Измерение акустических величин

Размещено на http://www.allbest.ru/

ИЗМЕРЕНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН



Введение

Измерение акустических величин характеризуется огромным разнообразием. Чтобы дать некоторое понятие об этом разнообразии приведем некоторые классификационные признаки, характеризующие акустические измерения.

В зависимости от назначения, в первую очередь, акустические измерения можно разделить на метрологические и неметрологические. К метрологическим относятся измерения параметров самих акустических приборов и аппаратуры: поверка, калибровка, градуировка, определение параметров акустических средств измерений и другие. К неметрологическим следует отнести измерения параметров акустических полей, параметров распространения звука в различных средах, параметров акустических шумов и т.д.

В зависимости от среды, в которой проводятся измерения, различают акустические измерения в воздухе и в газах, измерения в воде (гидроакустика) и в жидких средах, измерения в твердых средах.

В зависимости от измеряемого параметра звука различают измерение звукового давления, мощности, скорости и интенсивности звука, акустического сопротивления, спектрального состава звука и многих других параметров.

В зависимости от раздела акустики измерения разделяются по ее видам: физическая акустика, музыкальная акустика, атмосферная акустика, архитектурно-строительная акустика и т.д.

Можно привести также много других классификационных признаков.

Разумеется, охватить это огромное разнообразие в одном учебном пособии просто невозможно. Поэтому ниже рассматриваются лишь некоторые характерные виды акустических измерений.



1. Измерение мощности излучателей звука

Измерения мощности излучателей звука можно разделить на две группы: 1) определение мощности электроакустических преобразователей; 2) измерение мощности источников шума.

Измерение мощности электроакустических преобразователей. Обычно для определения акустической мощности излучателей необходимо выполнять ряд вспомогательных измерений, которые сами по себе являются трудоемкими и сложными.

Одним из распространённых методов определения акустической мощности является ее расчет на основании результатов измерений звукового давления р на расстоянии r от излучателя по формуле

,

где сс - волновое сопротивление среды, в которой распространяются акустические колебания;

г - коэффициент направленности излучателя.

Метод применим только для измерений в плоской волне. Поэтому эти измерения можно проводить в дальнем поле преобразователя, где обычно волну считают плоской.

Акустическая мощность излучателя, в свою очередь связана с его электрической мощностью через к.п.д. Электроакустические излучатели, как электромеханические преобразователи энергии, характеризуются следующими к.п.д.:

а) электроакустическим к.п.д. зэа, показывающим, какая часть потребляемой излучателем электрической мощности Nэ преобразуется в полезную акустическую мощность Nа:



;

б) электромеханическим к.п.д. зэм, показывающим, какую часть потребляемой электрической мощности составляет механическая мощность Nм:

;

в) акустико-механическим к.п.д. зам, определяющим соотношение между излучаемой акустической и механической мощностями:

.

Все эти коэффициенты связаны между собой соотношением

зэа = зэм?зам .

К.п.д. излучателей является также важной характеристикой его работы.

Электрическую мощность, подводимую к излучателю, определяют с помощью ваттметра, а акустическую мощность - например, описанным выше методом.

Необходимо отметить, что акустические излучатели имеют невысокий к.п.д. Так, например, к.п.д. громкоговорителей составляет порядка (4 - 5)%, подводных электродинамических излучателей - порядка 9%, магнитострикционных резонансных - порядка (40 - 55)% и ферритовых резонансных - до (60 - 70)%.

В гидроакустических измерениях на высоких частотах широко применяют так называемый ваттметровый метод определения к.п.д. Еще один способ определения к.п.д. основан на измерении частотной характеристики модуля электрического полного сопротивления или проводимости излучателя [1].

Оба этих метода не применяются в тех случаях, когда электромеханический к.п.д. мал, так как при этом нет заметной разницы между потребляемой энергией на резонансе и вне резонанса и тогда, когда декремент затухания преобразователя в воде велик. При этом невозможно отделить электрические потери от механических.

Существуют также различные конструкции акустических ваттметров для измерения энергетических характеристик акустических полей в жидкости [1].

Измерение мощности источников шума. Выполнение измерений мощности источников шума регламентируется группой различных стандартов.

ГОСТ 12.1.024-81. ССБТ регламентирует определение шумовых характеристик источников шума в заглушенной камере точным методом.

ГОСТ 12.1.025-81. ССБТ регламентирует определение шумовых характеристик источников шума в реверберационной камере точным методом.

ГОСТ 12.1.026-81. ССБТ предписывает определение шумовых характеристик источников шума в свободном звуковом поле над звукоотражающей плоскостью техническим методом.

ГОСТ 12.1.027-81. ССБТ описывает определение шумовых характеристик источников шума в реверберационной камере техническим методом.

ГОСТ 12.1.028-81. ССБТ регламентирует определение шумовых характеристик источников шума ориентировочным методом.

ГОСТ 27243-87 описывает ориентировочный метод определения уровня звуковой мощности шума машин при помощи образцового источника звука.

Ключевые слова: измерение, мощность излучателя, акустическая мощность, электрическая мощность, механическая мощность, к.п.д., метод определения акустической мощности.

Контрольные вопросы

Как определяется акустическая мощность излучателя звука?

Что такое акустическая мощность излучателя звука?

Как определяется электроакустический к.п.д. излучателя?

Какими документами регламентируется измерение мощности источников шума?

2. Определение характеристики направленности преобразователей

С помощью характеристики направленности можно рассчитывать акустическую мощность излучателей. Используя ее, можно так поставить эксперимент, что влияние отраженных звуковых сигналов будет минимальным.

Характеристики направленности определяют относительными измерениями. Для некоторых простейших случаев характеристики направленности преобразователя могут быть рассчитаны.

Если размеры излучающей поверхности больше длины звуковой волны, то излучаемая энергия концентрируется преимущественно по одному направлению, совпадающему с направлением нормали к излучающей поверхности.

В общем случае, по мере отклонения лучей от направления нормали амплитуда результирующего колебания может проходить через максимумы и минимумы. Однако для сплошной системы максимумы, получаемые по направлениям, отличным от осевого, никогда не достигают основного максимума.

