PWSZ -Leszno LABORATORIUM POMIARY I BADANIA WIBROAKUSTYCZNE

Transkrypt

1 Temat: PWSZ -Leszno LABORATORIUM POMIARY I BADANIA WIBROAKUSTYCZNE ANALIZA WIDMOWA HAŁASU Instrukcja Wykonania ćwiczenia 2(m) 1. CEL ĆWICZENIA Doskonalenie umiejętności w zakresie wykonywania oktawowej analizy widmowej hałasu oraz interpretacji uzyskiwanych wyników. Ćwiczenia w obliczaniu poziomu dźwięku A oraz liniowego poziomu dźwięku (Lin) na podstawie widma oktawowego. Przeprowadzenie oszacowania skuteczności izolacji akustycznej ekranów akustycznych. 2. SPRZĘT I WYPOSAśENIE: Sprzęt dostępny w laboratoriom komputer z oprogramowaniem analizator, wyposaŝony w kartę dźwiękową współpracujący z mikrofonem, opcjonalnie miernik i analizator dźwięku SVAN 912 AE kalibrator akustyczny, taśma miernicza 3m, ekran akustyczny. Studenci przynoszą: źródło dźwięku: GRUPA DM :Przynosimy najlepiej hałaśliwe urządzenie techniczne np. wiertarka, wyrzynarka itp. lub drobny sprzęt AGD np.: mikser, robot kuchenny, maszynka do mięsa, golarka suszarka do włosów itp. Przynosimy jedno urządzenie na podgrupę ćwiczeniową 3-4 osoby (prosimy to uzgodnić między sobą). GRUPA DS. Opcjonalnie, w przypadku sprzyjających warunków atmosferycznych źródłem hałasu będzie pracujący silnik samochodowy. Prośba o zapewnianie jednego samochodu na podgrupę ćwiczeniową. Ekranem akustycznym w przypadku badania samochodu będzie pokrywa silnikowa (zazwyczaj przednia maska samochodu). wydrukowane dwustronnie formatki raportu z ćwiczenia, przyrządy do rysowania, ołówek, linijka, kredki (pisaki) w trzech kolorach, kalkulator z funkcjami. 3. PRZEBIEG ĆWICZENIA: InstruktaŜ (przeprowadza prowadzący ćwiczenie) - Pokaz obsługi programu ANALIZATOR (lub analizatora SAN 912AE) - Dla kaŝdego studenta w podgrupie ćwiczeniowej prowadzący indywidualnie definiuje konfigurację wykonania pomiarów tzn. określa rodzaj ekranu akustycznego oraz ustala wzajemne połoŝenie: źródła dźwięku, mikrofonu oraz ekranu akustycznego. Wykonujący ćwiczenie wpisuje w raporcie z badań (punkt 1) dane dotyczące obiektu badań i warunków wykonania pomiarów - w punkcie 1a - Opis i charakterystyka źródła dźwięku: rodzaj, typ i marka urządzenia, reŝim pracy (np. bieg dla suszarki itp), wymiary charakterystyczne źródła dźwięku, rodzaj emitowanego hałasu (odczucie subiektywne np. ciągły, impulsowy, szumowy, monoharmoniczny, złoŝony, dźwięk wysoki niski itp.) Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 1/6

2 - w punkcie 1b - Opis zastosowanej przegrody (ekranu akustycznego), jego wymiary, grubość, rodzaj materiału z jakiego wykonany jest ekran. - w punkcie 1.c Szkic sytuacyjny ukazujący wzajemne usytuowanie: źródła dźwięku, mikrofonu i ekranu akustycznego. Na szkicu naleŝy nanieść wszystkie istotne odległości, wymiary, określić kształt ekranu jego lokalizację itp. (patrz rys.1) KaŜdy student wykonuje dwukrotnie analizę widmową hałasu wykorzystując oprogramowanie ANALIZATOR dla dwóch ustalonych przez prowadzącego konfiguracji pomiarowych: - bez przegrody akustycznej, - z przegrodą akustyczną. mikrofon PC z programem ANALIZATOR WARIANT POMIARU 1 - bez ekranu akustycznego l źródło hałasu PC z programem ANALIZATOR WARIANT POMIARU 2 - z ekranem akustycznym l H x h a Rys.1. Warianty wykonania badań oraz oznaczenie istotnych odległości wymiarów charakterystycznych ekranu akustycznego Otrzymane wyniki oktawowej analizy widmowej dla poszczególnych pasm częstotliwości wpisujemy w tabelę (w punkcie 2 raportu). W kolumnach b i c tabeli proszę wpisać wyniki analiz widmowych (poziomy ciśnienia akustycznego) dla poszczególnych pasm oktawowych fi : - w kolumnie b poziomy L f i(b) dla wariantu bez przeszkody akustycznej, - w kolumnie c poziomy L f i(p) dla wariantu z przeszkodą akustyczną. gdzie: - L fi - poziomy ciśnienia akustycznego odczytany dla kolejnych częstotliwości środkowych pasma oktawowego fi (i=1...10,) - indeks (b) oznacza poziomy ciśnienia dla wariantu pomiaru bez ekranu, - indeks (p) oznacza poziomy ciśnienia dla wariantu z ekranem (przegrodą akustyczną). g Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 2/6

