BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF MACHINE AND INDUSTRIAL DESIGN

AKUSTICKÁ DIAGNOSTIKA STROJŮ ACOUSTIC DIAGNOSTICS OF MACHINES

DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER'S THESIS

AUTOR PRÁCE

Bc. PETR GAJDOŠ

AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR

BRNO 2012

doc. Ing. IVAN MAZŮREK, CSc.

Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství Ústav konstruování Akademický rok: 2011/2012

ZADÁNÍ DIPLOMOVÉ PRÁCE student(ka): Bc. Petr Gajdoš který/která studuje v magisterském navazujícím studijním programu obor: Konstrukční inženýrství (2301T037) Ředitel ústavu Vám v souladu se zákonem č.111/1998 o vysokých školách a se Studijním a zkušebním řádem VUT v Brně určuje následující téma diplomové práce: Akustická diagnostika strojů v anglickém jazyce: Acoustic diagnostics of machines Stručná charakteristika problematiky úkolu: Cílem je vytvoření formálních i technických podmínek výukového pracoviště pro demonstraci metody mapování akustických polí SONAH na platformě B&K Pulse. Součástí projektu budou softverové pomůcky a výsledky měření zkušebního akustického zdroje. Cíle diplomové práce: Diplomová práce musí obsahovat: 1.Úvod 2.Přehled současného stavu poznání 3.Formulaci řešeného problému a jeho analýzu 4.Vymezení cílů práce 5.Návrh metodického přístupu k řešení 6.Analýzu a interpretaci získaných údajů 7.Závěr Forma diplomové práce:průvodní zpráva, měřící protokoly, postery Typ práce:analytická Účel práce:pro V-V a tvůrčí činnost ÚK Výstup RIV:software

Seznam odborné literatury: 1) Williams, E., G.: THE NEARFIELD ACOUSTICAL HOLOGRAPHY (NAH)EXPERIMENTAL METHOD APPLIED TO VIBRATION AND RADIATION IN LIGHT AND HEAVY FLUIDS, Naval Research Laboratory, Washington, DC, U.S.A. (Received 21 August 1995) 2) Hald, J.: Time Domain Acoustical Holography and Its Applications, Brüel & Kj

Vedoucí diplomové práce: doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. Termín odevzdání diplomové práce je stanoven časovým plánem akademického roku 2011/2012. V Brně, dne 18.11.2011 L.S.

_______________________________ prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. Ředitel ústavu

_______________________________ prof. RNDr. Miroslav Doupovec, CSc. Děkan fakulty

$%675$.7$./Ëý29È6/29$

ABSTRAKT Cílem této diplomové práce je vypracovat srovnání a zhodnocení vybraných metod mapování akustických polí. Souþástí projektu budou softwarové pomĤcky a výsledky mČĜení demonstraþního mČĜení na testovacím objektu pro všechny zkoumané metody.

KLÍýOVÁ SLOVA Mapování akustických polí, akustická diagnostika, akustická holografie, beamforming, SONAH, STSF, NS-STSF, intenzitní sonda.

ABSTRACT The aim of this master´s thesis is to work out a comparison and evaluation of selected methods used for sound field mapping. Thesis will include software tools and results of sample measurement on test object for each mapping method.

KEYWORDS Sound field mapping, acoustic diagnostics, acoustic holography, beamforming, SONAH, STSF, NS-STSF, intensity probe.

BIBLIOGRAFICKÁ CITACE GAJDOŠ, P. Akustická diagnostika strojĤ. Brno: Vysoké uþení technické v BrnČ, Fakulta strojního inženýrství, 2012. 68 s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Ivan MazĤrek, CSc..

PROHLÁŠENÍ PģVODNOSTI Prohlašuji, že jsem bakaláĜskou práci na téma Akustická diagnostika strojĤ vypracoval samostatnČ pod vedením doc. Ing. Ivana MazĤrka, CSc. a použitou odbornou literaturu a prameny jsem uvedl v seznamu použitých zdrojĤ.

V BrnČ dne 22. 5. 2012

……………………………....... Bc. Petr Gajdoš

PODċKOVÁNÍ Zde bych velice rád podČkoval doc. Ing. Ivanu MazĤrkovi, CSc a Ing. Milanu Klapkovi, Ph.D., za cenné informace a odborné vedení bČhem vypracovávání mé diplomové práce.