Эффект направленности принято иллюстрировать характеристиками направленности, представляющими собой полярные или прямоугольные диаграммы изменения акустического поля (например, давления, интенсивности) в зависимости от направления.

Для излучателей следует различать характеристику направленности по давлению и по интенсивности.

Характеристика направленности по давлению

R= P/P ,

где P - звуковое давление, развиваемое в направлении угла ;

P- звуковое давление, развиваемое в направлении максимальной амплитуды.

Характеристика направленности по интенсивности

RI= I/I = P2/P2 = R2

Направленное действие оценивают по остроте направленного действия и остроте главного максимума. Острота направленного действия преобразователя характеризуется углом раствора характеристики направленности. Этот угол охватывает основной максимум характеристики направленности. Вторичные максимумы и другие неравномерности характеристики направленности игнорируют. Такая оценка удобна графического и пространственного представления направленных систем.

Остроту максимума целесообразно оценивать углом, на котором амплитуда характеристики направленности убывает до заданного уровня Аn (обычно до уровня 0,707) от ее максимального значения А0. С точки зрения сохранения точности измерений острота максимума должна быть наименьшей.

Другой важной особенностью направленных систем является коэффициент осевой направленности или просто коэффициент направленности преобразователей г. Коэффициент направленности показывает, во сколько раз интенсивность звука по оси характеристики направленности излучателя направленного действия больше интенсивности направленного излучателя той же мощности. Коэффициент направленности направленных систем всегда больше единицы.

Характеристики направленности громкоговорителей определяют тональным сигналом путем автоматической записи на частоте 100; 200; 500; 650; 800; 1000; 1250; 1600; 2000; 3150; 4000; 8000; 10000; 12500; 16000 и 20000 Гц. Измерения проводят в заглушенной камере или на открытом воздухе. Испытуемый громкоговоритель должен находиться на достаточном расстоянии от микрофона (на оси последнего) на стойке, которая позволяет поворачивать громкоговоритель вокруг оси, находящейся в плоскости, проходящей через центр излучающего отверстия, и отсчитывать углы поворота с точностью не менее 20.

Характеристики направленности громкоговорителя определяют также шумовым сигналом на тех же частотах и на той же установке, используемых для автоматической записи характеристик направленности. Микрофон устанавливают на расстоянии 1 м 2 см от громкоговорителя (на рабочей оси последнего) на стойке, которая позволяет поворачивать микрофон вокруг вертикальной оси, проходящей через центр к звуковоспринимающей поверхности микрофона.

Для микрофонов, не обладающих осевой симметрией, характеристику направленности определяют не менее чем в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Углы поворота микрофона должны отсчитывать с погрешностью не более 20. При испытании остронаправленных микрофонов расстояние между микрофоном и громкоговорителем должно превышать максимальный размер микрофона не менее чем в пять раз.

Характеристики направленности микрофонов также определяют на шумовом сигнале. Кроме того, при их измерении иногда определяют среднюю разность уровней чувствительности направленного микрофона в осевом направлении и под углом 1800 к оси.

Методы измерений характеристик направленности для воздушной среды можно распространить и на другие среды.

Так как характеристика направленности зависит от соотношений размером поверхности чувствительного элемента и длины звуковой волны в данной среде, при переносе преобразователя в другую среду его направленные свойства, естественно, будут меняться.

Чтобы снимать характеристики направленности преобразователей звука, необходимо иметь поворотные устройства, обеспечивающие заданную точность отсчета угла порота.

Поверхность приемных элементов гидрофонов должна быть гладкой, так как ил, грунт и неровности на ней создают благоприятные условия для осаждения воздушных пузырей. Все это может исказить характеристику направленности преобразователя.

Одним из критериев оценки преобразователей является сравнение результатов измерений по направленности с расчетными. Однако расчеты могут быть выполнены только для простейших видов преобразователей - поршневого, диполя, группового, с линейной базой и др.

Ключевые слова: характеристика направленности преобразователя, метод определения акустической мощности, звуковое давление, испытание источника шума, измерительная поверхность, камера со звукопоглощающим полом, максимальный и минимальный уровень шума, размеры излучающей поверхности, амплитуда результирующего колебания, эффект направленности.

Контрольные вопросы

Что вы понимаете под термином характеристика направленности преобразователей?

Как определяется характеристика направленности преобразователей?

Cмысл коэффициента направленности преобразователей.

Характеристика направленности громкоговорителей.

3. Шумовые характеристики и методы их определения источников шума

Шумовые характеристики источников шума (машин, механизмов, технологического оборудования и др.) регламентируются межгосударственными и государственными стандартами [16 - 20].

1. Шумовые характеристики источников шума. Устанавливаются следующие шумовые характеристики источников шума:

корректированный уровень звуковой мощности LРА, дБА;

уровень звуковой мощности в полосах (октавных или третьоктавных) частот LР, дБ;

уровень звука в контрольных точках LА, дБА;

уровень звукового давления в полосах частот в контрольных точках Li, дБ;

максимальный показатель направленности излучения шума GАmax, дБА, или тоже самый в полосах частот Gmax, дБ.

Для непостоянных шумов вместо уровней, приведённых выше, должны быть измерены эквивалентные уровни звука LАэкв, дБА, а для импульсных шумов - уровни звука LAI, дБА.

2. Методы определения шумовых характеристик источников шума устанавливаются межгосударственными стандартами и стандартами. Согласно этим стандартам устанавливаются точные, технические и ориентировочные методы.

Точные методы осуществляются в реверберационной (метод 1) и заглушенной (со звукоотражающим (метод 2а) и звукопоглощающим (метод 2б) полем) камерах, технические методы - в реверберационном помещении объёмом 70 - 2000 м3 (метод 3) и свободном звуковом поле над звукоотражающей поверхностью в заглушенных камерах с жёстким полом, на открытых площадках и в помещениях (метод 4), а ориентировочный метод (метод 5) проводится в помещениях, где установлено испытываемое оборудование и на открытых площадках, над звукоотражающей плоскостью.

