MAK 4026 SES ve GÜRÜLTÜ KONTROLÜ 1. Hafta Ses ve Gürültü ile İlgili Temel Kavramlar
Ses Nedir? 1: Sessiz durum 2: Gürültü 3: Atmosfer Basıncı 4: Ses Basıncı Ses, dalgalar halinde yayılan bir enerjidir. Sesin oluşması için bir titreşim hareketi gerekli olup, bu hareketin yayılması için de hava, su gibi akustik bir ortam şarttır. Ses, dalgalar halinde yayıldığı için akustik ortamda basınç değişikliğine neden olur. Örneğin havada yayılan ses, atmosferik basınçta değişiklik yaratır. Bu değişim miktarı ses basıncı olarak isimlendirilir.
Ses ve Gürültü Ancak trafik gürültüsü, makine gürültüsü gibi gürültüler çoğunlukla rahatsız edicidir. Ses, nesnel bir kavramdır. Ölçülebilir, varlığı kişiye bağlı olarak değişmez. Gürültü, hoşa gitmeyen, istenmeyen, rahatsız edici ses olarak tanımlanır. Gürültü, öznel bir kavramdır. Birçok gürültü tipi kişilere bağlı olarak rahatsız edici olabilir veya olmayabilir. Çok yüksek ses hoşa gitse bile, fizyolojik ve psikolojik rahatsızlığa neden olduğu için kontrol edilmelidir.
Desibel Ses basıncının birimi Pa (N/m 2 ) dır. İnsan kulağının işitme alt sınırı, 2x10-5 Pa; üst sınırı ise yaklaşık olarak 20 Pa dır. Bu aralığın çok geniş olmasından dolayı ses, desibel (db) denilen logaritmik bir büyüklük ile ölçülür. Desibel (db) ile ölçülen büyüklükler düzey olarak adlandırılır. Bir büyüklüğün, bir referans değerine göre oranının logaritmasına Graham Bell in anısına Bel (B) adı verilir. Desibel (db), bu değerin 1/10 udur.
Ses Basınç Düzeyi p p SPL = Lp = 10log = 20log ( db) p ref p ref 2 Referans ses basıncı: p ref = 2 10 5 Pa
Ses Basıncı Ses Basınç Düzeyi
Ses Yüksekliği - Frekans Sesin yüksekliğini belirleyen diğer bir özelliği frekansıdır. Ses yüksekliği, sesin frekansı ve yarattığı basınç tarafından belirlenir. Sağlıklı bir insan kulağı 20 ile 20.000 Hz arasındaki sesleri duyabilmektedir. 20 Hz in altındaki sesler ses berisi (infra sound ) 20.000 Hz in üstündeki sesler ses ötesi (ultra sound) olarak isimlendirilir. Anlaşılabilir bir konuşma 200-5000 Hz aralığındadır. Müzik ise 30-10000 Hz aralığını kapsayabilir. Kulağın en hassas olduğu frekanslar 3000-4000 Hz dir. İşitme kaybı öncelikle bu bölgede başlar, sonra diğer frekanslara doğru genişler.
İşitme Sınırları Eğrisi Hissetme eşiği Duyulabilir Bölge Ses Basınç Düzeyi (db) Duyma Eşiği Müzik Konuşma Frekans
Ses Basıncının Değişimi 1) zamana (t), 2) ses kaynağından olan uzaklığa (x) 3) sesin frekansına (f) bağlıdır. Harmonik Ses Dalgaları (Arı Ses-Saf Ton) Genlik Genlik FFT Genlik Ses basıncının frekansa göre değişimini gösteren grafiğe frekans spektrumu denir.
Harmonik Ses Dalgaları Harmonik bir dalga için; Basıncın en büyük değeri genlik (Pa, db), Basıncın birbirini izleyen iki değeri arasında geçen zaman periyot (T), (saniye) Periyodun tersi frekans (f) (Hertz=1/saniye) Basıncın birbirini izleyen iki eşit değeri arasındaki uzaklığı dalga boyu (λ) (metre) olarak adlandırılır. Dalga boyu frekans ile ters orantılıdır. Alçak frekanslı dalgaların boyu uzun, yüksek frekanslıların dalga boyu kısadır.
