Tartalom Klasszikus hangtan

Az előadások a következő témára: "Tartalom Klasszikus hangtan"— Előadás másolata:

1 Tartalom Klasszikus hangtan
ELTE IV. Környezettudomány 2008/2009 II.félév AKUSZTIKA és ZAJSZENNYEZÉS A hang 2. (II. 19) Tartalom Klasszikus hangtan Hang fajtái, jellemzői, alapfogalmak, definíciók (infrahang, emberi hang, ultrahang), (térbeli, időbeli, energetikai, frekvenciás jellemzők). Hullámhossz, frekvencia, sebesség. Hangjelenség (fizikai), hangérzet (fiziológiai), hangélmény (pszichikai). Energia, intenzitás, amplitúdó, nyomás. Sebesség, gyorsulás. Hangintenzitás, hangintenzitás szint, dB-skálák.

2 Hang (definició): -diszkrét frekvenciájú, a hallástartományon belüli rezgés vagy harmonikus sorú rezgések eredője. -fizikai értelemben: hangjelenség: valamely rugalmas közegben hullámszerűen tovaterjedő mechanikai zavarási állapot. zavarás: a közeg állapotának térben és időben történő ingadozása az egyensúlyi állapot körül. élettani szempontból: hangérzet () lélektani szempontból: hangélmény () Zaj: különböző erősségű (intenzitású) és frekvenciájú hangok zavaró keveréke.

3 Állandósult zenei hang Öngerjesztett rezgés Keverékhang Zörej
A hang nyomáshullám / <<1; p/p<<1 Csillapított rezgés Szinuszos hang Lecsengő zenei hang Állandósult zenei hang Öngerjesztett rezgés Keverékhang Zörej

4 A hangok jellemzői: Intenzitás: - küszöbalatti hangok (I<1 pW/m2)
- szuperhangok (I>1 W/m2) Teljesítmény - küszöbalatti hangok (P <1 pW) I = P/A ; I = p2/Zaku. Időtartam: - hanglökés - rövid idejű hang - tartós hang Időbeli lefolyás: - állandó hang - változó hang Frekvencia: - infrahangok (f <16 Hz) - hallható hangok (20 Hz< f <16 kHz) - ultrahangok (f>20 kHz) Hullámhossz: -  f = c (20 m >  > 20 mm) Sebesség: changlevegő  340 m/s

5 hangerősség – frekvencia
Hangjelenségek hangerősség – frekvencia (Intenzitás)

6 Érzékelhető intenzitásszint – frekvencia
Hangjelenségek Érzékelhető intenzitásszint – frekvencia (Lineáris frekvencia skála!) Az emberi hallás tartománya 20 Hz-16 kHz között van. A legnagyobb érzékenysége: 3 kHz körül van.

7 Teljesítmény - teljesítményszint (W - dB)
Teljesítmény (W) Széles tartományban (12-15 nagyságrend) Abszolút adat (1 pW) Teljesítményszint Követi a szervezet ingerelemzését (log), Alaphoz való viszonyítás relatív adat: dB. Pl: Viszonyítási alap: Po = 1 pW Pl: Az Io hallásküszöbnek megfelelő hangintenzitás, ez 1 kHz-nél W/m2, azaz az Lo hallásküszöb a 0 dB : az ennek megfelelő hangnyomás pedig:

8 Zajforrás (hangforrás)
Hangtelj. (W) Suttogás 1…5*10-8 Kis asztali ventilátor 10-5 Társalgás 1…1*10-5 Háztartási gépek 10-4 Kiabálás 6…8*10-4 Hangos kiáltás 1…3*10-3 Kis szövőszék 10-2 Személygépkocsi (80 km/h) 10-1 Zongora (forte) 1…2*10-1 Trombita (forte) 3…4*10-1 Sűrített levegős kalapácsok 1 Autókürt 3…5 Kis mezőgazdasági repülőgép 7…8 Orgona, 75 tagú szimf. zenekar 10 Nagy szimfónikus zenekar (forte) 50…70 Riasztó sziréna 103 4 légcsavaros repülőgép 104 Katonai sug.h rep.gép utánég. 105 rakétamotor 107 Zajforrás Zajszint (dB) Levélsusogás 10 Óraketyegés 20 Halk rádiózás 50 Társalgási beszéd 60-70 Hangos beszéd 70-85 Kiabálás 80-100 Zongora 60-95 Nyomdai szedőgép 95 Faipari marógép 95-103 Légkalapács 105 Légköszörű Kézi köszörű Négymotoros repülő 3 m-ről 120 Léglökéses Fájdalomküszöb 130

