ΗΛΕΚΤΡΟΑΚΟΥΣΤΙΚΗ ΑΚΟΥΣΤΙΚΕΣ ΣΤΑΘΜΕΣ, ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ, ΘΟΡΥΒΟΣ, ΗΧΟΜΟΝΩΣΗ ΓΙΑΝΝΗΣ ΜΟΥΡΤΖΟΠΟΥΛΟΣ ΚΑΘΗΓΗΤΗΣ ΟΜΑΔΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΗΧΟΥ & ΑΚΟΥΣΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΝΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ www.wcl.ece.uatras.gr/audiogrou/
ήχος και θόρυβος ηχητική πηγή ηχητικό κύμα ακροατής Είναι ένα φυσικό φαινόμενο Μία ταλάντωση (από την πηγή) μεταφέρεται σε ένα μέσο Παράγεται κύμα που διαδίδεται προς τον δέκτη (ακροατή) Αναπαράγει ένα ερέθισμα (ακοή) Ήχος είναι σήμα χρήσιμο για τον δέκτη Θόρυβος είναι σήμα άχρηστο για τον δέκτη
η ακουστική πίεση Η ακουστική πίεση είναι η αξιοποιήσιμη ποσότητα μέτρησης Εκφράζεται σε N/m ή Pa Πρακτικά, μετρούμε στάθμες ηχητικής πίεσης Η μονάδα είναι τα γνωστά decibel, db Ονομάστηκαν προς τιμή του Alexander Graham Bell deci Bell
η ακουστική πίεση Η μέτρηση στάθμης: L (X 1 re X ) = 10 log 10 (X 1 /X ) όπου X είναι ποσότητα αναφοράς αναφέρεται σε λογαριθμικές μονάδες αφορά αδιάστατες (ομοειδείς) ποσότητες Η ποσότητα αναφοράς επιτρέπει ακριβείς μετρήσεις και σχετίζεται με την αίσθηση της ακοής Ο λογάριθμος συμπιέζει το εύρος των αριθμητικών τιμών
ακουστικές στάθμες παράδειγμα Στάθμη ήχου (db) Πίεση ήχου (Pa) 30m από αεροπλάνο jet 140 00 100 Κατώφλι του πόνου 130 10 10 0 1 Πριόνι 110 0.1 Disco και bar 100 0.01 90 0.001 Δρόμος (με κυκλοφορία) 80 0. 0.0001 70 0.00001 Ένταση ήχου (watts/m²) Ομιλία 60 0.0 0.000001 50 0.0000001 40 0.00 0.00000001 Ήσυχο υπνοδωμάτιο (νύχτα) 30 0.000000001 Υπόβαθρο σε στούντιο 0 0.000 0.0000000001 Κατώφλι ακοής (ποσότητα αναφοράς) 10 0.00000000001 0 0.0000 0.000000000001
η ακουστική πίεση σχέσεις λογαρίθμων : log b a a n b c c Ο ορισμός του Bel είναι λογάριθμος του λόγου μεγεθών ισχύος: 1Bel log W 1 10 W π.χ. αν W 1 = W και W = 1 W, η σχέση είναι ίση με 0,301 Βel επειδή 1 Βel = 10 decibel, τότε η ίδια σχέση είναι ίση με 3.01 db Στη πράξη μετρούνται συνήθως τα μεγέθη πεδίου, όπως η τάση, η πίεση. Ο διπλασιασμός τάσης αντιστοιχεί σε αύξηση 6 db ο διπλασιασμός ισχύος αντιστοιχεί σε 3 db, αφού: 10log V V 0log V ref 10 10 Vref n
Η ελάχιστη αντιληπτή ακουστική πίεση είναι τα 0,0000 Ν/m =0 μν/m η ακουστική πίεση σαν ποσότητα αναφοράς, αποτρέπει αρνητικές μετρήσεις στάθμης Μετρήσεις ακουστικής πίεσης σε db εκφράζονται ως προς την στάθμη αναφοράς και αναφέρονται σαν ηχοστάθμη, db SPL, (Sound Pressure Level, SPL) ή σαν L για την στάθμη ακουστικής ισχύος αναφέρονται σαν db PWL ή σαν L w για στάθμη έντασης είναι τα db-il ή σαν L i L 5 10log( ) 0log( ) ref x10 N / m ref ref L w 10 log( w w ref ) w ref 10 1 W L I I 1 10log( ) Iref 10 W / m Iref
η ακουστική πίεση με απλές πράξεις προκύπτει: L 0log( ) 94 ( db) L w L I 10log( w) 10 ( db) 10log( I) 10 ( db) σε σχέση με ηλεκτρικά μεγέθη: Ποσότητα Στάθμη αναφοράς Σύμβολο Πολ/στής Πίεση ήχου 0,0000 N/m db-spl ή L 0 Ένταση ήχου 10-1 W/m db-il ή L i 10 Ισχύς ήχου 10-1 W db-pwl ή L W 10 Ηλεκτρ. ισχύς 10-3 W (ή 0,775V στα 600Ω) dbm 10 Ηλεκτρ. τάση 1 V (ανεξάρτητα αντίστασης) dbv 0 Ηλεκτρ. τάση 0,775 V στα 600Ω dbv ή dbu 0
η ακουστική πίεση Μείωση ηχοστάθμης κατά 3 db Μείωση ηχοστάθμης κατά 1 db time time
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης μηχανές αυτοκίνητο αυτοκίνητα φορτηγό rms 1 T T 0 ( t) dt
η ακουστική πίεση ηχοστάθμη σε db L 5 10log( ) 0log( ) ref x10 N / m ref ref για rms πιέσεις: και: L 10log P rms ref rms ref L 10 10 ηχητική πίεση πολλαπλές, ασυσχέτιστες πηγές,... tot rms 1, rms, rms N, rms
η ακουστική πίεση ηχοστάθμη σε db πολλαπλές, ασυσχέτιστες πηγές L P N rms, tot 0.1LP 1 0.1LP 0.1LPN 10log 10log(10 10... 10 ) 10log, tot 10 ref i 0.1L i L P ηχοστάθμη σε db πολλαπλές, Ν ασυσχέτιστες πηγές ίσης πίεσης rms, tot rms 10log 10log 10log( N), tot ref ref ηχοστάθμη σε db ασυσχέτιστες πηγές ίσης πίεσης rms LP 10log 10log() L 3dB, tot 1 ref
η ακουστική πίεση μηχανές αυτοκίνητο αυτοκίνητα φορτηγό rms 1 T T 0 ( t) dt μέση τιμή db
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης ισοδύναμη ηχοστάθμη σε db πολλαπλές μετρήσεις σε συνολική διάρκεια Τ (sec) L eq 1 10log T T 0 10 0.1L P ( t) dt 1 L eq t1 t T 0.1 L1 0.1 L 10log 10 10... L eq 1 10log T N i1 10 0.1L i ισοδύναμη ηχοστάθμη σε db ιστόγραμμα τιμών για διάρκεια Τ (sec)
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης Παράδειγμα Σε μία περιοχή γίνεται δειγματοληψία του θορύβου. Οι τιμές που πήραμε είναι: 45, 57, 66, 55, 56, 57, 63, 60, 6, 66, 56, 66, 60, 50, 53, 5, 50, 55, 48 db. Αν η διαδοχική απόσταση των δειγμάτων είναι 1 min, να υπολογισθεί η ισοδύναμη στάθμη και να συγκριθεί με τη μέση τιμή. 1 Leq t1 t T 0.1 L1 0.1 L 10log 10 10... T t1 t... Nt L eq 1 1 N t N N N 0.1Li 0.1Li 10log ( 10 t) 10log ( 10 ) i1 i1 1 Leq 19 σε αντίθεση, η μέση τιμή της ηχοστάθμης: 4.5 5.7 6.6 10log 10 10 10... 60.35dB L 45 57 66... 19 56.68 db
SPL, db Ηχοστάθμη (db-spl) η αντίληψη της ακουστικής πίεσης ισοδύναμη ηχοστάθμη σε db πολλαπλές μετρήσεις σε διάρκεια Τ (sec) 140 130 10 110 100 90 80 70 60 50 40 30 0 10 0-10 0 70 00 500 000 5000 0000 100 1000 10000 Frequency, Συχνότητα (Ηz) Hz 140 κατώφλι πόνου 130 10 110 100 90 80 70 60 50 40 30 0 10 0-10 κατώφλι άνεσης κατώφλι ακουστότητας
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης σταθμισμένη ηχοστάθμη σε db(α) σταθμισμένη ηχοστάθμη σε db(c) φασματικές καμπύλης στάθμισης της ηχοστάθμης
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης ζωνική ηχοστάθμη σε db μέτρηση σε ζώνη συχνοτήτων f 1 f L b 10log f f 1 f, rms ref df ζώνες σε διαστήματα οκτάβας ζώνες σε διαστήματα 1/3 οκτάβας συνολική ηχοστάθμη σε db από μετρήσεις επιμέρους σταθμών σε ζώνες LPb, tot 10log(10 0.1L 10 0.1L... 10 0.1L Pb1 Pb PbN )
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης ζωνική ηχοστάθμη σε db μέτρηση σε ζώνη συχνοτήτων f 1 f συνολική ηχοστάθμη σε db - μέτρηση για όλες τις ζώνες LPb, tot 10log(10 0.1L 10 0.1L... 10 0.1L Pb1 Pb PbN )
η μέτρηση της ακουστικής πίεσης τυπικές ενδείξεις από μετρήσεις ηχοστάθμης Fast ανανέωση ενδείξεων L eq = db χρονική εξέλιξη ενδείξεων ζωνική ανάλυση ενδείξεων Ανάλυση συχνότητας χρονικό τμήμα LPb, tot 10log(10 0.1L 10 0.1L... 10 0.1L Pb1 Pb PbN )
Ανοχή (db) η μέτρηση της ακουστικής πίεσης θύρα εξόδου μικρόφωνο προενισχυτής φίλτρα στάθμισης τράπεζα φίλτρων επιλογή ανάλυσης υπολογισμός τιμής rms χρονική σταθερά hold 93.7 db Ανοχή ηχομέτρων τύπου 1 κατά IEC 179 4 3 1 0 Ανοχή -1 - -3-4 100 1000 10000 Συχνότητα (Hz)
ο θόρυβος στην καθημερινότητα μας
% καταληπτότητα ομιλίας θόρυβος και επιδράσεις στον άνθρωπο προτάσεις προβλήματα καταληπτότητας 100 80 60 μονοσύλλαβες λέξεις 40 0-1 -6 0 6 1 18 SNR (dba)
% κίνδυνος θόρυβος και επιδράσεις στον άνθρωπο χρόνος έκθεση και πιθανότητα απώλειας ακοής > 5 db για έκθεση σε διαφορετικές ηχοστάθμες 100 115 dba 110 dba 80 60 100 dba 90 dba 40 0 80 dba 0 40 60 χρόνια έκθεσης
χρόνος έκθεσης (hr/day) θόρυβος και επιδράσεις στον άνθρωπο ασφαλή ημερήσια όρια έκθεσης 10 8 6 4 80 90 100 110 L (dba)
τυπικές επιπτώσεις θορύβου
επιπτώσεις θορύβου
προφύλαξη από τον θόρυβο 1 ο επίπεδο δράσης: προστασία (προτείνεται) ο επίπεδο δράσης: προστασία (υποχρεωτική) 3 ο επίπεδο δράσης: μέγιστη έκθεση
ακρόαση με ακουστικά, πιθανή στάθμη: ~110dB πόση είναι η δόση του θορύβου; διάρκεια ασφαλούς έκθεσης: ~1,5 λεπτά
...και οι συνέπειες Tinnitus (Left +5dB Μουσική) Tinnitus (Left +5dB Ομιλία) Μουσική - 40 ετών με απώλεια ακοής: Tinnitus: Left +3dB Ροζ θόρυβος -5dB Μουσική - 40 ετών με απώλεια ακοής: Tinnitus: Left +0dB Ροζ θόρυβος -10dB Ομιλία - 40 ετών με απώλεια ακοής: Tinnitus: Left +3dB Ροζ θόρυβος -5dB Μουσική - 40 ετών με απώλεια ακοής: Tinnitus: Left +0dB Ροζ θόρυβος -10dB
ηχομόνωση ηχομείωση για κλειστούς χώρους συντελεστής διάδοσης δείκτης ηχομείωσης w w i I I 1 R 10log i λόγος της ακουστικής ενέργειας που μεταφέρεται από κάποια επιφάνεια μείωση της στάθμης του ήχου που διαδίδεται μέσω της επιφάνειας S1 ηχομείωση από σύνθετες επιφάνειες S S4 S3 1s1 s s s 1 3s3... s... 3
μέτρηση ηχομείωσης (ηχομόνωσης) χώρος εκπομπής δείκτης ηχομείωσης, R (db) του συγκεκριμένου χωρίσματος χώρος λήψης πηγή δέκτης - ακροατής SW 10 LP L R log 1 A
δείκτης ηχομείωσης R (db) συχνοτικά σταθμισμένη ηχομείωση κατάταξη ηχομείωσης σταθμισμένος δείκτης ηχομείωσης R w 60 30 100 500 3000 Συχνότητα (Hz)
Audio Grou, Wire Communications Laboratory Elecrical & Comuter Engineering Deartment University of Patras htt://www.wcl.ece.uatras.gr/audiogrou/