http://ffp.elfa.sk
Časopis o problematike fyzikálnych faktorov prostredia
TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH, Strojnícka fakulta,
Katedra environmentalistiky
Ročník: II.
Číslo: 1.
Jún 2012
ISSN 1338-3922
Biologické účinky elektromagnetických polí
Moderné technológie pre vizualizáciu hluku
Analýza možností využitia inteligentných softvérov pri návrhoch
osvetľovacích sústav
Transformácia kmitania potrubia TÚV na obťažujúci hluk v spálni
Tematické
zameranie:
Objektivizácia
a posudzovanie fyzikálnych faktorov prostredia, metódy pre meranie a vyhodnocovanie
meraní, technické, prístrojové a softvérové
vybavenie pre meranie a analýzu dát a metódy
predikcie. Vydavateľstvo: Katedra environmentalistiky, Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach, Park Komenského 5, 042
00, Košice Miesto vydania: Košice, Periodicita: 2 x ročne, Náklad: 150 ks, Ročník: II,
Číslo: 1., Schválené: MK SR, Evidenčné
číslo MKSR: EV 4281/11, Vydavateľ
(organizátor): Katedra environmentalistiky,
Strojnícka fakulta, Technická univerzita
v Košiciach, Park Komenského 5, 042 00, Košice
Adresa redakcie: Strojnícka fakulta, Technická
univerzita v Košiciach, Katedra environmentalistiky, Park Komenského 5, 042 00 Košice,
Tel.: 055/ 602 2640, Fax: 6022711, e-mail:
[email protected],
Recenzenti:
prof. Dr. Ing. Martin DECKÝ, Stavebná fakulta, Žilinská univerzita v Žiline
doc. Ing. Ružena KRÁLIKOVÁ, PhD., Strojnícka fakulta, Technická univerzita v Košiciach
prof. Ing. Jozef POVAŽAN, CSc. Letecká
fakulta, Technická univerzita v Košiciach
Vážené dámy, vážení páni
Problematika ochrany životného a pracovného prostredia sa stáva čoraz náročnejšou a komplikovanejšou. Na jednej strane existuje snaha štátu prostredníctvom
svojich inštitúcií o skvalitnenie služieb, týkajúcich sa objektivizácie faktorov prostredia, na druhej strane existuje odpor voči neustálym zmenám, sprísňujúcej sa legislatíve
a ďalším požiadavkám, ktoré musia poskytovatelia týchto služieb napĺňať.
Podobná situácia existuje aj v oblasti podujatí, ktoré súvisia s oblasťou nášho
záujmu. Existuje množstvo konferencií, ktoré často zápasia s nezáujmom a nízkou
účasťou. Usporiadatelia musia potencionálnych účastníkov zaujať, či už bohatým
programom, alebo ponukou skutočne hodnotných informácií.
Aj náš časopis naráža v poslednej dobe na podobné problémy. Na jednej strane zaznamenávame množstvo pozitívnych informácií, záujem o časopis postupne narastá, rozširuje sa okruh našich predplatiteľov. Na druhej strane máme problémy so získavaním príspevkov, hlavne od renomovaných odborníkov, ktorí majú k problematike
Redakčná rada
fyzikálnych faktorov prostredia čo povedať. V súčasnej ťažkej a uponáhľanej dobe sa
predseda
prof. Ing. Ervin LUMNITZER,
Strojnícka fakulta TU v Košiciach
v tomto čase rozhoduje o tom, či sa náš časopis vysporiada so všetkými problémami
PhD.,
členovia
Dr.h.c. mult. prof. Ing. František TREBUŇA,
CSc., dekan Strojníckej fakulty TU v Košiciach
prof. MUDr. Ivan ROVNÝ, PhD., MPH,
Úrad verejného zdravotníctva Slovenskej
republiky
prof. Ing. Jozef HRAŠKA, PhD., Stavebná
fakulta STU v Bratislave
a zaradí sa medzi stabilné a kvalitné periodiká slúžiace špecializovanému okruhu
odborníkov.
V najbližšom období sa chceme zamerať na bližšiu spoluprácu s Úradom
verejného zdravotníctva, ako aj pracovno-zdravotnými službami. Boli by sme radi,
keby svoje názory na stránkach časopisu prezentovala Slovenská národná akreditačná
služba, ako aj posudzovatelia, pracujúci pre SNAS. Širší priestor by sme chceli poskytnúť aj výrobcom a predajcom modernej meracej techniky.
doc. RNDr. Anna DANIHELOVÁ, PhD.,
Slovenská akustická spoločnosť
Ing. Milan DRAHOŠ, Slovenská akustická
spoločnosť
Technická redaktorka:
Ing. Zuzana FARKAŠOVSKÁ, PhD.
prof. Ing. Ervin Lumnitzer, PhD.
predseda redakčnej rady
http://ffp.elfa.sk
OBSAH:
5
BIOLOGICKÉ ÚČINKY ELEKTROMAGNETICKÝCH POLÍ
Richard Drahoš, Roman Drahoš
10
5
MODERNÉ TECHNOLÓGIE PRE
VIZUALIZÁCIU HLUKU
Zuzana Farkašovská
16
ANALÝZA MOŽNOSTÍ VYUŽITIA
INTELIGENTNÝCH SOFTVÉROV
PRI NÁVRHOCH OSVETĽOVACÍCH
SÚSTAV
Ružena Králiková, Katarína Kevická
24
10
16
TRANSFORMÁCIA KMITANIA POTRUBIA TÚV NA OBŤAŽUJÚCI
HLUK V SPÁLNI
Stanislav Žiaran
24
ELEKTROMAGNETICKÉ POLE
Biologické účinky
elektromagnetických polí
Richard Drahoš, Roman Drahoš
Úvod
Ľudský organizmus je charakterizovaný ako komplexné a premenlivé prostredie zložené z vodných roztokov
elektrolytov, koloidov a buniek, pričom
ľudské orgány (tkanivá) sú suspenziou
buniek v elektrolytoch. V ľudskom tele
sa nachádza približne 25 miliárd nervových buniek s celovou dĺžkou približne 500 000 kilometrov. Mozog so
svojimi 10 miliardami nervových buniek tvorí tisíce prepojených komunikačných kanálov, pričom prenos prebieha elektrochemickými procesmi na
veľmi nízkom energetickom rozsahu.
Na základe doterajších poznatkov
interakcia EM poľa s ľudským organizmom spôsobuje:
 netepelné účinky - ovplyvňuje koloidné štruktúry bunkového obsahu a menia sa elektrické vlastnosti
buniek,
 tepelné účinky - prejavuje sa otepľovaním tkanív pri veľkých výkonových hustotách polí.
Netepelné účinky súvisia s elektrickými vlastnosťami biologických systémov, čo sa pri dlhodobom pôsobení
môže prejavovať telesnou slabosťou,
pocitom vyčerpanosti, zvýšenou únavou, zhoršením pamäte, poruchami
spánku a bolesťami hlavy. Tepelné
účinky súvisia s absorpciou energie, čo
spôsobuje nárast teploty lokálnej časti
tela, pričom signifikantný nárast teploty
sa zistí najskôr po šiestich minútach
expozície. V publikovaných podkladoch sa ako následok tepelných účinkov najčastejšie uvádza poškodenie
vnútorného ucha, zakalenie očnej šošovky a poškodenie rohovky ako následok oteplenia očí.
Biologické účinky
statického elektrického a magnetického
poľa
neškodné a ďalšie priame vplyvy na ľudský organizmus nie sú známe. Medzi
nepriamy vplyv na ľudský organizmus je
možné zahrnúť nebezpečenstvo vyplývajúce z mimovoľnej reakcie človeka na
prejavy elektrostatického náboja
(zľaknutie sa, bolesť, mimovoľný pohyb), čím môže dôjsť k ohrozeniu bezpečnosti.
Na rozdiel od elektrických polí, statické magnetické polia môžu voľne prenikať biologickým tkanivami
a bezprostredne vzájomne reagovať
s pohybujúcimi iónmi (nábojmi)
a spôsobiť vznik prúdov v tkanivách
a tým aj elektrických polí v tkanivách.
Ľudské telo z elektrostatického hľadiska predstavuje elektródu kondenzátora s kapacitou oproti zemi.
Veľkosť kapacity závisí od rozmerov a materiálu obuvi, od polohy tela
v priestore a vzdialenosti od iných uzemnených predmetov a pohybuje sa v rozmedzí 50 až 250 pF.
Elektrický náboj nahromadený na
povrchu tela môže rádovo dosiahnuť
hodnotu 10-6 C a energiu
0,1 J.
Vnútro ľudského tela
je pred statickým elektrickým poľom chránené
svojim povrchom.
Statické elektrické pole
indukuje elektrický náboj
na exponovanej osobe, čo
sa môže prejaviť napr.
postavením chĺpkov na
povrchu kože.
Okrem toho môže
elektrický „nabitá“ osoba
dotykom s kovovým
predmetom vyvolať preskok náboja (elektrický
úder). Elektrický náboj je
schopný dráždiť nervové
centrá s individuálnou
citlivosťou a pri dotyku
s objektom, ktorý má
veľkú hodnotu náboja Q
môže
dôjsť
aj
k smrteľnému úrazu.
Účinky statických
elektrických polí sú až do
hodnoty 20 kV.m-1 považované za Obr. 1 Narušenie vonkajšieho elektrického
poľa človekom
5
Obr. 2 Ľudské telo vystavené uniformnému elektrickému poľu 1 kV/m na frekvencii 60 Hz. Rozloženie povrchového náboja v prípade a)
osoby vo voľnom priestore b) osoby stojacej na uzemnenej podložke. c) Rozloženie prúdovej hustoty v ľudskom tele
Biologické účinky ELF poľa
Hlavným mechanizmom biologického účinku elektrických
a magnetických polí s extrémne nízkou frekvenciou ELF do 60 Hz
(Extremely Low Frequency) je indukcia (vyvolanie) prúdovej hustoty v tkanive.
Prítomnosť biologického objektu ovplyvňuje (narúša) vonkajšie elektrické pole (obr. 1) a podobne ako pri statickom poli sa
indukujú povrchové náboje.
Pretože konduktivita (vodivosť) tkaniva pri nízkych frekvenciách je malá, indukované vnútorné elektrické pole je približne
105 až 108 krát slabšie ako vonkajšie elektrické pole.
Na obrázku 2 je znázornené rozloženie povrchového náboja
na povrchu ľudského tela a priestorové rozloženie indukovaných
prúdov (indukovanej prúdovej hustoty) zapríčinených vonkajším
elektrickým poľom s intenzitou 1 kV.m-1 na frekvencii 60 Hz.
Siločiary magnetického poľa v podstate nie sú rušené prítomnosťou biologického objektu, pretože permeabilita biologických
tkanív sa prakticky rovná permeabilite vákua.
Na obrázku 3 je znázornené priestorové rozloženie indukovaných prúdov (indukovanej prúdovej hustoty) zapríčinenej vonkajším magnetickým poľom s indukciou 1 mT na frekvencii 60 Hz.
Rozloženie indukovanej prúdovej hustoty vplyvom elektrického a magnetického poľa súvisí s rozdielnymi elektrickými vlastnosťami rôznych častí tkaniva organizmu.
6
Fyzikálnym mechanizmom pôsobenia ELF polí na bunkovej
(celulárnej) úrovni je elektrická stimulácia excitabilných buniek
tkanív, ako sú nervy, svaly a srdce.
K stimulácii dochádza, ak prechádzajúci indukovaný prúd
tkanivom spôsobí, že zmena napätia cez bunkovú membránu prekročí prahovú hodnotu Vm (typická prahová hodnota je okolo 20
mV. Keď je prah prekročený, dochádza k depolarizácii membrány
a šíreniu akčného potenciálu (vzruchu, impulzu). Minimálna hodnota intenzity pôsobiaceho poľa, ktorá spôsobuje depolarizáciu
závisí od typu, rozmeru a tvaru bunky, ako aj od frekvencie a dĺžky
trvania pôsobiaceho poľa. Efekt elektrickej stimulácie spôsobuje
na:
 molekulárnej úrovni, otváranie iónových kanálov (napätím
riadená molekula proteínu kanála v bunkovej membráne),
 bunkovej úrovni, akčný potenciál (depolarizácia),
 na systémovej úrovni, stiahnutie (kŕč) svalu alebo srdca, fibrilácia a nepravidelný srdcový rytmus.
Biologické účinky vysokofrekvenčného EM poľa
Pre EM polia približne nad 100 kHz sú už elektrické stimulačné účinky polí zanedbateľné a prevládajú tepelné účinky. Pri
posudzovaní tepelných účinkov nestačí poznať veľkosť výkonovej
hustoty vonkajšieho EM poľa, ale je potrebné určiť veľkosť ab-
sorpcie EM energie v tele človeka. Rýchlosť absorpcie energie
v tkanive sa vyjadruje veličinou - merný absorbovaný výkon
SAR (Specific Absorpcion Rate), ktorý je definovaný ako prírastok energie We za čas dt v objeme tkaniva dV s hmotnosťou dm
SAR 
d  dWe 
d  1 dWe 





dt  dm 
dt 
  dV 

Rezonančné pásmo pre celé telo, od 30 MHz až do 300
MHz. V tomto pásme absorpcia (celotelový priemer SAR)
nadobúda maximum. Vysoké lokálne hodnoty SAR sa vyskytujú na miestach ako zápästia a členky.

