ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ
Επικοινωνία με τον συγγραφέα: skarlat@mech.upatras.gr GOTSIS Εκδόσεις Πρώτη Έκδοση: Νοέμβριος 2003 Δεύτερη Έκδοση: Ιανουάριος 2005 Τρίτη Έκδοση: Σεπτέμβριος 2008 Τετάρτη Έκδοση: Σεπτέμβριος 2012 ISBN 978 960 9427 22 7 Αποκλειστική Διάθεση: GOTSIS Εκδόσεις Ρήγα Φερραίου 19 21, 26223 Πάτρα Τηλ.: 2610 226453, Fax: 2610 226 690 E mail: gnossis@otenet.gr Στοιχειοθεσία Σελιδοποίηση: Γιάννης Πικραμένος (2610 432200) Εκτύπωση / Βιβλιοδεσία: «Ταχύτυπο» (2610 461780) 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.
Δημήτρης Σκαρλάτος Φυσικός, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός Αναπληρωτής Καθηγητής Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών Πανεπιστημίου Πατρών ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Δ ΕΚΔΟΣΗ GOTSIS Εκδόσεις
ΣΥΝΟΠΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... XXIII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: Κυματική φύση του ήχου... 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: Μέτρηση του ήχου... 43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: Ανάλυση του ήχου... 75 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Κυματικά φαινόμενα... 91 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: Απορρόφηση Διάχυση του ήχου... 107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6: Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους... 137 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7: Αρχιτεκτονική Ακουστική... 171 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8: Παραγωγή του ήχου... 209 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9: Μείωση του θορύβου από ελεύθερη διάδοση... 233 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10: Μείωση αερόφερτου θορύβου... 271 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11: Κτυπογενής θόρυβος Άλλοι τρόποι ηχομείωσης... 317 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12: Σιγαστήρες... 347 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13: Θόρυβος ρευστών... 369 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14: Υποκειμενική αντίληψη του ήχου... 395 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15: Ηχορρύπανση Νομοθεσία... 427 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16: Επεξεργασία ακουστικών σημάτων... 461 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17: Ακουστικές μετρήσεις... 519 Παράρτημα Α... 571 Παράρτημα Β... 587 Αλβαβητικό ευρετήριο... 599