2%6$+

1 2

ÚVOD .......................................................................................................... 13 DEFINICE ZÁKLADNÍCH POJMģ ...................................................... 14 2.1 Zvuk ...................................................................................................... 14 2.1.1 Zvuk a hluk ........................................................................................... 14 2.1.2 Vznik hluku........................................................................................... 14 2.1.3 ŠíĜení hluku ........................................................................................... 14 2.1.4 Akustický tlak ....................................................................................... 15 2.1.5 Akustický výkon ................................................................................... 15 2.1.6 Akustická intenzita ............................................................................... 16 2.1.7 Hladiny akustických veliþin.................................................................. 17 2.1.8 Typy akustických polí ........................................................................... 18 2.2 Mapování akustických polí................................................................... 19 2.3 Mikrofonní pole .................................................................................... 19 2.4 Mapování pomocí intenzitní sondy ...................................................... 21 2.5 Beamforming ........................................................................................ 21 2.6 Akustická holografie v blízkém poli .................................................... 22 2.6.1 Evanescentní vlna ................................................................................. 25 2.6.2 STSF – Spatial Transformation of Sound Fields .................................. 26 2.7 Akustická holografie v þasové oblasti .................................................. 27 2.7.1 NS-STSF – Non Stationary Spatial Transformation of Sound Fileds .. 29 3 FORMULACE ěEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ěEŠENÍ ............ 30 3.1 Motivace diplomové práce ................................................................... 30 4 VYMEZENÍ CÍLģ PRÁCE ...................................................................... 31 4.1 Cíle práce .............................................................................................. 31 5 NÁVRH METODICKÉHO PěÍSTUPU K ěEŠENÍ ............................. 32 5.1 Popis principu metod ............................................................................ 32 5.1.1 Mapování pomocí intenzitní sondy....................................................... 32 5.1.2 Beamforming ........................................................................................ 36 5.1.3 SONAH – STSF.................................................................................... 40 5.1.4 SONAH – NS-STSF ............................................................................. 41 5.2 Provedení demonstraþního mČĜení ....................................................... 43 5.2.1 Testovaný objekt ................................................................................... 43 5.2.2 Mapování pomocí intenzitní sondy....................................................... 44 5.2.3 Beamforming ........................................................................................ 46 5.2.4 SONAH – STSF.................................................................................... 48 5.2.5 SONAH – NS-STSF ............................................................................. 50 5.3 Zpracování namČĜených dat.................................................................. 51 5.3.1 Mapování pomocí intenzitní sondy....................................................... 51 5.3.2 Beamforming ........................................................................................ 52 5.3.3 SONAH – STSF.................................................................................... 55 5.3.4 SONAH – NS-STSF ............................................................................. 55 6 ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH ÚDAJģ ..................... 57 6.1 Zhodnocení metod, mČĜení a výsledkĤ ................................................. 57 6.1.1 Metoda intenzitní sondy........................................................................ 57 6.1.2 Beamforming ........................................................................................ 59 6.1.3 SONAH – STSF.................................................................................... 60 6.1.4 SONAH – NS-STSF ............................................................................. 62 VWUDQD

2%6$+

7 8 9

ZÁVċR ....................................................................................................... 64 SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ ......................................................... 67 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK ..................................................... 68

VWUDQD

Ò92'

1

ÚVOD

Akustická diagnostika spolu s mČĜením vibrací je velice dĤležitou oblastí technické diagnostiky. UmožĖuje nejen lokalizaci a popis zdrojĤ hluku, ale dokáže vypovČdČt spoustu informací o technickém stavu zkoumaného objektu, jako jsou vadná ložiska þi defekt na ozubeném soukolí. Pro názornost a srozumitelnost výsledkĤ pĜi lokalizaci zdrojĤ hluku byly vyvinuty metody mapování akustických polí. Jedná se v základu o vytváĜení plošných þi prostorových map, ze kterých lze snadno odeþíst jednotlivé zdroje hluku sledované oblasti. Tato práce bude zamČĜena na nejbČžnČji využívané mapovací metody, kterými jsou metoda intenzitní sondy, tvarování svazku známé též jako beamforming a skupina metod rekonstrukce akustických veliþin na povrchu zdroje hluku oznaþována jako akustická holografie. Mapování pomocí intenzitní sondy je již velice rozšíĜené. Oproti tomu s metodami využívající mikrofonní pole, tedy beamformingem, ale pĜedevším skupinou metod rekonstrukce akustických veliþin na povrchu zdroje oznaþovanou jako akustická holografie se v praxi zatím setkáváme jen zĜídka, pĜestože jejich matematický popis je znám již nČkolik desítek let. Využívání mikrofonních polí, tedy skupin mikrofonĤ uspoĜádaných do rĤzných rovinných geometrických tvarĤ, znaþnČ pĜispČlo ke zrychlení a zjednodušení mČĜících procesĤ, kterým je spoleþnČ s popisem jejich principu tato práce vČnována.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ '(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