3 Na podstawie uzyskanych danych naleŝy narysować (w oknie 3a sprawozdania) na jednym wykresie dwa widma oktawowe hałasu dla obu przypadków (bez i z ekranem akustycznym). Proszę przedstawić widma w postaci wykresu kolumnowego. Na rysunku, w kaŝdym paśmie oktawowym umieszczamy obok siebie dwa słupki (dla wariantu bez i z ekranem). Dla odróŝnienia wariantów pomiarowych widma naleŝy wykonać róŝnymi kolorami. Proszę nie zapomnieć o legendzie do rysunku. Na podstawie porównania widm moŝemy ocenić o ile decybeli [db] obniŝył się poziom ciśnienia akustycznego w poszczególnych pasmach oktawowych po umieszczaniu pomiędzy źródłem hałasu a mikrofonem ekranu akustycznego. Dla lepszego uchwycenia zmian ilościowych w kolejnych wierszach kolumny d tabeli w punkcie 2 sprawozdania wpiszmy róŝnicę poziomów ciśnienia akustycznego dla poszczególnych pasm oktawowych L fi.. Uzyskane wartości w kolumnie d ukazują efektywność (skuteczność) redukcji hałasu docierającego do mikrofonu po zastosowanego ekranu, w poszczególnych pasmach oktawowych. Wartości z kolumny d naleŝy następnie nanieść na wykres w punkcie 3c raportu (w postaci słupków). Przed wykonaniem wykresu warto w pierwszej kolejności sprawdzić zakres zmienności wartości i dobrać odpowiednio skalę na osi pionowej wykresu. Z punktu widzenia właściwości narządu słuchu człowieka interesujące byłoby sprawdzenie jak odbiera hałas emitowany przez źródło hałasu nasze ucho. Dla oceny percepcji hałasu przez człowieka naleŝy skorygować widmo oktawowe hałasu uzyskane z analizatora charakterystyką korekcyjną A. Poprawki korekcyjne dla poszczególnych pasm oktawowych zamieszczono Tabeli 1 oraz w kolumnie a tabeli (pkt. 2 raportu). Tabela 1. Poprawki korekcyjne dla charakterystyki A dla poszczególnych pasm oktawowych Częstotliwość środkowa poprawka korekcyjna dla. pasma oktawowego charakterystyki A [Hz] K Ai [db] , , , , ,2 1k 0 2k +1,2 4k +1 8k -1,1 16k -6,6 W kolumnie e wpisujemy skorygowane charakterystyką A poziomy ciśnienia akustycznego dla kolejnych pasm oktawowych. Korekcja polega na dodaniu do zmierzonych poziomów ciśnienia akustycznego zamieszczonych w kolumnie b poprawek z kolumny a. W analogiczny sposób uzyskamy postać skorygowanego widma oktawowego (charakterystyką korekcyjną A) dla wariantu eksperymentu z przegrodą akustyczną. W tym celu naleŝy do danych z kolumny c dodać poprawki z kolumny a i wpisać wyniki w kolumnie f. Uwaga! NaleŜy mieć na względzie, Ŝe niektóre wartości poprawek mają wartości ujemne a niektóre dodatnie. Skorygowane charakterystyką A widma hałasu dla obydwu wariantów eksperymentu (bez i z ekranem akustycznym) naleŝy nanieść postaci wykresu kolumnowego w punkcie 3d raportu. Na rysunku, w kaŝdym paśmie oktawowym umieszczamy obok siebie dwa słupki(dla wariantu bez i z ekranem). Dla odróŝnienia, widma dla eksperymentu z i bez ekranu akustycznego naleŝy wykonać róŝnymi kolorami. Proszę nie zapomnieć o legendzie do rysunku. Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 3/6

