otwórz

OCHRONA PRZED HAŁASEM I
WIBRACJAMI
Temat: Mierniki poziomu dźwięku jako narzędzie kontroli
stanu zagrożeń akustycznych środowiska.
Opracował:
Damian Wolański
1|S tr o n a
Spis treści
Tytuł ..................................................................................................................................... 3
Cel projektu ........................................................................................................................ 3
Rola hałasu w życiu człowieka ....................................................................................... 3
Dźwięk i zasady jego pomiarów .................................................................................4-7
Budowa miernika poziomu dźwięku ........................................................................7-10
Zasady pomiarów za pomocą miernika poziomu dźwięku ..................................... 11
Wybrane mierniki poziomu dźwięku .....................................................................12-16
Bibliografia:
•
Engel Z. , „Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem”, str 227-232 ,
Wyd.PWN, Warszawa 2001
•
Ulotka informacyjna Brüel&Kjær, „Pomiary dźwięku”
•
Gruca M. Grzelka J. i inni, „Miernictwo i systemy pomiarowe” , str.191213, Wyd. Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2008
•
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 28 maja 2007 r. w sprawie
wymagań, którym powinny odpowiadać mierniki poziomu dźwięku, oraz
szczegółowego zakresu badań i sprawdzeń wykonywanych podczas
prawnej kontroli metrologicznej tych przyrządów pomiarowych
(Dz.U. 2007 nr 105 poz. 717)
Temat: Mierniki poziomu dźwięku jako narzędzie kontroli stanu
zagrożeń akustycznych środowiska.
2|S tr o n a
2.
Cel projektu:
Celem projektu jest ukazanie poszczególnych przyrządów pomiarowych
dźwięku jako narzędzi służących kontrolowaniu ochrony środowiska. W
nowoczesnym świecie zagrożenia jakie niesie postęp technologiczny, są również
związane z nadmierną emisją hałasu oraz wibracji do środowiska. Odpowiednie
przyrządy i aparatura są zatem niezbędne do prawidłowego rozpoznawania i
kontrolowania stanu środowiska akustycznego.
3.
Rola hałasu w życiu człowieka :
Dźwięk jest tak powszechnym elementem życia codziennego, że rzadko
zdajemy sobie sprawę z jego wszystkich funkcji. Dostarcza przyjemnych
wrażeń, takich jak słuchanie muzyki lub śpiew ptaków. Mimo to coraz częściej
we współczesnym społeczeństwie dźwięk bywa uciążliwy. Wiele dźwięków jest
nieprzyjemnych i niepożądanych – nazywamy je wówczas hałasem. Jednakże
stopień uciążliwości hałasu zależy nie tylko od jakości, ale również od
indywidualnego nastawienia. Hałas może szkodzić i niszczyć. Fala uderzeniowa
może wybijać okna lub powodować pękanie ścian. Najbardziej przykre jest to,
że hałas może uszkodzić delikatny organ przeznaczony do jego odbioru – ucho
ludzkie.
Hałas środowiskowy związany jest natomiast z pomiarem wszystkich
hałasów w miejscu obserwacji , niezależnie od rodzaju i liczby źródeł dźwięku.
Może być zatem spowodowany przez jedno lub kilka źródeł oraz ulegać na swej
drodze odbiciom od ścian, stropów i innych urządzeń.
4. Dźwięk i zasady jego pomiarów:
Dźwięk jest definiowany jako najmniejsza zmiana ciśnienia (w powietrzu,
wodzie lub innym ośrodku), odczuwaną przez ucho ludzkie. Najbardziej
3|S tr o n a
znanym przyrządem do mierzenia zmian ciśnienia atmosferycznego jest
barometr. Jednakże wahania te, występujące przy zmianach pogody przebiegają
zbyt wolno, aby mogły być odczuwane przez ucho ludzkie – stąd nie mogą być
definiowane jako dźwięki. Jeśli zmiany ciśnienia atmosferycznego następują
szybciej – co najmniej 20 razy na sekundę, mogą być słyszalne i dlatego są
nazywane dźwiękiem (barometr ze względu na dużą bezwładność nie nadaje się
do mierzenia dźwięku.