2

DEFINICE ZÁKLADNÍCH POJMģ POJM

2.1 Zvuk 2.1.1 Zvuk a hluk Zvuk je prĤvodní vodní jev naš našeho ho okolí a nazýváme jím mechanické vlnČní vln pružného okolí ve frekvenþním ním rozsahu lidské slyšitelnosti, což je 16 Hz – 20 kHz (s rostoucím rost vČkem kem se pásmo slyšitelnosti zužuje). Hlukem z pravidla nazýváme takový zvuk, který považujeme za nepĜíjemný, tedy nežádoucí. Obvykle je složen z dílþích tónĤ o kmitoþtech, tech, které nejsou celoþíselnými íselnými násobky. Definice hluku ovšem neexistuje, pojem neppĜíjemný zvuk je totiž velice subjektivní. [1] 2.1.2 Vznik hluku Hluk bychom z hlediska vzniku mohli rozdČlit na dvČ základní skupiny: •

•

aerodynamický hluk – Jedná se o hluk, který vzniká v místech neustálého proudČní kapaliny þii plynu, nebo v oblastech výrazných zmČn tlaku, zpĤsobující sobující vln vlnČní média. mechanický hluk – Hluk vytváĜený kmity pevných tČles les jako jsou stroje þi budovy. Plynné nebo kapalné prostĜedí edí je rozkmitáno vibrací povrchu pevného tČlesa. lesa. Akustická energie je závislá na tvaru povrchu a rozmČrech rech kmitajícího km tČlesa.

2.1.3 ŠíĜení hluku Hluk se šíĜíí hmotným prost prostĜedím edím pomocí akustické vlny, pohybující se všemi smČry od zdroje. VlnČní ní se pohybuje ve vlnoplochách, což jsou plochy v prostoru, které mají shodné hodnoty akustických veliþin. veli SmČr vlnČní urþuje, uje, zzda se jedná o: • •

podélné – ve smČru sm akustického paprsku pĜíþné – ve smČru sm kolmém na smČr akustického paprsku

Obr. 2-1 VlnČní v pružném prostĜedí [1]

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ '(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

2.1.4 Akustický tlak Akustickým tlakem nazýváme zmČnu zm tlaku, zpĤsobenou sobenou kmitáním þástic prostĜedí. Nejnižší akustický ický tlak, který jsme schopní slyšet se pohybuje okolo ok 20iȝPa a jde o práh áh slyšitelnosti.

Obr. 2-22 PrĤbČh akustického tlaku [1]

Jako akustický tlak p [Pa] tedy chápeme odchylku celkového tlaku od tlaku vlnČní v daném prostĜedí. Akustický ustický tlak je potom v klidovém stavu pĜii vln nesuperponován na barometrický tlak pb. [1] PĜi vlnČní o frekvenci f a fázovém posunu ĳ má akustický tlak tvar harmonické funkce , kde

p0 – amplituda tuda akustického tlaku ĳ – fázový posun. Efektivní hodnota tlaku je

kde:

2.1.5 Akustický výkon proj Akustickým výkonem P [W] nazýváme množství akustické energie, která projde myšlenou plochou za jednotku þasu. [1] Akustický výkon je definován vztahem v

kde:

p [Pa] – akustický tlak

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

v [m.s-1] – rychlost kmitání þástic S [m2] – plocha. 2.1.6 Akustická intenzita Akustická intenzita neboli intenzita zvuku, je vektorová veliþina urþující smČr a množství toku akustické energie v daném místČ prostĜedí. Tento vektor je þasovČ prĤmČrovaný souþin okamžitého tlaku p(t) a odpovídající okamžité rychlosti v(t) kmitajících þástic prostĜedí v témže místČ. [1]

!"

Akustická intenzita je vektorovou veliþinou, díky tomu urþuje smČr šíĜení akustického vlnČní, na rozdíl od akustického tlaku, který je veliþinou skalární. Akustická intenzita je tedy nulová kolmo na smČr vlnČní. V technické akustice se z pravidla mČĜí pouze akustický tlak a nikoliv akustická rychlost. S výhodou tedy využíváme konstantního pomČru mezi akustickým tlakem a akustickou rychlostí. [1] Zavádí se tedy mČrný vlnový odpor známý jako impedance Z [Ns/m3]

kde:

# $ % &'( -1 c [ms ] – rychlost zvuku.

) *

Akustické zdroje mohou být uvažovány jako bodové zdroje v pĜípadČ, že jejich rozmČry jsou malé v porovnání s jejich vzdáleností od pĜíjemce. U bodového zdroje se akustická energie šíĜí rovnomČrnČ do všech smČrĤ, tím se s rostoucí vzdáleností od zdroje rozprostírá do stále vČtší plochy. Výstupní výkon zdroje prochází sférickou plochou polomČru r. [1] Akustická intenzita této plochy je +

pĜi polomČru 2r potom

"

, - "

