Naslov seminarskog rada

Akustična mjernja

PB-196

Rezime: U ovom seminarskom radu ću vam pokušati objasniti pojam zvuka, intenzitet zvuka, decibel, pojam buke, izvore buke, instrumente za mjernje buke, vrste mjerača buke i standarde za mjerenje buke.

Ključne riječi: akustika,zvuk, decibel, frekvencija, buka, dozimetar

Uvod

Iako je akustika s aspekta fizike i matematike vrlo egzaktna nauka, mnoge situacije u akustici su podjednako psihološke koliko i fizikalne prirode. To se naročito odnosi na govor i muziku. Govor kao zvučna pojava počinje se sistematski proučavati još prije II. Svjetskog rata iako historija akustike seže znatno ranije. Prva mjerenja u akustici javljaju se u 16. i 17. st., a odnose se na mjerenja brzine zvuka. Godine 1876. Alexander Graham Bell (1847. - 1922.), američki fizičar i pronalazač škotskog porijekla, izumio je telefon. Međutim, telefon se počinje komercijalno koristiti tek početkom 20. st. 1920. god. kada su u Bell Telephone Laboratories konstruirane prve slušalice koje su mogle zadovoljiti minimalne uvjete za reprodukciju govora i muzike (do 4000 Hz), a povezivanje slušalica s lijevkom (oblik trube), omogućilo je pojavu zvučnika. U 20. st. započinju i prva ozbiljna mjerenja zvuka na području arhitektonske i fiziološke akustike. Godine 1946. u Bell-ovim laboratorijima konstruiran je prvi tzv. "Visible speech analyzer". Zanimljivo je da je analizator konstruiran s namjerom da gluhim osobama prikaže govor kao sliku, da ga vizualizira. Tako se prvi analizatori još nazivaju i translatori (visible speech translator) – ''prevodioci za gluhe'' (Bellova supruga bila je gluha). Međutim tijekom vremena analizatori su se počeli koristiti prvenstveno za razna mjerenja i analize zvuka, a ne kao pomagalo gluhim osobama. [1]

Fiziološka akustika proučava kako (govorni) zvuk proizvodimo i kako ga percipiramo. Osnovni zvuk glasa nastaje u larinksu prolaskom zračne struje i istovremenim treperenjem glasnica. Zvuk prvenstveno percipiramo uhom (ali i ekstra-auditivnim osjetima: taktilno i kinestetski). S aspekta percepcije možemo govoriti o tri osnovne osobine nekog zvuka. [1]

[1] To su:

· jačina,

· visina,

· boja zvuka.

[1] Govorna akustika je grana akustike koja se bavi proučavanjem:

· govorne produkcije (proizvodnje) (speech production)

· govorne percepcije (speech perception)

Pojam zvuka

Zvuk možemo definirati kao čujno titranje u plinovitim, tekućim i krutim elastičnim tvarima koje ima dovoljan intenzitet da bi ga čovjek mogao čuti. Ljudsko zdravo uho čuje frekvencije od 16 Hz do 20 kHz (ovo vrijedi samo za mlađe osobe do 20. godine starosti). Frekvencije ispod 16 Hz ne percipiramo kao zvuk već kao vibraciju (potresanje) a to su frekvencije u području infrazvuka. Frekvencije iznad 20 kHz nazivamo ultrazvučnim frekvencijama. U opisu različitih fizikalnih veličina kojima se prikazuju neke karakteristike zvuka ili elektroakustičkih uređaja ili pojava koriste se različite mjerne jedinice. Često puta su te veličine zbog prikladnosti iskazane u većim ili manjim jedinicama. Tako se npr. većim jedinicama od nominalne dodaju prefiksi kilo, mega, giga, tera a manjima deci, centi, mili, mikro, nano, piko… Tako se na primjer intenzitet zvuka češće iskazuje u decibelima, frekvencije u kilohercima ili megahercima, kapacitet kondenzatora u mikro, nano ili pikofaradima a veličina memorije tvrdog diska u računalu u mega, giga ili terabajtima. Siva polja označavaju jedinice koje su u čestoj svakodnevnoj upotrebi. [1]

Tablica 1. Prefiksi mjernih jedinica prema međunarodnim normama [1]