Liczbę zmian ciśnienia w ciągu 1 sekundy nazywa się
częstotliwościądźwięku i mierzy się w hercach [Hz]. Częstotliwość dźwięku
związana jest z powstaniem określonego tonu. Zwykle zakres słyszalności u
zdrowego , młodego człowieka zawarty jest w przedziale od 20 Hz do 20 000
Hz(20kHz), podczas gdy np. zakres częstotliwości dźwięków pianina wynosi od
27,5 Hz do 4186 Hz. Zmiany ciśnienia rozchodzą się w każdym ośrodku
sprężystym (takim jak powietrze) od źródła dźwięku do ucha człowieka. Znając
prędkość i częstotliwość dźwięku, można obliczyć długość fali – tzn. odległość
pomiędzy kolejnymi, maksymalnymi wartościami ciśnienia.
Długość fali (ʌ) =
ࡼ࢘ęࢊ࢑࢕ść ࢊź࢝࢏ę࢑࢛
࡯ࢠę࢙࢚࢕࢚࢒࢏࢝࢕ść
Posługując się tym równaniem można obliczyć długości fal dla różnych
częstotliwości. Np. przy 20 Hz długość fali wynosi ponad 17m, natomiast dla
20kHz – tylko 1,7cm. Tak więc dźwięki o wysokiej częstotliwości mają
mniejsze długości fal, zaś dźwięki o niskiej częstotliwości – większe długości
fal. Dźwięk zawierający tylko jedną częstotliwość nazywamy tonem prostym. W
praktyce tony proste są rzadko spotykane i większość dźwięków jest sumą
tonów o różnych częstotliwościach. Nawet pojedyncza nuta grana na pianinie
jest tonem złożonym. Hałas przemysłowy, składający się z wielu dźwięków o
różnych częstotliwościach zwany jest hałasem szerokopasmowym. Hałas
składający się z dźwięków o częstotliwościach równomiernie rozłożonych w
pasmie słyszalnym nazywa się szumem białym.
Drugą podstawową jednostką określającą dźwięk jest wartość amplitudy
zmian ciśnienia. Najsłabszy dźwięk słyszany przez zdrowego człowieka
posiada amplitudę 20µPa – tj. ok. 5 000 000 000 razy mniej niż normalne
ciśnienie atmosferyczne. Zmiana ciśnienia o 20µPa jest tak mała, że powoduje
4|S tr o n a
wychylenie błony bębenkowej ucha o wartość mniejszą od średnicy pojedynczej
cząstki wodoru. Ucho ludzkie toleruje również ciśnienie dźwięku milion razy
większe. Tak więc aby uniknąć mierzenia w dużych, trudnych do stosowania
liczbach, zastosowano jednostki względne – decybele (dB), wyrażające
logarytm stosunku wartości mierzonej do wybranego poziomu odniesienia.
Poziom ciśnienia akustycznego definiujemy następująco:
[dB]
Gdzie:
p - ciśnienie akustyczne
p˳- ciśnienie akustyczne odniesienia
Jednostką ciśnienia akustycznego jest decybel.
Skala dBjest zatem skalą logarytmiczną. Jako poziom odniesienia
przyjęto próg słyszalności równy 20µPa, któremu odpowiada poziom 0dB.
Dziesięciokrotne zwiększenie ciśnienia akustycznego (w Pa) powoduje
zwiększenie wartości poziomu dźwięku o 20dB. Tak więc 200µPa odpowiada
20dB . Skala decybelowa ogranicza milionowy zakres wartości wyrażonych w
Pa do przedziału 0-120dB.
Poziomy ciśnienia akustycznego (SPL) w dB i Pa dla znanych dźwięków
przedstawiono na rysunku:
5|S tr o n a
Rys.1. Poziomy ciśnienia akustycznego dla jednostek dB oraz Pa.