+ . , - " ,

Akustická intenzita je tedy inverznČ úmČrná na þtverci vzdálenosti zdroje od pĜíjemce. Platí-li podmínky volného akustického pole (kap. 2.1.8), zeslabí se o 6 dB pĜi každém zdvojnásobení vzdálenosti.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ '(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Obr. 2-3 ŠíĜení vlnČní prostorem [1]

2.1.7 Hladiny akustických veliþin veli ýlovČkk registruje akustický tlak ve velice široké širokém m rozsahu hodnot. Akustický -5 tlak prahu slyšitelnosti se pohybuje okolo 2.10 Pa. Tuto hodnotu bereme jako referenþní ní hodnotu, od které byly odvozeny referen referenþní ní hodnoty dalších akustických veliþin. in. Hodnota akustického tlaku, ppĜi kterém zaþínáme pociĢovat bolest olest, je okolo 100 Pa. [1] chto hodnot je potom zna znaþný, pĜibližnČ 1:1 000 000. Lidské ucho navíc PomČr tČchto nereaguje na zvukový podmČt podm lineárnČ, ale jeho vnímání je úmČrné rné logaritmu tohoto podnČtu. tu. Proto byla pro akustické veliþiny veli iny zavedena logaritmická m mČĜítka. Tato vyjádĜení ení akustických veliþin veli nazýváme hladiny akustických veliþin veli a jsou definovány vztahy / 01

2 23

hodnota hodnota porovnávané veliþiny veli iny / hodnota referen referenþní.

Jejich jednotkou je bel. bel Vzhledem ke znaþné velikosti této jednotky se používá jednotka desetkrát menší, tedy decibel [dB]. [1] Jednotlivé hladiny akustických veliþin veli jsou definovány: a) Hladina akustického výkonu Lw /4 56 01 kde:

78*

W [W] – hodnocený akustický výkon W0 = 10-12 W – referenþní výkon /4 56 01 5678

b) Hladina akustické intenzity LI

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

/9 56 01

78

I [W/m2] – mČĜená akustická intenzita I0 = 10-12 W/m2 – referenþní výkon

kde:

/9 56 01 5678

c) Hladina akustického tlaku LP

" /: 56 01 " 6 01 78*

kde:

p [Pa] – akustický tlak v daném bodČ akustického prostoru p0 = 2·10-5 Pa – referenþní hodnota akustického tlaku /: 6 01 ;,78

PĜi každém 10 násobném zvýšení akustického tlaku se hladina akustického tlaku zvýší o 20 dB. [1] 2.1.8 Typy akustických polí Zdroj zvuku ve svém okolí vytváĜí akustické pole. Toto pole je závislé na þinitelích jako: • • • • • •

umístČní zdroje tvar vyzaĜovaných vlnoploch velikost a tvar prostoru okolní plochy, pĜekážky pohltivost okolních stČn poþet zdrojĤ a jejich rozmístČní

PĜekážka vložená do cesty šíĜícím se akustickým vlnám ovlivní tvar zvukového pole a tvar jeho vlnoploch. Zvukové vlny se od pĜekážek odrážejí v pĜípadČ, kdy je délka vlny dopadajícího zvuku kratší, než jsou rozmČry pĜekážky. [1] Podle charakteru šíĜících se vln lze rozdČlit akustická pole na: • •

pole pĜímých vln – akustická energie se do prostoru šíĜí postupnými pĜímými vlnami pole odražených vln – þást energie se odráží zpČt od ploch v prostoru

Jako základní typy akustických polí se uvádČjí: • •

volné akustické pole difúzní pole

a) Volné akustické pole Ve volném akustickém poli se akustická energie šíĜí všemi smČry od zdroje rovnomČrnČ, pĜitom pĜedpokládáme, že se energie šíĜí neomezenČ. [1]

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Další vlastnosti volného akustického pole jsou: • •

rychlost kmitání þástic je ve smČru šíĜení podélných vln pĜi zdvojnásobení vzdálenosti od zdroje klesne hodnota akustického tlaku na polovinu a hladiny akustického tlaku a akustické intenzity se sníží o 6 dB

b) Difúzní pole Difúzní akustické pole má tyto vlastnosti: • tok energie má ve všech smČrech v každém bodČ prostoru stejnou intenzitu, která se nemČní s pozicí pĜíjemce • díky mnohonásobnému odrazu je akustický tlak v prostoru rovnomČrnČ rozložen Tato pole se však nikde v pĜírodČ nevyskytují. Z tohoto dĤvodu se provádí výstavby akustických zkušebních komor, ve kterých je snaha o co nejvČtší pĜiblížení se k výše definovaným polím. [1]

2.2 Mapování akustických polí

Pro detailní popsání zdroje hluku lze v technické diagnostice využít nČkterou z metod mapování akustických polí. Pomocí mapování je možné získat podrobné informace o hluku vyzáĜeném zkoumaným objektem, jako je pozice hlavních þi vedlejších zdrojĤ, šíĜení akustického tlaku þi rychlost kmitání þástic na povrchu zdroje. V následujících podkapitolách uvedu vybrané metody užívané k mapování, podrobnČjší popis principu jednotlivých metod bude uveden v kapitole 5.

