IA_ cwiczenie 1_LEQi..

1/5
MW Ćwiczenie Nr 1
Dr inż.Tadeusz Wszołek
[email protected], \\galaxy.uci.agh.edu.pl\~twszolek
[email protected] – adres do wysyłania sprawozdań!
Inżynieria akustyczna, Miernictwo wibroakustyczne
Ćwiczenie nr 1.
Badanie własności sygnałów akustycznych w dziedzinie czasu – zastosowanie
poziomów LEQ i SEL w badaniach hałasu drogowego.
1.
Wprowadzenie
Podstawowe wielkości mierzalne hałasu zostały znormalizowane i zamieszczone w normie
PN ISO 1996-1,2,3. Wielkości te zostały przyjęte jako obowiązujące w większości (jeśli nie
we wszystkich) krajach świata.
Poziom ciśnienia akustycznego:
2
⎛ p ⎞
p
L p = 10 log10 ⎜⎜ ⎟⎟ = 20 log10
p0
⎝ p0 ⎠
(1)
1.1.
Parametryzacja sygnału akustycznego w dziedzinie częstotliwości
Poziom dźwięku A. Odpowiada krzywej jednakowej słyszalności 40 fonów.
Fon jest miarą głośności i równa się liczbowo poziomowi ciśnienia akustycznego tylko dla
tonu prostego o częstotliwości 1000 Hz.
Rys.1. Przebiegi podstawowych filtrów częstotliwościowych stosowanych przy pomiarach
sygnału akustycznego
Filtra A – Stosuje się do zdecydowanej większości pomiarów wskaźnika hałasu w
środowisku i na stanowiskach pracy, zaimplementowany we wszystkich miernikach poziomu
dźwięku. Odpowiada krzywej głośności 40 fonów.
Filtry B i C odpowiadają odpowiednio krzywym 70 i 100 fonów. Filtr C stosowany jest w
pomiarach hałasów impulsowych ( wartości szczytowej) na stanowiskach pracy oraz w
impulsów wysokoenergetycznych w środowisku. Filtr B obecnie nie jest stosowany.
dr inż.Tadeusz Wszołek, KMiW AGH Kraków
2/5
MW Ćwiczenie Nr 1
Filtry D i E ( przez Stevensa) zostały utworzone do estymacji hałasów „widzialnych” i
używany do pojedynczych zdarzeń akustycznych - hałasu lotniczego. Obecnie nie są
stosowane.
Filtr SI zalecany jest do pomiaru zakłóceń mowy ( zaproponowany przez Webster’a)
We współczesnych przyrządach pomiarowych obligatoryjnie stosuje się filtr A oraz filtr C.
Charakterystyki powyższych filtrów pokazano na rys.1.
Poziom dźwięku A (LA)możemy wyznaczyć także z widma 1/1 lub 1/3 oktawowego wg
poniższej zależności:
n
L A = 10 log ∑10
L f i + K Ai
10
i =1
(2)
gdzie Lfi – poziom ciśnienia akustycznego w paśmie częstotliwości fi, dB
n – liczba pasm częstotliwości,
KAi – poprawka wg krzywej A dla częstotliwości fi, dB
Do celów modelowania oraz analiz własności akustycznych ośrodków w których dźwięk się
rozprzestrzenia, strukturę widmową sygnału przedstawia się w pasmach 1/1 lub 1/3
oktawowych. W pasmach tych stosowane są też wszelkie poprawki i korekcje wielkości
źródłowych jak i na drodze propagacji dźwięku w środowisku.
Poniżej podano podstawowe zasady konstrukcji filtrów 1/3 i 1/1 oktawowych:
Filtry o stałej względnej szerokości pasma 1/1 i 1/3 oktawowe:
f śr =
fd f g
fg
,
fd
= 2 =2
n
1
n
(3)
gdzie:
fśr – częstotliwość środkowa filtra,
n – część oktawy filtra, np. n=3 – filtr 1/3 oktawowy, n=12, filtr 1/12 oktawowy,
fd, fg – częstotliwości odpowiednio dolna i górna filtra
Filtr oktawowy, n=1:
f g = 2 fd ,
f śr = 2 f d f d = 2 f d
(4)
Filtr 1/3 oktawowy ( tercjowy), n=3:
fg = 2 fd ,
3
1
3
f śr = 2 f d f d = 6 2 f d (5)
Względna szerokość pasma przenoszenia wyrażona w %
Zależność ogólna
Δf w =
fg − fd
f śr
100%
(6)
Filtr oktawowy:
Δf w =
f g − fd
f śr
100% =
1
2 fd − fd
100% = 70.7% (7)
100% =
2
2 fd
Filtr tercjowy:
dr inż.Tadeusz Wszołek, KMiW AGH Kraków
3/5
MW Ćwiczenie Nr 1
Δf w =
f g − fd
f śr
1
100% =
2 3 fd − fd
1
6
100% = 23.1%
(8)
2 fd
1.2.