Frekvencija zvučnog talasa izražava se u hercima, Hz. Raspon frekvencija koje daju visinu tona kod ljudi iznosi 20 do 20000 Hz. Raspodjela akustične energije kao funkcije frekvencije zove se spektar zvuka . U zraku se zvučni talas širi brzinom od 340 m/s. U tečnostima i kroz čvrsta tijela brzina zvuka je veća. Normalni govor ima približno 70 dB, a zvukovi od 140 dB izazivaju bol u ušima. [2]

Intenzitet zvuka

Intenzitet ili jačina zvuka je količina energije koja u jednoj sekundi prostruji kroz plohu od 1 m2 postavljenu okomito na smjer širenja zvuka. Jačina zvuka se izražava u watima na m2 (W/m2 ). Mladi čovjek zdravog sluha može primjetiti zvuk jakosti od 10-12 W/m2 i to je prema međunarodnom dogovoru akustičara određeno kao referentni zvučni intenzitet. Kako tom intenzitetu odgovara zvučni tlak od 20 µPa (mikro Paskala), to je referentni zvučni tlak. To su dakle nulte razine zvučnog tlaka i intenziteta. Referentni zvučni tlak od 20 µPa na frekvenciji od 1.000 Hz je ujedno i najmanji intenzitet koji zdravo uho može primjetiti (prag čujnosti) te je ovaj intenzitet u akustici označen kao vrijednost od 0 dB. Jačina zvuka koja se decibelski odnosi prema referentnom intenzitetu zove se nivo intenziteta (IL - intensity level), a isto tako, zvučni tlak u decibelskom odnosu prema referentnom zvučnom tlaku zove se nivo zvučnog tlaka (SPL - sound pressure level). Važno je zapamtiti da ''nula decibela'' nije isto što i nula u matematici već je to minimalna glasnoća zvuka koji čujemo na frekvenciji od 1.000 Hz gdje je uho najosjetljivije (napomena: uho je još više osjetljivo na frekvencijama oko 3 kHz ali je kao standard uzete vrijednost na 1 kHz). Zato na audiogramu postoji mogućnost da čujemo zvuk i na nula decibela pa čak i tiše s negativnim predznakom na decibelima (osobe koje imaju izuzetno osjetljiv sluh). [1]

Decibel

Glasnoća zvuka se najčešće izražava u decibelima ali može se iskazati i kao efektivni ili maksimalni iznos promjene tlaka u odnosu na tlak nekog sredstva u stanju mirovanja (npr. zraka) u kojem se zvuk širi. Tada se iskazuje u jedinici za tlak – Paskalima. Decibel je logaritamska mjera (omjer) odnosa dviju veličina u kojem mora biti definirana referentna veličina. Standardno se razina zvuka u decibelima prikazuje u odnosu na referentni tlak od 20 µPa koji načelno odgovara pragu čujnosti i tada se obično označava dodatnom oznakom SPL (engl.: Sound Pressure level). Tako na primjer šapat ima oko 30 dB(A)SPL, normalan govor oko 60 dB(A)SPL, a prag neugodne buke oko 90 dB(A)SPL. Kako ljudsko uho nije jednako osjetljivo na sve frekvencije, određeni su težinski faktori kojima se intenzitet pojedine frekvencije uzima u obzir 24 kod mjerenja glasnoće zvuka a u zavisnosti o osjetu uha. Za intenzitete zvukova koji se nalaze u području normalne glasnoće (razina komunikacije, govora i glazbe) težinski faktori određeni su i standardizirani tzv. „krivuljom A“ (prema standardu EN 61672-1/-2). Mjerenja zasnovana na tim težinskim faktorima se označavaju kao dB(A), a ponekad i kao dBA ili dBA. Kada se radi o znatno većim i štetnim razinama zvuka (npr. industrijska buka i buka strojeva) koriste se težinske krivulje B, C i D. Decibel je mjerna jedinica izvedena iz jedinice bel (B) - nazvan tako u čast A. G. Bella, izumitelja telefona - no iz praktičnih se razloga koristi deset puta manja logaritamska mjera decibel (dB). [1]

Slika 1.Težinske krivulje [1]

