POMIARY AKUSTYCZNE

INSTYTUT KONSTRUKCJI MASZYN
LABORATORIUM
POMIARY AKUSTYCZNE
Zakres ćwiczenia:
1. Miernik poziomu dźwięku – budowa, zasada działania.
2. Charakterystyki filtrów korekcyjnych stosowanych w miernikach poziomu dźwięku.
3. Praktyczne zasady wykonywania pomiarów.
4. Wykonanie badań.
5. Analiza wyników pomiarów.
Do wykonania przez studentów:
1. Zapoznać się z obsługą miernika poziomu dźwięku oraz z zasadami pomiaru
hałasu.
2. Wykonać pomiary właściwości słuchu ludzkiego
3. Wykonać badania charakterystyk filtrów korekcyjnych.
4. Wykonać badania dynamiki miernika poziomu dźwięku
5. Opracować wyniki pomiarów.
6. Zaliczyć ćwiczenie
1. SYSTEM DO POMIARU I ANALIZY SYGNAŁÓW.
Pomiary wielkości dynamicznych w mechanice i wibroakustyce wymagają uŜycia metod
konwersji elektrycznej i elektronicznej. Oznacza to, Ŝe kaŜdą mierzoną wielkość mechaniczną
przekształca się w równowaŜny sygnał elektryczny za pomocą odpowiednich przetworników, a
następnie dopiero poddaje wzmacnianiu, przetwarzaniu i analizie.
Te same funkcje pomiarowo-analizujące mogą spełniać przyrządy o róŜnej konstrukcji i
zasadzie działania: analogowej, cyfrowej, hybrydowej itd. System pomiarowy do badań WA, moŜna
scharakteryzować jako: źródło-droga przetwarzania-odbiornik.
Źródło to ruch drganiowy lub falowy w gazie, cieczy lub ciele stałym, który ma być
zidentyfikowany. Droga przetwarzania zaczyna się na przetworniku wielkości WA na elektryczną,
poprzez układ dopasowania, a kończy się na procesorze określającym informacje o obserwowanym
polu WA. Odbiornik to człowiek korzystający ze środków rejestracji, wizualizacji itp.
1.1. Mikrofony pomiarowe
Przetworniki wielkości WA dzielą się na generacyjne i parametryczne. Pierwsze, zwane
równieŜ aktywnymi, bez zewnętrznego zasilania elektrycznego przekształcają energię zjawiska w
proporcjonalny prąd lub napięcie elektryczne. Przetworniki parametryczne lub inaczej pasywne
zmieniają swe parametry (pojemność, oporność, strumień magnetyczny) w takt zmian pola
zjawiskowego. Dostarczona z zewnątrz do przetwornika energia elektryczna przekształca te zmiany
parametru na równowaŜny prąd lub napięcie elektryczne. Ogólną zasadę działania przetworników
ciśnienia akustycznego i drgań, opisuje zaleŜność:
e(t ) = A * F (t )
(1)
gdzie:
e(t) -napięcie elektryczne współzmienne z mierzoną wielkością,
A - stała przetwornika,
F(t) - siłą działającą ze strony pola WA na przetwornik.
Podstawowymi przetwornikami ciśnienia akustycznego są mikrofony pojemnościowe oraz ich
prepolaryzowana odmiana – mikrofony elektretowe. Są to przetworniki oparte na zmianie pojemności
obwodu pomiarowego, zwykle kondensatora płaskiego. Pojemność takiego kondensatora zaleŜy od
odległości pomiędzy jego okładkami (stałą i ruchomą - będącą jednocześnie membraną mikrofonu
poddaną działaniu ciśnienia akustycznego). Z tego wynika Ŝe pojemność kondensatora zmienia się
proporcjonalnie do zmian ciśnienia akustycznego. Zmiana pojemności powoduje z kolei zmianę
napięcia na wyjściu mikrofonu.
Rys.1. Szkic zasady działania mikrofonu pojemnościowego zwykłego i elektretowego.
Konstrukcję mikrofonu pojemnościowego stosowanego w pomiarach akustycznych pokazano
na rys.2.
2
Rys.2. Praktyczne rozwiązanie mikrofonu pojemnościowego.
NajwaŜniejszymi parametrami mikrofonów są:
czułość,
zakres częstotliwościowy,
poziom szumów własnych,
dynamika,
maksymalny poziom przetwarzanego ciśnienia akustycznego,
typ badanego pola akustycznego.
• Czułość.
Czułość mikrofonu definiowana jest jako stosunek wielkości wejściowej - mierzonej (ciśnienia
akustycznego) do wielkości wyjściowej (napięcia elektrycznego). Czułość podawana jest w
jednostkach mV/Pa lub jako poziom (dB) odniesiony do 1V/Pa. Czułość mikrofonów pomiarowych
powinna być stała w całym zakresie pomiarowym. Wysokie wartości czułości zapewniają lepsze
parametry dalszego przetwarzania sygnału z mikrofonu (odstęp od poziomu szumów) i ma to
szczególne znaczenie przy pomiarze zjawisk o bardzo małym ciśnieniu akustycznym.
• Zakres częstotliwościowy
Zakres przetwarzania mikrofonu zawiera się pomiędzy dolną częstotliwością graniczną a
górną częstotliwością graniczną. Zakres pomiarowy obejmuje jedynie liniowy odcinek charakterystyki
określany dla dopuszczalnej odchyłki (np. +/- 2dB). KaŜda odchyłka charakterystyki częstotliwościowej
od linii prostej powoduje powstanie błędów przetwarzania zmieniających charakterystykę
częstotliwościową badanego sygnału.
Pomiary charakterystyk częstotliwościowych mikrofonów pomiarowych dokonuje się w
warunkach bezechowych przy wykorzystaniu wzorcowych źródeł dźwięku i wzorcowych mikrofonów
pomiarowych. KaŜdy mikrofon pomiarowy posiada indywidualne zmierzoną charakterystykę.
Na rysunku 3 przedstawiono charakterystykę częstotliwościową przykładowego mikrofonu.
Rys.3. Charakterystyka częstotliwościowa mikrofonu ½-calowego, elektretowego typu 4950 prod Bruel&Kjear
(zakres pomiarowy 7 – 16000 Hz).
Liniowy zakres przenoszenia mikrofonu zaleŜy od jego parametrów konstrukcyjnych; przy
czym o ile dolna granica przenoszenia związana jest z parametrami elektrycznymi o tyle górna zaleŜy
3
głównie od jego średnicy. Dla przykładu dla mikrofonu 1" zakres częstotliwości przenoszenia wynosi
do kilkunastu kHz, a dla mikrofonu 1/8" do kilkuset kHz.
• Poziom szumów własnych.
Poziom szumów własnych mikrofonu jest definiowany jak poziom dźwięku lub poziom
ciśnienia akustycznego mierzony dla zerowej wartości ciśnienia akustycznego na wejściu mikrofonu.
Szumy własne mikrofonu są sumą szumów akustycznych (uderzenia cząstek powietrza o membranę)
i elektrycznych (szumy elementów elektronicznych mikrofonu, szumy cieplne w przewodach). Szumy
własne ograniczają dolny zakres mierzonych wartości ciśnienia akustycznego.
• Dynamika.
Dynamiką mikrofonu nazywa się róŜnicę pomiędzy maksymalnym poziomem ciśnienia
akustycznego który moŜe być przetworzony bez wnoszenia zbyt duŜych zniekształceń nieliniowych, a
poziomem minimalnym, uwarunkowanym poziomem szumów własnych.
Maksymalny poziom ciśnienia akustycznego jest podawany dla określonego poziomu
zniekształceń (np. dla 3%). Przez zniekształcenia najczęściej rozumie się parametr THD (Total
harmonic distortion) – całkowite zniekształcenia harmoniczne, mierzone jako procentowy udział
wyŜszych składowych harmonicznych powstałych w wyniku zniekształceń badanego sygnału
harmonicznego. Pomiar sygnałów akustycznych o wyŜszym poziomie niŜ maksymalny powoduje
powstanie bardzo duŜych zniekształceń.
DuŜa dynamika mikrofonu pozwala na pomiar za pomocą jednego przetwornika sygnałów o
bardzo małych poziomach jak i o poziomach bardzo duŜych.
• Typ badanego pola akustycznego
RozróŜnia się dwa skrajne typy pola akustycznego: pole swobodne i pole rozproszone. W polu
swobodnym nie występują odbicia dźwięku, więc kierunek jego propagacji jest jednoznacznie
określony. Z kolei w polu rozproszonym występują bardzo duŜa ilość odbić dźwięku a nadejście fali w
danym punkcie jest jednakowo prawdopodobne z kaŜdego kierunku. W praktyce spotyka się pola
akustyczne zbliŜone do swobodnego (pusta przestrzeń, duŜe pomieszczenie o wysokiej chłonności
akustycznej), zbliŜone do rozproszonego (pomieszczenia o małej chłonności akustycznej - o długim
czasie pogłosu) oraz warianty pośrednie.
W związku ze znacznym zróŜnicowaniem właściwości badanych pół akustycznych mikrofony
pomiarowe dobiera się do danego typu pola. Mikrofony pola swobodnego charakteryzują się
maksymalnie płaską charakterystyką częstotliwościową (mierzoną w osi mikrofonu). Mikrofony pola
rozproszonego posiadają płaską charakterystykę kierunkowości.
1.2. Układ dopasowujący.
Rolę układu dopasowującego w przypadku toru do pomiaru ciśnienia akustycznego spełniają
przedwzmacniacze mikrofonowe. Zadaniem przedwzmacniacza jest dopasowanie sygnału
elektrycznego pomiędzy wyjściem mikrofonu a blokiem przetwarzania sygnału. Polega to na
wzmocnieniu sygnału (z wartości rzędu mV do wartości rzędu V), dopasowaniu impedancji wyjścia
mikrofonu i wejścia bloku przetwarzania). Układ przedwzmacniacza mikrofonowego dodatkowo musi
dostarczyć napięcie polaryzujące mikrofon pojemnościowy (200V).
Rys.4. Przedwzmacniacz mikrofonowy typ SV01A prod. SVANTEK
4
1.3. Miernik (analizator) poziomu dźwięku
Wzmocniony i dopasowany sygnał z przedwzmacniacza mikrofonowego jest poddawany
dalszemu przetwarzaniu w mierniku poziomu dźwięku. Schemat blokowy typowego miernika
pokazano na rysunku 5.
LIN
Przedwzmacniacz
mikrofonowy
Wzmacniacz
wejściowy
Filtry
korekcji
(A; C; G)
Regulacja
zakresu
Detektor
wartości
skutecznej
Obliczenie
poziomu
[dB]
Wyświetlacz
Stała czasowa
(F; S)
Miernik poziomu dźwięku
Zespół mikrofonowy
Rys.5. Schemat miernika poziomu dźwięku
Miernik poziomu dźwięku składa się z następujących głównych bloków funkcjonalnych:
wzmacniacz wejściowy,
filtry korekcyjne,
detektor wartości skutecznej i przetwornik lin/log,
wyświetlacz.
• Wzmacniacz wejściowy.
Głównym zadaniem tego bloku jest dopasowanie zakresu pomiarowego miernika do wartości
mierzonego ciśnienia akustycznego.
PoniewaŜ miernik poziomu dźwięku ma zazwyczaj mniejszą dynamikę (70 – 80 dB) niŜ zespół
mikrofonowy (nawet ponad 130dB) w celu wykorzystania całego zakresu dynamicznego mikrofonu
naleŜy wzmocnić lub osłabić sygnał na wyjściu przedwzmacniacza mikrofonowego. Regulacja tego
wzmocnienia jest dostępna z poziomu uŜytkownika miernika i jest jednym z najwaŜniejszych zadań
podczas pomiarów. Zakres pomiarowy musi być ustawiony tak aby był zapewniony jak najlepszy
odstęp od poziomu szumów i jednocześnie tak aby podczas pomiaru nie wystąpiło w Ŝadnym
momencie przekroczenie wartości maksymalnej (przesterowanie). Informacja o przesterowaniu
sygnału jest podawana przez miernik. Regulacja zakresu odbywa się w sposób skokowy (np. co 10
dB, co 20 dB, itp).
• Filtry korekcyjne.
Filtry korekcyjne zostały wprowadzone ze względu na właściwości ludzkiego słuchu. Słuch
człowieka nie ma jednakowej czułości dla kaŜdego pasma częstotliwości z zakresu słyszenia.
Najlepsze właściwości posiada słuch dla środkowych zakresów (500 – 4000 Hz), dla wyŜszych i
niŜszych częstotliwości następuje pogorszenie słyszenia.
Aby moŜliwe było określenie przy pomocy miernika wartości odpowiadającej w przybliŜeniu
wraŜeniu człowieka na określony dźwięk stosuje się filtry korekcyjne. Najczęściej spotykanymi typami
filtrów są filtr typu A i typu C. Filtr typu A stosowany jest praktycznie we wszystkich pomiarach gdzie
celem jest określenie wpływu danego hałasu na człowieka, filtr C wykorzystywany jest w celu
określenia wpływu na człowieka bardzo głośnych dźwięków (ryzyko uszkodzenia słuchu).
Charakterystyki filtrów A i C pokazano na rysunku 6.
5
Rys.6. Charakterystyki filtrów korekcyjnych A i C.
JeŜeli celem pomiaru jest określenie poziomu ciśnienia akustycznego (a nie poziomu
dźwięku), nie stosuje się filtrów korekcyjnych. Taki tryb pracy miernika określani jest zazwyczaj
określeniem Lin.
• Detektor wartości skutecznej i przetwornik lin/log.
Aby uzyskać liczbową wartość reprezentatywną dla mierzonego w określonym czasie sygnału,
stosuje się detektor wartości skutecznej. Oblicza on wartość skuteczną sygnału w czasie 0,125 s (dla
ustawienia F - fast) i 1s (dla ustawienia S – slow). Zastosowanie odpowiedniej charakterystyki
czasowej (F, S) jest najczęściej narzucane przez normę zgodnie z którą wykonywane są pomiary.
Wartość skuteczna sygnału jest w następnej kolejności przeliczana na poziom zgodnie z
zaleŜnością:
L p = 20 log
gdzie:
pn
[dB]
po
(2)
pn - wartość skuteczna mierzonego ciśnienia akustycznego, [µPa];
p0 – wartość odniesienia równa 20 [µPa];
Posługiwanie się wartościami poziomów a nie bezpośrednio ciśnienia akustycznego jest
-5
2
podyktowane duŜą rozpiętością dynamiczną mierzonych sygnałów ( od 10 Pa do 10 Pa) – rys.7.
120
100
Lp [dB]
80
60
40
20
0
1E-005
0.0001
0.001
0.01
0.1
1
10
100
p [Pa]
Rys.7. ZaleŜność pomiędzy ciśnieniem akustycznym i jego poziomem
6
Oprócz detektorów wartości skutecznej w miernikach stosuje się często detektory wartości
szczytowej charakteryzujące się krótką stałą czasową. Detektor zapamiętuje wartość maksymalną
(szczytową) sygnału
• Wyświetlacz.
Obecnie stosowane są niemal wyłącznie wyświetlacze cyfrowe na których najczęściej
podawana jest informacja o aktualnej wartości, o wystawieniu przesterowania, często podawana jest
równolegle informacja o wartości maksymalnej bądź szczytowej.
Mierniki z cyfrowym torem przetwarzania.
Przedstawiony powyŜej (rys.5) schemat blokowy miernika przedstawia koncepcjię jego
działania. Obecnie produkowane przyrządy w większości przypadków posiadają cyfrowy tor
przetwarzania sygnałów, po wzmacniaczu wejściowym następuje przetworzenie sygnału w
przetworniku analogowo – cyfrowym i następnie jego obróbka przez procesor DSP – rysunek 8.
Pamięć
Przedwzmacniacz
mikrofonowy
Wzmacniacz
wejściowy
Przetwornik
A/C
Procesor
DSP
Wyświetlacz
Urządzenia
we/wy
Regulacja
zakresu
Rys.8. Schemat blokowy miernika z cyfrowym torem przetwarzania
Zastosowanie takiej koncepcji przetwarzania daje duŜo większe moŜliwości co do
wykonywanych przez miernik analiz sygnału.
NajwaŜniejsze funkcje realizowane przez procesor DSP:
Filtracja sygnału – krzywe korekcyjne, filtracja pasmowa.
