Ćw5-wprowadzenie - Politechnika Śląska

POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 1
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi pojęciami z zakresu pomiarów dźwięku
(hałasu), podstawowymi zależnościami opisującymi propagację dźwięku w środowisku oraz metodyką oceny
narażenia pracownika na ponadnormatywny hałas występujący w miejscu pracy.
2. PODSTAWOWE POJĘCIA
Dźwięk (drgania akustyczne) - drgania mechaniczne cząstek materialnych wokół określonego położenia
równowagi zachodzące w ośrodku sprężystym w zakresie częstotliwości słyszalnej dla ucha ludzkiego.
Inaczej mówiąc dźwiękiem nazywamy drgania akustyczne zdolne wytworzyć wrażenie słuchowe.
Hałas - dźwięki o dowolnym charakterze akustycznym niepożądane w danych warunkach i dla danej osoby.
Inna definicja hałasu określa go jako wszelkie niepożądane, nieprzyjemne, dokuczliwe lub szkodliwe drgania
ośrodka sprężystego, działające za pośrednictwem powietrza na organ słuchu oraz cały organizm człowieka.
Hałas jest pojęciem subiektywnym.
Częstotliwość dźwięku - liczba zmian ciśnienia akustycznego w ciągu 1 sekundy wyrażona w hercach
(1Hz = 1/s). Zakres słyszalności zdrowego człowieka zawarty jest w przedziale od 20 Hz do 20 000 Hz.
Często w literaturze można spotkać również przedział od 16 Hz do 16 kHz. Dokładne wartości dolnej i górnej
częstotliwości dźwięków jakie jest w stanie usłyszeć człowiek zależą od jego indywidualnych
(subiektywnych) cech słuchu.
Wzór opisujący częstotliwość dźwięku wynika bezpośrednio z wzoru na prędkość fali harmonicznej.
Obowiązuje on zarówno dla dźwięku w powietrzu, jak i dźwięku w ciałach stałych i cieczach:
ν =λ⋅ f
⇒
f =
ν
λ
⇒ λ=
ν
f
gdzie:
f – częstotliwość dźwięku w hercach Hz,
λ – długość fali dźwiękowej w m,
ν – prędkość fali w m/s
(dla powietrza ν=340 m/s, dla wody ν= 1490 m/s, dla stali ν= 5100 m/s).
Ciśnienie akustyczne - różnica chwilowej wartości ciśnienia spowodowanego drganiem cząstek w ośrodku
sprężystym (powietrzu) i ciśnienia, jakie panuje w środowisku (tzw. ciśnienia barometrycznego). Ciśnienie
akustyczne oznacza się literą p i mierzy w Pa (1 Pa = 1 N/m2).
Poziom ciśnienia akustycznego to logarytm stosunku ciśnienia akustycznego do ciśnienia odniesienia:
L p = 10 log
p2
p
= 20 log , dB
2
po
po
gdzie:
p – zmierzona wartość ciśnienia akustycznego w Pa,
po - ciśnienie odniesienia, po = 2⋅ 10-5 Pa = 20 µPa = 0,00002 Pa.
Ciśnienie odniesienia po odpowiada dolnej granicy słyszalności ucha ludzkiego, czyli poziomowi 0 dB.
Poziom ciśnienia akustycznego zmierzony w danej (jednostkowej) chwili czasu nazywamy chwilowym
poziomem dźwięku i często oznaczamy SPL (Sound Pressure Level).
Skorygowany poziom ciśnienia akustycznego. Ludzkie ucho nie posiada liniowej charakterystyki w całym
zakresie pasma słyszalnego. Jego czułość jest największa w okolicach częstotliwości od 2 kHz do 4 kH.
