Műszaki akusztikai mérések. (Oktatási segédlet, készítette: Deák Krisztián)

Átírás

1 Műszaki akusztikai mérések (Oktatási segédlet, készítette: Deák Krisztián) Az akusztika tárgya a 20 Hz és Hz közötti, az emberi fül számára érzékelhető rezgések vizsgálata. A legegyszerűbb jel, a harmonikus függvénnyel jellemezhető szinuszjel. Ez egyrészt szabványos mérőjel is. 1.ábra: Szinuszjel További szabványos mérőkelek: négyszögjel, háromszögjel, fűrészjel, 1/f jelek. Néhány színképnek gyakorlati jelentőségük miatt külön nevet adtak. Ilyen a fehérzaj, szürke zaj és a rózsaszín zaj. Fehérzaj A fehérzaj olyan, hangtechnikában használatos véletlenszerű zaj, amire igaz az, hogy a teljes vizsgált frekvenciatartományban (emberi érzékelő esetén 20 Hz 20 khz) a hangnyomásszintje állandó. Szürke zaj A szürke zaj esetén egy jól meghatározott, szűk frekvenciatartományban folytonos hangnyomásszint van, míg az összes többi frekvencián nem mérhető hangnyomásszint. Rózsaszín zaj Rózsaszín zajnak nevezik az olyan zajt, melynek hangnyomásszintje a frekvenciával fordítva arányosan esik, és az olyat is, melynek a hangnyomásszintje a frekvencia négyzetével fordítottan arányosan esik. 1

2 A rózsaszín zaj a hangtechnikában egyértelmű jelentéssel bír: véletlenszerű zaj, amelynek a teljes vizsgált frekvenciatartományban (jellemzően 20 Hz 20 khz) a hangnyomásszintje oktávonként 3dB-lel csökken. Többek közt többutas, aktív hangrendszer beállítására használják. Színes zajok Az olyan zajokat, melyek frekvenciája határozottan nem állandó értékű, de gyakorlatilag jól meghatározható frekvenciasávba esik, színes zajoknak nevezik. A fehérzajtól eltérően nincs a különféle színes zajspektrumoknak általánosan elfogadott meghatározása. Emiatt a többértelműség miatt a tudományos cikkek az 1/f zaj fogalmat olyan folyamatokra alkalmazzák, melyek zaj-teljesítménysűrűsége fordítottan arányos a frekvenciával. A zajok a mérőjelekhez képest összetett spektrumképpel rendelkeznek: A színkép egy adott zaj vagy hang hangnyomásszint értékeinek a frekvencia függvényében történő ábrázolása. Megkülönböztetünk folytonos színképet, amikor nagyjából minden frekvencián van valamekkora hangnyomásszint érték, és vonalas színképet, amikor csak bizonyos frekvenciákon van hangnyomásszint. 2. ábra: Zajspektrum A zaj emberi szervezetre gyakorolt hatása a hangosság függvényében a következő: 30 db zajszint pszichés 65 db zajszint vegetatív 2

3 90 db zajszint hallószervi 120 db zajszint fájdalomküszöb db zajszint maradandó halláskárosodás 160 db zajszint dobhártyarepedés 175 db zajszint halálos Az azonos hangerősséget az ún. Fletcher-Munson görbék ábrázolják: 3. ábra: Fletcher-Munson görbesereg A zajanalizátorok használt súlyozó görbék és üzemmódok A zajanalizátorok különböző szűrési módokat tartalmaznak, amelyek arra szolgálnak, hogy a műszer a zajmérést, a hallásunk tulajdonságainak figyelembevételével végezze el. Az egyik ilyen tulajdonsága az, hogy az érzékenysége a középfrekvenciáktól az alacsony és magasabb frekvenciák felé haladva folyamatosan csökken. A másik az, hogy ez az érzékenység csökkenés egyre kisebb mértékű a hangnyomásszintek emelkedésével. A műszer négy alapvető szűrési módja: 1. A lineáris, egy frekvenciasúlyozás nélküli műszer üzemmódot jelent, amely a mikrofonon mért hangnyomásszinteket változtatások nélkül, db formában jelzik ki. 2. A következőkben leírt három szabványban meghatározott súlyozó görbék teszik lehetővé, hogy a műszer érzékenysége a halláséval azonos módon változzon a frekvencia 3

