Győrfi András demonstrátor SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki tanszék Zaj,- rezgés és sugárzásvédelem NGB_KM015_1 2011 – 2012 tanév tavasz 1-2. előadás Győrfi András demonstrátor SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki tanszék
ELÉRHETŐSÉG Szoba: D 512 /Telefonszám: 70/977-49-55 E-mail: gyorfia@sze.hu, gyorfi.andras.sze@gmail.com Weblap: www.sze.hu/~gyorfia Konzultációs időpont: hétfő: 1500-1700
KÖVETELMÉNYEK Félévközi beszámoló Megajánlott jegy kapható 2 db zh (7. és 12. héten): 25 pont/zh Minimum követelmény 40 % Pót zh: 14. héten (mindkét alkalomból) zajmérés + jegyzőkönyv:10 pont mindkettő kötelező, aláírás feltétele Megajánlott jegy kapható Zh-ból 50 %-ot elérte Vizsga (írásbeli) Féléves anyagból rövid és hosszú gyakorlati kérdések (50 pont)
ÉRTÉKELÉS Értékelés: 0-50 1 51-62 2 63-75 3 76-85 4 86-100 5
AJÁNLOTT IRODALOM Zaj és rezgésvédelem Hefop jegyzet a honlapomon találjátok Walz Géza: Zaj- és rezgésvédelem, Complex Kiadó, Bp. 2008. Dr. Kurutz Imre: Műszaki akusztika, Műegyetemi Kiadó, Bp. 2001. Dr. Kováts Attila: Zaj- és rezgésvédelem, Veszprémi Kiadó, Veszprém, 1995.
ELŐADÁS ANYAGA Bevezetés Hang Hullám Fizikai alapfogalmak Szintértékek Példák
IDÉZET „A zajjal száz esztendő múlva több gondunk lesz, mint a fertőző betegségekkel…” Robert Koch (német bakteriológus)
BEVEZETÉS A zaj egyidős az emberrel (ipai forradalom, közlekedés, építkezés, ipar) A zaj- és rezgésvédelem a környezetvédelemnek a legkevésbé hangsúlyozott része. Oka kettős: A károsodás többnyire jelentős időveszteséggel jelentkezik. A zajprobléma megoldása nem okoz közvetlenül gazdasági hasznot.
BEVEZETÉS Pedig egyre súlyosabb probléma: a legelső zavaró hatás, amely az infrastruktúra és az ipar fejlődésével együtt jár. Becslések szerint kb. az emberek fele él olyan övezetekben, ahol nem biztosított a lakosság „akusztikai komfortja“. Nehéz védekezni ellene, elsősorban a közlekedési zajra van panasz.
BEVEZETÉS A közlekedés fejlődése miatt már nem csak a városokban probléma, hanem az agglomerációs övezetekben is. Újabb zajforrások jelennek meg (légkondi, ventillátor, liftek, számítógép stb.)
HANG A hang az emberi élet alapvető velejárója, nélküle az emberek közötti kapcsolat nehezen képzelhető el. Kifejező eszköz (verbális kommunikáció) Élvezeti cikk (zenerajongóknak) Sok esetben a veszélyre is a hangok figyelmeztetnek bennünket. Hang/zaj: Méreg az aludni vágyóknak
HANG 1. Fizikai jelenség – Hangjelenség (XX. sz. elejétől): Hang: Három jelentéstartalom 1. Fizikai jelenség – Hangjelenség (XX. sz. elejétől): Valamely rugalmas közegben hullámszerűen tovaterjedő mechanikai zavarási állapot Mechanikai zavarás: adott helyen adott részecskével energiát közlünk - többletenergia - rezgés – tovaterjed
HANG 2. Élettani (biológiai) jelenség – Hangérzet (XX. sz. 30-as éveitől) A mechanikai hullám az élőlényekben hangérzetet kelt Tehát a hang füllel érzékelhető külső inger – hallás folyamatáról később
HANG 3. Értelmi, esztétikai (lélektani) jelenség – Hangélmény (XX. sz. végétől) A hallott hang, a hanghullámok információt hordozhatnak (beszéd), jelenthetnek élményt. Megfejtése : az érzékszervi felfogás és idegi továbbítás útján az agyban A hangélmény a hang legfontosabb jelentéstartalma az ember szempontjából.