ΑΝΑΛΥΤΙΚΑ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος... ΧΧIIΙ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Κυματική φύση του ήχου Εισαγωγή Σύντομο ιστορικό... 1 1.1 Παραγωγή του ήχου... 3 1.2 Βασικές παραδοχές... 4 1.3 Επίπεδα ηχητικά κύματα... 5 1.3.1 Υπολογισμός Εξίσωσης επιπέδων κυμάτων (μονοδιάστατη κυματική Εξίσωση)... 6 1.3.2 Λύση της μονοδιάστατης κυματικής εξίσωσης... 8 1.4 Ηχητικά κύματα στον χώρο... 10 1.4.1 Κυματική εξίσωση στο χώρο των τριών διαστάσεων... 10 1.4.2 Σφαιρική συμμετρία... 13 1.4.3 Κυλινδρική συμμετρία... 15 1.5 Τύποι ηχητικών κυμάτων... 15 1.5.1 Ηχητικά κύματα ανάλογα με τον τρόπο διάδοσης... 15 1.5.2 Ηχητικά κύματα στον αέρα... 16 1.6 Προσδιορισμός της ταχύτητας του ήχου... 17 1.6.1 Μέτρηση της ταχύτητας του ήχου Σύντομο ιστορικό... 17 1.6.2 Διαμήκη κύματα... 19 1.6.3 Ταχύτητα του ήχου στα στερεά... 22 1.6.4 Εγκάρσια κύματα... 22 1.6.5 Επιφανειακά κύματα... 22 1.6.6 Υπερηχητικές ταχύτητες... 23 1.7 Ακουστική εμπέδηση... 24 1.7.1 Επίπεδα κύματα... 25 1.7.2 Σφαιρικά κύματα... 26 1.8 Ενέργεια ηχητικών κυμάτων... 27 1.8.1 Πυκνότητα κινητικής ενέργειας στα επίπεδα κύματα... 28
X ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 1.8.2 Πυκνότητα δυναμικής ενέργειας στα επίπεδα κύματα... 28 1.8.3 Πυκνότητα ενέργειας στα επίπεδα κύματα... 30 1.8.4 Πυκνότητα ενέργειας στα σφαιρικά κύματα... 30 1.9 Ένταση του ήχου... 32 1.9.1 Ένταση του ήχου... 32 1.9.2 Σχέση έντασης πίεσης για ελεύθερη διάδοση... 33 1.9.3 Σχέση έντασης πίεσης για διάχυτο ήχο... 34 1.10 Ακουστική ισχύς πηγής... 36 Παραδείγματα... 37 Ασκήσεις... 38 Βιβλιογραφία... 41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Μέτρηση του ήχου 2.1 Θεμελιώδεις παραδοχές... 43 2.2 Μεγέθη μέτρησης ακουστικών σημάτων... 44 2.3 Επαλληλία των κυμάτων... 45 2.4 Η Συχνότητα του ήχου... 46 2.4.1 Ζώνες συχνοτήτων... 47 2.4.2 Μουσικές κλίμακες... 52 2.5 Η μονάδα Decibel... 54 2.5.1 Γενικά... 54 2.5.2 Ηχητικές στάθμες... 56 2.5.3 Φασματικές στάθμες θορύβου... 58 2.5.4 Ισοδύναμη στάθμη θορύβου Leq... 60 2.5.5 Ηχόμετρα... 61 2.6 Μέτρηση της έντασης... 62 2.7 Σχέση στάθμης πίεσης έντασης... 64 2.8 Η πρόσθεση των db... 64 Παραδείγματα... 67 Ασκήσεις... 69 Βιβλιογραφία... 73 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ανάλυση του ήχου 3.1 Ανάλυση του ήχου Φάσματα Φίλτρα... 75 3.1.1 Ανάλυση του ήχου Σύντομο ιστορικό... 75 3.1.2 Σύγχρονοι τρόποι ανάλυσης... 77
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XI 3.2 Φίλτρα Α, Β, C... 81 3.3 Είδη ήχων και θορύβων... 82 3.3.1 Απλοί ήχοι... 82 3.3.2 Λευκός και ροζ θόρυβος... 84 3.3.3 Θόρυβος περιβάλλοντος και βάθους... 86 Παραδείγματα... 87 Ασκήσεις... 87 Βιβλιογραφία... 89 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Κυματικά φαινόμενα 4.1 Συμβολή των ηχητικών κυμάτων... 91 4.1.1 Στάσιμα κύματα (Μονοδιάστατη μορφή)... 91 4.1.2 Συντονισμός στον χώρο των τριών διαστάσεων... 94 4.2 Πόλωση Περίθλαση Σκέδαση του ήχου... 99 4.3 Φαινόμενο Doppler... 100 4.4 Διάθλαση του ήχου... 102 Παραδείγματα... 103 Ασκήσεις... 104 Βιβλιογραφία... 106 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Απορρόφηση Διάχυση του ήχου Σύντομο ιστορικό... 107 5.1 Ανάκλαση διάδοση απορρόφηση του ήχου... 109 5.1.1 Ορισμοί... 109 5.1.2 Υπολογισμός συντελεστών ανάκλασης και διάδοσης... 111 5.2 Απορρόφηση από υλικά... 114 5.2.1 Πορώδη απορροφητικά... 115 5.2.2 Απορροφητικά τύπου μεμβράνης... 118 5.2.3 Συντονιστές... 119 5.2.4 Διάτρητες επιφάνειες... 120 5.2.5 Ηλεκτρονικοί απορροφητές... 122 5.3 Διάχυση του ήχου... 123 5.4 Προσεγγιστικοί στατιστικοί τύποι... 125 5.5 Εξασθένηση του ήχου λόγω απορρόφησης από το μέσο διάδοσης... 126 5.6 Μέτρηση του συντελεστή απορρόφησης των υλικών... 128 5.6.1 Συντελεστής απορρόφησης για κάθετη πρόσπτωση... 128
