Aby precyzyjnie opisać źródła dźwięku w akustyce możemy posłużyć się poziomem mocy akustycznej. Poziom mocy akustycznej jest szczególnie istotny w przypadku porównywania urządzeń, oceny ich emisji hałasu i w celach certyfikacyjnych. Poziom ciśnienia akustycznego podobnie jak poziom mocy określa ile hałasu generuje dane urządzenie, jednak jest on zależny od warunków akustycznych czy odległości od źródła dźwięku. Z tej racji częściej wykorzystuje się poziom mocy akustycznej, który jednoznacznie definiuje „ile” hałasu generuje dane urządzenie.
Zrozumiałość mowy stanowi kluczowe kryterium oceny jakości akustycznej pomieszczeń przeznaczonych do komunikacji słownej, drugim parametrem jest czas pogłosu.
Zgodnie z wymaganiami normy pomieszczenia do pracy z mową powinny zapewniać odpowiednie warunki akustyczne.
Wyniki analiz potwierdzają, że kształt i wykończenie pomieszczeń ma duże znaczenie na odbiór mowy, a odpowiednio dobrane materiały dźwiękochłonne i rozpraszające mogą znacząco poprawić wskaźnik STI.
Realizacja wymagań normy znacząco podnosi komfort użytkowników tych pomieszczeń, ale także wpływa na efektywność komunikacji, mniejsze zmęczenie słuchowe czy ogólną ergonomię
Moc akustyczną definiujemy na podstawie ilości energii akustycznej generowanej przez źródło w danej jednostce czasu. Moc akustyczną wyrażamy w watach [W]. W akustyce najczęściej korzysta się z poziomu mocy akustycznej, wyrażonego w decybelach. Pomiar mocy akustycznej jest nieco bardziej skomplikowany niż pomiar poziomu ciśnienia. Absolutną zaletą mocy akustycznej jest jej niezależność względem warunków środowiskowych, dystansu od źródła czy kierunkowości hałasu generowanego przez źródło. Dzięki temu poprzez poziom mocy akustycznej możemy jednoznacznie określić poziom hałasu generowany przez źródło. Aby łatwiej było zrozumieć ideę mocy akustycznej możemy rozumieć ją jako przyczyna, zaś mierzalny jej skutek to poziom ciśnienia akustycznego.
W związku z tym że moc akustyczna nie zależy od zewnętrznych czynników i jest jednoznaczna dla danego źródła hałasu, możemy zdefiniować ją jako parametr hałasującego sprzętu. Co za tym idzie – możliwe jest certyfikowanie maszyn lub urządzeń w oparciu o ich moc akustyczną czy proste porównania sprzętów między sobą. Przepisy ISO wykorzystują moc akustyczną do oceny, czy dany sprzęt jest bezpieczny i możliwy do wprowadzenia na rynek sprzedażowy. Pomiar mocy akustycznej pozwala też oceniać skuteczność metod redukcji hałasu, szczególnie tych, które wprowadzają zmiany do maszyny lub jej bliskiej obudowy. Ponadto znając poziomy mocy akustycznej urządzeń i maszyn można prognozować poziom hałasu na stanowisku pracy – co może być bardzo wartościowe w kontekście bezpieczeństwa pracownika na stanowisku.
Norma PN-EN ISO 3740:2019-05 „Akustyka – Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu – Wytyczne stosowania norm podstawowych” definiuje jednoznacznie wytyczne do stosowania norm do wyznaczania poziomów mocy akustycznej dla źródeł hałasu. Ujednolicenie metod w obrębie krajów, które respektują standard ISO gwarantuje jednolity rynek oraz konkurencyjność sprzętów. Cała seria norm od ISO 3741 do ISO 3747 definiuje różne metody pomiarowe w zależności od rodzaju maszyny oraz warunków, a także uwzględniając odpowiednią dokładność pomiaru.
