5. Проверка работы центробежного вентилятора
После нажатия кнопки 6 (режим -6-) включается вентилятор, выводится величина стабилизированного напряжения питания микроэлектродвигателя, которая в пределах погрешности должна совпадать с данными, указанными в паспорте.
6. Измерение уровня собственного фона счётчика
Контрольную функцию выполняет режим 8 (-8-). В этом режиме также проверяется работа аспирационной камеры и предусилителя.
После нажатия кнопки 8 появляется надпись:
-8- 00:01:10 Fon
Measure
Zero
Setting 10
После нажатия кнопки 8 начинается цикл измерений уровня собственного фона счётчика сначала для отрицательных, а затем для положительных ионов. При нажатии кнопки включается соответствующий источник питания аспирационной камеры, напряжение с которого подаётся на отклоняющие электроды. Вентилятор в данном режиме выключен, и прокачка воздуха через аспирационную камеру отсутствует. При нормальной работе аспирационной камеры уровень собственного фона не должен превышать величины, указанной в паспорте.
7. Контроль измерительного канала счётчика
Контроль измерительного канала счётчика осуществляется после нажатия кнопки 0 (режим -0-). Режим выполняет вспомогательную функцию и используется для определения коэффициента преобразования измерительного канала счётчика при проведении поверки.
Выключение счётчика осуществляется при установке переключателя ПИТАНИЕ в положение «0».
В счётчике предусмотрены два режима работы:
Режим непрерывных измерений концентраций положительных или отрицательных аэроионов;
Последовательное измерение концентраций положительных и отрицательных аэроионов с последующим вычислением полярности.
Работа в режиме измерений
-1-. Режим непрерывного измерения концентрации отрицательных аэроионов с последующей индикацией текущего и среднего значения из зарегистрированных. Режим целесообразно использовать для общего обследования рабочих помещений: определения среднего уровня концентрации аэроионов в помещении, поисков возможных источников аэроионов (по увеличению уровня концентрации аэроионов при приближении к источнику).
После нажатия кнопки 1 появляется надпись и начинается цикл измерений:
-1- 00:10:01
Negative
Ions Zero
Setting 15
В правом нижнем углу показано время до окончания текущей операции.
На отклоняющие электроды аспирационной камеры подаётся отрицательное напряжение, после стабилизации в течение 20 с ток на собирающем электроде измеряется и фиксируется. Затем включается вентилятор, и начинаются измерения значений концентрации отрицательных аэроионов.
-1- 00:10:50
Ns-=-3.33
103 cm-3
Nt-=-3.33
103 cm-3 Negative
N- 20
Nt- - текущее значение концентрации отрицательных ионов. NS- - среднее значение концентрации отрицательных ионов.
Показания Nt- обновляются каждую секунду. Значение NS- – средняя концентрация аэроионов за последние 25 с измерений. Значения NS- обновляются каждые 25 секунд.
В конце цикла измерений выводится значение средней концентрации аэроионов NS- вместо текущих Nt-, выключается вентилятор, и цикл измерений повторяется.
Если полученное значение Ns выходит за предел нижней границы диапазона измерений концентрации аэроионов, на мониторе появляется информация:
-1- 00:11:10 NS<0,100
103 cm-3 Nt=0,120
103cm-3 30
-2-. Режим непрерывных измерений концентрации положительных аэроионов. Алгоритм измерений в этом режиме идентичен описанному выше.
-5-. В этом режиме осуществляются измерения концентраций как положительных, так и отрицательных аэроионов, вычисляется коэффициент униполярности, измеренный в конкретном месте.
Режим целесообразно использовать для аттестации рабочих мест в помещениях с видеодисплейными терминалами и персональными электронно-вычислительными машинами, в помещениях с системами кондиционирования, там, где применяются групповые и индивидуальные ионизаторы воздуха, устройства автоматического регулирования ионного режима воздушной среды.
Процесс измерения данных изображается на мониторе:
-5- 00:15:01 NS-= -2.00
103 cm-3
Nt+= +1.00
103 cm-3 Polarity? 15
В данном режиме реализуются последовательно измерения режимов -1- и -2-. По завершении последнего измерения автоматически вычисляются значения коэффициента униполярности.
,
где
и
число положительных и отрицательных
ионов в 1 см3
воздуха. Результаты измерений выводятся
на монитор:
-5- off 00:16:01 NS-= -2.00
103 cm-3 NS+= +1.00
103 cm-3 У = 0.50
Упражнение 1. Паспортное включение прибора и проверка работоспособности
Выполнить пункты 1, 3, 4, 5, 7 описания работы прибора, записав содержание монитора на каждом этапе. Сравнив содержание монитора с контрольными, данными в описании, сделать вывод о готовности прибора к работе.
Упражнение 2. Измерение уровня собственного фона счётчика
Проделать измерения так, как описано в пункте 6. Записать данные в таблицу. Рассчитать погрешность методом Стьюдента. Сравнить среднее значение полученного результата с паспортными данными. Сделать вывод о совпадении или не совпадении результата с паспортными данными (см. Таблицу 1).
Форму таблицы разработать самостоятельно.
Упражнение 3. Измерение концентрации положительных и отрицательных аэроионов и коэффициента униполярности
Провести измерение концентраций положительных и отрицательных аэроионов и коэффициента униполярности. Каждое измерение записывать в таблицу. Провести не менее 10 измерений для каждого типа ионов.
Форму таблицы можно разработать самостоятельно, а можно использовать предложенную ниже (Таблица 2). В примечаниях к таблице указать дату, время и место, когда и где проводились измерения.
Таблица 2
Измерение концентрации положительных и отрицательных ионов в помещении
|
Данные
о помещении: |
№ ауд. |
Дата,
время проведения измерений: |
|
Средние
значения коэффициентов ( |
|
Концентрация
положительных ионов ( |
|
|
|
|
|
Концентрация
отрицательных ионов ( |
|
|
|
|
|
Коэффициент
униполярности ( |
|
|
|
|
):
)
)
)
Коэффициент униполярности рассчитывать по средним значениям концентраций положительных и отрицательных ионов.
Рассчитать погрешности методом Стьюдента.
Записать результат в стандартной форме:
,
,
.
Сделать вывод о санитарной безопасности помещения или рабочего места.
Контрольные вопросы
Что такое аэроионы? Какой полярности они бывают? В каких средах содержатся?
Как можно изменить содержание аэроионов в воздухе?
Обладают ли аэроионы биологической активностью?
Какими СанПиНами определяется содержание аэроионов в воздухе рабочих и жилых помещений?
Какой прибор применяется при проведении санитарно-гигиенического обследования помещений и рабочих мест, а также при мониторинге окружающей среды?
Где целесообразно использовать счётчик?
Каковы конструктивные особенности счётчика?
Каков принцип работы счётчика?
Возможно ли использовать счётчик, не подключая его к сети переменного тока? Где это необходимо использовать?
Что такое коэффициент униполярности? Как его измерить?
Какие режимы работы счётчика предусмотрены?
Как проверить напряжение на аккумуляторной батарее?
Как провести измерение уровня собственного фона счётчика и зачем это необходимо делать?
Предложите удобные формы таблиц для записи результатов измерений.
Какие действия необходимо выполнить при паспортном включении прибора и проверке его работоспособности?
Литературные источники
1. Физическая энциклопедия/М.: Советская энциклопедия, 1990. – Т.2. – С.185, 212.
2. В.П. Скипетров. Аэроионы и жизнь/
http://www.rusmedserv.com/aeroion/vved.htm
3. Санитарно-гигиенические нормы допустимых уровней ионизациии воздуха производственных и общественных помещений N 2152-80. Приняты 12 февраля 1980 г.
4. Л.М. Рождественский. Краткий обзор основных аспектов применения аэроионизации и аэроионотерапии/
http://www.ikar.udm.ru/sb5-2.htm
5. Люстры Чижевского/ http://volcano4all.nm.ru/aeroion/ae_vved.html
Работа № 25
АНТРОПОМЕТРИЯ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ
Цель работы
Измерение температуры, влажности, точки росы, давления и высоты.
Приборы и принадлежности
Термогигрометр GFTH-200: измерение температуры, влажности, точки росы.
Универсальный прибор GTD-1100: измерение температуры, давления, высоты.
Мультифункциональный прибор 4 в 1: измерение влажности и температуры.
Введение
Давление [1]
Давлением называется физическая величина, численно равная силе, действующей на единицу площади поверхности в направлении нормали к этой поверхности:
.
Единицами измерения давления являются: в СИ паскали (Па), широко распространёнными внесистемными мм рт. ст., атмосферы (атм), бары и торы. Связь между ними следующая:
760 мм рт. ст.=105 Па=1 атм (физическая атмосфера или ф.а.);
1
техническая атмосфера (т.а.)=
Па;
1 мм рт. ст.= 133,322 Па;
1 бар= 
Па;
1 торр= 1 мм рт. ст.= 133,322 Па
Зависимость давления от высоты (барометрическая формула Больцмана) [1]
При
выводе основного уравнения
молекулярно-кинетической теории газа
(
)
предполагалось, что на молекулы газа
не действуют никакие внешние силы.
Фактически молекулы всегда находятся
в поле силы тяжести Земли. Если бы
теплового движения не было, то все
молекулы бы упали на Землю, и мы бы
лишились атмосферы. А если бы не было
поля тяготения, то молекулы бы равномерно
(рано или поздно) рассеялись бы по всей
Вселенной и мы все равно бы лишились
атмосферы.
Рассмотрим закон, которому подчиняется изменение давления газа (а значит и концентрация молекул) с высотой.
Гидростатическое давление определяется по формуле Паскаля:
.
Газы
легко сжимаемы, плотность газа зависит
от давления газа, поэтому формулой
Паскаля можно пользоваться только для
вычисления давления тонких горизонтальных
слоев газа, в которых плотность
можно считать одинаковой.
Если
на высоте
от условного горизонтального уровня
давление газа равно
,
то с увеличением высоты на
давление газа понизится на
,
причём
.
(1)
Из практики известно, что давление уменьшается с высотой, поэтому в формуле стоит знак «-».
Выразим плотность из уравнения Менделеева-Клапейрона и подставим в уравнение (1):
.
Дальнейшее
зависит от того, учитывать ли зависимость
от высоты температура газа и ускорения
свободного падения. Если считать, что
и
,
т.е. температура и ускорение свободного
падения не зависят от высоты, то
(2).
Здесь
- давление на высоте
,
а
– давление на высоте
.
Полученный результат (2) носит название барометрической формулы Больцмана.
Можно
записать отсюда и зависимость концентрации
газа от высоты над уровнем земли,
учитывая, что
:
.
Здесь
- концентрация молекул на высоте
,
а
- концентрация молекул на высоте
.
Во
многих случаях удобно принять
.
Если приходится учитывать зависимости от высоты ускорения свободного падения тела, температуры или химического состава воздуха (молярной массы), то формула становится значительно сложнее.
Температура [2]
Температура – физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы. Абсолютная температура является мерой средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа. Для измерения температуры используются функциональные зависимости физических свойств тел от степени нагревания или охлаждения тел, например длины, объема, плотности, упругости и т.д.
Девятой генеральной конференцией по мерам и весам в 1948 году была принята для практического употребления Международная стоградусная шкала температур. В шкале Цельсия за 0 градусов принята температура тающего льда при нормальном давлении, а за 100 градусов принята температура кипящей воды при нормальном давлении.
В 1954 году Десятая генеральная конференция по мерам и весам установила абсолютную термодинамическую температурную шкалу, единицей измерения в которой является градус Кельвина.
Температура вводится как мера средней кинетической энергии молекулы идеального газа следующим образом1:
,
где
- постоянная Больцмана (мировая константа).
Широко используются и национальные шкалы: шкала Реомюра и Фаренгейта. Связь между шкалами Цельсия, Кельвина, Реомюра и Фаренгейта линейные:
Влажность [3]
Воздух – вещество в агрегатном состоянии газа сложного химического состава. В том числе в воздухе содержится вода в виде пара. Главным источником его является испарение с поверхностей морей, океанов, водоёмов, влажной почвы и т.п. Образовавшийся водяной пар переносится вверх турбулентностью и конвекцией, а по горизонтали – ветром. Под влиянием различных процессов водяной пар конденсируется, образуя туманы, облака, осадки и наземные гидрометеоры: росу, иней и т.д. Содержание водяного пара в воздухе измеряется гигрометрами и психрометрами. Интенсивно развиваются дистанционные методы определения водяного пара лазерными и радиометрическими приборами.
Количественной характеристикой содержания водяного пара в воздухе являются абсолютная и относительная влажности. Абсолютная влажность – физическая величина, равная массе водяного пара в единице объёма:
,
.
Обозначение
такое же, как для плотности вещества,
поскольку по смыслу и размерности
влажность совпадает с плотностью паров
воды. Иногда абсолютную (и относительную)
влажность обозначают
от английского словаhumidity
– влажность.
Относительная влажность – это физическая величина, равная отношению абсолютной влажности к максимально возможной при данной температуре:
,
%.
Можно показать, что относительная влажность может быть выражена и через парциальное давление воды в виде пара, растворённого в воздухе, к давлению, соответствующему максимальной влажности при данной температуре. Последнее давление называется давление насыщенного пара2:
,
%.
Относительная влажность является безразмерной величиной. Традиционно значения относительной влажности указываются в процентах.
В
атмосфере в среднем содержится
водяного пара, т.е. сконденсировавшись,
он мог бы образовать «слой осаждённой
воды» толщиной 2,4 см по всей поверхности
Земли. Количество растворённого пара
быстро убывает с понижением температуры.
Поэтому для атмосферы типично уменьшение
количества водяного пара от экватора
к полюсам и очень быстрое уменьшение
по мере увеличения высоты над Землёй.
Вода в атмосфере может находиться в состоянии пара, воды и твёрдом состоянии (льдинки). Фазовые переходы воды сопровождаются поглощением или выделением тепла, поэтому они играют огромную роль в энергетике и термодинамике атмосферы. Поскольку водяной пар имеет в инфракрасной части спектра несколько полос поглощения, водяной пар сильно влияет на интегральный тепловой баланс атмосферы. Наиболее сильные полосы поглощения находятся в диапазоне длин волн 5б5-7б0 мкм и примерно 17 мкм. Поиск внеземных цивилизаций земного типа включает в себя исследование атмосфер небесных тел. Похожие формы жизни могут развиться в одинаковых природных условиях. Именно наличие воды на планете и содержание паров воды в атмосфере планеты, позволяет сделать прогнозы относительно возможности обнаружения на планете жизненных форм. Если спектры поглощения атмосферы планеты близки к спектрам поглощения атмосферы Земли, то можно ожидать наличие жизненных форм, схожих с земными.
Точка росы [4]
В метеорологии водяной пар часто характеризуют температурой точки росы – температурой, при которой воздух, если его изобарически охладить, становится насыщенным водяным паром (при данной влажности воздуха). При достижении точки росы на предметах, с которыми соприкасается воздух, начинается конденсация водяного пара. Точка росы может быть вычислена по значениям температуры и влажности или определена непосредственно конденсационным гигрометром. При относительной влажности 100% точка росы совпадает с температурой воздуха. При относительной влажности менее 100% точка росы всегда ниже фактической температуры воздуха.
Таблица 1
Значения точек росы при температуре воздуха 150С и при разных влажностях воздуха
|
Относительная влажность, % |
Точка росы, 0С |
|
100 |
15,0 |
|
80 |
11,6 |
|
60 |
7,3 |
|
40 |
1,5 |
Описания приборов
Приборы, используемые для измерений в данной работе, относятся к портативным. Сегодня подобные приборы получили широкое распространение: техногенная среда, в которой постоянно живёт современный человек, оказывается более агрессивной по отношению к нему, а в некоторых случая и не безопасной. Это требует постоянного контроля жизненно важных параметров, к которым относятся в первую очередь температура, влажность, давление. На производстве постоянный мониторинг условий работы осуществляется в силу производственной необходимости и безопасности самого производства для работающих людей. В бытовых ситуациях человек должен сам принимать решение о необходимости контроля параметров среды обитания и реализации такого контроля. Здесь наиболее пригодными оказываются именно портативные приборы, точность которых достаточна для осуществления предварительного измерения параметров, и использование которых практично в силу небольших размеров и простоты управления. Портативные приборы можно взять с собой в поездку, они не занимают много места, а также использовать при покупке продуктов (например, индивидуальный дозиметр).
Термогигрометр GFTH 200
Термогигрометр позволяет провести измерения температуры, влажности, точки росы. Пределы измерений приведены в таблице 1.
Фотография внешней панели прибора приведена на рисунке 1.
Таблица 2
Пределы измерений термогигрометра GFTH 200 (спецификация прибора)
|
№ |
Измеряемый параметр |
Пределы измерений |
|
1 |
Температура |
|
|
2 |
Влажность относительная |
|
|
3 |
Точка росы |
Измерения в стандартном режиме |
|
4 |
Температура по влажному термометру |
|
Для фиксации температуры используется датчик Pt1000.
Для измерения влажности используется ёмкостной полимерный датчик.
Для измерения параметров вне помещений (оператор остаётся внутри помещения) или в трудно доступных местах используется выносной шнур.
Результаты измерений индуцируются на жидкокристаллическом дисплее (высота 13 мм).
На передней панели прибора расположены три клавиши (кнопки):
Включить/выключить (ON/OFF). Клавиша on/off.
Минимальный/максимальный результат измерений может быть вызван на экран дисплея (min/max-value display). Клавиша mode.
Переключатель для выбора диапазона измерений (Hold Slide switch for selection of measuring range). Клавиша hold.
Справа сбоку расположена клавиша переключения режима измерений:
в крайнем верхнем положении проводится измерение температуры,
в среднем положении проводится измерение влажности;
в крайнем нижнем положении проводится измерение точки росы.
Таблица 3
Шаг и точность измерений
|
№ |
Измеряемый параметр |
Разрешение |
Приборная погрешность |
|
1 |
Температура |
|
Внутри помещений:
вне помещений:
|
|
2 |
Влажность относительная |
|
|
|
3 |
Точка росы |
|
|
|
4 |
Температура по влажному термометру |
|
|
от
величины измерения
;
Питание осуществляется от батарейки 9 вольт типа JEC 6F22.
Потребляемая мощность:
900 мкВт (ток 100 мкА) при одном измерении в быстром режиме;
495 мкВт (ток 55 мкА) при измерении в течение 2 с;
180 мкВт (ток 20 мкА) при измерении в течение 10 с;
81 мкВт (ток 9 мкА) при измерении в течение 60 с.
На индикаторе индуцируется сигнал, если необходимо сменить батарею.
Прибор предоставляет возможность автоматического отключения (режим энергосохранения). Для этого необходимо активировать соответствующую функцию (Auto Off Function). При этом можно выбрать время, после которого прибор отключится автоматически, если измерения не проводятся. Время отключения может быть выбрано от 1 до 120 минут.
Высота
ширина
толщина
прибора: 106
67
30 мм.
Высота внешнего датчика 35 мм, диаметр 14 мм. Таким образом, полная длина прибора 141 мм.
Вес с батарейкой примерно 135 г.
Прибор отвечает условиям техники безопасности, установленными нормативами (89/336/EWG) …
Внимание!
Если прибор попадает в резко изменившиеся условия (температура и влажность), то необходима адаптация в течение 10 минут. Следите за тем, чтобы условия проведения измерений соответствовали спецификации прибора.
Пожалуйста, не пытайтесь использовать прибор не по назначению.
Изначально прибор находится в режиме самоотключения через 60 минут. Но при работе с прибором эта функция может оказаться изменённой или отключённой. Поэтому проследите, чтобы после окончания измерений прибор остался выключенным.
Работа с данным прибором начинается с измерения температуры (упражнение 1). Поставьте клавишу на правой стороне прибора в необходимое положение: крайнее верхнее для измерения температуры. Нажмите клавишу on/off. Прибор включится, и измерение будет произведено автоматически. Процесс измерения занимает несколько секунд. Результат каждого последующего измерения индицируется на экране дисплея. При появлении на экране прибора значения температуры занесите это данное в таблицу 6.
В упражнении 2 проводят измерения влажности. Поставьте клавишу на правой стороне прибора в среднее положение для измерения относительной влажности. Нажмите клавишу on/off. Прибор включится, и измерение будет произведено автоматически. Процесс измерения занимает несколько секунд. Результат каждого последующего измерения индицируется на экране дисплея. При появлении на экране прибора значения относительной влажности занесите это данное в таблицу 5.
Универсальный прибор GTD-1100
Таблица 4
Пределы измерений термогигрометра GTD-1100 (спецификация прибора)
|
№ |
Измеряемый параметр |
Пределы измерений |
|
1 |
Температура |
-10,00 - +50,00С |
|
2 |
Давление |
225,0 – 885,0 мм рт. ст. Предельное давление 4000 мбар |
|
3 |
Высота |
От -500 м под уровнем моря до 9000 м над уровнем моря |
Таблица 5
Шаг и точность измерений
|
№ |
Измеряемый параметр |
Разрешение |
Приборная погрешность |
|
1 |
Температура |
0,1 0F |
|
|
2 |
Давление |
0,1 мм рт. ст. |
|
|
3 |
Высота |
В диапазоне от -500 до -200 м В диапазоне от -200 до 2000 м В диапазоне от 2000 до 9000 м |
2 м |
Измерения проводятся с частотой 1 измерение в 1 секунду.
Рис. 2. ПриборGTD-1100
Измерение давления
Данные, которые мы получаем из метеосводок, содержат значения давления на уровне моря. Данный прибор измеряет давление на той высоте над уровнем моря, на которой вы реально находитесь. Режим работы прибора позволяет ввести поправку и вызвать на дисплей значение давления, соответствующее уровню моря для данного места.
На дисплей также можно вывести информацию о тенденции изменения давления – уменьшается или увеличивается давление. Это удобно во многих случаях: тенденция изменения давления непосредственно связана с предсказанием метеоусловий; от значения давления зависит самочувствие людей (головокружение, головные боли, сбой сердечного ритма и т.п.). Те, кто реагируют на даже небольшие перепады давления, могут заранее предпринять меры.
Измерение высоты
Значение высоты в точке измерений вычисляется по значению давления. Для этого используется барометрическая формула Больцмана.
На дисплее можно считать показания при измерении высоты как в метрах, так и в футах3.
На индицируемое значение высоты оказывают влияние метеоусловия: например, сильный ветер изменяет давление и в соответствии с этим расчёт высоты даст результат, отличный от действительного значения. Этот недостаток можно скорректировать. Для этого надо одновременно нажать клавиши «Up» и «Down» на панели. На дисплее появится сигнал Corr. Теперь надо ввести значение высоты над уровнем моря в той точке, в которой вы находитесь. Для этого можно использовать уже известные данные, взятые из таблиц, карт и проч. Для ввода данных о высоте используйте стрелки вверх и вниз на панели. Ввод данных можно закончить самостоятельно, нажав клавишу Enter слева на панели, или подождав 20 с – тогда прибор автоматически вернётся в стандартный режим измерений.
Если коррекция высоты была введена, а погода стоит не ветреная, то показания приборы очень точны. При проведении измерений на открытом воздухе для увеличения точности измерений необходимо защитить прибор от ветра.
Кстати, этот режим можно использовать и как «предсказатель погоды». Если вы ввели коррекцию высоты, а показания меняются более чем на 5 м в течение часа, то ждите плохой погоды – порывы ветра, падение давления (и, следовательно, дождь) и т.п. Чем выше оказываются показания прибора в режиме альтиметра, тем хуже будет погода.
Для начала работы с прибором достаточно нажать кнопку On на передней панели.
Не забудьте выключить прибор, когда измерения закончены.
Смена батарейки проводится, как и у большинства портативных приборов просто: откройте крышку на задней панели и смените батарейку. Батарейка типа «Крона».
Данные измерений температуры запишите в таблицу 6.
Мультифункциональный прибор 4 в 1
С помощью мультифункционального прибора 4 в 1 можно измерять: уровень шума, влажность, температуру и уровень освещённости. В данной работе используются только два режима измерений – температуры и влажности. На рис. 3 приведён общий вид прибора. На рис.4 приведены фотографии прибора с подключёнными дополнительными измерительными кабелями и щупами для работы в этих режимах.
Порядок выполнения работы
Упражнение 1. Измерение температуры
Используемые приборы: термогигрометр GFTH-200, универсальный прибор GTD-1100, мультифункциональный прибор 4 в 1 (в шапке таблиц для краткости МФП 4x1).
Таблица 6
Измерение температуры
|
№ |
GFTH 200 |
GTD-1100 |
МФП 4x1 |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
Среднее значение |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
,
,
,
Рассчитайте средние значения температуры по данным измерений каждым из приборов и занесите их в таблицу 6.
Переведите средние значения температуры из градусов Цельсия в градусы Кельвина, Фаренгейта и Реомюра. Результаты занесите в ту же таблицу. Ниже приведены формулы для перевода температуры из шкалы Цельсия в другие температурные шкалы.
Рассчитайте погрешности измерений.
Поскольку проводимые измерения относятся к прямым измерениям (необходимая величина непосредственно измеряется прибором), то при подсчёте результирующей погрешности достаточно учесть приборные и случайные погрешности следующим образом:
;
-
приборная погрешность; её значение
указано в спецификации в прибору;
-
случайная погрешность. Её необходимо
рассчитать методом Стьюдента.
Подробно о методе Стьюдента можно прочитать в приложении к лабораторному практикуму (Приложение 1).
По
измеренным данным
рассчитайте среднее арифметическое
значение температуры:
.
Для
доверительной вероятности
0,95 по методу
Стьюдента рассчитайте случайные ошибки
:
,
среднее квадратичное отклонение4
,
-
коэффициент Стьюдента (для n=10
и W=0,95
=2,4).
Выпишите результаты измерений всеми приборами в стандартной форме.
GFTH
200
GTD-1100
МФП 4x1
Упражнение 2. Измерение влажности
Используемые приборы: термогигрометр GFTH-200 и многофункциональный прибор 4 в 1 (МФП 4x1).
Таблица 7
Измерение относительной влажности
|
|
GFTH-200 |
МФП 4x1 |
|
№ |
|
|
|
1 |
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
|
|
|
4 |
|
|
|
5 |
|
|
|
6 |
|
|
|
7 |
|
|
|
8 |
|
|
|
9 |
|
|
|
10 |
|
|
|
Среднее значение |
|
|
Рассчитайте среднее значение относительной влажности и занесите его в таблицу 7.
Рассчитайте погрешность измерений методом Стьюдента (см. упр. 1).
Зная температуру в помещении, по таблице, приведённой в приложении 2, определите значение насыщающего давления и максимально допустимой абсолютной влажности для данной температуры.
Рассчитайте абсолютную влажность:
.
Приведите оба значения (абсолютную и относительную влажность) в стандартной форме:
,
.
Упражнение 3. Измерение точки росы
Используемый прибор: термогигрометр GFTH-200.
Поставьте клавишу на правой стороне прибора в крайнее нижнее положение для измерения точки росы.
Нажмите клавишу on/off. Прибор включится, и измерение будет произведено автоматически. Процесс измерения занимает несколько секунд. Результат каждого последующего измерения индицируется на экране дисплея. При появлении на экране прибора значения относительной влажности занесите его в таблицу 8.
Таблица 8
Измерение точки росы
|
№ |
|
|
1 |
|
|
2 |
|
|
3 |
|
|
4 |
|
|
5 |
|
|
6 |
|
|
7 |
|
|
8 |
|
|
9 |
|
|
10 |
|
|
Среднее значение |
|
Упражнение 4. Измерение давления
Используемый прибор: универсальный прибор GTD-1100.
Включите прибор (клавиша On-Off на передней панели).
Считайте
показания на дисплее и занесите данные
в таблицу 9. Измеренное прибором давление
в таблице обозначено
.
Пересчитайте значения в Па (СИ) и также
внесите в таблицу 9.
Перевести миллиметры ртутного столба в паскали можно двумя способами:
1.
Составить пропорцию:
2.
Вспомнить опыт Торичелли:
.
Плотность ртути
,
ускорение свободного падения
.
Здесь высота – значение измеренного
давления. Не забудьте перевести в метры.
Тогда, подставив эти значения в формулу,
вы получите значение давления в паскалях.
Таблица 9
Измерение давления и высоты над уровнем моря
|
№ измерения |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
|
Среднее значение |
|
|
|
|
Упражнение 5. Измерение высоты
Используемый прибор: универсальный прибор GTD-1100.
Режим проведения измерений описан в упражнении 4.
Данные заносятся также в таблицу 9.
Рассчитайте
давление по формуле Больцмана (2) и также
внесите это значение в таблицу 9. В
таблице 9 рассчитанное по формуле
Больцмана давление обозначено
.
Приведите
причины, по которым значения давлений
и
могут не совпасть.
Контрольные вопросы
Дайте определения понятий температуры, влажности, давления, точки росы.
Приведите численные значения диапазонов температур, давлений и влажности, пригодные для жизни человека.
Приведите численные значения температуры, давления и влажности в вашей местности с учётом сезонных изменений.
Как давление зависит от высоты над уровнем Земли? Приведите аналитическую зависимость.
Изобразите на одном рисунке зависимости давления от высоты для разных газов. Объясните, чем отличаются графики.
Объясните, почему результаты измерения температуры разными приборами отличаются. Можно ли считать их одинаковыми в каком-либо из приближений? Какой результат правильный?
Как зависит точка росы от метеорологических условий?
Как изменить (увеличить или уменьшить) влажность в рабочих и жилых помещениях? Когда это надо делать?
Зависит ли температура кипения воды от давления окружающей среды? Можно ли использовать кипящую воду для стерилизации продуктов, если это необходимо проделать высоко в горах?
С помощью каких приборов проводятся измерения перечисленных параметров в данной работе? Каковы пределы измерений?
Литературные источники
1. Физическая энциклопедия/М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – Т.1. – С.547-553.
2. Физическая энциклопедия/М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – Т.5. – С.61-64.
3. Физическая энциклопедия/М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – Т.1. – С.285-286.
4. Физическая энциклопедия/М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. – Т.4. – С.399-400.
Работа № 26
ИЗМЕРЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОГО ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ
Цель работы
Измерение уровня эффективного звукового давления.
Приборы и принадлежности
Прибор для измерения эффективного звукового давления (уровня звука) SLM 329 (Sound Level Meter 329).
Введение
Человек и животные живут в мире звуков и шумов, которые играют существенную роль в нашей повседневной жизни. С одной стороны, они являются сигналами информации, воспринимаемые индивидуумом. При этом звуки и шумы оказывают как желательные привычные (шум моря, леса, музыка), так и нежелательные, иногда травмирующие (шум технических механизмов, самолетов, грозы, взрывы и т.п.), физическое и психическое воздействия. С другой стороны, шумы играют существенную роль во многих областях науки и техники, таких как радиоэлектроника и радиотехника, оптика и астрономия, информатика и вычислительная техника и т.д.. Шумы, например, ограничивают чувствительность измерительной аппаратуры, уменьшают стабильность работы генераторов электрического тока, уменьшают устойчивость систем автоматического регулирования, ограничивают чувствительность и помехоустойчивость радиоаппаратуры.
Из выше сказанного становится понятным повышенный интерес к изучению звуков, шумов и вибраций.
В
физике под звуком понимают упругие
волны, распространяющиеся в газообразных,
жидких и твёрдых средах. Диапазон
звуковых волн достаточно широк. В быту
(и в медицине) под звуком понимают явление
субъективного восприятия органами
слуха человека упругих волн, длины
которых лежат в диапазоне от 16 Гц до
20000 Гц. На шкале звуковых волн упругие
волны с частотами, меньшими 16 Гц, называют
инфразвуком;
волны с частотами свыше 20 кГц называют
ультразвуком;
самые высокочастотные упругие волны,
лежащие в диапазоне от 10
до10
Гц, называютгиперзвуком.
Раздел физики, изучающий явления, связанные с источниками и распространением звуковых волн, называют акустикой.
Шум – беспорядочные колебания (флуктуации) различной физической природы, отличающиеся сложной временной и спектральной характеристикой. В зависимости от физической природы источника шума шумы разделяют на акустические и электрические.
Акустический шум
Источником акустического шума могут быть любые нежелательные механические колебания в твердых, жидких или газообразных средах. Можно выделить механический шум, вызываемый вибрацией и соударениями твердых тел (станки, машины, механические устройства); аэро- и гидродинамический шум, возникающий в турбулентных потоках газов и жидкостей в результате флуктуаций давления (шумы, возникающие в струе реактивного двигателя; в струе воды от винтов кораблей и подводных лодок и т.п.); термодинамический шум, обусловленный флуктуациями плотности газа (возникает, например, в процессе горения или при взрывах); кавитационный шум, связанный с захлопыванием газовых полостей (пузырьков) в жидкостях (явление кавитации).
Акустический шум может быть источником помех в работе радиоэлектронных устройств в низкочастотном диапазоне (вплоть до нарушения их работоспособности).
Электрический шум
К электрическим шумам относят нежелательные возмущения токов, напряжений или напряженностей электромагнитных полей в радиоэлектронных устройствах.
Различают шумы регулярные и флуктуационные. Первые носят периодический предсказуемый характер, вторые являются случайными. Примером регулярных шумов может служить фон переменного тока цепей питания радиоэлектронных устройств. Пример флуктуационного шума – электрические шумы, обусловленные неравномерностью эмиссии электронов в электровакуумных приборах (его называют дробовой шум), неравномерностью процессов генерации и рекомбинации носителей заряда в полупроводниковых приборах, тепловым движением заряда в проводниках, тепловым излучением Земли, Солнца, земной атмосферы и т.п.
По происхождению шумы подразделяются на естественные и технические. Естественные шумы обусловлены дискретным строением вещества и статистическим характером протекающих в нем процессов. К таким явлениям относятся тепловые движения носителей заряда, процессы рекомбинации, ионизации, прохождения частиц сквозь потенциальный барьер и т.д. В силу статистического характера процессов, являющихся причиной естественных шумов, они принципиально неустранимы. Технические шумы являются следствием конструктивно-технологического несовершенства радиоэлектронных устройств. К таким шумам относится, например, фон переменного тока цепей питания приборов, шумы вторичной электронной эмиссии, вибрации (вибрационные шумы). Вредное влияние технических шумов может быть существенноуменьшено или даже устранено более совершенными технологическими приемами разработки конструкции приборов.
Независимо от физической природы шум отличается от периодических колебаний случайным изменением мгновенных значений величин, характеризующих данный процесс. Нередко шум представляет собой смесь случайных и периодических колебаний. Для описания шумов и их источников используют различные математические модели, соответствующие ихвременной, спектральной и пространственной структуре. Дляколичественной оценки шумов пользуются усредненными параметрами, которые определяются на основе статистических законов.
В быту под шумом понимают беспорядочные звуковые волновые помехи различной природы, оказывающие вредное воздействие на организм человека и, прежде всего мешающие правильному восприятию речи и музыки, отдыху и работе.
Орган слуха человека (ухо) воспринимает как слышимый звук колебания упругой среды с частотами от 20 Гц до 20 кГц. Восприятие звука – субъективный процесс, зависящий, как отмечалось выше, от всех параметров звуковой волны (интенсивности, звукового давления, частоты). Все звуковые волны, интенсивности которых лежат между крайними значениями (порогом слышимости и порогом болевого ощущения) являются областью слышимости.
Повышенный уровень шума на рабочем месте отнесен к группе физически опасных и вредных производственных факторов.
Многочисленные исследования и повседневная деятельность свидетельствуют о том, что шум высокой интенсивности оказывает на человеческий организм вредное влияние: изменяется ритм сердечной деятельности, повышается кровяное давление, ухудшается слух, ускоряется процесс утомления, замедляются физические и психологические реакции. При обследовании рабочих многих шумных производств обнаружены различные расстройства функционального состояния центральной нервной системы, секреторной и моноторной систем, а также пищеварительного и желудочного тракта.
Неприятное воздействие шума в некоторой степени зависит от индивидуального отношения к нему. Например, шум, производимый самим оператором, беспокоит его меньше, чем более слабый, но раздражающий шум от постороннего источника.
Основные количественные характеристики звука
Интенсивность звука (сила звука)
Интенсивностью звука называется физическая величина, равная средней по времени энергии, переносимой за единицу времени звуковой волной через единичную площадку, ориентированную перпендикулярно направлению распространения волны (плотность потока энергии). Для периодического звука усреднение проводится либо за промежуток времени, большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов.
Для плоской гармонической волны интенсивность звука равна:
(1)
где
- амплитуда звукового давления;
– амплитуда скорости колебаний;
- плотность среды, в которой распространяется
звук;
– скорость звука в среде (фазовая или
групповая, если дисперсия мала, то
скорости практически совпадают).
В
международной системе единиц СИ
интенсивность звука измеряется в
.
Уровень интенсивности
Уровень интенсивности – оценочная величина интенсивности, выраженная в децибелах (дБ). Число децибел N равно:
(2)
где
- интенсивность данного звука,
- пороговая интенсивность.
Пороговая интенсивность
Пороговая интенсивность – интенсивность, соответствующая порогу чувствительности уха человека. За пороговую интенсивность принята величина:
(3)
Другой количественной характеристикой звука является эффективное звуковое давление, т.к. человек физиологически воспринимает интенсивность звука как давление, которое оказывают звуковые волны на органы слуха. Количественной мерой в этом случае служит и уровень звукового давления. Следует отличать звуковое давление от давления звука. Давление звукового излучения (иначе – давление звука, радиационное давление) – постоянное давление, которое испытывает тело, находящееся в стационарном звуковом поле. Давление звукового излучения пропорционально плотности звуковой энергии. Оно мало по сравнению со звуковым давлением. Звуковое давление в несколько сот раз больше давления звука.
Эффективное звуковое давление
Эффективное звуковое давление – эффективное (или действующее) значение звукового давления (среднеквадратичное):
(4)
См. формулу (1).
Уровень звукового давления
Уровень звукового давления – оценочная величина давления, выражаемая в белах (Б) или децибелах (дБ):
(5)
где
- условный порог слышимости;k
– нормировочный коэффициент. Если k=1,
то уровень звукового давления измеряется
в белах (Б); если k=10,
то уровень звукового давления измеряется
в дБ.
Условный порог слышимости
Условный порог слышимости задается как числовое значение звукового давления при частотах 1,5 – 3 кГц, равное
Более подробно теорию можно прочесть в методических указаниях «Шумы и вибрации» [1], а также в прилагаемом в конце данной работы списке литературы [2-6].
Описание прибора
Универсальный прибор SLM 329 (Sound Level Meter 329) позволяет провести измерения уровня эффективного звукового давления в широком диапазоне. Пределы измерений и спецификация прибора приведены в таблице 1.Шаг измерений и приборная погрешность приведены в таблице 2.
Прибор нельзя эксплуатировать в условиях:
повышенной влажности;
повышенной
температуры (более
);
при прямых ярких лучах Солнца; при попадании яркого света или заметном нагревании жидкокристаллический дисплей может стать чёрным, а сам прибор не пригодным для измерений. Однако если экстремальные условия всё же не привели к порче прибора, то после остывания в течение 1-2 часов прибор снова будет готов к работе;
сильного запыления или рядом с открытым огнём;
во время грозы или в районе сильных электромагнитных полей.
Перед началом работы прибор должен достичь комнатной температуры, поэтому, принеся его с мороза, не начинайте измерения сразу, подождите, пока прибор нагреется.
Питание осуществляется от батарейки 9 вольт. Когда ресурс батарейки заканчивается, в левой части дисплея появляется соответствующий значок. Необходимо сменить батарею. Смена батарейки производится только лаборантом или преподавателем.
Никогда не включайте прибор, когда открыт отсек батарейки.
Таблица 1
Технические характеристики и пределы измерений SLM 329 (спецификация прибора)
|
№ |
Параметр |
Значение |
|
1 |
Дисплей |
Жидкокристаллический четырёхразрядный |
|
2 |
Максимальная скорость измерений |
2 измерения в секунду |
|
3 |
Диапазон |
От 40 дБ до 130 дБ |
|
4 |
Частоты измеряемых сигналов |
От 125 Гц до 8 кГц |
|
5 |
Время проведения одного измерения |
В режиме FAST 125 мс, в режиме SLOW 1 с |
|
6 |
Рабочая температура |
От
|
|
7 |
Относительная влажность |
От 10% до 75%, конденсат не допустим |
|
8 |
Оптимальная температура для проведения измерений |
|
|
9 |
Индикация необходимости замены батарейки |
Е
|
|
10 |
Рекомендуемые батарейки |
NEDA 1604 9V или 6F22 9V («Крона») |
|
11 |
Время непрерывной работы без замены питания |
В непрерывном режиме измерений время работы не более 10 часов |
|
12 |
Вес |
170 г с батарейкой |
|
13 |
Размеры: длина |
231 |
до
сли
напряжение батарейки падает до уровня
ниже 7,5 В, то на дисплее появляется
значок
ширина
высота
53
33 мм
Таблица 2
Шаг и точность измерений
|
Измеряемый параметр |
Разрешение (шаг) |
Приборная погрешность |
|
При измерении эффективного звукового давления в пределах от 40 дБ до 130 дБ |
0,5 дБ |
|
дБ
Элементы управления
1 – ёмкостной микрофон,
2, 4 – цифровой жидкокристаллический дисплей,
3 – клавиша включения (включить/выключить) (ON/OFF),
5 – клавиша для установки фильтров: «А» для обычных звуковых сигналов, «С» - для сигналов низкой частоты или содержащих низкочастотные компоненты,
6- клавиша «Быстро/Медленно» (FAST/SLOW) для установки скорости измерений: «Быстро» (FAST) для нормального режима, «Медленно» (SLOW) для измерения сигналов с увеличивающейся или уменьшающейся интенсивностью,
7
– клавиша «Уровень» (LEVEL)
для переключения диапазонов измерений
(40 дБ, 70 дБ)
(60 дБ, 90 дБ)
(80 дБ, 110 дБ)
(100 дБ, 130 дБ),
8 – тумблер «CAL» для калибровки.
П
орядок
включения прибора и установки необходимых
режимов измерений
1. Для включения прибора нажмите клавишу - самая верхняя на передней панели. Этой же клавишей выключите прибор по окончании измерений.
2. Включите режим максимального сигнала клавишей MAX – вторая сверху на передней панели. Индикация включённого режима находится на дисплее справа вверху. Если индикация по каким-то причинам пропала, то нажмите клавишу ещё раз. Она появится, а режим включится.
3. Далее надо установить фильтр. Если в изучаемом сигнале не предполагается низкочастотных компонент, то нажатием клавиши A/C надо установить фильтр А. Если предполагается проводить измерения сигналов низкой частоты или содержащих низкочастотную компоненту, то той же клавишей надо установить фильтр С. Индикация установленного фильтра расположена справа на дисплее.
4. Установите скорость проведения измерения клавишей FAST/SLOW. Как правило, для проведения измерений удобен режим FAST. Но если предполагается, что интенсивность сигнала может меняться в процессе измерения, то необходимо установить режим SLOW. Индикация на дисплее справа вверху.
5. Необходимо выбрать диапазон измерений. Выбор производится клавишей LEVEL. Индикация внизу дисплея. До получения результатов измерений и уточнения диапазона можно ориентироваться на следующие уровни звука:
(40 дБ, 70 дБ) – привычный "домашний" уровень: разговор, работающий телевизор, негромкие бытовые приборы;
(60 дБ, 90 дБ) – технические звуки, например, работающая дрель, пылесос, проезжающие близко автомобили и проч.;
(80 дБ, 110 дБ) – это уже достаточно громкие звуки, например, спортивный мотоцикл, автомобиль без глушителя, автомобиль, который ездит в режиме «Формулы-1» и т.п.;
(100 дБ, 130 дБ) – уровень звуков на грани болевых ощущений, при которых не слышно собеседника – взлетающий самолёт, ревущий турбодвигатель, канонада, выстрелы из ружья, пушечный фейерверк прямо «над ухом». Звуки такого уровня могут оказаться опасными для слуховых органов. Поэтому, если Вы намереваетесь проводить измерения в данном диапазоне, для безопасности используйте специальные наушники.
Для обеспечения правильности работы прибора его необходимо калибровать раз в год.
Процесс калибровки
В качестве источника звукового сигнала используется источник с уровнем эффективного звукового давления 94 дБ, частотой 1 кГц и синусоидальной формой импульсов. Для проведения измерений устанавливаются следующие режимы:
фильтр А,
время измерений FAST,
режим измерений без индикации MAX,
диапазон (80 дБ, 110 дБ).
Справа сбоку расположено маленькое гнездо для ключа, которым можно провести калибровку, поворачивая который можно добиться показаний на дисплее до значения 94 дБ.
Калибровку прибора проводит только лаборант.
Порядок выполнения работы
Упражнение 1. Измерение эффективного звукового давления
Включите прибор в соответствии с описанием (пп.1-5).
Выберите источники звука. Направьте внешний датчик к источнику звука и проведите несколько измерений, занося результаты в таблицу 3. Результаты измерений появляются на дисплее автоматически. Время проведения каждого измерения от 125 мс в режиме FAST до 1 с в режиме SLOW.
Таблица 3
Уровень эффективного звукового давления (в дБ) от различных источников
|
№ |
Источник 1 |
Источник 2 |
Источник 3 |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
Среднее значение |
|
|
|
В примечаниях к таблице укажите, что было выбрано в качестве источников и дополнительные сведения о режиме проведения измерений. Например, источник 1: звуковой генератор ГЗ-33, сигнал синусоидальный, частота 1 кГц, амплитуда 100 В. Особые отметки: во время проведения измерений стоял громкий не регулярный крик в коридоре.
Рассчитайте среднее значение для каждого из источников.
Рассчитайте погрешность.
Поскольку проводимые измерения относятся к прямым измерениям (необходимое данное непосредственно измеряется прибором), то при подсчёте результирующей погрешности достаточно учесть приборные и случайные погрешности следующим образом:
;
-
приборная погрешность; её значение
указано в спецификации в прибору;
-
случайная погрешность. Её необходимо
рассчитать методом Стьюдента.
Подробно о методе Стьюдента можно прочитать в приложении к лабораторному практикуму (приложение …).
По
измеренным данным
рассчитайте среднее арифметическое
значение температуры:
.
Для
доверительной вероятности
0,95 по методу
Стьюдента рассчитайте случайные ошибки
:
,
среднее квадратичное отклонение5
,
-
коэффициент Стьюдента (для n=10
и W=0,95
=2,4).
Запишите результат в стандартной форме
Источник … ;
дБ.
Упражнение 2. Изучение зависимости уровня эффективного звукового давления от расстоянии до источника звука
Выбрать один из источников звука. Рекомендуется выбрать источник стабильного звукового сигнала.
Устанавливая прибор на разных расстояниях от источника, провести измерения. Результаты измерений записать в таблицу 4.
Таблица 4
Зависимость уровня эффективного звукового давления от расстояния до источника
|
R, см |
<P>, дБ |
lgR |
lg<P> |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По результатам измерений построить график зависимости среднего уровня эффективного звукового давления <P> от расстояния до источника R (график построить в координатах: ось абсцисс - lg(R), ось ординат – lg<P>:
Можно
считать, что P=А
R
(*); следовательно,
lgP=lgA-2lg(R):
таким образом, коэффициент n=-2
можно определить как тангенс угла
наклона графика lg<P>=f(lgR)
к оси lgR:
.
По построенному графику убедитесь, что
зависимость (*) справедлива.
Упражнение 3. Измерение уровня эффективного звукового давления в различных помещениях
Выберите то рабочее помещение, которое Вы считаете нужным и проведите там измерения, записав результаты в таблицу 5.
Таблица 5
Уровень эффективного звукового давления (в дБ) в помещениях
|
№ |
Помещение 1 |
Помещение 2 |
Помещение 3 |
|
1 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
5 |
|
|
|
|
6 |
|
|
|
|
7 |
|
|
|
|
8 |
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
10 |
|
|
|
|
Среднее значение |
|
|
|
В примечаниях к таблице укажите, какие помещения были выбраны и дополнительные сведения о режиме проведения измерений. Например, помещение 1: деканат, аудитория … .. Особые отметки: во время проведения измерений замдекана делал внушение студенту на повышенных тонах.
Рассчитайте среднее значение для каждого из помещений.
Рассчитайте погрешность. Расчет проводится так же, как в упражнении 1.
Запишите результат в стандартной форме
Источник … ;
дБ.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение понятия шума.
2. Классифицируйте шумы.
3. Перечислите основные акустические величины и единицы их измерения.
4. Введите эти величины по определению.
5. Опишите прибор, использующийся в работе для измерений.
6. Какую роль в жизнедеятельности человека играет шум?
7. Как рассчитываются погрешности измерений в каждом из упражнений?
8. Как зависит интенсивность звука от расстояния до источника звука?
9. Перечислите некоторые источники звука (естественные и техногенные) и примерно укажите диапазоны звукового давления, создаваемого этими источниками.
10. Каковы принципы биологического восприятия звука человеком? Укажите частоты слышимых звуков, предел чувствительности и болевой порог.
Список литературы
1. Методические указания «Шумы и вибрации» Пауткина А.В./М.:МИИТ, - 2001. – 76 с.
2. Янг С., Эллисон А. Измерение шума машин/М: Энергоиздат, 1998.
3. Малышев В.С. Основы звукоизлучения и звукоизоляции/М.:МЭИ, 1993.
4. Шум на транспорте/ Пер. с англ. Под ред. В.В.Тольского, Г.В.Бутакова, Б.Н.Меньшикова/М.:Транспорт, 1995.
5. Р.Фейнман, Р.Лейтон, М. Сэндс. «Фейнмановские лекции по физике», М, Мир, 1976, Т.4.-С.454-464.
6. Физическая энциклопедия. Под ред. А.М.Прохорова. Изд-во «Большая Российская энциклопедия», Москва, 1998. - Т.5. – С.479-480.
7. Физические величины. Справочник/М.:Энергоатомиздат, 1991. С.254-255.
Приложение 1
Метод Стьюдента
Метод (распределение) Стьюдента используется для расчёта случайных погрешностей экспериментальных величин, при измерении которых было проведено ограниченное количество экспериментов.
Распределение Стьюдента было впервые доказано Р.А.Фишером. Поскольку оно ранее было предсказано (без доказательства) У.С.Госсетом, писавшим под псевдонимом Стьюдент, Р.А.Фишер сохранил за ним это название.
Учёным
было доказано, что истинное значение
измеряемой величины
отличается от её среднего значения
на некоторую величину
,
равную
:
.
Под
понимают среднее арифметическое
измеренной величины:
,
-
результат измерения с номером
;
- число измерений данной величины.
называется
абсолютной случайной погрешностью
(ошибкой) величины измеряемой величины
.
-
называется коэффициентом
Стьюдента.
Коэффициент Стьюдента зависит от т.н.
доверительной
вероятности
(интервала доверия) и числа измерений
.
Для нахождения коэффициента Стьюдента
существуют специальные двумерные
таблицы. Зная величину доверительной
вероятности и количество проведённых
измерений, на скрещении соответствующих
строки и столбца находят коэффициент
Стьюдента.
Таблица 1
Значения коэффициентов Стьюдента для различных доверительных вероятностей (интервалов доверия) и числа измерений (объёма выборки)
|
Число измерений |
Доверительные вероятности 0,4 0,6 0,8 0,9 0,95 0,99 | |||||
|
2 |
0,33 |
1,38 |
3,08 |
6,31 |
12,71 |
63,66 |
|
3 |
0,29 |
1,06 |
1,89 |
2,92 |
4,30 |
9,93 |
|
4 |
0,28 |
0,98 |
1,64 |
2,35 |
3,18 |
5,84 |
|
5 |
0,27 |
0,94 |
1,53 |
2,13 |
2,78 |
4,60 |
|
6 |
0,27 |
0,92 |
1,48 |
2,02 |
2,57 |
4,03 |
|
7 |
0,27 |
0,91 |
1,44 |
1,94 |
2,45 |
3,71 |
|
8 |
0,26 |
0,90 |
1,42 |
1,90 |
2,37 |
3,50 |
|
9 |
0,26 |
0,89 |
1,40 |
1,86 |
2,31 |
3,36 |
|
10 |
0,26 |
0,88 |
1,38 |
1,83 |
2,26 |
3,25 |
|
11 |
0,26 |
0,88 |
1,37 |
1,81 |
2,23 |
3,17 |
|
20 |
0,26 |
0,86 |
1,33 |
1,73 |
2,09 |
2,85 |
|
120 |
0,25 |
0,85 |
1,29 |
1,68 |
1,98 |
2,62 |
Например, если число проведённых измерений равно 10, а доверительная вероятность выбрана равной 0,95, то коэффициент Стьюдента оказывается равным 2,26.
Смысл
доверительной вероятности
следующий:
- это вероятность того, что истинное
значение измеряемой величины попадает
в интервал
.
Например, пусть среднее значение
измеренной величины оказалось равно
10, а случайная погрешность, рассчитанная
для доверительной вероятности 0,95
оказалась равна 2. Тогда запись результата
измерений будет выглядеть так:
.
Смысл этого утверждения следующий: с
вероятность 95% истинное значение
измеренной величины принадлежит
интервалу
.
А 5% - это вероятность того, что истинное
значение измеряемой величины окажется
вне этого интервала.
Значение
доверительной вероятности выбирается
самостоятельно экспериментатором.
Обычно принято выбирать доверительную
вероятность
.
Чем большее значение доверительной вероятности мы хотим использовать при расчёте случайных погрешностей, тем большей окажется сама погрешность.
Величина
называетсявыборочным
стандартным отклонением среднего
арифметического
(или среднеквадратичной погрешностью
среднего арифметического). Величина
рассчитывается по формуле
,
где
- результат измерения с номером
;
- среднее арифметическое;
- число измерений данной величины.
В
математической статистике принято
называть число измерений
объёмом
выборки.
Итак, при использовании метода Стьюдента для расчёта случайной погрешности надо выполнить следующие шаги:
Провести
измерений величины в одних и тех же
условиях.Рассчитать среднее арифметическое по формуле
.Задать доверительную вероятность и, зная число измерений, по таблице найти коэффициент Стьюдента
.Рассчитать выборочное стандартное отклонение среднего арифметического
по формуле
.Перемножить коэффициент Стьюдента
и выборочное стандартное отклонение
среднего арифметического
и таким образом найти случайную
погрешность
.Записать результат измерений в стандартной (общепринятой) форме:
Если измеряется физическая величина, то указываются единицы измерения этой величины.
Приложение 2
Зависимость давления насыщающих паров от темпертуры
|
|
|
|
0 |
6,108 |
|
0,01 |
6,112 |
|
2 |
7,054 |
|
4 |
8,129 |
|
6 |
9,346 |
|
8 |
1,0721 |
|
10 |
1,2271 |
|
12 |
1,4015 |
|
14 |
1,5974 |
|
16 |
1,8170 |
|
18 |
2,0626 |
|
20 |
2,3368 |
|
22 |
2,6424 |
|
24 |
2,9824 |
|
26 |
3,3600 |
|
28 |
3,7785 |
|
30 |
4,2417 |
|
32 |
4,7536 |
|
34 |
5,3182 |
|
36 |
5,9401 |
|
38 |
6,6240 |
|
40 |
7,3749 |
|
42 |
8,1983 |
Физические величины. Справочник/М.:Энергоатомиздат, 1991. С.254-255.
Приложение 3
Некоторые вопросы математических методов обработки экспериментальных данных
Статистическое определение понятия вероятности случайного события
Утверждение о том, что какое-либо событие наступает с вероятностью, равной, например, 0,5, ещё не представляет само по себе окончательной ценности, т.к. мы стремимся к достоверному знанию. Окончательную познавательную ценность имеют те результаты теории вероятностей, которые позволяю утверждать, что вероятность наступления какого-либо события А весьма близка к единице или (что то же самое) вероятность ненаступления события А весьма мала. В соответствии с принципом «пренебрежения достаточно малыми вероятностями» такое событие справедливо считают практически достоверным. Показано, что имеющие научный и практический интерес выводы такого рода обычно основаны на допущении, что наступление или ненаступление события А зависит от большого числа случайных, мало связанных друг с другом факторов. Поэтому можно также сказать, что теория вероятностей есть математическая наука, выясняющая закономерности, которые возникают при взаимодействии большого числа случайных факторов.
Случайные величины. Измерение случайных величин
Случайная
величина
- одно из основных понятий теории
вероятностей. В самом общем смысле
случайная величина – это некоторая
переменная величина, принимающая в
зависимости от случая те или иные
значения с определёнными вероятностями.
(Величина называется случайной, если
при очередном опыте (испытании) невозможно
заранее предсказать, какое именно
значение она примет). Так, например,
число очков, выпадающее на верхней грани
игральной кости, представляет собой
случайную величину, принимающую значения
1, 2, 3, 4, 5, 6 с вероятностями
каждое. Строгое математическое определение
случайной величины как измеримой
функции, заданной на некотором
вероятностном пространстве, даётся в
рамках общепринятой аксиоматики теории
вероятностей: именно, для вероятностного
пространства
случайной величиной называется любая
однозначная действительная функция
,
определённая для
и такая, что для всех действительных
значений
множество
принадлежит
-алгебре
А.
Измерение случайных величин
Измерение случайных величин непосредственно связано с подсчётом случайных погрешностей. Сами измерения проводятся в соответствии с разработанной методикой для конкретного эксперимента или серии экспериментов. При этом количество измерений той или иной случайной величины определяется дальнейшим методом обработки данных.
Если количество измерений в силу ряда причин ограничено, то при обработке погрешностей используется метод Стьюдента см. приложение 1.
Если количество однотипных измерений случайной величины велико (более 100), то, как правило, используется метод Гаусса.
Физическая величина – это количественная характеристика явления, процесса или свойства материи (материальных объектов). Каждая физическая величина должна иметь определение, содержащее однозначный способ экспериментального нахождения или расчёта данной физической величины в любой реальной ситуации.
Измерить физическую величину – это означает определить, сколько раз заключается в ней однородная с ней физическая величина, принятая в качестве единицы меры (единицы измерения, меры, единицы). Физические величины называют однородными, если они характеризуют одинаковые свойства материи и отличаются друг от друга только величиной. Единицы измерения устанавливаются системой единиц измерения.
В результате измерения физической величины получается значение физической величины – именованное число, состоящее из числа и наименования той меры (единицы), которой была измерена физическая величина. Измерение – это, по существу, последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения физической величины.
Результаты измерений представляются в виде различных графических зависимостей, одним из понятий которых являются шкалы.
Шкалы. Шкалирование измерений. Порядковые, номинальные, интервальные шкалы
Шкала измерений - основополагающее понятие метрологии, позволяющее количественно или каким-либо другим способом определить свойство объекта. Шкала измерений является более общим понятием, чем единица физической величины, отсутствующая в некоторых видах измерений. Шкалы измерений необходимы как для количественных (длина, температуpa), так и для качественных (цвет) проявлений свойств объектов (тел, веществ, явлений, процессов). Проявления свойства образуют множество, элементы которого находятся в определённых логических отношениях между собой, т. е. являются т. н. системой с отношениями. Имеются в виду отношения типа "эквивалентность" (равенство), "больше", "меньше", возможность "суммирования" элементов или "деления" одного на другой. Ш. и. получается гомоморфным отображением множества элементов такой системы с отношениями на множество чисел или, в более общем случае,- на знаковую систему с аналогичными логическими отношениями. Такими знаковыми системами, напр., являются: множество обозначений (названий) цветов, совокупность классификации символов или понятий, множество названий состояний объекта, множество баллов оценки состояний объекта и т. п. При таком отображении используется модель объекта, достаточно адекватно (для решения измерительных задач) описывающая логическую структуру рассматриваемого свойства этого объекта.
В соответствии с логической структурой свойств в теории измерений принято в основном различать 5 типов измерительных шкал:
шкалы наименований,
порядка,
разностей (интервалов),
отношений
и абсолютные шкалы.
Сравнительные характеристики шкал приведены в таблице.
Шкала наименований характеризуется только отношением эквивалентности к.-л. качественного проявления свойства. Пример такой измерительной шкалы - классификация (оценка) цвета объекта по наименованиям (красный, белый, сине-зелёный и т. д.), опирающаяся на стандартные атласы цветов (в атласах цвета могут обозначаться условными номерами). Измерения выполняются путём сравнения при определённом освещении образцов цвета из атласа с исследуемым цветом и установления их эквивалентности.
Шкала порядка (порядковая шкала) описывает свойства, для которых имеют смысл не только отношение эквивалентности, но и отношение порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. Характерный пример шкал порядка - шкалы чисел твёрдости тел, шкалы баллов землетрясений, шкалы баллов ветра и т. д. В такого рода шкалах в принципе нет возможности введения единицы измерений, также не имеют смысла суждения, во сколько раз больше или меньше проявления конкретных свойств. Различные варианты шкал порядка для одного и того же свойства связаны между собой монотонными зависимостями. В шкалах порядка может быть (иметь смысл) нуль или его может не быть. Так, шкалы твёрдости начинаются с некоторого ненулевого значения, сейсмическая шкала начинается с одного балла, а шкала Бофорта для силы ветра - с нулевого значения.
Шкала разностей (интервалов или интервальная шкала) отличается от шкалы порядка тем, что для описываемого ею свойства имеют смысл не только отношения эквивалентности и порядка, но и пропорциональности или суммирования интервалов (разностей) между различными количественными проявлениями свойства. Характерный пример - шкалы времени; интервалы времени можно суммировать или вычитать, складывать же даты к.-л. событий бессмысленно. Шкалы разностей имеют условный нуль, опирающийся на какой-либо репер (например, шкала Цельсия).
Шкала отношений описывает свойства, ко множеству количественных проявлений которых применимы отношения эквивалентности, порядка, пропорциональности или суммирования (а следовательно, и вычитания, и умножения). В шкале отношений существует естественный критерий нулевого количественного проявления свойства, т. е. нуль имеет не условное значение, а вполне определённый физический смысл. Примеры шкал отношений - шкала массы, термодинамическая температурная шкала.
Абсолютные шкалы обладают всеми признаками шкал отношений, но дополнительно в них существует естественное однозначное определение единицы измерения. Такие измерительные шкалы соответствуют относительным величинам - отношениям одноимённых физических величин, описываемых шкалами отношений. К таким величинам относятся коэффициенты усиления, добротность колебательной системы, коэффициенты ослабления и т. п. Среди абсолютных шкал выделяются ограниченные по диапазону шкалы, значения которых находятся в пределах от 0 до 1. Они характерны для кпд, амплитудной модуляции и т. п. величин.
Большинство свойств, которые рассматривают в практической метрологии, описывается одномерными измерительными шкалами. Однако имеются свойства, которые в принципе можно описать только многомерными шкалами. Таковы, напр., трёхмерные шкалы цвета в колориметрии. Шкалы сортности изделий и продуктов в общем случае являются многомерными шкалами наименований и опираются на ряд факторов, каждый из которых определяется по специализированными шкалам наименований порядка или по общим шкалам интервалов, отношений и абсолютным, описывающим общепринятые физические величины и параметры (напр., размеры изделия).
Практическая реализация шкал конкретных свойств достигается путём стандартизации шкал и единиц измерений, а также способов и условий их однозначного воспроизведения эталонами и средствами измерений. Понятие единицы измерений, неизменной для любых участков шкалы, имеет смысл только для шкал отношений и разностей, а также для абсолютных шкал. В соответствии с этим положением единицы измерений, охватываемые международной системой единиц, соответствуют величинам, описываемым только шкалами отношений и разностей.
Конкретные математические формулы в науке и технике могут связывать также только такие величины и разности величин, которые описываются соответственно шкалами отношений, разностей и абсолютными. Поэтому измерения в шкалах порядка и наименований иногда называется оцениванием (шкалированием).
Для шкал отношений и разностей в некоторых случаях оказывается недостаточным установление только единиц измерений. Так, даже для таких величин, как время, сила света, температура, которым в международной системе единиц соответствуют основные единицы - секунда, кандела, кельвин, практической системы измерений опираются также на специальные измерительные шкалы.
Кроме того, сами единицы в ряде случаев определяются с использованием фундаментальных физических констант или метрологических констант.
По мере развития метрологии наблюдается тенденция рассматривать в качестве объектов измерений все новые, и не только физические, свойства и соответствующие им величины. Так, например, формируется и описан метрологический подход к изучению и описанию свойств биологических, психологических, социальных (в т. ч. экономических) систем, создаются новые и совершенствуются уже существующие измерительные шкалы.
Таблица. Характеристики шкал измерений
|
|
Тип шкалы | ||
|
|
Наименований |
Порядка |
Разностей (интервалов) |
|
Признак
|
|
|
|
|
Соотношения между проявлениями свойств
Наличие нуля
Наличие единицы измерений
Возможные преобразования шкалы |
Эквивален- тность
Не имеет смысла
Не имеет смысла
Изоморфное отображение |
Эквивалентность , порядок
Не обязательно
Монотонные |
Эквивалентность, порядок, пропорциональность или суммирование интервалов
Устанавливается по соглашению
Устанавливается по соглашению
Линейные |
|
Тип шкалы | ||
|
Отношение |
Абсолютные | |
|
Признак 1-го рода |
2-го рода |
|
|
Эквивален-тность, порядок, пропорциональность
Вводится естественным образом
Умножение на число
|
Эквивален-тность, порядок, суммирова-ние
Вводится естественным образом
Умножение на число |
Эквивалентность, порядок, пропорциональность или суммирование
Вводится естественным образом Имеется естественная безразмерная единица Отсутствуют |
СОДЕРЖАНИЕ
|
Работа №24 |
Счётчик аэроионов |
3 |
|
Работа №25
|
Антропометрия термодинамических параметров |
24 |
|
Работа № 26 |
Измерение эффективного звукового давления |
47 |
Учебно-методическое издание