KURZUS: Közlekedésbiztonsági és környezetvédelmi diagnosztika

MODUL: Előadások

7. hét: Zajszint-mérés

| A lecke célja: A hallgató ismerje meg a zajszint-mérés alapfogalmait, eszközeit, méréstechnikai alapelveit és módszereit. Legyen képes azokat a gyakorlatban is alkalmazni.
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha
tudja definiálni a hang fogalmát és mérőszámait, ismeri a zajszintmérő műszereket, azok tulajdonságait, ismeri a gépjárművekre vonatkozó zajszint-mérési előírásokat
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak:
hang hangsebesség hullámhossz zajszint zajszint mérés dB zajszinmérő közeltéri zajkibocsátás
Tevékenység: Tekintse át a zaj és a zajszint mérés elméleti tudnivalóit. Foglalja össze a gépjárműveknél alkalmazott vizsgálatokat!
Bevezetés
A jármű-diagnosztikában a zajszint vizsgálatoknak és elemzéseknek komoly szerepe lehet, alkalmazási módjuk egyedi, az elemzett és kiértékelt jellemzők az egyes konkrét esetektől függően különbözők. A következőkben érdemes áttekinteni a műszaki akusztika alapjait, majd néhány általános vizsgálati aspektust.
Alapfogalmak
Hang
Fizikai jellegét tekintve a hang valamilyen rugalmas közeg mechanikai rezgése. Ilyekor a rugalmas anyag azon részecskéi, amelyek külső hatásra kimozdultak nyugalmi helyzetükből, a rugalmassági erő és a tehetetlenség folytán periodikus rezgésbe jönnek:
Szilárd anyagokban az úgynevezett testhang, cseppfolyós anyagokban a folyadékhang és levegőben a léghang
keletkezik és terjed. Az emberi fül döntően a levegőben terjedő hangokat érzékeli.
A felnőtt ember hallásával kapcsolatos jellemzők:
a maximális észlelhető rezgéstartomány 20 - 20 000 Hz a legérzékenyebb rezgéstartomány 300 - 3000 Hz fájdalomküszöb 130 dB
A rezgés (hang) a közeg különböző helyeire nem azonnal, hanem bizonyos késéssel jut el, így a közeg különböző részei az adott pillanatban a rezgés más-más állapotában, fázisában vannak. Ha a rezgés periodikus, akkor viszont lesznek olyan helyek, ahol a fáziseltolódás már akkora ( 2 π vagy többszöröse), hogy újra az eredetivel azonos rezgésállapot áll elő. Az ilyen, azonos rezgésállapotban lévő pontok egymástól mért távolsága a hullámhossz ( λ). A hullámhossz és a frekvencia (f) segítségével meghatározhatjuk a hanghullám terjedési sebességét:
c=λ⋅f
A hangsebesség nagyságát a közeg anyaga, illetve annak fizikai állapota (nyomása, hőmérséklete stb.) határozza meg.
Fontos megjegyezni, hogy nem a hangforrásnál jelen lévő anyagrészecskék teszik meg az utat a hangforrástól a befogadóig, hanem csak maga a hullám, a részecskék rezgési állapota.
Hullámfajták:
Longitudinális hullámról beszélünk akkor, ha a részecskék rezgésének iránya azonos a hullám terjedésének irányával. Gázokban csakis ilyen hullámok jöhetnek létre. A hang terjedésének legjellemzőbb esete, a levegőben terjedő hang, a léghang ilyen jellegű. Transzverzális hullám esetén a részecskék rezgési iránya merőleges a hullámterjedés irányára. Mechanikai hullám esetén ez csak szilárd halmazállapotú anyagban lehetséges. A kifeszített húron vagy membránon létrejövő hullámok is ilyenek. Hajlítási hullámok hosszúkás vagy lapos formájú szilárd testekben keletkeznek, itt az anyag alaki rugalmassága kap szerepet, egy geometriai deformáció terjed hullámszerűen.