Pomiary dźwięku dostarczają wartości liczbowych określających i
kwalifikujących dźwięk. Stwarzają możliwość polepszenia akustyki np.
budynku czy głośnika , zwiększając przyjemność odbioru muzyki w sali
koncertowej lub w domu. Pomiary akustyczne umożliwiają dokładną i rzetelną
analizę uciążliwości hałasu. Należy jednak pamiętać, że ze względu na
fizjologiczne i psychologiczne różnice między ludźmi, stopień uciążliwości nie
może być określany na podstawie pojedynczej oceny subiektywnej.
Przeprowadzenie pomiarów pozwala na obiektywne porównanie uciążliwości
hałasu w różnych warunkach. Pomiary akustyczne pozwalają na ocenę ryzyka
uszkodzenia słuchu i wskazanie możliwości jego zmniejszenia.
Stopień uszkodzenia słuchu określa audiometria, przy pomocy której określana
jest osobnicza wrażliwość słuchu. Pomiary i analiza dźwięku są ważnym
narzędziem diagnostycznym w walce z hałasem – począwszy od lotnisk, fabryk,
autostrad aż do domów mieszkalnych i studiów nagrań. Jest to narzędzie
mogące przyczynić się do polepszenia warunków naszego życia.
6|S tr o n a
5. Budowa miernika poziomu dźwięku:
Miernik poziomu dźwięku jest przyrządem reagującym na dźwięk
podobnie jak ucho ludzkie i umożliwia obiektywny i powtarzalny pomiar
poziomu ciśnienia akustycznego. Istnieje wiele typów mierników, ale każdy z
nich zawiera mikrofon, układ przetwarzający i układ odczytu.
Rys.2. Schemat budowy miernika poziomu dźwięku.
Mikrofon przetwarza dźwięk na sygnał elektryczny. Najczęściej
stosowanym typem mikrofonu do pomiaru dźwięku jest mikrofon
pojemnościowy, odznaczający się dokładnością, trwałością i dużą stabilnością.
Ze względu na to, że wytwarzany przez mikrofon sygnał elektryczny jest bardzo
mały niezbędne jest stosowanie przedwzmacniacza, wzmacniającego sygnał
przed jego dalszym przetwarzaniem.
Przetwarzanie sygnału może odbywać się w różnorodny sposób np.
z zastosowaniem układów korekcji wg. krzywych ważonych. Stosunkowo
łatwo można zbudować układ elektroniczny o charakterystyce czułości podobnej
do tej, jaką posiada ucho ludzkie – symulujący krzywe jednakowej głośności.
Zrealizowano to przy pomocy trzech różnych, znormalizowanych w skali
międzynarodowej, krzywej korekcji: „A”, „B”, „C”.
7|S tr o n a
Rys.3. Krzywe korekcyjne „A”, „B”, „C”.
Krzywa ważona „A” koryguje sygnał w sposób zbliżony do
charakterystyki jednostkowej głośności dla
niskich poziomów ciśnienia
akustycznego (SPL), krzywa „B” – dla wartości średnich, natomiast „C” – dla
wartości wysokich.
Mierniki poziomu dźwięku posiadają oprócz wymienionych korekcji,
charakterystykę liniową, oznaczoną „Lin” , która nie zmienia kształtu sygnału.
Charakterystyka „A” jest najczęściej stosowana, bowiem krzywe „B”, „C”, nie
odpowiadają wynikom testów subiektywnych.
8|S tr o n a
Jedną z przyczyn tej niezgodności jest fakt, że krzywe jednakowej głośności
zostały wyznaczone dla tonów prostych, podczas gdy większość mierzonych
dźwięków jest sumą wielu tonów prostych.
Końcowym układem miernika poziomu dźwięku jest wskaźnik
odczytu, wskazujący wartość poziomu dźwięku w [dB] lub innych jednostkach
pochodnych, np. dB(A) – co oznacza, że pomiaru dokonano z użyciem układu
korekcji „A”.
