Hva er støy? Støy defineres som UØNSKET lyd. Lyd er en sanseopplevelse knyttet til en subjektiv tolking av et rent fysisk fenomen:

Transkript

1 Lyd teori I påfølgende sider er det forsøkt på en enkel og lettfattelig måte å få frem viktige argumenter, og teorien bak støybehandling. Utredning, behandling av formler etc. er ikke tatt med, for ikke å gjøre stoffet for innviklet. Hva er støy? Støy defineres som UØNSKET lyd. Lyd er en sanseopplevelse knyttet til en subjektiv tolking av et rent fysisk fenomen: LYD ER TRYKKVARIASJONER I LUFTA OMKRING OSS. Når trykkvariasjonene blir slik at øret vårt oppfatter lyd, kaller vi disse variasjoner LYDBØLGER. Lydbølgen er definert ved fysiske parametre, som f.eks. bølgelengde og amplitude. Lydopplevelsen er knyttet til den subjektive oppfattelse av dette fysiske fenomen, og er en personlig opplevelse. Frekvens. T er den tiden det tar før samme forløp gjentar seg i en syklisk bevegelse (sinus kurve). T kalles svingetiden eller perioden, T beskriver tonehøyden. Vi opererer med den invers verdi av T, nemlig frekvensen f. Vi får da : f = 1/T svingninger pr. sekund ( sek.) og benevnes hertz (Hz) Frekvensen viser oss derfor direkte hvor mange ganger pr. sek. lydkilden svinger. Sammenligner vi bølgene med bølger på vann, ser man at de lave frekvenser blir som havdønninger, mens de høye frekvenser tilsvarer små krusninger på overflaten. Hørbar frekvens ligger mellom Hz. I ventilasjonsteknikken må vi alltid operere med en eller annen form for frekvens oppdeling på våre målinger og beregninger. - Grunnen er at de forskjellige materialer oppfører seg vesentlig forskjellig om de utsettes for høye eller lave frekvenser, og at støykildene produserer støy som varierer med frekvensen. Eks. I et ventilasjonsanlegg vil vi kunne se på støyens karakteristikk hvor den stammer fra. Typisk kan være at viftestøy vil ligge i oktavbånd nr.2, mens regenerert støy fra ventiler, spjeld etc. som regel vil ligge noe høyere, i bånd nr.4.(iso-norm). Oktavbånd nr.2 = senterfrekvens 125 Hz. Oktavbånd nr.4 = Senterfrekvens 500 Hz. Lydtrykk Vi tenker oss et forsøk med en åpen sylinder med stempel. Skyver vi stempelet frem og tilbake med slaglende lik S i en sylinderen vil vi få en trykkbølge som sprer seg ut i luften fra sylinderåpningen. Skyver vi stempelet øker trykket, drar vi stempelet innover minsker trykket. Bølgen som brer seg fra åpningen vil altså være trykkvariasjoner som overføres til atmosfæretrykket. Tenker oss at vi holder svingetiden T konstant, men øker slaglengden så vil vi få et kraftigere momentant lydtrykk. Bølgelengden er den samme. Å øke slaglengden s tilsvarer det å skru opp volumkontrollen på f.eks. en radio. Dette øker lydens styrke, men endrer ikke lydens frekvensfordeling. Det som stimulerer vår hørsel er imidlertid den energi som bølgen transporterer, og vi må finne en middelverdi for dette varierende trykket, som representerer energitransporten. Vi snakker nå om det effektive lydtrykket Pe og verdien er angitt i Pa. For å danne oss et bilde av størrelser på det effektive lydtrykk, kan vi se på følgende : Tikking av klokke 2, Pa Hvisking 6, Pa Lavmælt samtale 2, Pa Sterkt trafikkert gate 0,2 Pa Pressluftbor 2,0 Pa Jetmotor 20,0 Pa Smertegrense 200,0 Pa NB! Lydtrykket fra en kilde vil variere med bl.a. avstand fra kilden. tabellen over må derfor tolkes som en grov oversikt. det som er viktig : jo sterkere lyd, jo høyere lydtrykk. Side 1