Budući da su u slušnoj akustici omjeri između nulte razine zvučnog tlaka i intenziteta prema nivoima vrlo glasnih zvukova veliki ( 1 : 1.000.000), jednostavnije je da se zvučne snage i tlakovi izražavaju logaritmom omjera. Odnos ili omjer dvije linearne akustičke ili električne veličine (npr.zvučni tlak ili napon) izražen u decibelima je dvadesetostruki umnožak logaritamskog odnosa, s bazom deset. [1]

db

Pojam buke

Postoje razne definicije buke. Po jednoj, buka je skup zvukova koji izazivaju nelagodnost, neprijatnost. Postoji mišljenje prema kome svaka zvučna pojava (šum, galama, lupa, govor i sl.) koja ometa rad i odmor predstavlja buku. Da bi neki zvuk nazvali bukom on mora da bude dovoljno jak, da se izdvaja od ostalih zvukova i dobro čuje. S obzirom da je buka zvuk različite jačine, i da zavisi od uslova i okolnosti u kojima se javlja i djeluje.Pri ocjenjivanju da li neki zvuk ima karakter buke ili ne, mora se ustanoviti dozvoljeni intenzitet, nivo ili jačina buke i ustanoviti da li pri tome ima ometanja odnosno izazivanje nelagodnosti i neprijatnosti u datom slučaju. Prilikom rada mašine i uređaji proizvode buku. Zavisno od nivoa, buka može biti neiritirajuća, ali često je, kada pređe određeni nivo, štetna za fizičko i psihičko zdravlje ljudi. U fizičkom smislu povećani nivo buke utiče na oštećenje sluha, mada su psihička i fizička oštećenja usljed djelovanja buke individualna. Pojava buke je često uzrok poremećaja u radu tehničkih sisitema. Normalni nivo buke koji ljudski organizam podnosi je (65 ÷ 70) dB. Na tom nivou se može raspoznati govor u komunikaciji i to na udaljenosti do 1,5 m, a tačna granica između normalnog i iritirajućeg nivoa buke teško se može odrediti. Buka je neželjeni zvuk i sadrži tonove različitih frekvencija. Čisti ton prikazan je na slici 9.2, čija je mjera frekvencija, a nivo, nivo zvuka. Direktna buka određena je intenzitetom izvora buke i udaljenenošću od izvora.Indirektna buka zavisi od koeficijenata refksije poda, stropa ili zida. Amplituda zvučnog talasa(ralika u odnosu na zračni pritisak) određuje koliko će se glasno čuti buka.Frekvencija određuje visinu zvuka tj koliko brzo će se mijenjati zvučni pritisak. Osim nivoa, frekvencija je važna karakteristika buke. Buka više frekvencije je opasnija od buke niže frekvencije pošto dijelovi mašina koji imaju više frekvencije brže vibriraju. Buka iz više različitih izvora proizvodi zvuk koji je višeg nivoa nego bilo koji iz pojedinačnog izvora. Tako npr. Ako dva izvora proizvode zvuk istog nivoa ukupan nivo zvuka je za 3 dB viši nego svaki pojedinačni. Ili, ako deset zvučnih izvora proizvodi buku ukupna buka je 10 dB višeg nivoa nego bilo koja pojedinačna. [2]

Dijagrami nivoa zvuka u zavisnosti od:

a) frekvencije, b) vremena

Akustični pritisak ili nivo buke u zvučnog talasa i promjena pritiska tj frekvencija usljed talasanja zvučne sredine su osnovne karakteristike buke. [2]

Izvori buke

Glavni izvori buke su mašine i oprema. Do pojave buke na mašinama može doći iz različitih razloga i to kako na novim tako i na onim koje su duze vrijeme u upotrebi. To su npr. Ispuštanje zračne struje kroz ventile, pumpe, elektromotori, bučne mlaznice za komprimiran zrak, transmisije itd. Na slici 2 prikazani su neki izvori buke i nivoi u dB. Buka može nastati i prilikom transporta materijala i gotovih proizvoda korištenjem kotrljača, ali i povremeno usljed udara u procesu utovara u kontejnere ili dijelove transportnog sistema. Ovi problemi mogu se prevazići zavisno od svakog konkretnog slučaja i to: minimumom ispuštanja zračne struje kroz ventile, promjenom pumpe u hidrauličnom sistemu, regulacijom rada ventilatora, instaliranjem motora i transmisije koji mirnije rade, montiranjem prigušnica na hidraulične linije itd. U procesu transporta kotrljače se zbog bučnog rada mogu zamjeniti nekim drugim načinom transporta. Ukoliko sve to nije moguće i ako buka ne utiče na tehničko stanje sistema, odnosno ako nije posljedica poremećaja u radu mašina i postrojenja, može se vršiti ograđivanje zvučnim izolatorima, slika 3. [2]

Slika 2. Primjeri nekih izvora buke [2]

Slika 3. Ograđivanje hidrauličnog sistema [2]

Instrumenti za mjerenje buke

Instrumenti za mjerenje buke vrše pretvaranje zvuka u neku drugu energiju. Pomoću mikrofona i pretvarača zvuk, se detektuje i pretvara u električni signal. Najčešće se koriste instrumenti za mjerenje buke koji rade sa ugrađenim:

• elektrostatičkim,

• elektrodinamičkim,

• piezoelektričnim i

• magnetostrikcionim pretvaračem.