Obliczanie podstawowych parametrów sygnału – wartość skuteczna, poziom, wartości
szczytowe, maksymalne.
Obliczanie równowaŜnego poziomu dźwięku, ekspozycji na hałas.
Uśrednianie mierzonych wartości.
Analiza oktawowa sygnału.
Analiza widmowa sygnału.
2. BADANIA
2.1. Kalibracja.
Przed przystąpieniem do jakichkolwiek pomiarów konieczne jest przeprowadzenie kalibracji
miernika, dzięki czemu wskazania miernika są zgodne z rzeczywistą wartości mierzonego ciśnienia
kaustycznego.
Istnieją dwa sposoby kalibracji:
• Kalibracja elektryczna.
Polega na uwzględnieniu czułości zastosowanego mikrofonu. Wartość czułości naleŜy
wprowadzić do przyrządu.
• Kalibracja akustyczna.
Polega na cechowaniu przyrządu przy pomocy zewnętrznego źródła o dokładnie ustalonym
poziomie ciśnienia akustycznego. W celu wycechowania przyrządu naleŜy nałoŜyć kalibrator na
mikrofon i po włączeniu sprawdzić czy wskazywana wartość jest zgodna z wartością podaną w
metryce kalibratora. JeŜeli miernik pokazuje błędne wskazania naleŜy nanieść odpowiednią poprawkę.
7
2.2. Badanie charakterystyki filtra korekcyjnego.
Badanie charakterystyki filtra korekcyjnego przeprowadza się na stanowisku pokazanym na
rysunku 9.
1
3
4
2
Warunki bezodbiciowe
Rys.9. Schemat stanowiska pomiarowego (1 – głośniki, 2- mikrofon, 3- miernik poziomu dźwięku, 4- generator
ze wzmacniaczem)
Główne elementy stanowiska do głośnik oraz mikrofon pomiarowy umieszczone w polu
akustycznym zbliŜonym do swobodnego Głośnik podłączony jest do generatora sygnału (przez
wzmacniacz) Mikrofon pomiarowy podłączony jest do miernika posiadającego moŜliwość pomiaru z
włączonym filtrem korekcyjnym jak i bez filtra.
• Pomiar charakterystyki częstotliwościowej filtra.
Zasada pomiaru jest oparta na porównaniu wartości poziomu ciśnienia akustycznego bez
zastosowania filtra oraz wraz z filtrem.
Badanie przeprowadza się następująco:
umieszczenie mikrofonu pomiarowego w osi głośnika w ustalonej odległości z dala od
powierzchni odbijających dźwięk,
ustawienie na generatorze sygnału o określonej częstotliwości równej częstotliwości
pasm oktawowych lub 1/3 - oktawowych,
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego bez zastosowania filtra
korekcyjnego (Lin) ,
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego z zastosowaniem filtra
korekcyjnego (A lub C) ,
zmiana częstotliwości – powtórzenie procedury badania.
Po wykonaniu pomiarów dla wszystkich częstotliwości naleŜy obliczyć róŜnice pomiędzy
zmierzonym poziomem dźwięku LA[dB] lub LC[dB] i poziomem ciśnienia akustycznego Lp [dB] i
narysować wykres tych róŜnic w zaleŜności od częstotliwości.
Porównać z normową krzywą A lub C - określić błędy bezwzględne i narysować wykres.
Porównać zmierzoną charakterystykę z charakterystyką słyszenia ucha – wyciągnąć wnioski
8
2.3. Badanie zakresu dynamicznego miernika poziomu dźwięku .
Badanie parametrów dynamicznych miernika przeprowadza się na stanowisku pokazanym na
rysunku 10.
1
2
4
3
5
2
Warunki bezodbiciowe
Rys.10. Schemat stanowiska pomiarowego (1 – głośniki, 2- mikrofony pomiarowe, 3- badany miernik poziomu
dźwięku, 4- generator ze wzmacniaczem, 5 – wzorcowy miernik poziomu dźwięku)
Główne elementy stanowiska to głośnik oraz mikrofony pomiarowe umieszczone w polu
akustycznym zbliŜonym do swobodnego Głośnik podłączony jest do generatora sygnału (przez
wzmacniacz). Jeden mikrofon pomiarowy podłączony jest do badanego miernika, drugi do miernika
wzorcowego.