Выбор того или другого метода в первую очередь определяется точностью измерений, которую необходимо обеспечить; во вторых - временным и спектральным характеристиками шума; в третьих объёмом (размерами) источника шума; и в четвёртых технологическими особенностями источника шума.

Например, метод 1 или метод 3 выбираются только в том случае, если шум является постоянным. При этом объём источника шума должен быть менее 1 % объёма реверберационной камеры.

Погрешности измерений, оцениваемые средним квадратичным отклонением уровней звуковой мощности, в зависимости от полосы частот должны соответствовать следующим значениям (см. табл. 1):

Таблица 1

Порядковый номер метода	Погрешность измерений, дБА
Метод 2б Метод 2а Метод 1 и 4 Метод 3 Метод 5	0, 5…1,0 1,0…1,5 1,5…3 2…5 4…5

Если при измерении не удовлетворяются требования принятого метода, то следует выбрать другой метод из указанных.

Условия установки и режим работы источника шума при испытаниях должны приближаться к обычным условиям и режимам работы источника при эксплуатации.

Определение суммарного уровня шума. Уровень шума, возникающий от нескольких некогерентных источников, работающих одновременно, подсчитываются на основании принципа энергетического суммирования излучений отдельных источников:



,

где Li - уровень звукового давления i-ого источника шума;

n - количество источников шума.

Суммарный уровень шума от n одинаковых по интенсивности источников шума в равноудаленной от них точке определяется оп формуле:

, дБ,

где Li - уровень шума одного источника в дБ.

При одновременном действии двух источников с разными уровнями суммарный уровень L определяется по формуле:

,дБ,

где L1 - наибольший из двух суммарных уровней шума;

L - добавка в функции разности уровней источников.

Разность уровней в дБ двух источников

L1 - L2 (при L1 L2) 0 1 2,5 4 6 10

L в дБ 3 2,5 2 1,5 1 0,5

При большом числе источников шума суммирование уровней интенсивностей производится последовательно от наибольшего к наименьшему.

Если уровень шума одного источника превышает уровни шума других источников на 8 - 10 дБ, то будет превалировать шум более интенсивного источника, так как добавка к суммарному уровню шума будет пренебрежимо малой. Следовательно, уровень менее громкого источника в этом случае можно не принимать во внимание.

Ключевые слова: шумовые характеристики, звуковое давление, звуковая мощность, направленность излучения шума, уровень звукового давления, источник шума, измерение шума, точный метод, технический метод, ориентировочный метод, реверберационная камера, заглушенная камера, реверберационное помещение, звуковое поле, звукоотражающая плоскость.

Контрольные вопросы

Перечислите шумовые характеристики источников шума.

Перечислите шумовые характеристики мест нахождения людей.

Какие существуют методы определения шумовых характеристик источников шума?

В чем сущность точных методов определения шумовых характеристик источников шума?

В чем сущность технических методов определения шумовых характеристик источников шума?

В чем сущность ориентировочного метода определения шумовых характеристик источников шума?

4. Шумовые характеристики и методы их определения мест нахождения людей

Шумовые характеристики мест нахождения людей (рабочие места в промышленности; внутри транспортных средств, включая пассажирские места; в помещениях зданий; вне зданий; на площадках отдыха и т.п.) регламентируются межгосударственными и государственными стандартами.

Определение шумовых характеристик мест нахождения людей проводится с целью охраны здоровья людей путем нормирования шума до предела, определенного техническими возможностями и экономической целесообразностью.

1. Шумовые характеристики мест нахождения людей. Для мест нахождения людей устанавливаются следующие шумовые характеристики:

уровень звукового давления в октавных или треть октавных полосах частот L, дБ (далее - уровень звукового давления в полосе частот);

уровень звука LА, дБА;

эквивалентный уровень звука LАэкв, дБА;

корректированный уровень звука LK, дБА;

уровни звука LAI, дБА (для импульсных шумов).

Уровень звукового давления в в октавных или треть октавных полосах частот L, дБ, измеряют шумомером при включении полосовых фильтров или вычисляют по формуле

,

где Р - среднее квадратическое значение звукового давления, Па; Р0=2.10-5 Па.

Уровень звука LА в дБА измеряют шумомером при включении характеристики А и при отсутствии полосовых фильтров или вычисляют по формуле

где Li - уровень звукового давления (или звуковой мощности) в i-ой полосе частот, дБ;

КАi - поправка по частотной характеристике А шумомера для i-ой полосы частот (например, на частоте 100, 1000 и 10000 Гц КА, соответственно, равен - 19,1; 0; 2,5 дБ);

n - число частотных полос.

Эквивалентный (по энергии) уровень звука LАэкв (в дБА) непостоянного шума - уровень звука постоянного широкополосного шума, который имеет то же самое средне квадратическое звуковой давление, что и данный непостоянный шум в течении определенного интервала времени Т, который определяется по формуле:

,

где PA(t) - текущее значение среднего квадратического звукового давления с учетом коррекции “А” шумомера, Па.

На практике LАэкв определяется по формуле

где fi - доля числа отсчетов уровней звука в i-м интервале уровней за время измерений в процентах от общего времени, в секундах или частоте считывания;

Lai - средний уровень звука в i-м интервале уровней, дБА;

n - число интервалов уровней.

Для непостоянного шума дополнительно ограничивают максимальные уровни звука в дБА, а также в качестве характеристики допускается еще использовать дозу шума или относительную дозу шума.

Доза шума D- интегральная величина, учитывающая акустическую энергию, воздействующую на человека, за определенный период времени Т и определяемая по формуле

Допустимые уровни звукового давления в октавных полосах частот, уровни звука и эквивалентные уровни звука на рабочих местах, для различных видов трудовой деятельности с учётом степени напряжённости труда приведены в ГОСТ 12.1.003. В этом стандарте также приведён максимальный уровень звука непостоянного шума на рабочих местах, который не должен превышать 110 дБА и импульсного шума - 125 дБ AI.

2. Методы определения шумовых характеристик мест нахождения людей. Согласно ГОСТ 23941-79 (СТ СЭВ 542-77) и ГОСТ 12.1.050-86 устанавливаются предварительный и контрольный методы определения шумовых характеристик мест нахождения людей.

Предварительный метод применяют для приближённой оценки шума. При этом для постоянного шума определяют уровень звука и характер спектра шума. Для непостоянных шумов определяют максимальные и минимальные значения уровня звука.

Контрольный метод применяют для сравнения шума с нормами. При этом для постоянного шума определяют уровни звукового давления в октавных полосах частот и уровни звука. Для непостоянного шума определяют эквивалентный уровень звука, а для импульсного шума - LAI, дБА.

При проведении измерений по контрольному методу должна быть оценена погрешность измерения в виде среднего квадратического отклонения результата измерения и, если она не удовлетворяет предписанным требованиям, то следует применять более точные или автоматизированные средства измерений, либо изменить методику.

Измерения должны проводиться при характерных режимах работы источников шума и обычных условиях в местах нахождения людей. Измерения вне зданий должны проводиться при благоприятных метеорологических условиях, отсутствии осадков, ветра и т.п. Все эти условия оговорены в конкретных нормативных документах на методы измерения шума на местах нахождения людей (например, измерение шума на рабочих местах предприятий и учреждений - по ГОСТ 12.1.050-86 и ГОСТ 23941-79 и т.д.)

Ключевые слова: методы определения шумовых характеристик, шумовые характеристики, октавная полоса частот, треть октавная полоса частот, уровень звука, эквивалентный уровень звука, доза шума, корректированный уровень звука, предварительный метод, контрольный метод.

Контрольные вопросы

Какие существуют методы определения шумовых характеристик

мест нахождения людей?

В чем смысл предварительного метода?

В чем смысл контрольного метода?

Чем измеряется шумовые характеристики мест нахождения людей ?

5. Проведение измерений шума

При измерениях микрофон должен быть установлен в точке измерения и ориентирован в направлении испытываемого источника шума и соединён с шумомером или измерительным трактом. На шумомере должна быть установлена временная характеристика (медленно). Показания шумомера отсчитывается с интервалом 10 с на частотах выше 100 Гц и не менее 30 с на частотах ниже 100 Гц.

Для импульсных шумов следует дополнительно записывать показания при временной характеристике I (импульса).

Измерения уровней звукового давления должны быть проведены в октавных (треть октавных) полосах частот со среднегеометрическими частотами от 125 до 8000 Гц (от 10 до 10000 Гц), а также в уровнях звука.

Перед измерениями необходимо оценить шум помех, например, от вибрации, от посторонних источников шума и т.п. При этом, в зависимости от величины разности между уровнем измеренного шума и эквивалентным уровнем помех L и её характера во времени, следует учитывать или не учитывать её влияния при оценке результатов измерения (см. табл. 3.2). Для учёта помех следует из уровня источника шума вычесть значения , приведённые в таблице 2.

Таблица 2

L, дБ (дБА)	, дБ (дБА)
	Метод 1	Метод 2	Метод 3	Метод 4	Метод 5
1	*	*	*	*	*
2	*	*	*	*	*
3	*	*	*	*	3
4	*	*	2	*	2
5	*	*	2	*	2
6	1,3	1,3	1	1	1
7	1,0	1,0	1	1	1
8	0,8	0,8	1	1	1
9	0,6	0,6	0,5	0,5	0,5
10	0,4	0,4	0,5	0,5	0,5
11	0,3	0,3	не учитываются	не учитываются	не учитываются
12	0,3	0,3	не учитываются	не учитываются	не учитываются
13	не учитываются	0,2	не учитываются	не учитываются	не учитываются
14	не учитываются	0,2	не учитываются	не учитываются	не учитываются
15	не учитываются	Не учитываются	не учитываются	не учитываются	не учитываются
и т.д.	- // -	- // -	- // -	- // -	- // -

* - результат измерения не может быть оценён.

Результат измерения не может быть оценён также при больших значениях L, чем значения указанные на табл. 2, если она (разность) колеблется во времени. Например, для метода 1 это значение L менее 13 дБ, для метода 2 менее 15 дБ, а для метода 3-5 менее 11 дБ.

В период измерения температура, влажность и атмосферное давление воздуха в камере не должны существенно изменяться. Согласно ГОСТ 12.1.025 произведение температуры в градусах Цельсия на относительную влажность W в процентах: ( + 5о С) W не должно изменяться более чем на 10%. Согласно ГОСТ 12.1.026 и ГОСТ 12.1.027 температура не должна изменяться более чем на 10 оС.

При измерениях в реверберационной камере если показания прибора изменяются более чем на 5 дБ, то методы 1 применять нельзя.

Измерения вне зданий и на открытой площадке не должны проводиться во время выпадания атмосферных осадков и при скорости ветра более 5 м/с.

При скорости ветра от 1 до 5 м/с следует применять экран для защиты измерительного микрофона от ветра.

Между микрофоном и источником шума не должны находиться люди и предметы, искажающие звуковое поле. Расстояние между микрофоном и наблюдателем должно быть не менее 0,5 м.

Ключевые слова: шумовые характеристики, технологическая особенность источника шума, погрешность измерений, среднее квадратичное отклонение уровня звуковой мощности, микрофон, измерительный тракт, импульсный шум, шум помех.

Контрольные вопросы

Опишите условия проведения измерений шума.

В каких полосах частот проводятся измерения шума?

6. Обработка результатов измерений шума на рабочем месте

Измерения шума на рабочем месте следует проводить не менее чем в двух точках. Если результаты измерений различаются не более чем на 5 дБ, определяют их среднее арифметическое



n

Lср = ( Li ) / n

i = 1

Если же они различаются более чем на 5 дБ, то применяют закон энергетического суммирования:

n

Lср = 10 lg 100,1 Li - 10 lg n

i = 1

здесь n - число измерений.

