Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności."— Zapis prezentacji:

1 WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności

2 WYKŁAD AUTORSKI PROWADZENIE Dr inż. Radosław Kucharski Kierownik Zakładu Akustyki Instytutu Ochrony Środowiska – Państwowego Instytutu Badawczego (Warszawa)

3 WPROWADZENIE DO AKUSTYKI ŚRODOWISKA FALA AKUSTYCZNA jest to pewna forma przenoszenia energii w ośrodku powietrznym (także w płynach) Fala akustyczna potencjalnie może być przyczyną powstania wrażeń słuchowych, czyli odbioru DŹWIĘKU w momencie gdy dotrze do organu słuchu. Z tych powodów fale akustyczne zwane są w zależności od kontekstu także FALAMI DŹWIĘKOWYMI. FALA akustyczna (DŹWIĘKOWA) ma charakter tzw. fali podłużnej.

4 WPROWADZENIE DO AKUSTYKI ŚRODOWISKA rozprzestrzenia się w formie lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka (powietrza). JAKIM PARAMETRAMI OPISAĆ MOŻNA FALĘ AKUSTYCZNĄ ? ! Fala akustyczna (dźwiękowa) w ośrodku powietrznym

5 Pojęcie ciśnienia akustycznego p(t) = P(t) – P 0atm gdzie: p(t) – ciśnienie akustyczne, Pa P(t) – ciśnienie baryczne przy obecności fali akustycznej, Pa P 0atm – ciśnienie baryczne przy braku obecności fali, P

6 Opis fali akustycznej; wartości średnie, maksymalne i skuteczne Wartość skuteczna ( RMS ) - dla sygnału o amplitudzie A wartość skuteczna jest pierwiastkiem kwadratowym ze średniej w określonym czasie, - wartość skuteczna jest proporcjonalna:

7 Definicja poziomu ciśnienia akustycznego dana jest wzorem: gdzie: (operacja odwrotna) L p – poziom ciśnienia akustycznego w decybelach [dB], p(t) – ciśnienie akustyczne, [Pa], p 0 – ciśnienie akustyczne odniesienia = 2 x Pa. Wszystkie poziomy oznacza się literą L od angielskiego level) Jak się to ma do przenoszenia energii przez fale ?

8 Poziom natężenia dźwięku, wyrażany jest przy pomocy zależności: [dB] gdzie: I – wartość natężenia dźwięku [W/m 2 ], I 0 = [W/m 2 ] – natężenie odniesienia. Dla wielu zastosowań praktycznych przyjęta być może przybliżona zależność między natężeniem dźwięku (jego wartością z pominięciem własności wektorowej), a ciśnieniem akustycznym: p – ciśnienie akustyczne [Pa N/m 2 ], 0 – średnia gęstość ośrodka, c- prędkość dźwięku w ośrodku (w powietrzu ok m/s) E – ekspozycja na dźwięk

9 Poziom ekspozycji na dźwięk, wyrażany jest przy pomocy zależności: gdzie: E – ekspozycja na dźwięk jest całką kwadratu chwilowego ciśnienia akustycznego zmiennego w czasie, zmodyfikowanego według określonej charakterystyki częstotliwościowej wyznaczoną względem czasu (na ogół A) w ustalonym przedziale czasu t lub w czasie zdarzenia, (Pa 2 s). E 0 = 400 [(μPa) 2 s] – ekspozycja odniesienia. Fizyczna definicja ekspozycji na dźwięk dana jest wzorem:: T – czas odniesienia (s)

10 Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej 10log (0) NIE ISTNIEJE; 10log(1) = 0 Dodawanie poziomów Odejmowanie poziomów: Niektóre konsekwencje:

11 Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej Warunek:

12 Dodawanie poziomów ciśnienia akustycznego (logarytmiczne): Dane L 1, L 2, L 3 ? L sum INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

13 Poziom mocy akustycznej Moc akustyczna definiowana jest jako ilość energii wysyłanej przez źródło dźwięku w jednostce czasu. Zakres mocy akustycznych cechuje się wielką rozpiętością: Cichy szept – moc akustyczna rzędu W (wata), Lecący samolot odrzutowy – moc akustyczna rzędu 10 4 W, Dla porównania – zwykłą rozmowę cechują moce akustyczne rzędu W. Stąd też wygodniej jest posługiwać się skalą logarytmiczną – poziomem mocy, definiowanym następująco: gdzie: W – moc akustyczna [W], W 0 = [W] – moc akustyczna odniesienia.

14 Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego sygnału akustycznego

15

16 Charakterystyka częstotliwościowa sygnału akustycznego

17 Infradźwięki Ultradźwięki Krzywa A Krzywa B Krzywa C

18

19 Realizacja ch-ki A – wyjściowa krzywa jednakowego poziomu słyszenia Krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz

20 Odwrócona o 180 stopni krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz oraz CHARAKTERYSTYKA A Realizacja charakterystyki A

21 Charakterystyka A

22 Charakterystyki Lin oraz A

23 Rozprzestrzenianie się fal akustycznych TŁO AKUSTYCZNE Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się fal akustycznych w przestrzeni otwartej: tzw. rozbieżność geometryczna, warunki atmosferyczne, pochłanianie dźwięku w atmosferze, efekt gruntu przeszkody terenowe (efekt ekranowania), odbicia W tym miejscu zajmiemy się dwoma podstawowymi czynnikami

24 Fala akustyczna w ośrodku bezstratnym i pochłaniającym Kierunek propagacji fali p s =p b x b x exp(-ar) p b =p m x sin(kr)

25 Typowe modele rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych w powietrzu TŁO AKUSTYCZNE Od przyjętego modelu źródła hałasu zależy model rozprzestrzeniania się fal akustycznych (tzw. rozbieżność geometryczna). źródło linioweźródło punktowe

26 Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło punktowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r 2 = 2r 1 L r = - 6 dB (na podwojenie odległości od źródła)

27 Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki Źródło liniowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r 2 = 2r 1 L r = - 3 dB (na podwojenie odległości od źródła)

28 Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło dźwięku o mocy L W Większość przypadków rzeczywistych Krzywa idealna (teoretyczna)

29 Spadek poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła – wyniki badań w otoczeniu autostrad i dróg ekspresowych

30 Konsekwencje logarytmicznej zależności spadku poziomu dźwięku – INTERPRETACJA ZASIĘGU HAŁASU

31

32 40 cm70 ± 0,049 dB

33 4,9 m70 ± 0,5 dB

34 17 m50 ± 0,049 dB

35 ca 200 m50 dB ± 0,5 dB ?

36 Wpływ stanu atmosfery na rozprzestrzenianie się dźwięku Wybrane aspekty INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

37 10 dB 5 dB

38 W1W2W3W4W5 T1---- T2----H+ T3--H++ T4-H++++ T5++++ Oszacowania wpływu czynników meteorologicznych na poziom dźwięku dokonuje się (na obecnym etapie rozwoju wiedzy) budując tzw. siatkę (macierz) MDW (macierz wietrzności i warunków termicznych). Siatka MDW ma następujący kształt: Tabela. Macierz MDW INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki Macierz warunków atmosferycznych

39 Warunki wietrzności Oznacze- nie W Charakterystyka warunków wietrzności 1Wiatr silny przeciwny 2Wiatr słaby przeciwny, lub silny wiatr w kierunku skośnym 3 Brak wiatru lub wiatr w kierunku poprzecznym w stosunku do kierunku źródło odbiorca (prędkość wiatru dowolna do 5 m/s) 4 Wiatr słaby niosący, lub wiatr silny o kierunku skośnym ok. 45 o 5Wiatr silny niosący Oznaczenia: Wiatr silny o prędkości 3 – 5 m/s Wiatr słaby o prędkości 1 – 3 m/s Wiatr przeciwny wiejący w kierunku przeciwnym do kierunku źródło odbiorca Wiatr niosący wiejący zgodnie z kierunkiem źródło odbiorca Tabela. Warunki wietrzności INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

40 Warunki termiczne Oznaczenie TCharakterystyka warunków termicznych 1 Dzień, Silne nasłonecznienie, Powierzchnia ziemi – sucha, Lekki wiatr 2Tak, jak wyżej, lecz jeden z warunków nie jest spełniony 3 Wschód lub zachód słońca lub silne zachmurzenie przy pogodzie wietrznej, Powierzchnia ziemi średnio wilgotna 4 Noc pochmurna i/lub Wietrzna 5 Noc bezchmurna, Lekki wiatr Tabela. Warunki termiczne INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

41 Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki Porównanie wyników badań ujawnia bardzo istotne zjawisko: Niepewność oceny (rozrzut wyników) związana jest przede wszystkim z warunkami atmosferycznymi.

