I-02m

PWSZ -Leszno
LABORATORIUM POMIARY I BADANIA WIBROAKUSTYCZNE
Temat:
ANALIZA WIDMOWA HAŁASU
Instrukcja
Wykonania
ćwiczenia
2(m)
1. CEL ĆWICZENIA
• Doskonalenie umiejętności w zakresie wykonywania oktawowej analizy widmowej hałasu oraz
interpretacji uzyskiwanych wyników.
• Ćwiczenia w obliczaniu poziomu dźwięku A oraz liniowego poziomu dźwięku (Lin) na podstawie widma
oktawowego.
• Przeprowadzenie oszacowania skuteczności izolacji akustycznej ekranów akustycznych.
2. SPRZĘT I WYPOSAśENIE:
Sprzęt dostępny w laboratoriom
• komputer z oprogramowaniem analizator, wyposaŜony w kartę dźwiękową współpracujący z
mikrofonem, opcjonalnie miernik i analizator dźwięku SVAN 912 AE
• kalibrator akustyczny,
• taśma miernicza 3m,
• ekran akustyczny.
Studenci przynoszą:
• źródło dźwięku:
GRUPA DM :Przynosimy najlepiej hałaśliwe urządzenie techniczne np. wiertarka, wyrzynarka
itp. lub drobny sprzęt AGD np.: mikser, robot kuchenny, maszynka do mięsa, golarka suszarka
do włosów itp. Przynosimy jedno urządzenie na podgrupę ćwiczeniową 3-4 osoby (prosimy to
uzgodnić między sobą).
GRUPA DS. Opcjonalnie, w przypadku sprzyjających warunków atmosferycznych źródłem
hałasu będzie pracujący silnik samochodowy. Prośba o zapewnianie jednego samochodu na
podgrupę ćwiczeniową. Ekranem akustycznym w przypadku badania samochodu będzie
pokrywa silnikowa (zazwyczaj przednia maska samochodu).
• wydrukowane dwustronnie formatki raportu z ćwiczenia,
• przyrządy do rysowania, ołówek, linijka, kredki (pisaki) w trzech kolorach,
• kalkulator z funkcjami.
3. PRZEBIEG ĆWICZENIA:
• InstruktaŜ (przeprowadza prowadzący ćwiczenie)
- Pokaz obsługi programu ANALIZATOR (lub analizatora SAN 912AE)
- Dla kaŜdego studenta w podgrupie ćwiczeniowej prowadzący indywidualnie definiuje
konfigurację wykonania pomiarów tzn. określa rodzaj ekranu akustycznego oraz ustala
wzajemne połoŜenie: źródła dźwięku, mikrofonu oraz ekranu akustycznego.
• Wykonujący ćwiczenie wpisuje w raporcie z badań (punkt 1) dane dotyczące obiektu badań i warunków
wykonania pomiarów
- w punkcie 1a - Opis i charakterystyka źródła dźwięku: rodzaj, typ i marka urządzenia, reŜim pracy
(np. bieg dla suszarki itp), wymiary charakterystyczne źródła dźwięku, rodzaj emitowanego hałasu
(odczucie subiektywne np. ciągły, impulsowy, szumowy, monoharmoniczny, złoŜony, dźwięk
wysoki niski itp.)
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 1/6
- w punkcie 1b - Opis zastosowanej przegrody (ekranu akustycznego), jego wymiary, grubość ,
rodzaj materiału z jakiego wykonany jest ekran.
- w punkcie 1.c Szkic sytuacyjny ukazujący wzajemne usytuowanie: źródła dźwięku, mikrofonu i
ekranu akustycznego. Na szkicu naleŜy nanieść wszystkie istotne odległości, wymiary, określić
kształt ekranu jego lokalizację itp. (patrz rys.1)
• KaŜdy student wykonuje dwukrotnie analizę widmową hałasu wykorzystując oprogramowanie
ANALIZATOR dla dwóch ustalonych przez prowadzącego konfiguracji pomiarowych:
- bez przegrody akustycznej,
- z przegrodą akustyczną.
