ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ

Transcript

1

2 ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ

3 Επικοινωνία με τον συγγραφέα: GOTSIS Εκδόσεις Πρώτη Έκδοση: Νοέμβριος 2003 Δεύτερη Έκδοση: Ιανουάριος 2005 Τρίτη Έκδοση: Σεπτέμβριος 2008 Τετάρτη Έκδοση: Σεπτέμβριος 2012 ISBN Αποκλειστική Διάθεση: GOTSIS Εκδόσεις Ρήγα Φερραίου 19 21, Πάτρα Τηλ.: , Fax: E mail: gnossis@otenet.gr Στοιχειοθεσία Σελιδοποίηση: Γιάννης Πικραμένος ( ) Εκτύπωση / Βιβλιοδεσία: «Ταχύτυπο» ( ) Σύμφωνα με το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασματική αναδημοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του με οποιοδήποτε μέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.

4 Δημήτρης Σκαρλάτος Φυσικός, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Δ ΕΚΔΟΣΗ GOTSIS Εκδόσεις

5 ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... XXIII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Κυματική φύση του ήχου... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Μέτρηση του ήχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ανάλυση του ήχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Κυματικά φαινόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Απορρόφηση Διάχυση του ήχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Αρχιτεκτονική Ακουστική ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: Παραγωγή του ήχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: Μείωση του θορύβου από ελεύθερη διάδοση ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Μείωση αερόφερτου θορύβου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Κτυπογενής θόρυβος Άλλοι τρόποι ηχομείωσης ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12: Σιγαστήρες ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13: Θόρυβος ρευστών ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14: Υποκειμενική αντίληψη του ήχου ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15: Ηχορρύπανση Νομοθεσία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16: Επεξεργασία ακουστικών σημάτων ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17: Ακουστικές μετρήσεις Παράρτημα Α Παράρτημα Β Αλβαβητικό ευρετήριο

6 ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... ΧΧIIΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κυματική φύση του ήχου Εισαγωγή Σύντομο ιστορικό Παραγωγή του ήχου Βασικές παραδοχές Επίπεδα ηχητικά κύματα Υπολογισμός Εξίσωσης επιπέδων κυμάτων (μονοδιάστατη κυματική Εξίσωση) Λύση της μονοδιάστατης κυματικής εξίσωσης Ηχητικά κύματα στον χώρο Κυματική εξίσωση στο χώρο των τριών διαστάσεων Σφαιρική συμμετρία Κυλινδρική συμμετρία Τύποι ηχητικών κυμάτων Ηχητικά κύματα ανάλογα με τον τρόπο διάδοσης Ηχητικά κύματα στον αέρα Προσδιορισμός της ταχύτητας του ήχου Μέτρηση της ταχύτητας του ήχου Σύντομο ιστορικό Διαμήκη κύματα Ταχύτητα του ήχου στα στερεά Εγκάρσια κύματα Επιφανειακά κύματα Υπερηχητικές ταχύτητες Ακουστική εμπέδηση Επίπεδα κύματα Σφαιρικά κύματα Ενέργεια ηχητικών κυμάτων Πυκνότητα κινητικής ενέργειας στα επίπεδα κύματα... 28

7 X ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Πυκνότητα δυναμικής ενέργειας στα επίπεδα κύματα Πυκνότητα ενέργειας στα επίπεδα κύματα Πυκνότητα ενέργειας στα σφαιρικά κύματα Ένταση του ήχου Ένταση του ήχου Σχέση έντασης πίεσης για ελεύθερη διάδοση Σχέση έντασης πίεσης για διάχυτο ήχο Ακουστική ισχύς πηγής Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μέτρηση του ήχου 2.1 Θεμελιώδεις παραδοχές Μεγέθη μέτρησης ακουστικών σημάτων Επαλληλία των κυμάτων Η Συχνότητα του ήχου Ζώνες συχνοτήτων Μουσικές κλίμακες Η μονάδα Decibel Γενικά Ηχητικές στάθμες Φασματικές στάθμες θορύβου Ισοδύναμη στάθμη θορύβου Leq Ηχόμετρα Μέτρηση της έντασης Σχέση στάθμης πίεσης έντασης Η πρόσθεση των db Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση του ήχου 3.1 Ανάλυση του ήχου Φάσματα Φίλτρα Ανάλυση του ήχου Σύντομο ιστορικό Σύγχρονοι τρόποι ανάλυσης... 77

8 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XI 3.2 Φίλτρα Α, Β, C Είδη ήχων και θορύβων Απλοί ήχοι Λευκός και ροζ θόρυβος Θόρυβος περιβάλλοντος και βάθους Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κυματικά φαινόμενα 4.1 Συμβολή των ηχητικών κυμάτων Στάσιμα κύματα (Μονοδιάστατη μορφή) Συντονισμός στον χώρο των τριών διαστάσεων Πόλωση Περίθλαση Σκέδαση του ήχου Φαινόμενο Doppler Διάθλαση του ήχου Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Απορρόφηση Διάχυση του ήχου Σύντομο ιστορικό Ανάκλαση διάδοση απορρόφηση του ήχου Ορισμοί Υπολογισμός συντελεστών ανάκλασης και διάδοσης Απορρόφηση από υλικά Πορώδη απορροφητικά Απορροφητικά τύπου μεμβράνης Συντονιστές Διάτρητες επιφάνειες Ηλεκτρονικοί απορροφητές Διάχυση του ήχου Προσεγγιστικοί στατιστικοί τύποι Εξασθένηση του ήχου λόγω απορρόφησης από το μέσο διάδοσης Μέτρηση του συντελεστή απορρόφησης των υλικών Συντελεστής απορρόφησης για κάθετη πρόσπτωση

9 XII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Συντελεστής απορρόφησης για πλάγια πρόσπτωση Συντελεστής απορρόφησης για τυχαία πρόσπτωση (Sabine) Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους 6.1 Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους Χρόνος Αντήχησης Μικροί χώροι Συντονισμός Μεγάλοι χώροι (Στατιστική προσέγγιση) Χρόνος Αντήχησης διάχυτων ηχητικών πεδίων Προσεγγιστικός υπολογισμός του χρόνου αντήχησης (Sabine) Χώροι που συγκοινωνούν Μεγάλοι χώροι (Γεωμετρική προσέγγιση) Χρόνος αντήχησης για μεγάλους χώρους (Norris Eyring) Πολύ μεγάλοι χώροι Άλλοι χρόνοι αντήχησης Χώροι με μη ομοιόμορφη απορρόφηση Πρώιμος χρόνος αντήχησης EDT (Early Decay Time) Χρόνοι Τ 10, Τ 20, Τ Χρησιμότητα του χρόνου αντήχησης Διάδοση σε μεγάλους χώρους Σταθερά δωματίου Υπoλoγισμός στάθμης πίεσης σε κλειστό χώρο Ακουστικά πεδία Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Αρχιτεκτονική Ακουστική 7.1 Σύντομο Ιστορικό Ακουστικές απαιτήσεις χώρων Παράμετροι καλής ακουστικής

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XIII Ηχώ Ενεργειακοί δείκτες Δείκτες σκηνής Ποιότητα ομιλίας Στάθμες Ευρυχωρία (spaciousness) Χρωματισμός (Coloration) Αντήχηση Συνιστώμενες τιμές δεικτών Επίδραση του Χρόνου αντήχησης Επίδραση στην ομιλία Επίδραση του Χρόνου αντήχησης στην μουσική Χώροι με μεταβλητό χρόνο αντήχησης Συνιστώμενοι χρόνοι αντήχησης Γεωμετρική ακουστική Διάδοση πάνω από ανακλώσες επιφάνειες Μέθοδος των εικόνων Αρχιτεκτονική ακουστική μεγάλων χώρων Αρχές σχεδιασμού Γραφικός σχεδιασμός χώρων Σχεδιασμός με υπολογιστικές μεθόδους (CAD) Σχεδιασμός με κατασκευή μοντέλων Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Παραγωγή του ήχου Σύντομο ιστορικό Παραγωγή του ήχου Κατευθυντικότητα των πηγών Δείκτης και παράγοντας κατευθυντικότητας Πηγή σε ανακλαστική επιφάνεια Μοντέλα πηγών Μονόπολο ή μονοπολική ηχητική πηγή Δίπολο ή διπολική ηχητική πηγή Τετράπολο ή τετραπολική ηχητική πηγή