HANG-ZAJ Ezért: minden olyan hang zaj, ami nem hangélmény, hanem kellemetlen hang. Tehát: a zaj fogalma emberi értékelés függvénye, erősen szubjektív. Egy motorkerékpáros számára a motorjának erős hangja a sebesség, a száguldás örömét jelenti, míg az utcán közlekedő vagy az oda néző lakásban élő embereket zavarja, számukra a motor egyértelműen zajforrást jelent. Sok fiatal örömmel teszi ki magát rendszeresen halláskárosodást okozó hangerőnek, amikor bulizni megy, a környezetben élők számára azonban ez a zene zajpanaszra ad okot.
HANG A hang mechanikai hullám, azaz rugalmas közegben tovaterjedő rezgés. Az emberi fül bizonyos rezgéseket képes felfogni és hangérzetté alakítani, ezek a rezgések a hallható hangok. A hangforrás által keltett rezgési energia a rugalmas közegben nyomásváltozást okozva hullámformában terjed. Levegőben ez a nyomásváltozás a hallható hang. Hordozó közegben (levegő, folyadék, szilárd) tovaterjedő nyomásváltozás, nyomásingadozás.
HANG Terjedése: a részecskéről részecskére történik az elemi állapotváltozás terjedése, ami tehát a részecskék rezgésének a rugalmas közegben, hullámmozgás formájában történő terjedését jelenti Tehát csak a rezgési energia terjed, nem a részecske halad! közeg hogyan neve gáz nyomásingadozással léghang folyadék nyomásingadozással folyadékhang szilárd rugalmas alakváltozás testhang
HULLÁM JELLEMZŐI Transzverzális hullám: a rezgőmozgás iránya merőleges a terjedés irányára (testhangok)
HULLÁM JELLEMZŐI Longitudinális hullám: a rezgés és a hullám-terjedés iránya meg-egyezik (test-, folyadék- és léghangok) sűrűsödések - ritkulások
HULLÁMOK ÖSSZETÉTELE egyszerű harmonikus rezgés (tiszta hang): a rezgő részecskék egyensúlyi helyzetből való kitérése az idő függvényében szinuszosan változik több hullám eredője:
HULLÁM JELLEMZŐI periódusidő (T) frekvenciája (f ) hullámhossz () amplitúdó (A) terjedési sebesség (c) Jellemzők közötti összefüggés: = c/f , c = f
PERIÓDUSIDŐ Az a legrövidebb idő, amely alatt a rezgés periodikusan ismétlődik Jele: T Mértékegysége: s (idő)
FREKVENCIA rezgések másodpercenkénti száma (1/T) Jele: f Mértékegysége: [Hz], [1/sec] Frekvencia a hangforrásra jellemző mennyiség, a hangforrás elsődleges fizikai adata. A normál hang frekvenciája 440 Hz.
FREKVENCIA A hang terjedése közben más - más közegbe lépve a rezgés frekvenciája állandó, ezért akárhol észleljük, a kiinduló pontra, a zajforrásra utal. Ha egyszer egy adott frekvenciával sugároz a hangforrás, az meg fog maradni más közeg ill. anyag esetén is, és csak a c és a fog változni.
