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: gdzie: e ( t) = A* F( t) (1) 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) Detektor wartości skutecznej Obliczenie poziomu [db] Wyświetlacz Regulacja zakresu Stała czasowa (F; S) Zespół mikrofonowy Miernik poziomu dźwięku 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: gdzie: L pn 20log [ db] p p = (2) p n - wartość skuteczna mierzonego ciśnienia akustycznego, [µpa]; p 0 wartość odniesienia równa 20 [µpa]; Posługiwanie się wartościami poziomów a nie bezpośrednio ciśnienia akustycznego jest podyktowane duŝą rozpiętością dynamiczną mierzonych sygnałów ( od 10-5 Pa do 10 2 Pa) rys.7. o 120 100 80 L p [db] 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 Regulacja zakresu Urządzenia we/wy 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 4 3 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 L A [db] lub L C [db] i poziomem ciśnienia akustycznego L p [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 Warunki bezodbiciowe 2 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