Řeší vztah Hluk Posluchač. Vyznačuje se silně subjektivními znaky. Bývá popsána kvalitativními ukazateli (vlastnostmi). Číselný popis často vyjadřuje bezrozměrnou (bez jednotky) míru naplnění určité vlastnosti. Zabývá se jí směr nazývaný akustický design. Kvantitativní stránka Popisuje především vlastnosti zdrojů, akustických prostředí a cest šíření zvuku. Je vyjádřena měřitelnými veličinami a lze ji popsat číselnými hodnotami. Na mnohé veličiny jsou dány limity. Má zázemí v legislativě. Má široké odborné a literární zázemí. 5

6 Akustické veličiny Akustický tlak Akustická rychlost Intenzita zvuku Akustický výkon Rychlost zvuku 6

7 Akustický tlak p [Pa] Střídavý tlak superponovaný barometrickému tlaku je skalár, má vlnový charakter, je přímo měřitelný. Barometrický tlak se pohybuje kolem 10 5 Pa Akustický tlak se pohybuje v rozmezí Pa (práh slyšitelnosti) až Pa (práh bolestivosti). 7

8 Akustická rychlost [m.s -1 ] u r Akustická rychlost (částicová rychlost) je rychlost, se kterou se částice vzduchu pohybují pod působením akustického tlaku kolem své rovnovážné polohy. je vektor, má vlnový charakter, je energetickou veličinou, je nepřímo měřitelná. Akustická rychlost se pohybuje v rozmezí m.s -1 (práh slyšitelnosti) až 1, m.s -1 (práh bolestivosti). 8

9 Intenzita zvuku [W.m -2 ] I r Intenzita zvuku je měřítkem akustické energie procházející jednotkou plochy. je vektor, má vlnový charakter, je energetickou veličinou, je nepřímo měřitelná. Je dána vzorcem : r I = r p u Intenzita = Výkon Plocha = Síla Rychlost Plocha = Tlak Rychlost 9

10 Akustický výkon W (P) [W] Akustický výkon je měřítkem celkové akustické energie, která je vyzářena ze zdroje nebo která prochází danou plochou. je skalár, má vlnový charakter, je energetickou veličinou, je nepřímo měřitelný. je základní a nejdůležitější veličinou popisující akustické vlastnosti zdroje zvuku Je dán vzorcem : W = I. S 10

11 Rychlost zvuku ve vzduchu c [m.s -1 ] Rychlost zvuku je rychlost, se kterou se akustická informace šíří prostředím (pro naše účely především plynným vzduchem) je vektor, nemá vlnový charakter, je měřitelná. Za podmínek 23 o C, 1016 hpa dosahuje hodnoty cca 344 m.s

12 c = Přibližné vztahy pro odhad rychlosti zvuku ve vzduchu 1,4 b ρ c = 331,82+ 0, 61 t ρ = hustota vzduchu (cca 1,21 kg.m -3 ) t = teplota vzduchu [ o C] T = teplota vzduchu [ K ] b = barometrický tlak [ Pa ] c = 20, 5 T 12

13 Harmonický signál je popsán funkcí sinus nebo cosinus je základním signálem pro odvození akustických veličin akustická veličina A ϕ T čas 13

14 Základní vztahy pro harmonický signál x = A sin( 2π ft + ϕ) λ = c f = c T t = čas [ s ] ϕ = počáteční fáze λ = vlnová délka [ m ] c = rychlost zvuku ve vzduchu [ m.s -1 ] f = frekvence signálu [ Hz ] T = perioda signálu [ s ] 14

15 Vlnová délka zvuku f [ Hz ] λ [ m ] λ/4 [ m ] f [ Hz ] λ [ m ] λ/4 [ m ] 20 17,20 4, ,4300 0, ,76 3,44 1k 0,3440 0, ,5 10,92 2,73 1,25k 0,2752 0, ,60 2,15 1,6k 0,2150 0, ,88 1,72 2k 0,1720 0, ,46 1,37 2,5k 0,1376 0, ,30 1,08 3,15k 0,1092 0, ,44 0,86 4k 0,0860 0, ,75 0,69 5k 0,0688 0, ,15 0,54 6,3k 0,0546 0, ,72 0,43 8k 0,0430 0, ,38 0,34 10k 0,0344 0, ,09 0,27 12,5k 0,0275 0, ,86 0,22 16k 0,0215 0, ,69 0,17 20k 0,0172 0, ,55 0,14 15

16 Efektivní hodnota signálu Efektivní hodnota je měřítkem energie šířené akustickým signálem je součástí výpočtu celkových hladin, T = doba průměrování pro harmonický signál ji lze z amplitudy A stanovit jako : 1 x ef = 2 je dána základním vztahem : A x ef = 1 T T 0 x 2 ( t) dt 16

17 Hladiny akustických veličin Plynou z Weberova-Fechnerova zákona, který zjednodušeně říká: akustické veličiny, která se mění řadou geometrickou vnímá lidské ucho řadou aritmetickou. násobky akustického signálu jsou uchem vnímány jako přírůstky. Převod geometrické řady na aritmetickou umožňuje funkce logaritmus 17