Możliwe jest również, poprzez gniazdo wyjściowe miernika, wyprowadzenie
sygnału w postaci zmiennoprądowej (AC) lub stałoprądowej (DC) do urządzeń
zewnętrznych, np. do magnetofonu , celem zarejestrowania i późniejszej
analizy.
Cechowanie
Cechowanie miernika poziomu dźwięku gwarantuje poprawne i
dokładne wyniki pomiarowe. Polega ono na założeniu na mikrofon pomiarowy
przenośnego kalibratora akustycznego lub pistonfonu. Urządzenia te wytwarzają
dokładnie określony poziom ciśnienia akustycznego, według którego cechowany
jest miernik. Czynności kalibracji powinno się wykonywać bezpośrednio przed i
po każdej serii pomiarów. W przypadku nagrań magnetofonowych, sygnał
kalibracyjny musi być również zarejestrowany, ponieważ stanowi on poziom
odniesienia przy odtwarzaniu.
Stałe czasu miernika
Większość mierzonych dźwięków oscyluje wokół pewnego
poziomu. Aby pomiar był prawidłowy, wahania te powinny być mierzone jak
najdokładniej. W przypadku szybkich zmian wartości poziomów i na wskaźniku
analogowym (z ruchomą cewką) drgania wskazówki są tak szybkie, że odczyt
staje się niemożliwy. W związku z tym wprowadzono dwie znormalizowane
charakterystyki miernika znane jako „F” (fast-szybko) i „S” (slow-wolno).
Charakterystyka „F” posiada stałą czasu 125 milisekund i oznacza szybką
reakcję wskaźnika, umożliwiającą śledzenie i pomiar umiarkowanie szybko
zmieniających się poziomów dźwięku. Charakterystyka „S” ze stałą czasu 1
sekundy reaguje wolniej, uśredniając wahania wskaźnika analogowego i w ten
sposób umożliwiając pomiar sygnałów szybkozmiennych. Wiele nowoczesnych
9|S tr o n a
mierników poziomu dźwięku posiada wskaźniki cyfrowe. Eliminuje to w dużym
stopniu problem oscylacji wskazań, bowiem wyświetlana jest maksymalna
wartość skuteczna, zmierzona w ciągu ostatniej sekundy.
Wybór odpowiedniej charakterystyki miernika podyktowany jest zazwyczaj
przez normę obowiązującą dla danego rodzaju pomiarów.
Impulsowy miernik poziomu dźwięku
Jeśli mierzony dźwięk jest ciągiem pojedynczych impulsów lub
uderzeń, zwykle stosowane stałe czasu miernika, „F” i „S”, nie są dostatecznie
krótkie, aby dać wyniki zgodne z subiektywnym odczuciem dźwięku przez
człowieka. W tych przypadkach stosowane są impulsowe mierniki poziomu
dźwięku, wyposażone w znormalizowaną charakterystykę „I” (impuls).
Charakterystyka ta posiada stałą czasu 35 milisekund, dostatecznie krótką, aby
umożliwić poprawny pomiar hałasu impulsowego zgodnie z fizjologią
odczuwania tego typu hałasu przez człowieka. Ryzyko uszkodzenia słuchu w
wyniku działania hałasów ciągłych, mimo że ich subiektywna głośność jest
mniej odczuwalna. W związku z tym niektóre mierniki wyposażone są w
specjalny układ podtrzymania, umożliwiający pomiar wartości szczytowych
poziomu dźwięku, niezależnie od czasu ich trwania. Ze względu na różnice w
wymaganiach normowych odnośnie mierzonych parametrów, istnieje
możliwość odczytu wartości szczytowej lub maksymalnej wartości skutecznej
(RMS), wyznaczonej przy stałej czasu „I”. W obu przypadkach odczyt jest
ułatwiony dzięki zastosowaniu układu podtrzymania oznaczonego Hold.