Средний уровень звукового давления в полосах частот Lm в дБ, или средний уровень звука LmA в дБА на измеряемой поверхности должен быть вычислен по формуле

n

Lm = 10 lg ( 1/n 100,1Li ) - k

i = 1

где Li - уровень звукового давления в полосе частот, дБ, или уровень звука, дБА, в i-ой точке измерения с учётом поправки на помехи.

n - количество точек измерения на измерительной поверхности ;

k - постоянная учитывающая влияние отражённого звука в полосе частот.

В случае использования заглушенной камеры (метод 2) уровень звуковой мощности в полосах частот Lp, дБ, или корректированный уровень звуковой мощности LpA, дБА, вычисляют по формуле (ГОСТ 12.1.024)

Lp = Lm + 10lg(S/So) + С

где S - площадь измерительной поверхности, м2; So = 1 м2; С - поправка на температуру Т и атмосферное давление воздуха Рст в заглушенной камере.

Для технического метода (метод 4) поправка С не учитывается.

Уровень звуковой мощности в полосах частот в случае использования для измерений реверберационную камеру (метод 1) вычисляют по формуле (ГОСТ 12.1.025).

Lp = Lm + 10 lg (A/Ao) + 10 lg (1+Sv/bV) + C - 6

где А - эквивалентная площадь звукопоглощения реверберационной камеры, м2; Ао = 1 м2;

V, Sv - объём и площадь ограждающих поверхностей камеры, включая пол.

При применении образцового источника шума Lp вычисляют по формуле

Lp = Lm + LpR - LmR,

где Lm и LmR - средний уровень звукового давления в полосах частот при работе испытываемого и образцового источников шума;

LpR - паспортные значения уровня звуковой мощности образцового источника шума.

Показатель направленности излучения источника шума при измерениях на сферической измерительной поверхности следует вычислять по формуле

Gi = Li - Lm ,

а при измерениях на полусферической измерительной поверхности

Gi = Li - Lm + 3

Результаты измерений следует занести в протокол по ГОСТ 23941-79.

Ключевые слова: обработка результатов измерений, аппаратура для измерения шума, среднее арифметическое, закон энергетического суммирования, средний уровень звукового давления, уровень звукового давления в полосе частот, уровень звука, поправка на помехи, отражённый звук в полосе частот, уровень звуковой мощности, корректированный уровень звуковой мощности, образцовый источник шума.

Контрольные вопросы

Какие нормативные документы существуют по обработке результатов измерений?

Если результаты измерений различаются не более чем на 5 дБ, то по какой формуле определяют их среднее арифметическое значение?

Если же они различаются более чем на 5 дБ, то какой закон суммирования применяют?

По какой формуле должен быть вычислен средний уровень звукового давления в полосах частот или средний уровень звука на измеряемой поверхности?

По какой формуле должен быть вычислен уровень звуковой мощности в полосах частот или корректированный уровень звуковой мощности в случае использования заглушенной камеры?

По какой формуле должен быть вычислен уровень звуковой мощности в полосах частот в случае использования для измерений реверберационную камеру?

При применении образцового источника шума по какой формуле должен быть вычислен уровень звуковой мощности в полосах частот?

По какой формуле следует вычислять показатель направленности излучения источника шума при измерениях на сферической измерительной поверхности?

7. Спектральный анализ акустических сигналов

В современной измерительной практике большое значение имеет спектральный анализ случайных процессов [7]. Это в полной мере применимо к спектральному анализу акустических сигналов.

Спектральным анализом называется определение амплитуд и частот (или отдельных частотных участков) колебаний, входящих в состав измеряемого сигнала. Исследуемый частотный диапазон сложного сигнала определяют общей (сквозной) частотной характеристикой используемого измерительного тракта, в который входят электроакустические приемники и электронные усилители. При измерении необходимо учитывать частотные характеристики элементов, входящих в общую часть измерительного тракта, так как все они могут существенно влиять на результаты измерений.

Все современные акустические анализаторы являются чисто электронными приборами. Это значит, что при исследованиях имеют дело с электрическими напряжениями (или токами), пропорциональными измеряемым акустическим величинам. В случае линейности всех элементов тракта (блоков преобразования акустических сигналов в электрические, усиления и т. д.) замена акустических сигналов электрическими вполне закономерна, и получаемым в результате анализа величинам могут быть приписаны акустические значения.

Спектральный анализ заключается в экспериментальном выявлении с помощью частотно-избирательных элементов (фильтров) наличия в сложном исследуемом сигнале тех или иных частотных компонентов.

Виды анализа. Анализ бывает последовательным, когда спектр сигнала получают путем последовательного изменения частотных свойств фильтров, «просматривающих» таким образом весь исследуемый диапазон (рис. 1), и одновременным (параллельным) при использовании неизменного набора фильтров, включаемых параллельно так, что на их выходах одновременно получаются составляющие исследуемого сигнала (рис.2). 

Рис. 1. Принцип действия последовательного анализа заданного частотного диапазона f2 -- f1 с помощью перестраиваемого фильтра

Легко видеть, что при последовательном анализе может быть тщательно проанализирован каждый частотный участок исследуемого диапазона. Работа каждого из фильтров при одновременном анализе аналогична работе фильтра в соответствующем положении при последовательном анализе.

Рис. 2. Принцип действия параллельного анализа заданного частотного диапазона f2 -- f1 с помощью набора фильтров

Четко выраженная разница между последовательным и одновременным анализом заключается в том, что число фильтров при одновременном анализе не может быть бесконечным, поэтому результаты при одновременном анализе будут несколько хуже, чем при последовательном. Участки-стыки между фильтрами (обычно на уровне 0,7 от максимума частотной кривой фильтр) анализируют с меньшей точностью, чем при последовательном анализе.

В современных приборах для спектрального анализа наибольшее распространение получил параллельный анализ.

Приборы для спектрального анализа. При выборе аппаратуры для производства анализа следует учитывать влияние характера спектра исследуемого сигнала.