11 XIV ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 8.4 Εκπομπή ήχου από ταλαντούμενες επιφάνειες Ηχητική ισχύς πηγής Λόγος ακτινοβολίας μερικών πηγών Ταλαντώσεις απλών πηγών Χορδές Ράβδοι Σωλήνες Μεμβράνες Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Μείωση του θορύβου από ελεύθερη διάδοση 9.1 Εξασθένηση του ήχου λόγω μετεωρολογικών φαινομένων Επίδραση του ανέμου και της θερμοκρασίας Επίδραση της απορρόφησης από τον αέρα Επίδραση του εδάφους Ανάκλαση με απορρόφηση από το έδαφος Εκπομπή από πηγή με σφαιρική συμμετρία Εκπομπή από πηγές με κυλινδρική συμμετρία Γραμμική πηγή απείρου μήκους Γραμμή πεπερασμένου μήκους Γραμμική διάταξη σημειακών πηγών Κινούμενες πηγές σε γραμμική διάταξη κυκλοφοριακός θόρυβος Εκπομπή από πηγή με επίπεδη συμμετρία Επίπεδη πηγή Μείωση του θορύβου με την απορρόφηση Απορρόφηση από φυτά Σκέδαση από τα δέντρα Ηχομείωση από φράγματα ήχου Ηχομείωση από φράγματα ή ηχοπετάσματα Επίδραση του εδάφους Επίδραση της απορρόφησης Επίδραση του πάχους του φράγματος Διπλά φράγματα Επίδραση της διαμόρφωσης των άκρων

12 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XV Εφαρμογές Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 Μείωση αερόφερτου θορύβου 10.1 Μετάδοση του θορύβου σε κλειστούς χώρους Δείκτες ηχομείωσης Υπολογισμός ηχομείωσης αερόφερτου θορύβου Μετάδοση σε ανοικτό χώρο Μετάδοση σε κλειστό χώρο Νόμος της μάζας Κάθετη πρόσπτωση Τυχαία πρόσπτωση Το φαινόμενο της σύμπτωσης Το φαινόμενο του συντονισμού Ηχομονωτική συμπεριφορά απλών επιφανειών Περιοχή Ι (περιοχή σκληρότητας) Περιοχή ΙΙ Περιοχή IΙΙ (περιοχή νόμου μάζας) Περιοχή ΙV (περιοχή σύμπτωσης) Προσεγγιστικός υπολογισμός δείκτη ηχομείωσης απλών επιφανειών Υπολογισμός δείκτη ηχομείωσης σύνθετων επιφανειών Ηχομονωτική συμπεριφορά διπλών επιφανειών Θεωρία διπλών τοιχωμάτων Συχνότητα συντονισμού του διάκενου Η συχνότητα f Πρακτικός υπολογισμός ηχομείωσης διπλών επιφανειών Ηχομείωση τριπλών τοιχωμάτων Επιδράσεις στην ηχομείωση Επίδραση της απορρόφησης Επίδραση των συνδέσμων Επίδραση των ανοιγμάτων Επίδραση της απόσβεσης Μόνωση μη διάχυτου θορύβου Κλωβοί Κατάταξη ηχομείωσης (R w ) Παραδείγματα

13 XVI ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 Κτυπογενής θόρυβος Άλλοι τρόποι ηχομείωσης 11.1 Κτυπογενής θόρυβος Μέτρηση κτυπογενούς θορύβου Ποσότητες μέτρησης Εκπομπή θορύβου Υπολογισμός μείωσης κτυπογενούς θορύβου Μείωση που οφείλεται σε αλλαγή της διατομής Μείωση που οφείλεται σε γωνίες Μείωση που οφείλεται σε αλλαγή υλικού Μονώσεις ταλαντώσεων Συστήματα χωρίς απόσβεση Συστήματα με απόσβεση Ευκινησία (mobility) Μόνωση μηχανών Μόνωση δαπέδων Υλικά μόνωσης ταλαντώσεων Μείωση του κτυπογενούς θορύβου Μείωση στην πηγή Πλευρικές μεταδόσεις Κατάταξη ηχομείωσης κτυπογενούς θορύβου (R w ) Ηχομείωση με απορρόφηση Γενικά Ηχομείωση με απορρόφηση σε κλειστούς χώρους Ηχομείωση με Καταστολή [Active Noise Control (ANC)] Ενεργητικά συστήματα ANC Υβριδικά συστήματα Έλεγχος του θορύβου των μηχανών Μείωση του θορύβου στην πηγή Επιλογή μεθόδου εργασίας που παράγει λιγότερο θόρυβο Μείωση του θορύβου στην τροχιά διάδοσή του Ακουστική Άνεση Ηχοπροστασία Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία

14 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XVII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 Σιγαστήρες 12.1 Σιγαστήρες Απορροφητικοί σιγαστήρες (Dissipative Silencers) Επενδυμένοι αγωγοί Επενδυμένες γωνίες Σιγαστήρες παραλλήλων απορροφητών Ακουστικές περσίδες Σιγαστήρες τύπου αντίδρασης (Reactive Silencers) Απλός σύνδεσμος Κωνικός σύνδεσμος Απλός θάλαμος εκτόνωσης Επενδυμένος θάλαμος (Plenum Chamber) Σιγαστήρες τύπου συντονιστών Πλευρικός συντονιστής Πλευρικός συντονιστής με διάτρηση του αγωγού Σιγαστήρες τύπου διάχυσης Μικτοί σιγαστήρες Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 Θόρυβος ρευστών Γενικά Θόρυβος που οφείλεται στην ροή των ρευστών Νόμος του LIGHTHILL Εξίσωση του Lighthill Θόρυβος τυρβώδους ροής Θόρυβος μεταβαλλόμενων δυνάμεων Θόρυβος μη σταθερής ροής Μετάδοση των ηχητικών κυμάτων σε σωληνώσεις Θόρυβος των jet Jet Αερίων (Gas Jets) Θόρυβος πρόσκρουσης των jet Θόρυβος που οφείλεται στην ροή Θόρυβος των ρευστών σε σωληνώσεις

15 XVIII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Ταλαντώσεις και συντονισμός των σωληνώσεων Γωνίες και εμπόδια σε σωληνώσεις Θόρυβος που οφείλεται σε βαλβίδες και όργανα μέτρησης Αεροδυναμικός θόρυβος Σπηλαίωση Μηχανικές ταλαντώσεις Υδραυλικό πλήγμα (Water Hammer) Θόρυβος των συστημάτων κλιματισμού Πηγές θορύβου Θόρυβος ανεμιστήρων Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες Αξονικοί ανεμιστήρες Αιολικός θόρυβος (Karman Vortex Noise) Έλεγχος του θορύβου των ανεμιστήρων Θόρυβος συμπιεστών Φυγοκεντρικοί συμπιεστές Περιστροφικοί ή αξονικοί συμπιεστές Αντιστρεπτοί συμπιεστές Θόρυβος πύργων ψύξης Υδραυλικές αντλίες Μείωση του θορύβου των υδραυλικών αντλιών Θόρυβος αερίων καύσης Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 Υποκειμενική αντίληψη του ήχου 14.1 Επίδραση του θορύβου στον άνθρωπο Η φυσιολογία του αυτιού Απόκριση του αυτιού Ύψος (Pitch) Χροιά (Timbre) Ακουστότητα (Loudness) Ακοή με τα δύο αυτιά Προσδιορισμός κατεύθυνσης πηγής Υποκειμενικές μονάδες μέτρησης ακουστότητας Μονάδα στάθμης ακουστότητας Μονάδα υποκειμενεικής ακουστότητας Στάθμη αντιληπτού θορύβου (L pn )

16 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XIX Μονάδα υποκειμενικής θορυβότητας Επικάλυψη του θορύβου (Masking) Επικάλυψη τόνου από άλλο τόνο Επικάλυψη τόνου από θόρυβο στενής και ευρείας ζώνης Επικάλυψη τόνου από λευκό θόρυβο Προ και μετά επικάλυψη Ενόχληση από τον θόρυβο Παράγοντες που σχετίζονται με την ενόχληση από τον θόρυβο Καμπύλες κατάταξης του θορύβου NR και NC Στάθμη συμβολής ομιλίας (SIL) Παραδείγματα Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 Ηχορρύπανση Νομοθεσία 15.1 Επιπτώσεις του θορύβου στην ακοή Ακουστικό τραύμα Απώλεια ακοής Εμβοές Παθολογικές επιπτώσεις Εργασιακός θόρυβος όρια θορύβου Σύντομο ιστορικό Νομοθεσία για τον θόρυβο Κανονισμοί ΕE Ελληνική Κοινοτική νομοθεσία (ISO) Νομοθεσία άλλων χωρών Δόση θορύβου Προστατευτικά μέτρα Περιβαλλοντικός θόρυβος Ημερήσιος νυκτερινός δείκτης θορύβου L dn Ο δείκτης L DEN Ποσοστομοριακή στάθμη L N ή L AN Στάθμη έκθεσης θορύβου (L Αx ή S EL ή L AE ) Στάθμη ηχορύπανσης (NPL) Στάθμη L eq Δείκτης κυκλοφοριακού θορύβου (ΤΝΙ) Δείκτης ΝΝΙ