10 | S t r o n a
Rys.4. Wykres charakterystyki impulsowej.
6. Zasady pomiarów za pomocą miernika poziomu dźwięku:
Większość pomiarów akustycznych przeprowadzana jest w
pomieszczeniach , które nie są całkowicie bez odbiciowe. Utrudnia to
prawidłowy wybór punktu pomiarowego i interpretacje wyników. W
trakcie pomiarów wykonywanych zbyt blisko źródła dźwięku, poziom
dźwięku może się znacząco zmieniać przy minimalnych zmianach
położenia punktu pomiarowego. Ma to miejsce przy odległościach
mniejszych od długości fali emitowanej z najniższą częstotliwością lub
odległościach mniejszych od podwojonego rozmiaru obiektu badanego.
Większa z tych dwu odległości określa bliskie pole dźwiękowe. W
zasadzie, w polu tym nie powinno się prowadzić pomiarów.
Wynikają stąd wymagania co do położenia punktu pomiarowego, które
muszą być brane pod uwagę i stosowane w praktyce:
•
•
•
•
•
W oddaleniu od elewacji budynków
W oddaleniu od przeszkód
Po stronie zawietrznej
W suchych warunkach przy prędkości wiatru mniejszej niż 5m/s
Z mikrofonem umieszczonym 1,2…1,5 metra powyżej poziomu gruntu
7. Wybrane mierniki poziomu dźwięku:
Rozróżniamy dwie klasy dokładności mierników:
11 | S t r o n a
• klasę dokładności 1
• klasę dokładności 2
Miernik powinien mierzyć co najmniej jedną z następujących wielkości:
• poziom dźwięku A uśredniony wykładniczo według charakterystyki
czasowej F
• równoważny poziom dźwięku A
• poziom A ekspozycji na dźwięk
Wyróżniamy następujące rodzaje mierników:
Miernik konwencjonalny — miernik, w którym wielkością mierzoną jest
poziom dźwięku wyznaczany metodą uśrednianiawykładniczego.
Miernik całkująco-uśredniający - miernik, w którym wielkością mierzoną jest
równoważny poziom dźwięku.
Miernik całkujący - miernik, w którym wielkością mierzoną jest poziom
ekspozycji na dźwięk;
12 | S t r o n a
SON-50 całkujący miernik poziomu dźwięku 1 klasy
SON - 50 to całkujący miernik poziomu dźwięku 1 klasy dokładności, mierzący
sygnały nieustalone, ustalone i impulsowe. Stosowany jest głównie do
pomiarów wielkości określających narażenie pracownika na hałas na stanowisku
pracy (zgodnie z aktualnie obowiązującymi normami),
monitorowania
środowiska, a także, dzięki możliwości dołączenia zewnętrznych filtrów
oktawowych lub infradźwiękowych, może służyć do badań diagnostycznych
maszyn i urządzeń. Miernik posiada dwa niezależne tory pomiarowe: wartości
skutecznej, do pomiaru: Leq, Lmx, Lmn oraz drugi, do pomiaru wartości
szczytowej. Dzięki temu możliwy jest np. jednoczesny pomiar wartości
skutecznej na charakterystyce A oraz wartości szczytowej z wykorzystaniem
charakterystyki C. Przyrząd mierzy także poziom ekspozycji na hałas
odniesiony do ustawianego czasu pracy (4 godz., 8 godz. itp.). Jedną z jego zalet
jest równoczesny pomiar wielu istotnych i złożonych parametrów, co zwalnia
użytkownika od konieczności kłopotliwego opracowywania wyników
pomiarów. Ma możliwość zapamiętania kompletu wyników z 40 sesji
pomiarowych, np. na maksymalnie 40 różnych stanowiskach pracy.
