Wykład 5 5. Układy do pomiarów i analizy parametrów drgań i hałasu 5.1. Wprowadzenie Dokładna znajomość parametrów drgań i hałasu występujących w środowisku pracy i życia człowieka stanowi podstawę oceny zagrożenia drganiami i hałasem, a także podstawę wszelkich poczynań mających na celu ochronę środowiska przed tego typu zanieczyszczeniami". Wyznaczenie fizycznych parametrów sygnału wibroakustycznego na drodze pomiarowej pozwala określić ich wpływ na cechy psychofizjologiczne człowieka przebywającego w określonym miejscu środowiska. Z drugiej strony sygnał wibroakustyczny jest bogatym nośnikiem informacji o stanie technicznym urządzeń i maszyn znajdujących się w zakładach pracy, mieszkaniach itp. W pierwszym przypadku określa się stopień szkodliwości drgań lub hałasu, negatywny wpływ na organizm, środowisko, maszyny, urządzenia, konstrukcje. Podaje się również sposoby zabezpieczenia przed tymi skutkami. W drugim zmierzony sygnał jest przedmiotem specjalnej obróbki", na podstawie której podaje się diagnozę o stanie badanego obiektu. Drgania odznaczają się trzema związanymi między sobą wielkościami: przesunięciem, prędkością i przyspieszeniem. Ponieważ te trzy wielkości są ze sobą matematycznie powiązane, wybór jednej z tych wielkości jest tylko kwestią wygody. W praktyce drgania są złożonymi ruchami okresowymi składającymi się z wielu podstawowych przebiegów harmonicznych. Z tego powodu wykres przemieszczenia w zależności od czasu nie jest wystarczający dla określenia ilości, charakteru i częstotliwości składowych. 1
Rozkładanie złożonego przebiegu ruchu drgającego na drgania składowe i znajdowanie składników częstotliwości nazywamy analizą częstotliwości. Przebieg amplitudy w zależności od częstotliwości nazywamy widmem amplitudowym lub spektrum częstotliwości. Często do ilościowego opisu drgań posługujemy się wielkością zwaną amplitudą (drgań, prędkości, przyspieszenia). Stosuje się też pojęcie wartości szczytowej, wartości średniej oraz średniej wartości skutecznej. Wartość średnia danego sygnału a(t) zdefiniowana jest wyrażeniem: T A śr = 1 T 2 0 a dt
gdzie T okres drgań. Natomiast średnia wartość skuteczna A RMS (ang. Root Mean Sąuare), nazywana niekiedy średniokwadratową wartością", określona jest wzorem: T 1 2 ARMS = a () t dt T 0 Najlepiej charakteryzuje drgania średnia wartość skuteczna, gdyż uwzględnia ona zarówno historię czasową przebiegu jak również informację o wartości amplitudy. Dla przebiegów sinusoidalnych stosuje się niekiedy pojęcie wartości szczyt-szczyt. Wartość ta na rysunku odpowiada odległości od maksimum funkcji przebiegu drgań do minimum. Dla sygnału symetrycznego, np. drgań harmonicznych, jest ona większa dwukrotnie od wartości szczytowej. Pomiędzy trzema omówionymi wielkościami zachodzi związek, który może być przedstawiony w postaci: 1 Aśr = Aszcz A = F RMS F f gdzie F f jest współczynnikiem kształtu, F szcz współczynnikiem szczytu; dla przebiegów sinusoidalnych współczynniki te są równe = π = 1, 11 F f F szcz = szcz 2 = 1, 41 2 2 W teorii drgań mechanicznych i akustycznych, ze względu na szeroki zakres mierzonych amplitud drgań oraz częstotliwości, posługujemy się często skalą logarytmiczną. Skala ta powoduje rozszerzenie zakresu niskich częstotliwości, a zagęszczenie wysokich. Stosowany w tej skali decybel (db) wyraża się następującym wzorem: 3
gdzie N jest liczbą decybeli, A poziomem mierzonym, A 0 poziomem odniesienia (por. tabela poniżej). Poziom dźwięku jest to korygowana (ważona) wartość poziomu ciśnienia akustycznego rozpatrywanego dźwięku, otrzymana za pomocą miernika dźwięku, o umownie przyjętych charakterystykach ważenia. Znając poziom L fi ciśnienia akustycznego w pomieszczeniu dla poszczególnych pasm częstotliwości, można obliczyć poziom dźwięku L A na podstawie wyrażenia: L A = 10log n i= 1 10 ( L + K ) f i A i / 10 db 4