Periyodik Ses Dalgaları Periyodik bir dalganın genlik-zaman ve frekans spektrumu: FFT
Periyodik Olmayan Ses Dalgası (Karmaşık-Kompleks Ses) Periyodik olmayan bir dalganın genlik zaman ve frekans spektrumu: FFT
Harmonik Olmayan Ses Dalgaları Harmonik olmayan dalgalar için, sesin yüksekliğini ses basıncının genliği ile tanımlamak mümkün değildir. Bu durumda ses basıncı rms (kare değerlerinin ortalamasının karekökünü) değeri ile tanımlanır. p rms T 1 = T 0 p( t) 2 dt 1 / 2 Burada, p(t): ses basıncının zamana bağlı değerleri, T: Toplam süre, periyodik dalgalar için periyot. Harmonik dalgalar için: p rms =( 2 /2)p gen
Ses (Yayılma) Hızı Dalgaboyu λ = ct = c f 1 λ[ m] = c[ ms ]T[ s] 0 c hava = 20.0457 ( C+273.2) = 343.2 m / s Ses hızı ortamın fiziksel özelliklerine (yoğunluk, sıcaklık, gazın tipi vb.) bağlıdır.
Partikül Hızı Ses Kaynağı Hava Partikülleri Harmonik bir titreşimde, akustik kaynağın yüzeyi genişleyip daralarak yüzeyindeki hava partiküllerini titreştirir. Titreşen hava partikülleri, yanındaki hava partikülüne dokunarak bu titreşimi iletir ve bu işlem kaynağın enerjisi tükenene kadar devam eder. Bu şekilde dalga yayınımı oluşurken, partiküller kendi referans eksenlerinde bir ileri bir geri hareket yaparak titreşirler. Bu yayınımın (dalga hareketinin) hızı ses hızı olarak adlandırılırken, her bir partikülün titreşim hızı da partikül hızı olarak adlandırılır. Partikül hızı o noktadaki ses basıncı ile ortamın karakterine (yoğunluk ve ses hızı) bağlı olarak şu şekilde ifade edilir: Yoğunluk U = ± p ρc Ses basıncı Ses hızı
Ses Şiddeti (Yeğinliği) Vektörel ve ölçülebilir bir büyüklüktür. Ortamdaki, ses yayınımına dik bir birim alandan, birim zamanda geçen akustik enerjidir. Birimi W/m 2 dir. I ile gösterilir. Kaynaktan olan uzaklık arttıkça azalır. Ses basıncı ile partikül hızının çarpımlarının zaman ortalaması olarak ifade edilir. T I 1 = T o p( t) U ( t) dt I = p U
Ses Gücü Bir kaynaktan birim zamanda yayınan ses enerjisine ses gücü denir. Birimi Watt tır. Kaynağın yaydığı sesin karakteristik bir ölçüsüdür. P = S IdS P : Ses gücü [W], I : Ses şiddeti [W/m 2 ], ds : Birim yüzey alanı [m 2 ].
Ses Gücü Küresel Kaynak Çizgisel Kaynak l Ölçüm yapılan sanal küre P küre = I ( πr max r) 4 2 Ölçüm yapılan silindir P silindir = I max ( r) 2πrl
Ses Şiddeti Düzeyi, Ses Gücü Düzeyi Ses Şiddeti Düzeyi (SIL): L I [ db] I = 10 log I ref Iref = 1 10 Watt / m 12 2 Ses Gücü Düzeyi (SWL): W L W [db] = 10log W ref 12 Wref = 1 10 Watt
Sesin Frekans Analizi Ses dalgasının frekansa göre değişiminin belirlenmesidir. 20-20000 Hz olan duyulabilir ses bölgesi çok geniş olduğundan, frekans analizinde bazı frekansları geçiren, diğerlerini geçirmeyen filtreleme işlemi yapılabilir. Filtrelemede, alçak frekansların geçirilmesi (low-pass) veya yüksek frekansların geçirilmesi (high-pass) söz konusu olabilir.
Oktav-Bant Frekans Analizi Tüm frekans spektrumunu kapsayan filtreleme için, oktav bant denilen frekans aralıkları kullanılır. Bir oktav bandında, bandın üst değeri, alt değerinin iki katıdır ve her bandın üst değeri bir sonraki bandın alt değeridir. Her bandın merkez frekansı ise alt ve üst sınırların geometrik ortalamasıdır.
Frekans Aralığı ve Oktav Bandı Matematiksel olarak 1 (bir) oktav bandı: f = 2 2 1 f = 2 f = f 2 f 0 1 2 bw = f f 2 1 L P bw: Bant genişliği (band width) Matematiksel olarak n oktav bandı: bw f1 f f 0 2 f f f 2 = 2 n f1 = f f 0 1 2 bw = f f 2 1 Vibro-akustik analizlerde n=1/1 veya 1/3 oktav bantları kullanılır.
1/1 ve 1/3 Oktav Bantlarının Merkez Frekansları
Ses Düzeyi Ses düzeyi, ses basınç düzeyinin belli bir eğriye göre ağırlıklı olarak bulunmuşşeklidir. Bir çeşit filtreleme olarak kabul edilebilecek olan ağırlıklama işlemi için A,B,C ve D olmak üzere dört farklı tipte ağırlık eğrisi geliştirilmiştir. A ağırlıklama eğrisi, insan kulağının duyarlılık eğrileri ile doğrudan ilişkisi nedeniyle insanların gürültüye gösterdikleri tepkiyi ölçmede kullanılır. D ağırlıklama eğrisi, uçak gürültüsü ölçümlerinde kullanılır. Ses düzeyi, kullanılan ağırlık eğrisinin tipine göre, db(a,b,c,d) olarak belirtilir.