Pásmo „hot spot“ približne od 400 MHz až do 2 (3) GHz,
ktoré je charakterizované veľmi nerovnomerným rozložením
absorpcie v tele (dané nehomogénnosťou ľudského tela).
Vyskytujú sa značné lokálne absorpcie v určitých miestach
a veľkosť „horúcich miest“ je v rozsahu od niekoľkých centimetrov pre 915 MHz až po 1 cm pre 3 GHz. Absorpcia energie klesá so stúpajúcou frekvenciou.

Pásmo povrchovej absorpcie, vyššie ako 2 (3) GHz, kde je
absorpcia (zvýšenie teploty) lokalizované a obmedzené na
povrch tela. Z uvedeného vzťahu vyplýva, že ide o bodovú
veličinu a priemerná hodnota absorpcie SARevg sa stanoví
a jednotkou veličiny SAR je W.kg-1.
Ak je známa hodnota intenzity elektrického poľa E v určitom
bode exponovaného biologického objektu (vnútorné elektrické
pole), potom sa hodnota veličiny SAR vypočíta podľa vzťahu
SAR 
Ei 2

kde Ei je efektívna hodnota indukovaného vnútorného elektrického poľa vo V.m-1, σ je merná hmotnosť tkaniva v kg.m-3, ρ je
merná elektrická vodivosť (konduktivita) tkaniva v S.m-1.
V určitom bode exponovaného biologického objektu, SAR
a prúdová hustota J sú vzájomne viazané vzťahom
SAR 
J2

Na základe absorpčných vlastností ľudského tela, účinky súvisiace s expozíciu (ožiarením) EM poliami sa môžu rozdeliť do
frekvenčných oblastí znázornených na obrázku 4.

Sub-rezonannčné pásmo s frekvenciou menej ako 30 MHz,
kde prevláda povrchová absorpcia pre trup, nie však pre krk
a končatiny. V oblasti krku a končatín (členky, kolená, zápästie, lakte) môžu nastať značne vyššie absorpcie ako je celotelový priemer. V tomto pásme absorpcia energie prudko rastie.
SARevg 
1
SAR dV
V V
kde V je objem tkaniva, cez ktorý sa stanoví priemer,
v prípade celotelového SAR je V objem celého tela a v prípade
priemerného SAR hlavy je V objem hlavy.
Počiatočný nárast teploty dT, kedy sa môžu zanedbať tepelné
straty organizmu (vedením, prúdením a sálaním) je priamoúmerný
veľkosti SAR
dT SAR

dt
cT
kde cT je špecifická tepelná kapacita tkaniva v J.kg-1.oC-1.
Absorpcia EM energie do určitých hodnôt SAR napr.
4 W.kg-1 nemusí v ľudskom tele nevyhnutne viesť k úmernému
nárastu teploty a to z dôvodu termoregulácie (zvýšenie prúdenia
krvi, ochladzovanie odparovaním potu a pod.) ako aj odvádzaním
tepla (vedením) k susedným chladnejším oblastiam.
Koncepcia ochrany pred
účinkami elektromagnetických
polí
Obr. 3 Rozloženie prúdovej hustoty
Ochrana pred účinkami EM polí, zavedená v krajinách západnej a strednej Európy, bola vytvorená Medzinárodnou komisiou
pre ochranu pred neionizujúcim žiarením (ICNIRP), ktorá je partnerom WHO v medzinárodnom projekte venovanom vplyvu EM
polí na človeka.
Koncepcia ICNIRP je založená na hodnotení
a obmedzení netepelných a tepelných účinkov EM polí na ľudský
organizmus, tzn. hodnotení obmedzenia indukovanej prúdovej
hustoty v tele a tepelného ohrevu tkanív pri expozícií EM poľu.
Tieto obmedzenia sa týkajú veličín – indukovanej prúdovej hustoty J, merného absorbovaného výkonu SAR a hustoty výkonu (žiarivého toku) S v podobe limitných hodnôt (základných
limitov).
Z týchto veličín a ich limitných hodnôt sa odvodili merateľné
veličiny expozície a ich akčné hodnoty (referenčné úrovne).
Merateľné veličiny ako intenzita elektrického poľa E,
magnetická indukcia B alebo intenzita magnetického poľa
H opisujú vonkajšie EM polia, sú udávané v efektívnych hodnotách a platia pre pole neporušené prítomnosťou osôb v posudzovanom mieste.
75
Seq,st 
1
Tst
t T
S
2
eq, ef
(t )dt
t
kde Tst je čas stredovania 6
minút.
 pre polia s frekvenciou
v intervale od 10 GHz do 300
GHz podľa horeuvedených
vzťahov, pričom čas stredoT  68 f 1, 05
vania st
, kde f je
frekvencia v GHz a čas stredovania Tst v minútach.
Obr. 4 Frekvenčné oblasti charakterizujúce účinky EM polí [2]
Význam akčných hodnôt
veličín expozície
Akčné hodnoty priamo merateľných veličín boli stanovené z
limitných hodnôt veličín expozície pri zohľadnení vysokého koeficientu bezpečnosti. Akčné hodnoty pre polia s frekvenciou:

do 1 Hz platia pre intenzitu magnetického poľa H a magnetickú indukciu B,

nad 1 Hz do 10 MHz platia pre intenzitu elektrického
poľa E, magnetickú indukciu B (intenzitu magnetického
poľa H),

nad 10 MHz do 300 GHz platia pre intenzitu elektrického
poľa E, magnetickú indukciu B (intenzitu magnetického
poľa H) a hustotu toku výkonu ekvivalentnej rovinnej
vlny Seq.
Ak je ľudský organizmus vystavený EM poliam nad 100 kHz,
k nárastu teploty tkanív nedochádza okamžite z dôvodu termoregulačných mechanizmov a odvádzaním tepla do susedných chladnejších oblastí. K nárastu teploty tkanív dochádza až po určitom
čase, ktorý závisí od frekvencie EM polí. Tento čas bol experimentálne určený a sa nazýva časom priemerovania
(stredovania) Tst.
V závislosti na frekvencii EM polí sa časové priemery veličín
expozície Est, Bst a Seq,st stanovujú takto:

pre polia s frekvenciou do 1 kHz sa časové stredovanie neuplatňuje, resp. nie je prípustné.

pre polia s frekvenciou v intervale od 1 kHz do 100 kHz podľa vzťahov
Est 
1
Tst
t T
E
ef
(t )dt
Bst 
t
1
Tst
t T
B
ef
(t )dt
t
kde Tst je čas stredovania 1 sekunda.

pre polia s frekvenciou v intervale od 100 kHz do 10 GHz
podľa vzťahov
Est 
86
1
Tst
t T
E
t
2
ef
(t )dt
Bst 
1
Tst
t T
B
2
ef
t
(t )dt
Záver
Súčasná právna ochrana
zdravia obyvateľstva
v životnom prostredí [3] a zamestnancov pri práci [4] pred
účinkami EM polí vychádza z doterajších poznatkov
o vplyve týchto polí (žiarenia) na ľudský organizmus. WHO
na základe preukázateľných nových
poznatkov
o negatívnych účinkoch EM polí priebežne informuje kompetentné štátne orgány a formou odporúčaní upresňuje limitné prípadne akčné hodnoty veličín expozície.
Použitá literatúra
[1] Konig, H.-Erlander, P.: Elektromagnetické polia kolem nás. Nakladateľstvo
HEL Ostrava 2001
[2] Cocherová, E.-Štofaník, V.: Numerické metódy riešenia bioelektromagnetických
polí. STU Bratislava 2010
[3] Vyhláška MZ SR č. 534/2007 Z.z. o podrobnostiach o požiadavkách na zdroje
elektromagnetického žiarenia a limity expozície obyvateľov elektromagnetickému žiareniu v životnom prostredí
[4] Nariadenie vlády SR č. 329 2006 Z.z. o minimálnych zdravotných
a bezpečnostných požiadavkách na ochranu zamestnancov pred rizikami súvisiacimi s expozíciou elektromagnetickému poľu v znení nariadenia vlády SR č.
217/2008 Z.z.
Adresa autorov:
Ing. Richard DRAHOŠ: D2R engineering, s.r.o., Na letisko 42, 058 01
Poprad, Slovensko, e-mail: [email protected]
Ing. Roman DRAHOŠ: D2R engineering, s.r.o., Na letisko 42, 058 01
Poprad, Slovensko, e-mail: [email protected]
95
VIZUALIZÁCIA HLUKU
Moderné technológie
pre vizualizáciu hluku
Zuzana Farkašovská
Obr. 1
Sonda PU mini s krytom
V súčasnosti je vizualizácia hluku jednou z najmodernejších foriem, ktorou sa rieši problematika hluku. Pri návrhu opatrení pre optimalizáciu hluku
výrobkov je dôležitý výber vhodných technických a softvérových prostriedkov,
pomocou ktorých je možné vykonať identifikáciu a bližšiu analýzu zdrojov
hluku. V príspevku sa budeme venovať aplikácií jedného z najprogresívnejších
zariadení na vizualizáciu akustických deskriptorov – kombinovanému snímaču akustickej rýchlosti častíc a akustického tlaku a jeho overeniu v praxi. Taktiež poukážeme na vhodné softvérové aplikácie (Scan&Paint), ktorými je možné vykonať grafickou formou prezentovať akustické deskriptory.
Jednorozmerná sonda
Microflown
Pri aplikácii tejto sondy sa najčastejšie
používa priama metóda, ktorá súčasne
meria akustickú rýchlosť častíc ako aj
akustický tlak v blízkosti zdroja zvuku pomocou jednorozmernej sondy typu PU
mini. Z nameraných dát môže byť odvodená intenzita zvuku, čím kvantifikujeme
množstvo akustickej energie, ktorú zdroj
vyžaruje. Dáta nasnímané sondou PU mini
je možné vizualizovať. Výsledkom sú farebné mapy znázorňujúce intenzitu zvuku,
akustickú rýchlosť častíc alebo akustický
tlak. Priama metóda môže byť použitá v
difúznom akustickom poli. Vzhľadom k
tomu, že akustická intenzita a rýchlosť
častíc nie sú ovplyvnené hlukom pozadia,
možno jednoducho odvodiť akustický
výkon.[1]
Technická špecifikácia
sondy PU mini
Jednorozmerná sonda typu PU mini sa
skladá zo senzorov akustickej rýchlosti
častíc a miniatúrneho snímača akustického
tlaku umiestneného vo vnútri sondy PU
mini. Táto sonda môže byť použitá na
rôzne účely, ako napríklad na širokopásmové meranie intenzity zvuku. Zariadenie je
odolnej konštrukcie, preto sa táto sonda
nevyužíva len na laboratórne merania, ale
aj na merania v priemysle. Na obr. 1 je
zobrazená sonda PU mini s ochranným
krytom. Zobrazenie prierezu sondy PU
mini je uvedené na obr. 2. [2]
10
Obr. 2 Prierez PU sondy [2]
Základné vlastnosti použitého miniatúrneho mikrofónu a snímača akustickej
rýchlosti sú uvedené v tabuľke 1.
losť nekonečného počtu častíc (m/s) v
malom objeme vzduchu v dôsledku akus-
Tab. 1 Porovnanie akustických vlastností prvkov mikrofónu s Microflown [2]
Akustické vlastnosti prvkov
Mikrofón
Microflown
Frekvenčný rozsah
20Hz - 20kHz
0.1Hz - 20kHz
Horná hladina akustického
tlaku
110dB
Smerovosť
všesmerová
smerová
Smerová charakteristika
všesmerová
osmičková smerová charakteristika
Akustický tlak a akustická
rýchlosť častíc
Snímanie akustického tlaku sa obvykle
vykonáva pomocou meracieho tlakového
mikrofónu. Merania akustického tlaku poskytujú hodnotu akustického tlaku v mieste
merania, ale neposkytujú informácie
o smere vyžarovania akustickej energie,
pretože tlak je skalárna veličina. [3] V akustike je rýchlosť častíc definovaná ako rých-
125dB
tickej vlny. Nesmie sa zamieňať
s rýchlosťou zvuku c, alebo náhodným
tepelným pohybom molekúl.
Meranie rýchlosti častíc je výhodné
v troch prípadoch:

hladina akustického tlaku a úroveň
rýchlosti častíc sú podobné veličiny
vo voľnom poli. Ak sa akustická
vlna odráža od pevného povrchu,
akustický tlak sa zdvojnásobí a rýchlosť častíc sa znižuje na nulu. Preto
sa rýchlosť častíc meria na povrchu
a nie je súčasťou hluku pozadia, kde
je takmer nemerateľná.

blízko
k
vibrujúcemu
(vyžarujúcemu zvuk) povrchu, hladina akustického tlaku sa znižuje v
porovnaní s úrovňou rýchlosti častíc, ktorá sa zhoduje s povrchovou
rýchlosťou. Preto je akustický tlak v
blízkosti povrchu vyžarovaného
akustického poľa takmer nemerateľný. Tento jav sa nazýva „efekt
veľmi blízkeho poľa“.

akustický tlak je skalárna veličina, a
tak mikrofón meria akustické pole
vo všetkých smeroch. Microflown
meria rýchlosť častíc v jednom
smere. Preto v difúznom akustickom poli Microflown meria len
jednu tretinu akustického poľa,
zatiaľ čo tlak mikrofónu meria celkové akustické pole. [4]
Princíp činnosti
Microflown senzora
Microflown snímače možno uplatniť v
každej oblasti akustiky a zvyčajne prinášajú
nové informácie o zdroji zvuku, ktorý je
predmetom skúmania. Microflown môže
fungovať v akustickom poli, kde tradičná
sonda neposkytuje dostatočné množstvo
informácií. Jeho malé rozmery umožňujú
meranie na miestach, kde sa tradičná sonda
nemôže dostať, a tým umožňuje meranie
veľmi malých objektov vo vysokom rozlíšení. [3]
Výhodou Microflown snímača je, že
nemeria kolísavý tlak vzduch. Namiesto
toho meria akustickú rýchlosť prostredníctvom dvoch malých odporových drôtikov
zo silikónového nitridu pokrytých tenkou
vrstvou platiny (obr. 3). V dynamike tekutín sa pohyb plynu, alebo kvapaliny nazýva
tok, preto názov Microflown, ktorý je skôr
citlivý na pohyb vzduchu než na kolísavý
tlak. Keď vzduch prúdi cez drôtiky, prvý
vodič sa ochladí a vzhľadom k prenosu
tepla sa vzduch oteplí. Druhý vodič sa
ochladí pomocou ohriateho vzduchu a
ochladí sa menej než prvý drôtik. Teplotný
rozdiel v drôtikoch mení ich elektrický
odpor. To vytvára rozdiel napätia, ktoré je
úmerné rýchlosti častíc. Efekt je smerový keď sa smer prúdenia obráti, teplotný rozdiel bude opačný. [3] [4]
Obr. 3 Typ mostíka Microflown, spojené a nalepené drôtiky
na doske plošných spojov. V ľavom dolnom rohu na obrázku je znázornená hrúbka drôtikov 200μm (0,2 mm) [4]
40 µm a ich dĺžka je 1 mm. Ak je
v blízkosti sondy zdroj akustického vlnenia, ktorého rýchlosť je kolmá k vyššie
popísanému systému, začnú sa rozžeravené
vodiče ochladzovať. Z rozdielov ich aktuálnych odporov (závislých na teplote) je
vypočítaná požadovaná veľkosť rýchlosti.
Zvýšenie teploty snímačov vedie
k zvýšeniu odporu. Ak nie je prítomná
rýchlosť častíc, oba snímače majú klasickú
prevádzkovú teplotu asi 200˚C až 400˚C a
všetko teplo je prevedené do okolitého
vzduchu. Keď sa rýchlosť častíc (zvuku)
šíri kolmo cez drôtiky, asymetricky mení
prenos teplôt okolo odporov.
Celkové rozmery senzoru Microflown
sú 1 x 2 mm, hrúbka je 300 mikrometrov.
Snímacie drôtiky majú hrúbku 200 nm (cca
600 atómov) a dĺžku 10 cm, takže je takmer nemožné vidieť ich voľným okom
(priemer ľudského vlasu je 80 nm, takže
snímač Microflown je o 400 krát tenší ako
ľudský vlas).
Smerová charakteristika
senzora Microflown
Smerová charakteristika udáva závislosť citlivosti mikrofónu od uhla medzi
osou mikrofónu a smerom, z ktorého pôsobí zdroj zvuku. Smerová charakteristika
je teda priestorová citlivosť mikrofónu. V
závislosti od konštrukcie a typu mikrofónu
môže prijímať zvuk z rôznych smerov v
rôznej intenzite. Mikrofóny sa navrhujú so
smerovými charakteristikami podľa ich
predpokladaného použitia. Smerová charakteristika je frekvenčne závislá – prejavuje sa spravidla pri vysokých tónoch, zatiaľ
čo smerovosť hlbokých tónov ostáva
problematicky identifikovateľná.
Kryt snímača
K ochrane senzorov Microflown sa používa kryt, ktorý má tiež akustický účinok. Pri
ochrane senzora Microflown je potrebné, aby bol senzor dôkladne zapuzdrený. Úroveň
rýchlosti častíc sa krytom zvyšuje. Kryt je prispôsobený na "smerovanie" rýchlostí častíc,
čo môže mať za následok zvýšenie úrovne rýchlosti častíc o +10 až +30 dB.
Microflown sa skladá z dvoch ultra
tenkých drôtikov. Priemer vodičov je približne 0,5 µm, vzdialenosť medzi nimi je
11
Mikrofón je všesmerový, predpokladá konštantnú citlivosť pre ľubovoľný uhol z notebooku s interfejsami (1), kamery (2) a farebne oznadopadu v akustickom poli. Microflown však meria len rýchlosť častíc v smere, čenej intenzitnej sondy PU mini (3).
pre ktorý je citlivý. Smerovosť senzora Microflown má osmičkovú charakteristiku (obr. 4). Rýchlosť častíc je vektorová veličina a tá je smerová. [5]
VOĽBA POLOHY MERACEJ TRAJEKTÓRIE
Prvé meranie bolo uskutočnené vo vzdialenosti cca 1,5
cm od povrchu zdroja. Keďže senzor Microflown je smerový, tak pri skenovaní motora je dôležitá orientácia sondy. Intenzitná sonda PU mini musí byť nasmerovaná tak,
aby sonda Microflown bola v každom bode meracej trajektórie kolmá na meraný objekt. K identifikácií sondy
softvérom Scan&Paint bola použitá zelená farba prostredníctvom ktorého sa snímala meracia trajektória skenovania
(obr. 6). Farba musí byť zvolená tak, aby sa v snímacej
oblasti nenachádzala taká istá, alebo podobná farba. Ak by
softvér identifikoval podobnú farbu v analyzovanom obraze, mohol by ju považovať za súčasť meracej trajektórie.
Obr. 4 Osmičková smerová charakteristika Microflown [5]
Aplikácia sondy Microflown
PU mini
Na katedre environmentalistiky sa zrealizovali experimentálne
merania s cieľom overenia tohto senzora v praxi. Meraným stacionárnym zdrojom zvuku bol osobný automobil Ford Fiesta. Meranie bolo zamerané na skenovanie prednej časti motora. Metódy
lokalizácie zdrojov zvuku sú založené na meraní akustického tlaku
a často vyžadujú použitie vo zvukovo izolovanej miestnosti. Microflown sonda PU mini môže merať priamo rýchlosť častíc, ktorá
nie je ovplyvnená hlukom z okolia a z odrazov od okolitých stien.
Takže meranie a porovnanie rôznych strojových zariadení je možné vykonávať v skutočnom prevádzkovom prostredí, a to aj v
prostredí s vysokým hlukom pozadia. Spracovanie údajov sa vykonalo pomocou softvéru Scan&Paint. Je to nový, rýchly nástroj pre
lokalizáciu zdrojov zvuku a ich kvantifikáciu. Namerané audio dáta
sú zachytené vo videu. Vďaka softvéru sa dá z videa alebo z akustickej snímky na obrazovke rozpoznať pozícia sondy a následne
určiť poloha akustického poľa. Pretože sonda meria aj akustický
tlak aj rýchlosť častíc, je možné merať priamo pole rýchlosti častíc
a pole intenzity zvuku. Výhodou je aj nízka pracnosť v porovnaní
s inými metódami lokalizácie zdrojov zvuku. Softvérom
Scan&Paint sa vyhodnocuje akustický tlak, akustická rýchlosť častíc, intenzita zvuku, absorpcia, akustická impedancia, akustický
výkon. Pri nasledujúcich meraniach je vyhodnotená akustická intenzita, akustický tlak a akustická rýchlosť častíc.
MERANÝ OBJEKT
Meraným objektom bol motor osobného automobilu Ford
Fiesta (rok výroby 2002), výkon motora 40 kW. Motor bol meraný
pri rôznych otáčkach. Budeme sa venovať vyhodnoteniu meraní
pri otáčkach 3000 min-1. Na obr. 5 je zobrazený meraný objekt
s príslušnou zostavou potrebnou na meranie, pozostávajúcou
12
Obr. 6
Sonda PU mini označená zelenou farbou
REALIZÁCIA MERANIA
Povrch motora bol skenovaný pohybom sondy, zatiaľ čo kamera bola umiestnená na kapote auta smerom k povrchu motora.
Celé meranie – skenovanie (obr. 7) trvalo asi 1 min a 30 s. Aby
bolo možné vizualizovať trajektóriu sondy, je potrebné z každého
videa vygenerovať snímok,
z ktorého je vyňatá pozícia sondy. Na rozpoznanie polohy
sondy bolo použité už spomenuté farebné (zelené) označenie
sondy.
SPRACOVANIE
NAMERANÝCH
ÚDAJOV
Načítanie a spracovanie
nameraných údajov zaberá
v časovom intervale niekoľkých
sekúnd. V každom meracom
bode sa rýchlosť, intenzita a
tlak vyčítava z pomerného časového bloku zvukových dát.
IDENTIFIKÁCIA
ZDROJOV
HLUKU
Výsledkom skenovania
zdroja zvuku je farebný akustický snímok s vysokým rozlíšením. Pomocou akustického
filmu je možné znova si vypočuť a pozrieť meranie, ktoré sa
vykonalo. Z akustického snímku intenzity zvuku (obr. 8) pri
3000 min-1 boli identifikované
najvýraznejšie zdroje zvuku pri
frekvenciách 1000 - 1250 Hz.
Na obr. 10 vpravo sú tieto najintenzívnejšie zdroje vyznačené:
(1) rozvodová reťaz (pod vekom), (2) olejové čerpadlo, (3) vodné čerpadlo, (4) alternátor motora, (5) remeObr. 7 Snímok celej trajektórie sondy PU
ňový rozvod
motora,
(7)
zvody do výfukového
potrubia, (8)
sacie potrubie
m o t o r a
(škrtiaca klapka),
(9)
ventilátor
chladiča motora, (10) motorová prepážka, (11) prevodovka,
(12)
ventilátor
interiéru (pod
krytom), okrem zdroja od
hlavy valcov s
Obr. 5
Zostava potrebná na meranie so sondou PU mini
ventilovým rozvodom, ktorý je zakrytovaný, a tým tlmí vyžarovaný
zvuk.
VYGENEROVANIE SPEKTRA
Spektrum bolo vygenerované pre celý nasnímaný objekt. Takto
je možné lokalizovať zdroj hluku konkrétnej frekvencie. Na spektre je možné zaznamenávať zvuky v čase a frekvenčnom rozsahu.
Na obr. 9 je znázornené spektrum celkového akustického výkonu
pri frekvenciách 1000 - 1250 Hz.
Na obr. 10 vľavo je zobrazený akustický snímok pri frekvenciách 1000 - 1250 Hz a 3000 min-1. Vpravo sú vyznačené dva najintenzívnejšie zdroje zvuku, ktorými sú hlava valcov (6) s ventilovým rozvodom a ventilátor interiéru (12) (pod krytom). Na obr. 11
je vygenerované spektrum pri frekvenciách 1000 - 1250 Hz.
Na obr. 12 vľavo je uvedený akustický snímok akustickej rýchlosti častíc pri frekvenciách 1000 - 1250 Hz a 3000 min-1. Na obr.
14 vpravo sú vyznačené najintenzívnejšie zdroje zvuku, ktorými sú
opäť všetky už spomenuté zdroje zvuku, no prevládajú (10) motorová prepážka a (12) ventilátor interiéru, ktorý je situovaný pod
krytom. Zakrytovanie motora sa javí ako účinné.
Na obr. 13 je vygenerované spektrum pre celkovú rýchlosť
častíc pri frekvenciách 1000 - 1250 Hz.
13
Obr. 8
Akustický snímok intenzity zvuku (1000 - 1250 Hz)
Obr. 9
Spektrum
celkového
akustického
výkonu
Obr. 10
Akustický snímok (1000 - 1250 Hz)
Obr. 11
Spektrum
celkového
vyžarovaného
zvuku
14
Obr. 12
Akustická rýchlosť častíc (1000 - 1250 Hz)
Obr. 13
Spektrum
celkovej
rýchlosti
častíc
Záver
Príspevok poukazuje na existenciu revolučného riešenia pre lokalizáciu
a detailnejšiu identifikáciu hlukových emisií v dynamickom režime. V
práci spomínané softvérové a hardvérové vybavenie dokáže efektívnym
spôsobom lokalizovať zdroje hluku, vykonať kvalitatívnu i kvantitatívnu analýzu a tak vytvoriť základ pre opatrenia na zníženie hluku
výrobkov a strojných zariadení. Voľba meraného objektu - osobného
automobilu sa odvíjala od zvýšených požiadaviek trhu kladných na
tento druh výrobku, či už sa jedná o požiadavky vyššieho komfortu
cestovania, alebo požiadaviek menšej záťaže okolia dopravných komunikácií emisiami hluku. Problematika hluku a jeho vplyvov na okolie je
v súčasnosti veľmi aktuálna a je perspektívna z hľadiska ďalšieho vývoja vo vylepšovaní rôznych komponentov v automobilovom priemysle,
k čomu by mohla napomôcť aj identifikácia zdrojov zvuku využitím
zariadenia Microflown. Ako je zrejmé z prezentovaných akustických
snímok, hlavná koncentrácia akustickej energie meraného motora sa
nachádza v okolí zdroja od hlavy valcov s ventilovým rozvodom, ktorý
je zakrytovaný a tým tlmí zvuk vyžarovaný do okolia.
[2] DE BREE, H-E.: The Microflown E-Book, Chapter 3: The Microflown. 37 s.
[online] [cit. 2012-01-10]. Dostupné na internete: <http://www.microflown.com/
files/media/library/books/microflown_ebook/ebook_3_microflown.pdf>
[3] RAANGS, R.: EXPLORING THE USE OF THE MICROFLOWN. PROEFSCHRIFT. Lochem, 2005. 242 s. ISBN 90-365-2285-4.
[4] The Microflown E-Book, Chapter 1: Introduction.pdf, 55 s. [online].[cit. 201201-10]. Dostupné na internete: <http://www.microflown.com/files/media/library/
books/microflown_ebook/ebook_1_introduction.pdf>.
[5] JACOBSEN,F. - DE BREE, H.-E.: A comparison of two different sound intensity measurement principles, JASA, 2005.
[6] FARKAŠOVSKÁ, Z. – LUMNITZER, E.: Microflown-Kombinovaný senzor
na snímanie rýchlosti kmitania častíc a akustického tlaku a jeho aplikácia v praxi 2011. In: Material - Acoustics - Place 2011 : proceedings of the 6th International
Conference : 12. - 14.9.2011, Zvolen. - Zvolen : Vydavateľstvo TU vo Zvolene,
2011 S. 75-78. - ISBN 978-80-228-2258-9
[7] LUMNITZER, E. - FARKAŠOVSKÁ, Z. – BIĽOVÁ, M.: Advanced methods
for improving the acoustic quality of the products - 2012. - 1 elektronický optický
Poďakovanie
disk (CD-ROM). In: SGEM 2012 : 12th International Multidisciplinary Scientific
Príspevok vznikol v rámci riešenia projektu VEGA 1/1216/12 GeoConference : conference proceedings : Volume 5 : 17-23 June, 2012, Al„Výskum a vývoj aplikačných procedúr pre riešenie akustického bena, Bulgaria. - Sofia : STEF92 Technology Ltd., 2012 P. 37-42. dizajnu strojárskych výrobkov“.
ISSN 1314-2704
Literatúra
[1] H.-E. de Bree, W.F. Druyvesteyn, A particle velocity sensor to measure the
sound from a structure in the presence of background noise, Forum Acousticum,
Budapest, 2005.
Adresa autora:
Ing. Zuzana FARKAŠOVSKÁ, PhD.: Katedra environmentalistiky, Strojnícka fakulta, Park Komenského 5, 042 00 Košice,
[email protected]
15
OSVETLENIE
Analýza možností využitia
pri návrhoch
Ružena Králiková, Katarína Kevická
Úvod
Podstatným kritériom akosti projektovanej osvetľovacej sústavy je jej svetelnotechnický model, ktorý umožňuje overiť a
spresniť výpočty a zároveň vyskúšať rôzne
varianty svetelnotechnických riešení pre
jednotlivé časti osvetľovacej sústavy. Prudký rozmach v oblasti svetelnotechnických
programov umožnil vyvinúť nástroje pre
komplexný návrh a výpočet parametrov
osvetľovacích sústav zohľadňujúci svetelné
efekty, ktoré vznikajú pri umelom a dennom osvetlení, pričom dokážu generovať
jas, farbu a štruktúru trojrozmerných
priestorov veľmi reálne.
Simulácia je výhodným nástrojom pre
skvalitnenie procesu návrhu, výpočtu a
modelovania osvetľovacích sústav. Jej prostredníctvom možno odhaliť rôzne problémy pri odstraňovaní zbytočného predimenzovania prvkov osvetľovacej sústavy, zlého
návrhu niektorých častí sústavy a aj vizuálne posúdiť kvalitu a estetickosť návrhu
bez nutnosti použiť pridrahé fyzické modely. Výber a použitie ovplyvňujú celý
projekt. V prípade zvolenia nesprávneho
programu sa môže stať simulácia málo
efektívna. [5]
Tvorba svetelného
prostredia
v programe DIALux
Vizualizačné programy sú zamerané
na vizuálnu stránku návrhu a slúžia predovšetkým na vytváranie prezentácií svetelných scén. Svetlo hrá v týchto programoch
dôležitú úlohu z hľadiska vytvorenia svetelnej scény. Vstupné údaje sú založené na
definovaní smerových a výkonných cha-
16
rakteristík zdrojov svetla a odrazných charakteristík povrchov danej scény. Na výpočet sa využívajú špeciálne metódy ako
napr. spätné transponovanie chodu lúčov
(backward ray- tracyng), radiozita a pod.
Niektoré programy dokážu pracovať aj
s fotometrickými veličinami ako osvetlenosť, jas, krivky svietivosti atď. DIALux
elementy miestnosti, ako sú okná, dvere,
stĺpy, nábytok, atď. Vkladanie objektov do
priestoru sa realizuje presúvaním jednotlivých prvkov z projektového manažéra.
Následne je možné zadefinovanie ich rozmerov, textúry, farieb a ich súradníc pre
uloženie v priestore. Vytvorený 3D model
(Obr. 2) by mal v maximálnej možnej mie-
Obr. 1 Modelovanie v programe DIALux
(Obr. 1) patrí medzi univerzálne programy,
ktoré sú nezávislé od konkrétneho výrobcu
svietidla, čo je jeho nosnou prednosťou.
Fotometrické údaje sa do programu zavádzajú buď doinštalovaním katalógu konkrétneho výrobcu alebo nainštalovaním
zásuvného modulu (plug- in), ktorý umožňuje využívať rozšírené možnosti poskytované výrobcom svietidiel. Relux je
z užívateľského hľadiska veľmi podobný
programu DIALux a zásadnejšie sa od
neho nelíši. Takisto je to univerzálny programový nástroj pre návrh osvetlenia, do
ktorého sa zavádzajú elektronické katalógy
alebo zásuvné moduly od výrobcov svietidiel. [4]
Na začiatku projektovania osvetlenia v
spomínaných softvéroch je potrebné názorné vymodelovanie miestností, zadefinovanie povrchov, materiálov a častí interiéru. V ďalšom kroku môžu byť zadané
re korešpondovať s realitou.
Hlavným krokom návrhu osvetľovacej
sústavy je vloženie svietidiel do projektu
[3]. Svietidlá je možné vkladať do projektu
zo špeciálnej knižnice alebo z online databáz, kde sú k dispozícií svietidlá od desia-
Obr. 2 3D model simulovaného priestoru
vaného priestoru
inteligentných softvérov
osvetľovacích sústav
tok výrobcov a distribútorov. Po návrhu
3D modelu simulovaného priestoru nasleduje výpočet svetelnotechnických parametrov. Tieto programy dokážu na základe
zadaných údajov vypočítať osvetlenosť a
jas v posudzovanom priestore. Pri výpočtoch sa zohľadňujú odporúčania CIE a
požiadavky najnovších európskych noriem
STN EN 12464-1 a STN EN 12464-2. Po
realizácií výpočtu programom vieme sledovať distribúciu svetla a predchádzať tak
nevhodnému rozloženiu a chybnej inštalácii svietidiel do priestoru. Zmenou polohy
svietidla alebo zámenou za iný typ či výkon, dokážeme sledovať výsledné efekty a
úrovne osvetlenia. Na základe vypočítaných hodnôt osvetlenosti je možné znázorniť tzv. izofotické krivky v simulovanom
prostredí. Izofotická krivka je myslená
rovinná (obr. 3) alebo priestorová krivka,
ktorá spája všetky body v meranom priestore, ktoré sú charakteristické rovnakou,
plošných a priestorových máp osvetlenosti
a jasu v posudzovanom priestore. Ide v
podstate o 2D a 3D zobrazenia renderovania nepravými farbami, kde sa farebná škála mení na základe zmeny osvetlenosti alebo jasu. V literatúre sa môžeme stretnúť aj
s pomenovaním plošná mapa resp. izofotická plocha (pre 2D zobrazenie) a priestorová mapa (pre 3D zobrazenie)(Obr. 4).
Taktiež tieto programy projektantom ponúkajú vizualizáciu kriviek svietivosti, ktoré
radíme medzi jedny z najdôležitejších parametrov svietidla, pretože udávajú spôsob
rozloženia svetelného toku. (Obr. 5).
Návrh osvetľovacej
sústavy
Pre ukážky hľadania možností racionálneho užívania osvetlenia v pracovnom
prostredí, bola vytvorená v programe DIA-
Obr. 4 3D renderovanie nepravými farbami (DIALux)
Obr. 3 Rovinné izofotické krivky - izolínie
alebo približne rovnakou
hodnotou
niektorej
z
meraných
svetelnotechnických veličín. Ďalšou z
funkcií, ktorú
má možnosť
projektant
využiť,
je
zobrazovanie
Lux fiktívna strojárenská
hala, v ktorej sa vykonávajú
práce z oblasti spracovania
kovov (strojné opracovanie, zváranie, montáž). Pre
referenčnú halu sú predpísané hodnoty podľa STN
EN 12 464 – 1, uvedené v
tabuľke č. 1. Priemerná
osvetlenosť nesmie
klesnúť pod hodnoty
uvedené v tabuľke bez
ohľadu na vek a stav
osvetľovacej sústavy.
Na základe parametrov
uvedených v tabuľke č.
1, boli do návrhov
osvetľovacích sústav
vyberané svetelné
zdroje s indexom podania farieb Ra ≥ 60.
Obr. 5 Krivky svietivosti svietidiel
17
merným rozmiestnením svietidiel. Výška svetelného bodu svietidiel je vo všetkých prípadoch 12 m nad podlahou. Dôležitým parametrom pre výber najvhodnejšieho svietidla a svetelného zdroja
je špecifický príkon, ktorý nám udáva, koľko wattov energie daná
sústava spotrebuje na osvetlenie plochy o veľkosti 1 m2 na hodnotu osvetlenosti 100 lx [1]. Pri hľadaní riešení energeticky efektívnych osvetľovacích sústav je potrebné hľadať kompromis medzi
pozitívami (úspora energie) a negatívami (vyšší počet svietidiel,
vyššie investičné náklady) jednotlivých variantov. V nasledujúcej
tabuľke č. 2 sú porovnané parametre osvetľovacích sústav referenčnej haly naprojektované v programe DIALux. Vysvetlivky k
tabuľke č. 2.:
Obr. 5 Krivky svietivosti svietidiel (DIALux)
1)
Pri výpočte celkového príkonu svietidiel bola braná do úvahy aj spotreba (t.j. straty) predradných častí svetelného zdroja (+
Tab. 1 Požiadavky na osvetlenosť v mieste zrakovej úlohy [6]
Typ miestnosti, úlohy alebo činnosti
Çm
UGRL
Ra
(lx)
--
--
Zváranie
300
25
60
Hrubé a stredné strojné opracovanie
300
22
60
20%)
2)
Doba užívania osvetľovacej sústavy za rok = 4000 hod
3)
Cena energie za 1kWh = 0,1 €
4)
Prepočítané na spotrebu energeticky najnáročnejšej sús-
tavy v rámci porovnaní (Cabana 250W)
Na obrázku 6 je graficky porovnaná celková ročná spotreba energie osvetľovacích sústav. Z
Spracovanie hrubých plechov
200
25
60
predchádzajúcich porovnaní vidíme, že za najefektívnejšie osvetľovacie sústavy s ohľadom na
spotrebu
energie,
môžeme považovať sústavy so svietidlami MaxFarba svetla svetelných zdrojov bola volená v oblasti teplobiesos
LED,
Pacific
LED
a PerformaLux 400W.
lej a bielej s hodnotou teploty chromatickosti TC od 2150 K po
4000 K. Všetky uvažované svetelné zdroje použité na návrh osvetNajmenej uspokojivé výsledky s ohľadom na spotrebu energie
ľovacích sústav spĺňajú kvalitatívne požiadavky na osvetlenie pre boli dosiahnuté pri osvetľovacích sústavách so svietidlami Cabana
daný typ vykonávanej činnosti. Vo výpočte osvetľovacích sústav 250W a Cabana 400W.
bolo uvažované s osvetlenosťou užívateľskej úrovne (osvetlenosť
Na obrázku 7 sú znázornené potenciálne úspory energie
v mieste zrakovej úlohy) 300 lx pre celú referenčnú halu s rovno- osvet-
Tab. 2 Porovnanie spotreby energie osvetľovacích sústav
18
v
porovnaní
s
výbojkovými
svietidlami.
V
porovnaní
s osvetľovacou
sústavou so svietidlami PerformaLux 400W je rozdiel v počte svietidiel až osemnásobný. Tento rozdiel je zapríčinený
relatívne nízkym
Obr. 6 Graf celkovej spotreby energie osvetľovacích sústav za rok
svetelným tokom spomínaných
LED svietidiel v porovnaní
s výbojkovými svietidlami.
Svetelný tok svietidiel GentleSpace LED200 je síce
zrovnateľný so svietidlami
s 250W výbojkou, ale jeho
obstarávacia cena je päťnásobne vyššia. Pritom spotreba energie osvetľovacej
sústavy s týmito svietidlami
je
zrovnateľná
s osvetľovacou sústavou s
výbojkovými svietidlami
Obr. 7 Graf úspor energie osvetľovacích sústav
PerformaLux 250W a pri
svietidlách PerformaLux
ľovacích sústav v porovnaní s najmenej energeticky efektívnou 400W bola dosiahnutá spotreba energie ešte o 5 % nižšia.
osvetľovacou sústavou Cabana 250W. Z grafu vyplýva, že použi- S využívaním energeticky efektívnych osvetľovacích sústav je
tím osvetľovacích sústav so svietidlami Pacific LED
Tab. 3 Porovnanie investičných nákladov na osvetľovacie sústavy
a PerformaLux 400W by bola spotreba
energie na osvetlenie v referenčnej hale
Počet svietidiel
Cena osvetľovacej
SVIETIDLO
Cena svietidla
o 25% nižšia, ako pri použití svietidiel
na sústavu
sústavy
Cabana 250W pri rovnakých hodnotách
priemernej osvetlenosti na porovnávacej
(ks)
(€)1)
(€)
rovine. Použitím svietidiel Maxos LED by
spotreba energie klesla až o tretinu.
Cabana 250W
108
187
20196
V praxi je však jedným z rozhodujúcich
faktorov aj obstarávacia cena osvetľovacej
Cabana 400W
68
327
22236
sústavy (investičné náklady), ktoré predstavujú nemalú položku pri osvetľovaní
PerformaLux 250W
94
303
28482
veľkých priemyselných hál.
V nasledujúcej tabuľke č. 3 je porovPerformaLux 400W
52
331
17212
nanie osvetľovacích sústav s ohľadom na
počet svietidiel v sústave a ich obstarávaGentleSpace LED100
226
1060
239560
ciu cenu. Pozn.: 1)
Ceny svietidiel sú odčítané z platného
110
1700
187000
katalógu PHILIPS. Z porovnaní cien GentleSpace LED200
osvetľovacích sústav je zrejmé, že inves443
322
142646
tičné náklady do výbojkových svietidiel Pacific LED
predstavujú jednu pätinu obstarávacej
132288
416
318
ceny osvetľovacích sústav s použitím Maxos LED
svietidiel na báze LED.
Značný podiel na výške ceny osvetľovacej sústavy s LED možné dosahovať značné úspory na strane energie, a taktiež na
svietidlami zohráva počet kusov svietidiel v sústave. Z tab. č. 3 je strane financií, keď sa šetria finančné prostriedky za nespotrebovaevidentné, že počet svietidiel potrebný na osvetlenie referenčnej nú energiu.
Z energetického hľadiska je najefektívnejšou osvetľovacia súshaly na hladinu priemernej osvetlenosti 300 lx je pri LED svietidtava
so svietidlami Maxos LED, ktorej nevýhodou je však vysoký
lách (Maxos LED a Pacific LED) až štvornásobne vyšší
19
Obr. 8 3D model referenčnej haly s renderovaním nepravými farbami – PerformaLux
počet svietidiel (416 ks) čo predstavuje vysoké investičné náklady
a neefektívnosť spojenú s údržbou takéhoto vysokého počtu svietidiel.
Osvetľovacie sústavy Pacific LED a PerformaLux 400W sú
z hľadiska spotreby energie takmer zrovnateľné a v porovnaní so
spomínanou osvetľovacou sústavou je ich spotreba energie o 6 %
vyššia.
Sústava so svietidlami Pacific LED taktiež disponuje vysokým
počtom svietidiel (443 ks) čo sa dá považovať za nežiaduce.
Z týchto dôvodov sa javí ako najoptimálnejšie riešenie osvetľovacia sústava so svietidlami PerformaLux 400W, ktorá je energeticky efektívna, a ktorej investičné náklady sú najnižšie zo všetkých
posudzovaných osvetľovacích sústav, nakoľko na osvetlenie referenčnej haly je postačujúcich 52 ks svietidiel.
Tab. 5 Porovnanie osvetľovacích sústav s ohľadom na výšku MF
20
Na obrázku 8 je znázornený 3D model referenčnej haly
s renderovaním nepravými farbami s použitím osvetľovacej sústavy so svietidlami PerformaLux 400W.
Význam udržiavacieho činiteľa pri
návrhu energeticky efektívnych osvetľovacích sústav
Ak je známy typ svietidla a svetelného zdroja je potrebné do
návrhu osvetľovacej sústavy zahrnúť vplyv udržiavacieho činiteľa.
Udržiavací činiteľ je hodnota, o ktorú treba pri návrhu osvetľovacej sústavy predimenzovať výsledné svetlenotechnické parametre
tak, aby pri prevádzke v dôsledku časových zmien (starnutie svetelných zdrojov, materiálov svietidiel, znečistenie) pokles svetlené-
ho toku do času plánovanej údržby nespôsobil pokles týchto svetelnotechnických
parametrov pod hodnoty uvedené
v normách. Vzhľadom na skutočnosť, že
od času merania až do času plánovanej
údržby (čistenie svietidiel a svetelných
zdrojov alebo výmeny svetelných zdrojov)
naďalej dochádza k poklesu svetelného
toku sa pri objektivizácií, tzn. pri stanovení
posudzovanej hodnoty priemernej osvetlenosti ER,priem sa okrem hodnoty neistoty
merania U v percentách má zohľadniť aj
hodnota udržiavacieho činiteľa. [2] Časovú
stratu svetelného toku je nutné odhadnúť
už v štádiu projektovania umelej osvetľovacej sústavy a do výpočtu zahrnúť
„korekciu“ vo forme udržiavacieho činiteľa. Udržiavací činiteľ vyjadruje pomer udržiavanej osvetlenosti k začiatočnej osvetlenosti (priemerná osvetlenosť novej osvetľovacej sústavy) a závisí od pracovných
charakteristík svetelných zdrojov
a predradníkov, od druhu svietidiel, od
stavu pracovného prostredia a plánu údržby. [3]
Udržiavací činiteľ osvetľovacej sústavy
MF (Maintenance Factor) sa skladá
z týchto zložiek:
 činiteľ poklesu svetelného toku (LLMF
- Lamp Luminous Flux Maintenance
Factor) fLLM,
a výmeny svetelných zdrojov.
Udržiavací činiteľ sa vypočíta súčinom
jednotlivých zložiek podľa vzťahu:
f M  f LLM  f LS  f LM  f NRL  f RSM
V niektorých literatúrach sa uvádza
výpočet udržiavacieho činiteľa bez uvažovania činiteľa starnutia materiálov svietidiel
NRLF. [3]
Činiteľ poklesu svetelného toku zdrojov (LLMF) sa určí z príslušných kriviek,
ktoré poskytuje výrobca. Pre svetelný zdroj
SON Comfort 400 W je činiteľ poklesu
svetelného toku znázornený na obr. č. 9.
V tabuľke č. 4 je znázornený prehľadu
plánu údržby (grafikonu) navrhnutý pre
Obr. 9 Činiteľ poklesu svetelného toku
svetelného zdroja SON Comfort 400 W
vacích sústav v závislosti od zmeny veľkosti udržiavacieho činiteľa MF. Okrem
správneho výberu svietidla a svetelného
zdroja je dôležité pri projektovaní osvetľovacích sústav, už v návrhu zohľadňovať
plán údržby osvetľovacej sústavy, od ktorého do značnej miery závisí hodnota udržiavacieho činiteľa. Nízke hodnoty udržiavacieho činiteľa vedú k značnému predimenzovaniu osvetľovacích sústav, čo je
nežiaduci stav pri navrhovaní sústav
s nízkou energetickou náročnosťou.
Tab. 4 Prehľad plánu údržby (grafikon)
referenčnej haly
 činiteľ funkčnej spoľahlivosti svetelných zdrojov (LSF - Lamp Survival
Factor) fLS, tiež známe ako mortalita
alebo predčasné zlyhanie,
 činiteľ znečistenia svietidiel (LMF Luminaire Maintenance Factor) fLM,
 činiteľ starnutia materiálov svietidiel
(NRLF – Non-Recoverable Loss Factor) fNRL,
 činiteľ znečistenia povrchov miestnosti
(RSMF – Room Surface Maintenance
Factor) fRS.
Metodický návod na určenie celkového
udržiavacieho činiteľa je uvedený
v dokumente CIE 97:2005 Údržba vnútorných osvetľovacích sústav (interiérové
osvetlenie). Podľa čl. 4.10 normy STN EN
12464-1:2011 projektant umelej osvetľovacej sústavy musí:
 určiť udržiavací činiteľ a uviezť zoznam všetkých predpokladov pri stanovení jeho hodnoty,
 navrhnúť osvetľovaciu sústavu, ktorá
je vhodná pre dané prostredie,
 pripraviť komplexný plán údržby, ktorý obsahuje intervaly čistenia svietidiel,
svetelne aktívnych plôch priestoru
sústavu umelého osvetlenia v referenčnej
strojárskej hale. R0 – rok (dátum) montáže svietidiel, R1 – R20 – rok počítaný od roku montáže, R20
– rok dosiahnutia menovitej životnosti svietidiel.
V tabuľke č. 5 sú porovnané parametre
osvetľovacích sústav referenčnej haly, kde
pri všetkých návrhoch boli zachované jednotné parametre. Jedinou premennou bola
výška udržiavacieho činiteľa sústavy. Výpočty boli realizované prostredníctvom
softvéru DIALux. Vysvetlivky k tabuľke č.
5:
Pri výpočte celkového príkonu svietidiel bola braná
do úvahy aj spotreba (t.j. straty) predradných častí
svetelného zdroja (+ 20%)
2) Doba užívania osvetľovacej sústavy za rok = 4000
hod
3) Cena energie za 1kWh = 0,1 €
4) Prepočítané na spotrebu energeticky najnáročnejšej
sústavy v rámci porovnaní (MF=0,49)
1)
Na obrázku č. 10 je znázornené grafické porovnanie spotreby energie osvetľo-
Implementácia
systému regulácie
osvetlenia
Vhodný návrh osvetľovacej sústavy
prispieva k značnej úspore elektrickej energie, k predĺženiu intervalov údržby, zníženiu výpadkov osvetlenia a z toho vyplývajúcu nemalú úsporu finančných prostriedkov. Správny návrh osvetlenia má v prvom
rade zabezpečiť podmienky na vykonávanie požadovaných zrakových úloh a zabezpečenie zrakovej pohody. Zároveň má byť
realizovaný s čo najväčšou účinnosťou.
Medzi hlavné dôvody regulácie a riadenia
intenzity osvetlenia patrí dosiahnutie požadovaného osvetlenia s ohľadom na vykonávanú činnosť, jeho prispôsobenie požia-
21
Obr. 11 Vytváranie
skupín
Obr.
11 svieVytváranie
tidiel
svietidiel
vskupín
programe
DIALux
v programe DIALux
davkám užívateľov, dosiahnutie požadovanej intenzity osvetlenia v
závislosti na intenzite denného svetla a zníženie prevádzkových
nákladov. Výsledkom je zlepšenie jeho kvality, spríjemnenie pobytu a práce, zníženie príkonu svietidiel a strát na napájacom vedení.
Jedným zo spôsobov, ako je možné dosahovať úspory energie v osvetľovaní, je zavedenie
regulácie osvetlenia vytváraním skupín svietidiel.
Svietidlá v rámci skupiny sú regulovateľné na
rovnaký zvolený príkon s ohľadom na požadovanú hladinu osvetlenosti. Jednotlivé skupiny svietidiel nie sú na sebe závislé, takže je
možné každú skupinu nastaviť na potrebnú
úroveň osvetlenosti.
Na obrázku č. 11 je znázornené rozdelenie
svietidiel referenčnej haly do skupín
(R1,R2,..,R6). Percentuálne hodnoty v rámci
jednotlivých skupín predstavujú percento využitia potenciálu celkového príkonu svietidiel
v rámci skupiny. Tieto hodnoty ja možné meniť kedykoľvek, v závislosti od požiadaviek na osvetlenosť pracovného priestoru pod skupinou.
Pôvodná sústava osvetlenia bez regulácie bola navrhnutá na
hodnotu priemernej osvetlenosti 300 lx. Nastavenie percenta vyu-
Obr. 10 Grafické porovnanie spotreby energie osvetľovacích sústav v závislosti od MF
V súčasnosti sú známe široké možnosti riadenia a regulácie
osvetlenia, pri ktorých poskytovatelia služieb v danej oblasti uvádzajú potenciál úspor elektrickej energie na osvetlenie vo vnútorných priestoroch osvetľovaných objektov v rozmedzí 20 až 40 %.
22
Obr. 13 Porovnanie príkonov regulovanej a neregulovanej sústavy
Obr. 12 Hodnoty osvetlenosti pri regulácií osvetlenia v rámci skupín svietidiel
žitia potenciálu celkového príkonu svietidiel bolo realizované za
nasledovných požiadaviek:

v rámci skupiny RS1, RS3 a RS5 sa vykonávajú činnosti, kde
hodnota priemernej udržiavanej osvetlenosti nesmie klesnúť
pod 200lx,

v rámci skupiny RS2 a RS4 sa vykonávajú činnosti, kde hodnota priemernej udržiavanej osvetlenosti nesmie klesnúť
pod 300lx,

pracovný priestor spadajúci pod skupinu RS6 sa dlhodobo
nevyužíva.
Na obrázku č. 12 sú prostredníctvom renderovania nepravými
farbami zachytené hodnoty osvetlenosti z ktorých vyplýva, že boli
splnené požiadavky na osvetlenosť v rámci pracovných priestorov
spadajúcich do jednotlivých skupín svietidiel. Na obrázku č. 13 je
graficky znázornené porovnanie príkonov sústavy bez regulácie
osvetlenia, príkonov v rámci skupín svietidiel a príkonu celej sústavy s využitím regulácie. Úspora energie v tomto prípade predstavovala 23 % z celkovej spotreby energie neregulovanej osvetľovacej sústavy.
Záver
V príspevku boli prezentované jednoduché
ukážky toho, ako je možné implementáciou digitálnej inteligencie pri projektovaní
osvetľovacích sústav, v relatívne krátkom
čase, odhaliť nedostatky vypracovania
jednotlivých projektov, čím je možné ešte
v tejto fáze eliminovať prípadný nepriaznivý dopad takto navrhnutého osvetlenia
v budúcnosti. Vzhľadom k tomu, že
v súčasnej dobe je popredným cieľom európskych krajín znižovanie spotreby energií vo
všetkých oblastiach jej využitia je nevyhnutné hľadať riešenia hospodárneho vyu-
žívania energetických zdrojov. Správne navrhnuté osvetlenie nielenže
zabezpečuje požadované podmienky na vykonávanie zrakových úloh,
ale umožňuje minimalizovať investičné aj prevádzkové náklady, čím
zvyšuje hospodárnosť osvetlenia nielen po stránke kvality, ale aj po
stránke energetickej účinnosti.
Poďakovanie
Príspevok bol vypracovaný v rámci projektu KEGA 032TUKE4/2012 „Nové formy výučby a zvyšovanie efektívnosti vzdelávania
s podporou IKT pre potreby environmetálnych študijných programov“.
Literatúra
[1] ANDREJIOVÁ, M., LUKÁČOVÁ, K.: Porovnávanie výsledkov meraní dvoch
laboratórií pomocou vybraných štatistických metód, In: Fyzikálne faktory
prostredia. Roč. 1, č. mimor. (2011), s. 21-28. - ISSN 1338-3922.
[2] DRAHOŠ, R., DRAHOŠ, M.: Význam udržiavacieho činiteľa umelej osvetľovacej sústavy, In: Fyzikálne faktory prostredia. Roč. 1, č. mimor. (2011), ISSN
1338-3922.
[3] GAŠPAROVSKÝ, D., PAZDERA, M.: Porovnanie vypočítaných a nameraných hodnôt intenzity osvetlenia v interiéroch, In: Slovalux 2011: Svetelnotechnický seminár : 8. - 10.6.2011, Kúpele Smrdáky. - Bratislava : KONGRES
management s.r.o., 2011 S. 71-80., ISBN 978-80-89275-28-1.
[4] HABEL, J., ŽÁK, P.: Energetická náročnost osvětlovacích soustav, In.: Světlo,
ročník 2010, číslo 4., ISSN 1212-0812, FCC Public s. r. o., Praha.
[5] HORŇÁK, Pavol: Umelé osvetlenie. 1. vydanie. Bratislava: ALFA, 1979. 184 s.
ISBN neuvedené, MDT 628.92:725.
[6] STN EN 15 193: 2008. Energetická hospodárnosť budov. Energetické požiadavky na osvetlenie.
Adresa autorov:
doc. Ing. Ružena KRÁLIKOVÁ, PhD.: Katedra environmentalistiky, Strojnícka fakulta, Park Komenského 5, 042 00 Košice,
[email protected]
Ing. Katarína KEVICKÁ, PhD.: Katedra environmentalistiky,
Strojnícka fakulta, Park Komenského 5, 042 00 Košice,
[email protected]
23
HLUK
Transformácia kmitania potrubia
TÚV na obťažujúci hluk v spálni
Stanislav Žiaran
Úvod
Zdroje nízkofrekvenčného vibroakustického vlnenia (hluku) či už vnútorné,
napríklad od technického zariadenia budov, kotolní alebo vonkajšie napríklad od cestnej a železničnej dopravy, od výhrevní, kogeneračných jednotiek,
priemyselnej výroby a pod. za určitých podmienok vybudzujú v akusticky
chránených obytných priestoroch, napríklad v spálni výrazne nepríjemnú hladinu akustického tlaku stojatého alebo čiastočne stojatého vlnenia, ktorá môže
prevýšiť prípustnú hodnotu danú vyhláškou MZ SR 549/2007 Zb. [14].
Aj keď sa nedosiahne prípustná hodnota, takýto hluk je obťažujúci a ľudia
sa sťažujú [2, 5, 11, 12]. Podľa vyjadrenia sťažovateľov prejavy od tohto
hluku sú: tlak v hlave, podráždenosť, migrény, únava, prebúdzanie, stres,
depresia.
Charakteristika nízkofrekvenčného hluku a jeho
posudzovanie
Niektoré zdroje technického zariadenia budov, pri nedostatočnej
vibroizolácii a hlukoizolácii, vyžarujú relatívne silný nízkofrekvenčný tónový hluk, ktorý je pre človeka obťažujúci a často aj zdraviu
škodlivý. Skúmania ukázali, že vnímanie a vplyvy zvukov sa pri
nízkych frekvenciách významne odlišujú v porovnaní so zvukmi
stredných a vysokých frekvencií [1, 6, 10]. Hlavné príčiny týchto
odlišností treba vidieť v zoslabovaní vnemu pri frekvenciách zvuku pod 60 Hz, vnímanie zvukov ako pulzujúcich a fluktuujúcich,
oveľa rýchlejšie zvyšovanie hlasitosti a obťažovania so zvyšujúcimi
sa hladinami akustického tlaku pri nízkych ako pri stredných alebo
vysokých frekvenciách, sťažovanie sa pre pocity tlaku na sluchový
orgán, obťažovanie vyvolané sekundárnymi vplyvmi, ako sú drnčanie konštrukčných prvkov budov, oblokov a dverí, alebo cinkanie predmetov (napr. pohárov) a menšia strata akustickej energie
prenosom pri nízkych frekvenciách ako pri stredných a vysokých
frekvenciách [12, 13].
Potrubné sústavy dopravujúce vodu do obytných priestorov,
a to teplej úžitkovej vody (TÚV) a potrubie energetickej vody kúrenia môžu byť zdrojom nízkofrekvenčného tónového hluku,
ktorý je generovaný kmitaním potrubia a štruktúrnym vedením
transformovaný na hluk v chránenom priestore. Takýto špecifický
tónový hluk, vytvárajúci v chránenom priestore stojaté vlnenia,
mení v priestore svoju hodnotu (obr. 1).
Z obrázku 1 vyplýva, že hladina hluku závisí od meracieho
miesta, ktoré môže výrazne zmeniť jej hodnotu. Zvuk (hluk)
s mohutným nízkofrekvenčným obsahom ovplyvňuje aj frekvenčné váženie, čím sa vytvára väčšie obťažovanie, ako sa predikuje
pomocou hladiny A akustického tlaku [9, 11].
Pri posudzovaní zvukov s nízkofrekvenčným obsahom by sa
hodnotiace postupy mali modifikovať, pretože energetické pôsobenie nezodpovedná použitiu hladiny A akustického tlaku, ktorá je
základom pri hygienických meraniach [14]. Hlavné faktory posudzovania nízkofrekvenčného hluku sú :
24
 sledovaný frekvenčný rozsah je od približne 5 Hz do 100 Hz;
vo väčšine krajín EÚ sa v rozsahu pod 20 Hz používa na posúdenie zvuku váženie G, a nad 15 Hz sa používa oktávová alebo
tretinovooktávová analýza v rozsahu od 16 Hz do 100 Hz;
 často sa na posúdenie nízkofrekvenčného zvuku nepoužíva
váženie A tým istým spôsobom, ako sa to používa na posúdenie
zvuku so strednými a vysokými frekvenciami; skôr sa posudzuje
nízkofrekvenčný zvuk len v uvedenom obmedzenom frekvenčnom rozsahu;
 skôr sa uprednostňujú kritériá hodnotenia nízkofrekvenčného
zvuku na základe merania zvuku v miestnosti ako vo vonkajšom prostredí (stojaté vlnenie – obr. 1);
 jedným z výstupov posudzovania nízkofrekvenčného hluku je,
že rezonancie miestnosti pri nízkych frekvenciách môžu vytvoriť situácie, ktoré možno ťažko predikovať z vonkajších meraní;
 vybudené zvukové drnčania v konštrukčných prvkoch budov
sú dôležitými určujúcimi prvkami obťažovania vyvolaného
nízkofrekvenčným zvukom; drnčanie ako faktor súvisiaci
s energeticky silným nízkofrekvenčným a impulzovým hlukom
je možné pozorovať aj na vonkajších konštrukčných prvkoch
obytných blokov.
Takýmto postupom by bolo vhodné posudzovať hluk
v chránených obytných ale aj v pracovných priestoroch najme tam,
kde sa vykonáva duševná práca [8].
Obrázok 1 – Priebeh hladiny akustického tlaku LA stojatej
vlny v chránenom priestore v závislosti od charakteristického
rozmeru Lx.
Analýza nízkofrekvenčného kmitania a hluku potrubných sústav
Rozvod teplej úžitkovej vody a energetickej vody kúrenia sa
realizuje potrubnými sústavami. Tieto potrubné sústavy, ako potenciálne zdroje kmitania vybudeného prúdením vody, sú spravidla
zavesené pod stropovú dosku pivničných priestorov a teda na
podlahu chráneného priestoru, a to buď na vibroizolačné závesy
alebo na vibroizolačne neupravené závesy od stropnej konštrukcie.
Obrázok 5 – Frekvenčné spektrum
potrubnej sústavy kúrenia
Schematicky je poloha chráneného priestoru a umiestnenia potrubnej sústavy na
obrázku 2. Takéto uloženie potrubnej sústavy je veľmi citlivé s ohľadom na prenos
dynamického zaťaženia do okolitých
a chránených priestorov a preto jej vibroizolácii treba venovať zvýšenú pozornosť.
V opačnom prípade môže cez stavebné
konštrukcie prenikať do chránených priestorov najmä nízkofrekvenčné vlnenie
a v uzatvorenom priestore (izbách chráneného priestoru) vyvolať stojaté alebo čiastočne stojaté vlnenie. Toto akustické vlnenie, ktoré sa prejavuje ako dunivý hluk, je
príčinou lokálneho zvýšenia hluku a aj
zvýšeného obťažovania človeka hlukom
v chránených relaxačných priestoroch [1,
11, 12].
Meraním hladiny A akustického tlaku
a kmitania pomocou FFT analýzy sa zistilo, že akustické pole malo v chránenom
priestore charakter stojatého vlnenia, a to
v dôsledku zhody vlnovej dĺžky akustického vlnenia s rozmerom spálne, akusticky
Obrázok 6 – Modálna analýza potrubnej
sústavy TÚV
hľadiska budú mať tendenciu generovania
výrazného mechanického kmitania
s transformáciou na nízkofrekvenčný hluk,
čo si vyžaduje ich správne uloženie.
V opačn om prípad e akustické
a mechanické kmitanie (vibroakustická
energia) šíriace sa stavebnou konštrukciou
do okolitého priestoru, vytvára akustické
prostredie s nízkofrekvenčným dunivým
hlukom, ktorý je v blízkych chránených
priestoroch obťažujúci a rušivý [3, 4, 10].
Princíp a intenzita generovania výrazného
hluku súvisí predovšetkým s prúdením
stojatého vlnenia je aby jeden rozmer
uzavretého priestoru bol minimálne polovica vlnovej dĺžky akustického vlnenia
vyžarovaného do chráneného priestoru.
Veľmi dôležitým parametrom ovplyvňujúcim akustické pomery v mieste zdroja hluku a v obytnom priestore sú teda jeho rozmery, ako aj akustická tvrdosť stien a ich
rovnobežnosť.
Mechanické kmitanie merané na podlahe nebolo výrazné. Výraznejšie amplitúdy nízkofrekvenčného kmitania sa namerali na potrubí kúrenia v spálni, ktoré však
nemalo vplyv na obťažujúcu hlukovú
situáciu (obr. 4). Z obrázkov 3 a 4 vyplýva, že neexistuje korelácia medzi
kmitaním potrubnej vykurovacej sústavy v spálni a akustickým kmitaním
priestoru spálne.
Kmitanie potrubnej sústavy o výraznej
amplitúde pri frekvencii 30 Hz môže
byť vybudená aj kmitaním stropovej
Obrázok 2 – Potrubná sústava zavesená pod
dosky. Modálnou analýzou sa zistili
chráneným priestorom
vlastné tvary kmitania pre prívodné
média v potrubí. Kmitanie a hluk nízkych potrubie ako aj potrubie spiatočky (obr. 6).
tvrdých rovnobežných stien a kmitania
frekvencií sa veľmi dobre šíri do vzdialepotrubnej sústavy. Výsledky analýzy hluku
Jeden z vlastných tvarov je v blízkosti 30
nejších priestorov, zatiaľ čo hluk vyšších
v chránenom priestore (spálni) sa uvádzajú
Hz čo môže vyvolať rezonančné kmitanie
na obrázku 3 a analýza kmitania v tom frekvencií sa so vzdialenosťou rýchlejšie
potrubia. Rezonancia v danom prípade
pohlcuje, čím sa vysvetľuje dunivosť hluku
istom priestore je na obrázku 4.
znamená výrazné zvýšenie amplitúdy kmiv priestoroch mimo zdroja hluku. Ak sa
Z obrázka 3 vyplýva, že v chránenom
tania potrubia a tým aj zvýšenie vibroakusrozmery chráneného priestoru zhodujú
priestore je vybudené (čiastočne) stojaté
tickej energie, ktorá sa stavebnou kons
vlnovými
dĺžkami
nízkofrekvenčného
vlnenie diskrétnej frekvencie 30 Hz
štrukciou prenáša do chránených priestohluku a s ich násobkami, je tu možnosť
(presne 30,21 Hz). Táto frekvencia, ako
rov. V tomto prípade ide o generovanie
vzniku stojatého vlnenia alebo častejšie
ukazuje frekvenčná a modálna analýza, je
tónovej zložky hluku, ktorá pri zhode rozčiastočného stojatého vlnenia, čím sa
generovaná potrubnou sústavou (obr. 5
merov vlnovej dĺžky (v danom prípade
umocní
dunivosť
hluku
v
týchto
priestoa 6). Treba konštatovať, že potrubné súspolovice vlnovej dĺžky) tejto tónovej zložtavy z konštrukčného a technologického roch. Medznou podmienkou na vybudenie
ky s rozmerom chráneného priestoru vybudí stojaté vlnenie.
Z vykonanej dynamickej
analýzy vyplýva, že analyzovaná potrubná sústava
vykazuje nežiaduce dynamické zaťaženie na okolité stavebné konštrukcie
a tým aj blízke chránené
priestory. Tento problém
je riešiteľný, a to návrhom efektívnych vibroakustických opatrení.
Obrázok 3 – FFT analýza hluku v spálni
Obrázok 4 – FFT analýza kmitania v spálni
25
Redukcia nízkofrekvenčného
hluku
Na redukciu prenosu energie dynamického zaťaženia od zdroja kmitania do okolitého priestoru sa v prvom rade využíva
vibrodiagnostika na detekciu zdroja kmitania a tam, kde nie je možné odstrániť zdroj
výrazného kmitania sa využíva vibroizolácia a hlukoizolácia zdroja kmitania a hluku.
Vibroizolácia je opatrenie používané na
zníženie akéhokoľvek významného prenosu dynamického zaťaženia (kmitania) od
zdroja, napríklad potrubnej sústavy teplej
úžitkovej vody a potrubnej sústavy kúrenia,
do okolitých konštrukcií (izolácia zdroja,
ochrana pred emisiami kmitania), alebo na
ochranu stavebných konštrukcií a ľudí
sústav, stavebných konštrukcií, okolitého
prostredia a človeka sa používajú na redukciu [5, 7]
 prenosu vibroakustického vlnenia
v rozsahu počuteľných frekvencií
(štruktúrny zvuk od 16 Hz do 16 kHz)
na konštrukcii, ktorá môže napríklad
vyžarovať zvuk do okolia (vedenie
vzduchom, vedenie vodou);
 prenosu nízkofrekvenčného vlnenia
(kmitania) (typicky od 1 Hz do 100
Hz), ktoré môže napríklad negatívne
pôsobiť na človeka alebo spôsobiť
poškodenie stavebných konštrukcií
a strojov, ak sa kmitanie vyznačuje príliš veľkou mohutnosťou alebo zrýchlením.
Obrázok 6 – Možné zavesenie potrubných sústav
pred kmitaním prijatým z ich okolia
(izolácia príjemcu, ochrana pred imisiami)
(obr. 6 vpravo). V obidvoch prípadoch
pasívne izolátory dynamického zaťaženia
(vibroizolátory) tvorí sústava hmota –
pružný element (absorbér energie), ktorých
dynamickú ozvu kriticky ovplyvňujú vlastnosti zdroja dynamického zaťaženia. Optimalizácia sústavy, aby spĺňala kritéria
ochrany, si vyžaduje úplné a podrobné
znalosti všetkých faktorov, ktoré ovplyvňujú konštrukciu a účinnú aplikáciu vibroizolácie potrubnej sústavy, jej uloženia alebo
aplikáciu v kontaktných plochách
s vertikálnymi stavebnými konštrukciami –
priečkami, na ktorých je položené potrubie. V prípade priameho zavesenia potrubia, napríklad pomocou reťazí (obr. 6 vľavo) sa energia kmitania prenáša do stavebnej konštrukcie, ktorá sa formou hluku
vyžaruje do chráneného priestoru. Treba
mať však na zreteli, že aj vibroizolačné
zavesenie podľa obrázka 6 vpravo môže
prenášať energiu kmitania potrubia do
stavebných konštrukcií, ak sa nerešpektuje
všeobecne platná teória [16].
Vhodne navrhnuté pasívne izolátory
dynamického zaťaženia, alebo odstránené
diagnostikované poškodenia používaných
strojových zariadení (napr. obehových
čerpadiel) s cieľom ochrany mechanických
26
Záver
Merania v obslužných priestoroch pod
chráneným priestorom, kade vedú potrubné sústavy, ukázali nežiaduce dynamické
zaťaženie týchto potrubných sústav
a okolitého prostredia. Prúdenie kvapaliny
v potrubných sústavách kúrenia a teplej
úžitkovej vody pri prevádzkových rýchlostiach je prakticky nehlučné. Prúdenie kvapaliny pri zmene smeru prúdenie môže
vybudiť vlastné tvary potrubnej sústavy –
rezonanciu sústavy. Treba konštatovať, že
na vybudenie rezonančného stavu stačí
budiaca sila malej intenzity. Vybudené analyzované potrubné sústavy generujú tónový hluk nízkej frekvencie. Teda
z vykonanej dynamickej analýzy vyplýva, že
analyzované potrubné sústavy vykazujú
nežiaduce dynamické zaťaženie okolitých
stavebných konštrukcií a tým aj blízkych
chránených priestorov, ktoré sa prejavuje
tónovým nízkofrekvenčným hlukom.
Veľmi nízke frekvencie možno vnímať,
ak majú dostatočnú intenzitu. Štúdie
a skúsenosti hovoria, že ak je človek exponovaný
nízkofrekvenčným
zvukom
(hlukom), môže mať problémy pri vykonávaní duševnej práce a pociťuje aj určité
nepohodlie. Ak hladina akustického tlaku
prevyšuje určitú hranicu, človek trpí závratmi, duševnou únavou, podráždenosťou,
napínaním na vracanie (nausea), bolesťami
hlavy a stratou rovnováhy. Existuje však
malá citlivá časť populácie, ktorá môže
pociťovať nepríjemnosť veľmi nízkych
frekvencií (infrazvuk) už od hladiny 65 dB,
ak ide o príslušnú kombináciu frekvencie
a dĺžky pôsobenia. Účinky sú opisované
ako všeobecná rozladenosť, nevoľnosť,
dezorientácia, zvýšená únava, poruchy
spánku alebo spavosť a iné kombinácie
nešpecifikovaných príznakov [3, 10].
Literatúra
[1] Berg, G.P.: Low Frequency Noise and Vibration
and its Control, 11th International Meeting Maastricht, The Netherlands 2004
[2] Darula, R.-Žiaran, S: Traffic induced standing
waves in rooms. Proceedings of the 15th International Acoustic Conference. Kočovce, 2010
[3] Havránek, J. a kol.: Hluk a zdraví. Avicenum,
zdravotnícke nakladatelství, Praha 1990
[4] Sobotová, Ľ.–Jurkovičová, J.–Štefániková, Z.—
Ševčíková, Ľ.––Ághová, Ľ.: Noise pollution in health
care facilities, hazard and health risk. Proceedings of
the 12. International acoustic conference “Noise and
Vibration in Practice” Kočovce 2007
[5] Žiaran, S.: Zníženie prenosu hluku a vibrácií
z kotolní do obytných priestorov. Odborná správa
pre bytový podnik Dunajská Streda. Bratislava 1994
[6] Žiaran, S.: Vplyv hluku nízkych hladín na komfort
a zdravie človeka. In: Životné podmienky a zdravie:
Zborník vedeckých prác. Bratislava 2006. - ISBN 807159-160-2. - S. 50-55
[7] Žiaran, S.: Aplikácia noriem STN ISO 1996
o opise meraní a posudzovaní environmentálneho
hluku. Proceedings of the 13. International acoustic
conference “Noise and Vibration in Practice” Kočovce 2008
[8] Žiaran, S.: Kmitanie a akustika. Ochrana človeka
pred kmitaním a hlukom. Monografia. Monografia.
Vyd. STU Bratislava 2008
[9] Žiaran, S.: Analysis of annoying low frequency
noise boiler-rooms. Proceeding from International
Congress INTERNOISE 09, Ottawa 2009
[10] Žiaran, S.: Effects of low-frequency noise in
closed space on the human. In INTER-NOISE 2011:
40th International congress and exposition on Noise
control engineering. Osaka/Japan, s. 8, ISSN 0105175X
[11] STN ISO 1996-1: Akustika. Opis merania
a posudzovania environmentálneho hluku. Časť 1:
Základné veličiny a postupy posudzovania
[12] Vyhláška MZ SR č. 549/2007 Zb., ktorou sa
ustanovujú podrobnosti o prípustných hodnotách
hluku, infrazvuku a vibrácií a o požiadavkách na
objektivizáciu hluku, infrazvuku a vibrácií v životnom
prostredí
[13] Žiaran, S.: Hodnotenie nízkofrekvenčného hluku
na hranici počuteľnosti. XVII medzinárodný akustický seminár. Bratislava – Kočovce 2012. ISBN: 97880-227-3714-2
[14] Žiaran, S.: Kmitanie a akustika. Znižovanie
kmitania a hluku v priemysle. Monografia. Vyd. STU
Bratislava 2006
Poďakovanie
Článok je publikovaný s podporou Vedeckej
grantovej agentúry Ministerstva školstva a Slovenskej akadémie vied VEGA 1/0135/12.
Adresa autora:
doc. Ing. Stanislav ŽIARAN, CSc, Strojnícka
fakulta STU v Bratislave
NORSONIC Slovensko s.r.o.
Predaj prístrojov na meranie hluku, vibrácií a svetla
Letisko M.R.Štefánika 63, 82001 Bratislava 21
tel.:++421-2-33002441, 0903446808
[email protected]
www.norsonic.sk
Výhradný distribútor v Slovenskej republike
Meracích prístrojov NORSONIC
Zvukomery pre merania v pracovnom a životnom prostredí
Bezdrôtové systémy na meranie a vyhodnocovanie stavebno-akustických parametrov
Systémy na permanentné a semipermanentné monitorovanie hluku
Meracie systémy na meranie vplyvu vibrácií na človeka – malé prenosné 3 až 6 kanálové
Meracieho systému Acoustic-Camera od firmy gfai tech
Identifikácia a kvantifikácia zdrojov zvuku
Zviditeľňovanie zdrojov zvuku
Prístrojov na meranie svetla PRC Krochmann
Programov na predikciu zvuku vo vonkajšom a vnútornom prostredí DATAKUSTIK
CadnaA – výpočet hlukovej záťaže vonkajšom prostredí
CadnaR – výpočet hlukovej záťaže vo vnútornom prostredí, výrobné haly, výpočet expozície hlukom na pracovných miestach
BASTIAN – výpočet akustických parametrov vnútorný deliacich vertikálnych a horizontálnych stavebných konštrukcií
Program CATT Acoustic – predikcia, šírenie zvuku vo vnútornom priestore - hudobné, divadelné, prednáškové priestory
Meranie, znižovanie a predikcia hluku, vibrácií a škodlivín Akreditované pracovisko na meranie hluku a vibrácií Ponúkame akreditované merania v zmysle EN ISO/IEC 17025:
- hluku a vibrácií vo vonkajšom a pracovnom prostredí v súlade so
Zákonom SR 355/2007 Z.z.
- meranie hlukovej záťaže vo vonkajšom prostredí z rôznych
zdrojov hluku
- meranie stavebno-akustických parametrov stavebných konštrukcií
- parametrov priestorovej akustiky
- akustické parametre strojov, zariadení a dopravných prostriedkov
- akustický výkon strojov a zariadení
- meranie a monitorovanie leteckého hluku
- trvalé monitorovanie hluku s kontrolou v reálnom čase pomocou
internetu www.monitorovaniehluku.sk
Určovanie hlukovej záťaže predikciou pomocou matematického modelovania:
- vo vonkajšom prostredí, pre potreby plánovania a stavebného konania
- pracovanie hlukových štúdií zo zdrojov vo vonkajšom a vnútornom prostredí
- vo vnútornom prostredí, stanovenie expozície hlukom na pracovných miestach
- analýza, optimalizácia a návrh prednáškových, koncertných a divadelných priestorov
Návrh a realizácia opatrení na zníženie hluku a vibrácií.
Firma EUROAKUSTIK je spracovateľom Strategických hlukových máp a akčných plánov ochrany pred hlukom pre Bratislavskú aglomeráciu a okolie ciest v správe SSC www.hlukovamapa.sk EUROAKUSTIK, s.r.o., Letisko M.R. Štefánika 63, 82001 Bratislava
Tel.:00421-2-33002440 – 4, 09034460808, www.euroakustik.sk, [email protected]
Certifikát EN ISO 9001:2008 a EN ISO 14001:2009
Nie sme zodpovední len za to,
čo robíme, ale aj za to, čo nerobíme.“
Moliére
ISSN 1338-3922
Download

FFP 2012 / 1 - Fyzikálne faktory prostredia