XII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 5.6.2 Συντελεστής απορρόφησης για πλάγια πρόσπτωση... 129 5.6.3 Συντελεστής απορρόφησης για τυχαία πρόσπτωση (Sabine)... 130 Παραδείγματα... 130 Ασκήσεις... 132 Βιβλιογραφία... 135 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους 6.1 Συμπεριφορά του ήχου σε κλειστούς χώρους... 137 6.2 Χρόνος Αντήχησης... 138 6.3 Μικροί χώροι... 139 6.3.1 Συντονισμός... 139 6.4 Μεγάλοι χώροι (Στατιστική προσέγγιση)... 141 6.4.1 Χρόνος Αντήχησης διάχυτων ηχητικών πεδίων... 144 6.4.2 Προσεγγιστικός υπολογισμός του χρόνου αντήχησης (Sabine)... 145 6.4.3 Χώροι που συγκοινωνούν... 145 6.5 Μεγάλοι χώροι (Γεωμετρική προσέγγιση)... 147 6.5.1 Χρόνος αντήχησης για μεγάλους χώρους (Norris Eyring)... 147 6.6 Πολύ μεγάλοι χώροι... 150 6.7 Άλλοι χρόνοι αντήχησης... 153 6.7.1 Χώροι με μη ομοιόμορφη απορρόφηση... 153 6.7.2 Πρώιμος χρόνος αντήχησης EDT (Early Decay Time)... 153 6.7.3 Χρόνοι Τ 10, Τ 20, Τ 30... 153 6.8 Χρησιμότητα του χρόνου αντήχησης... 154 6.9 Διάδοση σε μεγάλους χώρους... 155 6.9.1 Σταθερά δωματίου... 155 6.9.2 Υπoλoγισμός στάθμης πίεσης σε κλειστό χώρο... 156 6.10 Ακουστικά πεδία... 160 Παραδείγματα... 163 Ασκήσεις... 164 Βιβλιογραφία... 169 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Αρχιτεκτονική Ακουστική 7.1 Σύντομο Ιστορικό... 171 7.2 Ακουστικές απαιτήσεις χώρων... 172 7.3 Παράμετροι καλής ακουστικής... 173
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XIII 7.3.1 Ηχώ... 174 7.3.2 Ενεργειακοί δείκτες... 177 7.3.3 Δείκτες σκηνής... 179 7.3.4 Ποιότητα ομιλίας... 180 7.3.5 Στάθμες... 182 7.3.6 Ευρυχωρία (spaciousness)... 183 7.3.7 Χρωματισμός (Coloration)... 185 7.3.8 Αντήχηση... 185 7.3.9 Συνιστώμενες τιμές δεικτών... 186 7.4 Επίδραση του Χρόνου αντήχησης... 186 7.4.1 Επίδραση στην ομιλία... 186 7.4.2 Επίδραση του Χρόνου αντήχησης στην μουσική... 187 7.4.3 Χώροι με μεταβλητό χρόνο αντήχησης... 187 7.4.4 Συνιστώμενοι χρόνοι αντήχησης... 188 7.5 Γεωμετρική ακουστική... 190 7.5.1. Διάδοση πάνω από ανακλώσες επιφάνειες Μέθοδος των εικόνων... 190 7.6 Αρχιτεκτονική ακουστική μεγάλων χώρων... 192 7.6.1. Αρχές σχεδιασμού... 192 7.6.2 Γραφικός σχεδιασμός χώρων... 195 7.6.3 Σχεδιασμός με υπολογιστικές μεθόδους (CAD)... 200 7.6.4 Σχεδιασμός με κατασκευή μοντέλων... 200 Παραδείγματα... 201 Ασκήσεις... 203 Βιβλιογραφία... 206 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 8 Παραγωγή του ήχου Σύντομο ιστορικό... 209 8.1 Παραγωγή του ήχου... 210 8.2 Κατευθυντικότητα των πηγών... 210 8.2.1 Δείκτης και παράγοντας κατευθυντικότητας... 211 8.2.2 Πηγή σε ανακλαστική επιφάνεια... 212 8.3 Μοντέλα πηγών... 213 8.3.1 Μονόπολο ή μονοπολική ηχητική πηγή... 213 8.3.2 Δίπολο ή διπολική ηχητική πηγή... 214 8.3.3 Τετράπολο ή τετραπολική ηχητική πηγή... 216
