Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem tanév tavasz 3. előadás. Bedő Anett egyetemi tanársegéd SZE, AHJK Környezetmérnöki tanszék

Átírás

1 Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem tanév tavasz 3. előadás Bedő Anett egyetemi tanársegéd SZE, AHJK Környezetmérnöki tanszék

2 ELŐADÁS ANYAGA Hallás folyamata Spektrum Színkép Műveletek szintekkel Hangosság Példák

3 HALLÁS A hallás egy rendkívül összetett folyamat; az öt érzék közül az első, mely a magzatban kifejlődik és mely képessé teszi a külvilággal való kapcsolatra

4 HALLÁS A hang, mint fizikai jelenség, a fülünkön keresztül válik valósággá. A fülünk hangnyomást érzékel, ezt átalakítja érzékszervi-agyi- adatokká, így lesz a hangnyomásból hangosság. Ezek az érzékszervi adatok okoznak bennünk magatartásunkat és állapotunkat meghatározó hatásokat. Ezek alapján mondunk egy hangot kellemetlennek, ezek a folyamatok hozzák létre a hangosságból a zajosságot.

5 FÜL A fül mechanikai, hidrodinamikai és elektromos jelátalakító, idegvezetési és agyi szerkezet. Két érzékszerv: hallás szerve egyensúlyozás szerve Eddigi legtöbb ismeretünket a fülről Békésy Györgynek köszönhetjük, aki kutatásaiért 1961-ben Nobel díjat kapott.

6 FÜL

7 FÜL külső fül (dobhártyáig) részei fülkagyló külső hallójárat A hallójárat bemenetele a porcos fülkagyló Összegyűjti a hanghullámokat és a hallójáraton át a dobhártyáig tereli, a hang megrezegteti a hallójáratot lezáró dobhártyát. Dobhártya fel erősíti a rezgéseket.

8 FÜL középfül (levegővel teli üreg) dobhártyához kapcsolódik: kalapács, üllő, kengyel hallócsontok testünk legkisebb csontja, a kengyel a hallócsontok ízületekkel kapcsolódnak egymáshoz a hangrezgéseket hallócsontok viszik a dobhártyáról a belső fülre a csigához a kengyel talpa a csiga ovális ablakához illeszkedik ide továbbítja a felerősített rezgéseket a középfül része a fülkürt, amely a garatba vezet.

9 FÜL Belső fül: ebben található a csiga

10 FÜL A keletkezett ingerület a szőrsejtek idegvégződésein, az idegrostokon, majd a hallóidegen halad az agy hallóközpontjába. Itt keletkezik a hangérzet. A hallás érzékszerve a csiga A csiga csontos, spirálisan feltekeredő szerv, belül találjuk az alaphártyát, alsó felső középső csigajárat található A csigát folyadék tölti ki amit a kengyel mozgás rezgésbe hoz. A hallócsontok rezgése a csiga folyadékában nyomás-ingadozást vált ki. Az alaphártyán található Corti-féle szerv, amelynek szőrsejtjeiben váltja ki a csigafolyadékának nyomásingadozása az ingerületet.

11 HALLÁS FOLYMATA A nagyobb frekvenciájú rezgések (magasabb hangok) a csiga alapjához közel elnyelődnek és rezgésbe hozzák az alaphártyát. A kisebb frekvenciájú rezgések (mélyebb hangok) a csiga csúcsához közelebb rezgetik meg az alaphártyát az elnyelődés helyén elektromos ingerület alakul ki, ami az agyba jut. Így az ingerület keletkezésének helye kódolja a hang magasságát. Az elektromos ingerület kialakulása a Corti szervben történik. A csigában keletkező rezgés hatására a fedőhártya hozzányomódik az alaphártyán ülő szőrsejtekhez a szőrök elhajlanak és ingerület alakul ki. Corti szerv ily módon a rezgést képes elektromos jellé alakítani, ami a hallóidegrostjain az agyba, majd a hallópályán az agykéregbe jut. Az agykéregben kialakul a hangérzet.