42 Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki Rozprzestrzenianie się dźwięku w atmosferze w warunkach rzeczywistych zależy przede wszystkim od kombinacji gradientów temperatury i prędkości wiatru. W stosunku do sytuacji określanej jako warunki homogeniczne (prosto-liniowy model dróg pro- mieni dźwiękowych) mogą wystąpić dwojakiego rodzaju sytuacje:

43 Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki Ugięcie promieni dźwiękowych ku górze, powoduje w sprzyjających sytu- acjach powstawanie cienia akustycznego i zmniejszenia zasię- gu dźwięku Ugięcie promieni dźwię- kowych ku ziemi, powoduje w większości przypadków niespodzie- wany wzrost zasięgu

44 Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.1) 2 przykłady długookresowych obserwacji wpływu warunków pogodowych na rozprzestrzenianie się hałasu drogowego pochodzącego od intensywnego ruchu na trasie ekspresowej. Punkt obserwacji zlokalizowano w odległości ok. 200 m od krawędzi jezdni.

45 Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.2) Na poprzednich diagramach pokazano przebieg zmian poziomu dźwięku w funkcji czasu (w okresie dobowym). Charakterystyczne piki odzwierciedlają chwilowe zakłócenia z innych, bliższych źródeł. Ich oddziaływanie jest na tyle krótkie, iż praktycznie nie oddziałują na wartość średnią. Niemniej wpływ zakłóceń został zanalizowany i w miarę potrzeby – wyeliminowany. Na diagramach oznaczono także przebieg wartości średniej dla wszystkich wielomiesięcznych obserwacji. Wartości poziomów hałasu obserwowano synchronicznie z wartościami parametrów pogody. Najistotniejsze z nich – tj. kierunek wiatru oraz prędkość wiatru pokazano poniżej.

46 Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.3) W przypadku kierunku wiatru najbardziej sprzyjający oznaczono jako 0 skali. Odpowiada to wiatrowi wzdłuż linii prostopadłej do źródła (trasy), skierowanemu od źródła do punktu obserwacji (pomiaru). Na diagramie oznaczono też kąty +45 o oraz –45 o wyznaczające wiązkę kierunków wiatru najbardziej sprzyjających rozprzestrzenianiu się fal akustycznych w kierunku do obserwatora.

47 Schemat powstawania sygnału akustycznego dla hałasu, na który składa się szereg zjawisk elementarnych

48 Przebieg sygnału akustycznego a poziom równoważny

49 Poziom Równoważny - definicja Poziom równoważny jest wyrażony wzorem (wg PN-ISO ):, dB gdzie: L Aeq, T - równoważny poziom dźwięku A w decybelach, wyznaczony dla przedziału czasu T, od t 1 do t 2 ; p 0 - ciśnienie akustyczne odniesienia (20 Pa); p A - chwilowa wartość ciśnienia akustycznego A, mierzonego sygnału akustycznego

50 Poziom Równoważny - budowa 1

51 Poziom Równoważny - budowa 2

52 Poziom Równoważny - budowa 3

53 Poziom Równoważny - budowa 4

54 Poziom Równoważny – operacje [1] Poziom równoważny jest podstawowym wskaźnikiem (parametrem) liczbowego opisu klimatu akustycznego. Poziom równoważny jest ściśle związany z czasem. Dwa poziomy równoważne określone dla dwóch różnych okresów czasu uważane muszą być za dwa różne wskaźniki ! Zapisane w prezentowanych tutaj wzorach operacje "sumowania logarytmicznego" są dozwolone tylko wtedy, gdy wszystkie składniki sumy tj poziomy L Aeqi określone są dla takiego samego czasu T.

55 Poziom Równoważny – operacje [2] Poziom równoważny w danym punkcie może być wyznaczony jako "suma" (w sensie dodawania wielkości logarytmicznych) poziomów odnoszących się do różnych zjawisk (źródeł). W takim przypadku uzyskuje się wielkość, którą można nazwać poziomem hałasu otoczenia (lub tradycyjnie - wartością parametru klimatu akustycznego), a określa się ją następująco:, dB L Aeqi - poziom równoważny określony dla danego rodzaju (źródła) hałasu – poziom składowy, dB i = 1,....,n - liczba źródeł lub grup hałasów, wyznaczająca liczbę poziomów hałasu jednostkowego.