XIV ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 8.4 Εκπομπή ήχου από ταλαντούμενες επιφάνειες... 217 8.4.1 Ηχητική ισχύς πηγής... 217 8.4.2 Λόγος ακτινοβολίας μερικών πηγών... 218 8.5 Ταλαντώσεις απλών πηγών... 219 8.5.1 Χορδές... 219 8.5.2 Ράβδοι... 224 8.5.3 Σωλήνες... 226 8.5.4 Μεμβράνες... 228 Ασκήσεις... 230 Βιβλιογραφία... 231 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 9 Μείωση του θορύβου από ελεύθερη διάδοση 9.1 Εξασθένηση του ήχου λόγω μετεωρολογικών φαινομένων... 234 9.1.1 Επίδραση του ανέμου και της θερμοκρασίας... 234 9.1.2 Επίδραση της απορρόφησης από τον αέρα... 238 9.2. Επίδραση του εδάφους... 239 9.2.1 Ανάκλαση με απορρόφηση από το έδαφος... 239 9.3 Εκπομπή από πηγή με σφαιρική συμμετρία... 241 9.4 Εκπομπή από πηγές με κυλινδρική συμμετρία... 242 9.4.1 Γραμμική πηγή απείρου μήκους... 243 9.4.2 Γραμμή πεπερασμένου μήκους... 244 9.4.3 Γραμμική διάταξη σημειακών πηγών... 246 9.4.4 Κινούμενες πηγές σε γραμμική διάταξη κυκλοφοριακός θόρυβος... 248 9.5 Εκπομπή από πηγή με επίπεδη συμμετρία... 251 9.5.1 Επίπεδη πηγή... 251 9.6 Μείωση του θορύβου με την απορρόφηση... 253 9.6.1 Απορρόφηση από φυτά... 253 9.6.2 Σκέδαση από τα δέντρα... 254 9.7 Ηχομείωση από φράγματα ήχου... 255 9.7.1 Ηχομείωση από φράγματα ή ηχοπετάσματα... 255 9.7.2 Επίδραση του εδάφους... 260 9.7.3 Επίδραση της απορρόφησης... 260 9.7.4 Επίδραση του πάχους του φράγματος... 261 9.7.5 Διπλά φράγματα... 261 9.7.6 Επίδραση της διαμόρφωσης των άκρων... 262
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XV Εφαρμογές... 263 Ασκήσεις... 265 Βιβλιογραφία... 269 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 10 Μείωση αερόφερτου θορύβου 10.1 Μετάδοση του θορύβου σε κλειστούς χώρους... 271 10.2 Δείκτες ηχομείωσης... 272 10.3 Υπολογισμός ηχομείωσης αερόφερτου θορύβου... 273 10.3.1 Μετάδοση σε ανοικτό χώρο... 273 10.3.2 Μετάδοση σε κλειστό χώρο... 274 10.4 Νόμος της μάζας... 277 10.4.1 Κάθετη πρόσπτωση... 278 10.4.2 Τυχαία πρόσπτωση... 280 10.5 Το φαινόμενο της σύμπτωσης... 281 10.6 Το φαινόμενο του συντονισμού... 284 10.7 Ηχομονωτική συμπεριφορά απλών επιφανειών... 284 10.7.1 Περιοχή Ι (περιοχή σκληρότητας)... 287 10.7.2 Περιοχή ΙΙ... 287 10.7.3 Περιοχή IΙΙ (περιοχή νόμου μάζας)... 287 10.7.4 Περιοχή ΙV (περιοχή σύμπτωσης)... 287 10.8 Προσεγγιστικός υπολογισμός δείκτη ηχομείωσης απλών επιφανειών... 288 10.9 Υπολογισμός δείκτη ηχομείωσης σύνθετων επιφανειών... 290 10.10 Ηχομονωτική συμπεριφορά διπλών επιφανειών... 290 10.10.1 Θεωρία διπλών τοιχωμάτων... 291 10.10.2 Συχνότητα συντονισμού του διάκενου... 294 10.10.3 Η συχνότητα f 1... 295 10.10.4 Πρακτικός υπολογισμός ηχομείωσης διπλών επιφανειών... 296 10.11 Ηχομείωση τριπλών τοιχωμάτων... 298 10.12 Επιδράσεις στην ηχομείωση... 299 10.12.1 Επίδραση της απορρόφησης... 299 10.12.2 Επίδραση των συνδέσμων... 300 10.12.3 Επίδραση των ανοιγμάτων... 303 10.12.4 Επίδραση της απόσβεσης... 303 10.13 Μόνωση μη διάχυτου θορύβου Κλωβοί... 305 10.14 Κατάταξη ηχομείωσης (R w )... 306 Παραδείγματα... 307