FREKVENCIA infrahang hallható hang ultrahang f < 20 Hz
INFRAHANG, ULTRAHANG
INFRAHANG, ULTRAHANG Infrahang: Az ilyen hangokat az emberi fül nem hallja, a test azonban érzékeli. Robbanások és a testek körüli lökésszerű légáramlások keltik. A nagyon nagy frekvenciájú hangokat a különféle anyagok (pl. az emberi test különféle szövetei) más-más mértékben verik vissza. (gyógyászatilag előnyös módon, mert viszonylag kicsi a sérülés, az ártalom valószínűsége). Az ultrahangot ezért általánosan használják orvosi átvilágításra (pl. ultrahang diagnosztika a magzat vizsgálatára. Használják műszaki célokra (pl. vasúti sínek repedéseinek felderítésére). Állati kommunikáció (nagyméretű állatok kis frekvenciákat, kisméretű állatok nagyobb frekvenciákat használnak)
FREKVENCIA A keltett hang magasságát mindig a frekvenciája határozza meg a hang annál magasabb, minél nagyobb a rezgés frekvenciája a fül a hangmagasságot a frekvencia logaritmusával arányosnak érzékeli
HULLÁMHOSSZ az a távolság,amit a hullám egy periódus alatt megtesz, szinusos hullámok esetén a két egymást követő csúcs közötti távolság Jele: λ Mértékegysége: [m]
HULLÁMHOSSZ Példa
AMPLITUDÓ Az egyensúlyi vagy a nyugalmi helyzettől számított legnagyobb kitérés. hangerősség Mindig pozitív szám. Jele: A
HULLÁM JELLEMZŐI
TERJEDÉS SEBESSÉGE A hanghullám terjedésének sebessége. Jele: c Mértékegysége: [m/s] c = √E / E - rugalmassági modulus, [Pa] - sűrűség [kg/m3] Sebesség függ: , E hőmérséklet, páratartalom, nyomás
TERJEDÉS SEBESSÉGE A levegő hőmérséklete befolyásolja a terjedési sebességet. Melegben a gázmolekuláknak nagyobb mozgási (kinetikus) energiája van Közelebb kerülve egymáshoz, gyorsabban adják át az energiát
TERJEDÉS SEBESSÉGE Levegőben: Édes vízben: + 40 °C = 355 m/s + 20 °C = 340 m/s - 40 °C = 306 m/s Édes vízben: + 15 °C = 1437 m/s Meleg levegőben ugyanazon hang hullámhossza is nagyobb, ugyanis meleg levegőben gyorsabban terjed a hang, tehát változatlan f mellett, ha c nagyobb, akkor is nagyobb.
TERJEDÉS SEBESSÉGE cp=co+0,6xTp m/s Minden 1°C emelkedés esetén 0,6 m/s sebességnövekedés várható. Száraz időben, tengerszint nyomáson, 0°C-on c= 331m/s Más körülmények között: cp=co+0,6xTp m/s cp= adott Tp hőmérsékleten a sebesség co= 0°C esetén a sebesség
TERJEDÉS SEBESSÉGE Példa: Egy 20°C -os szobában mekkora a hang terjedési sebessége? Co=331m/s Tp=20°C cp= co+0,6x20=331+12=342m/s cp~ 340m/s
TERJEDÉS SEBESSÉGE Ha a levegő sűrűsége kicsi, tehát a részecskék távolsága nagyobb, mint az a távolság, ami a hangnyomás által keltett részecske elmozdulás mértéke, akkor nincs hangterjedés. Ezért légüres térben nem terjed a hang, mert nincs ami közvetítse a zavarást. Ez az érték: l = 10-5 – 10-11 m A terjedés sebessége a közeg tulajdonságaitól függ, nem a hang tulajdonságaitól. A hangterjedés sebessége egy adott közegben állandó T esetén állandó.
TERJEDÉS SEBESSÉGE
TERJEDÉS SEBESSÉGE A cseppfolyós anyagokban, szilárd testekben a molekulák szorosabb kapcsolata miatt a részecskék könnyen át tudják adni egymásnak a rezgést. Tehát a hang a folyékony és szilárd közegben gyorsabban terjed, mint levegőben! Hidrogén: kicsi molekula c= 1284 m/s Hélium: nagyobb tehetetlenségű c= 965 m/s Acél: szoros kötésű molekulák c= 5940 m/s
HULLÁM JELLEMZŐI A hang terjedése közben a részecskék mozgása súrlódással jár, ennek legyőzése pedig munkavégzést kívánt. Mennél távolabb jut el a hang, egyre gyengül, végül teljesen megszűnik, energiája pedig hővé, hőenergiává alakul. A magas hangok rezgésszáma nagy, a mélyeké kevesebb. Amikor a magas hangok terjednek, akkor azokat a levegőben lévő részecskéket igen sokszor kell ide-oda mozgatni. A mély hangok terjedésük közben kevesebb munkát végeznek. Tehát: A magas hangok nem terjednek olyan messzire, mint a mély hangok.
HULLÁM JELLEMZŐI Csillapított rezgés Szinuszos hang Lecsengő zenei hang Állandósult zenei hang Öngerjesztett rezgés Keverékhang Zörej
„TISZTA HANG” „ÖSSZETETT HANG” Tiszta hangnak nevezzük a tiszta szinuszos hangrezgést, azaz azt a hangot, amelynek spektrumában egyetlen vonal van A gyakorlatban azonban (szinte kizárólag) összetett hangokkal van dolgunk Tiszta hangot keltő mechanikai eszköz a hangvilla.