gdzie L fi jest poziomem ciśnienia akustycznego w paśmie częstotliwości f i w db, n liczbą pasm częstotliwości, K Ai poprawką dla częstotliwości f i podaną w tablicy poniżej, gdzie poprawki korekcyjne podano według charakterystyki A dla i-tego pasma częstotliwości o danej częstotliwości środkowej f. 5
Skorygowany poziom mocy akustycznej określony jest wyrażeniem: L NA = 10 n i = 1 10 ( L + K ) gdzie L Ni jest poziomem mocy akustycznej w i-tym paśmie częstotliwości w db, K Ai poprawką dla częstotliwości f i podaną w tablicy powyżej, n liczbą pasm częstotliwości. Równoważny poziom dźwięku. Zróżnicowana reakcja narządu słuchu na hałas o poziomie zmiennym w czasie spowodowała wprowadzenie pojęcia poziomu równoważnego dźwięku (ekwiwalentnego). Dla hałasu zmiennego w czasie wartość poziomu ciśnienia akustycznego musi być okresowo próbkowana w dokładnie określonych przedziałach czasu, zwanych czasem próbkowania. W wyniku tych pomiarów wyznacza się pojedynczą wartość zwaną równoważnym (ekwiwalentnym) poziomem dźwięku. Równoważny poziom dźwięku wyraża to samo potencjalne ryzyko uszkodzenia narządu słuchu co zmierzony hałas o zmiennym poziomie. Stosuje się wyznaczenie równoważnego poziomu dźwięku według charakterystyk np. A. Poziom równoważny wyraża się wzorem: t 2 1 p = A( t ) Leq 10log dt t 0 p0 gdzie t jest całkowitym czasem pomiaru w s, p A (t) chwilową wartością ciśnienia akustycznego skorygowanego charakterystyką A w Pa, p 0 ciśnieniem odniesienia w Pa. W badaniach praktycznych dla wyznaczenia równoważnego poziomu dźwięku podaje się poziomy ciśnienia akustycznego, a nie ich wartości, obliczane ze wzoru q 1 n ( 0, 3L ) Am q Aeq = i i / L log t 10 db 0, 3 t i= 1 6 N i A i / 10 db
gdzie: t jest czasem oceny w s, L Ami średnim poziomem dźwięku A w przedziale czasu t t, w którym hałas uznać można za ustalony, n liczbą odcinków czasowych t i, q współczynnikiem zależnym od charakteru hałasu (q = 4 dla hałasów komunikacyjnych, q = 3 dla innych hałasów). W przypadku stosowania analizy statystycznej równoważny poziom dźwięku wyznacza się z wyrażenia: q 1 n ( 0, 3L ) A q Aeq = i i / L log n 10 db 0, 3 N i= 1 gdzie: L Ai jest średnim poziomem dźwięku A w i-tym przedziale poziomów, n liczbą przedziałów poziomu hałasu, N całkowitą liczbą odczytów poziomu dźwięku L Ai. w czasie, dla którego N n i wyznacza się równoważny poziom L Aeq, przy czym i = 1, a n i jest liczbą odczytów poziomu dźwięku A w i-tym przedziale poziomów. Ostatnie dwa wzory zgodnie z PN-87/B-02156 mają postać: = n Średni poziom dźwięku A obliczamy z wyrażenia: gdzie L Ai jest poziomem dźwięku A występującym w danej chwili w db, n liczbą określonych poziomów dźwięku A w czasie obserwacji w danym punkcie. Przy badaniu parametrów drgań i hałasu mierzone mogą być różne wielkości w zależności od celu badań doświadczalnych, 7
posiadanej aparatury itp. Mierzy się przemieszczenie drgań, prędkość drgań, przyspieszenie, poziom ciśnienia akustycznego, siły itd. Wybór wielkości mierzonej jest szczególnie ważny przy przeprowadzaniu pomiarów w szerokim paśmie częstotliwości, gdy sygnał wibroakustyczny ma składowe o różnych częstotliwościach. Dla przykładu można podać, że przy pomiarach drgań pomiar przemieszczenia uwypukla składowe o niskich częstotliwościach, natomiast przy pomiarze przyspieszeń uwypuklone zostaną składowe o wysokich częstotliwościach. Podstawowy układ do pomiarów i analizy procesów wibroakustycznych przedstawia się następująco: Układ taki składa się z przetworników, które mają za zadanie przetworzenie mierzonej wielkości fizykalnej w odpowiedni sygnał elektryczny. Sygnały elektryczne uzyskane z przetworników są na ogół słabe (niskonapięciowe). Z tego względu stosuje się układy dopasowujące, których zadaniem jest zapewnienie właściwych warunków pracy dla przetwornika, oraz wzmocnienia sygnału do poziomu niezbędnego do dalszej obróbki. Właściwe przetwarzanie informacji odbywa się w procesorze. Procesor spełnia kilka zadań. Między innymi podaje wartość szczytową (A SZCZ ), wartość średnią (A śr ), średnią wartość skuteczną 8
(A RMS ). Procesor przeprowadza analizę częstotliwościową procesu, czyli wyznacza ocenę funkcyjną procesu w postaci jego widma. Dane uzyskane z informacji przetworzonych przez procesor mogą mieć charakter liczbowy lub funkcyjny. Dane te obserwujemy lub rejestrujemy na różnego typu przyrządach oscyloskopowych, wskaźnikach analogowych lub cyfrowych rejestratorach poziomów, rejestratorach X-Y, magnetofonach pomiarowych itp. Na temat budowy i działania przetworników układów pośredniczących, procesorów sygnałów itp. istnieje bogata literatura specjalistyczna. 5.2. Przetworniki Przetworniki mają za zadanie przetworzenie mierzonej wielkości fizykalnej w odpowiedni sygnał elektryczny. W rozpatrywanym przypadku przetworniki służyć będą do pomiaru 9
przemieszczeń, prędkości, przyspieszenia oraz ciśnienia akustycznego. Przetworniki przetwarzają więc pewne informacje na wejściu na pewne informacje na wyjściu. Przetwornik przekształcać może drgania mechaniczne w inne drgania mechaniczne lub drgania elektryczne. Przetworniki można podzielić na dwie grupy: na przetworniki czynne i przetworniki bierne. Przetworniki bierne pobierają energię z osobnego źródła, a nie z badanego obiektu. Przetworniki czynne nie wymagają oddzielnego źródła zasilania. Do przetworników biernych zaliczymy przetworniki pojemnościowe, przetworniki indukcyjne, a do przetworników czynnych przetworniki elektromagnetyczne, przetworniki elektro dynamiczne, przetworniki piezoelektryczne. Przetworniki odznaczają się pewnymi wielkościami, do których zaliczyć można: 1) ciężar i wymiary, 2) zakres dynamiczny, 3) zakres częstotliwości, 4) czułość, 5) odporność na wpływ otoczenia a) temperaturę, b) drgania poprzeczne, c) piezoelektryczność, d) odkształcenia podstawy, e) tryboelektryczny hałas kablowy, f) pole magnetyczne, g) ciśnienie akustyczne, h) wilgotność, i) promieniowanie; 6) liniowość, 7) stabilność, 8) odporność na korozję. 10
Wymienione dane charakteryzujące przetworniki nie zawsze są ze sobą zgodne, np. zakres dynamiczny, zakres częstotliwości oraz czułość dobrane powinny być na zasadzie pewnego kompromisu, ponieważ duża czułość przetwornika wymaga dużej masy, co następnie powoduje niską częstotliwość rezonansu. Zakres dynamiczny ograniczony jest od góry przez mechaniczną wytrzymałość przetwornika, a od dołu przez kombinację szumów wzmacniacza i przetwornika wytwarzanych na skutek wpływu środowiska. Przetwornik pojemnościowy przetwarza przemieszczenie liniowe lub kątowe na zmiany pojemności kondensatora, który jest podstawowym elementem przetwornika. Przetworniki pojemnościowe cechują się prostą budową i wygodą w stosowaniu. Pracują one w układach pomiarowych zasilanych napięciem zmiennym, działającym na zasadzie modulacji amplitudy lub częstotliwości napięcia wejściowego. Do wad tego typu przetworników zaliczyć należy wpływ pojemności kabla łączącego przetwornik z innymi elementami układu pomiarowego. Inną wadą jest konieczność stosowania wzmacniaczy o bardzo dużej oporności wejściowej. Przetworniki indukcyjne mogą być przetwornikami generującymi czynnymi oraz indukcyjnymi parametrycznymi biernymi. Do przetworników indukcyjnych generujących zaliczamy przetworniki elektrodynamiczne i elektromagnetyczne. Przetworniki elektrodynamiczne służyć mogą do pomiarów przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń badanego obiektu względem określonego układu odniesienia. 11
Schemat przetwornika elektromagnetycznego firmy Bruel- Kjaer typu MM0002 przedstawiono na rysunku poniżej. Przetwornik tego typu może pracować w temperaturze do 250 C. Przetworniki indukcyjne elektromagnetyczne działają na zasadzie wykorzystania zjawiska rozgałęzienia strumienia magnetycznego, powstałego na skutek zmiany położenia w obwodzie strumienia magnetycznego ciała ferromagnetycznego. Obok przetworników indukcyjnych czynnych spotykamy przetworniki indukcyjne bierne parametryczne. Przetworniki indukcyjne parametryczne dzielimy na grupy: przetworniki ze zmienną szczeliną powietrzną (dławikowe) i przesuwnym rdzeniem oraz przetworniki indukcyjne transformatorowe. Wadą tego typu przetworników jest działanie stosunkowo dużej siły elektromechanicznej przyciągającej zworę do rdzenia elektromagnesu. Do pomiarów precyzyjnych stosuje się przetworniki transformatorowe. Do pomiarów przyspieszeń mogą być stosowane przetworniki piezoelektryczne. Zasada ich działania polega na wykorzystaniu właściwości pewnych materiałów polegającej na tym, że 12
wytwarzają one prąd elektryczny w momencie działania naprężeń mechanicznych. Omówioną właściwość mają pewne monokrystaliczne materiały, jak turmalin, kwarc, sól Rochelle'a, sól Seignetta. W chwili obecnej naturalne kryształy zostały zastąpione polikrystalicznymi, sztucznie spolaryzowanymi wyrobami ceramicznymi (np. tytanian baru, ołowian cyrkonowotytanowy, metanioban ołowiu). Czynnikiem wpływającym na jakość przetworników piezoelektrycznych są: punkt Curie, czułość i stabilność termiczna. Górną granicą przenoszonego pasma jest częstotliwość drgań własnych czujnika. O dolnej częstotliwości granicznej decydują parametry elektryczne czujnika oraz urządzeń bezpośrednio do niego dołączonych, takich jak kabel łączący i układ wejściowy wzmacniacza. Piezoelektryczny czujnik przyspieszeń Charakterystykę częstotliwościową tego czujnika pokazano na następnym rysunku. 13
W laboratoriach stosowane są przeważnie czujniki przyspieszenia firmy Bruel-Kjaer. Użytkownik musi dokonać wyboru czujnika do realizacji konkretnego celu, doboru kabla łączącego, sposobu zamocowania itp. W idealnym przypadku chcielibyśmy dysponować czujnikiem o dużej czułości, szerokim zakresie częstotliwości pomiarowej i bardzo małej masie. Wymaganie dużej czułości pozostaje w sprzeczności z wymaganiem małej masy i szerokiego zakresu częstotliwości. Dlatego musi być znaleziony pewien kompromis, który uzyskamy stosując się do pewnych zasad, a mianowicie: 1) ciężar czujnika powinien być co najmniej 10 razy mniejszy cd ciężaru badanego obiektu, na którym czujnik jest mocowany; 2) należy oszacować w przybliżeniu, w jakim zakresie częstotliwości chcemy wykonywać pomiary i sprawdzić, czy zakres ten leży wewnątrz użytecznego zakresu częstotliwości czujnika; 3) należy upewnić się, że dynamiczny zakres czujnika jest odpowiedni do pomiarów, które chcemy wykonać; 4) należy sprawdzić, czy temperatura, w której chcemy wykonywać pomiary, nie przekracza dopuszczalnej temperatury czujnika (pamiętać musimy, że przegrzanie materiału piezoelektrycznego spowoduje jego depolaryzację i w rezultacie utratę czułości); 14
