Masurarea nivelului de poluare sonora

DEFINITII SI FORMULE

Propagarea sunetelor are loc sub forma de unde elastice. In medii gazoase si lichide undele sonore sunt unde longitudinale (adica oscilatiile particulelor mediului, induse de unda, au loc pe directie paralela cu directia de propagare). In solide sunetele se pot propaga atat ca unde longitudinale, cat si ca unde transversale (la care oscilatia particulelor mediului are directie perpendiculara celei de propagare).

Variatia de presiune inregistrata intr-un punct al materialului in timpul propagarii undei elastice, in comparatie cu presiunea in absenta undei, se numeste presiune sonora si poate constitui o masura a prezentei undei si a calitatii acesteia. Totalitatea presiunilor suplimentare generate in mediul elastic alcatuieste un camp de presiune sonora, denumit uneori si camp sonor.

Intensitatea sonora este cantitatea de energie sonora transportata in medie in unitatea de timp, prin unitatea de suprafata perpendiculara directiei de propagare a sunetului si caracterizeaza din punct de vedere obiectiv taria unui sunet :

In cazul unei unde sonore plane, armonice, de frecventa bine stabilita, se poate arata ca intensitatea undei sonore are forma matematica :

unde p_s,max este presiunea sonora maxima, r este densitatea mediului, iar c este viteza de faza a undei. Factorul rc se numeste impedanta sonora, iar raportul este desemnat ca presiune efectiva, p_ef.

Intensitatea sonora minima care mai poate fi sesizata de analizatorul auditiv uman se numeste intensitatea pragului de audibilitate. Valoarea intensitatii sonore ce corespunde pragului de audibilitate este o functie de frecventa sunetului. Domeniul de maxima sensibilitate al urechii umane este cuprins intre frecventele de 600 Hz si de 7000 Hz. In acest interval pot fi percepute sunete de intensitate   I = 10^-12-10^-11 W/m². S-a ales ca valoare standard a pragului de audibilitate intensitatea pragului de audibilitate al sunetului pur cu frecventa de 1000 de Hz :

I₀ = 10^-12 W/m²

Exista pentru fiecare frecventa si o valoare maxima a intensitatii care mai poate fi suportata fara a produce efecte ireversibile asupra aparatului auditiv. Aceasta este asa-numita intensitate a pragului de durere. Intensitatea pragului de durere este mai mica in intervalul de frecvente pentru care urechea este mai sensibila (0,1 W/m² la 6000 Hz), ajungand pentru alte frecvente pana la 10 W/m².

Taria unui sunet este o marime legata, pe de-o parte, de cantitatea de energie pe care o transporta unda sonora si, pe de alta parte, de efectul auditiv pe care-l produce sunetul. Din cauza caracterului subiectiv al perceptiei auditive, efectul auditiv si energia undei nu se afla intr-o simpla relatie de proportionalitate. Din acest motiv trebuie sa utilizam marimi fizice diferite pentru a caracteriza taria sunetului, fie din punctul de vedere obiectiv al transportului de energie sonora, fie din punctul de vedere subiectiv al efectului auditiv.  

Nivelul de intensitate acustica se foloseste deoarece valorile numerice extreme ale intensitatilor sonore care trebuie luate in consideratie in ceea ce priveste efectul auditiv difera prin 13 ordine de marime. Nivelul intensitatii acustice se defineste ca fiind de zece ori logaritmul zecimal al raportului dintre intensitatea sonora a sunetului considerat si intensitatea standard a pragului de audibilitate :

Unitatea de masura a nivelului intensitatii acustice este decibelul, cu simbolul dB.

Subiectivitatea perceptiei acustice face ca sunete avand acelasi nivel al intensitatii acustice sa provoace senzatii auditive diferite. Graficul alaturat prezinta variatia pragului de audibilitate in functie de frecventa sunetelor pure, pentru persoane tinere, normale din punct de vedere auditiv. Se observa ca spre limitele extreme ale domeniului de frecvente, pragul de audibilitate creste mult, iar valorile minime sunt intalnite pentru frecvente intre 500 si 5000 de Hz.

Masurarea zgomotelor se face de cele mai multe ori prin transformarea semnalului acustic in semnal electric si analizarea ulterioara a acestuia. In acest scop este necesara folosirea unui traductor sunet-curent electric, denumit in mod uzual microfon.

Sonometrul este un aparat portabil, destinat masurarii nivelului de presiune sonora. El poate furniza si informatii obiective privind energia sonora, dar este prevazut si cu un etaj de ponderare a intensitatii acustice, astfel incat poate avea un raspuns fata de sunet asemanator celui al urechii umane. In figura de mai jos este reprezentata schema de principiu a unui sonometru :

Microfonul transforma sunetul in semnal electric. Primul amplificator determina cresterea amplitudinii semnalului electric inainte de intrarea in retelele de ponderare sau in filtrele externe. Rolul retelei de ponderare este acela de a modela modul subiectiv al perceptiei sonore umane. Circuitul de mentinere are rolul de-a mentine acul indicator al instrumentului de masura la valoarea maxima atinsa in cursul determinarii. Borna de iesire este destinata facilitarii conectarii sonometrului la un inregistrator extern. Instrumentul de masura este acela care permite vizualizarea rezultatului determinarii.

Ponderarea intensitatii acustice se face utilizand circuite electronice care modeleaza subiectivitatea perceptiei acustice. In cele mai multe dintre situatii, unitatea de masura a nivelului ponderat al intensitatii acustice este decibelul(A).

PRINCIPIUL METODEI

O intrebare pe care ne-o putem pune este urmatoarea : daca unei surse de zgomot, caracterizata de nivelul intensitatii acustice L₁, i se adauga o alta sursa de zgomot cu nivelul intensitatii acustice L₂, cat va fi nivelul rezultant al intensitatii acustice ? Raspunsul :

L = L₁ + L₂

este gresit ! Sa explicam in continuare de ce acest raspuns este gresit.

Formula nivelului intensitatii acustice este :

unde I este intensitatea zgomotului, iar I₀ este intensitatea de referinta. In cazul suprapunerii a doua zgomote, energiile celor doua unde sonore se insumeaza, astfel incat intensitatea totala este :

Cum :

rezulta :

Prin logaritmare, rezulta

sau :

Pe baza acestei relatii se poate construi o diagrama pentru adunarea nivelelor de intensitate sonora. Diagrama poate fi utilizata astfel :

Sa presupunem ca se compun zgomotele cu nivelele de intensitate sonora 60 dB, respectiv 65 dB. Nivelul rezultant se calculeaza astfel :

T    Diferenta intre nivelele sonore este de 5 dB

T    Se citeste ordonata punctului de abscisa egala cu diferenta nivelelor sonore (in cazul nostru, diferentei de 5 dB ii corespunde abscisa de 6 dB)

T    Se adauga aceasta valoare nivelului cel mai mic de intensitate sonora (in cazul nostru, 60 dB). Rezultatul este nivelul rezultant al intensitatii sonore (in cazul nostru, 66 dB).

Problema cu care se confrunta persoana care masoara nivelul de poluare sonora stradala este asemanatoare.

In cazul ca se masoara nivelul de poluare sonora, nu intereseaza faptul ca se suprapun mai multe surse de zgomot la acelasi moment de timp, ci medierea intensitatilor sonore pe o anumita durata.