2.3 Mikrofonní pole

Metody akustické holografie a beamformingu, které budou popsány v následujících kapitolách, využívají pro mČĜení specializovaných mikrofonních polí. V základu se jedná o skupinu mikrofonĤ uspoĜádaných do rĤzných geometrických tvarĤ. Tvar pole se liší podle technologie mČĜení, zkoumaného objektu, popĜípadČ vzdálenosti mezi mČĜící soustavou a zdrojem hluku. Dále se pole rozlišují dle rozmístČní mikrofonĤ, a to na pravidelné (napĜ. uniform rectangular array, URA) a nepravidelné. Avšak ani nepravidelná pole nejsou zcela nahodilá. Vykazují urþitou periodicitu, kruhové pole se mĤže opakovat po 120°, jak je tomu u pole pro STSF a beamforming spoleþnosti Brüel & Kjær.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Obr. 2-4 Typy akustických polí [2]

V dobČ vypracování této práce byly na FakultČ strojního inženýrství k dispozici dvČ kruhová pole urþená pro beamforming a SONAH (36 a 18 kanálové) a jedno ruþní 36 kanálové pole pro Comformal SONAH (metoda konformního mapování povrchĤ). Kruhová pole jsou ve své ose osazeny USB kamerou, díky které je umožnČno snadné a rychlé získání snímku mČĜeného objektu a následná automatická implementace snímku do vykreslené mapy zvolené akustické veliþiny.

Obr. 2-5 36 kanálové kruhové pole

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

2.4 Mapování pomocí intenzitní sondy

Intenzitní sonda je zaĜízení složené ze dvou mikrofonĤ, které jsou nejþastČji otoþené þely proti sobČ, pomocí nČhož je možné získat pĜes mČĜení akustického tlaku hodnotu akustické intenzity. Fakt, že intenzita je vektorovou veliþinou, dodává sondČ smČrovou citlivost, kdy nejvČtší citlivosti je dosaženo pro hluk pĜicházející ze smČru os mikrofonĤ. Vzruchy pĜicházející ze smČru kolmého k osám mikrofonĤ nebudou zaznamenány. Výstupem mČĜení pomocí intenzitní sondy mĤže být mapa akustické intenzity, nebo mapa celkového akustického výkonu vyzáĜeného zkoumaným objektem. Jedná se o jednu z prvotních metod pro mapování akustických polí. Její relativní nenároþnost na množství mČĜícího vybavení je vykoupena pomČrnČ dlouhou dobou potĜebnou pro provedení jednotlivých mČĜení. MČĜení akustické intenzity se s výhodou využívá pro mČĜení na objektech, které aĢ z dĤvodu rozmČru þi hmotnosti, nemáme možnost pĜemístit do zkušebních komor (bezdozvukových, dozvukových). Oproti akustickému tlaku je intenzita vektorová veliþina a díky tomu je možné provádČt mČĜení v jakémkoliv zvukovém poli. To umožĖuje provedení analýzy pĜímo na provozním místČ testovaného objektu, jako je napĜíklad výrobní hala, pĜiþemž není zapotĜebí odstavení okolních strojĤ z provozu. Výhody • Díky faktu, že akustická intenzita je vektorová veliþina, mĤže být akustické pole zastoupeno amplitudou a vektorem. • Možnost urþení akustického výkonu z mČĜení intenzity. • MČĜení v provozních podmínkách (relativnČ tolerantní ke hluku pozadí). • Snadno pĜenosná technologie (mČĜení mĤže být provedeno pomocí dvoukanálového hlukomČru). Omezení • Frekvenþní omezení zpĤsobené tlakovým gradientem (urþen vzdáleností mezi mikrofony); mČĜení do 10 kHz pĜi nejmenší vzdálenosti. • PomČrnČ znaþná þasová nároþnost mČĜení. • PotĜeba pĜesného mČĜícího vybavení (mikrofony s pĜesným fázovým sladČním). • MČĜení lze provádČt pouze na zdrojích hluku se stacionárním chodem.