17 XX ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Τάξη στάθμης ήχου (Rating Sound Level) Όρια περιβαλλοντικού θορύβου Κυκλοφοριακός θόρυβος Όρια κυκλοφοριακού θορύβου Κανονισμοί HUD (ΗΠΑ) Χάρτες θορύβου Εφαρμογές Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16 Επεξεργασία ακουστικών σημάτων Σύντομο ιστορικό Μικρόφωνα Παράγοντες που επιδρούν στις μετρήσεις Κατάταξη ακουστικών σημάτων Ως προς τη στασιμότητα Ως προς το χρόνο Άλλες κατηγορίες σημάτων Μέθοδοι ανάλυσης Μέσες τιμές των σημάτων Συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας Κανονική κατανομή Μοντέλα δύο μεταβλητών Ανεξαρτησία και συσχέτιση των μεταβλητών Ανεξαρτησία Συσχέτιση μεταβλητών Γραμμική συσχέτιση Συναρτήσεις συσχέτισης Χρονική συνάρτηση αυτοσυσχέτισης (Auto Correlation Function) Χρονική συνάρτηση ετεροσυσχέτισης (Cross Correlation Function) Απόκριση δωματίου Περιοδικά σήματα Σειρές Fourier Φάσμα περιοδικών σημάτων Θεωρήματα σειρών FOURIER Μη περιοδικά σήματα Ορισμός μετασχηματισμού Fourier

18 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XXI Θεώρημα συνέλιξης (Convolution theorem) Συνεχή φάσματα Ορισμός φασματικής πυκνότητας ενέργειας Ορισμός φασματικής πυκνότητας ισχύος Θεώρημα Wiener Khinchine Εφαρμογές ετεροφασματικής πυκνότητας ισχύος Σύγκριση φασμάτων Συνάρτηση συγχρονισμού (Coherence Function) Αναλογική ανάλυση Αναλογικά φίλτρα Βηματικοί αναλυτές διακριτών φίλτρων Παράλληλοι αναλυτές πραγματικού χρόνου (Real Time Parallel Analyzers) Ψηφιακή ανάλυση Ψηφιακά φίλτρα Διακριτός μετασχηματισμός FOURIER Ταχύς μετασχηματισμός FOURIER (FFT) Περιοδόγραμμα (Periodogram) Μέθοδος μέγιστης εντροπίας (Maximum Entropy Method MEM) Μέθοδος μέγιστης πιθανότητας (Maximum Likelihood Method MLM) Αντίστροφο φάσμα (Cepstrum) Δειγματοληψία και προβλήματα φασματικής ανάλυσης Δειγματοληψία Το πρόβλημα εισαγωγής ψευδών συχνοτήτων (Alias) Θεώρημα Shannon Το πρόβλημα της κβάντωσης Η χρήση παραθύρων Το φαινόμενο του φράκτη (picked fence effect) Εφαρμογές Ασκήσεις Βιβλιογραφία ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17 Ακουστικές μετρήσεις 17.1 Γενικά Πρότυπα μετρήσεων Παράμετροι ακουστικών μετρήσεων