В анализаторах спектра избирательные элементы перестраиваются или переключаются вручную. В автоматизированных приборах для спектрального анализа -- спектрометрах, обработка анализируемого сигнала осуществляется автоматически..

Основным элементом прибора для спектрального анализа является частотно-избирательный элемент -- фильтр, который характеризуется шириной полосы пропускания частот, коэффициентом передачи в полосах прозрачности и непрозрачности и крутизной спада частотной характеристики.

Ширину полосы пропускания частот фильтра определяют разностью высшей и низшей частот, на которой коэффициенты передачи (отношение выходного напряжения ко входному) снижаются на 3 дб, т. е. сигнал падает до уровня 0,707 от своего максимального значения в полосе прозрачности (рис. 3.3).

Рис. 3. Определение ширины полосы пропускания частот фильтра и допустимой неравномерности коэффициента передачи

Потери сигнала, проходящего через фильтр в полосе прозрачности, определяют коэффициентом передачи. Внутри полосы прозрачности этот коэффициент может иметь несколько различных значений, отличающихся между собой не более чем на 3 дб из-за того, что характеристика реального фильтра не имеет строго прямоугольную форму с плоской вершиной, а скорее напоминает трапецию, а иногда и впадину -- провал.

Крутизна спада частотной характеристики фильтра определяет возможность воздействия на него сигнала с частотой в полосе прозрачности данного фильтра. Характеристики реального фильтра в полосе его непрозрачности таковы, что они дают возможность 'принимать в этой полосе сигнал, хотя и с сильно ослабленной амплитудой. Может случиться, что анализ из-за этого будет неточным и покажет присутствие спектральной составляющей, вообще отсутствующей в спектре сигнала.

Предположим, что на фильтр с полосой прозрачности от ft до f2 попадает сигнал частотой f3, находящейся вне полосы прозрачности. Из рис. 3.4 видно, что этот сигнал воздействует и на рассматриваемый фильтр, хотя сигналы в его полосе прозрачности отсутствуют. В случае малых сигналов в полосе f2 -- f1 наличие сигнала вне этой полосы исказит показания этого фильтра. Влияние соседних частот будет меньше при крутом спаде частотных характеристик.

Рис. 4. Искажение результатов анализа сигнала из-за недостаточной крутизны спада частотной характеристики фильтров

Крутизну спада измеряют обычно коэффициентом прямоугольности характеристики фильтра или величиной затухания вне полосы прозрачности при заданной расстройке. Исследования показали, что при третьоктавном анализе и затухании более 20 дб на средней частоте соседнего фильтра, погрешность за счет приема частот из полосы непрозрачности не превысит 2 дб. В случае анализа с широкой полосой пропускания (3--5 октав) требования к затуханию вне полосы прозрачности существенно возрастают. Оно должно быть не менее 60-- 70 дб на октаву.

Анализирующие свойства измерительного тракта в целом характеризуются еще и разрешающей способностью, динамическим диапазоном и общей продолжительностью анализа.

Разрешающей способностью анализатора называется его способность разделять смежные частотные составляющие исследуемого сигнала. Разрешающую способность оценивают интервалом между частотами двух равных по амплитуде синусоидальных сигналов, разделяемых данным устройством с провалом частотной характеристики между ними, достигающими 0,5 от максимального значения (рис. 3.5).

Рис.5. Определение разрешающей способности анализатора

Чем меньше указанный частотный интервал (f2 -- f1), тем выше разрешающая способность. Хотя эффект разделения может быть замечен и по меньшей величине провала в частотной характеристике, но зато приведенная оценка разрешающей способности охватывает возможную (не слишком большую) разницу между амплитудами разделяемых сигналов.

Разрешающая способность зависит от параметров фильтра и условий анализа. Для одновременного анализа она связана с шириной полосы пропускания и величиной крутизны спада частотной характеристики, а для последовательного анализа -- еще и скоростью выполнения анализа.

В настоящее время наиболее широкое распространение получили спектрометры одновременного действия, использующие наборы фильтров с постоянной относительной полосой анализа, с автоматическим подключением выходов фильтров на экран дисплея.

Спектральный анализ случайных процессов. Значение текущего спектра G(щ) данной реализации случайного процесса х (t) находят по формуле

, (3.7.1)

где Т -- время усреднения.

Истинное значение спектра может быть получено при неограниченном времени усреднения:

,

где G(щ) -- энергетический спектр случайного процесса.

Текущий спектр также представляет случайную функцию, причем его флуктуации относительно энергетического спектра являются погрешностью измерений последнего.

Энергетический спектр связан с функцией автокорреляции R(ф) случайного процесса преобразованием Фурье:

(3.7.2)

где ф -- время задержки одной реализации сигнала по отношению к другой.

Таким образом, спектральную функцию случайного процесса можно определять прямым способом по уравнению (1) или косвенным по уравнению (2).

Задача заключается в выборе такой продолжительности анализа, чтобы в пределах допускаемой ошибки измерений получаемое значение gt (со) совпадало со значением G(щ). Анализ этим методом может осуществляться на анализирующих приборах с применением в качестве выходных индикаторов приборов, измеряющих энергию.

Для получения практически неискаженного спектра случайного процесса необходимо, чтобы полоса пропускания анализатора была не менее чем в 4 раза уже ширины энергетического спектра сигнала, а скорость анализа рассчитана из условия

где f2 -- f1 -- энергетическая ширина полосы спектра случайного сигнала; RC -- постоянная интегрирующего устройства. Это соотношение справедливо, если скорость изменения частоты линейна.

Многие анализаторы имеют логарифмическую шкалу частот, поэтому скорость изменения частоты при равномерном вращении лимба настройки анализатора будет линейно возрастать с частотой. В этом случае скорость анализа на верхних частотах диапазона будет заметно выше, чем на низких частотах.

В зависимости от цели исследований определяют необходимую полосу пропускания для анализа. Например, при выявлении источника шумов следует применять анализ с постоянной узкой полосой пропускания. Следует помнить, однако, что исследуемый шум механизмов, как правило, немного флюктуирует из-за небольшого изменения режимов работы, и в случае чрезмерно узкой полосы анализа результаты могут быть искажены. При работах по шумоглушению целесообразен анализ с постоянной относительной полосой пропускания, несмотря на то, что с повышением частоты разрешающая способность снижается.