XVI ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ Ασκήσεις... 311 Βιβλιογραφία... 315 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 11 Κτυπογενής θόρυβος Άλλοι τρόποι ηχομείωσης 11.1 Κτυπογενής θόρυβος... 317 11.2 Μέτρηση κτυπογενούς θορύβου... 318 11.2.1 Ποσότητες μέτρησης... 318 11.2.2 Εκπομπή θορύβου... 318 11.3 Υπολογισμός μείωσης κτυπογενούς θορύβου... 319 11.3.1 Μείωση που οφείλεται σε αλλαγή της διατομής... 319 11.3.2 Μείωση που οφείλεται σε γωνίες... 319 11.3.3 Μείωση που οφείλεται σε αλλαγή υλικού... 320 11.4 Μονώσεις ταλαντώσεων... 321 11.4.1 Συστήματα χωρίς απόσβεση... 321 11.4.2 Συστήματα με απόσβεση... 323 11.4.3 Ευκινησία (mobility)... 325 11.4.4 Μόνωση μηχανών... 326 11.4.5 Μόνωση δαπέδων... 327 11.5 Υλικά μόνωσης ταλαντώσεων... 327 11.6 Μείωση του κτυπογενούς θορύβου... 329 11.6.1 Μείωση στην πηγή... 329 11.6.2 Πλευρικές μεταδόσεις... 330 11.7 Κατάταξη ηχομείωσης κτυπογενούς θορύβου (R w )... 330 11.8 Ηχομείωση με απορρόφηση... 331 11.8.1 Γενικά... 331 11.8.2 Ηχομείωση με απορρόφηση σε κλειστούς χώρους... 332 11.9 Ηχομείωση με Καταστολή [Active Noise Control (ANC)]... 333 11.9.1 Ενεργητικά συστήματα ANC... 333 11.9.2 Υβριδικά συστήματα... 335 11.10 Έλεγχος του θορύβου των μηχανών... 335 11.10.1 Μείωση του θορύβου στην πηγή... 335 11.10.2 Επιλογή μεθόδου εργασίας που παράγει λιγότερο θόρυβο... 337 11.10.3 Μείωση του θορύβου στην τροχιά διάδοσή του... 337 11.11 Ακουστική Άνεση Ηχοπροστασία... 340 Παραδείγματα... 342 Ασκήσεις... 343 Βιβλιογραφία... 345
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XVII ΚΕΦΑΛΑΙΟ 12 Σιγαστήρες 12.1 Σιγαστήρες... 347 12.2 Απορροφητικοί σιγαστήρες (Dissipative Silencers)... 348 12.2.1 Επενδυμένοι αγωγοί... 349 12.2.2 Επενδυμένες γωνίες... 351 12.2.3 Σιγαστήρες παραλλήλων απορροφητών... 352 12.2.4 Ακουστικές περσίδες... 353 12.3 Σιγαστήρες τύπου αντίδρασης (Reactive Silencers)... 353 12.3.1 Απλός σύνδεσμος... 353 12.3.2 Κωνικός σύνδεσμος... 354 12.3.3 Απλός θάλαμος εκτόνωσης... 355 12.3.4 Επενδυμένος θάλαμος (Plenum Chamber)... 358 12.4 Σιγαστήρες τύπου συντονιστών... 359 12.4.1 Πλευρικός συντονιστής... 359 12.4.2 Πλευρικός συντονιστής με διάτρηση του αγωγού... 361 12.5 Σιγαστήρες τύπου διάχυσης... 362 12.6 Μικτοί σιγαστήρες... 363 Παραδείγματα... 363 Ασκήσεις... 366 Βιβλιογραφία... 367 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 13 Θόρυβος ρευστών Γενικά... 369 13.1 Θόρυβος που οφείλεται στην ροή των ρευστών Νόμος του LIGHTHILL... 369 13.1.1 Εξίσωση του Lighthill... 370 13.1.2 Θόρυβος τυρβώδους ροής... 371 13.1.3 Θόρυβος μεταβαλλόμενων δυνάμεων... 371 13.1.4 Θόρυβος μη σταθερής ροής... 372 13.2 Μετάδοση των ηχητικών κυμάτων σε σωληνώσεις... 372 13.3 Θόρυβος των jet... 373 13.3.1 Jet Αερίων (Gas Jets)... 374 13.3.2 Θόρυβος πρόσκρουσης των jet... 376 13.4 Θόρυβος που οφείλεται στην ροή... 376 13.4.1 Θόρυβος των ρευστών σε σωληνώσεις... 376