19 XXII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 17.2 Μέτρηση του χρόνου αντήχησης Μέθοδος κρουστικής διέγερσης Μέθοδος διακοπτόμενης διέγερσης Υπολογισμός Δεικτών ακουστικής ποιότητας κλειστών χώρων Μέτρηση ισχύος πηγής Γενικά Μέτρηση ισχύος πηγής που βρίσκεται επάνω σε ανακλαστική επιφάνεια Μέθοδος εκτίμησης (Survey) Μέτρηση ισχύος σε ανηχοϊκό και ημιανηχοϊκό χώρο Μέθοδος ακρίβειας (Precision) Μέτρηση ισχύος πηγής με τη βοήθεια της έντασης Μέτρηση στάθμης εκπομπής θορύβου οχημάτων Μέτρηση στάθμης εκπομπής θορύβου κινούμενων οχημάτων Μέθοδος μέτριας ακρίβειας (Engineering) Μέτρηση στάθμης ακίνητων οχημάτων Μέτρηση εκτίμησης (survey) Μέτρηση ηχομόνωσης Γενικά Μετρήσεις ηχομόνωσης κτιρίων με επιτόπιες μετρήσεις Προσδιορισμός ηχομόνωσης χώρων σε πολυώροφα κτίρια Μέτρηση ηχομόνωσης κτυπογενούς θορύβου Μέτρηση ολικού παράγοντα απωλειών Μέτρηση της ισοδύναμης επιφάνειας απορρόφησης Μέθοδος μέσω ηχητικών πεδίων Μέθοδος χρόνου αντήχησης Μέτρηση ηχορύπανσης κατά ISO Μέτρηση ηχορύπανσης Ελληνική νομοθεσία: Μέτρηση και όρια θορύβου από συγκοινωνίες Μέτρηση θορύβου κέντρων διασκέδασης Μέτρηση θορύβου βιομηχανικών εγκαταστάσεων Μέτρηση Εργασιακού θορύβου Ασκήσεις Βιβλιογραφία Παράρτημα Α Παράρτημα Β Ευρετήριο

20 Πρόλογος Η παρούσα τέταρτη έκδοση της Εφαρμοσμένης Ακουστικής είναι σημαντικά βελτιωμένη σε σχέση με τις προηγούμενες. Έχει προστεθεί ένας σημαντικός αριθμός άλυτων ασκήσεων, των οποίων η λύση βρίσκεται στο βιβλίο Ασκήσεις Εφαρμοσμένης Ακουστικής. Επιπροσθέτως έχει συμπληρωθεί με τις νεότερες έννοιες και δείκτες, που αφορούν κυρίως την ακουστική ποιότητα των κλειστών χώρων. Σε ένα μεγάλο βαθμό έχει ενημερωθεί με τα νέα πρότυπα ISO που αντικαθιστούν τα παλαιότερα. Επίσης είναι ενημερωμένη με την πρόσφατη νομοθεσία που αφορά κυρίως τα όρια θορύβου. Έχει προστεθεί το Παράρτημα Α στο οποίο μεταφέρθηκαν, ή προστέθηκαν εξειδικευμένα θέματα που αφορούν κυρίως αυτούς που ασχολούνται με το αντικείμενο της Ακουστικής. Τέλος έχουν επανασχεδιασθεί ορισμένα σχήματα, ενώ παράλληλα έχουν προστεθεί παλαιές απεικονίσεις (κυρίως του Kircher) για την βελτίωση της εμφάνισης του σημαντικά. Και στην παρούσα έκδοση για τις αποδείξεις των τύπων καθώς και για ορισμένες λεπτομέρειες που αφορούν κυρίως εξειδικευμένα θέματα, χρησιμοποιήθηκαν μικρότεροι χαρακτήρες ώστε ο αναγνώστης να μπορεί να τα παρακάμψει χωρίς να δημιουργείται πρόβλημα στην κατανόηση της ύλης. Θα ήθελα και πάλι να ευχαριστήσω τους φοιτητές μου που με τις εύστοχες παρατηρήσεις τους βοήθησαν στην βελτίωση του βιβλίου. Δημήτρης Σκαρλάτος XXIII

