Poziom dźwięku: definicja w decybelach

Zanieczyszczenie hałasem, niepożądane lub nadmierne poziomy dźwięku mogą mieć szkodliwy wpływ na zdrowie ludzkie i jakości środowiska. Występuje powszechnie w wielu zakładach przemysłowych i w niektórych innych miejscach pracy. Również zanieczyszczenie hałasem związane jest z ruchem drogowym, kolejowym i lotniczym oraz z pracą na wolnym powietrzu.

Pomiar i postrzeganie objętości

Fale dźwiękowe to drgania cząsteczek powietrza, które przemieszczają się od źródła hałasu do ucha. Jest to zwykle opisywane w kategoriach głośności (amplitudy) i wysokości (częstotliwości) fali. Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) jest mierzony w jednostkach logarytmicznych zwanych decybelami (dB). Normalne ucho ludzkie może wykryć ton o wartości od 0 dB (próg słyszenia) do 140 dB. Dźwięki o natężeniu od 120 dB do 140 dB powodują ból.

Jaki jest poziom dźwięku w bibliotece, np? Jest to około 35 dB, a wewnątrz jadącego autobusu lub pociągu podziemnego około 85 dB. Konstrukcja budynku może generować SPL do 105 dB u źródła. SPL maleje wraz z odległością od obiektu.

Prędkość, z jaką energia dźwięku, nazywana jest intensywnością, jest proporcjonalna do kwadratu SPL. Ze względu na logarytmiczny charakter skali decybelowej, wzrost o 10 punktów oznacza 10-krotny wzrost natężenia dźwięku. Przy 20, transmituje ponad 100 razy. A 30 dB oznacza wzrost natężenia o 1000 razy.

A z drugiej strony, gdy natężenie podwaja się, poziom dźwięku wzrasta tylko o 3 punkty. Na przykład, jeśli wiertło budowlane powoduje hałas na poziomie 90 dB, dwa identyczne narzędzia pracujące obok siebie spowodują hałas na poziomie 93 dB. A kiedy dwa dźwięki różniące się SPL o więcej niż 15 punktów są połączone, słabe tony są maskowane (lub zagłuszane) przez głośny dźwięk. Na przykład, jeśli na placu budowy wiertarka pracuje z głośnością 80 dB, a obok niej spychacz z głośnością 95 dB, łączny poziom ciśnienia obu źródeł będzie mierzony jako 95. Mniej intensywny dźwięk z kompresora nie będzie zauważalny.

Częstotliwość fali dźwiękowej wyrażana jest w cyklach na sekundę, ale częściej używa się herców (1 cps = 1 Hz). Błona bębenkowa człowieka jest bardzo czułym organem o dużym zakresie dynamicznym, zdolnym do wykrywania dźwięków o częstotliwościach od 20 Hz (niskie tony) do około 20 000 Hz (wysokie tony). Wysokość głosu ludzkiego w normalnej rozmowie występuje przy częstotliwościach od 250 Hz do 2000 Hz.

Dokładny pomiar poziomu dźwięku i naukowy opis różni się od większości subiektywnych ludzkich spostrzeżeń i ocen. Indywidualne reakcje na hałas zależą zarówno od wysokości dźwięku jak i głośności. Osoby z prawidłowym słuchem mają tendencję do odbierania dźwięków o wysokiej częstotliwości głośniej niż dźwięków o niskiej częstotliwości o tej samej amplitudzie. Z tego powodu elektroniczne mierniki poziomu hałasu uwzględniają zmiany postrzeganej głośności w funkcji wysokości dźwięku.

Filtry częstotliwościowe w miernikach służą do dopasowania odczytów do wrażliwości ludzkiego ucha i względnej głośności różnych dźwięków. Do diagnozowania otoczenia powszechnie stosuje się np. tzw. filtr A-weighted. Pomiary SPL wykonane z tym filtrem są wyrażone w decybelach ważonych A lub dBA.

Większość ludzi postrzega i opisuje wzrost SPL o 6 do 10 dBA jako podwojenie "głośności". Inny system, Skala ważona C (dBS), czasami używana dla poziomów hałasu uderzeniowego, takiego jak wystrzały z broni palnej, i wydaje się być bardziej dokładna niż dBA dla postrzeganej głośności dźwięków o niskich częstotliwościach.

