dB ve Eş Gürlük Eğrileri
advertisement
dB ve Eş Gürlük Eğrileri Dr. Onur İ. İlkorur Makine Müh. Böl. Makine Teorisi, Sistem Dinamiği ve Kontrol A.B.D. ilkorur@yildiz.edu.tr www.yildiz.edu.tr/~ilkorur Titreşim ve Dalgalar Atmosfer Basit Matematik Referanslar Kulak ve Dinamik Aralık Matematiksel Gereksinimler Fiziksel Sınır Koşulları (Adet, Uzaklık, Güç) dB Uyumluluk ve Standartlaşma Model Kurabilme Yeteneği Atmosfer • 101325 Pa (N/m^2) Statik Basınca Sahip • İki Atomlu Gazdan oluştuğu kabul ediliyor • Sesin içindeki hızı 344 m/s (20 Derece) Titreşim ve Dalgalar • Referans seviye etrafında yapılan küçük yer değiştirme hareketleri Dalga Çeşitleri Düzlemsel Dalgalar Rayleigh Yüzey Dalgaları Akışkan Dalgaları Enine Dalgalar Kulağımız • 20Hz ile 20kHz arasında duyum sağlıyor (İki sınır arasında 1000 Kat fark bulunuyor) • Gözümüzün görme aralığı 0.4 ile 0.7 mikron dalga boyu (aralarında yaklaşık 2 kat fark var!) • 1 ile 10^-12 [Watt/m^2] ses yeğinliği aralığında duyum sağlıyor ve bu limitler kulağın dinamik aralığını belirliyor. • Gözün aralığı ise 1-1,000,000 (106) Ses Yeğinliği Birim zamanda yayılma doğrultusuna dik birim alandan geçen ses gücünün ortalama değeri olarak tanımlanır. (Watt/metre^2) P I A Referans Değeri : 1x1012 Watt / m2 W I 2 4 r Fiziksel Sınır Şartları • Ortamdaki kaynakların adedi ses basınç seviyesini nasıl değiştirebilir? • Kaynaklara gönderilen güç seviyesinin ses basınç seviyesi üzerindeki etkileri nelerdir? • Kaynaktan uzaklaştıkça ses basınç seviyesi nasıl değişir? • Kaynağın yeri, ortamdaki ses basınç seviyesine ne yönde etki eder? Matematiksel Gereksinimler • Ses Yeğinliği 1 ile 10^-12 arasında değer almaktadır. • Logaritma kullanılarak daha küçük sayılarla işlem yapabilmek mümkün olmaktadır. • Referans değere kıyasla kullanılacak oran birimsiz olacaktır. BEL ve dB • Ses yeğinliğini daha küçük sayılarla ifade edebilmek için Ses Yeğinlik Seviyesi : • Burada p basınç dalgasının genliği olarak ele alınmalıdır. Bir dalga ile taşınan güç genliğin karesi ile orantılıdır. (Bu nedenle dinamik mikrofonlar ses basıncı ile orantılı gerilim sinyali üretirler.) Ii I 10 log( ) I ref pi2 pi I p 10 log( 2 ) 20 log( ) pref pref Neden x10? • 10 dB = 1 Bel • Logaritmik oranın 10 ile çarpımı sonucun Bel yerine dB olarak elde edilmesini sağlar. • BEL : Bir telefon hattında 1.6 Km sonra oluşan ses sinyalindeki kaybı ifade eder. Orijinal adı Transmission Unit olan bu büyüklük sonra Alexander Graham Bell anısına BEL olacak şekilde değiştirilmiştir. Matematiksel Gösteriliş • ix(t)=p(t).vx(t) (Anlık Yeğinlik parçacık hızı ile basıncın çarpımına eşittir. • ix(t)=Pcos(ωt+ӨP)Vcos(ωt+ ӨV) sürekli hal için yazılırsa • ix(t)=PV2cos(2ωt+ ӨP+ Ө V)+PV2cos(Ө