18 Hladina L = log x x 0 [ B] L= hladina akustické veličiny [ Bel ] x = akustická veličina x 0 = vztažná (srovnávací) hodnota akustické veličiny x a x 0 musí mít energetický tvar L =10 log x x 0 [ db] protože Bel by dával akustické veličině velmi hrubou stupnici, je jednotkou hladiny deci Bel - db 18

19 Hladina akustického tlaku [ db ] L p = 10 log p p = 20 log p p 0 p 0 = Pa Na prahu slyšitelnosti je L p = 0 db Na prahu bolestivosti je L p = 140 db 19

20 Hladina akustické rychlosti [ db ] L u = 10 log u u = 20 log u u 0 u 0 = m s -1 20

21 Hladina intenzity zvuku [ db ] L I = 10 log I I 0 I 0 = W m -2 21

22 Hladina akustického výkonu [ db ] L W = 10 log W W 0 W 0 = W 22

23 Poznámky Základem pro výpočet hladin jsou efektivní hodnoty signálu. Hladina se záporným znaménkem znamená, že velikost měřeného akustického signálu je menší než vztažná hodnota. Měřidla přímo vyhodnocují hladiny a operátor nemusí zadávat hodnoty vztažných veličin (jsou implementovány v měřidlech). Hladiny jsou především hygienickou veličinou. Pro přepočet na fyzikální veličiny je třeba použít inverzní funkci k hladinám ve tvaru : x = L x

24 Matematické operace s hladinami Jedná se výhradně o sčítání a odčítání hladin. Sčítání hladin se provádí především pro odhad výsledného působení více zdrojů hluku. Odčítání hladin se provádí především pro odečet hluku pozadí z měřeného signálu. Výsledné vzorce plynou ze součtu a rozdílu čtverců efektivních hodnot fyzikálních veličin: 2 1ef 2 2ef Pro běžné výpočty se předpokládá, že akustické signály jsou širokopásmové (bez shodných a výrazných frekvenčních složek). 2 ef x = x ± x 24

25 Součet a rozdíl hladin - početně Základní vzorec zní : Pro součet L C = 10 log n i= 1 ± L i Pro rozdíl 25

26 Součet hladin - početně Pro n shodných zdrojů o hladině L L C = L +10 log ( n) Dva shodné zdroje zvýší původní hladinu vždy o 3 db Vypnutí jednoho ze dvou shodných zdrojů se hladina sníží vždy o 3 db. 26

27 Součet hladin - graficky LC = L1 + ΔL (L1 > L2 ) 27

28 Rozdíl hladin - graficky L1 = L ΔL (L1 > L2 ) L 2 = hluk pozadí [db] L = celková hladina [db] 28

29 Poznámky Součet dvou shodných hladin zvyšuje hodnotu o 3 db. Sčítat hladiny, mezi nimiž je rozdíl větší než 10 (15) db je prakticky zbytečné. Výsledek je roven přibližně vyšší hladině ze sčítanců. Odčítat hladiny, jestliže je odstup hluku pozadí větší než 10 (15) db je prakticky zbytečné. Výsledek je roven původní hladině. To ukazuje na hodnotu bezpečného odstupu hluku pozadí. Odčítat hladiny, pokud je hluk pozadí nižší o méně než 2 db se nedoporučuje. Důvodem je velká variabilita při odečtu ΔL a především vysoká hladina hluku pozadí, která příliš ovlivňuje celkovou hladinu. To ukazuje na nepřípustnou hodnotu hluku pozadí. Nejpřesnější stanovení výsledných hladin je jejich měření. 29

30 Zvukoměr Měřidlo hladin akustického tlaku Zvukoměr je přesné elektrické zařízení, reagující na zvuk podobně jako lidský sluch a umožňující objektivní a reprodukovatelné měření hladin hluku. Zvukoměrná zařízení různých výrobců se vzájemně mohou lišit v detailech konstrukce a v provedení, avšak všechna bez rozdílu obsahují mikrofon, ústrojí zpracování signálu a indikační zařízení 30

31 Zvukoměr Rozdělení podle : frekvenční analýzy počtu měřících kanálů typu konstrukce formy výstupu možnosti rozšíření podpory v software 31

32 Zvukoměr 32

33 Mikrofon nejdůležitější část měřícího řetězce převodník změny akustického tlaku na změnu jiné veličiny kondenzátorové mikrofony : - konstrukční jednoduchost - vysoká citlivost - provozní stálost 33

34 Mikrofon 34

35 Mikrofon 35

36 Vlivy prostředí : Název přednášky/cvičení Mikrofon vítr ( nežádoucí účinky lze eliminovat speciálním krytem ) vlhkost ( do 90 % nemá vliv POZOR na kondenzaci ) teplota ( rozsah použití -25 o C až 70 o C) atmosférický tlak ( v rozmezí 10% jen zanedbatelný vliv ) mechanické chvění ( nutná ochrana ) elektrostatická a magnetická pole ( zanedbatelný vliv ) 36

37 Váhové filtry křivky stejné hlasitosti 37

38 Váhové filtry Přizpůsobují frekvenční charakteristiku měřeného signálu charakteristice lidského ucha (křivkák stejné hlasitosti) Uplatňují se především při měření celkových (širokopásmových) hladin Standardizovány jsou 4 váhové filtry : A, B, C a D 38

39 Váhové filtry 39

40 Průměrování Jedná se o zpracování časového průběhu signálu s cílem získat průměrnou hodnotu: za předem stanovenou dobu Lineární průměrování za stanovenou dobu, která předchází aktuálnímu času Exponenciální průměrování 40