WARIANT POMIARU 1 - bez
ekranu akustycznego
mikrofon
l
źródło hałasu
PC
z programem
ANALIZATOR
WARIANT POMIARU 2 - z
ekranem akustycznym
PC
l
z programem
ANALIZATOR
x
h
H
a
g
Rys.1. Warianty wykonania badań oraz oznaczenie istotnych odległości wymiarów
charakterystycznych ekranu akustycznego
Otrzymane wyniki oktawowej analizy widmowej dla poszczególnych pasm częstotliwości wpisujemy w tabelę
(w punkcie 2 raportu). W kolumnach b i c tabeli proszę wpisać wyniki analiz widmowych (poziomy ciśnienia
akustycznego) dla poszczególnych pasm oktawowych fi :
- w kolumnie b poziomy Lf i(b) dla wariantu bez przeszkody akustycznej,
- w kolumnie c poziomy Lf i(p) dla wariantu z przeszkodą akustyczną.
gdzie:
- Lfi - poziomy ciśnienia akustycznego odczytany dla kolejnych częstotliwości środkowych pasma
oktawowego fi (i=1...10,)
- indeks (b) oznacza poziomy ciśnienia dla wariantu pomiaru bez ekranu,
- indeks (p) oznacza poziomy ciśnienia dla wariantu z ekranem (przegrodą akustyczną).
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 2/6
• Na podstawie uzyskanych danych naleŜy narysować (w oknie 3a sprawozdania) na jednym wykresie
dwa widma oktawowe hałasu dla obu przypadków (bez i z ekranem akustycznym). Proszę
przedstawić widma w postaci wykresu kolumnowego. Na rysunku, w kaŜdym paśmie oktawowym
umieszczamy obok siebie dwa słupki (dla wariantu bez i z ekranem). Dla odróŜnienia wariantów
pomiarowych widma naleŜy wykonać róŜnymi kolorami. Proszę nie zapomnieć o legendzie do
rysunku. Na podstawie porównania widm moŜemy ocenić o ile decybeli [dB] obniŜył się poziom
ciśnienia akustycznego w poszczególnych pasmach oktawowych po umieszczaniu pomiędzy źródłem
hałasu a mikrofonem ekranu akustycznego.
• Dla lepszego uchwycenia zmian ilościowych w kolejnych wierszach kolumny d tabeli w punkcie 2
sprawozdania wpiszmy róŜnicę poziomów ciśnienia akustycznego dla poszczególnych pasm
oktawowych ∆Lfi. . Uzyskane wartości w kolumnie d ukazują efektywność (skuteczność) redukcji
hałasu docierającego do mikrofonu po zastosowanego ekranu, w poszczególnych pasmach
oktawowych. Wartości z kolumny d naleŜy następnie nanieść na wykres w punkcie 3c raportu (w
postaci słupków). Przed wykonaniem wykresu warto w pierwszej kolejności sprawdzić zakres
zmienności wartości i dobrać odpowiednio skalę na osi pionowej wykresu.
• Z punktu widzenia właściwości narządu słuchu człowieka interesujące byłoby sprawdzenie jak
odbiera hałas emitowany przez źródło hałasu nasze ucho. Dla oceny percepcji hałasu przez
człowieka naleŜy skorygować widmo oktawowe hałasu uzyskane z analizatora charakterystyką
korekcyjną A. Poprawki korekcyjne dla poszczególnych pasm oktawowych zamieszczono Tabeli 1
oraz w kolumnie a tabeli (pkt. 2 raportu).