Frekans Ağırlıklama Eğrileri
Örnekler: A-Ağırlıklama Frekans(Hz) 50 200 1000 2000 db 78 85 68 94 db(a) 78+(-30.3)= 47.7 85+(-10)= 75? 94+(+1.2)= 95.2 +1.2 10 30.3
Ses Alanları Yakın Alan Uzak Alan Serbest Alan Yankı Alanı Uzaklık
Ses Alanları- Yakın Alan, Uzak Alan Bir ses dalgası kaynaktan ilk yayınmaya başladığında ses basıncının kararsız olduğu bir bölge vardır. Bu bölge yakın alan (near field) olarak adlandırılır. Bu bölgede ses basıncı ölçümü doğru olarak yapılamaz. Ses basıncı değerleri değişiklik gösterir. Yani tekrarlanabilir değildir. Uzak alan koşulu, kaynak yüzeyinden en az aşağıdaki iki mesafeden büyük olan esas alınarak sağlanabilir: 1. Ölçüm frekansının bir dalga boyu kadar 2. Kaynağın karakteristik boyutu kadar
Ses Alanları- Serbest Alan Kaynaktan belirli bir uzaklıktan sonra ses basıncı doğrusal olarak azalır. Bu bölge serbest alan (free field) olarak adlandırılır. Kaynak gürültü ölçümlerinin bu alanda yapılması gerekir. İdeal bir serbest alanda, kaynaktan olan uzaklık iki katına çıktığında ses basınç seviyesi 6 db azalır.
Ses Alanları- Yankı (Çınlama) Alanı Sesin yayındığı doğrultuda bir yansıtıcı yüzey olduğunda; ses, bu yansıtıcı yüzeyden yansıyarak tekrar kaynağa yönelir ve serbest alandaki doğrusal azalımı bozarak yeni bir alan oluşturur. Bu alana yankı alanı çınlama alanı (reverberant field) denir. Yankı alanı, uzak alanı oluşturan ikinci bölgedir. İdeal yankısal koşulların olduğu alanlar yayılı alan (diffuse field) olarak isimlendirilir.
Gürültünün Sınıflandırılması Ses/Gürültü seviyeleri, 1) Frekans spektrumuna göre: Geniş bant ve Dar bant olarak adlandırılırlar; Geniş bant gürültü: Gürültüyü oluşturan seslerin frekansları geniş bir aralığı kapsar. Gürültünün spektrumu yayılmış ve hiçbir frekans bandında toplanmamıştır. Dar bant gürültü: Frekans dağılımı, belli bir frekans bandında toplanmıştır.
Gürültünün Sınıflandırılması 2) Zamanla değişimine göre, kararlı gürültü ve kararsız gürültü olarak iki grupta incelenirler; Genellikle zaman içindeki değişimleri 5 db(a) içinde kalan bir gürültü, kararlı gürültü olarak adlandırılır. Yani gürültünün seviyesinde zamanla bir değişme gözlenmez. Bu tip gürültüler için genellikle ani gürültü düzeyi ölçümü (Lp) yeterlidir. Kararsız gürültü ses düzeyleri ise zaman içerisinde önemli değişiklikler gösterir. Kararsız gürültü değerlendirilirken, aynı ses enerjisine sahip olan fakat kararlı bir gürültünün db cinsinden ses seviyesi tanımlanır. Bu tip gürültüler için genellikle eşdeğer gürültü seviyesi ölçümü (Leq) yapılır.
Gürültünün Sınıflandırılması
Gürültünün İnsan Üzerindeki Etkileri İki grupta incelenebilir. 1. İşitme duyusuna yaptığı olumsuz etkiler: Ani bir etki ile kulak zarının parçalanması 80 db(a) veya daha yüksek düzeyli seslerde bir gürültüye birkaç saat maruz kalınması durumunda geçici işitme kaybı. Bu durumun her gün tekrarlanması durumunda kalıcı işitme kaybı görülür.
Gürültünün İnsan Üzerindeki Etkileri 2. Fizyolojik ve psikolojik etkiler Kas gerilmeleri Stres Kan basıncında artış Kalp atışlarının ve kan dolaşımının değişmesi Göz bebeği büyümesi Uykusuzluk Sinir bozukluğu Yorgunluk Zihinsel etkilerde yavaşlama Korku Tedirginlik Fizyolojik Etkiler Psikolojik Etkiler