Przy pozostałych częstotliwościach czułość ucha ludzkiego zmniejsza się. Z kolei przetworniki
mechanoakustyczne, jakimi są mikrofony pomiarowe, posiadają liniową charakterystykę w całym paśmie
pomiarowym. W celu zbliżenia wyników pomiarów do odczucia słuchowego doznanego przez ucho ludzkie
stosuje się w układzie pomiarowym dodatkowy filtr zwany filtrem korekcyjnym A. Poziom ciśnienia
POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 2
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
akustycznego mierzony z załączonym filtrem korekcyjnym A nosi nazwę skorygowanego poziomu ciśnienia
akustycznego lub poziomu dźwięku LA.
Poziom ten wyraża się wzorem:
m
L pA = LA = 10 log ∑10
(
0 ,1⋅ L pi + K Ai
)
i =1
gdzie:
Lpi – poziom ciśnienia akustycznego w i-tym paśmie częstotliwości w dB,
KAi – wartość poprawki wg charakterystyki A dla i-tego pasma częstotliwości w dB
m – liczba pasm częstotliwości.
Moc akustyczna źródła - ilość energii, jaką wysyła źródło dźwięku w jednostce czasu, mierzona w watach
[W]. Moc akustyczną można wyrazić również w dB – jako poziom mocy akustycznej:
 N 
, dB
LN = 10 log
 No 
gdzie:
N - moc akustyczna źródła dźwięku w W,
No - moc odniesienia równa 1⋅10-12 W.
3. POMIARY HAŁASU
Niekorzystny wpływ hałasu na człowieka zależy nie tylko od poziomu dźwięku, ale również od czasu
jego trwania. Stosowane metody pomiaru i oceny hałasu w środowisku zależą również od charakteru hałasu
z jakim mamy do czynienia. Ze względu na charakter amplitudowo-czasowy hałasu możemy go podzielić na:
a)
b)
c)
hałas ustalony, w którym najmniejsza i największa wartość chwilowego poziomu dźwięku w
czasie oceny jest mniejsza niż 5 dB,
hałas nieustalony, w którym występują wahania chwilowego poziomu dźwięku o więcej niż 5 dB,
hałas impulsowy, gdzie wyszczególnić można wyraźne zjawiska akustyczne o charakterze
impulsowym, np. przejazdy pojedynczych samochodów, wystrzały, zrzuty pary, itp.
Przykładowe przebiegi czasowe wymienionych wyżej hałasów przedstawiono na Rys.1.
a)
b)
c)
Lp
Lp
Lp
t,min
t,min
t,min
Rys.1. Podstawowe rodzaje hałasów: a) ustalony, b) nieustalony, c) impulsowy.
W określenia poziomu hałasu ustalonego należy przeprowadzić co najmniej 5 pomiarów chwilowego
poziomu dźwięku oraz uśrednić zmierzone wartości zgodnie ze wzorem:
Lśr =
1 n
∑ Li
n i=1
W przypadku, gdy rozrzut między zmierzonymi wartościami poziomu hałasu jest większy od 5 dB (hałas
nieustalony) należy wykonać zdecydowanie większą liczbę pomiarów, a uśrednianie wykonać zgodnie ze
wzorem:
POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 3
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
1 n

Lśr = 10 log ∑100,1⋅Li 
 n i=1

W przypadku hałasu nieustalonego należy stasować zdecydowanie większą liczbę pomiarów oraz wydłużyć
czas oceny hałasu. Do pomiaru hałasów nieustalonych oraz impulsowych najlepiej jest wykorzystać
całkujący miernik poziomu dźwięku o odpowiednio dobranej charakterystyce czasowej (fast, impulse),
pozwalającej na regulację częstotliwości wykonywanych pomiarów i określenie całkowitego czasu pomiaru.
Ekwiwalentny (równoważny) poziom dźwięku LAeq charakteryzuje hałas o zmiennym poziomie w czasie.
Wyraża ta samą energię i jednocześnie to samo ryzyko uszkodzenia słuchu, co mierzony hałas o zmiennym
poziomie. Poziom ekwiwalentny (równoważny) wyrażony jest wzorem:
L AeqT
1 n

= 10 log  ∑ ti ⋅ 10 0,1⋅LAi 
 T i =1

gdzie:
LAeq.T
LAi
ti
T
- równoważny poziom dźwięku A wyznaczony dla czasu oceny T,
- poziom dźwięku działający w czasie ti,
- czas działania dźwięku o poziomie LAi,
- czas oceny hałasu.