Moc akustyczną urządzeń najczęściej wyznacza się jedną z dwóch metodyk – pierwsza to ocena przestrzennego średniokwadratowego poziomu ciśnienia akustycznego wytwarzanego w polu pogłosowym czyli tzw. metoda ciśnieniowa, druga – metoda natężeniowa opiera się na ocenie przepływu energii akustycznej w polu swobodnym. W związku z tym badane wartości to poziomy ciśnienia akustycznego (w normach PN-EN ISO 3741 – PN-EN ISO 3747) lub poziomy natężenia dźwięku (w normach PN-EN ISO 9614-1 i PN-EN ISO 9614-2).
Normy wykorzystujące poziom ciśnienia akustycznego to normy: PN-EN ISO 3741, PN-EN ISO 3743-1, PN-EN ISO 3743-2, PN-EN ISO 3744, PN-EN ISO 3745, PN-EN ISO 3746 i PN-EN ISO 3747. Zaś normy, w których poziom mocy wyznaczamy w oparciu o pomiary natężenia dźwięku to normy PN-EN ISO 9614-1 i PN-EN ISO 9614-2. Dla norm PN-EN ISO 3744, PN-EN ISO 3745, i PN-EN ISO 3746 charakter generowanego hałasu może być dowolny. Wszystkie normy, które definiują badanie poziomu mocy w oparciu o poziom ciśnienia akustycznego wymagają wykorzystania sprzętu klasy dokładności 1. Normy „natężeniowe” dopuszczają wykonanie pomiarów sprzętem klasy 2. Aby bardziej scharakteryzować poszczególne normy warto pamiętać, że rozróżniamy normy do pomiarów na podstawie ciśnienia akustycznego:
oraz normy na podstawie pomiarów natężenia dźwięku:
Norma PN-EN ISO 3740 definiuje 8 czynników, które należy uwzględnić przy metody pomiarowej. Tymi czynnikami są:
1. wymagana klasa dokładności,
2. wymiary oraz możliwość przemieszczania maszyny (jeżeli nie możemy zainstalować jej w laboratorium badawczym),
3. dostępne środowisko badawcze,
4. poziom hałasu tła,
5. rodzaj hałasu generowanego przez źródło (jego charakterystyka częstotliwościowa, pasmo, widmo, ciągłość),
6. dostępna aparatura pomiarowa,
7. wymagany poziom mocy akustycznej,
8. wymagane informacje akustyczne, takie jak np. kierunkowość źródła.
Na wybór metody pomiarowej duży wpływ ma wielkość mierzonego urządzenia. Małe maszyny mogą być zainstalowane w dowolnym środowisku, zaś źródła, które nie mogą być przenoszone należy mierzyć w warunkach in situ. Aby uprościć wybór metod pomiarowych w normie PN-EN ISO 3740 w załączniku D przedstawiono schemat blokowy, który prowadzi do konkretnej metody pomiarowej.
Norma PN-EN ISO 3740 w bardzo precyzyjny sposób określa środowiska badawcze, które są jednym z 8-miu kryteriów wyboru metody pomiarowej poziomu mocy akustycznej. Kilka z tych środowisk wymaga dodatkowego komentarza. Przede wszystkim – metoda dokładna ISO 3741:2011 „Akustyka – Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej i poziomów energii akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego – Metody dokładne w komorach pogłosowych” wymaga wykorzystania komory pogłosowej, ale mierzona maszyna musi mieć objętość mniejszą niż 2% komory pogłosowej, w której wykonywane są badania. Co więcej, komora pogłosowa nie nadaje się też do badania hałasu impulsowego. Te dwa kryteria potrafią wykluczyć pomiary przy wykorzystaniu tej normy. Dodatkowego komentarza wymagają też „specjalnie pomieszczenia pogłosowe”. Zgodnie z normą są to pomieszczenia wykonywane w taki sposób, aby spełniały wymagania normy ISO 3743-2:2020-1 „Akustyka – Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na podstawie ciśnienia akustycznego – Metody techniczne dotyczące małych, przenośnych źródeł w polach pogłosowych – Część 2: Metody w specjalnych pomieszczeniach pogłosowych”.
Pomiary poziomów mocy akustycznej zgodnie z powyższymi normami możemy wykonać trzema metodami – dokładną, techniczną i orientacyjną. Metoda dokładna pozwala na otrzymanie wyników klasy dokładnej, czyli o najwyższej możliwej dokładności. Jest to metoda najmniej wrażliwa na hałas tła, dlatego, że możemy go całkiem dobrze kontrolować w komorach pogłosowych czy bezechowych. Wysokie poziomy hałasu tła będą zwiększać niepewność pomiarową. Metody techniczne będą wykorzystywane w przestrzeni otwartej lub dużych pomieszczeniach z zapewnieniem poszczególnych warunków środowiskowych. Niepewność pomiarowa będzie tutaj większa niż dla metod dokładnych, jednak pozwolą na wyznaczenie poziomów mocy akustycznej w warunkach zbliżonych do rzeczywistych warunków pracy maszyny. Zaś metody orientacyjne wykorzystamy w akustycznym polu swobodnym nad płaszczyzną odbijającą dźwięk lub w innych uproszczonych warunkach środowiskowych. Są one przeznaczone do szybkiej i przybliżonej oceny poziomów mocy akustycznej.
Konieczne jest zachowanie równowagi między pogłosem a zrozumiałością mowy. Niestety zbyt mocne obniżenie pogłosu w pomieszczeniach może prowadzić do nienaturalnego dźwięku mowy. Z kolei zbyt długi czas pogłosu będzie powodował nakładanie się kolejnych sylab i słów na siebie, co będzie skrajnie utrudniało odbiór komunikatów. Parametr STI traktuje się priorytetowo względem czasu pogłosu. Dlatego należy pamiętać, aby nie dążyć do całkowitej redukcji czasu pogłosu, a do zrównoważonego charakteru pomieszczeń – wyważonej wartości czasu pogłosu względem STI. Biorąc pod uwagę zagadnienia psychoakustyczne człowiek komfortowo czuje się w pomieszczeniach z niewielkim, ale zauważalnym pogłosem.
Metoda ciśnieniowa, czyli metoda pomiarowa, która opiera się na pomiarze poziomu ciśnienia akustycznego jest znacznie prostsza i bardziej popularna. Wokół źródła dźwięku wyznacza się sferę, półsferę lub prostopadłościan. Na powierzchni wyznaczonej przestrzeni określa się punkty pomiarowe, w których należy zmierzyć poziom ciśnienia akustycznego. Tę metodę najczęściej wykorzystuje się do pomiarów w komorach bezechowych lub w odpowiednich pomieszczeniach. Pomiary są bardzo powtarzalne, ale należy zwrócić uwagę na hałas tła oraz odbicia dźwięku od powierzchni w danym pomieszczeniu.
Aby wyznaczyć moc akustyczną metodą natężeniową konieczne jest wykonanie pomiarów natężenia dźwięku za pomocą sond natężeniowych. Sondy te pozwalają na pomiar ciśnienia akustycznego wraz z prędkością cząstek powietrza. Na podstawie tych wyników oblicza się wektor natężenia dźwięku, a później na jego podstawie oblicza się moc akustyczną źródła. Metoda natężeniowa dobrze sprawdza się w pomiarach in-situ, dlatego że jest odporna na podwyższony poziom hałasu tła. Sondy muszą być dobrze skalibrowane, aparatura jest złożona, a proces pomiarowy czasochłonny.
Pomiary poziomów mocy akustycznej wykorzystuje się często do oceny skuteczności zastosowanych środków redukcji hałasu. Poziom mocy akustycznej wyznacza się przed zastosowaniem redukcji oraz po wprowadzeniu modyfikacji. Przy zachowaniu identycznych warunków pomiarowych, środowiskowych oraz trybu pracy źródła hałasu można jednoznacznie ocenić wpływ zastosowanych rozwiązań technicznych. Ważne jest tutaj wykorzystanie analizy w pasmach oktawowych, dlatego, że redukcja hałasu często jest kierowana w konkretne pasmo częstotliwości. Aby takie pomiary były miarodajne, różnice muszą być istotnie większe od niepewności pomiarowych, konieczny jest zatem odpowiedni dobór metody pomiarowej.
W oparciu o poziomy mocy akustycznej urządzeń na stanowisku pracy możliwe jest oszacowanie narażenia pracownika na hałas. Znając poziomy mocy akustycznej urządzeń pracujących na danym stanowisku oraz ich rozmieszczenie można wyznaczyć z pewnym przybliżeniem poziom ciśnienia akustycznego w punkcie, w którym znajduje się pracownik. Na podstawie takich symulacji można zidentyfikować, które źródła w największym stopniu wpływają na bezpieczeństwo pracownika oraz ustalić odpowiedni harmonogram pracy.
Pomiar mocy akustycznej zgodnie z normą PN-EN ISO-3746:2011
Norma PN-EN ISO 3746:2011 „Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej i poziomów energii akustycznej źródeł hałasu na podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego. Metoda orientacyjna z zastosowaniem otaczającej powierzchni pomiarowej nad płaszczyzną odbijającą dźwięk to jedna z serii norm określających metody do pomiaru poziomów mocy akustycznej. Jak mówi jej nazwa – definiuje metodę orientacyjną opartą na pomiarach ciśnienia akustycznego wokół hałasującego źródła.
W związku z tym, że metoda pomiarowa zdefiniowana w normie PN-EN ISO-3746:2011 jest metodą orientacyjną, są wobec niej mniej restrykcyjne wymagania. Środowisko pomiarowe może być dowolne, zatem nie ma konieczności zastosowania komory bezechowej czy innego specjalistycznego środowiska badawczego. Źródło hałasu może być usytuowane wewnątrz lub na zewnątrz, z co najmniej jedną płaszczyzną odbijającą dźwięk. Co więcej, źródło hałasu może być umieszczone na tej płaszczyźnie lub w jej pobliżu. W normie tej nie ma też żadnych ograniczeń związanych z rodzajem hałasu generowanego przez źródło. Do pomiarów należy stosować mierniki klasy 1szej. Jedyne limity, które muszą być spełnione są związane z poprawkami środowiskowymi i hałasem tła.
Poprawka środowiskowa K2 to poprawka zastosowana do wartości średniej z uśrednionych w czasie poziomów ciśnienia akustycznego. Poprawka ta uwzględnia wpływ dźwięku odbitego lub pochłoniętego. Na potrzeby pomiarów wyznacza się tę poprawkę w oparciu o Załącznik A normy PN-EN ISO 3746. Poprawkę wyznacza się z wzoru:
K2A= 10 lg [1+4 S/A] dB
gdzie S to pole powierzchni pomiarowej, a A to pole równoważnej powierzchni pochłaniającej dźwięk. Wartość A wyznaczamy na podstawie iloczynu średniego współczynnika pochłaniania dźwięku i całkowitego pola powierzchni ograniczających dane pomieszczenie. Poprawka K2A nie może być większa niż 7 dB na potrzeby tej normy pomiarowej.
Oprócz poprawki środowiskowej K2 konieczne jest też wyznaczenie poprawki K1 uwzględniającej hałas tła. Stosujemy ją tak samo jak poprawkę K2. Im większy hałas tła tym większą poprawkę K1 musimy zastosować. Poprawkę tę wyznaczamy odejmując od poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego z pracującym źródłem poziom hałasu tła – czyli poziom zmierzony z wyłączonym źródłem. Jeżeli ta różnica jest większa niż 10 dB to poprawkę K1 przyjmujemy jako wartość równą zero, jeżeli wartość ta jest z przedziału 3 do 10 dB to obliczamy poprawkę zgodnie z równaniem:
K1A=-10lg(1-10^(-0,1△L_pA ) ) dB
Jeżeli wartość różnicy jest mniejsza niż 3 dB to przyjmujemy wartość K1 jako 3 dB. W tym wypadku konieczne jest zaznaczenie tej informacji w protokole pomiarowym.