9 kiindulási hangnyomásszint:
A dB ! Az alábbi értékeket célszerű megjegyezni: +1 dB 25% teljesítménykülönbséget, 12% nyomás különbséget jelent. +3 dB a kétszeres teljesítményhez tartozik. +6 dB négyszeres teljesítményt, kétszeres nyomást jelent. Az azonos hangnyomásszintű hangok összegzésekor az eredő +3 dB-el nő mindig, bármi is legyen a kiindulási hangnyomásszint: 1 dB + 1 dB = 4 dB, vagy 10 dB + 10 dB = 13 dB, avagy 100 dB dB = 103 dB.

10 hanem lényegesen kevesebb!
Az ábra azt mutatja, miként kell két logaritmikus egységet helyesen összegezni. 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! Mint láttuk, s az ábráról is leolvasható, hogy 0 dB eltéréshez 3 dB-es növekedés tartozik. Lp

11 Távolságfüggés

12 (pszichológiai érzet)
Adó (Donor) Emisszió Vivő közeg Vevő (Akceptor) Abszorbció Hangsebesség Sűrűség, Impedancia Hang keltés Hang terjedés felfogás Hangforrás Hangtér Objektív (fizikai inger)  Szubjektív (pszichológiai érzet) 

13 (pszichológiai érzet) Elhajlás, Interferencia, Elnyelés, (Csillapítás)
Hangkeltés Hang terjedés Hang felfogás Hangforrás Hangtér Objektív  (fizikai inger) Szubjektív  (pszichológiai érzet) Energia Áramlások Rezgetések Intenzitás (phon) Hangosság (son) Frekvencia Hullámhossz Frekvencia (Hz) Hangmagasság (hangsor) Színkép (spektrum) Hangszín Idő Idő (ms) Érzett idő Irány, távolság Irány Érzékelt irány Jelenségek: Terjedés, Reflexió, Törés, Elhajlás, Interferencia, Elnyelés, (Csillapítás) Információ sebesség (Mb/s) (életben maradás) (kb/s) Zaj Élvezet (zene, HiFi)

14 Hangkeltés Hangforrások
Áramlások Seebeck félesziréna Rezgetések hegedű

15 Hangterjedés Hangtér Hangteljesítmény (P)

16 Akusztikai hatásfok, akusztikai áttétel
Az akusztikai teljesítmény (P) és a zajforrást létrehozó teljesítmény (N) viszonya Értéke: ppm (10-6) – 10% (10-1) Kis asztali ventilátor : (10 W/ 10 W) Kiabálás : (1 mW/ 1 W) Szgk (80 km/h): (0.1 W/ 100 kW) Légkalapács: (1 W/ 1 kW) Repülőgép: (10 kW/ 10 MW) HiFi: % (5W/ 100 W) Sziréna 10% (1kW/ 10 kW)

17 Részecske sebesség: v’ részecske kitérés: 
Hangterjedés Hangtér Hangnyomás (p’), hangsebesség(c), akusztikai Ohm törvény, akusztikai ellenállás (keménység) (Z). Részecske sebesség: v’ részecske kitérés: 

18

19 Hangterjedés Hangtér Hangsebesség (c) changlevegő  340 m/s
Közeg Hőmérséklet, °C Hangseb. m/s Levegő –10 325 331 +10 337 +15 340 +20 343 +50 360 Nitrogén Oxigén 326 Víz 1480 Acél 5200 changvíz 1500 m/s

20 Euler egyenlet Kontinuitási egyenlet
Newton törvény Anyagmegmaradás Euler egyenlet Kontinuitási egyenlet Hullámegyenlet