2 Lydeffekt : Vi er kjent med at en bølgebevegelse transporterer energi, og aksepterer at denne energien må komme fra selve lydkilden. Denne produksjonen av akustisk energi er en karakteristisk og svært viktig parameter for en lydkilde. 2 Lydkilden stråler ut fra kilden, og brer seg utover en kuleflate hvor arealet er 4 rr, der r er avstanden fra kilden. Etter hvert som vi fjerner oss fra kilden vil arealet som effekten skal fordele seg utover øke og lydstyrken avtar. Lydeffekt - tettheten på et kuleskall i avstand r fra kilden, kan vi nå beregne: 2 I =W/ 4 rr (W/m ) I = Lydintensitet. Sammenhengen mellom intensitet og lydtrykk er slik at : I = Pe/ *c Pe = Effektivt lydtrykk = Luftens tetthet (1,293 kg/m ) c = Lydhastighet i luft (340 m/sek.) *c = z kalles luftens akustiske impedans og har verdien z= 1,293 kg/ m x 340 m/s =440 Ns/m. Det er altså slik at det er nøye sammenheng mellom lydintensitet og lydtrykk. begge deler karakteriserer det vi i det daglige kaller lydstyrken. Det vi måler med en vanlig lydmåler er det effektive lydtrykket. avgitt lydeffekt fra en kilde må alltid beregnes, den kan aldrig måles direkte. utgangspunkt for slike beregninger er et sett målinger utført under spesielle betingelser, i følge en standarder eller anbefaling. Derfor er det meget viktig når man snakker om lydeffekt å få rede på hvilken standard eller anbefaling den er målt etter, for å kunne sammenligne. ( Her faller de fleste leverandører i fra og det blandes og manipuleres med data slik at lyd er vanskelig å sammenligne. Desibel, db. Øret vårt er i stand til å høre lyder med intensitet fra W/m 2, til 100 W/m 2. dvs. i forholdet 1:10. Som man forstår gir dette enorme området oss problemer. Øret oppfatter økningen i intensitet fra 0,1 til 1,0 W/m, som like stor økning som fra 1,0-10 w/m. Øret oppfatter begge sprang som like store. Dette betyr igjen at ørets respons er logaritmisk, ikke lineær. Ved å anvende en logaritmisk skala for lydtrykk og lydintensitet får man en skala med håndterbare tall. Relasjoner mellom tallverdiene svarer omtrent til det vi opplever. desibel er en generell måleenhet. alt kan måles i desibel. Avhengig av hvilken referanseverdi vi benytter. m.a.o. er den verdiløs uten en referanseverdi. men det er stort sett innenfor lyd - støy teknologien at menigmann møter dette begrepet. Innenfor lydteknikken opererer vi med flere internasjonale aksepterte referanseverdier, som alle kan ha benevnelsen db. De viktigste: For lydintensitet Io = W/m 2 For lydeffekt For lydtrykk Wo = W Po = Pa. Io og Po er valgt slik at de svarer til den laveste intensitet, hhv. lydtrykk, som et friskt øre kan oppfatte med en frekvens på 1000Hz. Dette kalles derfor høreterskelen. Side 2

3 Lydintesitet og lydtrykk. Lydintensitet = Li og Lydtrykk = Lp. Ut i fra logaritmiske beregninger er Li lik Lp, så lenge vi oppholder oss i luft. Hvilket vi gjerne gjør i forbindelse med luftbehandling. La oss repetere at det vi måler med en lydmåler, er lydtrykknivået. Og i luft er dette det samme som lydintensitetsnivået. Det som gjør forvirringen komplett i vårt fag, er at vi benytter enda et nivåbegrep. Nemlig lydeffektnivået, og at også dette uttrykkes i db, men referanse 10 watt. Vi har lydeffektnivået Lw: Lw = 10 lg db, der w = den aktuelle kildens avgitte effekt og Wo er referanseverdien for lydeffekt,10 watt. Et eksempel som belyser forholdet: En vifte leverer m 3 /t ved 750 Pa, trykkøkning. Oppgis å ha et lydeffektnivå på 100 db ref W. Dette betyr bare at av viftens totale effektopptak tapes 100 db i form av avgitt lydeffekt. Vi benytter denne formel: Lw = 10lg. W/Wo db 100= 10lg (W/10 12 ) 10 = lgw -(lg ) LgW= 10 + (lg10 12 )= LgW= 10-12= -2 W = 0.01 watt. Vi ser at denne lille energimengde er alt som skal til for å gi oss så store problemer. Som man ser er det ikke noe direkte sammenheng mellom lydeffekt uttrykt i db ref. 10 w og lydtrykk uttrykt i db ref pa. Begge deler måles i db, men de er like lite ensartet av den grunn, for ref.verdi er helt