Aby wyznaczyć poziomy mocy akustycznej zgodnie z normą PN-EN ISO 3746 konieczny jest pomiar poziomów ciśnienia akustycznego. Pomiary wykonujemy na powierzchni pomiarowej, która otacza hałasujące źródło. Aby odpowiednio wyznaczyć powierzchnię pomiarową korzystamy z tzw. prostopadłościanu odniesienia. Jest to powierzchnia wokół źródła wyznaczona przez najmniejszy możliwy prostopadłościan. Jeżeli źródło ma jakieś wystające elementy (które nie są źródłami dźwięku) można je pominąć. Powierzchnia pomiarowa może być w kształcie półsfery lub w kształcie prostopadłościanu. Ostatecznie na podstawie pomiarów poziomu ciśnienia wyznacza się LpA powierzchniowy uśredniony w czasie poziom ciśnienia akustycznego skorygowany poprawkami K1 i K2. W oparciu o ten poziom wyznaczamy poziom mocy akustycznej zgodnie ze wzorem:
LWA = LpA+10lg S/S0 dB
w którym S to pole powierzchni pomiarowej, a S0 to 1m2. Pomiar należy uzupełnić o oszacowanie niepewności. Wskazówki dotyczące szacowania niepewności na potrzeby tego pomiaru można znaleźć w Załączniku D normy PN-EN ISO 3746.
Mikrofon powinien być ustawiony prostopadle do powierzchni pomiarowej. Mikrofony ustawiamy w zależności od tego, czy wybraliśmy sferyczną powierzchnię pomiarową czy prostopadłościenną. Norma ta bardzo precyzyjnie definiuje ustawienie mikrofonów do pomiaru. Rozróżniane są także zestawy ustawień punktów pomiarowych w zależności czy badane źródło przylega do dwóch czy trzech płaszczyzn odbijających dźwięk. Załącznik C normy PN-EN ISO 3746 definiuje ile punktów pomiarowych należy zastosować dla konkretnej płaszczyzny pomiarowej i gdzie te punkty powinny być zlokalizowane.
Zgodnie z normą PN-EN ISO 3746 badany zakres częstotliwości to pasma oktawowe o częstotliwościach środkowych od 125 Hz do 8 000 Hz. Norma w całości uwzględnia wykonanie pomiarów z zastosowaniem charakterystyki częstotliwościowej A. Należy także pamiętać o poprawce uwzględniającej hałas tła oraz poprawce środowiskowej – jeżeli wykonujemy pomiary w pasmach oktawowych to konieczne jest zastosowanie różnych wartości poprawek w zależności od częstotliwości.
Metoda pomiarowa poziomu mocy akustycznej przedstawiona w normie PN-EN ISO 3746 jest metodą orientacyjną. W związku z tym jej dokładność jest bardziej ograniczona niż dokładność metod precyzyjnych. Pomimo tej wady jest bardzo często wykorzystywana ze względu na prostotę związaną z wykonywaniem pomiarów oraz realizacją tej metody w warunkach bardzo zbliżonych do rzeczywistej pracy danego urządzenia. Pomiary poziomu ciśnienia akustycznego są bardzo dobrze zdefiniowane i znane specjalistom w branży, dlatego ich wykorzystanie znacznie usprawnia proces pomiaru poziomu mocy akustycznej urządzeń.
Autoryzowany konsultant SVANTEK pomoże Ci w kwestiach pomiarów hałasu i drgań.