13 | S t r o n a
DLM-102 całkujący miernik poziomu dźwięku
Miernik DLM-102 jest w pełni cyfrowym, jednozakresowym całkującym
miernikiem poziomu dźwięku o dokładności odpowiadającej klasie 2. Spełnia
wymagania normy PN EN 61672:2005. Prosta obsługa, szeroki zakres
pomiarowy oraz niewielkie wymiary umożliwiają pomiary hałasu w wielu
dziedzinach. Miernik ten jest idealnym narzędziem dla zakładowego inspektora
BHP. Niska cena umożliwia użycie miernika tam, gdzie do tej pory hałas nie był
oceniany z powodu wysokiego kosztu przyrządów pomiarowych. Wewnętrzny
akumulator Li-ION umożliwia długotrwałe pomiary, bez konieczności
ładowania, a czytelny, podświetlany wyświetlacz ułatwia odczytanie wyniku w
trudno dostępnych, nieoświetlonych miejscach.
Najistotniejsze funkcje miernika:
• Pomiar: LXF, LXFmn, LXFmx, LXS, LXSmn, LXSmx, LXPk, LXMPk, LXeq
(X- oznacza charakterystykę A lub C).
• Możliwość zapamiętania kompletu mierzonych wielkości z max. 99 sesji
pomiarowych.
• Odczyt wszystkich wartości wielkości mierzonych w trakcie pomiaru, bez
jego przerywania lub podczas pauzy.
• Uaktualnianie wyników raz na sekundę.
• Wskaźnik wartości chwilowej w postaci poziomego paska uaktualniany
16 razy na sekundę.
14 | S t r o n a
AZ Instruments - AZ8921 [RS232]
Przyrząd AZ8922 to małogabarytowy miernik poziomu hałasu. Standardowe
wyposażenie i duża dokładność dają możliwość szerokiego zastosowania w
pomiarach poziomu dźwięku procesów technologicznych produkcji oraz
kontroli dopuszczalnej wartości hałasu maszyn i urządzeń oraz sprzętu np.
AGD.
Najistotniejsze funkcje miernika:
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Pomiar szumów tła
Pamięć wartości zmierzonych MIN i MAX
Filtry ważące korekcji częstotliwości A i C
Dynamiczne charakterystyki czasowe S (wolna) i F (szybka)
Automatyczna i ręczna zmiana zakresów
Dynamiczna skala analogowa BARGRAF
Pamięć wartości szczytowej MAX HOLD
Wyjścia napięciowe AC i DC
Interfejs RS 232 do współpracy z komputerem „PC”
15 | S t r o n a
AS - 200 Miernik hałasu pojazdów samochodowych
Miernik przeznaczony jest przede wszystkim do pomiarów hałasu
wytwarzanego przez pojazdy samochodowe na postoju i w ruchu. Może też
służyć do oceny głośności innych sygnałów dźwiękowych (klaksonów, syren).
Urządzenie skonstruowano w taki sposób, aby spełniało wymagania Instytutu
Transportu Samochodowego w Warszawie. Metalowa obudowa o odpowiednim
kształcie nie wpływa ujemnie na dokładność pomiaru, a równocześnie
zabezpiecza miernik przed wpływem zewnętrznego promieniowania
elektromagnetycznego i chroni go przed uszkodzeniem. Dane, wprowadzane z
foliowej klawiatury, a także wyniki pomiarów widoczne są na
ciekłokrystalicznym wyświetlaczu graficznym. Dzięki programowi AS-200
RAPORT możliwe jest przesłanie danych do komputera, który stanowić może
bazę danych o dokonanych pomiarach oraz umożliwia wydruk i edycję raportów
z badań.Przymiar ułatwia ustawienie mikrofonu we właściwym położeniu
względem wylotu rury wydechowej (odległość 0,5 m, kąt 45°). Zadaniem
osłony przeciwwietrznej jest ograniczenie szumów przepływu wiatru oraz
ochrona mikrofonu przed pyłem, kurzem i spalinami występującymi w pobliżu
wylotu rury wydechowej.
Kalibrator akustyczny służy do kontroli miernika przed i po pomiarze.
16 | S t r o n a