41 Lineární průměrování Po nastaveném čase měřidlo ukončí měření a indikuje průměrnou hodnotu. Každá část časového signálu má v průměrné hodnotě stejnou váhu. Používá se především v hygienické oblasti a při stanovení akustických vlastností zdrojů zvuku. 41

42 Exponenciální průměrování Probíhá trvale. Používá se pro vyhlazení časového průběhu. Měřidlo indikuje průměrnou hodnotu za právě uplynulou dobu (časovou konstantu) Používá se při monitorování hluku, popisu proměnlivých dějů a při normalizovaných měřeních. 42

43 Časové konstanty Číselně jsou dány exponentem 2 ( ; 2-3 ; 2-2 ; 2-1 ; 2 0 ; 2 1 ; 2 2 ;...)s Jsou dány standardizované časy: FAST 1/8 s SLOW 1 s IMPULS 0,035 s (indikace impulsu) + 2 s (pomalý pokles) 43

44 Časové konstanty 44

45 Časové konstanty 45

46 Časové konstanty 46

47 Frekvenční analýzy s konstantní absolutní šířkou pásma FFT f C = ( f + f ) S 2 H s konstantní relativní šířkou pásma CPB f = f + C S f H 47

48 Frekvenční analýzy s konstantní absolutní šířkou pásma FFT [db/20,0u Pa] Autospectrum(Signal 1) - Input Working : Input : Input : FFT Analyzer k 4k 6k 8k 10k 12k 14k 16k 18k 20k 22k 24k [Hz] 48

49 Frekvenční analýzy s konstantní relativní šířkou pásma CPB [db/20,0u Pa] Autospectrum(Signal 1) - Input1 Working : Input : Input : CPB Analyzer , k 2k 4k 8k 16k [Hz] 49

50 Frekvenční analýza CPB Oktáva zdvojnásobení kmitočtu 31, Hz Zlomky oktáv 1/3 1/6 1/12 1/24 f D = f S n n fs 2 = f S 1 2 f H = f 2 S 2 2 n

51 Pásmové filtry a šířka pásma Šířka pásma = f 2 f 1 Centrální frekvence = f 0 B 0 0 Zvlnění (šum) Ideální filtr -3 db Reálný filtr a definice 3 db šířky pásma f Frekvence 1 f 0 f 2 f 1 f 0 f 2 Frekvence 51

52 Zvukové pole Zvukové pole prostor v němž se šíří zvukové vlny. Na zvukové pole má vliv : šíření zvuku ohyb a odraz vlnění akustické vlastnosti prostředí členitost prostředí. 52

53 Zvukové pole Základní typy zvukového pole pole volné (bezdozvukové) pole difúzní (dozvukové) 53

54 Zvukové pole - volné Šíření vln pouze směrem od zdroje hluku. 54

55 Zvukové pole - volné Šíření akustické energie W akustický výkon zdroje r poloměr kulové vlnoplochy 55

56 Zvukové pole - volné pro r 2 = 2 r 1 je L p2 -L p1 = - 6 Se zdvojnásobením vzdálenosti od zdroje hluku ve volném zvukovém poli klesne hladina akustického tlaku o 6 db. 56

57 Zvukové pole - volné Orientační závislost útlumu zvuku se vzdáleností od zdroje v [db] 57

58 Zvukové pole - difúzní 58

59 Zvukové pole - smíšené 59

60 Měření zvuku (hluku) Měření zvuku Technická měření Hygienická měření Stavební akustika Ostatní měření 60

61 Technická měření Cíle Sledovat akustický signál z pohledu : zdrojů, velikosti energie, přenosových cest, akustického výkonu. hluk není prvotně sledován z hygienického hlediska. hluk může být porovnáván s legislativně danými limity. Prostředky měření celkových hladin, měření akustického výkonu, frekvenční analýza, multispektrální analýza, 61

62 Měření zvuku (hluku) Technická měření Hladina akustického tlaku Hladina intenzity zvuku a akustického výkonu Akustická diagnostika 62

63 Hladina akustického tlaku Výhody měření jednoduchost měření, konstrukční jednoduchost snímače, legislativní zázemí, základ pro odvozené veličiny (akustická rychlost, intenzita zvuku), rozšířenost měřidel, dostupnost odborné literatury. 63

64 Hladina akustického tlaku Nevýhody měření akustický tlak je skalár, akustický tlak není energetická veličina, měřením je udána akustická situace v měřicím bodě, což nelze obecně vztahovat k určitému zdroji. 64

65 Hladina akustické intenzity Je odvozené z měření hladin akustického tlaku, je výrazně energetickou veličinou, měření je prováděno na dvoukanálovém měřidle speciální sondou. 65

66 Akustická intenzita Je definována jako součin fázorů: I = p u Akustická intenzita, akustický tlak a akustická rychlost jsou fázory (mají sinusový průběh) Výsledná intenzita je průměrnou hodnotou Velikost průměrné intenzity bude záviset na vzájemné fázi akustického tlaku a rychlosti Volné pole fáze = 0 maximální intenzita Difúzní pole fáze = 90 o nulová intenzita (existuje pouze tzv. zdánlivá intenzita) 66