56 Sygnał akustyczny złożony (1) L Aeq = 59,3 dB Aeq L Aeq = 72,8 dB L Aeq = 73,0 dB

57 Poziom Równoważny – operacje [3] W przypadku, gdy sytuację akustyczną można opisać w czasie odniesienia T jako ciąg następujących po sobie okresów o ustabilizowanym (stałym) poziomie dźwięku, jak pokazano to na wykresie, to formuła na obliczenie poziomu L Aeq ma postać:

58 Przebieg sygnału akustycznego a poziom równoważny – rodzaje sygnałów akustycznych

59 Definicja poziomu ekspozycyjnego Zgodnie z normą PN ISO 1996 – 1:1999 ekspozycyjny poziom dźwięku (w decybelach) jest to poziom dźwięku pojedynczego zdarzenia akustycznego, określony wzorem: w którym: p A (t) - chwilowa wartość ciśnienia akustycznego A; t 2 - t 1 - ustalony przedział czasu, dostatecznie długi dla objęcia znaczącej akustycznie części zdarzenia dźwiękowego;

60 Graficzna definicja poziomu ekspozycyjnego (1)

61 Graficzna definicja poziomu ekspozycyjnego (2)

62 Parametry sygnału elementarnego

63 Poziom ekspozycyjny a poziom równoważny - 1 W przypadku wystąpienia kilku grup jednakowych zdarzeń akustycznych (np. emisja hałasu z pociągów tego samego typu) poziom równoważny oblicza się na podstawie poziomów ekspozycyjnych następująco: gdzie: n k - liczba wydarzeń akustycznych należących do k-tej grupy, N - liczba grup wydarzeń akustycznych, L AEk - średnia wartość poziomu ekspozycyjnego dźwięku dla k- tej grupy, dB.

64 Poziom ekspozycyjny a poziom równoważny - 2 W przypadku wystąpienia jednej grupy jednakowych zdarzeń akustycznych (np. emisja hałasu z pociągów jednej kategorii) poziom równoważny oblicza się na podstawie średniego poziomu ekspozycycjnego następująco: gdzie: n - liczba wydarzeń akustycznych należących, L AEsr - średnia wartość poziomu ekspozycyjnego dźwięku, dB.

65 ANEKS 2 Analiza statystyczna sygnału akustycznego (trochę teorii – 1) Dla dźwięków o zmiennym poziomie w czasie prawdopodobieństwo wystąpienia hałasu o poziomie L A (t) należącego do przedziału wynosi: przy czym: t i – czas występowania dźwięku o poziomie z przedziału (L Ak L A (t) < L Ak + L A ) T – czas obserwacji (odniesienia)

66 Analiza statystyczna sygnału akustycznego (trochę teorii – 2) Funkcja prawdopodobieństwa P Ak jest też nazywana gęstością klasy o szerokości L A i poziomie charakterystycznym dla tej klasy, równym:

67 Analiza statystyczna sygnału akustycznego (trochę teorii – 3) Gęstości klas można określić empirycznie rejestrując chwilowe wartości poziomów dźwięku ze stałym interwałem. Wtedy gęstość klasy określona jest wzorem; gdzie: n Ak – liczba odczytów chwilowych poziomów dźwięku zaliczających się do klasy (L Ak L A (t) < L Ak + L A ), N – liczba wszystkich odczytów.

68 Analiza statystyczna sygnału akustycznego (trochę teorii – 4) Ciąg wartości P Ak (dla k = 1, 2, 3....) wyznacza przybliżenie krzywej gęstości prawdopodobieństwa w postaci empirycznego histogramu. Na podstawie wartości gęstości klas wyznaczyć też można empiryczny przebieg dystrybuanty rozkładu statystycznego, danej wzorem: Dystrybuanta wyznacza prawdopodobieństwo (tutaj także w procentach) wystąpienia hałasu o poziomie niższym od wartości L Ak + L A.

69 Poziomy statystyczne - teoria Praktycznie, w akustyce środowiska posługujemy się lustrzanym odbiciem dystrybuanty, czyli funkcją nazywaną krzywą gęstości skumulowanej. Przy pomocy tej krzywej wyznacza się wartości tzw. poziomów statystycznych z warunku:

70 Poziomy statystyczne praktyka L 90 L 50 L 10 Histogram Krzywa gęstości skumulowanej Poziom L Aeq

71 Poziomy statystyczne – definicja graficzna

72 Analiza statystyczna wykonywana bezpośrednio przez przyrząd pomiarowy Miernik poziomu dźwięku SONOPAN

73 Uzupełnienie 1 – analiza statystyczna sygnału

74 Sygnały akustyczne i ich rozkłady

75 L Aeq,h = 48,5 dB

76 Sygnały akustyczne i ich rozkłady L Aeq = 61 dB


Pobierz ppt "WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności."

Podobne prezentacje


Reklamy Google