6. Äänitasomittauksia Fysiikka IIZF2020

6. Äänitasomittauksia Fysiikka IIZF2020 Juha Jokinen (Selostuksesta vastaava) Janne Kivimäki Antti Lahti Mittauspäivä: 10.2.2009 Laboratoriotyön selostus 21.2.2009 Audio measurements. In this physics assignment we measured the frequency response of a speaker with a frequency range of 50Hz to 16kHz. We also measured the amount of noise from an air flow device at frequencies from 20Hz to 20kHz and the total sound intensity level. A hairdryer was used as the noise source. In the speaker experiment, results didn t quite match with the speaker manufacturer s information, but this may be due to background noise or another aspects, such as the presence of us in the room, that may have affected the measurement. However, we clearly saw from the results how A-weighting effect the results. In the experiment concerning the noice source we found out that a hairdryer isn t very loud but used constantly may be a bit irritating to the ear. Tietotekniikka IIT8S1

1 (13) Sisältö Sisältö 1 1. Ääni ja sen mittaaminen 2 1.1 Äänen intensiteetti ja äänienergia 2 1.2. Melu 3 2. Teoreettiset lähtökohdat 4 3. Kokeelliset menetelmät ja mittauslaitteisto 5 4. Tulokset 6 4.1 A-Työ: Kaiuttimen ominaiskäyrä. 6 4.2 B-Työ: Meluanalyysi 7 4.3 Virhearviot 8 5. Tulosten tarkastelu ja johtopäätökset 9 Liite 1. Äänenpainetason painotustaulukko. 11 Liite 2: Kaavio eri painotusten vaikutuksesta äänitasoon. 12 Liite 3: Mittauspöytäkirja 13

2 (13) 1. Ääni ja sen mittaaminen 1.1 Äänen intensiteetti ja äänienergia Ääni käsitetään väliaineessa liikkuvaksi pitkittäiseksi aaltoliikkeeksi. Ääni ei voi liikkua tyhjiössä joten sen nopeus, toisin kuin valon nopeus, riippuu väliaineesta jossa ääni kulkee. Ihmisen korva erottaa ääniä joiden taajuus on 16Hz 20kHz. Yli 16kHz taajuuksiset äänet ovat ultraäänia ja alle 16Hz infraääniä. Puhtaan sinimuotoisen ääniaallon ollessa kyseessä puhutaan ääneksestä. Tällöin tarkasteltava ääniaalto koostuu ainoastaan yhdestä sinimuotoisesta ääniaallosta. Äänen teho P on äänilähteestä poistuva äänienergia. Jos tarkastellaan äänilähdettä pistemäisenä lähettimenä, siitä lähtevä ääniaalto etenee palloaaltona säteittäisesti. Tällöin äänen intensiteetti on kääntäen verrannollinen etäisyyden neliöön. Äänen tehoa ja intensiteettiä ei voida mitata suoraan mutta ne voidaan laskea mitatusta äänen paineesta. Ihmisen korva voi havaita äänenpaineen vaihtelut aina 20 mikropascalista (vastaa äänen intensiteettiä 10-12 W/m 2 ) 20 Pascaliin (1,0 W/m 2 ). Koska saatu mitta-alue on varsin laaja, käytetään logaritmista mitta-asteikkoa, jonka yksikkö on desibeli.

