تراز صوت یا سطح سر و صدا

مفاهیم علمی سطح سر و صدا (Sound Level)

با توجه به اهمیت ترم میزان سر و صدا در انواع کاربری ها ، خانگی ، صنعتی ، تجاری … بر آن شدیم که در این مقاله به صورت تخصصی به این موضوع بپردازیم. در ابتدای مقاله مروری کوتاه بر تعاریف این ویژگی فیزیکی خواهیم داشت و سپس با تعاریف تخصصی تر به بررسی انواع صدا و فرمولهای مربوطه خواهیم پرداخت.

معنای سر و صدا از نظر علمی چیست؟

با توجه به اینکه در زبان انگلیسی برای تعریف این مشخصه اسامی متفاوتی وجود دارد و البته هر کدام معنای خاص خودش را خواهد داشت ، مهم است که در استفاده از کلمات مشخص دقت بیشتری داشته باشیم.

همانطور که می دانیم دو کلمه Sound و Noise دو مفهوم جداگانه می باشند. زمانی که صدا یا همان Sound در سطح اذیت گوش انسان قرار بگیرد یا با آستانه حساسیت گوش انسان مقایسه شود به آن سر و صدا یا همان Noise می گوییم.

صدا در واقع منتج از از نوسانات فشار هوا است و نوساناتی که توسط گوش انسان قابل تشخیص باشند به عنوان صدا تقسیم بندی می شوند. تعاریف و فرموله کردن این مفهوم به صورت لگاریتمی دسی بل نامیده می شود.

اما در واقعیت و از نظر فیزیکی صدا اتلاقی است برای انرژی صوتی که به صورت موجی قابل ترسیم است و با فرکانس و دامنه آن شناخته می شود. ارقام در دسی بل از عدد صفر شروع می شوند به صورت لگاریتمی افزایش پیدا می کند. می توان گفت با افزایش هر 3 دسی بل مانند این است که شدت صدا 2 برابر می شود. گوش انسان بیشتر به صداهای در فرکانسهای 250 تا 5000 حساس می باشد.

میزان سر و صداهای اطراف ما:

با توجه به اینکه آلودگی صوتی عامل مهمی در افت شنوایی در انسان ها می تواند باشد مهم است که با نمونه هایی از میزان صدا در اطرافمان آشنا باشیم و بدانیم که آستانه شنوایی انسان چگونه است و آلودگی های صوتی در چه ارقامی به دسی بل اتفاق می افتدارقام زیر تعدادی از ترازهای صوتی می باشند:

آستانه شنوایی انسان : 0dB                                                    بوق از فاصله کم : 110dB

نجوا : 20dB                                                                        برخاستن هواپیما : 120dB

اتاق آرام : 40dB                                                                   آستانه دردناکی : 140dB

مکالمه معمولی :  60dB

جارو برقی : 70dB

سالن اداره شلوغ : 80dB

تعاریف دقیق تری از صدا:

مفاهیم بالا تنها بخش کوچکی از دنیای بررسی علمی صدا می باشد. طوریکه اگر به عنوان یک مهندس از این تعاریف آگاه نباشیم امکان تصمیم گیری درست را در انتخاب محصولات مهندسی یا طراحی آنها را خواهیم داشت. بنابراین مهم است که اطلاعات خود را در این بخش مقداری علمی تر کرده و قصد این مقاله نیز از این پس همین خواهد بود:

فرکانس تعداد دفعاتی است که یک سیکل یا یک دوره تناوب  از یک موج در یک ثانیه تکرار می شود. موزیسین ها به این فرکانس یا همان بسامد کوک یا Pitch می گویند.

با توجه به وسیع بودن طیف فرکانس صدا ها در صنایع و در کنار آنهایی که توسط انسان قابل شنیدن است محدوده فرکانس قابل درک توسط انسان را به ناحیه های قراردادی تقسیم می کنند که به هرکدام یک باند صوتی  گفته می شود و مطالعه صدا در وسط هر باند انجام می گیرد. در یکی از این روش ها این طیف را به 8 تا 10 قسمت تقسیم می کنند طوریکه فرکانس وسطی هر باند یا اکتاوباند  دو برابر قبلی آن است.

با توجه به همین مفهوم است که در نرم افزار فن اسکات ، FanScout ، ( برای یادگیری نحوه استفاده از این نرم افزار به لینک ” ویدیوی آموزشی فن اسکات “ مراجعه بفرمایید. )  باندهای فرکانسی بالا در بخش تعیین میزان سر و صدای فن ها دیده می شود و منحنی ها نیز بر همین اساس قابل مشاهده است.

دسته بندی های مختلف صدا :

همانطور که قبلا ذکر شد صدا از لحاظ قرار گیری در رنج فرکانسی و نوع انتشار آن به دسته های متفاوتی تقسیم می شود تا در کاربری های متفاوت بتوان نتایج ملموس مرتبط با همان زمینه در تولید صدا را به دست آورد. از دسته بندی های صدا می توان به دسته A  ، B  ، C ، D  و حتی Z نام برد.

دسته A :

این دسته صدا در فرکانسهای 500 تا 10000 اصوات را مورد بررسی قرار می دهد. دامنه فشار در این دسته می تواند بسیار بزرگ باشد مثلا 190 دسی بل و زمان شکل گیری صوت بسیار کوتاه می باشد. این دسته را با dBA نشان می دهند. این دسته معمولا برای صداهای محیطی و صنعتی مورد استفاده قرار می گیرد. استانداردهای مرتبط با این مفهوم IEC 61672  یا ANSI S1.4.  می تواند باشد.

دسته B :

این دسته صدا نیز دارای دامنه صوت بیشتر از A نیز می باشد از زمینه تا 20 دسی بل نیز می تواند بالاتر رود مثال خوبی ازاین نوع صوت در ماشینهای پرس می تواند باشد. رسیدن به ماکزیمم صوت در زمان کوتاهی اتفاق می افتد. نام یگر آن صداهای  Impulse نیز است.

دسته C  :

این دسته بیشتر در صداهای با فرکانسهای پایین تر مورد مطالعه قرار می گیرد. معمولا فرکانس 30 هرتز تا 8000 هرتز در این  این دسته مورد بررسی قرار می گیرد. این دسته با dBC نشان داده می شود.

دسته Z :

این دسته در صداهای در فرکانس های بالاتر مورد استفاده قرار می گیرد. فرکانسهای بین 8000 تا 20000 هرتز در این دسته مورد بررسی هستند.

کمیت های فیزیکی تعیین صوت :

توان صوت، شدت صوت و فشار صوت از کمیت های تعریف شده در این حوزه می باشند. اما کمیتهای لگاریتمی دیگری نیز وجود دارند که به آنها تراز توان ، تراز شدت و تراز فشار گفته می شود که به طور جداگانه و به تفصیل به هریک می پردازیم.

توان صوت :

توان صوت میزان انرژی ساطع شده از یک منبع آکوستیک است که در واحد زمان انداره گیری می شود و برحسب وات یا w بیان می شود.

شدت صدا :

شدت صدا که گاهی با عنوان شدت آکوستیکی نیز نامیده می شود مقدار توان صدا است که توسط موج صوتی از واحد سطحی عمود بر جهت انتشار موج می گذرد. واحد آن وات بر متر مربع یا همان w/m2 می باشد. با توجه به اینکه صوت به صورت کروی انتشار می یابد مشخص می شود که فرمول شدت صدا مطابق زیر خواهد بود :

Ir = w / (12.57r^2)

I : sound intensity

r : the radius of sphere

جهت مقایسه می توان شدت صدایی به میزان 200 وات را در دو فاصله 20 و 40 متر محاسبه کرد:

200/(12.57*400)= 0.04

200/(12.57*1600)= 0.001

همانطور که مشخص است با  دو برابر شدن فاصله شدن صدا یک چهارم کاهش داشته است.

فشار صوت :

مقدار نیروی صوت بر واحد سطح است که با N/m2 یا Pa بیان می شود.

رابطه شدت صوت و فشار صوت از فرمول زیر به دست می آید :

I = P^2/415

حال که این دو پارامتر مهم تعریف شد بررسی برخی صداها در رابطه با انسان می تواند مشخص شود:

1. کمترین شدت صوت قابل درک توسط گوش انسان: 12-^10 w/m2
2. بیشترین شدت صوت بدون درد برای انسان : 100 w/m2
3. کمترین فشار صوت قابل درک توسط گوش انسان : 5-^10*2 Pa
4. بیشترین فشار صوت بدون درد برای انسان : 211 Pa

موارد 1 و 3 آستانه درک صوت برای انسان نام دارند.

بررسی بیشتر فشار صوت:

با توجه به اینکه اندازه گیری و مفهوم فشار صوت پیچدگی های خود را دارد برای ساده سازی آن سه عنوان فشار ماکزیمم ، فشار مینیمم ، فشار میانگین ، فشار موثر که در عکس زیر تمامی آنها مشخص است:

کمیت های لگاریتمی :

نظر به اینکه مشخصه ای مهم صوت در بالا بررسی شدند در این مرحله امکان ورود به کمیت های لگاریتمی بر پایه تعاریف شده قبلی وجود دارد.

تراز توان صوت :

تراز توان صوت SWL یا WL مشخص می شود. برای به دست آوردن تراز صوت از فرمول زیر استفاده می شود:

SWL = 10log W  + 120

تراز شدت صوت :

که با SIL یا با LIمشخص می شود از فرمول زیر محاسبه می شود:

SIL = 10log I + 120

با توجه به موارد ذکر شده بالا دیده می شود که با دو برابر کردن شدت صدا یا توان صوت ، میزان دسی بل به اندازه 3 واحد افزایش می یابد.

تراز فشار صوت :

SPL = 20log P + 94

پس می توان اینطور بیان کرد که با دو برابر شدن فشار صوت تراز فشار به میزان 6 دسی بل افزایش پیدا می کند.

