1 Perusteet - MyCourses - Aalto
Meluntorjunta ELEC-E5640 1 Perusteet 7.9.2015 Valtteri Hongisto [email protected] Ääniaallon tunnusluvut • Aikariippuva signaali kulmataajuudella 2pf • tehollinen arvo ~ • amplitudi eli huippuarvo ^ pt pˆ sin t • Aikakeskiarvo p (t ) T T p~ 1 p pt dt T 0 T0 p^ t • Tehollinen arvo 2 p^ T 1 2 ~ t dt p p T0 f 1 T Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 1 ~ p pˆ 2 2 Tasosuureet • Tasosuureet lasketaan tehollisista arvoista • Äänenpainetaso p0=20 Pa • sound pressure level, SPL • Äänitehotaso W0=1 pW • sound power level • Intensiteettitaso I0=1 pW/m2 • sound intensity level • Värähtelysiirtymätaso d0=1 pm • Värähtelynopeustaso v0=1 nm/s • Värähtelykiihtyvyystasoa0=1 m/s2 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. ~ p2 Lp 10 lg 2 p0 dB ~ W dB L'W 10 lg W0 ~ I dB LI 10 lg I0 Ld 10 lg ~ d2 d02 ~2 dB v dB 2 v0 a~ 2 La 10 lg 2 dB a0 Lv 10 lg 3 Hiukkasnopeus u • hiukkasten edestakaisen värähtelyn nopeus • eri asia, kuin aallon etenemisnopeus c eli vaihenopeus Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 4 Aallon eteneminen 1 dimensiossa • heijastukseton äänikenttä: px, t 0c0u x x, t • aallon etenemisnopeus=vaihenopeus, merkintä c – huoneen lämpötilassa 20 C ilmassa c0=343 m/s – c=(331.4 + 0.6T) m/s – T=lämpötila celsiusasteina • Väliaineen akustinen ominaisimpedanssi Z (aaltovastus) • Ilmassa Z0=0c0443 kg/m2s – ilman tiheys 0=1.293 kg/m3 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. p x, t Zx u x x, t 5 Taajuus f [Hz] ja aallonpituus l [m] Kuuloalue 20-20000 Hz Aallonpituus [m] Korva aistii myös voimakkaita 100 infraääniä • Puhe Aallonpituus: c fl l missä – c = äänen nopeus, 343 m/s – f = äänen taajuus [Hz] 0.1 0.01 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 100000 Taajuus f [Hz] 10000 0.001 10 • c f 1 1000 • Kuuloalue 10 – 100-10000 Hz 100 • • 6 Äänten voimakkuuksien ja taajuusalueiden sijoittuminen kuuloalueeseen Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 7 Kuulokynnys Kuulokynnyksen äänenpainetaso LpZ [dB] 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 -10 Möller and Pedersen (2004) ISO 226:2003 8000 4000 2000 1000 500 250 125 63 31.5 16 8 4 2 Wanatabe and Möller (1990) Taajuus [Hz] Hongisto, Työterveyslaitos, 2014 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 8 Taajuusanalyysin teko • Fast Fourier Transform FFT – kaistanleveys vakio • Hz lukumäärä aina sama – meluntorjunnassa tarvitaan paljon harvemmin kuin prosenttikaistoja • Prosenttikaistat – logaritminen kaistanleveys – käytetään meluntorjunnassa – terssit, 20, 25, ..., 20000 Hz • audioalue 32 kpl Oktaavikaistasuodin Terssikaistasuodin fl f m Alarajataajuus fl f m Ylärajataajuus fu 2 f m fu 6 2 f m Kaistanleveys B fu fl B fu fl Keskitaajuus fm fm 2 fl fu Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 6 2 fl fu – oktaavit: 31, 63 ... 