67 Akustická intenzita Teoretický vztah pro intenzitu zvuku zní: I p p = dt ρ r Tento vztah je v technicky neřešitelný, protože vyžaduje parciální derivaci podle vzdálenosti r Aby bylo možné vztah přenést do podoby snímače a metodiky je nutné jeho zjednodušení 67

68 Akustická intenzita Derivace Tečna je nahrazena sečnou Akustický tlak je nahrazen průměrným akustickým tlakem Akustické tlaky jsou snímány na vzdálenosti Δr 68

69 Akustická intenzita Snímač Sonda je principiálně založená na měření dvou hladin akustického tlaku I pa + pb = 2 ρ Δr ( p p )dt B A 69

70 Měření akustické intenzity 70

71 Akustická intenzita Zjednodušení výpočtového vztahu přináší: Vysokofrekvenční omezení, Nízkofrekvenční omezení. Principiálně neexistuje vzdálenost Δr, která by vyhovovala celému slyšitelnému pásmu 20 Hz 20 khz. 71

72 Vysokofrekvenční omezení Dáno nemožností nahradit tečnu sečnou pro konkrétní Δr malé λ Tato omezení má fyzikální základ, nelze jej technicky odstranit Vzdálenost Δr nelze dále snižovat kvůli konečné velikosti mikrofonů 72

73 Vysokofrekvenční omezení Vzdálenost mikrofonů Δr mm Maximální měřitelná frekvence pro chybu měření menší než 1 db Hz 6 10k 8,5 8k 12 5k 50 1,25k 73

74 Nízkofrekvenční omezení Dáno existující (konečnou) fázovou chybou mezi kanály A a B v měřicím řetězci. Tato chyba se nazývá fázový rozdíl při souběhu kanálů Φε Tato chyba nesmí být srovnatelná se skutečnou fází na měřeném signálu Fázová chyba se určuje kalibrací sondy Tato omezení nemá fyzikální základ, vyplývá z technických parametrů měřidla 74

75 Nízkofrekvenční omezení Vzdálenost mikrofonů Δr mm Minimální měřitelná frekvence pro chybu měření menší než 1 db Hz Φε = 0,1 o Φε = 0,2 o Φε = 0,3 o , ,5 75

76 Vysoko- a nízkofrekvenční omezení Minimální frekvence Hz Φε = 0,1 o Φε = 0,2 o Φε = 0,3 o Vzdálenost mikrofonů Δr mm Maximální frekvence Hz k ,5 8k k ,5 50 1,25k 76

77 Index reaktivity Je definován jako rozdíl mezi hladinami akustické intenzity a akustického tlaku L K = L I L p db Význam indexu reaktivity vyplývá z rovnosti obou hladin ve volném zvukovém poli L K = 0 volné pole 77

78 Význam L K Identifikace frekvencí zvuku, pro které můžeme pole považovat za volné Posouzení měřicího pole obecně Nalezení optimálního místa pro měření Monitorování prostoru během měření Potvrzení vysoko- a nízkofrekvenčního omezení 78

79 Hladina akustické intenzity Výhody měření intenzita zvuku je vektor, dává informaci o směru šíření akustické energie prostorem, měření intenzity zvuku je nejlepším podkladem (z definice) pro stanovení akustického výkonu, intenzita zvuku je podkladem pro mapování zvukových polí a identifikaci zdrojů hluku, při měření intenzity zvuku lze určit kvalitu zvukového pole (volné difúzní). 79

80 Hladina akustické intenzity Nevýhody měření vysoká pořizovací cena měřidel, při jakékoliv konfiguraci sondy nelze měřit v celém frekvenčním pásmu (20 Hz 20 khz), vyšší nároky na odbornost operátorů a jejich zkušenosti s akustickými měřeními. 80

81 Identifikace směru šíření akustické energie Na měřidlech je kladný a záporný smysl šíření barevně rozlišen Sondou se otáčí v prostoru dokud není zobrazena maximální hladina intenzity v barvě odpovídající kladnému smyslu (ideálně s exponenciálním průměrováním) Sonda se vzhledem k stanovenému směru otočí o 90 o, údaj na měřidle by měl mít kolísající smysl šíření intenzity (barvy se mění) 81

82 Identifikace směru šíření akustické energie 82

83 Akustický výkon Jediná akustická konstanta charakterizující zdroj hluku (výrobek, stroj, zdroj zvuku apod.) Je vyžadován legislativou Je udáván na výrobcích (lednice, sekačky, stroje apod.) Existují vzorce, ze kterých je možné na základě znalosti akustického výkonu stanovit hladiny akustického tlaku v obecném bodě prostoru Existují metodiky (normy) pro jeho výpočet v různých polích Pavel Němeček / Snímek 83 83

84 Akustický výkon Dán skalárním součinem vektoru intenzity zvuku a normálového vektoru plochy W r r I S r r S I ϕ W = I S cos(ϕ) S = 84

85 Akustický výkon Z definice plyne: Je nutné stanovit plochu a měřit tak, aby sonda byla rovnoběžná s normálou k této rovině Sonda zachytí kosinovou složku vektoru intenzity Z toho plyne: ϕ Minimalizovat úhel, čímž se zlepší reaktivita a sníží chyba stanovení intenzity Normálový vektor plochy by měl směřovat ke zdroji zvuku 85