forskjellig. Ventilasjonsstøy. P.g.a. ørets store ømfintlighet ovenfor endringene i støyens frekvensfordeling, er enhver vurdering av støy i forbindelse med vent. anlegg basert på et rent hørselsinntrykk nærmest verdiløst. Ethvert tiltak vil som regel endre lydens frekvensfordeling og hørselsinntrykket vil domineres av dette. Slik kan en endring oppleves og tolkes som en forbedring eller forverring, selv om nivået i praksis er helt uendret. Derfor må vi som driver virksomhet under slike forhold alltid basere oss på etterprøvbare, målbare kriterier. Men vi skal selvsagt ikke frata brukers rett til å uttrykke sin mening,basert på hørselsinntrykk. Lydoppfattelse : Øret oppfatter lyd mellom ca. 20 HZ og Hz, dvs. lyd med bølgelengder mellom 17mm og 17m.I tillegg må lydbølgene inneholde en viss mengde energi. Dvs vi har en nedre verdi for å oppfatte lyd. Ved 1000 Hz. vil et friskt øre teoretisk kunne oppfatte en ren tone hvis den har større lydtrykk enn 2.10 Pa. Når øret utsettes for støy, f.eks. fra et vent. anlegg, vil vanligvis alle frekvenser i oktavbåndene 1-8 være representert ved hørbare nivåer. Heldigvis for vent. ingeniøren er ørets følsomhet dårlig i de områder der vi har de største problemer, med tanke på støy produsert av vifte. Lydnivå : I praksis vil man trenge et enkelt tall som kan representere hørselsinntrykket. En enkel måleverdi for støy må derfor på en eller annen måte også ta hensyn til ørets frekvensrespons. Dette er forsøkt gjort ved at man har bygget inn i en lydtrykkmåler et filter som sorterer ut og demper de enkelte frekvenser slik. fig.3.03 viser Et slik filter kalles et veie filter, og det avleste lydnivå på en slik måte betegnes : db(a),db(b), db(c), avhengig av hvilken veiekurve som benyttes. At lydnivået er 35 db(a), betyr det at man teoretisk har målt lydtrykknivåene f.eks. i hvert oktavbånd, lagt til eller trukket fra tilhørende db(a) - korreksjoner og addert disse verdier logaritmisk. Er lydeffektnivået oppgitt i Lw(A) betyr dette at man må addere ca. 10 db for å kunne sammenligne disse verdier med Lwtot. i hvert enkelt oktavbånd. Side 3

4 Nr-kurver. NR-kurver = Noise Rating NR-kurver ble utviklet for å vurdere hørselskaderisiko i forbindelse med støy. I den forbindelse ble de aldrig riktig akseptert, men for å lydberegne vent.anlegg er de et fint hjelpemiddel. Diagrammet er et lydtrykknivå - frekvens - diagram. Karakterisert ved sin senterfrekvens. Forenklet kan man derfor antyde at punkter på samme NR-kurve vil medføre samme grad av sjenanse. F.eks. vil 40dB ved 4000HZ medføre samme grad av sjenanse som 60dB ved 125Hz.Dette fordi at begge ligger på samme kurve(nr-45) NR-kurvene er internasjonalt standardiserte og vi ser at de benevnes etter den lydtrykkverdi de representerer ved 1000Hz. Lydtrykket på NR-45 ved 1000HZ. er altså 45 db ref Pa. Velger man en NR-verdi som utgangspunkt. for vår prosjektering av støydempnings materiale, ser vi at en bestemt lydtrykkverdi ikke får overskrides i hvert enkelt bånd. F.eks. skal et vent. anlegg ikke overskride NR-30 i det ventilerte rom. For å oppnå dette må lydtrykknivået i hvert enkelt oktavbånd ikke overskride de angitte verdier for Nr30 kurven. Vi får nå entydige prosjekteringsverdier i hvert oktavbånd, hvilket er meget nyttig. Det er ingen lovmessig sammenheng mellom db(a) - verdi og NR-verdi. Men likevell antar vi at db(a) verdien ligger ca.5 db høyere enn NR-verdien så lenge vi beregner vanlige vent.anlegg. Ved denne prosjekteringsmetode er sikkerheten på 2-3 db, dette skyldes at viftens og materialene egenskaper er fastlagt inne visse grenser. Den beste og mest entydige løsning er at man benytter prosjekteringskrav gitt i form av en nr-kurve. Direktfelt. Direktefelt også kalt