3 (13) 1.2. Melu Melulle ei varsinaisesti löydy mitattavaa suuretta, koska melun ominaisuus riippuu kuulijasta. Koska ihmisen korva kuulee eri taajuuksiset äänet voimakkaampina kuin toiset, on järkevää mitata ääntä samalla tavoin kuin korva sen kuulee. Koska korva ei ole kaikista matalimmille ja korkeimmille taajuuksille herkkä, voidaan niitä painottaa vähemmän kuin muita taajuuksia. Näin saadaan äänenpainetasolle tietty painotusmalli, joista yleisin on ns. A-painotus. Mittauksen A-painotettu tulos ilmoitetaan [ L A ] = db tai lisäämällä kirjain A yksikön perään: [ L ] = dba. Puhutaan A-painotetusta äänitasosta, kun taas käsitellään äänenpainetasoa ilman painotuksia, yksikkönä [ L Lin ] = db. Äänitasomittari mittaa varsinaisesti äänen tehollista painetta ja siitä yleensä löytyy useampia suodattimia. Käyttäen A-suodatinta mittarin mikrofoniin tulevaa painetta painotetaan samoin kuin ihmiskorva sen kuulisi. Melutaso mitataan taajuuskaistoittain äänitasomittarilla, josta löytyy A-painotus. Taulukko ja kaavio eri painotusten vaikutuksesta äänenpainetasoon löytyvät liitteistä 1 ja 2.

4 (13) 2. Teoreettiset lähtökohdat Kun äänienergia leikkaa pintaa, jonka ala on A, voidaan laskea äänen intensiteetti: P I = (1) A Äänentehotaso kuvaa äänikentän aiheuttajan eli äänilähteen synnyttämää äänentehoa: L P = 10 log (P / P 0 ) (2) missä vertailuteho P 0 = 10-12 W = 1,0 pw. Äänen intensiteettitaso L I taas määritellään: missä vertailuintensiteetti I 0 = 10-12 W/m 2. Äänenpainetaso L p saadaan yhtälöstä: L = 10 lg(i / I 0 ) (3) L p = 20 lg (p / p 0 ), (4) jossa vertailupaine p 0 = 20 µpa. Näin intensiteetti- ja äänenpainetasot saadaan arvoiltaan toisiaan vastaaviksi. Kokonaisäänenpainetaso kertoo eri taajuuksisien osaäänien yhdistetyn painetason. Se saadaan yhtälöstä: L p L 1 L 2 10dB 10dB 10dB = 10 lg(10 + 10 +... + 10 ) db (5) L N missä L 1,L 2,...,L N ovat oasäänien äänenpainetasot ja L p kokonaisäänenpainetaso. Tällä kaavalla voidaan laskea myös kokonaismelutaso kun tiedetään osaäänien äänenpainetasot.

5 (13) 3. Kokeelliset menetelmät ja mittauslaitteisto Mittasimme kaiuttimen ominaiskäyrää (A-työ) syöttämällä siihen äänitaajuusgeneraattorista vakiomuotoista siniaaltoa. Siniaallon jännitteeksi säädettiin 500mV joka tarkistettiin jokaisen taajuuden kohdalla, koska taajuutta säädettäessä generaattorin antama amplitudi muuttui. Mittari pidettiin noin metrin päässä kolmijalalla tuettuna kaiuttimen tasalla. Mittarilla mitattiin A-painotettua äänitasoa käyttäen taajuuksia 50Hz 16kHz. Jokaista taajuutta mitattiin kymmenen sekunnin ajan ja tulokseksi saatiin äänitasomittarin antama keskiarvo. Virhettä pyrittiin minimoimaan pysyttelemällä etäällä mittauslaitteistosta itse mittauksen ajan. Melumittaus (B-työ) suoritettiin mittaamalla toisella äänitasomittarilla noin metrin etäisyydeltä melulähteestä, tässä tapauksessa hiustenkuivaaja, A-painotettuna taajuuskaistoilta 20Hz 20kHz. Lisäksi mittasimme myös kymmenen sekunnin ajalta kokonaisäänenpainetason L A (kok). Mittauksissa käytetty mittalaitteisto: Kaiutin Radiotehnika Supersound S-150 Signaaligeneraattori Wavetek 1011 Yleismittari Fluke 179 U ± 0.1%, f ± 0.1% Äänitasomittari 1 (A-työ) Extech 407780 L ± 0.5% Melulähde Hiustenkuivaaja Äänitasomittari 2 (B-työ) NTI A6 AL1 Acoustilyzer + NTI MiniSPL mikrofoni L ± 1.5dB