12 Halláscsökkenés az életkor függvényében Frekvencia (Hz) Halláscsökkenés (db) Életkor (évek)

13 SPEKTRUM - SZÍNKÉP Spektrum (színkép): egy adott időpillanatban ábrázolja az egyes frekvenciákhoz tartozó hangnyomásszintet. Olyan függvény, amely megmutatja, hogy a zajforrás milyen frekvencián milyen erősségű hangot bocsát ki. A tisztahang (szinuszos hang) színképe az adott frekvenciához tartozó egyetlen függőleges vonal. Vonalas Folytonos

14 SPEKTRUM - SZÍNKÉP vonalas színkép: a sugárzás csak meghatározott frekvencián vagy frekvenciákon történik (sziréna, zenei hang)

15 SPEKTRUM - SZÍNKÉP folytonos színkép: a hangforrás valamennyi frekvencián sugároz (színes spektrum: x-idő, y-frekvencia, szín-db rózsaszín-kék-zöld irányban nő a hangnyomás)

16 Folytonos és vonalas színkép

17 L [db] L [db] L [db] SPEKTRUM - SZÍNKÉP fehér zaj: olyan zaj, amelynek színképe folytonos, és valamennyi frekvencián ugyanakkora a hangnyomás 20Hz-20kHz között Fehér zaj elnevezés: a fehér fény mintájára, amely valamennyi látható fény keveréke. szürke zaj: egy adott frekvenciatartományban a spektrum folytonos, és intenzitása egyenletes (pl. társalgás) rózsaszín zaj: hangnyomásszintje a frekvenciával fordítva arányosan esik oktávonként 3dB-lel, a természetben nem fordul elő, műszer-beállítási célokra használatos f [Hz] f [Hz] f [Hz]

18 MŰVELETEK SZINTEKKEL A db-ben mért szintek logaritmikus jellemzők közvetlenül nem adhatók össze! Közvetlenül összeadhatók a teljesítménnyel arányos mennyiségek: hangteljesítmény, hangintenzitás, hangnyomás négyzete.

19 MŰVELETEK SZINTEKKEL

20 MŰVELETEK SZINTEKKEL Az ábráról leolvasható, hogy 0 db eltéréshez 3 db-es növekedés tartozik. Ha egy 55dB-es és egy 51 db -es hang eredőjét akarjuk megkapni, akkor a különbségből kell kiindulni, ami 4dB. Ha ez a két hang egyszerre szól, akkor annak nem 106 db lesz az eredménye, hanem lényegesen kevesebb! A vízszintes tengelyen megkeressük a 4 db-es pontot és kivetítjük a függőleges tengelyre, ahol 1,4 db-t kapunk. Ezt végül a nagyobb hangnyomásszintű hanghoz adjuk hozzá, a végeredmény tehát: 55 db + 51 db = 56,4 db!

21 MŰVELETEK SZINTEKKEL DECIBELEK ÖSSZEADÁSÁNAK ÁLTALÁNOS KÉPLETE: L e = 10 lg (10 0,1 L ,1 L ,1 L ,1 L n ) Ha a nyomásszintek adottak: L P 10lg Például két forrás esetén: L n i ,1 L Pi db 0,1L P 1 1LP 2 P 10lg( , 1,2 ) db

22 PÉLDA 1. A hangtér egy adott pontjában egy időben 3 zajforrás zaja észlelhető. Az egyes forrásoktól származó hangnyomásszint: L p1 =62 db, L p2 =65 db, L p3 =71 db. Mekkora az eredő hangnyomásszint?

23 MEGOLDÁS 1. A fenti értékeket behelyettesítve: L pe = 72,39 db 72 db A szintértékeket egész db-re kell kerekíteni!

24 PÉLDA 2. Egy műhelyben 90 db hangnyomásszint mérhető. Ha az egyik gépet leállítják, a hangnyomásszint 85 db-re csökken. Mekkora hangnyomásszint tartozik ahhoz a géphez, amelyet leállítottak?

25 MEGOLDÁS 2. L e = 10 lg (10 0,1 L ,1 L 2 ) L e = 90 db L 1 = 85 db 90 = 10 lg (10 0, ,1 L2 ) 10 9 = 10 8, ,1 L2 ( ,5 ) = 100,1 L2 lg ( ,5 ) = 0,1 L 2 L 2 = 88 db

26 PÉLDA 3. Ha 4 különböző hangforrás eredőjét akarjuk kiszámolni: L1=70 db, L2=76 db, L3=75 db, L4=73 db

27 MEGOLDÁS 3. Megoldás: (diagram segítségével) L2-L1=76-70=6 db L=1 db L1+2=77 db L1+2-L3=77-75=2 db L=2 db L1+2+3=79 db L1+2+3-L4=79-73=6 db L=1 db L =80 db Számítással: L e = 10 lg (10 0,1 L ,1 L ,1 L ,1 L4 ) L e = 10 lg (10 0, , , ,1 73 ) = 80 db

28 HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE Hallószervünk nem egyformán érzékeli a különböző frekvenciájú hangrezgéseket. Adott frekvenciájú hang szubjektív hangosságérzete meghatározott hangnyomáson egészen más, mint egy másik frekvenciájú hang által keltett hangosságérzet ugyanazon a hangnyomáson. A hangosságérzet számszerűleg is kifejezhető. Mivel az emberi hallószerv összehasonlító képessége igen jó, ki kell választani egy alapfrekvenciát, amely az összehasonlítás alapjául szolgál.

29 HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZET Kísérleti úton csupán azt kell megállapítani, hogy egyéb frekvenciájú hangoknál mekkora intenzitás szükséges ahhoz, hogy a hallószervben ugyanolyan hangosságérzet keletkezzék, mint a kiválasztott alapfrekvencián. Az 1000 Hz-es tiszta hangot alkalmazzák az összehasonlítás alapjaként. Az ember által érzékelt hangmagasságra a Weber-Fechner-féle törvény vonatkozik, a hangmagasságérzet és a frekvencia között logaritmikus az összefüggés.

30 HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE H. Fletcher és W. A. Munson végzett kísérletet a hangosság szubjektív érzetének a vizsgálatára 1933-ban. A kísérlet lényege: sokezer egészséges, ép hallású kísérleti alany fülhallgató 10 3 Hz tiszta hang (nemzetközileg ezt választották összehasonlítási alapnak) frekvencia- és intenzitásszint változtatása

31 HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE Méréseik eredményét egy egyesített hangosságérzetdiagramban ábrázolták, amely az azonos hangossághoz tartozó hangintenzitások görbéit tartalmazza

32 HANGMAGASSÁG ÉS HANGOSSÁG ÉRZETE Menetük hasonló Nem párhuzamosak Azonos vonalon azonos nagyságúnak érezzük a hang erősségét Szaggatott vonal hallásküszöb 10 3 Herznél 4 db szintnél Az eredeti görbéken ban ez 0 volt! Azóta az átlagos hallásküszöb 4 db-t romlott! Hangosságszintek Mértékegysége: phon Értelmezése: annak az 1 kh frekvenciájú, szabad hangtérben szemközt érkező tisztahangnak a hangnyomásszintje, amely azonos hangérzetet kelt a kérdéses hanggal Az 1 khz-es hangok annyi phonosak, ahány db-ek

33 AZ EMBERI HALLÁS FREKVENCIAFÜGGŐ VÁLTOZÁSAI

34 HALLÁSKÜSZÖB FÁJDALOMKÜSZÖB A hallható frekvenciákon kísérleti úton megállapították, hogy mekkora az a legkisebb hangintenzitás, amely még hangérzetet kelt a normális hallású emberben, ill. mekkora nagyságú hangintenzitás hatására keletkezik fájdalomérzet Ez a hallásküszöb ill. fájdalomküszöb A hallásküszöb valamely adott frekvenciájú tiszta hangnak az a legkisebb hangnyomásértéke, amely süketszobában egy normális hallású személy hallószervében még hangérzetet kelt.

