WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA

1. WPROWADZENIE DO DZIAŁALNOŚCI PRAKTYCZNEJ W AKUSTYCE ŚRODOWISKA Podstawowe wielkości i zależności

2. WYKŁAD AUTORSKIPROWADZENIE Dr inż. Radosław Kucharski Kierownik Zakładu Akustyki Instytutu Ochrony Środowiska – Państwowego Instytutu Badawczego (Warszawa) kuchar@ios.edu.pl

3. WPROWADZENIE DO AKUSTYKI ŚRODOWISKA FALA AKUSTYCZNA jest to pewna forma przenoszenia energii w ośrodku powietrznym (także w płynach) Fala akustyczna potencjalnie może być przyczyną powstania wrażeń słuchowych, czyli odbioru DŹWIĘKU w momencie gdy dotrze do organu słuchu. Z tych powodów fale akustyczne zwane są w zależności od kontekstu także FALAMI DŹWIĘKOWYMI. FALA akustyczna (DŹWIĘKOWA) ma charakter tzw. fali podłużnej.

4. WPROWADZENIE DO AKUSTYKI ŚRODOWISKA Fala akustyczna (dźwiękowa) w ośrodku powietrznym rozprzestrzenia się w formie lokalnych zagęszczeń i rozrzedzeń ośrodka (powietrza). JAKIM PARAMETRAMI OPISAĆ MOŻNA FALĘ AKUSTYCZNĄ ? !

5. Pojęcieciśnienia akustycznego p(t) = P(t) – P0atm gdzie: p(t) – ciśnienie akustyczne, Pa P(t) – ciśnienie baryczne przy obecności fali akustycznej, Pa P0atm – ciśnienie baryczne przy braku obecności fali, P

6. Opis fali akustycznej; wartości średnie, maksymalne i skuteczne Wartość skuteczna (RMS) - dla sygnału o amplitudzie A wartość skuteczna jest pierwiastkiem kwadratowym ze średniej w określonym czasie, - wartość skuteczna jest proporcjonalna:

7. Definicja poziomu ciśnienia akustycznego dana jest wzorem: gdzie:(operacja odwrotna) Lp – poziom ciśnienia akustycznego w decybelach [dB], p(t) – ciśnienie akustyczne, [Pa], p0 – ciśnienie akustyczne odniesienia = 2 x 10-5 Pa. Wszystkie poziomy oznacza się literą „L” od angielskiego „level”) Jak się to ma do przenoszenia energii przez fale ?

8. Poziom natężenia dźwięku, wyrażany jest przy pomocy zależności: [dB] gdzie: I – wartość natężenia dźwięku [W/m2], I0 = 10-12 [W/m2] – natężenie odniesienia. Dla wielu zastosowań praktycznych przyjęta być może przybliżona zależność między natężeniem dźwięku (jego wartością z pominięciem własności wektorowej), a ciśnieniem akustycznym: p – ciśnienie akustyczne [Pa  N/m2], 0 – średnia gęstość ośrodka, c- prędkość dźwięku w ośrodku (w powietrzu ok.. 344 m/s) E – ekspozycja na dźwięk

9. Poziom ekspozycji na dźwięk, wyrażany jest przy pomocy zależności: gdzie: E – ekspozycja na dźwięk jest całką kwadratu chwilowego ciśnienia akustycznego zmiennego w czasie, zmodyfikowanego według określonej charakterystyki częstotliwościowej wyznaczoną względem czasu (na ogół A) w ustalonym przedziale czasu t lub w czasie zdarzenia, (Pa2s). E0 = 400 [(μPa)2s] – ekspozycja odniesienia. Fizyczna definicja ekspozycji na dźwięk dana jest wzorem:: T – czas odniesienia (s)

10. Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej 10log (0) NIE ISTNIEJE; 10log(1) = 0 „Dodawanie poziomów” „Odejmowanie poziomów”: Niektóre konsekwencje:

11. Niektóre konsekwencje przyjęcia miary logarytmicznej Warunek: Warunek:

12. Dodawaniepoziomów ciśnienia akustycznego(logarytmiczne): Dane L1 , L2 , L3? Lsum INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

13. Poziom mocy akustycznej Moc akustyczna definiowana jest jako ilość energii wysyłanej przez źródło dźwięku w jednostce czasu. Zakres mocy akustycznych cechuje się wielką rozpiętością: ¨      Cichy szept – moc akustyczna rzędu 10-9 W (wata), ¨      Lecący samolot odrzutowy – moc akustyczna rzędu 104 W, ¨      Dla porównania – zwykłą rozmowę cechują moce akustyczne rzędu 10-5 W. Stąd też wygodniej jest posługiwać się skalą logarytmiczną – poziomem mocy, definiowanym następująco: gdzie: W – moc akustyczna [W], W0 = 10-12 [W] – moc akustyczna odniesienia.

14. Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego sygnału akustycznego

15. Charakterystyka częstotliwościowa rzeczywistego sygnału akustycznego

16. Charakterystyka częstotliwościowa sygnału akustycznego

17. Obszar C Krzywa C Obszar B Krzywa B Obszar A Krzywa A Infradźwięki Ultradźwięki

19. Realizacja ch-ki A – wyjściowa krzywa jednakowego poziomu słyszenia Krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz

20. Realizacja charakterystyki A Odwrócona o 180 stopni krzywa równego poziomu słyszenia 40 Phone odniesiona do poziomu 0 dB dla częstotliwości 1 kHz oraz CHARAKTERYSTYKA A

