Pomiary akustyczne - co wiedzieć
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
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.
Spis Treści
Jaka jest cel pomiarów akustycznych?
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.
Jakie czynniki mogą wpływać na dokładność pomiarów dźwięku?
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
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
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.
Temperatura
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.
Ciśnienie powietrza
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
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.
Jak zmierzyć prędkość dźwięku?
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
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:
- Uśredniony w czasie poziom dźwięku lub równoważny ciągły poziom dźwięku (LAeq) to logarytm do podstawy 10 stosunku ważonego częstotliwościowo ciśnienia akustycznego w przedziale czasu do podniesionej do kwadratu wartości odniesienia wynoszącej 20 mikropaskali. LEQ jest najczęściej używaną wielkością pomiaru dźwięku w akustyce, ponieważ odnosi się bezpośrednio do energii dźwięku.
- Szczytowy poziom dźwięku (Lpeak) jest logarytmem do podstawy 10 stosunku podniesionego do kwadratu największego ciśnienia akustycznego (dodatniego lub ujemnego) w danym przedziale czasu do wartości odniesienia wynoszącej 20 mikropaskali.
- Poziom ciśnienia akustycznego (Lp) to logarytm z podstawą 10 stosunku średniej kwadratowej ciśnienia akustycznego w czasie do kwadratu wartości odniesienia 20 mikropaskali. SPL mierzy decybele ze skalą ważenia A (dBA), aby zmierzyć reakcję ludzkiego ucha na różne poziomy ciśnienia akustycznego.
- Poziom dźwięku ważony czasowo (LAF lub LAS) jest logarytmem do podstawy 10 stosunku średniej czasu ważonego czasem kwadratu sygnału ciśnienia akustycznego ważonego częstotliwością do kwadratu wartości odniesienia 20 mikropaskali. W przypadku pomiarów poziomów dźwięku ważonych w czasie symbolami są LAF, LAS, LCF i wagi A lub C oraz wagi czasu Fast (F) i Slow (S). Ważony w czasie poziom dźwięku jest zwykle używany do badań hałasu i pomiarów tła akustycznego.
- Poziom ekspozycji na dźwięk (LAE) jest logarytmem do podstawy 10 stosunku ekspozycji na dźwięk ważonej A w przedziałach czasowych (T) do wartości odniesienia ekspozycji na dźwięk. LAE jest równy sumie LAeq w przedziale czasu i 10 logarytmów stosunku długości przedziału czasu do czasu odniesienia 1s. Z tego powodu LAE jest często definiowany jako LAeq znormalizowany do 1s. LAE jest stosowany w pomiarach hałasu w środowisku (przejazdy pojazdów: samochody, pociągi, samoloty).
- LEX dzienny poziom ekspozycji na hałas – w przypadku hałasu zawodowego LEQ jest mierzony w ciągu 8 godzin dnia roboczego i taki wynik jest określany jako dzienny poziom ekspozycji na hałas (LEX). Zmierzony dzienny poziom ekspozycji na hałas można również przedstawić jako % dziennego limitu, a takie przedstawienie wyniku nazywa się dawką hałasu.
Energia Akustyczna - LEQ
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
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.
Skala Decybeli
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.
