Hangjelző rendszerek tervezése - kulcsfontosságú tényezők
1. A hang intenzitása
A hang intenzitása a hangnyomás szubjektív érzékelése. Minden embernek más a hangerőérzékelése, ami azt jelenti, hogy a hangerő objektíven nem mérhető. A hang intenzitása (I) azt fejezi ki, hogy egységnyi felületen egységnyi idő alatt mennyi hangenergia halad át. Másképpen fogalmazva, a hangforrás által kibocsátott hangteljesítmény (P) és a hanghullámok által érintett felület (A) hányadosa:
I=AP
A hang intenzitásának SI mértékegysége a watt per négyzetméter (W/m2). A mindennapi életben tapasztalható hangok intenzitása rendkívül széles tartományban változhat, a suttogástól (10−12W/m2) a sugárhajtómű hangjáig (102W/m2).
2. A hangintenzitás szintje (dB)
A hang intenzitásának széles skálája miatt a gyakorlatban gyakran egy logaritmikus skálát, a decibelt (dB) használják a hangintenzitás szintjének (SIL – Sound Intensity Level) kifejezésére. A hangintenzitás szintjét egy referencia intenzitáshoz (I0=10−12W/m2, ami megközelítőleg az emberi hallásküszöbnek felel meg 1 kHz-en) viszonyítva definiálják:
SIL(dB)=10⋅log10(I0I)
A decibel skála előnye, hogy a hangintenzitás nagymértékű változásait egy kisebb, jobban kezelhető számtartományban ábrázolja. Például egy 10−10W/m2 intenzitású hang intenzitás szintje:
SIL(dB)=10⋅log10(10−1210−10)=10⋅log10(100)=10⋅2=20dB
3. A hangfrekvencia
A hangfrekvencia (f) azt adja meg, hogy a hangforrás másodpercenként hányszor rezeg. Mértékegysége a hertz (Hz). Az emberi hallás általában a 20 Hz és 20 000 Hz (20 kHz) közötti frekvenciatartományt öleli fel. Az alacsony frekvenciájú hangokat mélynek, a magas frekvenciájú hangokat pedig magasnak érzékeljük. A hangjelzők kiválasztásakor a frekvencia fontos szerepet játszik a jelzés észlelhetőségében és azonosíthatóságában. Különböző alkalmazásokhoz eltérő frekvenciatartományú hangjelzések lehetnek optimálisak.
4. A hangnyomás
A hangnyomás (p) a hanghullámok által a közeg (általában a levegő) nyomásában okozott lokális eltérést jelenti a statikus légköri nyomáshoz képest. Mértékegysége a pascal (Pa). A hang intenzitása arányos a hangnyomás négyzetével:
I∝p2
A hangnyomásszint (SPL – Sound Pressure Level) hasonlóan a hangintenzitás szintjéhez, egy logaritmikus skálán kerül kifejezésre, egy referencia hangnyomáshoz (p0=20μPa=20⋅10−6Pa, ami megközelítőleg az emberi hallásküszöbnek felel meg 1 kHz-en) viszonyítva:
SPL(dB)=20⋅log10(p0p)
Fontos megjegyezni, hogy a hangintenzitás szintje és a hangnyomásszint értéke szabad térben, távoli hangforrás esetén megegyezik.
5. Mik azok a hanghullámok?
A hanghullám intenzitása egy longitudinális hullám, amelynek hatására hangokat hallunk. A hangforrásuktól terjednek (pl. nyomáshullámok formájában). Az emberek 16 és 20 000 Hz közötti frekvenciatartományban hallhatnak hangokat. A 20 Hz alatti frekvenciákat általában nem igazán halljuk, hanem inkább érezzük.
6. Mi a hangnyomásszint?
A hangnyomásszint a hangerő mértéke. Az emberi fül 0,00002 pascal (Pa) és körülbelül 20 Pa közötti hangnyomástartományt képes érzékelni. Ez utóbbi már a felső hallásküszöb, amelyet a magas hangnyomás miatt "fájdalomküszöbnek" is neveznek. A legkisebb éppen hallható hangnyomás egy 1 kHz-es hangé.
A hangnyomás kiszámításához a következő képlet használható:
L=20⋅log10(p0p)
ahol:
L: hangnyomásszint
p: effektív hangnyomás [Pa]
p0: referencia hangnyomás (p0=0,00002 Pa)
7. A hangintenzitás mérése
A hangintenzitás közvetlen mérése speciális eszközökkel, úgynevezett intenzitásmérő szondákkal történik. Ezek a szondák általában két egymáshoz közeli mikrofont tartalmaznak, amelyek segítségével a hangnyomás gradiensét mérik, és ebből számítják ki a hang intenzitását. A hangintenzitás mérése lehetővé teszi a hangenergia áramlásának irányának és nagyságának a meghatározását, ami különösen hasznos lehet zajforrások azonosításában és zajcsökkentési intézkedések tervezésében.
A gyakorlatban azonban gyakrabban a hangnyomást mérik hangnyomásmérővel (decibelmérővel) és ebből következtetnek a hang intenzitására, feltételezve bizonyos terjedési körülményeket (pl. szabad tér). A hangnyomásmérők különböző súlyozási görbéket (pl. A, C, Z) alkalmazhatnak, amelyek az emberi fül frekvenciaérzékenységét veszik figyelembe. A leggyakrabban használt az A-súlyozás (dBA), amely a közepes hangerősségű hangokra érzékenyebb és jobban korrelál az emberi hallásérzettel.
8. Mit jelent a dB?
A decibel (dB) egy logaritmikus arányskála, amely két mennyiség hányadosának logaritmusát fejezi ki szorozva tízzel (teljesítményarány esetén) vagy hússzal (térváltozó arány esetén, mint a nyomás). A logaritmikus skála használata lehetővé teszi a nagyon nagy tartományban változó értékek tömörebb és jobban áttekinthető ábrázolását. Emellett a fülünk is közelítőleg logaritmikus módon érzékeli a hangerősséget, így a decibel skála jobban tükrözi a szubjektív hangosságérzetet.
Kétszer nagyobb decibel érték kétszer olyan hangosat jelent?
Nem, egy kétszer nagyobb decibel érték nem jelenti azt, hogy a hang kétszer hangosabbnak érzékeljük. A decibel skála logaritmikus, így a hangerősség érzetének változása nem lineáris a decibel értékének változásával. Nagyjából 10 dB-es hangnyomásszint-emelkedés eredményezi a hang kétszer olyan hangosnak érzékelését. Például egy 60 dB-es hang kétszer olyan hangosnak tűnik, mint egy 50 dB-es hang. Egy 20 dB-es emelkedés pedig körülbelül négyszeres hangosságérzetet eredményez.
A hangosság szubjektív érzet, amelyet a hang intenzitása és frekvenciája egyaránt befolyásol. Az emberi fül nem minden frekvenciára egyformán érzékeny. Azonos hangnyomásszint mellett a középfrekvenciás hangokat (kb. 1 kHz - 4 kHz) hangosabbnak érzékeljük, mint az alacsony vagy magas frekvenciájú hangokat.
Gyakorlati példa a távolság és a hangnyomásszint összefüggésére
A hangnyomásszint a távolsággal fordítottan arányos. Ez azt jelenti, hogy a távolság növekedésével a hangnyomásszint csökken. Ideális esetben, pontszerű hangforrás esetén, a hangnyomásszint a távolság kétszeresére csökkenve 6 dB-lel csökken.
Tegyük fel, hogy van egy hangforrásunk, amely 1 méterről 100 dB hangnyomásszintet produkál. A következő táblázat megmutatja, hogyan változik a hangnyomásszint a távolság növekedésével:
| Távolság (m) |
Hangnyomásszint dB
|
| 1
|
100
|
| 2
|
94
|
| 3
|
90
|
| 5
|
86
|
| 10
|
80
|
| 20
|
74
|
| 30
|
70
|
| 50
|
66
|
| 100
|
60
|
| 200
|
54
|
| 500
|
46
|
Összefoglalás
A hangjelző kiválasztásakor elengedhetetlen a hang fizikai jellemzőinek – intenzitásának, intenzitás szintjének (dB), frekvenciájának és nyomásának – alapos ismerete. A decibel egy logaritmikus egység, amely a hang intenzitásának vagy nyomásának egy referenciaértékhez viszonyított arányát fejezi ki. Fontos megérteni, hogy a decibel skála logaritmikus természete miatt a decibel értékének lineáris növekedése nem jelent lineáris növekedést a hangosságérzetben. A megfelelő hangjelző kiválasztása a specifikus alkalmazási követelményektől, a környezeti zajszinttől és a kívánt észlelhetőségtől függ. A szakembereknek tisztában kell lenniük ezekkel az alapelvekkel ahhoz, hogy hatékony és biztonságos hangjelző rendszereket tervezhessenek és üzemeltethessenek.