„TISZTA HANG” „ÖSSZETETT HANG” Azokat a hangrezgéseket, amelyeknek frekvenciaspektrumában nemcsak egy, hanem több, egymástól különböző frekvenciájú komponensek is találhatók, összetett hangoknak nevezzük. Az összetett hangok két nagy csoportra oszthatók: periodikusak és nemperiodikusak.
NEM SZINUSOK HANGOK négyszöghullám: (pl. gitártorzító) háromszöghullám: 300 Hz 300 Hz
HANGOK CSOPORTOSÍTÁSA Frekvencia szerint Infrahang f > 20 Hz Hallható hang 20 Hz < f < 16 kHz Ultrahang f < 16 kHz A hang időbeli lefolyása állandó hang: jellege (frekvenciája, erőssége) nem változik: ventilátor, szivattyú változó hang: jellege időben változik A hang lefutása szerint folytonos: időbeli megszakítások nélküli zaj szakaszos (időszakos): időbeli megszakításokkal, csak időszakosan lép fel egyszeri: egyetlen alkalommal jelentkező zaj
HANGOK CSOPORTOSÍTÁSA Forma (fizikai hullám alakja) tiszta hang (szinuszos hullám) zenei hang (periodikus) zörej (statikus jellegű) összetett (kevert) A hang időtartama hanglökés (t < 10 ms) rövididejű hang (10 ms t 1 s) tartós hang (t > 1 s) hosszú (t >60s)
MITŐL „ZAJ” A HANG? Természetes hang: forrása valamilyen természeti jelenség, anyagi mozgás vagy élőlény, és megszólalását nem mesterséges beavatkozás váltja ki. PI. természetes hang a szél, a patakcsobogás, a madárcsicsergés, az állatok hangja, a mennydörgés, az emberi beszéd stb.
MITŐL „ZAJ” A HANG? természetes hangok:
MITŐL „ZAJ” A HANG? Mesterséges hang: valamilyen ember alkotta készülék vagy berendezés működése közben keletkezik, vagy ezek működtetésével, megszólaltatásával kelthető. PI. a gépek zaja, a munkavégzés zaja, a hangszóró hangja, s nem utolsósorban a hangszerek hangja, a zene is mesterséges hang stb.
MITŐL „ZAJ” A HANG? mesterséges hangok:
nem a frekvenciák különbsége határozza ZENEI HANGOK Mennyivel érezzük magasabbnak egyik hangot a másiknál? pl. 100 Hz 150 Hz 440 Hz 500 Hz Az első hangköz a nagyobb, pedig ott a különbség csak 50 Hz, míg a másodiknál 60 Hz. nem a frekvenciák különbsége határozza meg a hangok egymáshoz viszonyított magasságát, hanem a frekvenciák aránya
MITŐL „ZAJ” A HANG? mesterséges hangok:
MITŐL „ZAJ” A HANG? emberi hang:
MITŐL „ZAJ” A HANG? A zenei hangok abban különböznek a zajtól, hogy a levegő nyomásának az idő függvényében való ábrázolása alapján kapott grafikonjuk periodikus. A zenei hang légnyomásváltozás görbéje ha szabálytalan is, újból és újból megismétlődik, míg a zaj esetén a függvény mindig szabálytalan alakú, és általában nem periodikus 55
MITŐL „ZAJ” A HANG? Kellemes hangok Zajok madár gyár közlekedés hegedű
MITŐL „ZAJ” A HANG? Következtetés: azoknak a hangoknak, amelyeket zajnak érzünk, az idő-kitérés grafikonja sokkal egyenetlenebb. Zaj: különböző magasságú és erősségű hangok keveréke, amit az ember kellemetlennek, zavarónak érez (szubjektív fogalom).
HANGNYOMÁS p = p' – p0 [Pa], [N/m2] A hangnyomás a hangrezgések által a közegben keltett nyomás. A légköri nyomás nyugalmi értékétől való eltérés a hangnyomás. jele: p p = p' – p0 [Pa], [N/m2]
HANGTELJESÍTMÉNY Adott felületen egységnyi idő alatt merőlegesen átáramló hangenergia. jele: W, P mértékegysége: Watt
HANGINTENZITÁS 3 jele: I mértékegysége: W / m2 a hangteljesítmény és az intenzitás közötti összefüggés: P= I · F ahol F az a teljes felület, amelyen a hangenergia átáramlik.
HANGINTENZITÁS P = I dF Psík = I · F Pgömb = I·4r2π F = felület [m2 ] I = intenzitás [W/m2 ] Intenzitás mértékét a fülünk dönti el, hogy hogyan érzékeli: hallja- e - hallásküszöb elviseli- e - fájdalomküszöb Hallásküszöb Fájdalomküszöb I0 = 10-12 W/m2 Imax = 10 W/m2
HANGINTENZITÁS ahol: : sűrűség c : a hang sebessége p : hangnyomás I = p2 / ( c) ahol: : sűrűség c : a hang sebessége p : hangnyomás
HANGINTENZITÁS Mekkora a hallásküszöbhöz I0 = 10-12 W/m2 – hez tartozó hangnyomás? (p0) Levegő esetén: 0 = 1,2 kg/m3 c = 340 m/s
MEGJEGYZÉS emisszió immisszió
SZINTÉRTÉK Hallásküszöb I0 = 10-12 W/m2 Fájdalomküszöb Imax = 10 W/m2 nagyon széles tartomány, ezzel dolgozni, számolni nehéz A mindennapi életben előforduló –hallható hangot kibocsátó zajforrások teljesítménye 15 nagyságrend széles tartományban mozog Ezért kellett a hang erősségének jellemzésére a szintértékeket bevezetni
SZINTÉRTÉK Meghatározott alaphoz való viszonyítás logaritmikus rendszerben, azaz két azonos mértékegységű, teljesítményarányos jellemző hányadosának 10-es alapú logaritmusa Jele: Li Mértékegysége: (bel),decibel dB i = a jellemző jelölése pl.: LW LI Lp
HANGNYOMÁSSZINT (Lp) (mivel szint képzésénél teljesítményarányos mennyiségek hányadosát kell alapul venni, és I p2) Lp = lg (p/p0)2 Bel A bel nem elég érzékeny, tizedes is gyakran előfordulhat, hogy könnyebben számolhassunk, ennek az értéknek a tizedrészével fejezzük ki a szintértékeket. 1 bel = 10 decibel, 10 dB A hangnyomásszint függ - a hangforrás helyétől - a környezeti feltételektől - a mérési ponttól való távolságtól Lp = 10 · lg (p/p0)2 dB Lp = 20 · lg p/p0 dB
HANGINTENZITÁSSZINT (LI) LI = lg I / I0 Bel ahol I0 = 10 –12 W / m2. I = jelenlegi sugárzó hang intenzitása 1 bel = 10 decibel dB LI = 10 lg (I/I0) dB
MEGJEGYZÉS A hangintenzitásszint és a hangnyomásszint a hangtér egy adott pontjában mérhető mennyiségek, a zaj által okozott terhelést mérik, immissziós jellemzők. A gyakorlatban inkább a hangnyomásszint használatos. (Pl. egy lakóház homlokzatánál a közlekedési zaj hangnyomásszintje 40 dB) Lp = 40 dB
HANGTELJESÍTMÉNYSZINT (LW) Lw = 10 · lg W/W0 (dB) ahol W: a hangforrás teljesítménye W0: viszonyítási alap: 10 –12 Watt, 1 pW (Pl. egy ipari berendezés hangteljesítmény-szintje 70 dB) A hangteljesítményszint a hangforrásra jellemző mennyiség, a kibocsátott teljesítményt méri emissziós jellemző. Lw =70dB
PÉLDA 1.Mekkora teljesítményszintnek felel meg 3 μW?
MEGOLDÁS 3 μW = 3×10-6 W W0 = 10-12 W LW = 10 lg W/W0 = 64,8 dB = 65 dB
PÉLDA Határozzuk meg P=1,35 mW hangteljesítményű zajforrás abszolút és P0=1 nW-ra vonatkoztatott relatív teljesítményszintjét Egy hangszóró 1,5 W teljesítménnyel sugározza a hangot a tér minden irányában. Mekkora a hangintenzitása és a hangintenzitásszintje tőle 5 m távolságban.