16000 Hz • audioalue 10 kpl – fm keskitaajuus • • • • 100 Hz: terssikaista fl=89 Hz fu=112 Hz B=23 Hz 9 ISO 226 vakioäänekkyyskäyrät (loudness) • Käyrät on määritetty yhtä äänekkäiksi koettujen siniäänesten perusteella • A-painotus seuraa 40 phonin muotoa – IEC 61672:2003 • C-painotusta käytetään jossain suurilla tasoilla Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 10 Nimelliskaistat, oktaavit ja terssit Kaista 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 fm 1.25 1.6 2 2.5 3.15 4 5 6.3 8 10 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 80 100 125 160 Terssikaista 1.12 - 1.41 1.41 - 1.78 1.78 - 2.24 2.24 - 2.82 2.82 - 3.55 3.55 - 4.47 4.47 - 5.62 5.62 - 7.08 7.08 - 8.91 8.91 - 11.2 11.2 - 14.1 14.1 - 17.8 17.8 - 22.4 22.4 - 28.2 28.2 - 35.5 35.5 - 44.7 44.7 - 56.2 56.2 - 70.8 70.8 - 89.1 89.1 - 112 112 - 141 141 - 178 Oktaavikaista 1.41 - 2.82 2.82 - 5.62 5.62 - 11.2 11.2 - 22.4 22.4 - 44.7 44.7 - 89.1 89.1 - 178 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. Kaista 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 fm 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6300 8000 10000 12500 16000 20000 Terssikaista 178 - 224 224 - 282 282 - 355 355 - 447 447 - 562 562 - 708 708 - 891 891 - 1120 1120 - 1410 1410 - 1780 1780 - 2240 2240 - 2820 2820 - 3550 3550 - 4470 4470 - 5620 5620 - 7080 7080 - 8910 8910 - 11200 11200 - 14100 14100 - 17800 17800 - 22400 Oktaavikaista 178 - 355 355 - 708 708 - 1410 1410 - 2820 2820 - 5620 5620 - 11200 11200 - 22400 11 A- ja C-taajuuspainotukset Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 12 Esimerkki: A-painotus liikennemelulle Äänenpainetaso [dB] 80 ISO 717-1 liikennemeluspektri: 75 LL,eq=80.1 dB LA,eq=70.2 dB 70 LC,eq=79.4 dB 65 60 55 50 Lineaarinen A-painotettu C-painotettu 45 4000 2000 1000 500 250 125 63 40 Taajuus [Hz] Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 13 Kahden äänilähteen interferenssi • Meluntorjunnassa kiinnostavinta on aina tehollinen äänenpaine, koska äänenpainetaso lasketaan sen avulla. ~ p2 L p 10 lg 2 p0 dB T 1 2 ~ t dt p p T0 • Interferenssissä tehollinen äänenpaine saadaan summaamalla äänenpaineet: T T 1 1 2 2 2 ~ ptot ptot t dt p1 t p2 t dt T0 T0 T 2 2 2 ~ ~ p1 p2 p1 t p2 t dt T0 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 14 Interferenssin 3 tapausta 1. Ei-korreloivat äänilähteet: • yleisin tilanne meluntorjunnassa Lp,tot 10 lg 10 L p ,1 10 10 L p , 2 10 p1 t p2 t 2. Korreloivat äänilähteet, identtinen vaihe: 1. esim. 2 pistelähdettä alle 0.25l päässä toisistaan p1t p2 t 3. Korreloivat äänilähteet, vastakkainen vaihe: • aktiivinen äänenhallinta L p,tot 4~ p12 10 lg 2 L p,1 6 dB p0 L p,tot p1t p2 t Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 15 Kokonaisäänitasojen laskenta • Ei-korreloivien äänilähteiden summakaavalla lasketaan myös kokonaisäänitasot, esim. LA tai LZ terssitai oktaavikaistojen arvoista Äänenpainetaso [dB] 80 ISO 717-1 liikennemeluspektri: 75 LL,eq=80.1 dB LA,eq=70.2 dB 70 LC,eq=79.4 dB 65 60 55 50 Lineaarinen A-painotettu C-painotettu 45 4000 2000 1000 500 250 125 63 40 Taajuus [Hz] Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 16 Ei korreloivat äänilähteet: dB-yhteenlasku Muistisäännöt: (0 + 0) dB = 3 dB (15 + 15) dB = 18 dB (0 + 20) dB = 20 dB (0 + 10) dB = 10.5 dB (0 + 6) dB = 7 dB (0 + 2) dB = 4 dB N Ltot 10 lg 10 Li /10 Suurempaan lukuun lisättävä arvo 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 i 1 10 lg 10 L1 /10 10 L2 /10 ... 