Različiti instrumenti za mjerenje buke imaju mogućnost statističke ili frekventne analize primljenog signala, a mogu dalje vršiti računanje izmjerenih vrijednosti u željeni oblik ili odgovarajuće jedinice, sve zavisno od problema koji se analizira. Najjednostavniji instrumenti su dozimetri za mjerenje buke u toku radnog dana. Međutim u industriji nivo buke je promjenljiv i složen pa se koriste i složeniji uređaji kao što su analizatori nivoa buke i analizatori intenziteta buke. Prvi mogu da vrše statističku analizu buke u toku vremena, a drug daju informaciju o veličini buke po jedinici površine u datoj poziciji. Uređaji za sofisticirana mjerenja u laboratorijskim i pogonskim uslovima daju frekventni spektar u vidu Campbellovog dijagrama. Na alatnim i drugim mašinama snimanje ukupnog nivoa buke i frekventnog spektra vrši se na različitim mjernim mjestima i za različite snage sa različitom udaljenošću mikrofona. Na osnovu frekvencije buke određuje se izvor buke i metod za kontrolu buke. Analizom podataka dobivenih mjerenjem može se doći do informacije o izvorima buke, a s tim u vezi i preduzeti mjere za njihovo smanjenje ili potpuno uklanjanje. Od mjerača nivoa buke-zvuka se zahtijeva da mjeri zvuk različitog nivoa, spektra i oblika zvučnih talasa u različitim uslovima distribucije izvora zvuka i refleksije na granicama zvučnog polja. [2]

[2] Tipovi (metara) mjerača nivoa zvuka prema tačnosti mjerenja

Mjerači nivoa zvuka prema IEC 651-1979 i IEC 804-1985 , svrstavaju se u četiri grupe:

· Tip 0, laboratorijski referntni standardi namijenjeni za kalibraciju drugih metara, mjerača nivoa zvuka.

· Tip 1, precizni metri mjerači nivoa zvuka za opću namjenu ,općenito na terenu gdje se traže prcizna mjerenja.

· Tip 2, mjerači opće namjene za upotrebu na terenu i za snimanje podataka nivoa buke za dalju analizu frekvencija.

· Tip 3, israživački mejrač zvuka koji služi za određivanje uslova okoline po pitanju buke.

Prema složenosti mjerači buke se dijele na:

· Najjednostavnijie mjerače buke ili dozimetre koji se koriste za mjerenje buke

· Analizatore nivoa buke koji se koriste u dijagnostičke svrhe

Princip rada mjerača buke [2]

Mjerač buke,čija je shema dana na slici 4, je mjerno sredstvo koje reagira na zvuk slično kao čovjekovo uho i daje objektivna reproduktivna mjerenja zvučnog nivoa. Zvučni signal se pretvara u električni signal pomoću mikrofona visokog kvaliteta. Signal je slab pa se mora pojačati da bi se očitao na instrumentu. Poslije prvog pojačanja signal prolazi kroz korektivni filter Poslije daljeg pojačanja signal je toliko jak da da otklon na instrumentu. Efektivna vrijednost signala je određena u detektoru efektivne vrijednosti. Očitana vrijednost je nivo zvuka u dB. Signalzvuka može se dobiti sa izlaznog utikača i vodi na vanjske instrumente kao što su magnetofoni, dozimetri buke ili pisači. Efektivna vrijednost, RMS, je specijalan oblik matematičke srednje vrijednosti. Važna je jer direktno zavisi od energije zvučnog signala. Detektor vršne vrijednosti može da se ugradi ako se želi određivanje vršnih vrijednosti impulsnih signala. [2]

Slika 4. Šema mjerača buke

Slika 5. Mjerač buke DozaBadge Pro [3]

Slika 6. Oprema za mjerenje buke na otvorenom [4]

Oprema za vanjsko mjerenje buke je dizajnirana za vanjsku primjenu, gdje mjerač treba ostaviti bez nadzora u lošim vremenskim uvjetima za praćenje do sedmicu dana. [4]