Fizikai mennyiségek
Hangnyomás: Hanghullámok által keltett, változó nyomás rugalmas közegben, amely a hangtérben közvetlenül mérhető. Jele a kis p, mértékegysége a Pa (pascal). Hangteljesítmény: A hangteljesítmény az időegységenkénti hangenergiát jelenti. Jele a nagy P, mértékegysége a W (vagy J/sec). Hangintenzitás: A hangintenzitás az egységnyi felületre jutó hangteljesítmény. Jele a nagy I, mértékegysége a W/m2. Hangnyomásszint: Két hangnyomás érték hányadosának a tízes alapú logaritmusa. Jele L p , mértékegysége a dB (decibel). Számításának módja:
L p =20⋅lg( p p 0 )
A zajszintmérés és zajszint vizsgálatok eszközei
A hangnyomásszint mérésekor objektív fizikai értéket mérünk, mely nem egyezik az ember által érzékelt szubjektív hangossággal.
Az emberi hallás erősen frekvenciafüggő (a mély frekvenciákon, illetve magasabb frekvenciákon jóval gyengébb). Ennek igazolását a Fletcher-Munson-görbéken (egyenlő hangosságszintű görbék) láthatjuk.
Ha a zajszint mérésekor a szubjektív érzetet kívánjuk objektív mérőszámmal megjeleníteni, akkor frekvenciasúlyozást kell alkalmaznunk. Figyelemmel kell lennünk azonban arra is, hogy erősebb jelszinteknél a frekvenciafüggés egyre kevésbé érvényesül.
Fletcher-Munson-görbék
1. ábra
A mérések eszközét zajszintmérőnek is nevezzük (Sound Level Meter).
Lineáris (súlyozatlan) hangnyomásszint mérés
A lineáris mód azt jelenti, hogy semmiféle frekvenciasúlyozást nem alkalmazunk, a mérőműszer a mikrofon membránján fellépő nyomás (RMS) értékét méri, az eredményeket dB-ben kapjuk meg.
Súlyozott mérések
A súlyozott mérések további módok nemzetközileg szabványosított súlyozó görbéket használnak. Ezek közelítik a hallás érzékenységét, és így súlyozzák a frekvenciakomponenseket. A súlyozó görbék alkalmazása:
A-görbe 55 dB jelszintig, B-görbe 55-85 dB jelszintig, C-görbe 85 dB jelszint felett.
A súlyozott méréseknél is dB a mértékegység, de zárójelben vagy alsó indexbe utána írjuk a görbe jelét is. A leggyakrabban használt dB(A) súlyozó görbe a kis frekvenciák felé közelítve egyre kisebb súllyal veszi figyelembe a mélyfrekvenciás komponenseket (lásd alábbi ábra). Ezt a súlyozást gépek állapotfelügyeletéhez, környezetvédelemhez használják előszeretettel.
Frekvencia súlyozó görbék
2. ábra
Zajszintmérők
A zajszintmérők olyan készülékek, amelyek szabványos módon képesek a zajszint mérésére. A zajszintmérő műszer alapvető részei az alábbiak:
mikrofon, előerősítő, processzor, kijelző.
A mérés a IEC 61672-1:2002 nemzetközi szabványnak megfelelően történik. A műszer részletesebb felépítését ábrázoló blokksémát az alábbi ábra mutatja.
Korszerű zajszintmérő blokksémája (Forrás: Brüel and Kjaer)
3. ábra
A mikrofon egy elektroakusztikus átalakító, amely a hangot megfelelő elektromos jellé alakítja. Zajszint mérésre kizárólag kondenzátormikrofonokat alkalmaznak. Ennek jelleggörbéje gömb alakú, minden irányból azonos mértékben érzékeli a hangot.
A mikrofon jelét előerősítő váltja át impedanciává.
A mikrofon és a zajszintmérő működési jelleggörbéi különböző frekvenciákon
(Forrás: Brüel and Kjaer)
4. ábra
A túlvezérlés érzékelő figyeli, hogy a mért jel a mérési tartományon belül helyezkedik-e el (általában 20-140 dB(A)).
A frekvencia kiértékelés meghatározza, hogy hogyan reagál a különböző frekvenciákra a műszer. Ez azért szükséges, mert az emberi fül érzékenysége is frekvencia-függő. A leggyakrabban alkalmazott frekvencia-szűrés az A-szűrő, ez felel meg ugyanis leginkább az emberi fül érzékenységének. A csúcsértékek mérésénél általában a C-szűrőt alkalmazzuk.
A Z-szűrő lineáris (zero) jelleggörbéjű, általában a frekvencia analízishez használják.