35 HALLÁSKÜSZÖB FÁJDALOMKÜSZÖB db a hallás felső határa. Ilyen hangerősség azonban már fájdalomérzetet kelt a hallószervben, nagyobb hangerősség pedig kóros elváltozásokat okozhat. A fájdalomküszöb tehát egy adott frekvenciájú tisztahang ama legnagyobb hangnyomás értéke, amelyet süketszobában a vizsgált személy még éppen fájdalom nélkül képes elviselni. A fájdalomküszöb határához közelítő hangerősség tartós hallgatása nagyothallást okozhat.

36 ÉRDEKESSÉG Az emberi hallás jellemzője, hogy két hangforrás hangosságát csak akkor érzékeljük jelentős mértékben különbözőnek, ha a hangszintek közötti különbség eléri a 10 db értéket.

37 HANGOK ÉS ZAJOK Szubjektív, hogy ki mit tart zajnak Hogyan lehet ilyen szubjektív dologra zajvédelmet szervezni? Meg kell keresni azokat az érzékelhető jellemzőket, szubjektív hatásokat, amelyek mérhető, objektív fizikai adatokkal összekapcsolhatók. Csak úgy mondhatjuk valamire, hogy hangos, ha tudjuk, mit jelent a hangosság (mivel mérhetjük).

38 HANGOK ÉS ZAJOK

39 A, dba Az emberi fül hangosságérzése tehát frekvenciafüggő, nem minden frekvencián egyformán érzékeny Hogyan mérjünk, hogy az emberi fül érzékenységének feleljen meg? Ehhez olyan mérőműszer kell, melynek azonos vagy nagyon hasonló tulajdonságai vannak, mint a fülünk hallásérzékelésének. Tehát szintén frekvenciafüggő hangosságot mér.

40 A, dba Az emberi hallás frekvencia függésének modellezésére az A súlyozószűrőt használják. Az A súlyozószűrővel mért zajszintet A-hangnyomásszintnek nevezzük, és dba-val jelöljük.

41 A, dba Olyan zajmérő műszert kell tervezni, amelyiknek azonos az átviteli karakterisztikája a fülünkével. Mi az emberi fül átviteli karakterisztika függvénye? A phon-görbék!

42 A, dba A sok görbe közül ki választottak egyet. Ez a 40-es phongörbe türörképe. Mert ez jellemzi legjobban a fül érzékenységét.

43 A-súlyozás (db) A, dba Frekvencia (Hz)

44 A-súlyozás

45 Súlyozó görbék összehasonlítása

46 ÁLTALÁNOS INTENZITÁSSZINTEK db Forrás (távolság) 180 A Krakatau vulkán robbanása 100 mérföldről (160 km) a levegőben 168 géppuska lövése 1 méterről 150 repülőgép sugárhajtóműve 30 méterről 140 pisztolylövés 1 méterről 120 fájdalomküszöb; vonat kürt 10 méterről 110 gyorsító motorkerékpár 5 méterről; láncfűrész 1 méterről 100 légkalapács 2 méterről; diszkó belül 90 üzemi zaj, kamion 1 méterről 80 porszívó 1 méterről, zaj forgalmas utca járdáján 70 erős forgalom 5 méterről 60 iroda vagy vendéglő belül 50 csendes vendéglő belül 40 lakóterület éjjel 30 színházi csend 10 emberi lélegzet 3 méterről 0 emberi hallásküszöb (egészséges fül esetén) egy szúnyog repülésének hangja 3 méterről

47 Oktáv sáv szintek Elméletileg egy akusztikus zajesemény teljes leírásához minden (az emberi fül által hallható) frekvencián ismerni kell az adott frekvenciához tartozó hangnyomásszintet. A gyakorlati életben, a legtöbb esetben azonban ilyen részletes ismeretére a zajnak nincs szükség, mivel egymáshoz közeli frekvenciákon a legtöbb esetben nincs jelentős változás a hangnyomásszintekben.