Parametryzacja sygnału akustycznego w dziedzinie czasu
Podstawowym parametrem sygnału akustycznego w dziedzinie czasu jest jego wartość
średnia wyrażona poziomem pierwiastka wartości średniokwadratowej (RMS) – wartości
skutecznej. W akustyce nazywa się poziomem równoważnym ( ekwiwalentnym). Innym,
powszechnie stosowanym parametrem w dziedzinie czasu jest poziom ekspozycyjny,
szczególnie wygodny do charakteryzowania własności przejściowych zdarzeń akustycznych.,
jak np. pojedynczy przejazd samochodu.
Poziom równoważny (LEQ)
Poziom uśredniony za czas pomiaru T. Może być rozważany jako wartość mająca ten sam
skutek energetyczny, co poziom stały o tej samej wartości ( w tym samym czasie).
Matematycznie jest to poziom wartości skutecznej sygnału:
L Aeq ,T
⎡ 1 T ⎛ p (t ) ⎞ 2 ⎤
= 10 log⎢ ∫ ⎜⎜ A ⎟⎟ dt ⎥ (9)
⎢⎣ T 0 ⎝ p0 ⎠ ⎥⎦
gdzie T – całkowity czas pomiaru, h
pA(t) – ciśnie akustyczne filtrowane wg filtru A, Pa
p0 – ciśnienie odniesienia ( 20 μPa)
W praktyce, dysponując wyznaczonymi ( zmierzonymi) wartościami poziomów
równoważnych w i-tych odcinkach czasu, można skorzystać z poniższej zależności:
LAeq ,T
⎡1
= 10 log ⎢
⎣T
∑ (t 10
n
i =1
i
0.1 L Ai
)⎤⎥
⎦
(10)
Dodatkowo w celu określenia granic zmian sygnału poziomów czasu wyznacza się jego
wartości maksymalną (LAMAX) oraz minimalną ( LAMIN). Są to wartości odpowiednio
maksymalna i minimalna z 1-sekundowych poziomów równoważnych zmierzonych w czasie
obserwacji T.
Poziom ekspozycyjny (SEL)
Poziom ekspozycyjny pojedynczego zdarzenia akustycznego definiowany jest jako taki sam
poziom, który trwałby 1 s i dostarczyłby do odbiorcy tę samą ilość energii. Jest to poziom
równoważny normalizowany do czasu trwania 1 s.
⎡ 1 t2 ⎛ p (t ) ⎞ 2 ⎤
SEL = L ASE = 10 log ⎢ ∫ ⎜⎜ A ⎟⎟ dt ⎥
(13)
⎢⎣ t 0 t1 ⎝ p 0 ⎠ ⎥⎦
gdzie:
pA(t) – ciśnienia akustyczne, filtrowane wg filtru A;
p0 – ciśnienie odniesienia, 20 μPa
t0- czas odniesienia, t0=1s
t2-t1 – czas trwania zdarzenia, s
Praktyczne zależności:
dr inż.Tadeusz Wszołek, KMiW AGH Kraków
4/5
MW Ćwiczenie Nr 1
(
LASE = 10 log t10
0.1LAeq
)
(14)
gdzie t – czas trwania zdarzenia, s
LAeq – poziom równoważny, ważony wg filtru A, dB
Zależność pomiędzy poziomem równoważnym , a poziomem ekspozycyjnym. Poziom średni
z n poziomów.