86 Hladina akustického výkonu Volné pole: L p L u L I Ve volném poli lze zaměnit L I a L p = LI +10logS = ( L ) +10log S W p Avšak: Akustický tlak je skalár (nemáme informaci o vektoru šíření) Nemáme informaci o kvalitě pole (nutno řešit korekcemi) Nelze oddělit aktivní (šířící se) a reaktivní (nešířící se) intenzitu L L W 86

87 Hladina akustického výkonu Na ploše je třeba stanovit průměrnou intenzitu Ta se stanoví prostorovým průměrováním Jedná se o kombinaci lineárního průměrování v čase a přemisťování sondy po ploše 87

88 Prostorové průměrování hladiny intenzity zvuku Metoda přetírání V nastaveném čase lineárního průměrování se plocha pro výpočet akustického výkonu sondou přetře vodorovně a svisle. Všemi směry se prochází stejnou rychlostí. Plocha musí být rovnoměrně pokryta. Nutno sladit čas a pokrytí plochy. Nevhodné pro mapování pole. Bodová metoda Plocha se rozdělí na rastr bodů. V každém bodě se sondou měří stejně dlouhý čas. Data se ukládají do matice. Vhodné pro mapování zvukového pole. Vhodné pro automatizaci měření. 88

89 Plocha S Kvádr S = 4 ( a b + a c + b c) S = 2 ( d v + š v) + d š a = d/2 v b = š/2 c = v d = 2a š= 2b 89

90 Plocha S Polokoule S = 2πr 2 min 10 měřicích bodů Obalová plocha Kopíruje vnější povrch objektu 90

91 Korekce na zkušební prostředí Prostředí pro měření L W by mělo být především volné Bezodrazová místnost Venkovní prostředí Prostředí nesmí obsahovat akustické překážky a odrazivé plochy (s výjimkou podložky) Odrazivá plocha musí být rozšířena o λ/2 než je půdorys objektu Pohltivost podložky α 0,06 (beton a asfalt vyhovují) 91

92 Korekce na zkušební prostředí pomocí pohltivosti místnosti K 2 = 10 log 1 + Pohltivost prostředí A 4 S A S = měřicí plocha [ m 2 ] S V = plocha ohraničující místnost [ m 2 ] α = střední činitel pohltivosti místnosti db A = α S V K 2 0,5 db lze zanedbat 92

93 Hygienická měření Cíle Sledovat akustický signál z pohledu : působení na člověka, ochrany zdraví, technické hledisko je až druhotné (v okamžiku řešení situace) existují jasné legislativní limity. Prostředky měření celkových hladin, měření akustického výkonu, frekvenční analýza, měření speciálních hygienických veličin, statistické hodnocení. Hygienická měření kladou vysoké nároky na metrologické zabezpečení a metrologické uznání měřidel. 93

94 db SEL Název přednášky/cvičení Základní hygienické výpočty L(t) L eq 1s čas T 94

95 Základní vztahy L eq T 1 = 10 log T 0 p p ( t) dt Ekvivalentní hladina (lineárně průměrovaná) SEL T 1 = 10 log T0 0 p p ( t) dt T 0 = 1s Hladina zvukové expozice SEL = L +10 log eq T 95

96 Hladina hlukové expozice SEL Sound Exposure Level Je nazývána též jako jednosekundový ekvivalent Je základním parametrem pro výpočty spojuje L eq s různými časy T Je hodnotou pro srovnávání Umožňuje modelování Fyziologicky nemá význam 96

97 Schéma výpočtu L eq z dílčích hodnot L eq1 (T 1 ) SEL 1 (T 1 ) T = n i 1 = T i L eq2 (T 2 ) SEL 2 (T 2 ) L eqi (T i ) SEL i (T i ) n db SEL i i = 1 SEL = 10log 10 SEL (T) L eq (T) n i= 1 SEL i 10 L eqn (T n ) SEL n (T n ) L eq = SEL 10 logt SEL = L + i i eq 10 log T i SEL = Leq + 10 logt i i i 97

98 Přepočet limitních hodnot L Aeq,8h (T 8h ) SEL 8h (T 8h ) L eq,t (T) SEL + 8 h = LAeq,8 h 10 logt8 h L Aeq,T = SEL 8 h 10 log T SEL = Leq + 10 logt i i i 98

99 Statistické hladiny L 10 Hladina akustického tlaku jejíž hodnota je překročena v 10% případů L 90 Hladina akustického tlaku jejíž hodnota je překročena v 90% případů L 100 = L MIN L 0 = L MAX Určují se ze vzorkování časového průběhu hluku a stanovené distribuční funkce 99

100 Stavební akustika Cíle Sledovat akustický signál z pohledu : šíření v uzavřených prostorech, útlumu stavebními konstrukcemi, převládá technické hledisko měření, cílem je i hygienický dopad. Prostředky měření celkových hladin, měření akustického výkonu, frekvenční analýza, měření speciálních stavebních a izolačních veličin, statistické hodnocení. 100

101 Využívá vyzařování zvukové energie ze stroje jako nositele informace o jeho technickém stavu. Využívá stejné nástroje zpracování signálu jako vibrační diagnostika. Využívá stejné (podobné) přístrojové vybavení jako vibrační diagnostika. 101

