dx dy xy S = Δ Δ

Studia podyplomowe 2008-9, ćwiczenie 1, Podstawowe przyrządy pomiarowe sygnałów wibroakustycznych
1
Wydział Inżynierii Mechanicznej i Robotyki
Przedmiot: Pomiary wibroakustyczne. Laboratorium.
Ćwiczenie nr 1. Podstawowe przyrządy pomiarowe sygnałów wibroakustycznych
/Dr inż.Tadeusz Wszołek, (galaxy.uci.agh.edu.pl/~twszolek)/
1) Wprowadzenie
a) Parametryzacja sygnału wibroakustycznego – drgań i hałasu
b) Ciśnienie akustyczne, poziom dźwięku (L), poziom równoważny (Leq)
c) Sygnał drganiowy: przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie drgań
d) Tor pomiarowy sygnału wibroakustycznego
e) Mikrofon, przetwornik drgań
2) Program ćwiczenia: Prezentacja i omówienie współczesnej aparatury pomiarowej
czołowych firm światowych:
a) przyrządy pomiarowe – analizatory i mierniki poziomu dźwięku: B&K, Norsonic,
SVANTEK
b) przetworniki sygnału akustycznego i drganiowego: mikrofony ( G.R.A.S., B&K,
Norsonic), akcelerometry (PCB, B&K, Dytran)
Ad1. Wprowadzenie
Wstępna parametryzacja sygnału wibroakustycznego – drgań i hałasu
Hałas: ciśnienie akustyczne (p), poziom dźwięku (L), poziom równoważny (Leq)
Sygnał drganiowy: przemieszczenie, prędkość i przyspieszenie drgań
Tor pomiarowy sygnału wibroakustycznego
P
P
R
Z
E
T
W
O
R
N
K
PR
RZ
ZE
ET
TW
WO
OR
RN
NIIIK
KIII
Przetworniki maja za zadanie przetworzenie mierzonej wielkości fizykalnej w odpowiedni
sygnał elektryczny. W rozpatrywanym przypadku przetworniki służyć będą do pomiaru
przemieszczeń, prędkości, przyspieszenia oraz ciśnienia akustycznego.
Przetworniki możemy podzielić na
Parametryczne – wielkość fizykalna (mierzona) powoduje zmianę wielkości elektrycznej,
np.rezystancji, pojemności, indukcyjności, itp.
Generacyjne – mierzona wielkość powoduje powstawanie SEM, np. ogniwa
termoelektryczne, fotoelektryczne, piezoelektryki, itp.
Ogólnie można zapisać
y=f(x)
może to być funkcja liniowa ( najczęściej) lub nieliniowa. Najważniejsze jednak aby była
powtarzalna.
Jednym z najważniejszych parametrów przetwornika jest jego czułość
S = lim
Δx → 0
Δy dy
=
Δx dx
KMiW WIMiR AGH
Studia podyplomowe 2008-9, ćwiczenie 1, Podstawowe przyrządy pomiarowe sygnałów wibroakustycznych
2
Przetworniki w wibroakustycznych systemach pomiarowych
Przetworniki pojemnościowe
Zmieniają swoją pojemność C pod wpływem mierzonej wielkości fizycznej. Należą do klasy
przetworników parametrycznych.
C=
ε 0ε r A
d
gdzie:
A – pole powierzchni wzajemnego pokrywania się okładek,
d – odległość pomiędzy okładzinami,
ε0 – przenikalność dielektryczna próżni,
εr – przenikalność dielektryka względem próżni.
Zmianę pojemności kondensatora można osiągnąć poprzez:
a) zmianę pola powierzchni pomiędzy okładzinami,
b) zmianę odległości pomiędzy okładzinami,
c) zmianę przenikalności dielektryka
Przetworniki indukcyjne
Mogą być czujnikami generacyjnymi oraz parametrycznymi. Pod wpływem zmiany
wielkości fizykalnej zmienia się indukcyjność własna (L) lub wzajemna (M).