6 (13) 4. Tulokset 4.1 A-Työ: Kaiuttimen ominaiskäyrä. Taulukko 1: Kaiuttimen äänitaso taajuuden funktiona sekä laskemalla saatu painottamaton äänenpainetaso. f Hz L A (f) db L Lin (f) db 50 43,2 73,4 100 55,0 74,1 200 63,2 74,1 400 71,0 75,8 800 73,6 74,4 1000 75,2 75,2 2000 71,8 70,6 4000 73,8 72,8 8000 82,3 83,4 12000 76,4 80,7 16000 64,7 71,3 90 85 80 75 LLin(f) db LA / LLin (f) db 70 65 60 55 50 LA(f) db 45 40 10 100 1000 10000 100000 f Hz Kaavio 1: Kaiuttimen äänitaso L A sekä laskemalla saatu äänenpainetaso L Lin taajuuden f kuvaajana. L Lin on laskettu seuraavasti: L Lin (f) = L A (f) L A2 (f) (6) jossa L A2 on A-painotettu suhteellinen äänenpainetaso, kun L A = 0 db. (Ks. Liite 1)

7 (13) 4.2 B-Työ: Meluanalyysi Taulukko 2: Melulähteen äänitaso taajuusalueittain. f Hz LA(f) db 20 25,4 25 32,5 31,5 36,2 40 38,3 50 42,0 63 42,4 80 42,6 100 47,3 125 44,7 160 43,5 200 41,2 250 40,7 315 41,0 400 44,0 500 52,3 630 59,1 f Hz LA (f) db 800 58,3 1000 56,6 1250 55,4 1600 56,9 2000 55,1 2500 52,9 3150 54,1 4000 55,8 5000 56,4 6300 51,7 8000 44,8 10000 40,0 12500 33,6 16000 25,4 20000 17,6 Mitattu kokonaisäänenpainetaso LA (kok): 67,0 db Kokonaisäänenpainetaso myös laskettiin käyttäen kaavaa (5): 25.4 db 32.5 db 17.6 db L A ( kok ) = 10 lg( 10 + 10 +... + 10 ) db = 67. 0 db 70,0 LA (kok) 60,0 50,0 LA(f) db 40,0 LA(f) db 30,0 20,0 10,0 10 100 1000 10000 100000 f Hz Kaavio 2: Melulähteen äänitaso taajuusalueittan sekä kokonaisäänenpainetaso(t).

8 (13) 4.3 Virhearviot A-Työssä mittauslaitteiston tarkkuus on ± 0.5% -> virhearvioksi saadaan enimmillään 0,412dB kun f = 8000. Tästä ja mittaustilanteessa vallitsevista olosuhteista johtuen arvioin lopulliseksi virhearvioksi L A ± 0.5dB. B-Työssä äänitasomittarin tarkkuus oli ± 1.5dB. Lasketun äänenpaineen virherajoiksi saadaan: 25.4 db 1.5 db 32.5 db 1.5 db 17.6 db 1.5 db L A min = 10 lg(10 + 10 +... + 10 ) db = 65. 5dB 25.4 db + 1.5 db 32.5 db + 1.5 db 17.6 db + 1.5 db L A max = 10 lg(10 + 10 +... + 10 ) db = 68. 5dB Jolloin virhearvioksi tulee sama ± 1.5dB ja lopulliseksi lasketuksi äänenpainetasoksi saadaan L A (kok) = 67.0 ± 1.5 db.

