ELTE IV Krnyezettudomny 20102011 II flv AKUSZTIKA s

ELTE IV. Környezettudomány 2010/2011 II. félév AKUSZTIKA és ZAJSZENNYEZÉS A hang 2. (II. 25 -III. 4) 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, d. B-skálák. 1

• 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. 2

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

A hangok jellemzői: • Intenzitás: • • - küszöbalatti hangok (I<1 p. W/m 2) - szuperhangok (I>1 W/m 2) Teljesítmény - küszöbalatti hangok (P <1 p. W) I = P/A ; I = p 2/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 k. Hz) - ultrahangok (f>20 k. Hz) Hullámhossz: - f = c (20 m > > 20 mm) Sebesség: changlevegő 340 m/s 4

Hangjelenségek hangerősség – frekvencia (Intenzitás) 5

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

Teljesítmény - teljesítményszint (W - d. B) Teljesítmény (W) Teljesítményszint Széles tartományban Követi a szervezet ingerelemzését (log), (12 -15 nagyságrend) Alaphoz való viszonyítás relatív adat: d. B. Abszolút adat (1 p. W) Pl: Viszonyítási alap: Po = 1 p. W Pl: Az Io hallásküszöbnek megfelelő hangintenzitás, ez 1 k. Hz-nél 10 -12 W/m 2, azaz az Lo hallásküszöb a 0 d. B : az ennek megfelelő hangnyomás pedig: 7

Zajforrás (hangforrás) Suttogás Kis asztali ventilátor Társalgás Háztartási gépek Hangtelj. (W) Zajforrás 1… 5*10 -8 Zajszint (d. B) 10 -5 Levélsusogás 10 1… 1*10 -5 Óraketyegés 20 Halk rádiózás 50 10 -4 Kiabálás 6… 8*10 -4 Hangos kiáltás 1… 3*10 -3 Kis szövőszék 10 -2 Személygépkocsi (80 km/h) Társalgási beszéd 60 -70 Hangos beszéd 70 -85 10 -1 Kiabálás 80 -100 Zongora (forte) 1… 2*10 -1 Zongora 60 -95 Trombita (forte) 3… 4*10 -1 Nyomdai szedőgép Sűrített levegős kalapácsok 1 Autókürt 3… 5 Kis mezőgazdasági repülőgép 7… 8 Orgona, 75 tagú szimf. zenekar Nagy szimfónikus zenekar (forte) 10 50… 70 Faipari marógép 95 95 -103 Légkalapács 105 Légköszörű 115 -116 Kézi köszörű 104 -106 Négymotoros repülő 3 m-ről 120 135 -140 Riasztó sziréna 103 4 légcsavaros repülőgép 104 Katonai sug. h rep. gép utánég. 105 Léglökéses repülő 3 m-ről rakétamotor 107 Fájdalomküszöb 130 8

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

Az ábra azt mutatja, miként kell két logaritmikus egységet helyesen összegezni. Ha egy 55 d. B-es és egy 51 d. B -es hang eredőjét akarjuk megkapni, akkor a különbségből kell kiindulni, ami 4 d. B. Ha ez a két hang egyszerre szól, akkor annak nem 106 d. B lesz az eredménye, hanem lényegesen kevesebb! A vízszintes tengelyen megkeressük a 4 d. B-es pontot és kivetítjük a függőleges tengelyre, ahol 1, 4 d. B-t kapunk. Ezt végül a nagyobb hangnyomásszintű hanghoz adjuk hozzá, a végeredmény tehát : 55 d. B + 51 d. B = 56, 4 d. B! Mint láttuk, s az ábráról is leolvasható, hogy 0 d. B eltéréshez 3 d. B-es növekedés tartozik. Lp

Távolságfüggés 11

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

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

Hangkeltés Hangforrások Áramlások Seebeck félesziréna Rezgetések hegedű 14

Hangterjedés Hangtér Hangteljesítmény (P) 15

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 : Kiabálás : 10 -6 10 -3 (10 W/ 10 W) (1 m. W/ 1 W) Szgk (80 km/h): Légkalapács: Repülőgép: 10 -6 10 -3 (0. 1 W/ 100 k. W) (1 W/ 1 k. W) (10 k. W/ 10 MW) Hi. Fi: Sziréna 3 -5 % 10% (5 W/ 100 W) (1 k. W/ 10 k. W) 16

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

18

Hangterjedés Hangtér Hangsebesség (c) Közeg Levegő Hőmérsék Hangseb. let, °C m/s – 10 325 0 331 +10 337 +15 340 +20 343 +50 360 Nitrogén +20 337 Oxigén +20 326 Víz +10 1480 Acél +20 5200 changlevegő 340 m/s changvíz 1500 m/s 19

Newton törvény Anyagmegmaradás Euler egyenlet Kontinuitási egyenlet Hullámegyenlet 20

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

22

Hangintenzitás (I) W= - p d. V 23

Hangintenzitás (I) és Impedancia (Z) Z = o c normál levegőre: 430 Ns/m 3 vízre : 1 500 000 Ns/m 3 Egy állandó teljesítményű hanforrástól adott távolságban észlelhető I hangintenzitás nagyobb impedanciájú közegben nagyobb (gyökösen) nyomást kelt. (Vízben jóval nagyobb a hangérzet, mint a levegőben ). 24

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

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: 26

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 (d. B) hangosságszint összefüggése: 27

Phon-son átszámítás Phon (d. B) / Son 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0 0, 50 1, 00 2, 00 4, 00 8, 00 16, 0 32, 0 64, 0 128 256 512 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, 2 100 201 402 803 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 28