TOLERANS DIŞINDA KALAN SES DÜZEYİ ÖLÇER TEPKİLERİNİN ÖLÇÜM SONUÇLARINA ETKİLERİ

Transkript

1 10. ULUSAL AKUSTİK KONGRESİ YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ODİTORYUMU, İSTANBUL Aralık 2013 TOLERANS DIŞINDA KALAN SES DÜZEYİ ÖLÇER TEPKİLERİNİN ÖLÇÜM SONUÇLARINA ETKİLERİ Eyüp BİLGİÇ 1, Enver SADIKOĞLU 1, Cafer KIRBAŞ 1, Baki KARABÖCE 1 1 TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü, Gebze, Kocaeli, Türkiye Tel: , e-posta: eyup.bilgic@tubitak.gov.tr Tel: , e-posta: enver.sadikoglu@tubitak.gov.tr Tel: , e-posta: cafer.kirbas@tubitak.gov.tr Tel: , e-posta: baki.karaboce@tubitak.gov.tr ÖZET Ortamdaki gürültü için ölçülen büyüklük ses basıncıdır. Benzer bir kaynak için yapılan ölçümlerin birbirleri ile kıyaslanabilir olması, ölçümlerin açık bir şekilde tarif edilmiş yönteme göre gerçekleştirilmesine bağlıdır. Bu nedenle ölçümlerde, uluslararası kabul görmüş ISO, EN vb. standartlarda tanımlanan veya ölçüm ihtiyacı olan kurum/kişiler tarafından geliştirilen ve doğrulaması yapılan yöntemlerin kullanılması tercih edilen bir durumdur. Gerçekleştirilen ölçümlerin doğruluk ve güvenirlikleri sadece uygulanan metoda bağlı olmayıp kullanılan ölçüm teçhizatına da bağlıdır. Akustik gürültü ölçümlerinde kullanılan cihazlar, ses düzeyi ölçerler olarak bilinmektedir. Ses düzeyi ölçerlere ait özellikler IEC [1] standardında tanımlanmıştır. Standartta verilen tip toleransları (limitler), ölçüm doğrulukları ile ilgilidir. Ses düzeyi ölçerlerin kalibrasyon sonuçları, kendi sınıfları için tanımlanmış limit değerlerinin içerisinde kalmalıdır. Bu yayında kalibrasyonda limit dışında kalan özelliklerin, ölçüm sonuçları üzerine etkileri değerlendirilmektedir. Anahtar Kelimeler: Ses düzeyi ölçer, Ölçüm doğruluğu, Limit. EFFECTS ON MEASUREMENT RESULT OF SOUND LEVEL METER S RESPONSE OUTSIDE THE TOLERANCES ABSTRACT The measurement quantity for the noise in the environment is sound pressure. Comparability of the measurements performed for the same source depends on whether the measurement is carried out according to clearly defined method. That is why the use of methods defined in international standards such as ISO, EN etc. or methods developed and validated by the institution which needs them are preferred. The accuracy and the confidence of the measurement do not only depend on the methods used but also instrumentation used. Devices used in acoustic noise measurements are known as sound level meter (SLM). Specifications for SLM are given in IEC standard [1]. The tolerances for the type of class are related to the measurement accuracy. The calibration results for SLMs must be within the tolerances specified according to their class. In this paper, the effects of the specification those outside the tolerances on the measurement results are evaluated. Key Words: Sound level meter, Measurement accuracy, Tolerance.