2.5 Beamforming

Pojmem beamforming je oznaþována skupina metod, užívaná ke zpracování signálu z polí senzorĤ (skupina senzorĤ stejné fyzikální veliþiny, uspoĜádaných do vhodného geometrického tvaru) pro dosažení Ĝiditelné smČrové citlivosti. Pro diagnostické úþely se beamforming využívá napĜ. pro mapování prostorového rozložení zdrojĤ hluku. Této metody lze využívat nejen pĜi snímání, ale též pĜi vysílání polem snímaþĤ. Vysílání i pĜíjem je využíván napĜ. v ultrazvukové defektoskopii. Užitím beamformingu lze nasmČrovat vČtšinu energie signálu skupiny vysílaþĤ (radiové antény, reproduktory) do zvoleného smČru. Analogicky je možné nastavit VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

skupinu snímaþĤ tak, aby bylo dosaženo maximálního útlumu pro všechny signály, které na pole nedopadají z požadovaného smČru (prostorová filtrace). [7] PĜi výbČru optimální metody beamformingu je tĜeba dbát pozornost, jaké jsou pĜedpokládané vzdálenosti zdrojĤ, zda je platný pĜedpoklad o rovinnosti vlny, dopadající na senzorové pole a na typ signálu z hlediska šíĜky pásma. Pro širokopásmové signály jsou vhodné jiné metody, než pro signály úzkopásmové. [7] Výhody • Rychlá metoda, signály ze všech kanálĤ jsou zachyceny a uloženy najednou. • Možnost mČĜení velkých objektĤ (umožĖuje úhel zábČru až 60°). • Vysoký frekvenþní rozsah (> 20 kHz). • Dobré rozlišení. • MČĜení je provádČno ve vzdáleném poli (vynikající pro aplikace ve vČtrném tunelu). Omezení • Mapy akustického tlaku nejsou kalibrovány (nejsou získávány žádné kalibraþní hodnoty z blízkosti mČĜeného objektu, jako je tomu u NAH/SONAH metod), vykresluje pouze relativní pĜírĤstky ve zvukovém poli v místČ mikrofonního pole. • Vyžaduje multi-kanálový snímací systém.

2.6 Akustická holografie v blízkém poli Jako akustická holografie v blízkém poli (NAH, Nearfield Acoustic Holography) je oznaþována skupina metod, realizující rekonstrukci akustických veliþin, jakými jsou akustický tlak, výkon þi intenzita v trojrozmČrném prostoru, na základČ mČĜení akustického tlaku ve vhodnČ zvolené rovinČ.

Obr. 2-6 Konvence souĜadného systému pro akustickou holografii [3]

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Metody NAH pĜedpokládají existenci dvou typĤ vln, evanescentních vln pro blízké a rovinných vln pro blízké i vzdálené akustické pole. PĜechod mezi tČmito vlnami, resp. poli, se nachází ve vzdálenosti λ/2 (polovina vlnové délky akustické vlny, mČĜená od zdroje hluku). PĜedpokladem pro správnou interpretaci namČĜených dat je, že mČĜící rovina z0 (viz obr. 2-6) je umístČna v co nejmenší vzdálenosti vĤþi zdroji zvuku nebo ploše, kterou chceme analyzovat. Tento pĜedpoklad zajišĢuje, že mČĜený signál bude obsahovat evanescentní vlny, protože jejich amplituda s rostoucí vzdáleností od zdroje exponenciálnČ klesá a bez jejich výskytu by nebylo možné pĜesnČ rekonstruovat akustické veliþiny v blízkosti povrchu zdroje. Mezi základní akustické veliþiny, zkoumané pomocí algoritmĤ NAH, se Ĝadí akustický tlak a rychlost kmitajících þástic na povrchu, nebo velmi blízko rekonstruovaného povrchu. Z tČchto veliþin jsme poté schopni stanovit akustickou intenzitu a celkový vyzáĜený akustický výkon. [3] PĜi zjišĢování hladin akustických veliþin v prostoru v blízkosti vibrujícího povrchu se využívá mikrofonní pole, které minimalizuje ovlivnČní mČĜeného objektu mČĜícím systémem. Toto pole je umístČno v pĜedem definované vzdálenosti od kmitajícího objektu. Hodnoty akustického tlaku namČĜené v jednotlivých bodech mikrofonního pole jsou pomocí algoritmĤ NAH pĜepoþítávány do roviny mČĜení. Tento postup je obecnČ oznaþován jako zpČtná transformace akustických veliþin, pĜi které je využívána tzv. zpČtná Greenova funkce. V pĜípadČ potĜeby popsání rozložení tČchto veliþin ve vzdálenosti vČtší než je vzdálenost zdroje hluku od mČĜící soustavy, by byla využita transformace pĜímá (odpovídá smČru šíĜení rovinných vln). [3] Rovnice prostorové vlny je vyjádĜena následovnČ:

5 > " 6* % " 7 " kde c je rychlost zvuku v daném prostĜedí a ? @ je LaplaceĤv operátor, který urþí rozdíl celkového akustického tlaku (parciální rozdíly vzhledem k souĜadnicím x,y,z). Tuto rovnici lze rovnČž vyjádĜit pro frekvenþní oblast zahrnutím sinusové složky a zavedením vlnového þísla k <" A " 6*BCDA . % HelmholtzĤv integrál mĤže poté být derivován z rovnice vlny. NejobecnČjší tvar Kirchhoff-Helmholtzova integrálu je vyjádĜen jako <" =