10 LN /10 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. Yhteenlaskettavien lukujen erotus 17 Ei-korreloivat äänilähteet: taustamelukorjaus • Melumittauksia häiritsee yleensä taustamelutaso • Asia pitää huomioida myös melumallinnuksissa. • Tarve: määrittää äänilähteen 1 taso Lp,1 kun samalla kuuluu taustaääntä tasolla Lp,2. • Lähteet 1 ja 2 eivät korreloi. L p ,1 10 • Yhteistaso Lp,tot: Lp,tot 10 lg 10 • Äänilähteen 1 taso: L p,1 10 lg 10 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. Lp ,tot 10 10 10 L p , 2 10 Lp , 2 10 18 Taustamelukorjauskäyrä Kokonaisäänitasoon tehtävä taustamelukorjaus (dB) Kokonaisäänitasoon tehtävä taustamelukorjaus (dB) -3.5 -3 -2.5 -2 Tällä alueella mittaustulos on epäluotettava. Lp ,1 10 lg 10 L p ,tot 10 10 L p , 2 10 -1.5 Tällä alueella korjausta ei enää tarvita. -1 -0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0 Yhteisäänitason ja taustaäänitason erotus (dB) Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 19 Keskiäänitaso eli ekvivalenttiäänitaso • Meluntorjunnan raja-arvot koskevat yleensä ekvivalenttitasoa aikajaksolla T eli LAeq,T • Aikakeskiarvo • Summamuoto: Leq ,T 1 T p 2 t 10 lg 2 dt dB T 0 p0 Leq ,T 10 lg Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 1 N N T 10 T i 1 i 1 i Leq ,Ti 10 i 20 Luentoesimerkki 1.0 Laske ekvivalenttiäänitaso 8 tunnille. Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 21 Melumittauksen aikavakiot • Fast-aikavakio juontaa juurensa 50luvun viisarinäytön maksiminopeuteen • Slow oli viisarin liikkeen seuraamista helpottava aikavakio • Imp-aikavakion arveltiin ennustavan paremmin lyhyiden meluimpulssien kuulovaurioriskiä. Integrointi on epäsymmetrinen – nousuaikavakio 35 ms – laskuaikavakio 1500 ms • 35 ms havaittiin liian hitaaksi. • Nykyisin kuulovaurioriskin arvioinnissa peak-aikavakio; ilmaisee absoluuttisen huippuarvon: T1<50 s • Fast vastaa hyvin myös äänekkyysaistimusta, jolle T1=100 ms Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. Aikapainotus S (slow) F (fast) I (imp) T1 [ms] 1000 125 35 T2 [ms] 2000 250 70 T1=Nousuaikavakio T2=Integrointiaika 22 Melumittauksen aikavakiot Lähde: S89-3430 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 23 Ir Absorptio It Ii 1.0 1654) • Absorptiosuhde 0.8 0.7 Ii I r a Ii 0.6 0.5 0.4 • Vaimennus heijastuksessa: 0.3 D 10 lg 1 a 0.2 1/3 octave band 0.1 1/1 octave band Centre frequency of third octave band, f [Hz] 1.0 0.9 Aalto-yliopisto,0.8 Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. ap 0.7 5000 4000 3150 2500 2000 1600 1250 1000 800 630 500 400 315 250 200 160 125 0.0 100 Sound absorption coefficient, aS 0.9 • Taajuusriippuvuus 24 Huoneen absorptioala • Huoneessa useita eri materiaalipintoja i, jolla on pintaala Si ja absorptiosuhde ai • Huoneen absorptioala on n A a 1S 1 a 2 S 2 ... a n Sn a i Si i 1 Absorptiosuhde on taajuusriippuva Yksikkönä m2-Sab tai pelkkä m2 Yleisiä arvoja: Kohde Kalustettu normaalikokoinen huone Kalustamaton normaalikokoinen huone Ihminen Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. A [m2] 10 4 0.5 25 Huoneen jälkikaiunta-aika äänenpainetaso (dB) maksimimelu V T 0.16 A riippuu taajuudesta 10 dB jälkikaiuntavaihe 60 dB taustamelu aika laukaus Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. jälkikaiunta-aika