48 Oktáv sáv szintek

49 Oktáv sáv szintek Pl. f k =1000 Hz, f a =707 Hz, f f =1414 Hz Amennyiben nagyobb frekvenciafelbontásra van szükség (mert pl. a vizsgált zaj éles rezonanciákat tartalmaz) akkor kerülhet sor az egyharmad-oktáv sávok (más néven tercsávok) alkalmazására.

50 Oktáv sáv szintek Frekvencia [Hz] A-súlyozás [db] 31,5-39, , , , , , , , ,1

51 Oktáv sáv szintek Az oktáv sáv szintekből az A-hangnyomásszintet (L pa ) két lépésben lehet kiszámolni. Elsőként minden oktáv sávra vonatkozóan az adott oktáv sávban mért hangnyomásszintet korrigáljuk az A-súlyokkal (azaz pl. a 31,5 Hz központi frekvenciájú oktávsávban mért hangszintből levonunk 39,4 db-t), majd az így kapott korrigált hangszinteket összegezzük.

52 EGYENÉTRÉKŰ HANGNYOMÁSSZINT Egy adott időszakon belül különböző zajesemények fordulhatnak elő Egy folytonosan működő zajforrás által kibocsátott hangteljesítmény is ingadozhat az időben. A zajvédelemben az időben változó zaj jellemzésére az egyenértékű hangnyomásszintet használják, amely megközelíti az ember szubjektív zajmegítélését. Időben változó hangnyomásból képzett átlagolt érték egyenértékű hangnyomászint.

53 EGYENÉTRÉKŰ A- HANGNYOMÁSSZINT Definíció (MSZ ISO :1995): Annak a folyamatos, állandó A- hangnyomásszintnek az effektív értéke adott T idő alatt, amely azonos a vizsgált, időben változó zaj effektív értékével.

54 EGYENÉTRÉKŰ A- HANGNYOMÁSSZINT Egyenértékű hangnyomásszint (L Aeq ): mekkora hangnyomásszintű állandó, tartós zaj fejt ki az emberi szervezetre azonos hatást, mint a minősítendő, időben változó zaj. A-szűrő. L p [db] L Aeq t [sec]

55 EGYENÉTRÉKŰ A- HANGNYOMÁSSZINT L Aeq,T 10log 1 T Ti10 L pai T T - a teljes mérési időtartama i L pai a T i időtartam alatt jellemző hangnyomásszint

56 EGYENÉTRÉKŰ HANGNYOMÁSSZINT Az egyenértékű hangnyomásszinten alapuló egyéb zajjellemzők A magyar szabvány használja a megítélési szint (L AM ) fogalmát, amelyet az egyenértékű hangnyomásszintből korrekciós faktorok segítségével származtat. Napi megítélési szintről, amelyet értelemszerűen 24 órára vonatkoztatunk, olymódon, hogy az esti átlagolt hangszintekhez 5 db-t, és az éjszakai átlagolt hangszintekhez 10 db-t hozzá kell adni.

57 Példa 4. Szabadtérben a földfelszínen elhelyezkedő zajforrás (traktor) hangteljesítménye : P= 2, W. Mekkora a hangintenzitás a forrástól 1 m ill. 10 m távolságban? A hangforrástól távolabb mennyivel kisebb az intenzitásszint?(relatív)

58 Megoldás 4. I = P/ F Mivel a kibocsátott hanghullámok koncentrikus félgömb alakban terjednek: F =2 r 2 I 1m = 2, W / 2 1 = W/m 2 I 10m = 2, W / = W/m 2

59 Megoldás 5. L Irel = 10 lg (I 10m /I 1m) L Irel = 10 lg 10 2 = 20 db

60 Példa 5. Mekkora az 1 órás egyenértékű A hangnyomásszint, ha 0-20 perc között L A = 90 db, perc között L A =80 db és perc között L A =70 db?