В современных приборах анализаторы спектра обычно встраиваются в шумомеры, что позволяет легко осуществлять не только измерение параметров шума, но и проводить его спектральный анализ с возможностью качественной записи практически любых процессов в память анализатора спектра и компьютер.

Ключевые слова: спектральный анализ, последовательный анализ, параллельный анализ, фильтр, полоса пропускания, крутизна, спектрометр, анализатор спектра, спектральная плотность.

Контрольные вопросы

Что такое спектральный анализ?

В чем заключается последовательный анализ?

В чем заключается параллельный анализ?

Чем отличается анализатор спектра от спектрометра?

Объясните работу полосового фильтра.

Что такое разрешающая способность?

Что такое спектральная плотность?

8. Измерения звукоизоляции и звукопоглощения материалов

Один из способов измерения звукоизоляции материалов заключается в следующем. Между источником звука и его приёмником помещают пластину испытуемого материала. Разница в результатах измерения поля при наличии пластины и без неё должна давать значение звукоизоляции. Однако такое измерение будет справедливо, строго говоря, лишь для пластин, размеры которых на несколько порядков превышают длину волны звука. В случае, если размеры пластины того же порядка (хотя неравенство D >, где D - размеры пластины, соблюдается), влияния дифракционных эффектов будет значительным.

Сзади пластины образуется область тени. Поэтому в случае неправильного выбора условий измерений даже совершенно непрозрачная для звука пластина может дать очень малое значение звукоизоляции, что приведёт к ошибочным результатам. Очевидно, расстояния для измерения звукоизоляции описанным методом должны быть выбраны так, чтобы приёмник звука наверняка находился в зоне физической тени.

Это условие можно выразить отношением

r ? D 2 / 4 л (1)

где D - размер образца. При измерении звукоизоляции реальных образцов картина усложняется тем, что по мере увеличения звукоизоляции колебания давления в зоне тени возрастают.

Одним из способов уменьшения дифракционных явлений при измерении звукоизоляции является применение системы экранирования образца звукоизолирующим экраном значительных размеров.

Звукоизоляцию определяют разностью двух измерений: при наличии образца в отверстии экрана и его отсутствии. Место измерения поля при этом должны выбирать, исходя из других соображений, нежели при измерении пластины без экрана. Расстояние от источника звука до экрана при отсутствии образца должно удовлетворять соотношению

r ? 2•d2 / л

где d - размер отверстия.

При таком соотношении поле за отверстием оказывается установившемся. С другой стороны, при измерении с образцом расстояние должно удовлетворять сформулированному ранее выражению (1) :

r ? Rэ2 / 4 л

где Rэ - размер экрана.

Совместно эти условия запишем в виде

2 d 2 / л ? r ? Rэ2 / 4 л

Корреляционный метод. Л. В. Дмитриева и Н. Н. Писаревский предложили использовать корреляционную методику измерения акустического отношения для определения коэффициента звукопоглощения образцов в реверберационной камере. При этом для измерения акустического отношения R, служащего мерой качества диффузности звукового поля в помещении, используется корреляционный анализатор.

При измерениях звукопоглощения корреляционным методом (так же, как и при реверберационном) выполняют два измерения: одно в отсутствие образца, а другое при его наличии. При этом надежность и достоверность результатов будут тем больше, чем больше разница отсчетов при первом и втором измерениях.

Рекомендуемое расстояние r между излучателем и приемником звука равно

,

где S - площадь поверхностей помещения.

Физически это означает, что измерения выгодно проводить при максимальном приближении приемника к излучателю. Коэффициент поглощения б испытуемого образца определяют по формуле

,

где Sобр - площадь образца; R1(ф1), R2(ф2) - максимальное значение нормированной функции корреляции при измерениях в камере без образца и с образцом.

В связи с тем, что корреляционный приём обладает значительно большей помехоустойчивостью, чем обычный приём, определение звукопоглощения особенно выгодно для камер с плохой звукоизоляцией, обладающих высоким уровнем посторонних шумов. Требования, предъявляемые к помещениям (размеры камеры, размеры образцов, их размещение, а также необходимость учёта дифракционных и интерференционных явлений), предназначенным для этих измерений, такие же, как и при реверберационных измерениях.

Описанный метод даёт возможность определить среднее значение коэффициента поглощения образцов при падении на него звука со всех сторон.

В силу того, что когерентных шумовой пакет аналогичен импульсному пакету, можно, правильно выбрав условия корреляционного анализа и размеры панелей, проводить измерения в обычных не заглушенных помещениях.

Звукоизоляцию образцов (в виде панелей) определяют по разности значений максимума функции корреляции (выраженной в децибелах), соответствующему прямому сигналу при отсутствии и наличии испытуемой панели. Возможны также два измерения с помощью приёмников расположенных перед панелью и после нее. Если источник расположен достаточно далеко от испытуемой панели, то будут получены те же результаты, но значительно быстрее.

Запись функции корреляции при изменении времени задержки показывает наличие нескольких максимумов, соответствующих как прямому сигналу, подлежащему измерению, так и сигналам, попадающим на приёмник обходными путями (так же, как при распространении импульсного сигнала имеется прямой, отраженные и многократно отраженные сигналы).

При наличии звукоизолирующий панели первый максимум наступает при несколько другом времени задержки (из-за разницы в скоростях распространения звука в среде и материалы образца). Впрочем, эта разница обычно мала. Уменьшение первого максимума нормированной функции корреляции в этом случае, сравнительно с измерениями при отсутствии панели, соответствует энергетической звукоизоляции образца, так как функция корреляции характеризует энергетические соотношения.

Влияние дифрагированного звука, попадающего на приёмник при огибании испытуемой панели, будет устранено, если разность длины пути звука, проходящего непосредственно через панель и огибающего ее, будет меньше длины волны звука на нижней граничной частоте полосы пропускания.

Метод измерения звукоизоляции корреляционным путем применяют для решения многих задач строительной акустики. Согласно данным Н.Н. Писаревского, погрешность измерений составляет около 3 дБ.

Коэффициент отражения образцов также измеряют по схеме, при которой приёмник помещают между излучателем и образцов так, чтобы расстояние от него до излучателя превышало длину когерентного пакета, обусловленного формой спектра и шириной полосы сигнала. Следует помнить, что коэффициент отражения, полученный как разность между функцией корреляции для отраженного сигнала от эталона и образца, будет энергетической величиной, равной квадрату коэффициента отражения по амплитуде.

Б. Д. Ефимцев и др. рассмотрели возможность применения корреляционной методики для измерений коэффициента звукопоглощения образцов в трубе при нормальной падении звука. Использование приёмника градиента давления вместо ненаправленного приёмника позволило заметно снизить влияние косых волн (мод колебаний высоких порядков), образующихся при превышении критических частот, определяемых отношением диаметра трубы к длине звуковой волны. Раздельный учёт функции корреляции, соответствующей прямому сигналу и сигналу, отраженному от образца, дал возможность учесть изменение коэффициента передачи измерительного тракта при измерениях с образцом и эталоном (жесткой стенкой).

Коэффициент поглощения в этом случае равен:

б = 1 - [ R1(ф1) R3(ф2) / R2(ф1) R4(ф2) ] ,

где R1(ф1), R2(ф1) - нормированная функция взаимной корреляции для прямого сигнала при измерениях с эталоном и образцом;

R3(ф2), R4(ф2) - нормированная функция взаимной корреляции для отражённого сигнала при тех же измерениях.

Для возбуждения использовали воющий тон с девиацией частоты 100 и частотой модуляции 2 Гц.

Ключевые слова: дифракционный эффект, зона физической тени, колебания давления, система экранирования, звукоизолирующий экран, помехоустойчивость, коэффициент поглощения, акустические характеристики, корреляционный анализ, функция корреляции, дифрагированный звук.

Контрольные вопросы

Что такое звукоизоляция?

Что такое звукопоглощение?

В чем заключается первый способ измерения звукоизоляции материалов?

В чем заключается корреляционный метод измерения звукоизоляции материалов?

9. Оценка достоверности проводимых измерений

Как в начальный период, так и в процессе проведения измерений необходимо быть уверенным в том, что регистрируемые прибором или визуально значения характеризуют измеряемые сигналы, а не какие-нибудь случайные. Наиболее правильным и надежным методом оценки достоверности акустического сигнала является измерение его значения акустическими средствами и измерение характера выходного сигнала.

Например, можно разделить излучатель и приемник звукоизолирующей перегородкой, прокладкой, кожухом и оценить изменение сигнала. Если известна ориентировочная звукоизоляция используемой перегородки (она должна быть меньше 10-15 дБ), то можно ожидать и соответствующего изменения сигнала. Другой способ заключается в проверке изменения расстояния между излучателем и приемником. При этом также должно фиксироваться заметное изменение сигнала.

Импульсный режим работы позволяет в лабораторных условиях наблюдать на экране осциллографа характер регистрируемого сигнала. Возбуждающий электрический импульсный сигнал (при правильном выборе параметров импульса) в момент регистрации принимаемого импульса на временной развертке осциллографа по отношению к возбуждающему соответствует задержке r/с, где r - расстояние между излучателем и приемником, с - скорость распространения звука в среде. Электромагнитные волны, которые могут вызвать наводку, распространяются с неизмеримо большей скоростью, чем звуковые, поэтому наводка будет по времени практически совпадать с возбуждающим сигналом.

После того как определена достоверность измеряемого сигнала, должна быть осуществлена регистрация помехи, т.е. того отклонения показаний регистрирующих приборов, которое соответствует отсутствию сигнала.

Помехи акустическим измерениям подразделяют на механические и электрические. К механическим относятся помехи, воздействующие на измеряемое поле или непосредственно на электроакустический преобразователь. Их источниками могу быть внешние воздействия, например, производственные шумы, шумы ветра, работающих агрегатов и т.д. От этих шумов можно частично избавиться, выбирая подходящее время и место проведения измерений и звукоизолируя помещения.

В лабораторных измерениях, выполняемых обычно в помещениях ограниченного объема - заглушенных камерах, бассейнах и т.д., внешние шумы мало влияют на результаты измерений. Эти помещения строят с хорошей звукоизоляцией. Однако при измерениях возникает акустическая помеха, вызываемая излученным сигналом, попадающим на приемник после одно- и многократного отражения от поверхностей помещения.

Распространено неправильное мнение, что в заглушенных помещениях отражение от поверхностей настолько мало, что с ним можно не считаться. На самом деле влияние отраженных сигналов определяется не столько уровнем заглушения, сколько отношением между излучаемым в помещении сигналом и сигналом, который должен быть принят. Поглощение или звукоизоляцию образца, если ожидается, что принимаемый сигнал в десятки раз меньше излученного, при таких условиях определить практически невозможно. Требуется импульсный или корреляционный режим работы.

К электрическим помехам относятся паразитные обратные связи и наводки. Под паразитной наводкой понимается передача напряжения сигнала из одного элемента в другой, не предусмотренная его схемой и конструкцией. Она появляется при наличии паразитной связи между этими элементами, приводящей к появлению на выходе сигналов, не соответствующих измеряемому. Кроме того, эта наводка может возбудить усилитель или изменить его характеристики.

Чаще всего встречается паразитная связь через общее сопротивление - внутреннее сопротивление и соединительные провода источников питания и схем управления электронных устройств. Паразитная связь может быть индуктивной, емкостной и смешанной.

При наличии сильных электромагнитных полей, создаваемых излучающими элементами большой мощности, даже очень слабая связь может оказаться достаточной для наведения паразитных сигналов в высокочастотных усилительных цепях. Наводку вызывают также и броски токов и напряжении питания при срабатывании различных реле, не говоря уже о колебаниях напряжения.

...