Do generacyjnych zaliczamy przetworniki:
• elektrodynamiczne
• elektromagnetyczne
• Przetworniki piezoelektryczne
Przetworniki piezoelektryczne
Zjawisko piezoelektryzmu wykryte zostało w roku 1880 przez braci Curie, którzy stwierdzili
ściskanie płytki kwarcowej wzdłuż osi Y-Z powoduje powstawanie na powierzchniach
bocznych ładunków.
dσ
dq
= kp
⇒Q ≈ F
dt
dt
gdzie:
kp – moduł piezoelektryczny,
σ – naprężenie,
q – gęstość ładunku.
Najszersze zastosowanie piezoelektryków jest w produkcji czujników przyspieszeń (
akcelerometrów). Budowę takiego przetwornika pokazano na rysunku poniżej:
KMiW WIMiR AGH
Studia podyplomowe 2008-9, ćwiczenie 1, Podstawowe przyrządy pomiarowe sygnałów wibroakustycznych
3
Odkształcenie piezoelektryka powoduje
powstanie ładunku proporcjonalnego do
siły, a zatem do przyspieszenia ( F=ma).
Czujniki takie nie wymagają zasilania, nie
mają też ruchomych części. Cechuje duża
dynamika i szeroki zakres częstotliwości.
Mogą być mocowane w różnych
kierunkach.
Górna granica stanowi ok. 0.3-0.5
częstotliwości drgań własnych, która
wynosi dla akcelerometrów B&K do 180
kHz, typowa zaś wynosi ok. 10 kHz.
Dolna częstotliwość wynosi zazwyczaj ok. 1 Hz w normalnych warunkach otoczenia. W
rzeczywistości zależy od dolnej przedwzmacniacza oraz wpływu temperatury otoczenia.
M
MIIK
KR
RO
OFFO
ON
NY
Y
Spośród kilku rodzajów mikrofonów w pomiarach akustycznych najszersze zastosowanie
znalazły mikrofony:
• Pojemnościowy
• Elektretowy
• Piezoelektryczny
Mikrofon pojemnościowy
Najważniejszy w technice pomiarowej. Charakteryzuje się wysoka stabilnością, liniową
charakterystyką częstotliwości w szerokim zakresie, wysoką skutecznością oraz minimalnymi
zakłóceniami wnoszonymi do rozkładu pola akustycznego, w którym się znajduje.
Zalicza się do przetworników odwracalnych.
Właściwość ta ułatwia cechowanie mikrofonów.
Poniżej pokazano przekrój przez mikrofon pojemnościowy:
Mikrofon składa się z cienkiej metalowej membrany umieszczonej w bardzo małej
odległości od
stałej elektrody.
Pomiędzy
membraną a
elektrodą
przyłożonej jest
stałe dobrze
stabilizowane
napięcie,
polaryzujące
układ elektroda –
membrana.
Przetworniki
pojemnościowe
KMiW WIMiR AGH
Studia podyplomowe 2008-9, ćwiczenie 1, Podstawowe przyrządy pomiarowe sygnałów wibroakustycznych
4
rozpowszechnione są szczególnie jako mikrofony pomiarowe, estradowe, studyjne wysokiej
jakości.
Ad.2. Program ćwiczenia
• Charakterystyka parametrów mierzalnych sygnału akustycznego i drganiowego
• Prezentacja współczesnej aparatury pomiarowej czołowych firm światowych:
ƒ Przyrządy pomiarowe – analizatory i mierniki poziomu dźwięku: B&K,
Norsonic, SVANTEK
ƒ Przetworniki: mikrofony ( G.R.A.S., B&K, Norsonic), akcelerometry (PCB,
B&K, Dytran)
Literatura uzupełniająca:
[1]. Z.Engel – ochrona środowiska przed drganiami i hałasem, PWN, Warszawa 2003.
[2]. B&K – Acoustics Noise Measurements
[3]. B&K – Mechanical Vibration and Shock Measurements.
[4]. Z.Żyszkowski – Miernictwo akustyczne, WNT, Warszawa 1987 r.
[5]. F.A.Everest – podręcznik akustyki, Sonia Draga Sp. z o.o., Katowice, 2004.
[6]. Strony internetowe firm – producentów aparatury: Bruel and Kjaer, GRAS, Norsonic,
SVANTEK, Dytran, PCB.
KMiW WIMiR AGH