61 L Aeq = 86 db Megoldás 5.

62 Példa 6. A gyárban folyamatos a termelés. Három műszakban dolgoznak. Nőket csak abban a műszakban lehet foglalkoztatni, ahol a teljes munkaidő alatt kevesebb, mint 55 db az egyenértékű zajszint. A működtetett gépek munkabeosztása és hangnyomásszintjei a következők: 1. gép: L= 55 db 2. gép: L= 45 db 3. gép: L= 43 db 4. gép: L= 52 db 5. gép: L= 51 db 6. gép: L= 62 db Felvételre jelentkezik egy fiatal nő, melyik műszakban alkalmazná, miért?

63 Megoldás 6. I. műszak Gépek: 1. L 1 =55dB t 1 =6ó 2. L 2 =45dB t 2 =4ó 3. L 3 =43dB t 3 =3,5ó 6. L 6 =62dB t 6 =2ó

64 Megoldás 6. II. műszak Gépek: 2. L 2 =45dB t 2 =0,5ó 3. L 3 =43dB t 3 =4ó 4. L 4 =52dB t 4 =7ó 5. L 5 =51dB t 5 =4ó

65 Megoldás 6. III. műszak Gépek: 5. L 5 =51dB t 5 =5,5ó 6. L 6 =62dB t 6 =6,5ó

66 Megoldás 6. L eqi 1 5,5 4,5 4,3. 10lg ( , ,2 ) L eqi. = 58 db

67 Megoldás 6. L eqii 1 4,5 4,3 5,2. 10lg (0, ,1 ) L eqii. = 53 db

68 Megoldás 6. L eqiii 1 5,1. 10lg (5,5 10 6, L eqiii. = 61 db 6,2 ) Az új jelentkező a II. műszakban alkalmazható!

69 Példa 7. Az ökológiai terepgyakorlat szünetében a fűben fekszem. Tőlem 20 méterre egy 15 m magas fa csúcsán rigó énekel 1 W hangteljesítménnyel. Egy másik irányban tőlem 4 méterre egy 3 m magas bokor csúcsán trillázik egy másik madár. (még nem ismerem, nem határoztuk meg, holnapi feladat). Hangteljesítménye 0,1 W. 1. Mekkora külön-külön a két hangforrás hangintenzitása és hangintenzitásszintje az én pihenőhelyemen? 2. Mekkora a két hangforrás eredő hangintenzitásszintje az én pihenőhelyemen?

70 Példa 7. r 1 = 25 m, P 1 = 1 W r 2 = 5 m, P 2 = 0,1 W F = 4r 2 π I P W m 2 F

71 Megoldás 7. Első hangforrás intenzitása: I 1 P 1 W I1 0, r m Második hangforrás intenzitása: I 2 P 0,1 W I 2 0, r m

72 Megoldás 7. Első hangforrás intenzitásszintje: L 1 I1 0,00013 L1 10lg 10lg 81dB 12 I 10 0 Második hangforrás intenzitásszintje: L 2 I 2 0,00032 L2 10lg 10lg 85 db 12 I 10 0

73 Megoldás 7. Eredő hangforrás intenzitásszintje: L e Le 10lg10 0,1L , 1 L 2 8,1 8,5 10 db L e 10lg 10 86

74 Megoldás 7. Eredő hangforrás intenzitásszintje: L e L e 10lg I 1 I I 0 2 0,00045 L e 10lg 87 db 12 10

75 Példa 8. A szántóföldön állok. Tőlem 25 méterre az 1. zajforrás 64 W hangteljesítménnyel üzemel. 1. Mekkora hangintenzitás ér el hozzám? Mennyivel kisebb a hangintenzitásszint a zajforrástól 25 méterre, mint a zajforrástól 2 méterre? Mekkora a tényleges hangintenzitásszint, ahol állok?

76 Megoldás 8. Mekkora hangintenzitás ér el hozzám? I P1 64 W 0, r m Mennyivel kisebb a hangintenzitásszint az én észlelési pontomon, mint a zajforrástól 2 méterre? I P1 64 W 2, r2 2 2 m I 0, L I 10lg 10lg 21,94 22 db I 2,546 2

77 Megoldás 8. Mekkora a tényleges hangintenzitásszint, ahol állok? I 0,0163 L I 10lg 10lg 102 db 12 I 10 0

78 Köszönöm a figyelmet!