102 - Výhody Bezkontaktní snímání signálu (v bezpečné vzdálenosti) Propracovaná metodika zpracování a hodnocení naměřených hodnot Frekvenční analýza Celkové hladiny Akustický výkon Intenzita zvuku Subjektivní hodnocení Lze pracoval v on-line režimu 102

103 - Nevýhody Rušení (maskování) signálu šumem z pozadí Logaritmická stupnice (lze přepočítat) Vyšší náklady oproti vibrační diagnostice 103

104 Vhodné aplikace Transformátory Stroje s kontaktním rizikem Průjezdový test dopravních prostředků (např. tramvají) Výrobky s nízkou hlučností (např. klimatizace) 104

105 Akustické vlastnosti izolačních materiálů 105

106 Rozklad akustické energie v izolačním materiálu W DOP W PROŠ W ODR W POH 106

107 Zvuková pohltivost Schopnost materiálu pohltit část dopadajícího akustického výkonu. je funkcí frekvence vyjadřujeme ji zvukovou pohltivostí α nabývá hodnot od 0 do

108 Zvuková pohltivost 1. přístup Vlastnost konstrukce zmenšit odraženou část akustické energie, Je popsána zvukovou pohltivostí α Je rozeznávána α pro kolmý a všesměrový dopad akustické vlny α = W W POH DOP 108

109 Zvuková pohltivost 2. přístup ε = W W POH DOP α = W +W POH W DOP PROŠ 109

110 Akustická odrazivost Vlastnost konstrukce odrazit část akustické energie, Je popsána činitelem zvukové odrazivosti β β = W W ODR DOP 110

111 Průzvučnost Je závislá pouze na vlastnostech materiálu Je definována jako: τ = W W PROŠ DOP 111

112 Vzduchová neprůzvučnost je vlastnost konstrukce, projevující se ztrátou akustického výkonu zvuku při přenosu vzduchem prostřednictvím konstrukce. Neprůzvučnost značíme R [db] 112

113 Vzduchová neprůzvučnost Je vyjádřením izolačních vlastností materiálu na základě průzvučnosti Je definována jako: W R =10 log W R = L DOP DOP PROŠ L PROŠ [ db] +10 log S A 113

114 Jednočíselná hodnota neprůzvučnosti 80 R', db 75 R W (C;C tr ) = 58 (-1;-5) db Pro případ požadavku na zvýšenou ochranu proti hluku je vypočtená jednočíselná hodnota R W korigována faktorem přizpůsobení C ČSN EN ISO Kmitočet, f, Hz 114

115 Energetická rovnováha 1. přístup α + β + τ =1 2. přístup β + τ + ε =1 α 115

116 Rozdělení materiálů podle pohltivosti zvuku Materiály kmitající Materiály rezonanční Materiály porézní 116

117 Materiály kmitající Dopadající zvukové vlny uvádějí tento materiál do ohybového kmitání, přičemž v důsledku vnitřního tření dochází k absorpci energie změnou na teplo. Akustické vlastnosti jsou dány hmotností, tuhostí desky a tloušťkou zvukové mezery. 117

118 Materiály rezonanční Dopadající zvukové vlny dostanou do kmitavého pohybu vzduchový objem hrdla rezonátoru. Jakmile se jeho kmitočet dostatečně přiblíží k rezonančnímu kmitočtu, rozkmitá se i celý vzduchový objem. Část zvukové energie je tedy pohlcena v rezonátoru, zbytek je postupně vrácen do prostoru. 118

119 Materiály porézní Zvukové vlny dopadající na pórovité povrchy těchto materiálů vnikají do pórů a prostupují jimi. Vzduchové částice uvedené do pohybu zvukovou energií se třou o stěny pórů, čímž se značná část zvukové energie promění v energii tepelnou. Pohltivost je tím větší, čím větší je pórovitost materiálu. 119

120 membrány, desky Název přednášky/cvičení Akustické Rezonanční Soustavy m a c a, R a m a R a c a akustická hmotnost m a... akustická poddajnost c a akustický odpor R a (indukčnost) (kapacita) (elektrický odpor) 120

121 Akustická Rezonanční Soustava membrány, desky α [-] f [Hz] 121

122 Helmholtzův rezonátor Název přednášky/cvičení Akustická Rezonanční Soustava - Děrované Panely y akustická hmotnost m a V S l akustická poddajnost c a d l S 1 S 2 c 2π S1 S ld f = r 2 122

123 Akustická Rezonanční Soustava - Děrované Panely Helmholtzův rezonátor α [-] f [Hz] 123

124 AKUSTICKÁ TĚLĚSA 124

125 AKUSTICKÁ TĚLĚSA 125

126 Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na Tloušťku Vlákenného Materiálu 1 Absorption coefficient [-] Frequency [Hz] 10, 25, 35 mm 126

127 Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na Objemovou Hmotnost Vlákenného Materiálu 1 Absorption coefficient [-] Frequency [Hz] 10, 13, 32 kgm

128 Činitel Zvukové Pohltivosti s Ohledem na Vzdálenost Vlákenného Materiálu od Odrazivé Podložky 1 Absorption coefficient [-] Frequency [Hz] 0, 10, 20, 30, 40, 50 mm 128

129 Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční Membrány

130 Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční Membrány Činitel zvukové pohltivosti [-] 1 0,8 0,6 0,4 0, Frekvence [Hz] NV0 NV1 NV2 NV3 NV4 NV5 NV6 NV7 130

131 Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční Membrány s Porózní Výplní

132 Činitel Zvukové Pohltivosti Rezonanční Membrány s Porózní Výplní Činitel zvukové pohltivosti [-] 1 0,8 0,6 0,4 0, Frekvence [Hz] NP1 NP2 NP3 NP4 NP5 NP6 NP7 132

133 Měření pohltivosti V difúzním poli V α-kabině V impedanční trubici Pomocí intenzity zvuku Pomocí odrazu akustické vlny 133

134 Měření zvukové pohltivosti 1. Postupem podle normy ČSN ISO 354 Akustika - Měření zvukové pohltivosti v dozvukové místnosti Mezinárodní standard Objem místnosti minimálně 150 m 3 Frekvenční rozsah 100 Hz 5 khz Plocha vzorku 10 m 2 až 12 m 2 Všesměrový dopad zvukových vln na měřený vzorek 134

135 Podstata měření V dozvukové místnosti o objemu V se změří doba dozvuku T e V téže místnosti se umístí vzorek o ploše S a změří se doba dozvuku T S Stanoví se koeficient zvukové pohltivosti: α = 0,16V S 1 T 1 S T e 135

136 Měření zvukové pohltivosti 2. α-kabina určena pro měření zvukové pohltivosti vzorků absorpčních materiálů, obkladů spojených s nosičem, součástí nebo výrobků, určena pro měření zvukové pohltivosti při všesměrovém dopadu zvukových vln, výstupem z měření je koeficient zvukové pohltivosti α (v případě, že je možné stanovit plochu, na které dochází k pohlcování) výstupem z měření je ekvivalentní pohltivost A (v případě, že není možné stanovit plochu, na které dochází k pohlcování) je objektivní platformou pro měření zvukové pohltivosti vychází z požadavků ISO 354 (ČSN ISO 354 Akustika - Měření zvukové pohltivosti v dozvukové místnosti), respektuje metodiku, avšak odstraňuje nevýhodu potřeby vzorku o velkých rozměrech. 136

137 α-kabina 137

138 Důležité parametry α-kabiny Parametr Hodnota Objem kabiny 6,44 m 3 Vnější rozměry α-kabiny 3,22 m 2,37 m 2,03 m Rozměr vstupních dveří α-kabiny 123 cm 75 cm Rozměry standardního vzorku 1,0 m 1,2 m Povrch měřených tvarových dílů 0,6 m 2 až 2,4 m 2 Rozsah měřených frekvencí oktávová analýza 500 Hz až 8 khz 1/3-oktávová analýza 400 Hz až 10 khz 138

139 α-kabina 139

140 140

141 1,20 1,10 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00-0,10 Název přednášky/cvičení Příklad výsledku měření ,00 20,00 25,00 31,50 40,00 50,00 63,00 80,00 100,00 125,00 160,00 200,00 250,00 315,00 400,00 500,00 630,00 800,00 1k 1,25k 1,6k 2k 2,5k 3,15k 4k 5k 6,3k 8k 10k frekvence Hz 3 IT 4 IT 5 IT 3 a 4 a 5 a akustická pohltivost α -

142 Měření zvukové pohltivosti 3. V impedanční trubici Měření na vzorku 100 mm (7, m 2 ) Frekvenční rozsah 16 Hz 6,3 khz Kolmý dopad zvukových vln (minimální hodnota zvukové pohltivosti) Určeno především pro vývoj protihlukových materiálů a porovnávací měření 142

143 Měření v impedanční trubici 143

144 Doba dozvuku pokles intenzity zvuku I 10 T = 6 I e ( cαs / 4V ) T e 0,164 ( cαs / 4V ) T = 0 = V α S Energie není pohlcována plynule, ale v určitých kvantech T = I (1 0 α ) 0,164 k V S ln(1 α ) 144

145 Měření pohltivosti pomocí intenzity zvuku V dozvukové místnosti se změří v blízkosti vzorku průměrná hladina intenzity zvuku L I a akustického tlaku L P Stanoví se koeficient zvukové pohltivosti: α = LP L 10 I 145

146 Měření pohltivosti odrazem zvukové vlny Použije se reproduktor, který vysílá signál (šum) a měřicí mikrofon Ve volném poli se změří hluk šumu v definované vzdálenosti od mikrofonu L p,d Pro stejnou vzdálenost se vytvoří odrazová dráha (odraz přes vzorek) L p,r α = 1 10 ( Lp,d Lp, r 10 ) 146

147 Aplikace pohltivých materiálů Ideální je aplikace do kmitny akustické rychlosti Kmitna je od uzlu vzdálena o λ/4 Na stěně je uzel (částice nemohou kmitat) Na stěnu je nutné umístit materiál o minimální tloušťce λ/4 nebo Posunout materiál do polohy λ/4 od stěny 147

148 Přehled ČSN pro měření a hodnocení akustické pohltivosti ČSN ISO Akustika - Určování činitele zvukové Pohltivosti a akustické impedance v impedančních trubicích - Část 1: Metoda poměru stojaté vlny ČSN ISO Akustika - Určování činitele zvukové Pohltivosti a akustické impedance v impedančních trubicích - Část 2: Metoda přenosové funkce ČSN EN ISO 354 Akustika - Měření zvukové Pohltivosti v dozvukové místnosti 148