5) rozważyć należy wszystkie warunki, w których będzie pracował czujnik (wilgotność, pole magnetyczne, promieniowanie itp.), i ocenić, czy czujnik może w tych warunkach pracować. Istotnym problemem jest mocowanie czujnika na mierzonym obiekcie, gdyż dokładność wyników pomiaru zależy od metody zamocowania czujnika przyspieszeń w punkcie pomiarowym. Niewłaściwe zamocowanie (luźne) prowadzi do obniżenia częstotliwości drgań własnych czujnika, co jest równoznaczne ze zmniejszeniem zakresu użytecznego częstotliwości czujnika. Poniżej podano niektóre sposoby mocowania czujników. Optymalnym sposobem jest zamocowanie czujnika za pomocą wkrętów. Powierzchnia mocowania powinna być czysta i posmarowana cienką warstwą smaru. Otwór gwintowany powinien być na tyle głęboki, aby gwintowany korek nie działał z dodatkową siłą na czujnik. Na rysunku b) przedstawiono czujnik zamocowany za pomocą izolowanego wkrętu. Gdy nie można nawiercić otworów do mocowania, czujnik przykleja się za pomocą wosku pszczelego (rys. poniżej). 15
Można również stosować do przyklejania cement dentystyczny z żywic epoksydowych lub klej cyjanoakrylowy. Jeżeli punkt pomiarowy znajduje się na płaskiej powierzchni magnetycznej, do mocowania można użyć magnesu stałego. Metoda ta redukuje zakres częstotliwości pomiarów do 2 khz. Zależnie od wymiarów czujnika, magnes wytrzymuje przyspieszenia nawet 2000 m/s 2. Niekiedy przy pomiarach wstępnych, nie wymagających dużej dokładności, stosuje się ręczną sondę z czujnikiem umieszczonym na szczycie. Tego typu pomiary nie powinny być stosowane przy drganiach o częstotliwościach ok. 1000 Hz. Na charakterystykę czujnika wpływ ma kabel łączący. Zarówno rezystancja izolacji jak i pojemność kabla wchodzą w układ zastępczy toru pomiarowego. Wysokie wymagania stawiane izolacji oraz możliwie mała pojemność ograniczają długość przewodu. Zwykle długość przewodu nie przekracza l m. Nie wolno zapomnieć, że ciężar przewodu wpływa na ciężar czujnika. Czujniki 16
piezoelektryczne są urządzeniami o dużej impedancji. Dlatego ruchy kabla, jego zginanie, ściskanie lub rozciąganie powodują wzrost lokalnych zmian pojemności, co z kolei powoduje zakłócenia pracy czujnika, szczególnie w niskich częstotliwościach. Z tego powodu konieczne jest odpowiednie zamocowanie kabla do drgającego obiektu, uniemożliwiające ruch względny przewodu. dobrze Jeszcze jednym ważnym elementem stosowania czujników przyspieszeń jest określenie osi maksymalnej czułości. Gdy czujnik wykonany jest w kształcie walca, zwykle oś ta pokrywa się z główną osią geometryczną czujnika. Spotyka się jednak czujniki o kształcie prostopadłościanu lub innym, wówczas oś maksymalnej czułości jest prostą prostopadłą do płaszczyzny mocowania, w której znajduje się nagwintowany otwór, przeznaczony do przykręcenia czujnika do drgającej powierzchni. Kierunek prostopadły do osi maksymalnej czułości w płaszczyźnie zamocowania czujnika wykazuje znacznie mniejszą czułość, zwykle nie przekraczającą 3%. Na niektórych typach czujników czerwonym punktem zaznaczono kierunek czułości minimalnej, 17
określony z właściwości kierunkowych elementów piezoelektrycznych. 5.3. Mikrofony Do pomiarów ciśnienia akustycznego stosowane są przetworniki elektroakustyczne mikrofony. Mikrofon jest więc przetwornikiem przetwarzającym energii akustyczną na elektryczną. Od mikrofonów pomiarowych wymagane są odpowiednie właściwości, zatem nie wszystkie używane mikrofony mogą być zastosowane do celów pomiarowych. Na mikrofony pomiarowe nakładany jest warunek wierności odwzorcowania elektrycznego sygnału akustycznego w dużym zakresie. Współczesne mikrofony reagują na różnice ciśnień po obydwu stronach membrany, którą można uzyskać przez utrzymanie stałego ciśnienia po jednej stronie membrany i w ten sposób mierzyć ciśnienie fali akustycznej. Mikrofony pomiarowe podzielić można na pojemnościowe, dynamiczne, piezoelektryczne i elektretowe. W chwili obecnej najczęściej stosowany do pomiarów jest mikrofon pojemnościowy. Na rysunku pokazano schemat tego typu mikrofonu. Mikrofon pojemnościowy zbudowany jest w postaci kondensatora, którego jedną okładziną jest membrana, drugą zaś sztywna płyta tylna. Membrana jest odizolowana od płyty tylnej. Zmiany ciśnienia spowodowane falami akustycznymi powodują przemieszczenie membrany i przez to zmieniają pojemność kondensatora. Do 18
okładek kondensatora przyłożone jest napięcie polaryzujące w celu wytworzenia na jego okładkach stałego ładunku. W wyniku tego przy drganiach membrany generuje się w mikrofonie zmienne napięcie. Konstrukcja mikrofonu umożliwia uzyskanie zmiennego napięcia wyjściowego, proporcjonalnego do ciśnienia fali akustycznej w szerokim paśmie częstotliwości i dużym zakresie dynamicznym. Na rysunkach pokazano praktyczne rozwiązanie konstrukcyjne mikrofonu pojemnościowego firmy Bruel-Kjaer oraz równoważny obwód takiego mikrofonu. Na ograniczenie przenoszenia wysokich częstotliwości przez mikrofon pojemnościowy wpływają również takie czynniki jak 19
mechaniczne tłumienie ruchu membrany wielkość masy membrany oraz zjawisko interferencji i dyfrakcji, gdy średnica mikrofonu ma wartość tego samego rzędu co długość fali akustycznej. Sprawność przetwarzania mikrofonu określana jest jego skutecznością. Skuteczność mikrofonu jest to iloraz napięcia na wyjściu (na nie obciążonych zaciskach wyjściowych) i wartości ciśnienia akustycznego na wejściu (działającego na membranę). Skuteczność ciśnieniowa mikrofonu określana jest wyrażeniem: U S p = p V/Pa gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na wyjściu w V, p wartością skuteczną ciśnienia akustycznego w Pa. Skuteczność w polu fali swobodnej określona jest wyrażeniem U S f = p s V/Pa gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na wyjściu w V, p s wartością skuteczną ciśnienia akustycznego występującą w polu swobodnym w miejscu umieszczenia mikrofonu, zanim umieszczony został tam mikrofon, w Pa. Niekiedy wytwórcy mikrofonów podają tzw. znamionową skuteczność mikrofonu, przez co rozumie się skuteczność mikrofonu w swobodnym polu akustycznym przy padaniu fal dźwiękowych o częstotliwości 1000 Hz w kierunku osi odniesienia. Natomiast charakterystyka skuteczności mikrofonu podaje przebieg skuteczności w zależności od częstotliwości przy stałej wartości pobudzającego ciśnienia akustycznego.. 20
Istnieją dwa rozwiązania konstrukcyjne mikrofonów: mikrofony ciśnieniowe, mikrofony do pomiarów w polu swobodnym (typu pola swobodnego). Charakterystykę mikrofonu do pomiarów w polu swobodnym przedstawiono na rysunku. Mikrofony ciśnieniowe stosuje się przy pomiarach w obszarach zamkniętych, a także przy pomiarach specjalnych, np. w ścianie kanału wentylacyjnego. Mikrofony te mają płaską charakterystykę ciśnieniową skuteczności w zakresie wysokich częstotliwości. Mikrofony do pomiarów w polu swobodnym stosuje się powszechnie przy pomiarach hałasu. Mają one rozwiązanie konstrukcyjne zapewniające tłumienie drgań rezonansowych membrany oraz kompensację wpływu kąta padania fali na membranę. Charakterystyka kierunkowości mikrofonu jest to zależność skuteczności mikrofonu przy danej częstotliwości od kąta, pod jakim pada fala dźwiękowa. Charakterystyka kierunkowości przedstawiona jest zwykle w układzie o współrzędnych biegunowych. W zależności od charakterystyki kierunkowości rozróżnia się mikrofony: bezkierunkowe lub wszechkierunkowe (kołowy), dwukierunkowe (ósemkowy), jednokierunkowe (kardioida), jednokierunkowe (superkardioida). Przy pomiarach hałasów stosuje się mikrofony bezkierunkowe, nie mające uprzywilejowanego kierunku odbioru 21