2 1. GİRİŞ Ses basıncı, akustik gürültünün insan ve çevre üzerindeki etkisini belirlenmesinde yaygın olarak kullanılan bir ölçüm büyüklüğüdür. Gürültü kaynaklarının etiketlenmesinde diğer bir deyişle oluşturdukları ses güç düzeyi değerinin belirlenmesinde de kullanılmaktadır. Ölçümlerde kullanılan cihazlar ses düzeyi ölçerlerdir. Bu cihazlar ses basıncını db birimi cinsinden ölçmektedirler ve ölçülen büyüklük ses basınç düzeyi olarak adlandırılmaktadır. Ses düzeyi ölçerler, ses basıncının; zamana göre değişimi ve frekans bileşenlerinin belirlenmesini sağlarlar. Bu nedenle SLM cihazlarının zaman ve frekans parametrelerine yönelik özelliklerinin tanımlanması gereklidir. Gerekli tanımlamalar IEC standardında yapılmıştır. SLM cihazlarının zaman özellikleri genel olarak zaman ağırlıklandırması (time weighting) olarak bilinmekte olup hızlı (Fast, F), yavaş (Slow, S) ve darbe (Impulse, I) şeklinde adlandırılmaktadır. Normal kullanımda sinüs tipinden farklı dalga formlarında ve değişken zamanlı akustik sinyaller ölçülmektedir. Kalibrasyonlar sırasında ise burst tipinde sinyaller kullanılmaktadır. IEC standardında belirtilen sürelerde ve dalga formlarında sinyaller oluşturulur ve SLM ile ölçülen değerin beklenilen değerden farkı belirlenir. Elde edilen fark limit değeri ile karşılaştırılır. Ölçülen ses basınç düzeyinin geniş bant değeri (toplam değer) ve/veya frekans bileşenlerinin belirlenmesi gerekli olduğunda; ölçüm frekans bölgesi, frekans ağırlıklandırması (frequency weighting) ve sabit oranlı bant geçirgen filtre aralıkları (oktav bant filtreler) kullanılmaktadır. Ölçüm bölgesi, insan kulağının işitme aralığı olan 20 Hz 20 khz aralığı seçilebilir. Toplam seviye belirlenmesinde frekans ağırlıklandırmasının kullanılmadığı durumlarda Z ağırlıklandırma filtresi seçilir. Bu filtre karakteristiğinde ölçülen ses basınç düzeyi değerlerinde herhangi bir kazanç veya zayıflatma yapılmamaktadır. A veya C frekans ağırlıklandırması istendiğinde SLM de bu parametreler seçilir. Ölçülen değerlere uygulanacak kazanç veya zayıflatma miktarları ve limitleri IEC standardında verilmiştir. Kalibrasyonlarda, 1/1 oktav bant merkez frekanslarında A veya C ağırlıklandırılması uygulanmış referans seviyeler ölçülür ve beklenilen değerlerden farkı belirlenir. Elde edilen fark, limit değeri ile karşılaştırılır. A-Ağırlık tepkisi insan kulağının frekans tepkisini benzeştirmektedir. Ölçümler bu anlamda C-Ağırlık tepkisine göre daha anlamlı olduğundan bu bildiride sadece limit dışında kalan ses düzeyi ölçerlerin A-ağırlıklı frekans tepkilerinin ölçüm sonuçlarına etkileri değerlendirilmiştir. 2. SES DÜZEYİ ÖLÇERLERİN A-AĞIRLIK TEPKİSİ VE İNCELEME ESASLARI Ses düzeyi ölçerlerin A-Ağırlıklı frekans tepkileri ve limitleri Tablo 1 ve Şekil 1 de verilmiştir.

3 Tablo 1. A-ağırlık tepkisi, Sınıf 1 ve Sınıf 2 SLM için frekans tepkileri alt ve üst limitleri [1]. Frekans Hz A-Ağırlık Tepkisi db Sınıf 1 Limit db Alt Limit Üst Limit Alt Limit Sınıf 2 Limit db Üst Limit 31,6-39,4 2,0-2,0 3,5-3,5 63,1-26,22 1,5-1,5 2,5-2,5 125,9-16,11 1,5-1,5 2,0-2,0 251,2-8,6 1,4-1,4 1,9-1,9 501,2-3,2 1,4-1,4 1,9-1,9 1000,0 0,00 1,1-1,1 1,4-1,4 1995,3 1,2 1,6-1,6 2,6-2,6 3981,1 1,0 1,6-1,6 3,6-3,6 7943,3-1,11 2,1-3,1 5,6-5, ,9-6,66 3,5-17,0 6,0 - Şekil 1. IEC standardına göre Sınıf 1 (S1) ve Sınıf 2 (S2) ölçerlerin frekans tepki limitleri. Ses düzeyi Tablo 1 de verilen frekans değerleri, 1000 Hz in referans olarak alındığı 1/1 oktav bant merkez frekanslarıdır ve nominal değerleri 31,5 Hz, 63 Hz, 125 Hz, 250 Hz, 500 Hz, 1000 Hz, 2000 Hz, 4000 Hz, 8000 Hz ve Hz tir. Şekil 1 de ise IEC standardına

4 göre Sınıf 1ve Sınıf 2 SLM ler için verilen ağırlıklandırma filtrelerin frekans tepkilerinin limitleri verilmiştir. Bu limit değerleri, SLM lerin Z, A ve C frekans ağırlıklandırma değerlerinden sapmaların değerlendirilmesi için kullanılmaktadır. Frekans bileşenleri belirli olan bir akustik gürültü değerinin geniş bant gürültü (toplam gürültü) düzeyi; =, (1) eşitliği ile hesaplanmaktadır. Burada; L p geniş bant gürültü düzeyini, n bant sayısını, L pi ise i. banttaki ses basınç düzeyini göstermektedir. Gürültünün belirli bir frekans ağırlığı uygulanmış geniş bant gürültü düzeyi belirlenmesi gerekir ise bu durumda (2) eşitliği kullanılır. =,( ) (2) Eşitlik (2) deki K i terimi, i. frekanstaki ağırlıklandırma değeridir. Örneğin; A-ağırlık filtresi için Tablo 1 e bakıldığında 250 Hz teki değer -8,6 db dir. SLM lerin frekans tepkilerinde oluşabilecek hataları sayısal olarak değerlendirmek için 31,5 Hz ile 16 khz aralığındaki 1/1 oktav bant merkez frekanslarının her birinde 94 db değerinde gürültü oluşturulduğu varsayımı yapılmıştır. A-ağırlıklı toplam düzey ve ağırlıksız toplam düzeyin değişimini değerlendirmek için; 1. Frekans bantlarında azalma olmaması durumu, 2. Sadece bir frekans bandında 1 db eksiklik olması, 3. Sadece bir frekans bandında 3 db eksiklik olması, 4. Sadece bir frekans bandında 6 db eksiklik olması, 5. Sadece bir frekans bandında 10 db eksiklik olması, 6. Sadece bir frekans bandında 20 db eksiklik olması, 7. Farklı frekans gruplarında 0,5 db, 1 db 3 ve 6 db eksiklik olması durumları ele alınmıştır. Tüm 31,5 Hz ile Hz aralığında 94 db lik ses düzeylerine A- Ağırlık tepkisi uygulandıktan sonra sadece 31,5 Hz teki değer 1 db azaltılmış ve toplam seviye hesaplanmıştır. Daha sonra sadece 63 Hz teki değer 1 db azaltılmış ve toplam seviye hesaplanmıştır. Bu şekilde 1-6 arasındaki durumlar için tüm hesaplamalar yapılarak elde edilen veriler Şekil 2 de grafik olarak sunulmuştur. Ayrıca 1-6 arasındaki durumlarda frekans ağırlığı uygulanmaması durumu içinde hesaplalar yapılmış elde edilen sonuçlar Şekil 3 te verilmiştir. Şekil 2 ve Şekil 3 teki Nominal değer, oktav bantlardaki frekanslarda 94 db ses seviyesi olduğunda hesaplanan toplam seviyelere karşılık gelmektedir. S1Alt-Üst limit değerleri ise, Nominal 94 db değerlerine Sınıf 1 SLM alt ve üst limitleri eklendiğinde hesaplanan toplam seviyelerdir.

5 Şekil 2. Nominal 94 db lik seviye için hesaplanmış A-Ağırlıklı toplam SPL değerleri arasındaki farklar Şekil db lik seviye için hesaplanmış frekans ağırlıksız toplam SPL değerleri arasındaki farklar. Şekil 2 incelendiğinde, en düşük ses basınç düzeyi değerinin 20 db lik azalma olması durumu için 2000 Hz te olduğu görülmektedir. Tablo 1 incelendiğinde bu beklenilen bir durumdur. Çünkü A-Ağırlık tepkisi için 2 khz te azaltma değil 1,2 db değerinde kazanç uygulandığı görülmektedir. Bu frekansta 0 db azalma ve 20 db azalma olması durumlarında hesaplanan toplam seviyeler arasındaki fark 1,3 db dir. Bu durum, frekans tepkisinde kazanç olan frekanslarda kayıp olmasının toplam düzeyi daha çok etkilediği şeklinde açıklanabilir. Şekil 3 te ise bu durum biraz farklıdır. Frekans ağırlıklandırması olmadığı için her bir frekanstaki eşit miktardaki azalma toplam ses basınç düzeyi değerine eşit miktarda azaltma

6 getirmektedir. 0 db azalma ve 20 db azalma olması durumlarında hesaplanan toplam seviyeler arasındaki fark 0,5 db dir. Buradan aynı miktar azaltma miktarının toplam ses basınç düzeyi üzerine etkileri kullanılan frekans ağırlık tepkisine göre değişiklik gösterdiği sonucuna ulaşılmaktadır. Şekil 2 ve Şekil 3 te dikkati başka bir durum çekmektedir. Her iki şekilde de oktav bantlardaki tek bir frekanstaki nominal seviye 94 db değerinden maksimum 20 db azalsa bile bu durumlar için hesaplanan toplam ses seviyeleri Sınıf SLM limit değerleri içerisinde kalmaktadır. Ölçülen parametre A-Ağırlıklı toplam seviye yerine frekans bileşenleri olması durumunda limit dışı kadar değerler düzeltme olarak uygulanmalıdır. Durum 7 için öngörülen frekans tepki eksiklikleri için Tablo 4 te açıklamalar verilmiştir. Tablo 4. Farklı azaltma ve kazanç durumlarında alt ve üst limit değerlerinin nominal limit değerler arasındaki farklar Durum Açıklama A Azaltma veya kazanç yok 0 db B C D E F G 31,5 Hz - 63 Hz arası, 2000 Hz Hz arası 8000 Hz Hz 31,5 Hz - 63 Hz arası 2000 Hz Hz arası 31,5 Hz - 63 Hz arası 2000 Hz Hz arası 31,5 Hz - 63 Hz arası 2000 Hz Hz arası 8000 Hz Hz arası 31,5 Hz - 63 Hz arası 2000 Hz Hz arası + 0,5 db - 0,5 db - 3,0 db - 5,0 db +1,0 db - 2,0 db + 3,0 db - 3,0 db + 3,0 db - 3,0 db - 6,0 db - 3,0 db - 6,0 db Tablo 4 te verilen sapma değerleri kalibrasyon sırasında SLM lerin limit değerlerden sapma miktarlarından oluşturulmuştur. Genel olarak 63 Hz e kadar olan frekanslarda ölçülmesi gereli olan değerlerden daha fazla ölçülmekte, diğer yüksek frekanslarda ise ölçülmesi gereken limit değerlerinden daha az değer ölçülmektedir. Yapılan bu yaklaşımlar Şekil 4 te grafik olarak verilmiştir. Tablo 4 te alınan durumlar, nominal 94 db değerinden sapma ve Sınıf 1 SLM limit değerlerini aşma miktarları olarak alınmış ve bu durumlar için toplam ses düzeyleri hesaplanmıştır. Hesaplama sonuçları Şekil 5 te verilmiştir.

7 Şekil 4. Durum 7 için yapılan yaklaşımların Sınıf 1 SLM limit değerleri ile kıyaslanması. Şekil 5. Durum 7 için yapılan yaklaşımlar için yapılan toplam ses düzeylerinin Sınıf 1 ve Sınıf 2 SLM limit değerleri ile kıyaslanması.

8 Şekil 5 te Nominal değerden eksiklik parametresi, nominal 94 db değerinden Tablo 4 te verilen sapma değerleri için hesaplanan toplam düzeylerin nominal 94 db değerleri için hesaplanan toplam düzeylerden fark değerleridir. Limit değerden eksiklik parametresi ise, Tablo 4 te verilen sapma değerlerinin Sınıf 1 SLM limit değerlerinden sapmalar olarak alındığında hesaplanan toplam düzeyler için tepki farkıdır. Durum D, E, F ve G için toplam ses düzeylerinin Sınıf 1 SLM limitlerin dışında olduğu görülmektedir. SLM cihazlarının tek bir frekans tepkisinin limit dışı kalması durumundaki toplam A- Ağırlıklı seviyesi değeri, çoklu frekans tepkisinin limit dışı kalma durumundaki değerden daha az etkilenmektedir. SONUÇ Limit dışında kalan ses düzeyi ölçer tepkilerinin ölçüm sonuçlarına etkilerini değerlendirmek için belirli yaklaşımlar yapılmıştır. Bu yaklaşımlar, ses düzeyi ölçer cihazlarının kalibrasyonları sırasında ölçmesi beklenen değerlerden genel olarak daha az ölçtükleri değerlerdir. Düz spektrumlu gürültü varsayımından yola çıkılarak olması beklenen değerin toplam ses basınç düzeyi üzerindeki etkileri hesaplanmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda kullanılan ses düzeyi ölçer cihazının sınıfına bağlı olarak toplam ölçülen düzeylerin 4 db kadar az olduğu görülmüştür. Tepkileri limit dışı olan ses düzeyi ölçerler, yanlış ölçüm yapma riski taşımaktadırlar. Kullanılan cihazın frekans analizörü olması durumunda şayet limit dışı kalan tepkileri var ise ölçülen bant değerlerine en azından limit dışında kalan miktar kadar düzeltme yapılması gerekmektedir. Kullanılan cihazın frekans analizi yapma yeteneği yok ise ve frekans tepkilerinin bir bölümü limit dışı ise, limit dışında kalan frekanslar için düzeltme değerleri hesaplanıp, ölçülen toplam seviyesini düzletilmesi gerekmektedir. KAYNAKLAR [1] IEC , Electroacoustics Sound level meters Part 1: Specifications. [2] EN Electroacoustics Octave band and fractional octave band filters.