Standardi za mjerenje buke

Najvažniji standardi u o području mjerenja buke obuhvaćani su standradima:

· IEC (International Electrotechnical Commission) i

· ISO (International Organization for Standardization),

pri čemu je IEC nadležan u području konstrukcije instrumenata, a ISO u području mjerne tehnike, eksperimentalnih uslova, mjernih parametara i njihovih granica te rezultata mjerenja. [2]

[5]Neki od važećih standarda vezanih za buku:

BAS EN ISO 10140-1:2017 Laboratorijska mjerenja zvučne izolacije građevinskih elemenata, Dio 1: Pravila primjene za određene proizvode - Amandman 2: Buka od kiše

BAS EN ISO 10140-5/A1:2015 torijska mjerenja zvučne izolacije u građevinskim elementima - Dio 5: Zahtjevi za ispitnu laboratoriju i opremu - Amandman 1: Buka od kiše

BAS EN ISO 11200:2015 Buka koju emituju mašine i oprema - Smjernice za upotrebu osnovnih standarda za određivanje emisije zvučnog pritiska na radnom mjestu i na drugim specificiranim položajima.

BAS EN ISO 11201:2010 Buka koju emituju mašine i oprema – Mjerenje emisije zvučnog pritiska na radnom mjestu i na drugim određenim mjestima – Priručna metoda mjerenja u slobodnom zvučnom polju iznad reflektirajuće površine

BAS EN ISO 11202:2011 Buka koju emituju mašine i oprema - Mjerenje nivoa emisije zvučnog pritiska na radnom mjestu i na drugim određenim položajima, približnom korekcijom uticaja okoline, na terenu

BAS EN ISO 11203:2010 Buka koju emitiraju mašine i oprema – Mjerenje nivoa zvučnog pritiska emisije na radnom mjestu i na drugim specificiranim mjestima u zavisnosti od zvučne snage

BAS EN ISO 11204:2011 Buka koju emituju mašine i oprema - Mjerenje nivoa emisije zvučnog pritiska na radnom mjestu i na drugim određenim položajima preciznom korekcijom uticaja okoline, na terenu

BAS EN ISO 11205:2010 Buka koju emitiraju mašine i oprema – Inženjerska metoda za određivanje nivoa emitovanja zvučnog pritiska u izvoru na radnom mjestu i na drugim određenim položajima upotrebom jačine zvuka (ISO 11205:1995)

BAS EN ISO 12001:2010 Buka koju emitiraju mašine i oprema – Pravila za izbor i prikaz kodiranih rezultata ispitivanja

BAS EN ISO 17201-1/Cor1:2012 Buka sa streljišta - Dio 1 : Određivanje praska koji nastaje na izlazu iz cijevi mjerenjem

BAS EN ISO 17201-1:2012 Buka sa streljišta - Dio 1 : Određivanje praska koji nastaje na izlazu iz cijevi mjerenjem

BAS EN ISO 17201-2:2012 Buka sa streljišta - Dio 2 : Procjena praska koji nastaje na izlazu iz cijevi i zvuka projektila putem proračuna

BAS EN ISO 17201-3:2011 Buka u streljanama - Dio 3: Smjernice za računanje širenja zvuka

BAS EN ISO 17201-4:2012 Buka sa streljišta - Dio 4: Predviđanje zvuka projektila

BAS EN ISO 17201-5:2011 Buka u streljanama - Dio 5: Upravljanje bukom

Zaključak

Kroz ovaj seminarski rad sam objasnio pojam i intenzitet zvuka, na kojim to frekvencijama ljudsko uho počinje osjećati boli i pojam decibela. U daljnjem tekstu sam naveo pojam buke, osnovne izvore buke i instrumente za mjerenje buke. Nakon toga sam opisao sam princip mjerača buke i na kraju svog seminarskog rada naveo trenutno neke od važećih standarda vezanih za buku.

Literatura

[1] Heđever M. (2012) OSNOVE FIZIOLOŠKE I GOVORNE AKUSTIKE, Zagreb

[2] Zaimović – Uzunović N. (2006) Mjerna tehnika, Mašinski fakultet u Zenici

[3] https://www.noisemeters.com/product/cr/dosebadge/pro/

[4] https://www.noisemeters.com/product/cr/wpk/wpk1700/

[5] http://www.bas.gov.ba