fal. W pomiarach mających na celu lokalizację źródeł dźwięków stosuje się mikrofony o podwyższonej kierunkowości. Zakresy dynamiczne mikrofonów podają dolną granicę zakresu, przez co rozumie się poziom szumu elektrycznego przedwzmacniacza (czasami również zaburzenia termiczne w membranie), oraz górną granicę zakresu dynamicznego, zależną od wartości dopuszczalnych zniekształceń nieliniowych spowodowanych zakłóceniami właściwości sprężystych membrany. Mikrofony elektretowe są pewną odmianą mikrofonów pojemnościowych. Elektretami nazywamy dielektryki, które spolaryzowane silnym polem elektrycznym zachowują trwale wytworzone ładunki elektryczne. Do materiałów stosowanych na elektrety zalicza się m.in. polimetaksylan metylu, polioctan winylu. Zasadniczym elementem tego typu mikrofonu jest membrana z elektretu powlekanego metalem. Zastosowanie elektretu eliminuje konieczność stosowania zewnętrznego źródła napięcia stałego, ułatwiając konstrukcję przedwzmacniacza. Mikrofonami piezoelektrycznymi nazywamy mikrofony wykorzystujące do przetwarzania energii akustycznej na elektryczną zjawisko piezoelektryczne omówione uprzednio. Mikrofony tego typu odznaczają się dużą pojemnością elementu piezoelektrycznego, dlatego mniejszy jest wpływ kabla łączącego. Dodatkowe wyposażenie mikrofonów. W wielu przypadkach wykonuje się pomiary w zmiennych warunkach. Z tych powodów firmy produkujące urządzenia pomiarowe zalecają używanie dodatkowych urządzeń jak osłon przeciwwietrznych, stożków przeciwwietrznych, osłon przeciwdeszczowych lub korektorów. Osłony przeciwwietrzne redukują szumy wiatru podczas pomiarów na wolnym powietrzu. 22
Podczas pomiarów wewnątrz przewodów powietrznych stosuje się stożki zastępujące siatkę ochronną i redukujące szumy przepływu. Korektory nadają mikrofonom do pomiarów w polu swobodnym charakterystykę kierunkową zbliżoną do kulistej. Korektor używany jest do pomiarów w polu rozproszonym. Na rysunku pokazano dodatkowe wyposażenie mikrofonów. 5.4. Układu pośredniczące W układach pomiarowych obok omówionych uprzednio przetworników stosowane muszą być pewne układy zasilające, układy dopasowujące, a także układy różniczkujące i całkujące. Sygnały uzyskane z przetworników mają małą moc, muszą być więc stosowane wzmacniacze, których zadaniem jest zwiększenie mocy przez zwiększenie napięcia lub natężenia prądu. 23
5.5. Procesory sygnałów Podstawowym zadaniem procesora sygnałów jest przetwarzanie sygnałów i in. formacji w nich zawartych. Procesor jest jednym urządzeniem lub składa się z kilku przyrządów, np. mierników wartości szczytowej, wszelkiego rodzaju analizatorów, korelatorów itp., połączonych z komputerem. Zasada pracy procesorów jest analogowa, cyfrowa lub hybrydowa. W badaniach wibroakustycznych ważna jest analiza częstotliwości, którą można podzielić na dwie grupy: 1) analiza poziomu widma, 2) analiza widmowa gęstości mocy. Obie metody badają dane pomiarów uzyskane w szerokim zakresie częstotliwości za pomocą przestrajalnego filtru lub zestawu filtrów i mierzą przy różnych częstotliwościach poziom sygnału po przejściu przez filtr. Metody te różnią się tym, że w pierwszym przypadku mierzymy skuteczny poziom widma sygnału, a przy analizie widmowej gęstości analizator mierzy średnią kwadratową poziomu widma. Przez analizę widmową rozumiemy podział złożonego sygnału na taką najmniejszą liczbę pasm częstotliwości, która daje wymagane informacje. Sygnał rozkładamy na jak najmniejszą liczbę pasm, ponieważ przez zwiększenie liczby pasm rośnie czas potrzebny do przeprowadzenia analizy, a ocena i zestawienie rezultatów będą wówczas trudniejsze. Do wyboru mamy dwa typy analiz: A. Analiza przy stałej procentowej szerokości pasma, która może być: oktawowa, tercjowa (1/3-oktawowa), wąskopasmowa (stała procentowa szerokość pasma wynosi 6%). B. Analiza przy stałej szerokości pasma, która może być: 24