Poziomy hałasu mają tendencję do zmiany w czasie, więc te pomiary są przedstawione jako średnie, aby wyrazić ogólny poziom dźwięku. Jest kilka sposobów zrobić to. Na przykład wyniki serii powtarzanych pomiarów poziomu dźwięku mogą być przedstawione jako L 90 = 75 dBA, co oznacza, że wartości były równe lub większe od 75 dBA przez 90 procent czasu.

Inna jednostka zwana równoważnym stopniem dźwięku (L eq) może być użyta do wyrażenia średniego SPL w dowolnym okresie, np. osiem godzin dzień roboczy. (L eq jest logarytmiczne, a nie arytmetyczne, więc ogólny wynik jest zdominowany przez głośne wydarzenia.)

Jednostka poziomu dźwięku zwana współczynnikiem hałasu "dzień-noc" (DNL lub L dpa) uwzględnia fakt, że ludzie są bardziej wrażliwi na dźwięk w nocy. Zatem 10 dBA dodaje się do wartości SPL mierzonych między godziną 10 a 7 rano. Na przykład, pomiary DNL są bardzo przydatne w opisie ogólnego narażenia na hałas samolotów.

Praca z efektami

Hałas to coś więcej niż uciążliwość. Przy pewnych poziomach i czasie trwania narażenia może powodować fizyczne uszkodzenie błony bębenkowej i wrażliwych komórek rzęsatych w uchu wewnętrznym, a w konsekwencji przejściową lub trwałą utratę słuchu.

Zwykle nie występuje przy SPL poniżej 80 dBA (ośmiogodzinne poziomy ekspozycji najlepiej utrzymywać na poziomie nie wyższym niż 85). Jednak większość osób narażonych na hałas przekraczający 105 dBA będzie miała pewien stopień trwałego ubytku słuchu. Ponadto, nadmierne narażenie na hałas może również podnosić ciśnienie krwi i tętno, powodować drażliwość, niepokój i zmęczenie psychiczne oraz również naruszać sen, odpoczynek i komunikacja osobista.

Kontrola zanieczyszczenia hałasem

Dlatego ważne jest, aby w miejscu pracy i w społeczności zachować się jak najciszej. Lokalne, regionalne i krajowe rozporządzenia i przepisy dotyczące hałasu mogą być skuteczne w łagodzeniu negatywnych skutków zanieczyszczenia hałasem.

Hałas środowiskowy i przemysłowy jest regulowany zgodnie z ustawą o bezpieczeństwie i higienie pracy oraz. Na mocy tych aktów prawnych Occupational Safety and Health Administration określiła kryteria dotyczące hałasu przemysłowego w celu nałożenia ograniczeń na natężenie dźwięku narażenie na działanie promieniowania oraz czas, w którym można dopuścić taką intensywność.

Jeżeli dana osoba jest narażona na różne poziomy hałasu w różnych odstępach czasu w ciągu dnia, całkowite oddziaływanie lub dawkę (D) hałasu otrzymuje się ze stosunku,

gdzie C jest czasem rzeczywistym, a T jest czasem dopuszczalnym na każdym poziomie. Przy zastosowaniu tego wzoru najwyższa możliwa dzienna dawka hałasu wynosiłaby 1, a każde narażenie powyżej tej wartości byłoby niedopuszczalne.

Maksymalny poziom dźwięku

Kryteria dotyczące hałasu w pomieszczeniach są podsumowane w trzech zestawach specyfikacji, które zostały opracowane poprzez zebranie subiektywnych ocen od dużej próby osób w różnych konkretnych sytuacjach. Zostały one przekształcone w kryteria hałasu (NC) i krzywe preferowanych tonów (PNC), które określają limity poziomu hałasu wprowadzanego do środowisko. Krzywe NC, opracowane w 1957 roku, mają na celu zapewnienie komfortowego środowiska pracy lub życia poprzez określenie maksymalnych dopuszczalnych poziomów dźwięku w pasmach oktawowych w całym spektrum dźwiękowym.