5 J JJJ < J I-JJJKL J7* - = E FGH-I-JJJK< GH M , N

kde G je Greenova funkce definována jako GH-I-JJJK

3 O !PQIR!RJJJJI . ,I- = JJJI -

NAH metody jsou založeny na prostorové FourierovČ transformaci mající tvar V T

c

c

W XAY * AZ * [* \ ] ] ^* _* [* O PQ` YaQb Z 7^7_ !c !c

c c 5 U !PQ` YaQb Z

7AY 7AZ T^* _* [* , " ] ] WXAY * AZ * [* \O !c !c S

d.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Všechny tyto formulace využívají souĜadný systém znázornČný na obrázku geometrie mČĜení (obr. 2-6). [3] Rovnice mĤže být také vyjádĜena ve tvaru ^* _* [ = [ * e^* _* [ = [ * f ^* _* [ *

Prostorová Fourierova transformace h XAY * AZ * [ = [ * \ WXAY * AZ * [ * \ W XAY * AZ * [* \ g

s vyjádĜením pĜenosové funkce

h XAY * AZ * [ = [ \ O !PQi j!j3

g

Obrázek 2-7 vysvČtluje vztah prostorových vln, smČru šíĜení a vlnové délky pĜi využití Fourierova rozkladu.

Obr. 2-7 Prostorová Fourierova transformace zvukového pole [3]

Na obrázku 2-8 je znázornČn proces FFT, kde je poþítána nová rovina s využitím Helmholtzova integrálu. Jedná se o proces STSF pĜi výpoþtu akustického tlaku dále od zdroje. [3] Vlnové þíslo kz je vyjádĜeno ze tĜí dalších vlnových þísel Aj" A " = AY" = AZ"

Podle velikosti vlnového þísla kz mohou nastat dva tvary šíĜené vlny blíže popsané v kapitole evanescentní vlna.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Obr. 2-8 Princip výpoþtu akustické holografie [3]

2.6.1

Evanescentní vlna

Obr. 2-9 Rovinná vlna (vlevo) a evanescentní vlna (vpravo). ýervená šipka naznaþuje smČr šíĜení [4]

Tyto dva obrázky (obr. 2-9) znázorĖují rovinnou a evanescentní vlnu, pĜiþemž þervená šipka vyznaþuje smČr šíĜení vlny. Rovina zdroje z = - d (ve smyslu obr. 2-6) je na obou obrázcích na levém okraji, rovina mČĜení je tedy vertikální a kousek napravo od roviny zdroje. Bílá barva pĜedstavuje nejvyšší kladnou výchylku akustického tlaku, þerná barva poté nejvyšší zápornou odchylku. Šedá barva uprostĜed vyznaþuje nulovou okamžitou výchylku. Úhlová frekvence ω je na obou obrázcích stejná. U rovinné vlny je vzdálenost mezi sousedními maximy ve smČru šíĜení hluku rovna vlnové délce λ. Prostorová úhlová frekvence k rovinné vlny podél smČru jejího šíĜení je proto

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

* k % kde c je rychlost šíĜení zvuku v daném prostĜedí. VšimnČme si, že prostorová zmČna rovinné vlny v rovinČ xy je vždy pomalejší než zmČna podél smČru šíĜení. V matematickém zápisu je vektor prostorové úhlové frekvence (kx,ky) rovinné vlny v rovinČ xy vždy kratší než vektor prostorové úhlové frekvence k podél smČru šíĜení hluku: A

AY" AZ" l A " -mnMMopM .

Vyšší prostorové frekvence v rovinČ xy proto nemohou reprezentovat rovinné vlny, namísto toho zastupují vlny evanescentní. PĜíklad je uveden na pravé stranČ obrázku 2-9 AY" AZ" 5*5A " OMO'%OM MqpM .