21 Hangteljesítmény (P), hangintenzitás (I).
Energia (időátlaga) energiaáram-sűrűség energiasűrűség (időátlaga)

22

23 Hangintenzitás (I) W= - p dV

24 Hangintenzitás (I) és Impedancia (Z)
Z =o c normál levegőre: 430 Ns/m vízre : Ns/m3 Egy állandó teljesítményű hanforrástól adott távolságban észlelhető I hangintenzitás nagyobb impedanciájú közegben nagyobb (gyökösen) nyomást kelt. (Vízben jóval nagyobb a hangérzet, mint a levegőben ).

25 Hangosságszint  (phon)
Hang felfogás Hangosságszint  (phon) Eltérő frekvenciájú hangok összevetése Élettani mennyiség (hang ekvivalens). Jele: LN Mértékegysége: phon Értelmezése: annak az 1 kHz frekvenciájú, szabad hangtérben szemközt érkező tisztahangnak a hangnyomásszintje, amely azonos hangérzetet kelt a kérdéses hanggal.

26 Hang felfogás Hangosság(son) Eltérő intenzitású hangok összevetése
A hangosságérzetet jellemző mennyiség, a valóságos érzetnek felel meg. Mértékegysége a son, jele N. A hangosságszint rendszerhez kötött azonosítási pontja: 1 son = 40 phon. A hangosság és a hangosságszint közötti kapcsolat:

27 Az ember hallásgörbéje
A son skála lineáris! Az egyenlő hangosságszintek (, LN ) frekvencia görbéi (phon-görbék) Két hang közül az egyiket akkor értékeljük szubjektíven kétszer olyan hangosnak, ha a hangosságszintek különbsége 10 phon. Az így megállapított hangosságskála son-ban, arányos a hangosságérzettel (N). (1 son az 40 phonnak felel meg,). Az N hangosság (son) és az LN (dB) hangosságszint összefüggése:                                                                       

28 Phon-son átszámítás Phon (dB) / Son 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
130 0,50 1,00 2,00 4,00 8,00 16,0 32,0 64,0 128 256 512 0,5 0,52 1,04 2,07 4,14 8,28 16,6 33,2 66,5 133 265 530 1 0,54 1,07 2,14 4,29 8,58 17,1 34,3 68,5 137 275 549 1,5 0,56 1,11 2,22 4,44 8,87 17,7 35,5 71,0 142 284 568 2 0,58 1,15 2,30 4,60 9,20 18,4 36,8 73,5 147 294 588 2,5 0,60 1,19 2,38 4,75 9,50 19,0 38,0 76,0 152 304 608 3 0,62 1,23 2,46 4,92 9,85 19,7 39,4 78,8 158 315 630 3,5 0,64 1,27 2,55 5,10 10,2 20,4 40,8 81,6 163 326 653 4 0,66 1,32 2,64 5,29 10,6 21,1 42,2 84,5 169 338 676 4,5 0,68 1,37 2,73 5,46 10,9 21,9 43,8 87,6 175 350 699 5 0,71 1,41 2,82 5,65 11,3 22,6 45,2 90,5 181 362 724 5,5 0,73 1,46 2,93 5,86 11,7 23,4 46,8 93,7 187 375 750 6 0,75 1,52 3,03 6,06 12,1 24,2 48,5 97 194 388 776 6,5 0,78 1,57 3,14 6,28 12,6 25,1 50,2 201 402 803 7 0,81 1,62 3,25 6,50 13,0 26,0 52,0 104 208 416 832 7,5 0,84 1,68 3,36 6,72 13,4 26,9 53,8 108 215 430 861 8 0,87 1,74 3,48 6,96 13,9 27,8 55,7 111 223 446 891 8,5 0,90 1,80 3,61 7,22 14,4 28,8 57,7 115 231 462 923 9 0,93 1,86 3,73 7,46 14,9 29,8 59,7 119 239 478 955 9,5 0,96 1,93 3,86 7,72 15,4 30,9 61,8 124 247 495 989