P−ӨV) • Trigonometrik sadeleşme ile elde edilir. • Sol kısmın ortalaması sıfıra gideceği için; Matematiksel Gösteriliş • Akustik Empedans tanımından; • Ve Komplex değişkenlerden; • Yararlanarak aşağıdaki ifadeye ulaşılır • Bu denklem yardımı ile Ses Yeğinliği ile Basınç arasında karesel bir oran olduğu gösterilmiş olur SES KAYNAĞI SES BASINCI SES GÜCÜ SES BASINÇ SEVİYESİ Pascal Watt/m^2 dB SPL 1 atmosfer basıncındaki ses dalgasının teorik limiti 101325 Pa 194 dB Krakatoa Yanardağı Patlaması (160 km, Havadan) 20000 Pa 180 dB Termo-Akustik Ses Kaynağı 12000 Pa 176 dB M1 Garand silahı 1 metreden 5000 Pa Ticari Jet 30 metreden 630 Pa Standart Tüfek 1 metreden 200 Pa Acı Sınırı 100 Pa Kısa zamanda kalıcı zarar sınırı 20 Pa 1 W/m2 yaklaşık 120 dB Ticari Jet 100 metreden 6 – 200 Pa 1x10-1 W/m2 110 – 140 dB Pnömatik çekiç 1 metre 2 Pa 1x10-2 W/m2 approx. 100 dB Uzun zamanda kalıcı zarar oluşabilme sınırı 1x104 W/m2 168 dB 150 dB 1x102 W/m2 140 dB 134 dB 6×10−1 Pa approx. 90 dB Ana Yol 10 metreden 2×10−1 – 6×10−1 Pa 1x10-4 W/m2 80 – 90 dB Otomobil 10 metreden 2×10−2 – 2×10−1 Pa 1x10-5 W/m2 60 – 80 dB Televizyon 1 metreden 2×10−2 Pa yaklaşık 60 dB Standart Konuşma 1 metreden 2×10−3 – 2×10−2 Pa 1x10-6 W/m2 40 – 60 dB Sessiz oda 2×10−4 – 6×10−4 Pa 1x10-10 W/m2 20 – 30 dB Ağaç yaprak sesi, sakin nefes alma 6×10−5 Pa 1x10-11 W/m2 10 dB 2 kHz’de belirlenen duyma eşiği 2×10−5 Pa 1x10-12 W/m2 0 dB Cevaplar • Kaynak Adedi, (Logaritmik Toplam) SPL 10 log( 10 SPL1. Kaynak 10 10 SPL2. Kaynak 10 10 SPLn . Kaynak 10 ) Wattkaynak • Giriş Gücü Artması ya SPLR SPLi 10 log( ) da Azalması, (Güç Wref Oranı!) Mesafe [m] SPLd SPLi 20 log( ) • Uzaklığın Değişimi M ref Not : Kaynaklar nokta kaynak ve asılı konumdadır. Referans uzaklık 1m referans güç 1 Watt’tır Konuma Göre Değişimler Sesin Yayıldığı Uzay Kaynaktan R metre uzakta Basınç Güç Yeğinlik Kaynak Havada Asılı 4π p w I Kaynak Duvarın Ortasında 2π 2p 2w 4I Kaynak Duvar ile Yer kenarında π 4p 4w 16I Kaynak Köşede π/2 8p 8w 64I Konuma Göre Değişimler Cevaplar • Ne zaman 20.log ne zaman 10.log kullanacağımız karşır mı? Değişken 10.log(R) Akustik Güç x Yeğinlik x 20.log(R) Parçacık Hızı x Basınç x Elektriksel Güç x Akım x Gerilim x Mesafe x Örnekler • Kullandığımız kayıt aletlerinin dinamik aralığını 32000’e 1 olarak değil 90 dB olarak veriyoruz. (20*log(32000)) • 1 watt’a karşılık 100 dB üreten bir hoparlöre 0.22 Watt gönderildiğinde ses basınç seviyesi nasıl değişir? SPL=100dB+10*log(0.22) =100dB-6.575 =93.42 dB • 100dB ses basınç seviyesi olan bir hoparlöre eş başka bir hoparlörün birlikte çalıştırılmaları ile toplam ses basınç seviyesi nasıl değişir? SPL=10*log(10^(100/10)+10^(100/10)) =10*10.301 =103.01dB Örnekler • Aynı