149 Přehled ČSN pro měření a hodnocení akustické pohltivosti ČSN ISO Akustika - Měření in situ zvukové Pohltivosti povrchu vozovky - Část 1: Metoda zvětšené plochy ČSN EN Zařízení pro snížení hluku silničního provozu - Zkušební metody stanovení akustických vlastností - Část 1: Určení zvukové Pohltivosti laboratorní metodou 149

150 Přehled ČSN pro měření a hodnocení akustické pohltivosti ČSN EN Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 6: Zvuková Pohltivost v uzavřených prostorech ČSN EN ISO Akustika - Absorbéry zvuku používané v budovách - Hodnocení zvukové Pohltivosti 150

151 Přehled ČSN pro měření a hodnocení neprůzvučnosti ČSN EN Akustika. Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách. Část 10: Laboratorní měření vzduchové Neprůzvučnosti malých stavebních prvků (ISO :1991) ČSN EN Akustika. Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách. Část 9: Laboratorní měření vzduchové Neprůzvučnosti mezi místnosti pro stanovení zvukové izolace zavěšeného podhledu s průběžnou vzduchovou vrstvou (ISO 140-9:1985) ČSN EN ISO Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 12: Laboratorní měření vzduchové a kročejové Neprůzvučnosti v horizontálním směru podlah s průběžnou vzduchovou vrstvou 151

152 Přehled ČSN pro měření a hodnocení neprůzvučnosti ČSN EN ISO Akustika. Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách. Část 3: Laboratorní měření vzduchové Neprůzvučnosti stavebních konstrukcí (ISO 140-3:1995) ČSN EN ISO Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 4: Měření vzduchové Neprůzvučnosti mezi místnostmi v budovách ČSN EN ISO Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 5: Měření vzduchové Neprůzvučnosti obvodových plášťů a jejich částí na budovách ČSN EN ISO Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 6: Laboratorní měření kročejové Neprůzvučnosti stropních konstrukcí 152

153 Přehled ČSN pro měření a hodnocení neprůzvučnosti ČSN EN ISO Akustika - Měření zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 7: Měření kročejové Neprůzvučnosti stropních konstrukcí v budovách ČSN EN Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 1: Vzduchová Neprůzvučnost mezi místnostmi ČSN EN Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 2: Kročejová Neprůzvučnost mezi místnostmi ČSN EN Stavební akustika - Výpočet akustických vlastností budov z vlastností stavebních prvků - Část 3: Vzduchová Neprůzvučnost vůči venkovnímu zvuku 153

154 Přehled ČSN pro měření a hodnocení neprůzvučnosti ČSN EN ISO Akustika - Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 1: Vzduchová Neprůzvučnost ČSN EN ISO Akustika - Hodnocení zvukové izolace stavebních konstrukcí a v budovách - Část 2: Kročejová Neprůzvučnost ČSN EN Sklo ve stavebnictví - Zasklení a vzduchová Neprůzvučnost - Popisy výrobků a stanovení vlastností 154

155 Metody snižování hluku 155

156 Metody snižování hluku Primární - Snižování akustické emise zdroje hluku Sekundární - Snižování akustické energie na cestě od zdroje k posluchači Terciální ochranou posluchače 156

157 Snižování akustické emise zdroje hluku Nejúčinnější z protihlukových úprav Často je založeno zejména na snižování vibrací Je zaměřeno na odstranění příčin nadměrných vibrací, tření, proudění kapalin a plynů U některých zařízení lze jen velmi obtížně (spalovací motor, vibrační lis ) 157

158 Snižování akustické emise zdroje hluku Název přednášky/cvičení 158

159 Úpravy zvukového pole Změny akustické pohltivosti stěn Změny rozmístění zdrojů hluku Vkládání překážek mezi zdroj hluku a posluchače Zakrytování zdrojů hluku 159

160 Vkládání překážek mezi zdroj hluku a posluchače 160

161 Úpravy zvukového pole 161

162 Úpravy zvukového pole 162

163 Zakrytování zdrojů hluku 163

164 Kalibrace zvukoměru KALIBRACE = soubor úkonů, kterými se stanoví za specifikovaných podmínek vztah mezi hodnotami veličin, které jsou indikovány měřicím přístrojem nebo měřicím systémem nebo hodnotami reprezentovanými ztělesněnou mírou nebo referenčním materiálem a odpovídajícími hodnotami, které jsou realizovány etalony. KALIBRACE je metrologický úkon : který probíhá podle písemně daného postupu, ze kterého je vydán protokol, který se provádí v kalibračních lhůtách jehož důležitým výsledkem je nejistota při kalibraci 164 Pavel Němeček / Snímek 164

165 Obsah kalibračního postupu určení měřicího a zkušebního zařízení parametry veličin stanovení všech etalonů a doplňkového zařízení požadované podmínky prostředí popis vlastního postupu kritéria a/nebo normy pro prohlášení shody údaje, které musí být zaznamenány a metoda jejich analýzy a prezentace analýza nejistot měření 165

166 1 Korekce na tlak vzduchu [ db ] 0,5 0-0,5-1 -1,5-2 -2, hpa ~ 0 db db = b 2 Korekce na barometrický tlak + 0,0205b 14,616-3, Baromtrický tlak [ hpa ] 166