Tabela 1. Poprawki korekcyjne dla charakterystyki A dla poszczególnych pasm oktawowych
Częstotliwość środkowa
. pasma oktawowego
[Hz]
poprawka korekcyjna dla
charakterystyki A
KAi [dB]
31.5
63
125
250
500
1k
2k
4k
8k
16k
-39,3
-26,2
-16,1
-8,6
-3,2
0
+1,2
+1
-1,1
-6,6
• W kolumnie e wpisujemy skorygowane charakterystyką A poziomy ciśnienia akustycznego dla
kolejnych pasm oktawowych. Korekcja polega na dodaniu do zmierzonych poziomów ciśnienia
akustycznego zamieszczonych w kolumnie b poprawek z kolumny a. W analogiczny sposób
uzyskamy postać skorygowanego widma oktawowego (charakterystyką korekcyjną A) dla wariantu
eksperymentu z przegrodą akustyczną. W tym celu naleŜy do danych z kolumny c dodać poprawki z
kolumny a i wpisać wyniki w kolumnie f.
Uwaga! NaleŜy mieć na względzie, Ŝe niektóre wartości poprawek mają wartości ujemne a
niektóre dodatnie.
• Skorygowane charakterystyką A widma hałasu dla obydwu wariantów eksperymentu (bez i z
ekranem akustycznym) naleŜy nanieść postaci wykresu kolumnowego w punkcie 3d raportu. Na
rysunku, w kaŜdym paśmie oktawowym umieszczamy obok siebie dwa słupki(dla wariantu bez i z
ekranem). Dla odróŜnienia, widma dla eksperymentu z i bez ekranu akustycznego naleŜy wykonać
róŜnymi kolorami. Proszę nie zapomnieć o legendzie do rysunku.
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 3/6
• Kolejnym etapem ćwiczenia jest przeprowadzenie syntezy widma oktawowego w celu wyznaczenia
poziomu ciśnienia akustycznego dla całego pasma akustycznego (20- 20kHz czyli dla oktaw o
częstotliwościach środkowych od 31.5 Hz do 16 kHz). Dla kaŜdego z wariantów eksperymentu na
podstawie widm oktawowych obliczamy:
- liniowy poziom ciśnienia akustycznego na podstawie zaleŜności
n
LLin = 10 log ∑10
0.1⋅ L fi
(1)
i =1
- poziom dźwięku A
n
L A = 10 log ∑ 10
(
0.1⋅ L fi + K Ai
)
(2)
i =1
gdzie:
i – kolejny numer pasma oktawowego,
n - liczba analizowanych pasm oktawowych, w naszym przypadku n=10,
fi - częstotliwość i-tej częstotliwości środkowej pasm oktawowego,
Lfi – odczytany z programu ANALIZATOR poziom ciśnienia akustycznego w paśmie
oktawowym fi
KAi - poprawka dla charakterystyki A dla i-tego pasma oktawowego(patrz tabela 1)
• Obliczone poziomy ciśnienia liniowego (LLin ) i poziomu dźwięku A (LA), uzyskane w wyniku
syntezy widm oktawowych dla poszczególnych wersji eksperymentu, wpisujemy w dolnych
wierszach tabeli (pkt. 2 raportu). Wyniki proszę nanieść na rysunek w pkt. 3d w postaci słupków.
Przed wykonaniem wykresu warto w pierwszej kolejności sprawdzić zakres zmienności wartości
i dobrać odpowiednio skalę na osi pionowej wykresu.
4. WNIOSKI
Na podstawie wyników uzyskanych z przeprowadzonych eksperymentów naleŜy wyciągnąć wnioski
• Ocena jakościowa i hałasu emitowanego przez maszynę/urządzenie na podstawie widma
oktawowego.
Ten typ oceny naleŜy przeprowadzić na podstawie widma oktawowego bez korekcji częstotliwościowej.
Da to nam informację o faktycznym składzie widmowym hałasu. NaleŜy pamiętać, Ŝe ocena ta nie jest
równoznaczna subiektywnymi odczuciami hałasu przez człowieka. Przeanalizuj postać widma
oktawowego hałasu uzyskanego dla opcji eksperymentu bez ekranu akustycznego i odczytywanego
bezpośrednio z programu ANALIZATOR tzn. bez korekcji częstotliwościowej (wyniki te masz w pkt. 2
raportu w kolumnie b oraz na rysunku a w pkt. 4 raportu).
Aby dokonać oceny jakościowej czyli określić jaki jest jaki jest charakter hałasu zaobserwuj w jakich
zakresach częstotliwości znajdują się najwyŜsze pod względem wartości poziomów ciśnienia
akustycznego składowe widma.
JeŜeli dominować będą składowe z zakresie niskich częstotliwości (oktawy o
częstotliwościach środkowych do ok. 250 - 500 Hz)
będziemy mówili o hałasie
niskoczęstotliwościowym.
MoŜna przyjąć Ŝe dominacja składowych w paśmie od ok. 500 do ok 4000 Hz czyli w
paśmie najlepiej percypowanym przez narząd słuchu człowieka moŜe świadczyć, Ŝe mamy
do czynienia z hałasem średnioczęstotliwościowym .
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 4/6
Przyjmijmy równieŜ, Ŝe w przypadku hałasu o dominujących składowych i w paśmie
powyŜej 4000 Hz moŜe będziemy mówili, Ŝe hałas ma charakter wysokoczęstotliwościowy
.MoŜe się zdarzyć, Ŝe w widmie dominować będzie kilka sąsiadujących ze składowych
widma. W tym przypadku będziemy mówili, Ŝe hałas ma postać szumu pasmowego w
zakresie częstotliwości gdzie składowe te dominują.
MoŜe się zdarzyć, Ŝe jedna ze składowych widma oktawowego będzie wyŜsza od
pozostałych składowych o minimum 5 dB. W takim przypadku hałas emitowany przez
źródło będziemy odbierali nie jako szum lecz hałas z wyraźnie słyszalną składową jednym
tonem (lub składowymi) o częstotliwości zawierającej się paśmie częstotliwości, w którym
to lokalne maksimum wystąpiło. W tym przypadku będziemy mówili o hałasie z dominująca
składową tonalną w danym paśmie częstotliwości.
• Ocena jakościowa hałasu emitowanego przez maszynę urządzenie pod kątem jego uciąŜliwości dla
człowieka
Dla tego rodzaju oceny naleŜy w pierwszej kolejności zastanowić się jak hałas będzie
subiektywnie odbierany przez nasz narząd słuchu. Jest rzeczą oczywistą, Ŝe ten typ oceny
naleŜy przeprowadzić na podstawie widma oktawowego z korekcją częstotliwościową A,
uwzględniającą specyfikę narządu słuchu i percepcję dźwięków przez człowieka.
W tym celu oceń, w jakim paśmie częstotliwości widma korygowanego znajdują się składowe o
najwyŜszych poziomach ciśnienia akustycznego. W tych właśnie pasmach hałas emitowany
przez źródło będzie przez nas najlepiej słyszalny i prawdopodobnie najbardziej uciąŜliwy.
Warto równieŜ porównać skład widmowy hałasu bez korekcji i z korekcją A. Na podstawie
porównania moŜna wyciągnąć, które składowe hałasu są bardziej czy mniej istotne z punktu
widzenia percepcji i uciąŜliwości hałasu.
Podobnie jak dla widma nie korygowanego moŜemy przeprowadzić ocenę jakościową hałasu na
podstawie widm po korekcji A. Da to nam pogląd jak hałas będzie subiektywnie odbierany
przez człowieka jako np.: nisko, średnio czy wysokoczęstotliwościowy częstotliwościowy,
pasmowy czy teŜ tonalny. MoŜe się okazać, Ŝe w tym przypadku zupełnie inaczej
zakwalifikujesz hałas. Zastanów się czy, i w jakim stopniu charakterystyka A zmieniła
klasyfikacje jakościową hałasu. JeŜeli tak to zastanów się, z czego to wynika.
• Określenie właściwości ekranu akustycznego dla danej maszyny i ocena skuteczności
zastosowanego rozwiązania.
Dla danego źródła hałasu moŜna równieŜ określić działania techniczne pozwalające redukcję hałasu
np. poprzez zastosowanie osłon lub ekranów akustycznych. Na podstawie analizy widm
korygowanych spróbuj określić właściwości np. ekranu akustycznego. Określ, w jakich pasmach
częstotliwości powinien on skuteczniej izolować lub absorbować dźwięki, aby zmniejszyć
uciąŜliwość hałasu.
Skonfrontuj oczekiwania, co do właściwości powinien posiadać ekran akustyczny z charakterystyką
uzyskaną dla stosowanej w eksperymencie przegrody. Charakterystyka ukazująca skuteczność
izolacji dźwięków w poszczególnych pasmach oktawowych została wyznaczona eksperymentalnie,
patrz punkt 3 raportu wykres c. Charakterystyka ta zawiera informację o zmianie poziomu ciśnienia
akustycznego (zazwyczaj obniŜeniu poziomu ciśnienia akustycznego) w poszczególnych pasmach
częstotliwości dla konkretnej konfiguracji – usytuowania ekranu i parametrów akustycznych
pomieszczenia laboratorium.
Oceń czy zastosowany w ramach ćwiczenia ekran akustyczny będzie spełniał swoje zadanie.
Przyjrzyj się równieŜ efektom redukcji hałasu uzyskanym w wyniku zastosowania ekranu
akustycznego (przegrody). Pomocne będzie przeanalizowanie widm punkcie 3 raportu
zamieszczonych na rysunkach a i b.
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 5/6
• Globalna (ogólna) ocena ilościowa hałasu
Ocenę ilościową przeprowadzamy w oparciu o porównanie:
- wartości poziomów ciśnienia akustycznego LLin wyznaczonego dla całego analizowanego pasma
od 20 Hz do 20 kHz,
- wartości poziomów dźwięku A.
Ocena powinna dotyczyć dwóch aspektów
- Oceny hałasu emitowanego przez źródło (na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów
bez ekranu). Porównaj czy i o ile dB róŜni się liniowy poziom dźwięku od poziom dźwięku
A emitowany przez źródło . Zastanów się, z czego wynika ta róŜnica (pomocne będzie
porównanie widm bez i z korekcją).
- Oceny skuteczność redukcji hałasu uzyskanej w wyniku zastosowania ekranu akustycznego.
Ocenę przeprowadź na podstawie porównania wartości poziomu dźwięku A dla przypadku
pomiarów realizowanych bez i z przegrodą /ekranem akustycznym.
LITERATURA:
Cempel C. Wibroakustyka Stosowana.( e-skrypt - zamieszczony w internecie)
Engel Z., Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem PWN Warszawa 1993.
PYTANIA KONTROLNE:
1. Co to jest dźwięk, a co to jest hałas?
2. Opisz charakterystyki częstotliwościowe stosowane w miernikach dźwięku. Do czego one słuŜą,?
Narysuj charakterystykę częstotliwościową A.(pamiętaj o oznaczeniu osi wykresu i naniesieniu skali).
3. Wyjaśnij na czym polega analiza widmowa o stałej szerokości pasma i stałej względnej szerokości
pasma. Zamieść stosowne wzory i rysunki
4. Na czym polega analiza widmowa oktawowa i tercjowa. Jaki jest cel stosowania, obszar zastosowań
tego typu analizy. Narysuj przykładową postać widma oktawowego z oznaczeniem i opisem osi.
5. W jaki sposób na podstawie widma oktawowe dźwięku moŜna wyznaczyć: liniowy poziom dźwięku
oraz poziom dźwięku A. Zamieść odpowiednie wzory z opisem oznaczeń.
6. Opisz metody tworzenia widma oktawowego.
© Roman Barczewski 2007
PWSZ_pbwa_I02m 6/6