21. Charakterystyka A

22. Charakterystyki Lin oraz A

23. Rozprzestrzenianie się fal akustycznych • Czynniki wpływające na rozprzestrzenianie się fal akustycznych w przestrzeni otwartej: • tzw. rozbieżność geometryczna, • warunki atmosferyczne, • pochłanianie dźwięku w atmosferze, • „efekt gruntu” • przeszkody terenowe (efekt ekranowania), • odbicia • W tym miejscu zajmiemy się dwoma podstawowymi czynnikami TŁO AKUSTYCZNE

24. Fala akustyczna w ośrodku bezstratnym i pochłaniającym pb=pm xsin(kr) ps=pb x b x exp(-ar) Kierunek propagacji fali

25. Typowe modele rozprzestrzeniania się fal dźwiękowych w powietrzu Od przyjętego modelu źródła hałasu zależy model rozprzestrzeniania się fal akustycznych (tzw. rozbieżność geometryczna). źródło liniowe źródło punktowe TŁO AKUSTYCZNE

26. Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło punktowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r2 = 2r1Lr = - 6 dB (na podwojenie odległości od źródła)

27. Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło liniowe: Spadek poziomu dźwięku w funkcji odległości: gdy r2 = 2r1Lr = - 3 dB (na podwojenie odległości od źródła) INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

28. Charakter spadku poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła Źródło dźwięku o mocy LW Krzywa idealna (teoretyczna) Większość przypadków rzeczywistych Krzywa idealna (teoretyczna)

29. Spadek poziomu natężenia dźwięku w funkcji odległości od źródła – wyniki badań w otoczeniu autostrad i dróg ekspresowych

30. Konsekwencje logarytmicznej zależności spadku poziomu dźwięku – INTERPRETACJA ZASIĘGU HAŁASU

32. 40 cm 70 ± 0,049 dB

33. 4,9 m 70 ± 0,5 dB

34. 17 m 50 ± 0,049 dB

35. ? ca 200 m 50 dB ± 0,5 dB

36. Wpływ stanu atmosfery narozprzestrzenianie się dźwięku Wybrane aspekty INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

37. 5 dB 5 dB 10 dB 10 dB INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

38. Macierz warunków atmosferycznych Oszacowania wpływu czynników meteorologicznych na poziom dźwięku dokonuje się (na obecnym etapie rozwoju wiedzy) budując tzw. siatkę (macierz) MDW (macierz „wietrzności” i warunków termicznych). Siatka MDW ma następujący kształt: Tabela. Macierz MDW INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

39. Warunki wietrzności Tabela. Warunki wietrzności INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

40. Warunki termiczne Tabela. Warunki termiczne INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

41. Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład Porównanie wyników badań ujawnia bardzoistotne zjawisko: Niepewność oceny (rozrzut wyników) związana jest przede wszystkim z warunkami atmosferycznymi. INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

42. Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład Rozprzestrzenianie się dźwięku w atmosferze w warunkach rzeczywistych zależy przede wszystkim od kombinacji gradientów temperatury i prędkości wiatru. W stosunku do sytuacji określanej jako warunki homogeniczne (prosto-liniowy model dróg pro-mieni dźwiękowych) mogą wystąpić dwojakiego rodzaju sytuacje: INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

43. Wpływ parametrów meteorologicznych na propagację hałasu - przykład Ugięcie promieni dźwię-kowych „ku ziemi”, powoduje w większości przypadków niespodzie-wany wzrost zasięgu Ugięcie promieni dźwiękowych „ku górze”, powoduje w sprzyjających sytu-acjach powstawanie cienia akustycznego i zmniejszenia zasię-gu dźwięku INSTYTUT OCHRONY ŚRODOWISKA - Zakład Akustyki

44. Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.1) 2 przykłady długookresowych obserwacji wpływu warunków pogodowych na rozprzestrzenianie się hałasu drogowego pochodzącego od intensywnego ruchu na trasie ekspresowej. Punkt obserwacji zlokalizowano w odległości ok. 200 m od krawędzi jezdni.

45. Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.2) Na poprzednich diagramach pokazano przebieg zmian poziomu dźwięku w funkcji czasu (w okresie dobowym). Charakterystyczne „piki” odzwierciedlają chwilowe zakłócenia z innych, bliższych źródeł. Ich oddziaływanie jest na tyle krótkie, iż praktycznie nie oddziałują na wartość średnią. Niemniej wpływ zakłóceń został zanalizowany i w miarę potrzeby – wyeliminowany. Na diagramach oznaczono także przebieg wartości średniej dla wszystkich wielomiesięcznych obserwacji. Wartości poziomów hałasu obserwowano synchronicznie z wartościami parametrów pogody. Najistotniejsze z nich – tj. kierunek wiatru oraz prędkość wiatru pokazano poniżej.

46. Długookresowe, dobowe zmiany parametrów meteorologicznych (meteo 4.3) W przypadku kierunku wiatru najbardziej sprzyjający oznaczono jako 0 skali. Odpowiada to wiatrowi wzdłuż linii prostopadłej do źródła (trasy), skierowanemu od źródła do punktu obserwacji (pomiaru). Na diagramie oznaczono też kąty +45o oraz –45o wyznaczające „wiązkę” kierunków wiatru najbardziej sprzyjających rozprzestrzenianiu się fal akustycznych w kierunku „do obserwatora”.

47. Schemat powstawania sygnału akustycznego dla hałasu, na który składa się szereg zjawisk elementarnych

48. Przebieg sygnału akustycznego a poziom równoważny

49. Poziom Równoważny - definicja Poziom równoważny jest wyrażony wzorem (wg PN-ISO 1996-1): , dB  gdzie: LAeq,T - równoważny poziom dźwięku A w decybelach, wyznaczony dla przedziału czasu T, od t1 do t2; p0 - ciśnienie akustyczne odniesienia (20 mPa); pA- chwilowa wartość ciśnienia akustycznego A, mierzonego sygnału akustycznego

50. Poziom Równoważny - „budowa” 1