A mért zajszint mellet gyakran van szükségünk a zaj pontosabb jellemzésére. Ehhez a jelet saját frekvenciáira bontják és ezt a jel spektrális ábrázolásával adjuk meg.
Ez az analízis szűrőkkel történik, ma már többnyire digitális úton. A szűrőket sávszélességükkel és szűrési középfrekvenciájukkal jellemezzük: a sávszélesség 1 oktávnak vagy tercnek felel meg.
Az oktáv olyan frekvenciatartomány, ahol a legmagasabb hang frekvenciája éppen a kétszerese a kezdőhangénak.
A terc esetében a legmagasabb hang frekvenciája az 1,26-szorosa a kezdőhangénak.
Három szomszédos terc egy oktávot képez.
Speciális mérési feladatokhoz FFT (Fast-Fourier-Transformation) analízisre is szükség van. Az FFT esetében a szűrő sávszélessége állandó és a frekvencia tengely lineáris.
Terc-, oktáv- és FFT-analízis
5. ábra
Az időkiértékelés esetében a hullámzó zajszintet "simítják" A szabványok három féle időkiértékelést definiálnak:
F (fast) gyors, S (slow) lassú, I (impuls) impulzus.
A legtöbb mérést az F módban végezzük, amelynek időállandója 125 ms.
A lassú (S) és a gyors (F) kiértékelés hatása
6. ábra
Kalibrálás
A kalibrálás során ismert feltételek mellett a mérőműszer által mért és az ismert értékek közötti kapcsolatot határozzuk meg.
Brüel zajszinmérő
7. ábra
A pontos mérési eredmények érdekében a zajszintmérőt kalibrálni kell. Ez a mikrofonra helyezett hang-kalibrátorral történik. A kalibrátorok pontosan definiált hangnyomásszintet bocsátanak ki, amellyel a zajszintmérőt hitelesíteni lehet.
Hangkalibrátor felhelyezése a zajszintmérőre
8. ábra
A kalibrálást rendszeresen, fontos mérések előtt és után, el kell végezni. A műszer hitelesítését 2 évente kell elvégezni.
A gépjárművek közeltéri (álló helyzeti) zaj mérése (az ENSZ-EGB 51.02 előírása szerint és az MSZ -07-4607 sz. szabvány alapján)
A mérés menete:
1. | A zajszintmérő mikrofonját az álló jármű kipufogócsövének szimmetria tengelyének magasságában (de legfeljebb a talajtól 1,2 m-re) és a tengely irányától 45°-ra, a kipufogócső végétől 500 mm-re kell elhelyezni.
2. | Az álló helyzetben alapjáraton járó motort kinyomott tengelykapcsoló mellett, teljes gáz adással fel kell pörgetni, majd hirtelen gáz elvétellel le lassulni kell hagyni.
3. | Ezen művelet közben mért legnagyobb hangnyomásszint dB(A)-értéke lesz a jellemző érték. Az eredményt érvényesnek kell tekinteni, ha két egymást követő mérés különbsége legfeljebb 2 dB(A).
Gépjármű közeltéri zajkibocsátás mérése
9. ábra
Zajszint változása közeltéri vizsgálat esetén
10. ábra
A gépjárművek mozgás közbeni (elhaladási) zaj mérése az MSZ ISO 7216: 1995 szabvány alapján
1. | A vizsgálathoz szükséges pályát ki kell jelölni és a zajmérő(k) mikrofonját előírás szerint el kell helyezni.
2. | A vizsgált járműnek balról állandó sebességgel kell az AA egyenest megközelítenie. Az állandó sebesség a jármű maximális haladási sebességének háromnegyedével egyezzen meg. A sebességváltó legyen a lehető legnagyobb sebességi fokozatba kapcsolva.
3. | A jármű amikor eléri az AA vonalat, amilyen gyorsan lehet, teljes sebességre kell kapcsolni és ebben az állapotban kell a BB vonalon átmenni.
4. | Fel kell jegyezni azt a legnagyobb hangnyomásszintet, amelyet azon időtartam alatt mérnek, amíg a jármű az AA és a BB egyenesek között mozgott.
5. | Az eredményt érvényesnek kell tekinteni, ha a jármű nagyobb hangnyomást adó oldalán mért két egymást követő mérés különbsége legfeljebb 2 dB(A). A vizsgálat végeredményének a két (jobb- és bal oldali) legnagyobb, egymást követő érvényesített érték számtani átlagát kell tekinteni.