nærfelt er den del i et rom hvor lyden fra kilden overdøver annen lyd og derfor er den dominerende lydkilde. I dette området er lydtrykksnivået avhengig av avstand fra kilden. Etterklangsfelt. Etterklangsfeltet er den del i rommet der reflekterende lyd er den vesentlige del av lydbildet. I etterklangsfeltet er lydtrykksnivå avhengig av avstand fra lydkilden. Etterklangsfeltets størrelse er avhengig av rommets lydabsorpsjon. Etterklangstid Hvor lang tid det tar før lyden dør ut i rommet. Definert matematisk som hvor lang tid det tar fra en lyd slutter, til den er blitt redusert 60 db. For tale ønskes en viss etterklang for at vi skal få tilstrekkelig sterk lyd frem til mottaker, men dersom etterklangstiden blir for lang, blir talen grumsete og utydelig T = 0,16 x V/A T er etterklangstid i sekunder V er rommets volum i m 3 A er romsabsorpsjon i m 2 Formel gjelder for normalt dempede rom. Tabell viser normale verdier på T. Type lokal Etterklangstid sek Kontor 0,4-0,6 Boligrom 0,4-0,6 Trapperom 1,5 Korridor 1,0 Klasserom 0,6-0,1 Teater 0,8-1,2 Bibliotek 0,8-1,2 Kino 0,8-1,2 Konserthus 1,5-2,0 Kirke 20,-3,5 Side 4

5 Phon. Ettersom øret er følsomt for trykk og denne varierer med frekvensen har man innført begrepet phon for å beskrive hørselnivå. Hørselnivå 30 phon tilsvarer et lydtrykk på 30 db ved 1000 Hz., men ved 100 Hz kreves 50 db for å gi samme lydopplevelse. Frekvensanalyse. Når man måler lyd får man ett tall som beskriver lydens styrke. For å vite hva man skal gjøre for å angripe lyden må man se hvordan den er sammensatt. Man måler da lydene i mindre frekvensområder eller oktavbånd. De normale oktavbånd er som følger. Oktavbånd Middelfrekvens Båndgrenser Lyddempning. Lyddempning er forskjell mellom innkommende og transmittert lyd. Refleksjoner Når man sender en lyd fra et punkt i et rom, "speiles" denne Iydstrålen i veggflaten (eller tak/gulv -flaten), og reflekteres. Hvilke toner som reflekteres, og hvor mye, kommer an på hvilket materiale man har på veggen/flaten. (se absorpsjon). Helt nære refleksjoner gir litt forandring av klangfargen (prøv f.eks. med å holde en flate nær munnen når du snakker). Refleksjoner litt lengre fra kilden (men fremdeles nær) gir nyttig forsterkning av, Iydsignalet, og vil medvirke til tydeligere og sterere tale, samt mer distinkt musikk, som særlig hjelper for anslag/attakk. Senere vil disse refleksjonene igjen reflekteres i andre flater i rommet. Etter en tid kommer refleksjonene så tett at vi ikke kan skille hver enkelt av dem, da har vi en jevn etterklang. Dersom man ikke har noen nære flater som gir refleksjoner like etter direktelyden, men bare flater fjernt fra lydkilden, slik man får når man står på gulvet i en stor katedral, blir talen (og delvis musikken) grumsete og uklar, og alt for "klangfull". Absorpsjon Når en lyd treffer en overflate i et rom, reflekteres en del av lyden tilbake til rommet, resten absorberes/slukes av veggflaten. Dette skjer ofte i porøse stoffer, tøy/gardiner og mineralull etc. (diskantabsorbenter), men også i platekledninger som, dersom de er tynne og ikke så veldig stive, vil svinge med som et trommeskinn og sluke noe bass. Hvor blir det av energien i den lyden som absorberes? Den går faktisk til slutt over til varme, så hvis vi har et godt dempet rom og plutselig får en sterk lyd i rommet, blir det faktisk ørlitegrann varmere, men det at lyden absorberes er en meget dårlig varmekilde Romresonanser Hvordan lyden forandres av rommet den befinner seg i. En katedral og en stue har svært ulik romklang! db(a) filter Frekvens db(a) filter , , , ,2 db(a) filter brukes for å tilpasse lydbildet slik mennesker hører lyden. Hvert frekvensbånd får da en veining for å tilpasse dette. Side 5