szerokopasmowa (liniowa lub z korekcją filtrów A, B, C lub D), wąskopasmowa (np. 3, 16 Hz). Do analizy stosowane są przyrządy zwane analizatorami. Analizatory podzielić możemy na grupy; jedna z nich to filtry o stałej procentowej szerokości pasma. Przykładem takich filtrów są filtry oktawowe, 1/3-oktawowe, filtry strojone". Przystępując do badań, podjąć musimy decyzję dotyczącą wyboru odpowiedniego filtru lub zestawu filtrów dla konkretnego przypadku. Chodzi bowiem o to, aby analizator był zdolny do rozdziału częstotliwości rezonansu lub rozróżnienia rezonansów otaczających, tak aby było można zidentyfikować źródło powstawania rezonansu Charakterystyczną cechą filtrów konieczną dla ich porównawczej oceny są: 1) szerokość pasma filtru, 2) selektywność. Przez szerokość pasma rozumiemy różnicę pomiędzy częstotliwościami, przy których tłumienie wynosi 3 db. Trzy decybele tłumienia częstotliwości są to punkty, w których filtr redukuje energię do połowy poziomu wejściowego. Filtry 25
stałoprocentowe" przystosowane są do selektywnego odbioru sygnałów przez wytłumienie jednej oktawy lub więcej oktaw od częstotliwości środkowej filtru. Do analizy sygnałów wibroakustycznych mogą być stosowane analizatory częstotliwości (real time) o stałej szerokości pasm w pasmach od oktawy do 1/24 oktawy. Dla przykładu w analizatorze częstotliwości Bruel-Kjaer 2123 zastosowano filtry cyfrowe, które umożliwiają analizę w czasie rzeczywistym sygnałów o częstotliwości do 22,4 khz. Zapamiętane sygnały czasowe mogą być analizowane fragmentarycznie. Analizatory te mają dużą pamięć buforową, mogącą pomieścić do 1000 widm tercjowych. Przy pracy wielowidmowej (multispectra) analizator wykonuje operacje na macierzy widm, co ułatwia rejestrację danych. Stosowane są również cyfrowe, wąskopasmowe analizatory do szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Analizatory te produkcji Briiel-Kjaer dzielą się na dwie grupy: na jednokanałowe, przeznaczone do analizy sygnałów ciągłych i przypadkowych, oraz na dwukanałowe do analizy zjawisk fizycznych (pomiar siły wymuszającej odpowiedź układu). Wynik analizy w tego typu analizatorze przedstawiony jest w postaci prążkowego widma mocy o 400 liniach. Analizator ma pamięć o pojemności 10240 próbek przebiegu czasowego, a wielokrotne zwiększenie rozdzielczości pozwala każdorazowo uzyskać widmo złożone z 4000 prążków. Zakres pracy w czasie rzeczywistym do 2 khz. Zawiera 11 podzakresów częstotliwości od 0-10 Hz do 0-20 khz. Zakres dynamiczny większy od 70 db. 26
5.6. Układy obserwacji i rejestracji Wyniki badań procesów wibroakustycznych przetworzone przez odpowiednie procesory są obserwowane lub rejestrowane. W tych badaniach informacje mają charakter liczbowy lub funkcyjny. Do obserwacji zmian sygnałów wibroakustycznych stosujemy następujące układy: 1) wskaźniki analogowe (wychyłowe) lub cyfrowe do odczytu wartości liczbowych, 2) oscyloskopy katodowe dla obserwacji zmian sygnału wibroakustycznego. W chwili obecnej stosowane są następujące sposoby rejestracji sygnałów wibroakustycznych: rejestracja analogowa, rejestracja cyfrowa. Do rejestracji analogowej zaliczamy rejestrację graficzną i magnetyczną. Rejestracja cyfrowa sygnałów wibroakustycznych stosowana jest w technice komputerowej. Sonometr cyfrowy 27