9 (13) 5. Tulosten tarkastelu ja johtopäätökset A-työssä saaduista tuloksista (Taulukko 1, Kaavio 1) nähdään selvästi, kuinka A- painotus toimii. Alle 100 hertsin taajuuksilla ihmisen korvan kuulema äänitaso on varsin pieni vaikka todellisuudessa kaiuttimen tuottama äänenpaine on vielä kovin tasaista. Äänitasossa on pieni notkahdus noin 1kHz ja 5kHz välissä sekä huippukohta vähän ennen kymmentä kilohertsiä. Verrattaessa tätä kuvaajaa kaiuttimen kyljessä olleeseen taajuusvastekuvaajan nähtiin selvä poikkeus korkeilla taajuuksilla. Tämä johtuu todennäköisesti mittaukseen vaikuttaneista ulkoisista tekijöistä, kuten taustamelusta. Lisäksi kuinka tarkkaan kaiuttimen valmistaja todellisuudessa on ilmoittanut taajuusvasteen? B-työn tuloksista (Taulukko 2, Kaavio 2) huomaa, kuinka hiustenkuivaajan pitämä ääni on suhteellisen hiljaista melua, ja ilmenee suurimpana, 50-60 db, taajuusalueella 1kHz 10kHz. Kokonaisäänenpainetasokin on vain 67dB joka vastaa normaalin puheen tuottamaa äänitasoa. Tämä siis mitattuna metrin päästä, käyttötilannetta ajatellen (etäisyys korvasta joitakin senttejä) äänitaso voi olla jopa 70-80 desibeliä. Hiustenkuivaajan käyttöastetta miettien tämä ei vielä vaurioita kuuloa mutta ei se kovin miellyttävääkään ihmiskorvalle ole, pitempään käytettynä se saattaa aiheuttaa jopa tinnitusta eli korvien vinkunaa. Kokonaisäänenpainetasoa tarkasteltaessa mitattu tulos vastasi täysin laskettua arvoa. Tuloksista näkee myös kuinka useat osataajuuksien äänitasot summautuvat kokonaisäänenpainetasoon. Tulosten tarkkuus jäi hieman epäilyttämään, mittauspaikka ei ollut mitenkään optimaalinen, sivuluokista kantautuva taustamelu vaikutti varmasti lopputulokseen. Lisäksi kun meitä oli kolme mittaamassa, saatoimma tahtomattamme vaikuttaa lopputulokseen ehkä jo pelkällä läsnäolollamme, sillä ääniaallot saattoivat heijastua meistä.

Lähteet [1] Teknistä akustiikkaa, http://koti.welho.com/slemmett/tieto/akutek.htm, Sami Lemmetty, viitattu 18.2.2009. Lisäksi Fysiikan laboratoriotöiden työohje, tekijää ei mainittu. 10 (13)

11 (13) Liite 1. Äänenpainetason painotustaulukko. Taajuus [Hz] A-painotus [db] B-painotus [db] C-painotus [db] 10-70,4-38,2-14,3 12,5-63,4-33,2-11,2 16-56,7-28,5-8,5 20-50,5-24,2-6,2 25-44,7-20,4-4,4 31,5-39,4-17,1-3,0 40-34,6-14,2-2,0 50-30,2-11,6-1,3 63-26,2-9,3-0,8 80-22,5-7,4-0,5 100-19,1-5,6-0,3 125-16,1-4,2-0,2 160-13,4-3,0-0,1 200-10,9-2,0 0 250-8,6-1,3 0 315-6,6-0,8 0 400-4,8-0,5 0 500-3,2-0,3 0 630-1,9-0,1 0 800-0,8 0 0 1000 0 0 0 1250 0,6 0 0 1600 1,0 0-0,1 2000 1,2-0,1-0,2 2500 1,3-0,2-0,3 3150 1,2-0,4-0,5 4000 1,0-0,7-0,8 5000 0,5-1,2-1,3 6300-0,1-1,9-2,0 8000-1,1-2,9-3,0 10000-2,5-4,3-4,4 12500-4,3-6,1-6,2 16000-6,6-8,4-8,5 20000-9,3-11,1-11,2 Taulukko: Sami Lemmetty, http://koti.welho.com/slemmett/tieto/akutek.htm.

Liite 2: Kaavio eri painotusten vaikutuksesta äänitasoon. 12 (13) Kuva: Sami Lemmetty, http://koti.welho.com/slemmett/tieto/akutek.htm.