Kompletny zestaw 11 krzywych definiuje kryteria hałasu dla szerokiego zakresu sytuacji. Wykresy PNC, opracowane w 1971 roku, dodają ograniczenia dotyczące szumu o niskiej częstotliwości i syczenia o wysokiej częstotliwości. W związku z tym są one preferowane w stosunku do starszego standardu NC. Kryteria te, podsumowane na krzywych, stanowią cele projektowe dla poziomów hałasu dla różnych koncepcji. Część specyfikacji wykonania lub siedliska jest odpowiednią krzywą PNC. W przypadku gdy poziomy przekraczają limity PNC, do środowiska można wprowadzić materiały pochłaniające dźwięk w postaci potrzeby w zakresie zgodności normy.

Niski poziom hałasu może być zniwelowany przez zastosowanie dodatkowego materiału pochłaniającego, takiego jak ciężka draperia lub płytki w pomieszczeniach zamkniętych. Tam, gdzie niski poziom rozpoznawalnego hałasu może być rozpraszający lub gdzie ważna jest poufność rozmów w sąsiednich biurach i recepcjach, można zamaskować niepożądane dźwięki. Niewielkie źródło białego szumu, takie jak statyczne powietrze umieszczone w pomieszczeniu, może zamaskować rozmowy z pobliskich biur, nie będąc jednocześnie śmiertelnym dla uszu pracowników w pobliżu.

Tego typu urządzenia są często stosowane w gabinetach lekarskich i innych specjalistów. Inną metodą redukcji hałasu jest stosowanie środków ochrony słuchu, które zakłada się na uszy w taki sam sposób jak słuchawki. Stosując dostępne w handlu urządzenia ochronne, można obniżyć poziom dźwięku w zakresie zwykle od 10 dB dla częstotliwości powyżej 100 Hz do ponad 30 dB dla częstotliwości powyżej 1000 Hz. Hz.

Określenie poziomów dźwięku

Ograniczenie hałasu zewnętrznego jest również ważne dla komfortu ludzi. Budowa budynku zapewni pewną ochronę przed hałasem z zewnątrz, jeśli budynek spełnia minimalne standardy i jeśli poziom hałasu mieści się w dopuszczalnych granicach.

Limity te są zwykle określane dla określonych pór dnia, np. godzin dziennych, godzin wieczornych i nocnych godzin snu. Z powodu refrakcji atmosferycznej spowodowanej nocnymi inwersjami temperatury, stosunkowo głośne dźwięki mogą być słyszalne z dość odległych autostrad, lotnisk czy linii kolejowych.

Jedną z interesujących technik kontroli hałasu jest wznoszenie ekranów akustycznych wzdłuż trasy oddzielającej ją od sąsiednich obszarów mieszkalnych. Skuteczność takich struktur jest ograniczona przez dyfrakcję dźwięku bardziej przy niskich częstotliwościach, które dominują na drogach i są nieodłącznym elementem dużych pojazdów. Aby były one skuteczne, muszą znajdować się jak najbliżej źródła lub obserwatora hałasu, co pozwala na maksymalizację dyfrakcji niezbędnej do tego, aby dźwięk dotarł do obserwatora. Kolejny wymóg dotyczący tego typu bariery jest to, że musi ona również ograniczać liczbę poziomów dźwięku, aby osiągnąć znaczącą redukcję hałasu.

Definicja i przykłady

Decybel (dB) jest używany do pomiaru poziomu dźwięku, ale jest również szeroko stosowany w elektronice, sygnałach i komunikacji. DB jest logarytmicznym sposobem opisania stycznej. Nastawienie może przejawiać się jako moc, ciśnienie akustyczne, napięcie lub natężenie, lub kilka innych rzeczy. Później odnosimy dB do telefonu i dźwięku (w odniesieniu do głośności). Ale najpierw, aby mieć pojęcie o wyrażeniach logarytmicznych, spójrzmy na kilka liczb.

Na przykład możemy założyć, że są dwa głośniki, z których pierwszy odtwarza dźwięk o mocy P 1, a drugi głośniejszą wersję tego samego tonu o mocy P 2, ale wszystko inne (jak daleko, częstotliwość) pozostaje bez zmian.

Różnicę decybeli pomiędzy nimi definiuje się jako

10 log (P ₂ / P ₁) dB, gdzie log dla podstawy 10.

Jeśli ten drugi wytwarza dwa razy więcej energii niż pierwszy, to różnica w dB

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 2 = 3 dB,

jak widać na wykresie, który pokazuje 10 log (P ₂ / P ₁) vs P ₂ / P ₁. Kontynuując przykład, jeśli drugi ma 10 razy większą moc od pierwszego, to różnica dB wynosiłaby:

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 10 = 10 dB.

Gdyby druga miała taką samą siłę o współczynnik miliona, różnica dB wynosiłaby

10 log (P ₂ / P ₁) = 10 log 1 000 000 = 60 dB.

Ten przykład pokazuje jedną cechę skali decybelowej, która jest przydatna przy omawianiu dźwięku. Potrafią opisać bardzo duże stosunki za pomocą liczb o skromnych rozmiarach. Ale konieczne jest, aby uwaga, że decybel reprezentuje stosunek. Czyli nie powie, ile mocy emituje któryś z głośników, tylko o różnicy. Warto też zwrócić uwagę na współczynnik 10 w definicji, który oznacza decybele.

Ciśnienie akustyczne i dB

Częstotliwość jest zwykle mierzona za pomocą mikrofonów, a one odpowiadają (w przybliżeniu) proporcjonalnie do ciśnienia, z. Moc fali dźwiękowej, przy zachowaniu wszystkich pozostałych parametrów, jest równa kwadratowi głowy. Podobnie moc elektryczna w oporniku idzie jako pomnożone napięcie. Logarytm z kwadratu to tylko 2 log x, więc przy przeliczaniu ciśnienia na decybele wprowadza się współczynnik 2. W związku z tym różnica w stopniu ciśnienia akustycznego pomiędzy dwoma poziomami dźwięku o p 1 i p 2 wynosi

20 log (p ₂ / p ₁) dB = 10 log (p ₂² / p ₁²) dB = 10 log (P ₂ / P ₁) dB.

Co się stanie, gdy moc dźwięku zostanie zmniejszona o połowę?

Logarytm z 2 wynosi 0,3, więc 1/2 to 0,3. Jeśli więc moc zostanie zmniejszona o współczynnik 2, poziom dźwięku zostanie zmniejszony o 3 dB. A jeśli wykonamy tę samą operację jeszcze raz, akustyka zmniejszy się jeszcze o 3 dB.

Wielkość decybeli

Powyżej widać, że zmniejszenie mocy o połowę zmniejsza ciśnienie o pierwiastek kwadratowy z 2, a głośność dźwięku o 3 dB.

Pierwsza próbka to biały szum (mieszanina wszystkich słyszalnych częstotliwości). Druga próbka to ten sam ton z napięciem zmniejszonym o pierwiastek kwadratowy z 2. Jego wartość odwrotna wynosi około 0,7, zatem 3 dB odpowiada spadkowi napięcia lub ciśnienia o 70%. Zielona linia pokazuje dyszę w funkcji czasu. Na czerwono zaznaczono ciągły rozkład wykładniczy. Warto zauważyć, że napięcie spada o 50% dla każdej kolejnej próbki.

Pliki dźwiękowe i animacja flash autorstwa Johna Tanna i George`a Hatzidimitrisa.

Ile decybeli?

W poniższej serii kolejne próbki są zmniejszane tylko o jeden punkt.

Co jeśli różnica jest mniejsza niż decybel?

Poziomy dźwięku rzadko są podawane w postaci dziesiętnej. Powodem jest to, że te, które różnią się o mniej niż 1 dB są trudne do rozróżnienia.

I można też zobaczyć, że ten ostatni przykład jest cichszy niż pierwszy, ale trudno dostrzec różnicę między kolejnymi parami. 10 * log 10 (1,07) = 0,3. Dlatego, aby zwiększyć poziom dźwięku o 0,3 dB, należy zwiększyć moc o 7% lub napięcie o 3,5%.