تراز کلی صوت :

فرض نمایید در صورتی که در مکانی چندین منبع صوت وجود داشته باشد اثر و برآیند نهایی این صوت ها به صورت جمع جبری نخواهد بود. چراکه اصولا تابع های لگاریتمی از خاصیت جمع جبری پیروی نمی کنند. پس برای بدست آوردن حاصل تراز صوت های متفاوت می بایست به صورت زیر عمل کرد:

LPT(dB) = 120log [∑ 10^Lpi/10]

با توجه به توضیحات بالا می توان ارقامی را به دست آورد که بعد از تفاضل دو دسی بل تصمیم گرفت که چه مقدار با ید دسی بل مجموع را در نظر گرفت گرفت که همیشه مقداری بیشتر از بزرگترین دسی بل است. با این مضمون است که تولید کنندگان و سازندگان محصولات متفاوت می توانند نمودارهایی را در اختیار بگذارند که بتوان تراز کلی صوت را مشخص کرد.این مورد بسیار مهم تر خواهد شد در زمانیکه دو منبع صوتی دارای تراز صوتی یکسان باشد که بیشترین افزایش تراز کلی صوت به وجود خواهد آمد.

این خاصیتی است که استفاده کنندگان محصولات صنعتی جهت ایمنی کارگران یا استفاده کنندگان آن محصولات در زمانی که چند منبع صدا همزمان نصب می شود می بایست مورد توجه ویژه قرار گیرند.

شاید این سوال اینجا مطرح شود که چگونه سازندگان یک محصول مقدار دسی بل محصول خود را محاسبه و اعلام می کنند؟ با توجه به اینکه افراد در معرض صدا در نقطه ثابتی نسبت به منبع صدا قرار ندارند بنا براین از متوسط تراز صدا استفاده می شود به صورتی که در فاصله های متفاوت تراز صوت اندازه گیری می شود و مطابق فرمول زیر مقدار میانگین آن به دست می آید:

Lpa = 10log[1/n ∑ 10^Lpi/10]

i = 1 to n

ابزارهای اندازه گیری صدا:

یک ابزار اندازه گیری صدا معمولا تراز فشار را اندازه گیری می نماید. هر ابزاری می تواند قابلیت اندازه گیری تراز ها را با شامل نمودن زمان در معرض قرارگیری صدا یا به صورت انواع وزنی محاسبه نماید. از قسمت های اصلی یک ابزار اندازه گیری صدا میکروفن ، تقویت کننده و پردازشگر و در نهایت مونیتور نشان دهنده عدد خروجی می باشد. با توجه به دقت بسیار بالای مورد نیاز مطابق با تمام توضیحات قبلی یاد شده در این مقاله برای اندازه گیری تراز صوت لازم است که برای خرید و نگهداری یک دستگاه اندازه گیری صدا دقت های لازم صورت گیرد.

مواردی مانند:

• تعیین کاربری محیطی که اندازه گیری می خواهد انجام شود : صنعتی ، اداری ….
• تعیین شرایط صوت در مواجهه با شخص به طور مثال کارگر
• شناسایی تعداد منابع تولید صدا
• کالیبره بودن دستگاه اندازه گیری
• تعیین هدف اندازه گیری : بازرسی ، طراحی ، استفاده عمومی …
• تعیین دقت مورد نیاز برای دستگاه اندازه گیری

در مقاله ای جداگانه به این مهم پرداخته خواهد شد.

همانطور که در این مقاله مشخص است بحث تحلیل و اندازه گیری صدا بسیار بحث گسترده و پیچیده ای است و تمامی مهندسان مشغول در صنایع فارغ از رشته تخصصی شان در مواجه با تولید یک محصول صنعتی یا انتخاب یک محصول صنعتی لازم است که با این مفهوم به صورت دقیق آشنا باشد تا امکان رعایت موضوعات مهندسی و همچنین مسائل ایمنی و بهداشت محیط کار فراهم آید.

موضوع آلودگی صوتی از موضوعات بسیار مهم زندگی تمامی ما چه به عنوان یک کارگر در یک محیط صنعتی و چه به عنوان کاربر یک محصول صنعتی در محیط اطرافمان می باشد. از اثرات آن در محیطهای کاری می توان به افت شنوایی اشاره کرد که در این بخش هزینه های پزشکی تحمیل شده به گروه شغلی با توجه به جمعیت قابل توجه کارگر در ایران و در کشورهای دیگر چه به صورت شخصی و چه به صورت هزینه های پنهان به عنوان خسارت مالی برای حکومت ها بروز می کند.

موضوع آلودگی صوتی بسیار از نظر فیزیکی می تواند فراتر از اختلالات شنوایی پیش برود. مانند افزایش فشار خون یا اختلالات گوارشی و … . اما باز هم محدود به این موضوعات نمی شود چرا که با عث اختلالات روانی و عصبی و عدم تمرکز ذهن نیز می تواند شود.

نمونه هایی از تراز صوت در محصولات شرکت مهر تهویه توس از برند ebm:

فن W6D800GD0101  یا فن W6D800GD0125:

فن W6D800KG1301 یا VWA0800B7SNZ: