Efecte de zgomot de fond (ambiant)

Următorul capitol din “Fundamentele măsurării intensității sonore” oferă informații despre: efectul pe care îl are zgomotul de fond (ambiant) asupra măsurătorilor, modul de localizare a sursei prin utilizarea cartografierii intensității și ce instrumente de măsurare trebuie utilizate atât în laborator, cât și pe teren.

Cum rămâne cu zgomotul de fond?

Unul dintre principalele avantaje ale metodei de determinare a intensității puterii acustice constă în faptul că nivelurile ridicate de zgomot de fond constant nu sunt importante.

Să ne imaginăm o suprafață în spațiu – orice volum închis este suficient. Dacă o sursă de sunet este prezentă în interiorul suprafeței închise, atunci putem măsura intensitatea medie pe suprafața cutiei și o putem înmulți cu aria pentru a afla puterea sonoră totală radiată de sursă.

Dacă sursa ar fi mutată în afara cutiei și am încerca să aflăm puterea sunetului, am măsura zero. Întotdeauna vom măsura o parte din energia care pătrunde într-o parte. Dar energia va ieși pe celelalte părți și astfel contribuția la puterea acustică radiată de cutie va fi zero.

Pentru ca acest lucru să fie adevărat, nivelul zgomotului de fond nu trebuie să varieze semnificativ în timp. Dacă această condiție este îndeplinită, se spune că zgomotul este staționar. Rețineți că, cu un timp de calcul al mediei suficient de lung, micile fluctuații aleatorii ale nivelului nu vor conta. O altă condiție este aceea că nu trebuie să existe absorbție în interiorul cutiei. În caz contrar, o parte din zgomotul de fond nu va ieși din nou din cutie.

Zgomotul de fond poate fi considerat ca fiind o sursă aflată în afara cutiei de măsurare și nu va avea niciun efect asupra puterii sonore măsurate a sursei. În practică, acest lucru înseamnă că puterea acustică poate fi măsurată cu o precizie de 1 dB de la surse cu până la 10 dB mai mici decât zgomotul de fond. Dacă zgomotul de fond este o problemă, atunci alegerea unei suprafețe de măsurare mai mici va îmbunătăți raportul semnal-zgomot.

Cartografierea intensității

Orice problemă de control al zgomotului este, în primul rând, o problemă de localizare și identificare a sursei. Măsurarea intensității sonore oferă mai multe modalități de a face acest lucru, care prezintă avantaje considerabile față de tehnicile de măsurare a presiunii sonore.

Diagrame de contur

Diagramele de contur oferă o imagine mai detaliată a câmpului sonor generat de o sursă. Mai multe surse pot fi identificate cu precizie.

Se stabilește o grilă pentru a defini o suprafață. Măsurătorile de intensitate acustică normale la suprafață se efectuează dintr-un număr de puncte de pe suprafață, egal distanțate. Putem folosi aceleași măsurători pentru a calcula puterea sunetului pe grilă. Aceste valori sunt apoi stocate. Există acum o matrice de niveluri de intensitate – o valoare pentru fiecare punct. Liniile de intensitate egală pot fi trasate prin interpolarea și unirea punctelor de intensitate egală.

Localizarea sursei – metoda de căutare nulă

Ca un test rapid și simplu, putem folosi caracteristica direcțională a sondei. Sunet incidentul la 85° față de axă va fi înregistrat ca intensitate pozitivă, în timp ce sunetul la 95° va avea o intensitate negativă. Prin urmare, există o schimbare de direcție pentru o schimbare mică a unghiului.

În timp ce urmărim afișajul, sonda este deplasată astfel încât axa sa să formeze o linie paralelă cu planul pe care credem că se află sursa. La un moment dat, direcția se va schimba brusc. Această poziție este identificată acolo unde afișajul alternează rapid între intensitatea pozitivă și cea negativă. Aici, sunetul trebuie să fie incident pe sondă la 90° față de axa acesteia și astfel am localizat sursa. Această metodă este utilă atunci când doar o singură sursă este dominantă – alte surse sau chiuvete pot confunda rezultatele.

Instrumentație

Există trei componente esențiale într-un sistem de analiză a intensității sonore: sistemul de achiziție a datelor, sonda și calibratorul. Brüel & Kjær produce o gamă completă a acestor componente, precum și oferă pachete software de postprocesare, pentru a oferi o gamă de sisteme dedicate măsurării intensității.

Brüel & Kjær oferă soluții de măsurare a intensității sunetului optimizate atât pentru utilizarea în laborator, cât și pe teren.

Analizor portabil  2270 cu software de intensitate acustică BZ-7233 este un analizor de intensitate acustică în timp real foarte portabil, ideal pentru măsurători pe teren. Analizorul oferă îndrumare pentru măsurători și suport pentru fluxul de lucru pentru determinarea puterii sonore în conformitate cu ISO 9614-1, ISO 9614-2, ANSI S12.12 și ECMA 160.

PULSE Sound Power Using Sound Intensity Type 7882 este un software pentru determinarea puterii sonore în conformitate cu ISO 9614-1, ISO 9614-2 și ISO 9614-3. Combinat cu Sound Intensity Probe Type 3599 și cu un modul LAN-XI adecvat, Type 7882 formează o soluție ideală pentru determinarea puterii sunetului în laborator.

Calibratorul de intensitate sonoră

Tipul 4297 este un calibrator complet de intensitate sonoră într-o singură unitate compactă și portabilă, cu surse de sunet încorporate. Spre deosebire de calibratoarele de intensitate sonoră mai vechi, tipul 4297 poate fi utilizat fără a demonta sonda de intensitate sonoră, ceea ce îl face ideal atât pentru utilizare pe teren, cât și în laborator.