XVIII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 13.4.2 Ταλαντώσεις και συντονισμός των σωληνώσεων... 378 13.4.3 Γωνίες και εμπόδια σε σωληνώσεις... 379 13.5 Θόρυβος που οφείλεται σε βαλβίδες και όργανα μέτρησης... 380 13.5.1 Αεροδυναμικός θόρυβος... 380 13.5.2 Σπηλαίωση... 381 13.5.3 Μηχανικές ταλαντώσεις... 382 13.5.4 Υδραυλικό πλήγμα (Water Hammer)... 383 13.6 Θόρυβος των συστημάτων κλιματισμού... 384 13.6.1 Πηγές θορύβου... 384 13.6.2 Θόρυβος ανεμιστήρων... 385 13.6.3 Φυγοκεντρικοί ανεμιστήρες... 385 13.6.4 Αξονικοί ανεμιστήρες... 386 13.6.5 Αιολικός θόρυβος (Karman Vortex Noise)... 387 13.6.6 Έλεγχος του θορύβου των ανεμιστήρων... 388 13.6.7 Θόρυβος συμπιεστών... 388 13.6.8 Φυγοκεντρικοί συμπιεστές... 389 13.6.9 Περιστροφικοί ή αξονικοί συμπιεστές... 389 13.6.10 Αντιστρεπτοί συμπιεστές... 389 13.6.11 Θόρυβος πύργων ψύξης... 390 13.7 Υδραυλικές αντλίες... 391 13.7.1 Μείωση του θορύβου των υδραυλικών αντλιών... 392 13.8 Θόρυβος αερίων καύσης... 392 Ασκήσεις... 393 Βιβλιογραφία... 394 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 14 Υποκειμενική αντίληψη του ήχου 14.1 Επίδραση του θορύβου στον άνθρωπο... 395 14.2 Η φυσιολογία του αυτιού... 396 14.3 Απόκριση του αυτιού... 397 14.3.1 Ύψος (Pitch)... 398 14.3.2 Χροιά (Timbre)... 401 14.3.3 Ακουστότητα (Loudness)... 401 14.3.4 Ακοή με τα δύο αυτιά Προσδιορισμός κατεύθυνσης πηγής... 403 14.4 Υποκειμενικές μονάδες μέτρησης ακουστότητας... 405 14.4.1 Μονάδα στάθμης ακουστότητας... 405 14.4.2 Μονάδα υποκειμενεικής ακουστότητας... 407 14.4.3 Στάθμη αντιληπτού θορύβου (L pn )... 408
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XIX 14.4.4 Μονάδα υποκειμενικής θορυβότητας... 409 14.5 Επικάλυψη του θορύβου (Masking)... 411 14.5.1 Επικάλυψη τόνου από άλλο τόνο... 412 14.5.2 Επικάλυψη τόνου από θόρυβο στενής και ευρείας ζώνης... 414 14.5.3 Επικάλυψη τόνου από λευκό θόρυβο... 417 14.5.4 Προ και μετά επικάλυψη... 417 14.6 Ενόχληση από τον θόρυβο... 418 14.6.1 Παράγοντες που σχετίζονται με την ενόχληση από τον θόρυβο... 418 14.6.2 Καμπύλες κατάταξης του θορύβου NR και NC... 418 14.6.3 Στάθμη συμβολής ομιλίας (SIL)... 421 Παραδείγματα... 422 Ασκήσεις... 422 Βιβλιογραφία... 424 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 15 Ηχορρύπανση Νομοθεσία 15.1 Επιπτώσεις του θορύβου στην ακοή... 427 15.1.1 Ακουστικό τραύμα... 428 15.1.2 Απώλεια ακοής... 428 15.1.3 Εμβοές... 433 15.2 Παθολογικές επιπτώσεις... 436 15.3 Εργασιακός θόρυβος όρια θορύβου... 438 15.3.1 Σύντομο ιστορικό... 438 15.3.2 Νομοθεσία για τον θόρυβο... 439 15.3.3 Κανονισμοί ΕE... 440 15.3.4 Ελληνική Κοινοτική νομοθεσία (ISO)... 