4 Kolejnym etapem ćwiczenia jest przeprowadzenie syntezy widma oktawowego w celu wyznaczenia poziomu ciśnienia akustycznego dla całego pasma akustycznego (20-20kHz czyli dla oktaw o częstotliwościach środkowych od 31.5 Hz do 16 khz). Dla kaŝdego z wariantów eksperymentu na podstawie widm oktawowych obliczamy: - liniowy poziom ciśnienia akustycznego na podstawie zaleŝności n 0.1 L fi LLin = 10 log 10 (1) i= 1 - poziom dźwięku A L A = ( L + K ) n log 10 fi Ai (2) i= 1 gdzie: i kolejny numer pasma oktawowego, n - liczba analizowanych pasm oktawowych, w naszym przypadku n=10, fi - częstotliwość i-tej częstotliwości środkowej pasm oktawowego, L fi odczytany z programu ANALIZATOR poziom ciśnienia akustycznego w paśmie oktawowym fi K Ai - poprawka dla charakterystyki A dla i-tego pasma oktawowego(patrz tabela 1) Obliczone poziomy ciśnienia liniowego (L Lin ) i poziomu dźwięku A (L A ), uzyskane w wyniku syntezy widm oktawowych dla poszczególnych wersji eksperymentu, wpisujemy w dolnych wierszach tabeli (pkt. 2 raportu). Wyniki proszę nanieść na rysunek w pkt. 3d w postaci słupków. Przed wykonaniem wykresu warto w pierwszej kolejności sprawdzić zakres zmienności wartości i dobrać odpowiednio skalę na osi pionowej wykresu. 4. WNIOSKI Na podstawie wyników uzyskanych z przeprowadzonych eksperymentów naleŝy wyciągnąć wnioski Ocena jakościowa i hałasu emitowanego przez maszynę/urządzenie na podstawie widma oktawowego. Ten typ oceny naleŝy przeprowadzić na podstawie widma oktawowego bez korekcji częstotliwościowej. Da to nam informację o faktycznym składzie widmowym hałasu. NaleŜy pamiętać, Ŝe ocena ta nie jest równoznaczna subiektywnymi odczuciami hałasu przez człowieka. Przeanalizuj postać widma oktawowego hałasu uzyskanego dla opcji eksperymentu bez ekranu akustycznego i odczytywanego bezpośrednio z programu ANALIZATOR tzn. bez korekcji częstotliwościowej (wyniki te masz w pkt. 2 raportu w kolumnie b oraz na rysunku a w pkt. 4 raportu). Aby dokonać oceny jakościowej czyli określić jaki jest jaki jest charakter hałasu zaobserwuj w jakich zakresach częstotliwości znajdują się najwyŝsze pod względem wartości poziomów ciśnienia akustycznego składowe widma. JeŜeli dominować będą składowe z zakresie niskich częstotliwości (oktawy o częstotliwościach środkowych do ok Hz) będziemy mówili o hałasie niskoczęstotliwościowym. MoŜna przyjąć Ŝe dominacja składowych w paśmie od ok. 500 do ok 4000 Hz czyli w paśmie najlepiej percypowanym przez narząd słuchu człowieka moŝe świadczyć, Ŝe mamy do czynienia z hałasem średnioczęstotliwościowym. Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 4/6