Efectuarea măsurătorilor

Calcularea mediei în timp

Pentru a minimiza eroarea aleatorie, avem nevoie de un timp de calcul al mediei suficient de lung pentru a obține rezultate stabile. Pentru a evalua timpul de calcul al mediei necesar, se pot efectua mai multe măsurători și se poate mări timpul de calcul al mediei până când rezultatele sunt repetabile.

Media spațială

În cazul măsurătorilor prin măturare, trebuie să acoperim toate zonele în mod egal. Prin urmare, rata de baleiaj trebuie să fie constantă, iar suprafața trebuie acoperită cu un număr întreg de baleieri. În cazul măsurătorilor punctuale discrete, variabilitatea intensității pe suprafața de măsurare determină numărul de puncte necesare. În cazul în care variabilitatea este mare, numărul de puncte de măsurare trebuie mărit. Este ușor de observat când medierea spațială este corectă. Rezultatele repetabile pentru un număr de suprafețe de măsurare diferite sau pentru diferite poziții de măsurare pe aceeași suprafață implică o mediere spațială corectă.

Zgomot de fond

Cu condiția ca zgomotul de fond să fie constant, măsurătorile pot fi efectuate cu o precizie de 1 dB chiar și atunci când nivelul de fond depășește nivelul sursei cu până la 10 dB. Dacă este posibil, măsurarea puterii sonore cu sursa oprită (zgomotul de fond activat) va da o idee despre contribuția zgomotului de fond. Efectul zgomotului de fond este redus prin măsurarea mai aproape de sursă.

Limita de frecvență

Cele două microfoane aproximează gradientul unei curbe la o linie dreaptă între două puncte. Dacă curba se modifică prea rapid odată cu distanța, estimarea va fi inexactă. Acest lucru se va întâmpla dacă lungimea de undă măsurată devine mică în comparație cu distanța efectivă de distanțare.

Deoarece distanța efectivă de distanțare este comparată cu lungimea de undă, caracteristicile direcționale ale intensității sonore pentru sondă vor fi distorsionate. Cel mai grav în direcția de-a lungul axei sondei (a se vedea figura de mai jos). Pentru o anumită distanță efectivă de distanțare, va exista o limită de frecvență înaltă dincolo de care erorile vor crește semnificativ. Pentru ca acuratețea să fie în limita a 1 dB, lungimea de undă măsurată trebuie să fie mai mare decât de șase ori distanța de distanțare. Acest lucru corespunde următoarelor limite de înaltă frecvență:

• 50 mm distanțier: până la 1,25 kHz
• 12 mm distanțier: până la 5 kHz
• 6 mm distanțier: până la kHz10

Limita de frecvență înaltă extinsă

Configurația față în față a celor două microfoane provoacă rezonanță în mica cavitate dintre distanțier și membrana microfonului. Aceasta, la rândul său, determină o creștere a presiunii pentru incidența sunetului de-a lungul axei sondei. Creșterea presiunii compensează, într-o anumită măsură, distorsiunea caracteristicii direcționale a sondei cauzată de eroarea diferenței finite.

Prin urmare, gama de frecvențe operaționale pentru o sondă Brüel & Kjær poate fi extinsă până la o octavă peste limita determinată de eroarea prin diferență finită dacă lungimea distanțierului dintre microfoane este egală cu diametrul microfoanelor și dacă nivelurile sunt compensate cu un răspuns în frecvență optimizat pentru perechea de microfoane. Acest fenomen a fost descoperit inițial de autorii lucrării “A Sound Intensity Probe for Measuring from 50 Hz to 10 kHz”; F. Jacobsen, V. Cutanda și P.M. Juhl: Brüel & Kjær Technical Review, nr. 1, 1996.

Limita de frecvență joasă

La frecvențe joase, va exista doar o mică diferență între semnalele de la cele două microfoane. Prin urmare, măsurătorile vor fi mai sensibile la zgomotul autogenerat și la erorile de nepotrivire de fază din echipamentul de măsurare.

Aceste probleme pot fi reduse prin utilizarea unui distanțier mai lung între microfoane, dar acest lucru va reduce limita de înaltă frecvență.

Același semnal sonor ajunge la cele două microfoane cu o mică întârziere care este utilizată pentru a calcula viteza de propagare a sunetului. Deoarece există translații între întârziere, fază și indicele de intensitate a presiunii pentru măsurătorile intensității sonore, erorile din perspectiva fazei pot fi examinate și transpuse în perspectiva indicelui de intensitate a presiunii.

Atât microfoanele, cât și componentele electrice din canalele de măsurare modifică faza semnalelor. Orice diferență în modificarea celor două canale va produce erori de nepotrivire de fază. Cantitatea de nepotrivire de fază dintre cele două canale din sistemul de analiză determină limita de frecvență joasă. La frecvențe înalte, modificarea de fază pe distanța de distanțare este mare. De exemplu, schimbarea de fază este de 65° la 5 kHz pe un distanțier de 12 mm. Pe de altă parte, la frecvențe joase, modificarea de fază pe distanța dintre distanțiere este mică. La Hz,50 diferența de schimbarea de fază pe un distanțier de 12 mm este de numai 0,65°. Pentru o precizie de 1 dB, schimbarea de fază pe distanța de distanțare ar trebui să fie de peste cinci ori mai mare decât decalajul de fază.

Standardul internațional pentru instrumente de intensitate acustică IEC 61043 stabilește cerințele minime pentru instrumente, indicele de intensitate presiune-residuală. Aceste cerințe pot fi traduse în erori de fază pentru întregul sistem, care dau ±0,086° la Hz 50 și ± 1,7° la kHz.5