A hatósági előírások határértékeit a 21/1995. (XII. 15.) KÖHÉM rendelet rögzíti. Ennek a rendeletnek az a sajátossága, hogy azokra az ún. csendes gépkocsikra vonatkoznak, amelyek kielégítik a 6/1990. (IV. 12.) KÖHÉM rendelet előírásait is. A típusjóváhagyás során a mozgó jármű hangnyomás-színjének határértékét a 44/2001. (XII. 18.) KöViM rendelet rögzíti.
Elhaladási zaj vizsgálópálya kijelölése (1) Egy mikrofon elhagyható, de ekkor két irányból kell vizsgálatot végezni)
11. ábra
A típusjóváhagyások értékei a 44/2001. (XII. 18.) KöViM rendelet alapján
12. ábra

| Önellenőrző kérdések
1. Mi a hangnyomásszint definíciója?
| Hangnyomásszint: Két hangnyomás érték hányadosának a tízes alapú logaritmusa. Jele Lp, mértékegysége a dB (decibel).
| A hangnyomásszint a levegő nyomása a hangképzéskor.
| A hangnyomásszint az adott hang magassága.
2. Melyek a zajszintmérő műszer fő részei?
| mikrofon, előerősítő, processzor, kijelző
| mikrofon, nyomásmérő
| nyomásmérő szenzor, kijelző
3. Milyen állapotban mérjük a gépjárművek zajkibocsátását?
| országúti üzemben
| közeltéri (álló helyzeti) és elhaladási zajt mérünk
| teljes terhelésen
4. Mekkora a felnőtt ember hallásával kapcsolatos maximálisan észlelhető rezgéstartomány?
| 2 - 2 000 Hz
| 20 - 20 000 kHz
| 20 - 20 000 Hz
| 2 - 2 000 kHz
5. Mi határozza meg a hangsebesség nagyságát?
| A hangsebesség állandó.
| A hangsebesség nagyságát a közeg anyaga, illetve annak fizikai állapota (nyomása, hőmérséklete stb.) határozza meg.
| Csak a hőmérséklettől függ.
| Csak a nyomástól függ.
6. Mi a hangteljesítmény definíciója?
| A hangteljesítmény az egységnyi felületre jutó hangteljesítmény. Jele a nagy I, mértékegysége a W/m2.
| Hanghullámok által keltett, változó nyomás rugalmas közegben, amely a hangtérben közvetlenül mérhető.
| A hangteljesítmény az időegységenkénti hangenergiát jelenti. Jele a nagy P, mértékegysége a W (vagy J/sec).
7. Mit jelent a lineáris hangnyomásszint mérés?
| Lineáris súlyozást használunk.
| Lineáris a kapott hangnyomásszint diagram.
| A lineáris mód azt jelenti, hogy semmiféle frekvenciasúlyozást nem alkalmazunk, a mérőműszer a mikrofon membránján fellépő nyomás (RMS) értékét méri, az eredményeket dB-ben kapjuk meg.
8. Mit jelent a súlyozott hangnyomásszint mérés?
| A súlyozott mérések további módok nemzetközileg szabványosított súlyozó görbéket használnak.
| Nincs ilyen mérés.
| A mérések eredményeit utólag bizonyos szempontok alapján súlyozzuk.
9. Mit jelent a frekvencia kiértékelés?
| A leggyakrabban alkalmazott frekvencia-szűrés az B-szűrő, ez felel meg ugyanis leginkább az emberi fül érzékenységének.
| A csúcsértékek mérésénél általában a C-szűrőt alkalmazzuk, ez felel meg leginkább az emberi fül érzékenységének.
| A leggyakrabban alkalmazott frekvencia-szűrés az A-szűrő, ez felel meg ugyanis leginkább az emberi fül érzékenységének.
10. Mit jelent az időértékelés?
| A szabványok három féle időkiértékelést definiálnak: F (fast) gyors, S (slow) lassú, I (impuls) impulzus.
| A szabványok kétféle időkiértékelést definiálnak: F (fast) gyors, S (slow) lassú.
| A szabványok kétféle időkiértékelést definiálnak: L (long) hosszú , S (short) rövid.