Innym niż Leq parametrem energetycznym jest poziom ekspozycji na hałas – SEL zdefiniowany jako stały
poziom dźwięku działający w ciągu 1 sekundy, który zawiera tą samą energię akustyczną co mierzony hałas
o dłuższym czasie działania. W przypadku użycia w czasie pomiaru korekcji „A” wartość SEL oznaczana jest
symbolem LAE. Dzięki temu, że poziom ekspozycji na hałas odnosi się zawsze do 1 sekundy możliwe jest
porównanie wartości energii w pojedynczych zdarzeniach hałasowych. Pomiary SEL stosuje się zatem do
określania hałasu emitowanego podczas przejazdów pojedynczych samochodów lub przelotów statków
powietrznych.
4. POJĘCIE DECYBELA (dB)
Dźwięk opisują dwa podstawowe parametry: częstotliwość i amplituda. O ile wartość częstotliwości
waha się granicach od 20Hz do 20000Hz to amplituda dźwięku może przybierać znacznie większe wartości
z zakresu 20 µPa do 200000000 µPa (0,00002 - 200 Pa). Operowanie liczbami należącymi do tak dużego
zakresu sprawiałoby wiele trudności, dlatego postanowiono wprowadzić miarę względną – logarytmiczną,
której jednostką podstawową jest Bel. Bel jest definiowany jako logarytm stosunku wartości mierzonej do
wybranego poziomu odniesienia:
log
x
,B
x0
10 log
x
, dB
x0
1dB = 0,1B
1B = 10dB
Ponieważ Bel [B] jest jednostką posiadającą zbyt mały zakres zmienności przyjęto w zastosowaniach
technicznych używać decyBela [dB], a miarę względną podawaną w dB nazywać poziomem. W przypadku
ciśnienia akustycznego jako poziom odniesienia przyjęto wartość po = 20 µPa. Nietrudno zauważyć, że
dwukrotnemu wzrostowi wartości mierzonej odpowiada wzrost poziomu tej wartości o 3 dB. Skala
logarytmiczna (decybelowa) ogranicza zatem milionowy zakres wartości ciśnienia akustycznego wyrażany w
Pa do przedziału 0-140 dB.
Innym istotnym aspektem wprowadzenia skali logarytmicznej jest rzeczywista percepcja ucha
ludzkiego, które w całym zakresie swojej dynamiki jednakowo rozróżnia zmianę poziomu np. o 1 dB, z czego
wynika, że nie jest ono liniowe w dziedzinie amplitud.
POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 4
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
5. OCENA NARAŻENIA NA HAŁAS
5.1. Wpływ hałasu na człowieka
Problem wpływu hałasu na organizm człowieka jest złożony. Dotyczy on, bowiem człowieka jako
organizmu biologicznego, jednostki intelektualnej i członka grupy społecznej, a także wszelkich przejawów
jego życia. Hałas oddziałuje nie tylko na organ słuchu, lecz również poprzez centralny układ nerwowy na
inne organy. Ważne znaczenie ma również wpływ hałasu na życie psychiczne, sprawność umysłową,
efektywność i jakość pracy. Nadmierny hałas nie tylko wpływa negatywnie na narząd słuchu, lecz również na
ogólny stan zdrowia oraz stan psychiczny i emocjonalny. Powoduje brak poczucia bezpieczeństwa, brak
poczucia niezależności, uniemożliwia porozumiewanie się i orientację w środowisku, pogarsza komfort pracy
i wypoczynku.
Dla oceny wrażeń słuchowych wprowadzono pojęcie poziomu głośności dźwięku. Przez poziom
głośności dźwięku rozumiemy wielkość liczbowo równą poziomowi ciśnienia akustycznego, wytwarzanego w
punkcie obserwacji przez falę bieżącą o częstotliwości 1000 Hz, która daje taką samą głośność jak dźwięk
badany. Za jednostkę poziomu głośności przyjmuje się fon. Poziom głośności dźwięku wynosi n fonów, jeżeli
przeciętny słuchacz ocenia go jako jednakowo głośny z tonem odniesienia 1000 Hz o poziomie ciśnienia
akustycznego n decybeli ponad ciśnienie odniesienia, 2x10-5 Pa.
Przy analizie wpływu hałasu na organizm ludzki rozpatrywać będziemy poziom dźwięku A.
Stosowane w praktyce mierniki poziomu dźwięku zaopatrzone są w specjalne filtry korekcyjne częstotliwości:
A, B, C oraz D. Filtr korekcyjny A przystosowuje charakterystykę pomiarową przyrządu do charakterystyki
czułości ucha w zakresie małych poziomów głośności (0 ÷ 55 fonow), filtr B w zakresie średnich (55 ÷ 85
fonów), a filtr C, dla dużych poziomów głośności powyżej 85 fonów. Dla szczególnie wysokich poziomów
dźwięków, np. hałasów lotniczych, wprowadzono krzywe korekcyjne D. Na Rys.2 pokazano przebiegi
krzywych korekcyjnych A, B, C, i D.
Rys.2. Przebieg krzywych korekcyjnych.
Rozpatrując szkodliwy wpływ hałasu na człowieka można stwierdzić, że hałasy o poziomie A nie
przekraczającym 35 dB są dla zdrowia nieszkodliwe, czasami denerwujące. Hałasy o poziomie A od 35 do
70 dB wpływają ujemnie na organizm, powodując zmęczenie układu nerwowego, obniżenie czułości wzroku,
utrudniają zrozumienie mowy, porozumiewanie się, niekorzystnie wpływają na sen i wypoczynek. Ciągła
ekspozycja hałasu o poziomie A 70÷85 dB wpływa ujemnie na wydajność pracy, działa szkodliwie na
zdrowie. Następuje osłabienie słuchu, bóle głowy, zaburzenia nerwowe. Hałasy o poziomach A zawartych w
przedziale 90÷130 dB są niebezpieczne dla organizmu, powodując liczne zaburzenia, m.in. układu krążenia,
układu pokarmowego. Hałasy o poziomach A wyższych od 130 dB wytwarzają drgania niektórych organów
wewnętrznych człowieka, powodując ich choroby oraz zniszczenie. Przebywanie w hałasie o tym poziomie
powoduje zaburzenia równowagi, mdłości, zmianę proporcji zawartości różnych składników krwi, itp.
POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 5
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
5.2. Metody pomiarów i oceny hałasu w miejscach przebywania ludzi
Pomiary i ocenę hałasu w miejscach przebywania ludzi stosuje się w celu ustalenia czy istnieje
narażenie pracownika na działanie ponadnormatywnego hałasu w miejscu jego przebywania. Wyniki
pomiarów hałasu służą przede wszystkim do porównania istniejących warunków akustycznych z warunkami
określonymi przez normy i przepisy higieniczne, a także do oceny i wyboru planowanych lub realizowanych
przedsięwzięć ograniczających hałas.
Do pomiaru wielkości wszystkich rodzajów hałasu (ustalonego, nieustalonego i impulsowego)
powinny być stosowane dozymetry hałasu lub całkujące mierniki poziomu dźwięku klasy 2 lub lepszej.
Pomiary przeprowadza się metodą bezpośrednią lub pośrednią.
Metoda bezpośrednia polega na ciągłym pomiarze przez cały czas narażenia pracownika na hałas i
odczycie wielkości określanych bezpośrednio przez miernik, np. dozymetr hałasu lub całkujący miernik
poziomu dźwięku. Metoda bezpośrednia (dozymetryczna) umożliwia otrzymanie wyników, które dokładnie
oddają narażenie pracownika na hałas, jednak z różnych względów jest często trudna do zastosowania.