− dla pojedynczego zdarzenia
⎛t ⎞
L Aeq ,T = L ASE + 10 log⎜ 0 ⎟ (15)
⎝T ⎠
− dla n zdarzeń:
⎡t
L Aeq ,T = 10 log ⎢ 0
⎣T
n
∑ 10
i =1
0.1L AE i
⎤
⎥
⎦
(16)
− Poziom średni, Lśr
n
1
Lśr = 10 log ∑ 10 0,1Li (17)
i =1 n
Poziom ekspozycyjny jest wygodny do ocen hałasów przejściowych i krótkotrwałych
pojedynczych zdarzeń, np. przejazd samochodu, pociągu, przelot samolotu itp., ujmuje
bowiem poziom hałasu i czas trwania danego zdarzenia
2.
Przebieg ćwiczenia – Badanie własności sygnałów w dziedzinie czasu i
amplitud – zastosowanie poziomów LEQ i SEL w badaniach hałasu
drogowego.
Ćwiczenia prowadzone jest za pomocą przyrządów – co najmniej 2 zintegrowanych
analizatorów dźwięku – przystosowanych do rejestracji automatycznej wyników z zadaną
częstotliwością:
Pomiary wykonywane będą przy ul. 1-Maja na wysokości Błoń Krakowskich.
Przyrządy pomiarowe: SVAN 945 A, 912AE, Nor 116 ( lub inne dostępne w dniu ćwiczeń)
Program ćwiczenia:
1. Rejestracja ciągła ( poziomu LEQ) sygnału z ( opcjonalnym) automatycznym zapisem
z zadaną częstotliwością 1s i 1 min w czasie 15 min. Niezależnie wykonywane będą
pomiary natężenia ruchu z podziałem na pojazdy ciężkie ( autobusy, samochody
ciężarowe i motocykle) oraz lekkie ( pozostałe) i tramwaje.
2. Pomiar poziomu ekspozycyjnego (SEL) pojedynczych przejazdów dla wyróżnionych
kategorii pojazdów, dla co najmniej 20 pojazdów lekkich oraz pozostałych stosowanie
do możliwości ( liczby zdarzeń w czasie ćwiczeń). Możliwe jest grupowanie
pojazdów – maksymalnie do trzech. Wówczas poziom ekspozycyjny LASEi
pojedynczego (i-tego) pojazdu ( tej samej klasy) można wyznaczyć z poniższej
zależności:
dr inż.Tadeusz Wszołek, KMiW AGH Kraków
5/5
MW Ćwiczenie Nr 1
⎡1
⎤
LASE i = 10 log ⎢ 10 0,1LASEn ⎥
⎣n
⎦
(18)
Dalej, znając liczbę pojazdów ( ciężkich, lekkich i tramwajów) jakie przejechały w czasie
pomiaru poziomu LEQ ( punkt 1) i korzystając z zależności (15, 16), należy obliczyć poziom
równoważny (LEQ) dla tego odcinka czasowego przyjmując wartość średnią SEL ( wg
zależności 17) z wartości zmierzonych dla poszczególnych klas pojazdów.
W przypadku pomiarów pojedynczych zdarzeń akustycznych należy wyznaczyć odchylenie
standardowe, jako podstawową miarę jakości ( rozrzutu) danych – niepewność standardową.
Otrzymane rezultaty ( LEQ pomiarowe i obliczeniowe) należy porównać i ocenić przyczyny
ew. ich niezgodności.
Raport ( sprawozdanie) z pomiarów powinien zawierać:
1. Szkic sytuacyjny
2. Wyniki pomiarowe
3. Wyniki obliczeń wraz z ich interpretacją graficzną.
4. Wnioski
Sprawozdania powinny być wykonane w formie elektronicznej przez każdego studenta
oddzielnie i przesłane w formacie PDF na adres [email protected].
Termin przesłania sprawozdania – 2 tygodnie od wykonania ćwiczenia. Deadline godz.
24:00, dzień przed następnym ćwiczeniem. Brak terminowego oddania sprawozdania
spowoduje obniżenie końcowej oceny, ponadto uniemożliwia uczestnictwo w kolejnych
ćwiczeniach.
Nazwa
pliku
Nazwisko_Imie_Nr
grupy_NumerCwiczenia,
np.
„Kowalski_Jan_gr2_cw1.pdf”. Nieprawidłowa nazwa pliku może być równoważna z
brakiem ( lub nieterminowym oddaniem) sprawozdania.
dr inż.Tadeusz Wszołek, KMiW AGH Kraków