780 likes | 1.04k Views
WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA. Podstawowe wielkości i zależności. WYKŁAD AUTORSKI PROWADZENIE. Dr inż. Radosław Kucharski Kierownik Zakładu Akustyki Instytutu Ochrony Środowiska – Państwowego Instytutu Badawczego (Warszawa) kuchar@ios.edu.pl.
E N D
WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności
WYKŁAD AUTORSKIPROWADZENIE Dr inż. Radosław Kucharski Kierownik Zakładu Akustyki Instytutu Ochrony Środowiska – Państwowego Instytutu Badawczego (Warszawa) kuchar@ios.edu.pl
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.
WPROWADZENIE DO AKUSTYKI ŚRODOWISKA Fala akustyczna (dźwiękowa) w ośrodku powietrznym rozprzestrzenia się w formie lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka (powietrza). JAKIM PARAMETRAMI OPISAĆ MOŻNA FALĘ AKUSTYCZNĄ ? !
Pojęcieciśnienia akustycznego p(t) = P(t) – P0atm gdzie: p(t) – ciśnienie akustyczne, Pa P(t) – ciśnienie baryczne przy obecności fali akustycznej, Pa P0atm – ciśnienie baryczne przy braku obecności fali, P
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:
Definicja poziomu ciśnienia akustycznego dana jest wzorem: gdzie:(operacja odwrotna) Lp – poziom ciśnienia akustycznego w decybelach [dB], p(t) – ciśnienie akustyczne, [Pa], p0 – ciśnienie akustyczne odniesienia = 2 x 10-5 Pa. Wszystkie poziomy oznacza się literą „L” od angielskiego „level”) Jak się to ma do przenoszenia energii przez fale ?
Poziom natężenia dźwięku, wyrażany jest przy pomocy zależności: [dB] gdzie: I – wartość natężenia dźwięku [W/m2], I0 = 10-12 [W/m2] – 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/m2], 0 – średnia gęstość ośrodka, c- prędkość dźwięku w ośrodku (w powietrzu ok.. 344 m/s) E – ekspozycja na dźwięk
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, (Pa2s). E0 = 400 [(μPa)2s] – ekspozycja odniesienia. Fizyczna definicja ekspozycji na dźwięk dana jest wzorem:: T – czas odniesienia (s)
Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej 10log (0) NIE ISTNIEJE; 10log(1) = 0 „Dodawanie poziomów” „Odejmowanie poziomów”: Niektóre konsekwencje:
Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej Warunek: Warunek:
Dodawaniepoziomów ciśnienia akustycznego(logarytmiczne): Dane L1 , L2 , L3? Lsum INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
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 10-9 W (wata), ¨ Lecący samolot odrzutowy – moc akustyczna rzędu 104 W, ¨ Dla porównania – zwykłą rozmowę cechują moce akustyczne rzędu 10-5 W. Stąd też wygodniej jest posługiwać się skalą logarytmiczną – poziomem mocy, definiowanym następująco: gdzie: W – moc akustyczna [W], W0 = 10-12 [W] – moc akustyczna odniesienia.
Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego sygnału akustycznego
Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego sygnału akustycznego
Obszar C Krzywa C Obszar B Krzywa B Obszar A Krzywa A Infradźwięki Ultradźwięki
Realizacja ch-ki A – wyjściowa krzywa jednakowego poziomu słyszenia Krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz
Realizacja charakterystyki A Odwrócona o 180 stopni krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz oraz CHARAKTERYSTYKA A
Rozprzestrzenianie się fal akustycznych • 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 TŁO AKUSTYCZNE
Fala akustyczna w ośrodku bezstratnym i pochłaniającym pb=pm xsin(kr) ps=pb x b x exp(-ar) Kierunek propagacji fali
Typowe modele rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych w powietrzu Od przyjętego modelu źródła hałasu zależy model rozprzestrzeniania się fal akustycznych (tzw. rozbieżność geometryczna). źródło liniowe źródło punktowe TŁO AKUSTYCZNE
Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło punktowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r2 = 2r1Lr = - 6 dB (na podwojenie odległości od źródła)
Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło liniowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r2 = 2r1Lr = - 3 dB (na podwojenie odległości od źródła) INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło dźwięku o mocy LW Krzywa idealna (teoretyczna) Większość przypadków rzeczywistych Krzywa idealna (teoretyczna)
Spadek poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła – wyniki badań w otoczeniu autostrad i dróg ekspresowych
Konsekwencje logarytmicznej zależności spadku poziomu dźwięku – INTERPRETACJA ZASIĘGU HAŁASU
40 cm 70 ± 0,049 dB
4,9 m 70 ± 0,5 dB
17 m 50 ± 0,049 dB
? ca 200 m 50 dB ± 0,5 dB
Wpływ stanu atmosfery narozprzestrzenianie się dźwięku Wybrane aspekty INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
5 dB 5 dB 10 dB 10 dB INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Macierz warunków atmosferycznych 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
Warunki wietrzności Tabela. Warunki wietrzności INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Warunki termiczne Tabela. Warunki termiczne INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład Porównanie wyników badań ujawnia bardzoistotne zjawisko: Niepewność oceny (rozrzut wyników) związana jest przede wszystkim z warunkami atmosferycznymi. INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład 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: INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład Ugięcie promieni dźwię-kowych „ku ziemi”, powoduje w większości przypadków niespodzie-wany wzrost zasięgu Ugięcie promieni dźwiękowych „ku górze”, powoduje w sprzyjających sytu-acjach powstawanie cienia akustycznego i zmniejszenia zasię-gu dźwięku INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki
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.
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.
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 +45o oraz –45o wyznaczające „wiązkę” kierunków wiatru najbardziej sprzyjających rozprzestrzenianiu się fal akustycznych w kierunku „do obserwatora”.
Schemat powstawania sygnału akustycznego dla hałasu, na który składa się szereg zjawisk elementarnych
Poziom Równoważny - definicja Poziom równoważny jest wyrażony wzorem (wg PN-ISO 1996-1): , dB gdzie: LAeq,T - równoważny poziom dźwięku A w decybelach, wyznaczony dla przedziału czasu T, od t1 do t2; p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia (20 mPa); pA- chwilowa wartość ciśnienia akustycznego A, mierzonego sygnału akustycznego