Universitatea Politehnica BucurestiFacultatea de Mecanica si Mecatronica

Identificarea surselor de zgomot

Profesor Comeaga DanielMasterand Topor Claudia

2012-2013

Intensitatea acustica

In cazul sunetelor se deosebesc două feluri de intensităţi şi anume: intensitatea sonoră (sau acustică) şi intensitatea auditivă. Intensitatea sonoră (IS) reprezintă energia transportată în unitatea de timp pe unitatea de suprafaţă de către unda sonoră. Valoarea acesteia este:

şi poate fi exprimată cu ajutorul presiunii sonore maxime astfel:

Această relaţie arată că intensitatea sonoră (IS) este invers proporţională cu

rezistivitatea acustică a mediului (RS). Este important de notat că intensitatea sonoră este o mărime obiectivă, valoarea sa putându-se determina cu diferite dispozitive experimentale.

Există o valoare minimă a intensităţii unui sunet de o anumită frecvenţă, care poate fi percepută de om, numită prag de audibilitate, şi o valoare maximă, numită prag al senzaţiilor dureroase. Aceste valori de prag depind de frecvenţa sunetului. In Fig. 1 este reprezentat domeniul de percepţie auditivă accesibil unei urechi omeneşti normale. Datorită gamei de valori largi pentru intensitatea sonoră s-a convenit să se definească mărimea denumită nivel sonor (NS) prin relaţia:

unde este intensitatea sonoră de referinţă, care reprezintă intensitatea sonoră de pe pragul de audibilitate al sunetului normal (ν = 1000Hz). Conform relaţiei, nivelul sonor variază de la 0 la 14. Unitatea de măsură a nivelului sonor (NS) este belul (B). In practică se foloseşte decibelul (1dB = 0,1B) şi relaţia devine:

Fig. 1 Sunetele audibile au nivelul sonor cuprins între valorile 0 şi 140 dB

Nivelul sonor nu poate depăşi 191 dB, deoarece în acest caz se produce fenomenul de cavitaţie (ieşirea din domeniul de elasticitate a aerului), aerul neputând suporta peste această valoare, propagarea undelor elastice. Intensitatea sonoră maximă, ce poate fi atinsă în aer este deci .

Intensitatea acustica poate fi masurata in orice camp acustic, adica si la locurile de functionare ale echipamentelor, respectiv in situ. De asemenea, masurarea zgomotului masinilor individual, sau a componentelor lor poate fi facuta in prezenta altor surse acustice radiante, deoarece zgomotul stationar nu contribuie la stabilirea puterii acustice in conditile de masurare ale intensitati. Baza teoretica a masurarilor intensimetrice a fost pusa in anul 1932 de catre H. F. Olson. Din pacate, dificultatile existente la acea vreme in ajustarea si calibrarea echipamentelor intensimetrice au impiedicat dezvoltarea acestei tehnici de masurare acustica. In 1977 F. J. Fahy si J. Y.Chung au aratat, independent unul fata de altul, ca functia intensitate acustica poate fi calculata ca fiind partea imaginara a functiei de transfer obtinuta de la semnalele furnizate de doua microfoane amplasate in apropierea sursei si conectate la un analizor bicanal al transformatei rapide Fourier, in prescurtare FFT. Intensitatea acustica, sau densitatea fluxului de energie acustica, este o marime vectoriala care descrie cantitatea neta si directia curgerii puterii acustice intr-un punct dat in spatiu, exprimata in W/m2. Intensitatea acustica este in mod

normal prezentata ca un nivel in decibeli, dB, nivel raportat la referinfa de 1 pW/m2.Intr-un mediu in care nu exista o propagare acustica, componenta vectorului intensitate acustica in directia r egaleaza produsul dintre presiunea instantanee p si viteza in directia r a particulei in acel punct, bara de deasupra produsului respectiv semnificand medierea sa in timp [5, 6], p fiind densitatea aerului, iar ∆r distanta dintre microfoane.

(1.1)

In relatia (1.1) presiunea acustica este considerata ca media presiunii acustice intre doua microfoane, adica egala cu (pA+ pg)/2, viteza fiind calculata cu relatia (1.2):

(1.2)

Nivelul intensitatii acustice in decibeli, in care I0 = 1 pW/m2, rezulta:

(1.3)

Puterea acustica se obtine din intensitatea acustica prin integrarea acesteia pe suprafata a:

(1.4)

Masurarea intensitatii acustice

Intensitatea acustica este media in timp a produsului dintre presiunea si viteza particulei. Desi presiunea poate fi masurata simplu cu un microfon, stabilirea vitezei particulei in acel punct este mai dificila si pentru aceasta se procedeaza la masurarea sa indirecta prin gradientul presiunii, adica masura in care presiunea instantanee se modifica cu distanta. Cu ecuatia lui Euler, este posibil sa se masoare gradientul de presiune folosind doua microfoane foarte apropiate si care permit aprecierea vitezei particulei. Deoarece gradientul presiunii este o functie continua, cu o evolutie lenta in spatiu, prin asezarea apropiata a doua microfoane se obtine aproximarea gradientului presiunii prin considerarea diferentei de presiune dintre microfoane, care se imparte la distanta dintre acestea, conform metodei de aproximare prin diferente finite. In practica, gradientul de presiune poate fi aproximat prin masurarea presiunilor Pa si Pb, in doua puncte foarte apropiate, A si B, procedandu-se apoi la impartirea diferentei presiunilor pB - pA, la distanta de separare dintre transductoare ∆r, rezultand astfel viteza estimata a particulei in directia r, asa cum se prezinta in relatia (1.3). Aceasta aproximare este valabila atata vreme cat distanta ∆r este mult mai mica decat lungimea de unda, X. Sonda de masura intensimetrica este formata din doua microfoane aflate la o distanta relativ mica unul fata de altul, iar masurarea gradientului de presiune se face pe linia ce uneste centrele microfoanelor. O a doua sursa de eroare in stabilirea cu precizie a intensitati acustice o reprezinta diferenta de faza dintre semnalele de la intrarile microfoanelor A si B.O metoda relativ simpla pentru a elimina o posibila diferenta de faza intre cele doua intrari ale semnalelor provenite de la cele doua microfoane consta in considerarea intensitatii medii a doua masurari, una in pozitia data, iar cea de-a doua realizata cu cele doua microfoane in poziti interschimbate. Ideea de baza a tehnicii de comutare este de a interschimba acele parti ale cailor de masura care pot conduce la diferente de faza. Cu acest procedeu se obtine urmatoarea relate de aproximare a erorii:

(2.1)

in care:

∆r- este distanta dintre microfoane;k - numarul de unda (k = X/c), cu X, lungimea de unda a semnalului considerat;c - viteza de propagare a sunetului in aer.

In Fig. 2 se prezinta distana dintre microfoanele din trusele Brttel & Kjaer de masura ale intensitatii, ca si domeniile de frecventa ce pot fi analizate pentru a se obtine o exactitate de ± 1 dB.

Fig. 2

Din relatia 1.4 se observa ca eroarea datorata diferentei de faza este independenta de frecventa si distanta dintre microfoane, in practica ea devenind neglijabila.

In prezent se folosesc trei tipuri de instrumente pentru calculele intensimetrice, bazate pe metoda celor doua microfoane: -instrumente analoge, portabile, la care intensitatea se masoara pentru o banda larga, spre exemplu pe liniar, ponderata A, sau in octave (analizorul intensitatii acustice 4433 Brüel & Kjaer); -analizoare cu dublu canal, de tipul transformatei rapide Fourier, FFT, in care intensitatea se calculeaza din partea imaginara a functiei spectrului de transfer dintre cele doua semnale (metoda se aplica pentru benzi inguste de frecventa si pentru semnale stationare, spre exemplu analizorul 2034 Brüel & Kjaer); -echipamente ce aplica tehnici digitale, care permit evaluarea intensitatii prin utilizarea unui set de filtre standardizate de octava sau de treime de octava, in timp real. Determinarea intensitatii acustice foloseste o metoda directa, ce se aplica cu instrumente analoge sau numerice, precum si o metoda indirecta, numai cu instrumente numerice.

La metoda directa calculul componentei I se face cu relatia:

(2.2)

Fig. 3 prezinta schema echipamentului 3360 Brüel & Kjaer pentru determinarea directa a intensitatii acustice in care se folosesc filtre de treime de octava cu frecvenfe cuprinse intre 3,2 Hz $i 10 kHz. Presiunea acustica este considerata ca fiind media presiunilor in punctele A si B, iar viteza este calculata conform relatiei (1.3).

Fig. 3

Metoda indirecta se bazeaza pe proprietatile analizorului transformatei rapide Fourier, (FFT), care poate calcula intensitatea acustica in direcfia r ca parte imaginara a spectrului de transfer al semnalelor provenite de la cele doua microfoane.

(2.2)

Aceasta este forma uzuala a intensitati acustice calculata prin metoda indirecta, cea mai utilizata azi, la care rezultatele finale se obtin printr-o unitate de procesare a datelor.

Calibrarea echipamentului de masurare

Unul dintre avantajele utilizarii tehnicii celor doua microfoane este usurinta cu care pot fi calibrate microfoanele aplicand un pistofon (spre exemplu 4220 Bruel & Kjaer), care asigura un nivel al presiunii acustice de 124 dB, cu referinta de 20 µPa pentru frecventa de 250 Hz. Pentru masurarile intensimetrice, referinta pentru puterea acustica este de 1 pW/m2, astfel aleasa incat o unda plana ce se

propaga liber sa aiba un nivel al presiunii acustice de 0 dB, care corespunde la 0 dB pentru nivelul intensitatii acustice, asa cum se arata in relatiile 3.1 si 3.2.

(2.3)

Pentru cazul p = 20pPa si, deoarece p c « 400 kg/m2 s, rezulta:

(3.2)

Barometrul care face parte din trusa pistofonului poate fi utilizat pentru a tine seama de corectia corespunzatoare presiunii atmosferice, notata cu pamb, presiunea de referinta, p0, fiind de o atmosfera. Corectia presiunii ambientale fiind data in relatia (3.3). Deoarece si temperatura este diferita de temperatura de referinta de T0

= 20°C, iar densitatea aerului este invers proportionate cu temperatura absoluta T, rezulta si termenul corectiei de temperatura, relatia (3.4).

∆Lp=10•lg (pamb/p0)2=20· lg (pamb/p0) (3.3)

(3.4)

Aceste corectii sunt in general mici, spre exemplu pentru o temperatura de 40°C si o presiune ambientala de 750 mbar, cum avem in Mexico City, capitala Mexicului, la 2300 metri deasupra nivelului marii, corectia este de numai 0,1 dB.

Aplicatiile intensitatii acustice

Determinarea puterii acusticeAceasta este una dintre principalele aplicatii ale masurarilor intensimetrice. Determinarea puterii acustice prin masurari ale intensitatii acustice se executa prin considerarea unei suprafete care inglobeaza sursa, intensitatea descriind puterea care trece prin acea suprafata conform relatiei 4.1.

Localizarea surselor acustice O alta importanta aplicatie a intensitatii acustice este localizarea surselor acustice sau detectarea „scaparilor acustice". O prima metoda prevede parcurgerea cu sonda de masura, in punctele de pe suprafata de masura, cat mai aproape fata de aceasta, urmarindu-se diferentele. Atunci cand apare o suprafata cu o mare intensitate acustica, spectrul poate fi inregistrat, iar investigarea poate continua.

Fig. 4 Gama sunetelor naturale, adica întinderea ca nivele deintensitate, cât si ca banda de frecvente este foarte mare

Localizarea surselor de zgomot prin intensimetrie

Intensitatea sunetului este un instrument versatil pentru amăsura magnitudinea și direcția propagarii sunetului într-un anumit câmp. Tehnica de măsurare este utilizată pentru o varietate de aplicații, cum ar fideterminarea puterii acustice, de absorbția și transmisia sunetului.

Intensitatea sunetului este definită ca rata de fluxul de energie acustica pe unitatea de suprafață și se măsoară în W/m2.

Fig. 5

Energia acustică este în mod normal, denumita putere acustică - măsurată în W [watt] - și este definita ca energia acustica transmisa prin aer radiată de o sursă.

Presiunea sunetului - măsurată în pascali [Pa] - este definită ca variatia presiunii aerului datoratasunetului   suprapusă pe presiunea statică. Intensitatea sunetului este calculata ca produsul dintre presiunea sunetului și viteza particulelor. În timp ce presiunea sunetului poate fi ușor de măsurat direct, viteza particulei este de obicei determinată de o aproximare a unei diferente finite.

Localizarea și măsurarea surselor de zgomot

Așa cum am arătat anterior, utilizând echipamente de măsurare a intensității acustice este posibilă localizarea surselor de zgomot,diagnosticarea echipamentelor prin cartografiere acustică și determinarea puterii acustice a unei surse de zgomot. Poziția sursei de zgomot este perpendiculară pe sonda de intensitate atunci când intensitatea măsurată are valoarea minimă, așa cum arată figura de mai jos: 

Fig. 6

Masurarea unei surse

Pentru măsurarea intensității unei surse de zgomot sonda trebuie îndreptată către sursă: 

Fig.7

Sistem portabil de masurare intensitate acustica (BZ 7233 - 2270G )

Sistem portabil de masurare intensitate acustica  care oferă măsurători de sunet de

intensitate pentru localizarea sursei de zgomot, calcule de putere acustică și cartografierea zgomotului.

 Fig.8

Sonometrul 2270 cu modulul intern BZ 7233 si sonda de intensitate tip 3654 poate masura  intensitatea acustica conform IEC 61043

Utilitate si functii:- aplicatie interna software pentru determinare putere acustica- aplicatie software identificare surse de zgomot- cartografiere acustica- Detectarea scurgerilor- acustica cladirii adiacente

 Caracteristici

- 1/1- și 1/3-octave analize- Gamă de frecvențe: 50 Hz-10 kHz folosind un spatiu de 12 mm- măsurarea indicatorilor de calitate- Măsurarea suprafeței cu până la 15 × 15 segmente- fotografice, metadate textuale, și adnotări verbale- manager de date vizual ce ține evidența măsurătorilor și a datelor- Numărul hartii suprapus pe o imagine a obiectului de măsurare- Export în software-ul de cartografiere

Sistemul portabil este alimentat de baterie pentru masuratori intensitate a sunetului pentru locația sursă de zgomot și calcule de putere acustică. Acesta include cele 2 canale portabile Analizorul de tip 2270 (care încorporează sonometru), Software-ul pentru masurarea intensitatii sunetului BZ-7233 și o sonda Sonda de intensimetrie Tip 3654.

Acest sistem include un analizorul portabil cu o carcasă rezistentă la intemperii, o sonda cu geam, o tijă de extensie un mâner, un adaptor pentru calibrarea intensitatii sunetului Tide tip 4231, o măsură de bandă și căști. Setul poate contine, de asemenea, accesorii optionale, cum ar fi un calibrator de sunet, calibrator pentru intensitatea sunetului și baterii de rezervă.

Beneficii- libertatea de a merge oriunde- măsurători rapide- indicatori de calitate ce asigură date valide- Navigare ușoară a rezultatelor cu hartă fotografică hidroizolata- Obțineținerea rezultatelor la fața locului

Software

BZ5503 - Measurement Partner Suite - soft inclus pentru transfer date la PC din 2250/2270

 

 

Fig. 9

Aplicatia permire descarcarea datelor din sonometru, crearea de arhiva pe PC, vizualizarea masuratorilor si redarea audio a zgomotului masurat, si exportul datelor in diferite alte aplicatii Bruel & Kjaer (Evaluator, Predictor-Lima, Protector) sau in format xls.

Transferul de date se poate face prin cablu USB, transfer direct de pe cardul SD al sonometrului, sau prin retea LAN sau wireless.

Measurement Partner Suite se livreaza automat cu orice sonometru 2250/2270 achizitionat si este aplicatia ce ama moderna de vizualizare, arhivare si post-procesare pentru profesionistii din domeniul acusticii si vibratiilor, astfel proiecta incat ofera cel mai scurt drum de la masurare la raportul final.

Configuratia standard ofera arhivare date, vizualizare, export precum si intretinere pentru soft si sonometru si comanda la distanta pentru sonometru.

Sunt disponibile module optionale: logging (inregistrare) si spectrum (analiza spectrala) care maresc functionalitatea aplicatiei Measurement Partner Suite. Aceste module pot fi comandate pe baza de subscriptie preplatita astfel incat pot fi utilizate doar atunci cand este nevoie de ele.

Caracteristicile aplicatiei Measurement Partner Suite

- descarcare date, vizualizare, arhivare- intretinere si setare sonometru- comanda la distanta sonometru prin USB, LAN, wireless- post-procesare si export al datelor masurate- Export al  adnotarilor (note, audio, imagini)- 'Pack and go' pentru fisiere prin email- Vizualizare coordonate GPS in Google Maps™- Corectarea zgomotului de fond conform standardelor în vigoare- Redarea înregistrărilor de 16 și 24 bit- Afișarea curbelor de zgomot Cz.

Difuzorul

Fig. 10 Difuzor în cutie de rezonanţă (boxă)

Difuzorul este un dispozitiv în care energia electrică de audiofrecvență de la ieșirea receptorului radio, TV sau amplificatorului se transformă în sunet. Această transformare se face prin mai multe sisteme și anume:electromagnetic, electrodinamic, piezoelectric și electrostatic.

Constructiv, difuzorul are o parte fixă, carcasa, care susține partea mobilă. Descriu mai jos cum funcționează fiecare sistem de difuzor.

Sistemul electromagnetic

Difuzorul bazat pe acest sistem este o construcție simplă care se bazează pe acțiunea câmpului magnetic alternativ. Se compune dintr-un magnet permanent care între cei doi poli are montată o bobină prin care circulă un curent de audiofrecvență emis de amplificator. Prin mijlocul bobine se găsește montată,

circulând liber, o lamelă elastică de oțel care la un capăt este cuplată de o membrană în formă de pâlnie (poate pentru anumite cerințe să fie și plană). Datorită curentului de audiofrecvență și sub acțiunea câmpului magnetic alternativ, lamela vibrează antrenând membrana difuzorului emițând sunete. Cu toate că acest tip de difuzor are o sensibilitate bună, caracteristica de redare a frecvențelor este foarte proastă și cu distorsiuni mari. Nu se mai folosește, el a fost difuzorul începuturilor.

Sistemul electrodinamic

Fig. 11 Secţiune printr-un difuzor electrodinamic: Se pot vedea bobina, membrana, suspensia (sau fluture) şi cadrul metalic al difuzorului

În acest sistem găsim două tipuri constructive: cu magnet permanent și cu electromagnet sau cu excitație (necesită un montaj care să asigure o tensiune de c.c. pentru bobina electromagnetului).

Constructiv sunt asemănătoare. Magnetul permanent sau electromagnetul dezvoltă un câmp magnetic circular în care se montează o bobină legată rigid de o membrană fixată în parte de sus a carcasei metalice, iar la nivelul legăturii cu bobina de un element numit fluture, care stopează ieșire completă din câmp a bobinei.

Curentul electric de audiofrecvență care trece prin bobină, creează în jurul acesteia un câmp magnetic alternativ care prin interacțiune cu câmpul magnetic permanent al magnetului sau electromagnetului produce o forță ce deplasează bobina pe verticală.

Acest tip de difuzor se caracterizează printr-o caracteristică de frecvență bună și largă și o gamă largă a puteriilor radiate. Puterea lor este de la câțiva fracțiuni de watt și zeci și sute de wați.

Sistemul piezoelectric

Principiul de funcționare: pe armăturile elementului piezoelectric se aplică tensiunea alternativă de audiofrecvență. Elementul începe să oscileze mecanic în aceeași frecvență. Oscilațiile sunt transmise membranei fixate rigid de elementul piezoelectric, care produce vibrații sonore. Acest tip de difuzoare se pretează pentru redarea frecvențelor audio superioare peste 8000 Hz. Puterea lor este oarecum limitată de rezistența mecanică a elementului piezoelectric.

Sistemul electrostatic

Fig. 12 Schema unui difuzor electrostatic

Acest tip de difuzor se poate compara cu un condensator. Este constructiv compus dintr-un electrod fix și un electrod mobil (se pot numi fiecare și armătură). Sunt

confecționați dintr-o peliculă dielectrică foarte subțire, metalizată pe una din părți. Între cei doi electrozi se aplică o tensiune continuă care creează câmpul electric inițial. La aplicarea tensiunii alternative de audiofrecvență, armătura mobilă va vibra, producând sunete.

Calitatea redării în domeniul frecvențelor înalte este mult mai bună față de sistemul electrodinamic, ajungând să redea sunete până la 20 kHz.

Pentru o bună sonorizare difuzorul trebuie montat într-un sistem acustic.

Pentru a obține o deplasare liniară a armăturii mobile (în funcție de tensiunea aplicată) se pot folosi doi electrozi ficși în loc de unul singur, ca în figura alăturată. În acest caz, pentru a putea emite sunete efectiv, electrozii ficși trebuie să fie niște plăci perforate sau grile de sârmă.

Frecventa propie

Frecvența proprie a unui difuzor este cea mai joasă frecvență pe care acesta poate să o reproducă. Ea este cu atât mai mică cu cât suprafața membranei este mai mare si cu cât este mai mare amplitudinea (ondulația) ei (a membranei).

Bibliografie

http://cadredidactice.ub.ro/mihaelalazar/files/2011/03/cap4sunet.pdfhttp://www.etc.tuiasi.ro/esa/lab1.pdfhttp://idd.univ-ovidius.ro/tutorials/cursuri/fim/ing12/cap5.pdfhttp://www.envi.ro/?view=news&action=viewnews&newsid=263http://www.envi.ro/index.php?view=news&action=viewnews&newsid=282http://www.bksv.com/Products/handheld-instruments/sound-level-meters/sound-level-meter-kits/sound-intensity-2270-g.aspxhttp://www.envi.ro/index.php?view=page&categoryid=9&subcatid=67&tabid=160http://ro.wikipedia.org/wiki/Difuzor