T 26 Jälkikaiunta-aikoja, 500-1000 Hz Jälkikaiunta-aika >5s 2 s…3 s 1,8 s… 2,2 s 1,5 s 1,0 s…1,2 s 0,5 s…0,8 s 0,5 s 0,3 s…0,8 s 0,2 s…0,3 s Esimerkki tilasta Kivikirkko tyhjänä Suuri aula, jossa ei vaimennusta Konserttisali Kalustamaton makuuhuone Teatteri, auditorio Hyvin suunniteltu luokkahuone Kalustettu makuuhuone Elokuvateatteri tilavuudesta riippuen Äänitarkkaamo tilavuudesta riippuen Lontoon viemäriverkostossa paikka, jossa T=40 s Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 27 Luentoesimerkki 1.1 Arvioi auditorion absorptiopinta-ala. Arvioi jälkikaiunta-aika. Taajuus 1 kHz. Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 28 Ääniteho ja intensiteetti • Ääniteho W [W] on äänilähteen tuottama kokonaisäänienergia aikayksikköä kohti [J/s]. • W saadaan integroimalla p ja u yli pinnan S, jonka sisäpuolella äänilähde on W x, t px, t ux, t ndS S • Intensiteetti I [W/m2] on ääniteho pinta-alayksikölle W I S Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 29 Äänitehotaso ~ W L'W 10 lg W0 • Äänitehotaso LW: dB W0=1 pW LW LI 10 log 10 S • Vapaa kenttä: • Mittauspinta-ala S [m2] hypoteettinen mittauspinta S äänilähde keskimääräinen intensiteettitaso pinnalla LI jäykkä alusta • Kaiuntainen kenttä: LW L p 10 log 10 S K S K 10 log 10 1 4 A Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 30 Äänitehotason ja äänenpainetason yhteys • Huoneen lämpötila riippuu – lämmitystehosta – huoneen häviöistä (huonekoko, eristys) – etäisyydestä – suunnasta Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. • Huoneen äänenpainetaso riippuu – äänitehotasosta – huoneen häviöistä (absorptioala) – etäisyydestä – suunnasta 31 Geometrinen leviämisvaimennus D pistelähde, vapaa kenttä Tunnettava • äänitehotaso LW [dB] • suuntakerroin k • avaruuskulma W • etäisyys äänilähteestä kuuntelupisteeseen r [m] • Palloaalto kun k=1 ja W=4p Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. k Lp LW D LW 10 log 10 2 Wr 1 L p LW Lk 10 log 10 2 Wr 32 Avaruuskulma W W 4p 2p p p/2 Äänilähteen sijainti kaukana huonepinnoista (yli aallonpituuden matkan) ääni säteilee vapaasti koko avaruuteen huonepinnalla, etäällä nurkista ääni säteilee vapaasti puoliavaruuteen 2 huonepinnan risteyksessä ääni säteilee vapaasti neljännesavaruuteen 3 huonepinnan risteyksessä ääni säteilee vapaasti kahdeksannesavaruuteen Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 33 Suuntakerroin k Iq kq Ik • Suuntakerroin k kulmassa q – intensiteetti kulmassa q – intensiteettikeskiarvo avaruuteen Ik Lk 10 lg k • Suuntaindeksi Lk [dB] Suhteellinen äänitaso [dBA] 90 100 4 110 120 2 130 0 140 -2 150 -4 160 -6 170 -8 180 -10 190 200 80 70 0 Suhteellinen äänitaso [dBA] 90 100 4 110 120 2 130 0 140 -2 150 -4 160 -6 170 -8 180 -10 350 190 60 50 40 30 20 10 340 210 330 220 320 vaakasuunta 230 310 240 300 250260 280290 270 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 200 210 220 230 240 250260 80 70 60 50 40 30 20 10 0 350 340 330 pystysuunta 320 310 300 280290 270 34 Savupiipun suuntaindeksejä Lk [dB] Lähde: Halme&Seppänen, 2002 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 35 Luentoesimerkki 1.2 Voimalan piippu on 20 metriä korkea. Äänitehotaso on 115 dB oktaavikaistalla 63 Hz. Puhallusaukon halkaisija 1.6 m. Mikä on äänenpainetaso 35 m päässä piipun juurelta sijaitsevalla omakotitontilla? Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 36 Geometrinen leviämisvaimennus viivalähde, vapaa kenttä Sylinteriaalto, kun k=1 Leviämisvaimennustermi on: 1 10 log10 Wr • Sylinteri- ja palloaallon vertailu kun sama äänitehotaso Äänenpainetaso [dB] 90 85 80 75 3 dB/dd 70 65 60 6 dB/dd 55 50 pallo 45 sylinteri 40 1 10 100 Etäisyys äänilähteeseen [m] Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 37 Geometrinen leviämisvaimennus diffuusi äänikenttä • Suora ääni • Kaiuntainen ääni k 4 Lp LW 10 log 10 2 A Wr Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 38 Luentoesimerkki 1.3 Milloin pistemäisen äänilähteen äänitehotason ja äänenpainetason lukuarvot ovat samat? Oleta, että äänilähde sijaitsee vapaassa kentässä. Tarkastele äänilähteen sijoituspaikkoja 4p, 2p, p ja p/2. Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 39 Absorptiovaimennus ilmassa • Ympäristömelua mallinnettaessa geometrisen leviämisvaimennuksen lisäksi huomioidaan ilmakehässa tapahtuva absorptiovaimennus Datm • Termillä on merkitystä ar – kaukana äänilähteestä – Suurilla taajuuksilla Lämpötila Suht.kosteus [ºC] [%] 10 70 20 70 30 70 15 20 15 50 15 80 63 0.1 0.1 0.1 0.3 0.1 0.1 125 0.4 0.3 0.3 0.6 0.5 0.3 Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. Datm a [dB/km] eri oktaavikaistoilla [Hz] 250 500 1000 2000 1 1.9 3.7 9.7 1.1 2.8 5 9 1 3.1 7.4 12.7 1.2 2.7 8.2 28.2 1.2 2.2 4.2 10.8 1.1 2.4 4.1 8.3 4000 32.8 22.9 23.1 88.8 36.2 23.7 1000 8000 117 76.6 59.3 202 129 82.8 40 Diffraktio • Este<<l – Ääniaalto reiässä samassa vaiheessa – Reikä toimii pistelähteenä – Energiaa siirtyy esteen taakse tehokkaasti – Voimakas diffraktio Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Huoneakustiikka. • Este>>l – Vaihe vaihtelee reiän alueella – Osa äänestä läpi ilman vaikutuksia – Laidalle muodostuva pistelähde siirtää energiaa esteen taakse – Heikko diffraktio 41 Este suurempi kuin aallonpituus Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Huoneakustiikka. 42 Seinäkkeen äänenvaimennus vapaassa kentässä • Lisäysvaimennus D [dB]: D L p ,1 L p , 2 – Lp1 äänenpainetaso ilman seinäkettä – Lp2 seinäkkeen kanssa • Vapaassa kentässä D z D 10 log 10 1 20 l – z on matkaero [m] seinäke (korkeus H) zd x d d1 d 2 x x1 x 2 d1 äänilähde x1 h1 d2 kuuntelija x2 h2 maa Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Huoneakustiikka. 43 Matkaero z [m] Äänenvaimennus D [dB] 35 0.01 30 0.02 25 0.04 20 0.08 0.16 15 0.32 10 0.64 5 1.28 2.56 0 63 125 250 500 1000 Taajuus [Hz] 2000 4000 5.12 Käyrissä: h1=h2=x1=x2=1.2 m Aalto-yliopisto, Meluntorjunta ELEC-E5640. Perusteet. 44 Seinäkkeen lisäysvaimennus kaikuvassa huoneessa • • • • Tuotantotila 70x27x25 m 25x9 m kokoinen pesupaikka eristettiin 6 m seinäkkeellä Mittaus kaiuttimella ennen ja jälkeen seinäkkeen asennuksen: seinäkkeen vaimennus suurimmassa osassa tilaa vain 1-2 dB! Jos kuuntelupisteeseen muodostuva ääni koostuu pääosin huonekaiusta, ei sermillä saavuteta äänenvaimennusta Aalto-yliopisto. Meluntorjunta ELEC-E5640. Huoneakustiikka. 45
© Copyright 2024