441 15.3.5 Νομοθεσία άλλων χωρών Δόση θορύβου... 442 15.3.6 Προστατευτικά μέτρα... 443 15.4 Περιβαλλοντικός θόρυβος... 444 15.4.1 Ημερήσιος νυκτερινός δείκτης θορύβου L dn... 444 15.4.2 Ο δείκτης L DEN... 445 15.4.3 Ποσοστομοριακή στάθμη L N ή L AN... 445 15.4.4 Στάθμη έκθεσης θορύβου (L Αx ή S EL ή L AE )... 446 15.4.5 Στάθμη ηχορύπανσης (NPL)... 447 15.4.6 Στάθμη L eq... 448 15.4.7 Δείκτης κυκλοφοριακού θορύβου (ΤΝΙ)... 448 15.4.8 Δείκτης ΝΝΙ... 448
XX ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 15.4.9 Τάξη στάθμης ήχου (Rating Sound Level)... 449 15.4.10 Όρια περιβαλλοντικού θορύβου... 449 15.5 Κυκλοφοριακός θόρυβος... 449 15.5.1 Όρια κυκλοφοριακού θορύβου... 449 15.5.2 Κανονισμοί HUD (ΗΠΑ)... 450 15.6 Χάρτες θορύβου... 451 Εφαρμογές... 455 Ασκήσεις... 457 Βιβλιογραφία... 459 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 16 Επεξεργασία ακουστικών σημάτων Σύντομο ιστορικό... 461 16.1 Μικρόφωνα... 462 16.2 Παράγοντες που επιδρούν στις μετρήσεις... 464 16.3 Κατάταξη ακουστικών σημάτων... 466 16.3.1 Ως προς τη στασιμότητα... 466 16.3.2 Ως προς το χρόνο... 467 16.3.3 Άλλες κατηγορίες σημάτων... 468 16.4 Μέθοδοι ανάλυσης... 468 16.4.1 Μέσες τιμές των σημάτων... 468 16.4.2 Συναρτήσεις πυκνότητας πιθανότητας... 469 16.4.3 Κανονική κατανομή... 471 16.4.4 Μοντέλα δύο μεταβλητών... 472 16.5 Ανεξαρτησία και συσχέτιση των μεταβλητών... 472 16.5.1 Ανεξαρτησία... 472 16.5.2 Συσχέτιση μεταβλητών... 473 16.5.3 Γραμμική συσχέτιση... 475 16.6 Συναρτήσεις συσχέτισης... 476 16.6.1 Χρονική συνάρτηση αυτοσυσχέτισης (Auto Correlation Function)... 477 16.6.2 Χρονική συνάρτηση ετεροσυσχέτισης (Cross Correlation Function)... 478 16.6.3 Απόκριση δωματίου... 479 16.7 Περιοδικά σήματα... 484 16.7.1 Σειρές Fourier... 484 16.7.2 Φάσμα περιοδικών σημάτων... 486 16.8 Θεωρήματα σειρών FOURIER... 486 16.9 Μη περιοδικά σήματα... 487 16.9.1 Ορισμός μετασχηματισμού Fourier... 487
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ XXI 16.9.2 Θεώρημα συνέλιξης (Convolution theorem)... 489 16.10 Συνεχή φάσματα... 489 16.10.1 Ορισμός φασματικής πυκνότητας ενέργειας... 490 16.10.2 Ορισμός φασματικής πυκνότητας ισχύος... 490 16.10.3 Θεώρημα Wiener Khinchine... 491 16.10.4 Εφαρμογές ετεροφασματικής πυκνότητας ισχύος... 493 16.10.5 Σύγκριση φασμάτων... 493 16.11 Συνάρτηση συγχρονισμού (Coherence Function)... 497 16.12 Αναλογική ανάλυση... 498 16.12.1 Αναλογικά φίλτρα... 498 16.12.2 Βηματικοί αναλυτές διακριτών φίλτρων... 500 16.12.3 Παράλληλοι αναλυτές πραγματικού χρόνου (Real Time Parallel Analyzers)... 500 16.13 Ψηφιακή ανάλυση... 500 16.13.1 Ψηφιακά φίλτρα... 500 16.13.2 Διακριτός μετασχηματισμός FOURIER... 501 16.13.3 Ταχύς μετασχηματισμός FOURIER (FFT)... 502 16.13.4 Περιοδόγραμμα (Periodogram)... 503 16.13.5 Μέθοδος μέγιστης εντροπίας (Maximum Entropy Method MEM)... 503 16.13.6 Μέθοδος μέγιστης πιθανότητας (Maximum Likelihood Method MLM)... 