hoparlöre 2 kat daha fazla güç gönderildiğine sonuç ne olur? SPL=100dB+10*log(2) =100dB+3.01 =103 dB • 1 metre uzaklıkta 100 dB üreten bir hoparlörün 2 metre uzakta ürettiği ses basınç seviyesi nasıl hesaplanır? SPL=100dB-20*log(2) =100dB-6.02 =93.979dB Eş Gürlük Eğrileri (Phon) Sone dBA, dBB, dBC filtreleri Sone dB Phon Eş Gürlük Eğrileri • 1933’de Bell Laboratuvarlarında yapılan deneylerde elde edilen istatistiki sonuçlara göre hazırlanmıştır. (I.S.O. 226) • 1000 Hz’den geçen eğriye göre isim almaktadırlar. Örnek olarak 1000 Hz’de 40 dB olan eğriye 40 phon eğrisi denir. • Tüm değerler 1000 Hz’deki referans seviyesine kıyasla hazırlanmıştır. • Fiziksel bir büyüklük olan dB’e karşın Phon subjectif bir değerdir. Eş Gürlük Eğrileri Eş Gürlük Eğrileri • Eş gürlük eğrileri ses basınç düzeyine ve frekansa bağlı olarak değişmektedir. • Eş gürlük eğrileri ses basınç seviyesinin artması ile daha doğrusal bir karakter almaktadır. • 30 phon eğrisine göre 1000 Hz’i 30 dB olarak değerlendirirken 20 Hz’de aynı duyulanmayı sağlamak için 58 dB’e daha ihtiyaç duyulmaktadır, aynı frekanslar için 90 phon eğrisi üzerinde 32 dB’e ihtiyaç duyulmaktadır Eş Gürlük Eğrileri Gürlük Algılaması ve Sone • Phon gürlük seviyesi hakkında bilgi verir fakat kulağın gürlüğe verdiği cevap hakkında bilgi veremez. • Deneyler, ses basınç seviyesindeki 10 dB’lik artımın kişilerce gürlüğün iki kat artması olarak algılandığını göstermiştir. • Benzer şekilde ses basınç seviyesindeki 10 dB azalma, gürlüğün iki kat azalması olarak algılanmaktadır. • Farklı araştırmacılar bu değerin 6 dB olması konusunu gündeme getirmektedir • Standart olarak Sone birimi seçilmiştir • Subjektif bir büyüklüktür Phon ve Sone Karşılaştırması Phon ve Sone Karşılaştırması Gürlük Seviyesi phon 100 80 60 40 20 Subjektif Gürlük sone 64 16 4 1 0.25 Kaynak Kamyon (1 Metre) Bağırarak Konuşma Normal Konuşma Sessiz Oda Kayıt Stüdyosu dBA, dBB, dBC Filtreleri • Ortaya çıkış nedenleri ortamdaki ses basınç seviyesini ölçüm sistemleri ile insan kulağı gibi değerlendirebilmek • Phon eğrilerinden elde edilen istatistiki sonuçlar esas alınarak oluşturulmuşlardır. • Farklı ses seviyelerinde farklı filtreler kullanılmalıdır. Örnek Olarak A-Filtresi Filtrelerin Toplu Gösterimi Kullanıldıkları Aralıklara Göre Filtreler A Filtresi B Filtresi C Filtresi Alt Frekans Limiti 20 55 85 Üst Frekans Limiti 55 85 140 Kaynaklar • • • • • • http://www.kettering.edu/~drussell/demos.html Alton Everest, Master Handbook of Acoustics L. L. Beranek, Acoustics H. F. Olson, Engineering Acoustics Brüel&Kjaer Ses Ölçüm Notları http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbase/hph.html • Yapı Akustiği Ders Notları Sorular ve Değerlendirmeler
