Helivaljus, helivaljuse kõverad ja müra keskkonnas (0)

Referaat

Helivaljus, helivaljuse kõverad ja müra keskkonnas
12/04/2009

Sissejuhatus

Järgnevas referaadist käsitlen teemasid , mis puudutavad helivaljust ja müra keskkonnas. Referaat on tehtud vabale netientsüklopeediale Vikipeedia ja keskkonnafüüsika praktikumi juhendile toetudes ning eeldab, et antud teemaga on praktikumi jooksul lähemalt tutvust tehtud. Mina kahjuks praktikumi käigus kuuldelävede ja müra taseme mõõtmisega kokku ei puutunud, kuna vastavad aparaadid olid lihtsalt vigased. Seega piirdub minu ettekanne üldise informatsiooniga ning ei lasku arvutustesse. Referaadis toon aga välja ka mõned põhivalemid.
Enne, kui põhiteemade juurde pöördun, räägin natuke ka helist kui füüsikalisest nähtusest ning selle omadustest.

Heli

Heli on keskkonnas leviv elastsuslaine (gaasis või vedelikus - pikilaine , tahkes - ka ristlaine ) võnkumine, mis levib õhus kiirusega 344 m/s. Füsioloogiliselt suudab normaalse kuulmisega inimene tajuda õhus levivaid helisid võnkesagedusega 16 kuni 20 000 Hz (väikelapsed isegi kuni 40 000 Hz). Tajupiiridest kõrgemad ja madalamad sagedused on vastavalt ultraheli ja infraheli . Kuuldelävi (vaikseim heli, mida tajutakse) sõltub sagedusest, aga on umbes 0 dB lähedal; valulävi (millest tugevam heli põhjustab kuuldeelundites valu) on umbes 130 dB lähedal.
Helikõrguse määrab põhitooni sagedus, tämbri määrab sageduste spekter ning helitugevuse lainete intensiivsus. Heliallika elastne keha on võimeline võnkuma üheaegselt nii tervikuna (põhisagedus) kui ka selle korrapäraste osadena (ülemhelidena). Elastse keha võnkumisena tekkival helil on 4 põhiomadust:

• Võnkumise koostis kui võnkumises osaleva elastse keha osade võnkumine, mille tõttu elastne keha on võimeline võnkuma nii tervikuna kui ka osadena (võrdub muusikalise heli kõlavärviga ehk tämbriga)
  
• Põhivõnkumise ulatus ehk helivaljus ehk amplituud kui kaugus keskasendist äärmisesse asendisse on võnkumise suurus ehk intensiivsus, mis oleneb sisendatud energia kogusest. (võrdub muusikalise heli helitugevusega)
  
• Põhivõnkumise kestus ehk helikestus kui võnkumise jätkuvus, mis oleneb sisestatud energia-impulsside arvust ja nende pikkusest, st energia liigendatusest (võrdub muusikalise heli helivältusega)
  
• Põhivõnkumise sagedus ehk helisagedus kui võnkumise kiirus, mis oleneb keha kogusest (võrdub muusikalise heli helikõrgusega)
  

Heli kui füüsikalist nähtust iseloomustavad heli füüsikalised omadused. Kui heli läbib inimese kuulmiselundid, teiseneb füüsikaline heli füsioloogiliseks heliks ehk tekib kuulmine. Füsioloogiline heli muutub psüühiliseks ehk muusikaliseks heliks. Tekib helitaju. Heli muusikaliste omaduste peamine erinevus heli füüsikalistest omadustest seisneb selles, et inimkõrv pole võimeline tajuma väga väikeseid nihkeid heli füüsikalistes omadustes. Alles muutuste lähenemisel teatud piirini registreerib inimene selle muutusena ka muusikalises omaduses. See seaduspära on omane ka teistele aistinguliikidele ja on tuntud psühholoogias kui Weberi seadus: ärrituse suuruse lisa, mis on vajalik ärrituse suuruse muutumise märkamiseks, on kindlas suhtes ärrituse varasema suurusega. Seetõttu on erinevaid võnkesagedusi palju rohkem kui erinevaid heli kõrgusi. Erinevaid võnkeintensiivsusi palju rohkem kui heli tugevusi jne. Näiteks võnkeintensiivsuse kasvamise 10, 100, 1000 jne. korda registreerib kõrv selle muutusena heli tugevuses 1, 2, 3 jne. ühiku võrra. Muutusi võnkesagedustes 16 hertsilt 32 hertsile, 64 Hz-le, 128 Hz-le jne. kõrv tajub muutustena heli kõrguses 1, 2, 3 jne. oktaavi võrra. Seega tajub kõrv heli muutusi logaritmilise skaala järgi.

Helivaljus

Helivaljus L on heli intensiivsuse I tajumise sõltuvus helikõrgusest ehk helisagedusest. Helisagedus on helivõngete arv sekundis ja mõõdetakse hertsides (Hz). Inimene kuuleb helisagedusest ainult põhivõnkesagedust.
Helivaljuse süsteemiväliseks akustiliseks mõõtühikuks etalonhelisagedusel 1000 Hz on foon . Mingi teise sagedusega heli valjuse määramiseks kasutatakse audiomeetrit. Tundmatu heli poolt põhjustatud heliaistingu tugevust võrreldakse kuulmise teel standartse helitaseme ehk heli nullnivooga, milleks on etalonheli tugevus sagedusel 1000 Hz. Tundmatu heli helinivoo väljaselgitamiseks reguleeritakse audiomeetrit kuni aistingute subjektiivse võrdsustumiseni.
Helitugevuse muutust ei taju inimene kuulmistaju logaritmilise iseloomu tõttu mitte absoluutse, vaid suhtelisena. Seetõttu ei väljendata helitugevuse muutust iseloomustavaid suurusi mitte absoluutsetelt (näiteks: W/m2), vaid suhteliste ühikute logaritmina – detsibellides (1db = 1/10 belli )– standardsete nulltasemete suhtes. Seega helitaset ehk helinivood N (detsibellides) standardse nulltaseme suhtes arvutatakse valemiga:
N=10lg(I/Io),
kus I on helitugevus ning Io on inimese kuuldelävi.
1000 Hz heli valjus on 1 foon, kui tema helitase on 1 detsibell .
Igal skaalal peab olema mingi nullpunkt , millest algavad lugemid positiivses või negatiivses suunas. Heli intensiivsuste puhul on lähtepunktiks kuuldelävi (minimaalne heli intensiivsus või rõhk, mida tajutakse helina), mida nimetatakse nullnivooks. Nii saamegi skaala detsibellides, millele ei ole märgitud heli intensiivsuse arvulised väärtused, vaid heli intensiivsused detsibellides.
Helivaljuse taju sõltuvust helikõrgusest ehk helisagedusest väljendab helivaljuse mõõtühik foon. 1000 Hz-lise heli tugevus detsibellides on võrdne sama heli valjusega foonides.
Helivaljus on heli intensiivsuse subjektiivne taju. Sõltub intensiivsusest (või helirõhust) ja sagedusest. Helilainete intensiivsus on ühtlasi ka heliallika võnkeamplituud. Amplituud on võnkekõvera harja maksimaalne kaugus keskjoonest ehk tasakaaluolekust ja see iseloomustab helitugevust. Mida suurem on võnkeamplituud, seda valjem on ka tekkiv heli. Kaudselt iseloomustab amplituud ka seda, kui suurt jõudu rakendati (kui palju energiat kulus) heli tekitamiseks. Üldjuhul, mida rohkem kulutatakse energiat, seda suurem on saavutatav võnkeamplituud ja seda tugevam heli tekib. Amplituudi muutmine (heli valjemaks/vaiksemaks) ei oma mingit mõju selle sagedusele ning vastupidi.
Miks räägitakse helivaljusest detsibellides? Tavaliselt mõõdetakse heliallikate helivaljusi, kuid nende helispekter sisaldab palju helisagedusi. See tähendab, et heliallika heli pole puhas siinustoon. Rikkaliku spektriga on ka müraallikate poolt tekitatavad helivõnkumised. Sellise heli mõõtmiseks oleks vaja mõõteriista, mille näit sõltuks sagedusest sama seaduspärasuse järgi kui kõrva samavaljusjooned (tundlikus peaks langema madalatel ja kõrgetel helisagedustel). Müramõõtjates kasutatakse erinevaid filtreid, sõltuvalt mõõdetavast helinivoost. Vastavalt kõrva tundlikusele kasutatakse 3 erinevat filtrit:

• kõvera A järgi mõõdetud helinivoo (dB) vastab helivaljusele 40 fooni ja alla selle
  
• kõvera B järgi mõõdetud helinivoo (dB) vastab helivaljusele 70 fooni
  
• kõvera C järgi mõõdetud helinivoo (dB) vastab helivaljusele üle 70 fooni
  

Sama seadet kasutatakse ilma filtriteta helinivoo mõõtmiseks ja siis on skaala gradueeritud detsibellides. Lisades vastava filtri , mõõdame helivaljust, mille väärtus foonides langeb kokku mõõteriista näiduga detsibellides. Seetõttu pole täiendava foonide skaala järele lihtsalt vajadust. Kuid helivaljuse mõõtmisel tuleb mõõtühikule detsibell alati lisada, missugust korrigeerimiskõverat kasutati (dBA, dBB või dBC).
Samavaljusjooneks nimetatakse pildil kõverat, mis näitab inimese poolt tajutava helivaljuse sõltuvust sagedusest erinevatel heli intensiivsustel. Sagedusel 1000 Hz langeb helivaljus foonides kokku helinivooga detsibellides.

Müra keskkonnas

Müra on heli, mis tekib heliallika korrapäratul võnkumisel. Müra põhiomadused on helivältus, helitugevus ja tämber. Müra erineb muusikalisest helist konkreetse helikõrguse puudumise tõttu.
Vali ja kestev müra põhjustab terviserikkeid, millest kõige otsesem on kahjustav toime kuulmisorganile, täpsemalt sisekõrvale. Müra kahjustav toime oleneb eelkõige järgmistest teguritest:

• heli intensiivsusest (dB)
  
• sagedusest (Hz)
  
• müra kestusest ja jaotusest - müraekspositsioon tüüpilise tööpäeva jooksul
  
• kumulatiivsest müraekspositsioonist (pikema perioodi - näiteks aastate vältel).
  

Pidev olmemüra, mille tugevus on keskmiselt kuni 70 dB, kuulmist ei kahjusta. Kui müra paisub liiga valjuks, annab kõrv sellest meile ise märku ning me kuuleme kõrvus pininat või undamist. See on hoiatus , et helid on kõrvade jaoks liiga valjud ning midagi tuleks ette võtta.
Müra, mis on 8-tunnise tööpäeva jooksul üle 80 dB(A), võib kahjustada kuulmist. Samasugune mõju inimese kuulmisele on 89 dB(A) müral 1 tunni jooksul mõjudes. Ekspositsiooniaja kahekordistamine nõuab mürataseme alandamist 3 dB(A) võrra. On soovitav , et masinad ja
seadmed disainitaks nii, et müratase oleks alla 80 db (A). Lubatav müra piirnorm on 85 dB(A). Kuigi müra tuleb vähendada nii palju kui võimalik, ei ole soovitav lasta seda madalamale kui 30 dB(A), vastasel korral ootamatu juurde tulnud müra muutub liiga ärritavaks. Kõige efektiivsemaks müra vähendamise meetodiks on müra vähendamine müraallikas.
Maailma Tervishoiuorganisatsioonil on oma soovitused, kui tugevas müras kui kaua tohiks viibida:

• 85 dB - 8 tundi
  
• 88 dB - 4 tundi
  
• 91 dB - 2 tundi
  
• 94 dB - 1 tund
  
• 97 dB - 30 minutit
  
• 100 dB - 15 minutit
  
• 103 dB - 7 minutit
  
• 106 dB- 3 minutit
  
• 109 dB - 1,5 minutit
  

Asjad ja nähtused meie ümber tekitavad väga erineva tugevusega helisid. Näiteks:

• Tuule sahin puulehtedes – 10-20 dB
  
• Kella tiksumine – 20 dB
  
• Sosin – 20-30 dB
  
• Tavaline kõne – 60-65 dB
  
• Keskmise tihedusega liiklus – 70 dB
  
• Suurlinnaliiklus tipptunnil – 90 dB
  
• Mootorsaag – 100-120 dB
  
• Äike – 120 dB
  
• Rockkontsert – 120-130 dB
  
• Lennuk mõnekümne meetri kõrgusel – 140 dB
  
• Karjumine lähedal – 90 dB
  

Müra allikad ja mõju inimesele

Audioloogia on teadus, mis uurib müra mõju inimese kuulmisele. Kuuldava heli sagedus on 20-20 000 Hz, kõnel 500-2000 Hz, muusikal 400-800 Hz. Kuulmise nõrgenemine algab 20-aastaselt ja jätkub kogu elu jooksul. Nõrgenemine algab 10-aastase töötamise järel pideva müra tingimustes üle 85 dB (A). Kõigepealt kahjustub helisageduste piirkond 4000 Hz, kõne kuulmise piirkond (500-1000-2000 Hz) ei ole kahjustatud. See tekib hiljem. Kõigepealt tekkivad raskused s- ja h-häälikuid sisaldavate sõnade kuulmisel. Müra mõjub närvisüsteemile, tekitab peavalusid, halvendab nägemist, tekitab nimmeristluuradikuliiti, pindmisi vereringehäireid, mõjub südamele, seedeorganitele, tekitab väsimust, töötootlikkus langeb, alaneb tähelepanu. Kui taustmüra ületab kõne valjuse 10 dB võrra, muutub vestlus
võimatuks. 75 dB juures ei ole kuulda telefoni, 85 dB puhul on tavaline kõne võimatu.

Müra piirnormid elu- ja ühiskondlikes hoonetes

haiglad - 20 dB
korterid - 25 dB
auditooriumid - 35 dB
kohvikud, restoranid - 50 dB
kauplused, juuksurid - 55 dB
Eristatakse löögi-, mehaanilist, aerodünaamilist, hüdrodünaamilist müra. Mehaaniline müra tekib kompressorite, pumpade , ventilaatorite, kalandrite liikuvate ja pöörlevate osade töötamisel. Aero- ja hüdrodünaamiline müra tekivad torustikes ja tehnoloogilistes seadmetes keskkonna liikumisel suure kiiruse juures, keskkonna suuna muutustel torupõlvedes.
Keemiatööstuses annavad tugevat müra turbokompressorid, tsentrifugaalpumbad; need tekitavad ka küllalt ebameeldivat müra. 200-1000 Hz juures on nende tekitatud müratase 100-125 dB. Õhu- ja gaasikompressorid tekitavad mürataseme 90-95 dB. Liha- ja piimatööstuses on mürarikkad ketas- ja lintsaed , vaakumaparaadid, purustid , ventilaatorid, kompressorid , konservide tootmine, klaastaara. Toitlustusettevõtetes annavad müra ventilatsiooni ja külmutusseadmed, tehnoloogilised operatsioonid . Tekstiilitööstuses tekita näiteks puuvilla kuivatamine sõeladel müra tugevusega 84-91 dB (0,5-1 kHz), villa kraasimine 83-85 dB (2-8 kHz), ketramine 84-99 dB (8 kHz), kudumine 91-98 dB (4-8 kHz).
Kasutatud kirjandus:

Keskkonnafüüsika praktikumi juhend (kuuldelävede ja mürataseme mõõtmine)

http://et.wikipedia.org/wiki/Hel i

http://et.wikipedia.org/wiki/Helivaljus

http://et.wikipedia.org/wiki/Müra