Metoda pośrednia polega na pomiarze hałasu w czasie krótszym niż podlegający ocenie oraz obliczeniu
dawki hałasu na podstawie następujących zależności:
a) ośmiogodzinny poziom ekspozycji na hałas:
LEX ,8 h = LAeq ,Te + 10 log
Te
To
gdzie:
LAeq,Te – poziom hałasu działający w czasie Te,
To – czas odniesienia równy 8 godzin (480 min.)
Jeżeli czas ekspozycji Te jest równy czasowi odniesienia To = 480 minut to ośmiogodzinny poziom
ekspozycji na hałas LEX,8h jest równy równoważnemu poziomowi dźwięku LAeq,Te.
b) dzienna ekspozycja na hałas:
E Ad = 1,15 ⋅ 10 −5 ⋅ 10
0 ,1⋅ L EX , 8 h
, Pa 2 ⋅ s
przy czym dla LEX,8h = 85 dB, dzienna ekspozycja EAd = 3,64 ⋅103 Pa2s
Ocena narażenia zawodowego na hałas polega przede wszystkim na porównaniu zmierzonych lub
wyznaczonych wartości hałasu z wartościami dopuszczalnymi (poziomu ekspozycji na hałas, maksymalnego
poziomu dźwięku A i szczytowego poziomu dźwięku C), obowiązującymi jednocześnie. Wystarczy
przekroczenie jednej z tych wartości, aby uznać przekroczenie wartości dopuszczalnej.
5.2. Wartości dopuszczalne hałasu w środowisku pracy
Ze względu na ochronę słuchu wartości dopuszczalne hałasu w środowisku pracy człowieka
zdefiniowano następująco:
ƒ
poziom ekspozycji na hałas odniesiony do 8-godzinnego dobowego wymiaru czasu pracy (LEX,8h) nie
powinien przekraczać 85 dB, a odpowiadająca mu ekspozycja dzienna nie powinna przekraczać
3,64·103 Pa2·s; lub - wyjątkowo w przypadku hałasu oddziałującego na organizm człowieka w
sposób nierównomierny w poszczególnych dniach tygodnia - poziom ekspozycji na hałas odniesiony
do przeciętnego tygodniowego wymiaru czasu pracy (LEX,w) nie powinien przekraczać wartości 85
dB, a odpowiadająca mu ekspozycja tygodniowa nie powinna przekraczać wartości 18,2·103 Pa2·s,
ƒ
maksymalny poziom dźwięku A (LAmax) nie powinien przekraczać 115 dB,
ƒ
szczytowy poziom dźwięku C (LCpeak) nie powinien przekraczać 135 dB.
Dwie ostatnie wielkości służą do oceny hałasów krótkotrwałych i impulsowych. Podane wyżej wartości
normatywne obowiązują, jeżeli inne szczegółowe przepisy nie określają wartości niższych (np. na
stanowisku pracy młodocianego - LEX,8h = 80 dB, na stanowisku pracy kobiety w ciąży - LEX,8h = 65 dB).
POLITECHNIKA ŚLĄSKA. WYDZIAŁ ORGANIZACJI I ZARZĄDZANIA.
Katedra Podstaw Systemów Technicznych
Strona: 6
- Podstawy Metrologii Ćwiczenie 5. Pomiary dźwięku.
LITERATURA:
1. Bruel & Kjaer: Pomiary dźwięków. Wydawnictwo B&K, Dania.
2. Engel Z.: Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem. PWN, Warszawa 2001.
3. Koradecka D., Zawieska W.: Ocena ryzyka zawodowego. Podstawy metodologiczne. CIOP PIB,
Warszawa 2004.
4. Żyszkowski Z.: Miernictwo akustyczne. WNT, Warszawa 1987.
5. Rozporządzenie Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 29 listopada 2002 r. w sprawie najwyższych
dopuszczalnych stężeń i natężeń czynników szkodliwych dla zdrowia w środowisku pracy (Dz.U. 2003 nr
21 poz. 180).