De exemplu, intr-un cartier rezidential, confortul sonor este asigurat daca, in orele de seara, media intensitatii sonore nu depaseste o anumita valoare. Evident, intensitatea sonora nu este constanta (zgomotul poate fi produs de mijloacele de transport in comun care nu trec permanent, ci cu o anumita periodicitate). In aceste conditii, trebuie masurata intreaga energie sonora degajata in intervalul de timp considerat, gasita valoarea medie care revine unitatii de timp si calculat pe baza acesteia nivelul mediu al intensitatii sonore. Cu un aparat care masoara doar nivelul momentan al intensitatii sonore, aceasta operatie prezinta anumite dificultati. Acestea pot fi evitate in modul urmator :

• se recurge la esantionarea masuratorilor

• prin aceasta se intelege ca masuratorile de nivel acustic se repeta la intervale scurte de timp (de exemplu, de cate un minut)

• se considera ca nivelul acustic este constant pe intreaga durata a intervalului de timp considerat

• se calculeaza energia sonora corespunzatoare unui interval de timp :

• se calculeaza energia sonora totala (N este numarul de masuratori) :

• se calculeaza energia medie care revine unui interval de timp si intensitatea corespunzatoare :

• se calculeaza nivelul acustic mediu :

• valoarea obtinuta trebuie sa se incadreze intre nivelul sonor maxim si nivelul sonor minim

• la fel se poate proceda si pentru calcularea nivelului acustic ponderat, masurat in dB(A)

Rezultatele determinarilor experimentale se pot reprezenta intr-o histograma (cum este aceea din figura alaturata), punand in evidenta valoarea medie a nivelului de zgomot si locul unde s-au facut masuratorile.

MATERIALE SI APARATE

M    sonometru RFT 00014

M    pistofon pentru etalonare

EXPLICATII : (1) microfon, (2) comutator pentru stabilirea tipului de masurare, (3) comutator pentru stabilirea domeniului de masura, (4) buton pentru verificarea starii de incarcare a bateriilor, (5) butonul de pornire a aparatului, (6) locasul din pistofon in care se introduce microfonul sonometrului in timpul etalonarii, (7) comutatorul care permite pornirea sau oprirea pistofonului.

MOD DE LUCRU

se verifica starea de incarcare a bateriilor apasand pe butonul (4) (acul instrumentului de masura trebuie sa se opreasca in zona 6-10 dB)

se porneste aparatul apasand butonul (5)

se etaloneaza sonometrul cu ajutorul pistofonului. Pistofonul are ca piesa principala un vibrator, alimentat de la baterii, care genereaza un sunet de frecventa si intensitate bine determinate. Pentru etalonare:

se fixeaza comutatorul (2) in pozitia "LIN"

se fixeaza domeniul de masura de 110 dB cu comutatorul (3)

se porneste pistofonul cu butonul (7)

se introduce microfonul (1) al sonometrului in locasul (6) al pistofonului

indicatia instrumentului de masura trebuie sa fie in acest moment de 6 dB (nivelul sonor fiind de (110 + 6) = 116 dB)

daca aceasta conditie nu este indeplinita sonometrul nu este corect etalonat si trebuie chemat cadrul didactic pentru a pune la punct aparatul

se intrerupe alimentarea pistofonului si acesta se indeparteaza, sonometrul fiind acum pregatit pentru masuratorile propriu-zise

se deplaseaza aparatul la locul masuratorilor (pe o artera circulata)

pentru efectuarea masuratorii comutatorul (3) este adus intr-o pozitie care permite ca acul instrumentului de masura sa nu se stabileasca la una dintre extremitatile cadranului

valoarea nivelului sonor (care trebuie notata) este data de suma dintre indicatia citita pe cadran si cifra care indica domeniul de masura stabilit cu ajutorul comutatorului (3)

se trece comutatorul (2) pe pozitia "A" care corespunde punerii in functiune a filtrelor care simuleaza perceptia auditiva a urechii umane, se citeste si se noteaza noua valoare indicata de aparatul de masura

se repeta toate operatiile de masura anterioare, la intervale de timp de cate un minut, de inca 14 ori

dupa terminarea masuratorilor se revine in laborator, se intocmeste histograma nivelelor acustice, se prelucreaza datele si se obtin valorile medii ale nivelului acustic si nivelului acustic ponderat

toate operatiile de prelucrare a datelor, precum si intocmirea histogramelor se pot face cu programul Excel

PRELUCRAREA DATELOR

STUDENTI

1)

2)

3)

4)

SEMNATURA CADRULUI DIDACTIC