• Pomiar zakresu dynamicznego miernika.
Zasada pomiaru jest oparta na porównaniu wartości poziomu ciśnienia akustycznego
mierzonego przez badany przyrząd (na określonym zakresie pomiarowym) ze wskazaniami przyrządu
pomiarowego uznawanego z wzorcowy.
Badanie przeprowadza się następująco:
umieszczenie mikrofonów pomiarowych w bliskiej odległości w pobliŜu w osi głośnika z
dala od powierzchni odbijających dźwięk,
ustawienie zadanego zakresu pomiarowego na mierniku badanym,
ustawienie na generatorze sygnału o częstotliwości równej 1 kHz, i amplitudzie takiej
aby wskazanie badanego miernika mieściło się o środkowej części zakresu
pomiarowego
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego przez badany miernik ,
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego przez miernik wzorcowy; w
przypadku miernika wzorcowego zakres pomiarowy naleŜy dobierać w zaleŜności od
poziomu sygnału wejściowego
zmiana amplitudy sygnału testowego (w środkowej części zakresu pomiarowego
badanego miernika – krok 5dB, na skrajach pasma krok naleŜy zagęścić),
pomiary naleŜy przerwać gdy róŜnice wskazań pomiędzy miernikami przekraczają 6 dB,
w przypadku zbyt wysokiego poziomu tła akustycznego uniemoŜliwiającego określenie
dolnej granicy zakresu pomiarowego, granicę te naleŜy określić po nałoŜeniu na mikrofon
zatyczki wygłuszającej.
Po wykonaniu pomiarów naleŜy obliczyć róŜnice pomiędzy poziomem dźwięku zmierzonym
przez obydwa mierniki - narysować wykres tych róŜnic w zaleŜności poziomu mierzonego sygnału
(wzorcowego).
Określić granice zakresu pomiarowego badanego miernika - górną i dolną (podać wartości
poziomów oraz ciśnień akustycznych)
9
• Określenie wypływu wyboru zakresu pomiarowego miernika na wynik pomiaru.
Zasada pomiaru jest oparta na porównaniu wartości poziomu ciśnienia akustycznego
mierzonego przez badany przyrząd (na określonym zakresie pomiarowym) ze wskazaniami przyrządu
pomiarowego uznawanego z wzorcowy.
Badanie przeprowadza się następująco:
umieszczenie mikrofonów pomiarowych w bliskiej odległości w pobliŜu w osi głośnika z
dala od powierzchni odbijających dźwięk,
ustawienie na generatorze sygnału o częstotliwości równej 1 kHz, i wybranej
amplitudzie
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego przez badany miernik ,
odczyt poziomu ciśnienia akustycznego mierzonego przez miernik wzorcowy; w
przypadku miernika wzorcowego zakres pomiarowy naleŜy dobierać w zaleŜności od
poziomu sygnału wejściowego
zmiana zakresu pomiarowego badanego miernika,
ponowne odczyty wartości z mierników,
Po wykonaniu pomiarów naleŜy obliczyć róŜnice pomiędzy poziomem dźwięku zmierzonym
przez obydwa mierniki - narysować wykres tych róŜnic w zaleŜności od zakresu pomiarowego,
wyciągnąć wnioski dotyczące wpływu wyboru zakresu pomiarowego na jakość pomiaru.
3. LITERATURA
[1] Cempel Cz. „Wibroakustyka stosowana" PWN, Warszawa 1989 r.
[2] Engel Z. "Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem" PWN, Warszawa 2001 r.
[3] śyszkowski Z. „Miernictwo akustyczne” WNT Warszawa 1987 r.
[4] śyszkowski Z. „Podstawy elektroakustyki” WNT Warszawa 1984 r.
[5] Dobrucki A. „Przetworniki elektroakustyczne” WNT, Warszawa 2007r.
[6] Instrukcje obsługi mierników SVAN 912 oraz B&K 2230
[7] Bruel&Kjaer „Pomiary dźwięków”, instrukcja pomiarowa.
10