5 Przyjmijmy równieŝ, Ŝe w przypadku hałasu o dominujących składowych i w paśmie powyŝej 4000 Hz moŝe będziemy mówili, Ŝe hałas ma charakter wysokoczęstotliwościowy.moŝe się zdarzyć, Ŝe w widmie dominować będzie kilka sąsiadujących ze składowych widma. W tym przypadku będziemy mówili, Ŝe hałas ma postać szumu pasmowego w zakresie częstotliwości gdzie składowe te dominują. MoŜe się zdarzyć, Ŝe jedna ze składowych widma oktawowego będzie wyŝsza od pozostałych składowych o minimum 5 db. W takim przypadku hałas emitowany przez źródło będziemy odbierali nie jako szum lecz hałas z wyraźnie słyszalną składową jednym tonem (lub składowymi) o częstotliwości zawierającej się paśmie częstotliwości, w którym to lokalne maksimum wystąpiło. W tym przypadku będziemy mówili o hałasie z dominująca składową tonalną w danym paśmie częstotliwości. Ocena jakościowa hałasu emitowanego przez maszynę urządzenie pod kątem jego uciąŝliwości dla człowieka Dla tego rodzaju oceny naleŝy w pierwszej kolejności zastanowić się jak hałas będzie subiektywnie odbierany przez nasz narząd słuchu. Jest rzeczą oczywistą, Ŝe ten typ oceny naleŝy przeprowadzić na podstawie widma oktawowego z korekcją częstotliwościową A, uwzględniającą specyfikę narządu słuchu i percepcję dźwięków przez człowieka. W tym celu oceń, w jakim paśmie częstotliwości widma korygowanego znajdują się składowe o najwyŝszych poziomach ciśnienia akustycznego. W tych właśnie pasmach hałas emitowany przez źródło będzie przez nas najlepiej słyszalny i prawdopodobnie najbardziej uciąŝliwy. Warto równieŝ porównać skład widmowy hałasu bez korekcji i z korekcją A. Na podstawie porównania moŝna wyciągnąć, które składowe hałasu są bardziej czy mniej istotne z punktu widzenia percepcji i uciąŝliwości hałasu. Podobnie jak dla widma nie korygowanego moŝemy przeprowadzić ocenę jakościową hałasu na podstawie widm po korekcji A. Da to nam pogląd jak hałas będzie subiektywnie odbierany przez człowieka jako np.: nisko, średnio czy wysokoczęstotliwościowy częstotliwościowy, pasmowy czy teŝ tonalny. MoŜe się okazać, Ŝe w tym przypadku zupełnie inaczej zakwalifikujesz hałas. Zastanów się czy, i w jakim stopniu charakterystyka A zmieniła klasyfikacje jakościową hałasu. JeŜeli tak to zastanów się, z czego to wynika. Określenie właściwości ekranu akustycznego dla danej maszyny i ocena skuteczności zastosowanego rozwiązania. Dla danego źródła hałasu moŝna równieŝ określić działania techniczne pozwalające redukcję hałasu np. poprzez zastosowanie osłon lub ekranów akustycznych. Na podstawie analizy widm korygowanych spróbuj określić właściwości np. ekranu akustycznego. Określ, w jakich pasmach częstotliwości powinien on skuteczniej izolować lub absorbować dźwięki, aby zmniejszyć uciąŝliwość hałasu. Skonfrontuj oczekiwania, co do właściwości powinien posiadać ekran akustyczny z charakterystyką uzyskaną dla stosowanej w eksperymencie przegrody. Charakterystyka ukazująca skuteczność izolacji dźwięków w poszczególnych pasmach oktawowych została wyznaczona eksperymentalnie, patrz punkt 3 raportu wykres c. Charakterystyka ta zawiera informację o zmianie poziomu ciśnienia akustycznego (zazwyczaj obniŝeniu poziomu ciśnienia akustycznego) w poszczególnych pasmach częstotliwości dla konkretnej konfiguracji usytuowania ekranu i parametrów akustycznych pomieszczenia laboratorium. Oceń czy zastosowany w ramach ćwiczenia ekran akustyczny będzie spełniał swoje zadanie. Przyjrzyj się równieŝ efektom redukcji hałasu uzyskanym w wyniku zastosowania ekranu akustycznego (przegrody). Pomocne będzie przeanalizowanie widm punkcie 3 raportu zamieszczonych na rysunkach a i b. Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 5/6

6 Globalna (ogólna) ocena ilościowa hałasu Ocenę ilościową przeprowadzamy w oparciu o porównanie: - wartości poziomów ciśnienia akustycznego L Lin wyznaczonego dla całego analizowanego pasma od 20 Hz do 20 khz, - wartości poziomów dźwięku A. Ocena powinna dotyczyć dwóch aspektów - Oceny hałasu emitowanego przez źródło (na podstawie wyników uzyskanych z pomiarów bez ekranu). Porównaj czy i o ile db róŝni się liniowy poziom dźwięku od poziom dźwięku A emitowany przez źródło. Zastanów się, z czego wynika ta róŝnica (pomocne będzie porównanie widm bez i z korekcją). - Oceny skuteczność redukcji hałasu uzyskanej w wyniku zastosowania ekranu akustycznego. Ocenę przeprowadź na podstawie porównania wartości poziomu dźwięku A dla przypadku pomiarów realizowanych bez i z przegrodą /ekranem akustycznym. LITERATURA: Cempel C. Wibroakustyka Stosowana.( e-skrypt - zamieszczony w internecie) Engel Z., Ochrona środowiska przed drganiami i hałasem PWN Warszawa PYTANIA KONTROLNE: 1. Co to jest dźwięk, a co to jest hałas? 2. Opisz charakterystyki częstotliwościowe stosowane w miernikach dźwięku. Do czego one słuŝą,? Narysuj charakterystykę częstotliwościową A.(pamiętaj o oznaczeniu osi wykresu i naniesieniu skali). 3. Wyjaśnij na czym polega analiza widmowa o stałej szerokości pasma i stałej względnej szerokości pasma. Zamieść stosowne wzory i rysunki 4. Na czym polega analiza widmowa oktawowa i tercjowa. Jaki jest cel stosowania, obszar zastosowań tego typu analizy. Narysuj przykładową postać widma oktawowego z oznaczeniem i opisem osi. 5. W jaki sposób na podstawie widma oktawowe dźwięku moŝna wyznaczyć: liniowy poziom dźwięku oraz poziom dźwięku A. Zamieść odpowiednie wzory z opisem oznaczeń. 6. Opisz metody tworzenia widma oktawowego. Roman Barczewski 2007 PWSZ_pbwa_I02m 6/6