21 Στα παιδιά μου Αναστάσιο, Αθηνά Άλκηστις, Αχιλλέα

22

23

24

25 4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μετά από το παράδειγμα αυτό μπορούμε να δώσουμε τον εξής ορισμό για τον ήχο [ΕΛΟΤ (1.184)]: Ήχος ορίζεται ως η μηχανική διαταραχή που διαδίδεται με ορισμένη ταχύτητα μέσα σε ένα μέσο που μπορεί να αναπτύξει εσωτερικές δυνάμεις (π.χ. ελαστικότητας, εσωτερικής τριβής) και έχει τέτοιο χαρακτήρα ώστε μπορεί να διεγείρει το αισθητήριο ακοής και να προκαλέσει ακουστικό αίσθημα. Εδώ είναι απαραίτητο να κάνουμε τη διάκριση μεταξύ ήχου και θορύβου. Ο ήχος μπορεί να είναι ευχάριστος (μουσική), η και πολλές φορές δυσάρεστος. Ενώ ο θόρυβος που ορίζεται σαν κάθε ανεπιθύμητος ήχος, είναι δυσάρεστος και προκαλεί συνήθως ανεπιθύμητες ενέργειες όπως: απώλεια ακοής, ενόχληση, δυσκολία στην επικοινωνία κ.λπ. Ως θόρυβος θα μπορούσε να χαρακτηριστεί επίσης κάθε ήχος που δεν μεταφέρει καμία πληροφορία. 1.2 Βασικές παραδοχές Για την μελέτη παραγωγής και διάδοσης του ήχου σε κάποιο μέσο θα κάνουμε τις εξής παραδοχές: 1. Το μέσο διάδοσης πρέπει να είναι ελαστικό και να υπακούει στους νόμους της διατήρησης της μάζας και της ορμής. 2. Λόγω του ότι οι μεταβολές της πίεσης που οφείλονται στη διάδοση των ηχητικών κυμάτων στην ακουστική περιοχή των συχνοτήτων, είναι ταχείς, δεν συμβαίνει ροή θερμότητας από το περιβάλλον σε ένα στοιχείο όγκου και οι μεταβολές της πίεσης μπορούν να θεωρηθούν αδιαβατικές, (αν και σε μερικές περιπτώσεις ιδίως σε χαμηλές συχνότητες θεωρούνται ισόθερμες). Συνεπώς όταν σε ένα στοιχείο όγκου V ενός αερίου λόγω της διάδοσης του ήχου μεταβάλλεται η πίεση, ισχύουν οι σχέσεις: PV γ c = σταθ., γ = c (1.2.1) όπου c p, c v οι ειδικές θερμότητες του αερίου υπό σταθερή πίεση και όγκο αντίστοιχα, P η ατμοσφαιρική πίεση V το θεωρούμενο στοιχείο όγκου Στην ανάλυση που ακολουθεί για την περιγραφή των ηχητικών κυμάτων χρησιμοποιούμε την ακουστική πίεση (p), την ποσότητα που μετρούν τα μικρόφωνα. Με τον όρο ακουστική ή ηχητική πίεση στην ακουστική, εννοούμε τη δημιουργούμενη υπερπίεση ή υποπίεση (σε σχέση με την ατμοσφαιρική πίεση) που δημιουργεί το ηχητικό κύμα, κατά τη διάδοσή του. p v

26

27 6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 π.χ. τη διεύθυνση των x. Δηλαδή υποθέτουμε ότι στο επίπεδο yz που είναι κάθετο στη διεύθυνση διάδοσης x, η ακουστική πίεση την ίδια χρονική στιγμή παίρνει την ίδια τιμή. Τα μέτωπα κύματος, δηλαδή τα σημεία της επιφάνειας που φθάνει το κύμα στον ίδιο χρόνο, στην περίπτωση αυτή είναι επίπεδα απείρων διαστάσεων, παράλληλα μεταξύ τους οποιαδήποτε χρονική στιγμή, κάθετα στη διεύθυνση διάδοσης (βλ. σχήμα 1.3.1). Επίπεδο μπορεί να θεωρηθεί ένα κύμα όταν αυτό παράγεται από πηγή της οποίας η επιφάνεια εκπομπής είναι ένα επίπεδο για μικρές αποστάσεις, ή πρακτικά από μια σημειακή πηγή που βρίσκεται σε πολύ μεγάλη (άπειρη θεωρητικά), απόσταση, όπου οι σφαιρικές επιφάνειες κύματος εκφυλίζονται σε επίπεδες. Αποδεικνύεται παρακάτω ότι για την περίπτωση επιπέδων κυμάτων που διαδίδονται σε μέσο χωρίς απώλειες (π.χ. απορρόφηση), η πίεση του ήχου ικανοποιεί τη σχέση: Η σχέση αυτή είναι η μονοδιάστατη κυματική εξίσωση γεγονός που αποδεικνύει την κυματική φύση του ήχου Υπολογισμός Εξίσωσης επιπέδων κυμάτων (μονοδιάστατη κυματική Εξίσωση) Ας υποθέσουμε ότι έχουμε έναν σωλήνα απείρου μήκους που περιέχει ιδανικό αέριο το οποίο βρίσκε ται σε ηρεμία. Ο σωλήνας είναι ανοικτός στα δυο άκρα του και η τομή του (Α) είναι σταθερή (Σχ ). Επιπλέον υποθέτουμε ότι η θερμοκρασία σε οποιοδήποτε σημείο είναι σταθερή και οι τριβές είναι αμε λητέες. Στο ένα άκρο του σωλήνα υπάρχει έμβολο το οποίο μπορεί και κινείται ελεύθερα κατά τον άξονα των x. Κάποια χρονική στιγμή το έμβολο κινείται δεξιά προκαλώντας μία διαταραχή στο αέριο που υπάρχει στον σωλήνα. Η διαταραχή αυτή, διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα c. Ας εξετάσουμε την κίνηση που κάνει το στοιχείο όγκου ΔV που περιορίζεται από επίπεδα (κάθετα στον άξονα του σωλήνα) που βρίσκονται στις θέσεις x και x +δx. Θεωρήστε ότι κατά τη διάδοση του επιπέ δου ηχητικού κύματος η αριστερή πλευρά του στοιχείου μετατοπίζεται κατά w και η δεξιά κατά: (1.3.1) Αυτό σημαίνει ότι οι αρχικός όγκος που περιορίζεται από τις επίπεδες επιφάνειες x και x+δx μεταβάλ λεται κατά την ποσότητα dv = A Ο όγκος του στοιχείου που εξετάζουμε είναι dv 2 p = c 2 t 2 ( ) 2 x p w w+ δw= w+ δx x 2 [ ( ) ] w δ x x Aδx, οπότε η σχετική μεταβολή του όγκου είναι: (1.3.2)

28

29 8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Διαφορίζοντας την (1.3.5) δύο φορές ως προς t και τη (1.3.8) μια φορά ως προς x απαλείφοντας τους όρους που περιέχουν το w καταλήγουμε τελικά στη σχέση: 2 2 p B p = 2 2 t ρ x (1.3.9) Η ποσότητα Β/ρ όπως θα αποδειχθεί παρακάτω είναι ίση με το τετράγωνο της ταχύτητας του ήχου οπότε με αντικατάσταση στην (1.3.9) προκύπτει η εξίσωση των επιπέδων κυμάτων: 2 2 p 2 p = c 2 2 t x (1.3.10) Λύση της μονοδιάστατης κυματικής εξίσωσης Η γενική λύση της εξίσωσης (1.3.10) έχει τη μορφή: ( ω ) pt () = p e + p e i t kx i( ωt+ kx) (1.3.11) όπου p(t) η στιγμιαία πίεση του ηχητικού κύματος, δηλαδή η προκαλούμενη υπερπίεση (Δp) στο μέσο διάδοσης και p 01, p 02 οι αντίστοιχες μέγιστες τιμές. Η παραπάνω λύση παριστά δύο κύματα που διαδίδονται σε αντίθετες διευθύνσεις: κατά τη διεύθυνση +x και τη διεύθυνση x. Αν μας ενδιαφέρει μόνο η διεύθυνση +x τότε η λύση παίρνει τη μορφή: ( ω ) pt () = pe = pe i t kx ik ( ct x) 0 0 (1.3.12) Λόγω του ότι οποιαδήποτε μετρήσιμη ποσότητα είναι πάντα πραγματική, συνήθως μας ενδιαφέρει το πραγματικό μέρος της παραπάνω λύσης που μπορεί να γραφεί με την μορφή: pt () = p cos( t kx) 0 ω (1.3.13) Στην παραπάνω σχέση το k είναι ο γωνιακός κυματάριθμος, λ το μήκος κύματος και ω η κυκλική συχνότητα. Τα μεγέθη αυτά συνδέονται με τις γνωστές σχέσεις: 2π 2π f ω k = = = λ c c (1.3.14) Η κυματική εξίσωση μπορεί να γραφεί και με τη βοήθεια της ταχύτητας των σωματιδίων. Από τη σχέση (1.3.5) αν παραγωγίσουμε ως προς το χρόνο, λαμβάνοντας υπόψη ότι u w/ t προκύπτει:

30