4 függvényében. A görbék mindegyike tulajdonképpen egy-egy szűrő átviteli karakterisztikáját jelenti, amelyek közül az db(a) súlyozó görbét szinte minden mérésnél használni kell. Ezen szűrő, a mélyfrekvenciák felé haladva egyre nagyobb csillapítással rendelkezik. Kis hangnyomásszintek esetén használhatóak. 4. ábra: A-súlyozás A közepes hangnyomásszintek mérésénél db(b) súlyozó görbét szokás használni. A görbe lefutása nem sokban tér el az előzőtől. A harmadik súlyozó görbe, a nagy hangnyomásszintű, azonos hangosságú görbék közelítésére használatos, ezért ezt a görbét kimondottan nagyszintű zajok (Munkahelyi zajok) mérésénél alkalmazzuk. A három súlyozó görbén kívül még létezik egy negyedik D (db) is, amely kifejezetten nagyon nagy hangnyomásszintű zajok mérésére szolgál. Ez ritkán használatos, mert ilyen hangnyomásszintek ritkán fordulnak elő a hétköznapi életben. 4

5 5. ábra: C-súlyozás 6. ábra: Súlyozógörbék összehasonlítása A zajanalizátorok másik nagyon fontos beállítási lehetősége a mérés átlagolási idejének a beállítása. Ezek a következők: - Slow: 1másodperces időintervallumokra végzi el az átlagolást. 5

6 - Fast: az átlagolást 125ms-os időtartományokra végzi. Ezt a beállítást lassan változó jelek esetében érdemes alkalmazni, mivel gyorsan változó jelek esetén a kijelzett értékek nehezen olvashatók le a gyors változás miatt. - Impulse: 1 másodpercnél rövidebb jelek mérésre használható ez a 35ms-os időállandójú beállítási mód. Ebben a beállításban a műszer megjegyzi és kiírja a rövid jel ideje alatt mérhető legnagyobb hangnyomásszintet. Mérőeszközök: Leggyakrabban kézi zajszintmérő használatos dba és dbc értékeléssel. SL-100 típusú kézi zajszintmérő Főbb jellemzők: Mérési tartomány db A/C Pontosság ± 2 db (1 khz) 7.ábra: SL-100 kézi zajszintmérő 6

7 8.ábra: Zajszintmérők felépítése A mikrofonok paraméterei A kondenzátor mikrofonok legfontosabb paraméterei : - érzékenység - iránykarakterisztika - maximális elviselhető hangnyomásszint - kimeneti impedancia - membrán mérete - saját zaja - tápforrás 7

8 9. ábra: Mikrofonok gömbi és kardoid karakterisztikával A mikrofonok kalibrálása A mikrofonok adott feladathoz való alkalmassága a működési tartománya alapján dönthető el. Ezt a kalibrálási eljárás során megmért adott frekvenciához tartozó érzékenységből vagy adott amplitúdó szinthez tartozó nyomásérzékenység frekvenciamenetéből határozható meg. A transzfer módszernél, egy adott frekvenciájú és hangnyomású eszközzel a kalibráció gyorsan és egyszerűen elvégezhető. Ezt a kisméretű elemes kalibráló készüléket, amely szabványos 94dB-es 1000Hz-es szinuszhangot bocsát ki pisztonfonnak nevezzük. 10. ábra: Zajszintmérő mikrofon kalibrálás Munkahelyi zajmérés esetén mérendő és azokból számítandó értékek A munkahelyi zaj mérésénél, minden kijelölt mérési ponton, három értéket kell mérni. A modern zajanalizátorok már képesek ezek egyszerre történő mérésére és kijelzésére. Ahhoz, hogy a mért értékek tükrözzék a valóságot, a mérés idejét a zaj jellegének megfelelően kell 8

9 megválasztani. Állandó zaj esetén rövid, változó zaj esetén minimum 10 perc mérési idő szükséges. A mérendő értékek a következők: - A zajterhelés, amely a munkahelyen keletkező zaj egyenértékű A-hangnyomásszintjével (LAeq) egyenlő. τ értékelési idő s-ban T = s a megítélési idő 11. ábra: Környezeti zajmérés 9

10 Akusztikai szoftverek: A legismertebb, közkedvelt ilyen program a CoolEdit ill. utódja az Adobe Audition. A CoolEdit és a CoolEdit Pro sokáig uralta a piacot, könnyen kezelhető, sokcsatornás wave-editor az össze szükséges funkcióval, spektrálanalízistől, jelszintézisen át, szűrésig és effektezésig. Rendelkezik multitrack szolgáltatással, mp3 exporttal, 96kHz/24 bites felbontással. A MATLAB szoftvert senkinek sem kell bemutatni, különösen olyan műveletek esetén érdemes hozzá fordulni, amikor a szokványos wave editorral nem boldogulunk (pld. konvolúció, speciális szűrések, tömörítések stb.). A MATLAB-hoz sok helyen lehet letölteni ill. megvásárolni olyan toolbox-okat, amelyek előre megírt rutinokat alkalmaznak speciális feladatokra. Az Audacity ingyenes hangszerkesztő kiváló tulajdonságokkal rendelkezik: wav, mp3, oggtámogatás, 26 beépített effektus. Tetszőleges csatornákat használhatunk, ezeket vághatjuk és összeilleszthetjük, keverhetjük. Egyéb lehetőségek: spektrum- és frekvenciaanalizáló, valamint kiváló hangdigitalizáló. Spektrumelemzés: Célja a zajban fellelhető frekvenciaösszetevők értékelése, elemzés frekvenciatartományban. A Fourier transzformáció Ahogy látható, az impulzus gerjesztés nagy előnye, hogy közvetlenül mutatja az időtartománybeli választ (a többi nem), és gyors is. Az átviteli függvényt a már ismert Fouriertranszformációval közvetve kapjuk meg: Diszkrét Fourier transzformáció: 10

11 A gyors Fourier-transzformáció (FFT = Fast Fourier Transform) a diszkrét Fouriertranszformált kiszámítására szolgál. Ehhez egyenközű mintavétel szükséges, ahol. Műveletigénye. A mintavételezés frekvenciáját úgy kell választani, hogy legalább kétszer akkora legyen, mint a maximális feldolgozandó frekvencia, különben torz kép jön létre. Több perióduson át kell mintavételezni úgy, hogy a mintavételezés máshova essen az egyes periódusokban. Például, ha a jel frekvenciája 1 khz, akkor jobb 2100 Hz-cel mintavételezni, mint 2000-rel, és még jobb mondjuk 4100 Hz-cel, vagy még ennél is nagyobb frekvenciával. Shannon féle mintavételezési elv, aliasing jelenség A mintavételezésre vonatkozó Shannon tétel azt mondja ki, hogy a mintavételezési frekvenciának legalább kétszer akkorának kell lennie, mint a vizsgált jelből általunk kimutatni kívánt legnagyobb frekvencia. Az ablakfüggvények alkalmazása A mintavételi időtartam általában nincs összhangban a jel periódusával, így a kezdő és a végső érték nem egyenlő. Ez az FFT során úgy jelentkezik, mintha a függvénynek szakadása lenne, ami torzítja a spektrumot. Az ekkor fellépő jelenséget nevezzük szivárgásnak, ami oldalsávok megjelenését jelenti a tényleges frekvenciák mellett. A mintavételi időtartamból adódó szakadás hatását úgy lehet csökkenteni, hogy egy alkalmas függvénnyel (ablakfüggvénnyel) szorozzuk meg az időtartománybeli jelet, ami a függvény értékét a végpontokban nullává teszi, ezáltal az FFT számára a bemenet olyan, mintha egy folytonos periodikus függvényből származna a minta. Gyakran használt ablakfüggvények: - Hamming - Hanning - Blackman - Négyszög 11

12 Vágási meredekség: A meredekség általában 6 db/oktáv egész számú többszöröse, a gyakorlatban 6, 12, 18 és 24 db/oktáv meredekségű szűrőket használunk, amelyeket másképpen első-, másod-, harmad- és negyedrendű szűrőként is szoktunk emlegetni. A meredekebb szűrők erősebb zajcsillapítást produkálnak egységnyi frekvenciaváltozás hatására. Mérési feladat: 1. Állítson elő Audacity szoftverrel fehérzajt és rózsaszínzajt! Végezze el a jelek FFT elemzését Hanning ablakolással és lineáris tengelyléptékkel! 2. Állítson elő 1 KHz-es szinuszos mérőjelet, végezze el a jel rögzítését, majd az FFT elemzését Hanning ablakolással és logaritmikus tengelyléptékkel! 3. Végezze el a Géphang_1. mintajel FFT elemzését Hanning ablakolással és lineáris tengelyléptékkel! Elemezze a jel információtartalmát! 4. Végezze el a Géphang_1. mintajel zajszűrését, majd torzításmentes erősítését! 5. Végezze el a Géphang_1. mintajel 300 Hz-en történő, 12 db/ oktávos aluláteresztő szűrését, majd torzításmentes erősítését! Végezze el a jelek FFT elemzését Hanning ablakolással és lineáris tengelyléptékkel! 6. Végezze el a Géphang_1. mintajel 2000 Hz-en történő, 12 db/ oktávos felüláteresztő szűrését, majd torzításmentes erősítését! Végezze el a jelek FFT elemzését Hanning ablakolással és lineáris tengelyléptékkel! 7. Végezze el a Géphang_1. mintajel 1000 Hz-en történő lyukszűrését Q=1 jósági tényezővel! Végezze el a jelek FFT elemzését Hanning ablakolással és lineáris tengelyléptékkel! 8. Mérje meg SL-100 kézi zajszintmérővel a 200 Hz-es és az 1 KHz-es mérőjel zajszintjét A ás C szűrővel, majd elemezze a mérés eredményét! Számolja ki 4 órás feltételezett terhelési idő mellett a 8 órára vonatkoztatott egyenértékű zajterhelést! Döntse el, hogy a rendeletben szabályozott zajexpozíciós határértéktől milyen mértékben tér el a számított eredmény! 12