503 16.14 Αντίστροφο φάσμα (Cepstrum)... 504 16.15 Δειγματοληψία και προβλήματα φασματικής ανάλυσης... 506 16.15.1 Δειγματοληψία... 506 16.15.2 Το πρόβλημα εισαγωγής ψευδών συχνοτήτων (Alias)... 507 16.15.3 Θεώρημα Shannon... 508 16.15.4 Το πρόβλημα της κβάντωσης... 509 16.15.5 Η χρήση παραθύρων... 510 16.15.6 Το φαινόμενο του φράκτη (picked fence effect)... 512 Εφαρμογές... 514 Ασκήσεις... 516 Βιβλιογραφία... 517 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 17 Ακουστικές μετρήσεις 17.1 Γενικά... 519 17.1.1 Πρότυπα μετρήσεων... 519 17.1.2 Παράμετροι ακουστικών μετρήσεων... 520
XXII ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΗ 17.2 Μέτρηση του χρόνου αντήχησης... 522 17.2.1 Μέθοδος κρουστικής διέγερσης... 524 17.2.2 Μέθοδος διακοπτόμενης διέγερσης... 526 17.3 Υπολογισμός Δεικτών ακουστικής ποιότητας κλειστών χώρων... 528 17.4 Μέτρηση ισχύος πηγής... 532 17.4.1 Γενικά... 532 17.4.2 Μέτρηση ισχύος πηγής που βρίσκεται επάνω σε ανακλαστική επιφάνεια Μέθοδος εκτίμησης (Survey)... 532 17.4.3 Μέτρηση ισχύος σε ανηχοϊκό και ημιανηχοϊκό χώρο Μέθοδος ακρίβειας (Precision)... 538 17.4.4 Μέτρηση ισχύος πηγής με τη βοήθεια της έντασης... 541 17.5 Μέτρηση στάθμης εκπομπής θορύβου οχημάτων... 543 17.5.1 Μέτρηση στάθμης εκπομπής θορύβου κινούμενων οχημάτων Μέθοδος μέτριας ακρίβειας (Engineering)... 543 17.5.2 Μέτρηση στάθμης ακίνητων οχημάτων Μέτρηση εκτίμησης (survey)... 544 17.6 Μέτρηση ηχομόνωσης... 547 17.6.1 Γενικά... 547 17.6.2 Μετρήσεις ηχομόνωσης κτιρίων με επιτόπιες μετρήσεις... 551 17.6.3 Προσδιορισμός ηχομόνωσης χώρων σε πολυώροφα κτίρια... 552 17.6.4 Μέτρηση ηχομόνωσης κτυπογενούς θορύβου... 555 17.7 Μέτρηση ολικού παράγοντα απωλειών... 556 17.8 Μέτρηση της ισοδύναμης επιφάνειας απορρόφησης... 557 17.8.1 Μέθοδος μέσω ηχητικών πεδίων... 557 17.8.2 Μέθοδος χρόνου αντήχησης... 558 17.9 Μέτρηση ηχορύπανσης κατά ISO 1996... 558 17.9.1 Μέτρηση ηχορύπανσης... 558 17.9.2 Ελληνική νομοθεσία: Μέτρηση και όρια θορύβου από συγκοινωνίες... 561 17.9.3 Μέτρηση θορύβου κέντρων διασκέδασης... 562 17.9.4 Μέτρηση θορύβου βιομηχανικών εγκαταστάσεων... 565 17.9.5 Μέτρηση Εργασιακού θορύβου... 566 Ασκήσεις... 567 Βιβλιογραφία... 567 Παράρτημα Α... 571 Παράρτημα Β... 587 Ευρετήριο... 599
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
Στα παιδιά μου Αναστάσιο, Αθηνά Άλκηστις, Αχιλλέα
4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Μετά από το παράδειγμα αυτό μπορούμε να δώσουμε τον εξής ορισμό για τον ήχο [ΕΛΟΤ 263.1 (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
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. 1.3.1 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. 1.3.2). 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)
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) 1.3.2 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) 01 02 (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: