Pomiary Akustyczne
Dokładne pomiary akustyczne są niezbędne do zrozumienia i kontrolowania dźwięku w różnych zastosowaniach, w tym w akustyce, inżynierii dźwięku i naukach o środowisku.
Dokładne pomiary akustyczne są niezbędne do zrozumienia i kontrolowania dźwięku w różnych zastosowaniach, w tym w akustyce, inżynierii dźwięku i naukach o środowisku.
Przeprowadzanie dokładnych pomiarów akustycznych wymaga dogłębnego zrozumienia definicji dźwięku i czynników wpływających na jego właściwości, takich jak prędkość czy propagacja. Ponadto podstawowa wiedza na temat wielkości pomiarowych dźwięku, takich jak SPL lub LEQ, pomaga dowiedzieć się więcej o technikach pomiarowych i ich zastosowaniach.
Definicja pomiarów akustycznych w fizyce odnosi się do ilościowego określenia właściwości fal dźwiękowych, w tym ich częstotliwości w hercach i poziomu amplitudy w decybelach. Pomiary mają kluczowe znaczenie dla zrozumienia i kontrolowania dźwięku w różnych zastosowaniach, od akustyki i inżynierii dźwięku po diagnostykę medyczną i naukę o środowisku.
Cel pomiarów akustycznych to zrozumienie i kontrolowanie dźwięku w różnych zastosowaniach, od akustyki i inżynierii dźwięku po naukę o środowisku i diagnostykę medyczną. Dzięki ilościowemu określeniu właściwości dźwięku i uwzględnieniu czynników wpływających na dokładność, pomiary dźwięku pozwalają na skuteczną kontrolę hałasu, ocenę hałasu w środowisku, ochronę ludzkiego słuchu oraz postęp w badaniach naukowych i zastosowaniach inżynieryjnych.
Czynniki, które mogą wpływać na dokładność pomiarów dźwięku obejmują medium, przez które przemieszcza się dźwięk (powietrze, woda, ciała stałe), wiatr, wilgotność, temperaturę, ciśnienie powietrza i wibracje. Na przykład wiatr może powodować znaczne błędy pomiarowe, zwłaszcza w przypadku pomiarów poziomu dźwięku na zewnątrz budynków. Podobnie zmiany wilgotności i temperatury mogą wpływać na sposób rozchodzenia się dźwięku, potencjalnie zmieniając pomiary. Wibracje mogą wprowadzać obcy hałas, szczególnie podczas pomiaru dźwięków o niskim poziomie lub gdy wymagana jest wysoka precyzja. Nowoczesne mierniki poziomu dźwięku mogą wykrywać i uwzględniać te czynniki, aby poprawić dokładność pomiarów.
Wiatr może powodować znaczne błędy pomiarowe, zwłaszcza w przypadku pomiarów poziomu dźwięku na zewnątrz budynków. Szum wiatru jest wywoływany przez turbulencje, które powstają, gdy przepływa on nad mikrofonem, co może prowadzić do przeszacowania rzeczywistego poziomu hałasu. Aby złagodzić ten problem, podczas pomiarów na zewnątrz zazwyczaj stosuje się osłony przed wiatrem.
Wilgotność może mieć wpływ na propagację dźwięku. Ogólnie rzecz biorąc, dźwięk rozchodzi się dalej w wilgotnym powietrzu niż w suchym. Wynika to z faktu, że wilgotne powietrze jest mniej gęste niż suche, a tym samym stawia mniejszy opór falom dźwiękowym. Wilgoć ma szczególny wpływ na membranę mikrofonu, dlatego profesjonalne monitory hałasu wykorzystują wewnętrzne systemy grzewcze do odparowywania wilgoci z mikrofonu.
Prędkość dźwięku zmienia się w zależności od temperatury. W powietrzu dźwięk przemieszcza się szybciej w cieplejszych temperaturach niż w chłodniejszych. Gradienty temperatury mogą powodować załamywanie się dźwięku, co może skutkować tym, że postrzegany poziom dźwięku różni się od rzeczywistego poziomu dźwięku w danym miejscu. Zazwyczaj monitory hałasu mogą pracować w warunkach od -10 °C do + 50 °C. Aby rozszerzyć zakres temperatur do -30°C i + 60°C, monitory hałasu wykorzystują systemy ogrzewania i chłodzenia.
Przy wyższym ciśnieniu cząsteczki powietrza są bliżej siebie, co może zwiększyć prędkość dźwięku. Wyższe poziomy ciśnienia mogą zwiększyć intensywność fali dźwiękowej, sprawiając, że dźwięk jest głośniejszy dla słuchacza. Dzieje się tak dlatego, że im wyższe ciśnienie powietrza, tym więcej cząsteczek powietrza może wibrować i przenosić falę dźwiękową. Zmiany ciśnienia powietrza mogą powodować załamanie fal dźwiękowych lub zmianę ich kierunku. Wynika to z różnic w gęstości powietrza, które towarzyszą zmianom ciśnienia powietrza. Na przykład, dźwięk będzie kierował się w stronę obszarów o niższym ciśnieniu powietrza.
Wibracje mogą zakłócać pomiar dźwięku poprzez wprowadzanie obcych szumów. Jest to szczególnie problematyczne w przypadku pomiarów dźwięków o niskim poziomie lub gdy wymagana jest wysoka precyzja. Nowoczesne mierniki poziomu dźwięku wykrywają wibracje zakłócające wyniki za pomocą wbudowanych akcelerometrów. Pomaga to wykluczyć wyniki, na które miały wpływ wibracje.
Jedną z powszechnych metod pomiaru prędkości dźwięku w laboratorium jest metoda rezonansowa. Wykorzystując zasadę rezonansu i obserwując wzorce fali stojącej, możliwe jest określenie długości fali dźwięku w rurze. Ponieważ znana jest częstotliwość (ustawiana przez generator funkcyjny), możliwe jest obliczenie prędkości dźwięku (prędkość = częstotliwość * długość fali). W ten sposób tuba rezonansowa zapewnia praktyczne i praktyczne podejście do badania propagacji fal dźwiękowych i pomiaru prędkości dźwięku.
Wskaźniki akustyczne oceniają dźwięki w sposób zgodny z tym, jak ludzkie ucho odbiera dźwięk, co może być szczególnie przydatne w kontekstach takich jak kontrola hałasu, projektowanie dźwięku oraz oceny zdrowia i bezpieczeństwa. W dziedzinie akustyki norma IEC 61672-1 definiuje wskaźniki pomiaru dźwięku w celu ilościowego określenia i oceny dźwięków w decybelach:
W praktyce pomiary akustyczne wykorzystują wielkości energii dźwięku, takie jak równoważny ciągły poziom dźwięku (LEQ), jako główny wskaźnik decybeli. Powodem jest bezpośredni związek energii dźwięku LEQ z ryzykiem uszkodzenia ludzkiego słuchu. LEQ jest wartością średnią, mierzoną w czasie, dającą pojedynczą wartość w decybelach, która reprezentuje taką samą ilość energii dźwiękowej, jak różne poziomy hałasu doświadczane w tym okresie. Z tego powodu jest często stosowany w środowiskach, w których ludzie są narażeni na różne poziomy hałasu w czasie, takich jak miejsca pracy lub w badaniach zanieczyszczenia środowiska hałasem.
Szczytowe ciśnienie akustyczne to określona w ustalonym przedziale czasu największa wartość bezwzględna chwilowego ciśnienia akustycznego. Szczytowy poziom dźwięku (Peak) to stosunek szczytowego ciśnienia do ciśnienia odniesienia 20 mikropaskali. Pomiary szczytowego poziomu dźwięku są wykorzystywane w różnych dziedzinach, w tym w akustyce, inżynierii dźwięku i medycynie pracy.
W miejscach pracy, w których istnieje ryzyko uszkodzenia słuchu z powodu wysokiego poziomu hałasu, pomiary poziomu dźwięku często wykorzystują wartość szczytową C (maksymalna wartość chwilowego ciśnienia akustycznego ważonego częstotliwością „C”). Szczytowe ciśnienie akustyczne może wystąpić w bardzo krótkim czasie (np. kilka sekund) i może nie być odzwierciedlone przez Leq, który jest średnią z dłuższych przedziałów czasowych. Dlatego pomiar wartości szczytowej jest szczególnie ważny dla monitorowania i zarządzania narażeniem na hałas w miejscach pracy w celu ochrony zdrowia słuchu pracowników.
Pomiary akustyczne wykorzystują skalę decybeli (dB). Decybel to jednostka logarytmiczna, która odzwierciedla stosunek poziomu ciśnienia dźwięku do wartości odniesienia. Wartość referencyjna decybeli jest ustawiona na najcichszy dźwięk, jaki może usłyszeć przeciętne ludzkie ucho: 20 µPa (mikropaskali). Wartość ta jest oznaczana jako 0 dB, oznaczając próg słyszalności człowieka. W zależności od techniki i zastosowania pomiary hałasu są wykonywane w skali do 130 dB (63,2456 Pa) – na przykład w środowisku. Pomiary szczytowych poziomów dźwięku do 140 dB (200 Pa) są wykonywane w hałaśliwych miejscach pracy, ponieważ poziom ten może prowadzić do natychmiastowego uszkodzenia i potencjalnie trwałej utraty słuchu.
W praktyce akustycy stosują specjalistyczne techniki pomiarowe, które zapewniają dokładność. Wybór odpowiedniej techniki pomiaru dźwięku zapewnia kontrolę nad jego właściwościami akustycznymi i czynnikami na nie wpływającymi. Poniżej wymieniono najczęściej stosowane techniki pomiarowe:
Dokładny pomiar dźwięku wymaga zrozumienia właściwości akustycznych dźwięku, a także czynników na nie wpływających. W praktyce akustycy stosują specjalistyczne techniki pomiaru dźwięku w zależności od zastosowania. Poniżej wymieniono najczęstsze zastosowania pomiarowe:
Różnorodność zastosowań, technik i czynników wpływających na dokładność pomiarów akustycznych wymaga standaryzacji. Aby zapewnić dokładność i spójność, międzynarodowe organizacje, takie jak ISO, ustanowiły normy dotyczące pomiarów dźwięku dla każdego zastosowania. Normy uwzględniają czynniki wpływające na dokładność i wskazują wielkości pomiarowe, skale, oprzyrządowanie i techniki. Poniżej wymieniono najczęściej stosowane normy dotyczące pomiarów akustycznych:
Przyrządy pomiarowe w akustyce obejmują mierniki poziomu dźwięku, dozymetry hałasu oraz stacje monitoringu. Wybór oprzyrządowania zależy od zastosowania:
