Ses ve Gürültü

MAK 4026
SES ve GÜRÜLTÜ KONTROLÜ
1. Hafta
Ses ve Gürültü ile İlgili Temel Kavramlar
Ses Nedir?
• 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
1: Sessiz durum 2: Gürültü 3: Atmosfer Basıncı 4: Ses Basıncı
isimlendirilir.
Ses ve Gürültü
• 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.
•Ancak trafik gürültüsü,
makine gürültüsü gibi • Çok yüksek ses hoşa gitse
bile,
fizyolojik
ve
psikolojik
gürültüler çoğunlukla
rahatsızlığa neden olduğu
rahatsız edicidir.
için kontrol edilmelidir.
Desibel
• Ses basıncının birimi Pa (N/m2) 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
SPL = Lp = 10log 
 pref

2

 p
 = 20log 

 pref


• Referans ses basıncı:
p ref = 2 × 10 − 5 P a

 (dB)


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
Ses Basınç Düzeyi (dB)
Duyulabilir Bölge
Müzik
Konuşma
Duyma Eşiği
Frekans
Ses Basıncının Değişimi
• 1) zamana (t) , 2) ses kaynağından olan uzaklığa (x)
3) sesin frekansına (f) bağlıdır.
Genlik
Genlik
Genlik
Harmonik Ses Dalgaları (Arı Ses-Saf Ton)
FFT
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.
1

2
=  ∫ p (t ) dt 
T 0

T
prms
1/ 2
Burada,
p(t): ses basıncının zamana bağlı değerleri,
T: Toplam süre, periyodik dalgalar için periyot.
Harmonik dalgalar için: prms=(√2 /2) pgen
Ses (Yayılma) Hızı
Dalgaboyu
c
λ = cT =
f
c hava = 20.0457 ( 0 C+273.2)
−1
= 343.2 m / s
λ[m] = c[ms ]T[s]
Ses hızı ortamın fiziksel
özelliklerine (yoğunluk,
sıcaklık, gazın tipi vb.)
bağlıdır.
Partikül Hızı
Harmonik bir titreşimde, akustik kaynağın
yüzeyi genişleyip daralarak yüzeyindeki
Hava
Partikülleri 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.
Ses
Kaynağı
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
p
U =±
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/m2’dir. I ile
gösterilir.
• Kaynaktan olan uzaklık
arttıkça azalır.
•Ses basıncı ile partikül hızının çarpımlarının zaman ortalaması
olarak ifade edilir.
1T
I = ∫ p (t )U (t )dt
To
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 = ∫ IdS
S
P : Ses gücü [W],
I : Ses şiddeti [W/m2],
dS : Birim yüzey alanı
[m2].
Ses Gücü
Küresel Kaynak
Çizgisel Kaynak
l
Ölçüm yapılan sanal küre
Pküre = I max ( r ) ⋅ 4π r 2
Ölçüm yapılan silindir
Psilindir = I max (r ) ⋅ 2πrl
Ses Şiddeti Düzeyi, Ses Gücü Düzeyi
Ses Şiddeti Düzeyi (SIL):
 I 
LI [ dB] = 10 log 

 I ref 
I ref = 1×10
−12
Watt / m
Ses Gücü Düzeyi (SWL):
 W 
LW [dB] = 10 log 

 Wref 
Wref = 1× 10
−12
Watt
2
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 f1
f 0 = 2 f1 = f 2
LP
2
bw
bw = f 2 − f1
f1
f0 f 2
bw: Bant genişliği (band width)
Matematiksel olarak n oktav bandı:
f 2 = 2 f1
n
f0 =
f1 f 2
bw = f 2 − f1
Vibro-akustik analizlerde
n=1/1 veya 1/3 oktav
bantları kullanılır.
f
1/1 ve 1/3
Oktav
Bantlarının
Merkez
Frekansları
Ses Düzeyi
• Ses düzeyi, ses basınç düzeyinin belli bir
eğriye göre ağırlıklı olarak bulunmuş şeklidir.
• 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)= 85+(-10)=
47.7
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