V jakékoliv rovinČ xy vypadá evanescentní vlna pĜesnČ jako vlna rovinná, ovšem ve smČru z vykazuje exponenciální útlum, který se s rostoucí prostorovou frekvencí urychluje. [4] 2.6.2 STSF – Spatial Transformation of Sound Fields Prostorová transformace zvukových polí (Spatial Transformation of Sound Fields, dále jen STSF) je cross-spektrálnČ založená metoda matematického popisování zvukových polí na základČ souboru mČĜení. Tento systém je jedineþný díky poskytování detailních informací o akustických veliþinách jak v blízkosti zkoumaného objektu (blízké pole), tak i ve vČtších vzdálenostech od zdroje (vzdálené pole) z jediného mČĜení. Jak název metody napovídá, STSF provádí mČĜení v jediné rovinČ a využívá rĤzných algoritmĤ (algoritmy NAH, nebo HelmholtzĤv integrál) pro provedení prostorové transformace, jejímž výsledkem je získání informací o akustických veliþinách v rovinČ odlišné od roviny mČĜení. To umožĖuje vypoþet celé Ĝady veliþin popisujících zvukové pole v jakémkoliv místČ v blízkosti zkoumaného objektu, jako je rozložení tlaku, mapování a vektorování akustické intenzity pro blízké pole a provádČní analýzy šíĜení hluku ve vzdáleném poli. Systém navíc uživateli umožĖuje pomocí STSF pĜehrávat alternativní „co když“ scénáĜe, což umožĖuje zkoumat vliv zmČn provedených na zdroji ze vzdáleného pole. Omezením metody STSF je však požadavek na stacionaritu signálu (stacionární chod zdroje hluku). [3] Využití • Lokalizace zdrojĤ hluku a jejich detailní popis. • Mapování hluku na malých a stĜednČ velkých objektech jako jsou motory, þásti motorových vozidel, elektrické náĜadí, spotĜebiþe apod. • Urþení akustického výkonu vedlejších zdrojĤ hluku a jeho šíĜení do prostoru. Rysy • Mapování akustického tlaku, akustické intensity a rychlosti kmitání þástic. • Intuitivní vytváĜení dokumentace, zahrnující animaci s použitím pĜekrývání fotografie zdroje.

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

• •

Nízké až stĜední frekvence (100 Hz - 5kHz), dle užitého mikrofonního pole. RozšíĜitelné pomocí beamformingu a konformního mapování povrchĤ.

Omezení • Omezený frekvenþní rozsah (silnČ závisí na vzdálenosti a rozmístČní snímaþĤ ve mĜížce), bČžnČ do 6,4kHz. • Schopnost pracovat pouze ve stacionárním zvukovém poli.

Obr. 2-10 MČĜení ve vČtrném tunelu [3]

2.7 Akustická holografie v þasové oblasti

Akustická holografie v þasové oblasti (Time Domain Holography, dále jen TDH) v podstatČ poskytuje prostorové mapování vyzaĜovaného zvukového pole s þasovým rozlišením, které je ovlivnČno pouze vzorkovací frekvencí A/D pĜevodníku použitého pĜi mČĜení. Díky tomu lze provádČt mnoho rĤzných analýz s užitím mikrofonního pole a tacho sondy (sonda pro snímání otáþek) z jediného rychlého mČĜení se záznamem þasové historie. Na obrázku 2-11 je znázornČna geometrie problematiky mČĜení. Akustický tlak p(r,t) = p(x,y,z,t) je mČĜen v rovinČ z = 0 v oblasti blízkého pole popisovaného VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

zdroje hluku, pĜiþemž se pĜedpokládá, že všechny þásti zdroje leží v poloprostoru z < –d, kde d je nejmenší vzdálenost mezi zdrojem hluku a mČĜící rovinou. Poloprostor z < –d je považován za homogenní a bez zdroje hluku.

Obr. 2-11 Geometrie mČĜení [5]

Základním úkolem TDH je výpoþet akustického tlaku p(r,t) v rovinČ z 0 rovnobČžné s rovinou mČĜení. Tento výpoþet mĤže být proveden pomocí prostorové Fourierovy transformace v rozmČrech x,y,t. Výstupem prostorové transformace je znázornČní hodnot akustického tlaku v prostorové a þasové úhlové frekvenci (kx,ky,Ȧ). V této trojrozmČrné frekvenþní oblasti je tlak pĜedstavován jako nekoneþný souþet šíĜících se rovinných (nízká prostorová frekvence) a evanescentních (vysoká prostorová frekvence) vln. Jak je zmínČno výše, evanescentní vlny ve smČru z exponenciálnČ slábnou a pokud seþteme (superpozice) všechny tyto elementární vlny v rovinČ výpoþtu, získáme tlak v této rovinČ. Tento souþet má poté tvar zpČtné Fourierovy transformace v rozmČrech kx,ky,Ȧ. Obrázek 2-12 znázorĖuje schéma holografického výpoþtu zaþínající s tlakem v rovinČ mČĜení z = 0 a konþící s hodnotou akustického tlaku v rovinČ výpoþtu z 0.

Obr. 2-12 Tok dat pĜi výpoþtu pomocí TDH [4]

VWUDQD

'(),1,&(=È./$'1Ë&+32-0ģ

Jak je znázornČno ve schématu, pĜechod z roviny mČĜené do poþítané je Ĝešen pomocí násobení s pĜechodovou funkcí H v trojrozmČrné oblasti (kx,ky,Ȧ), která má tvar: g O !PQi j * [ r =7.

Zde nová prostorová frekvence kz v rozmČru z je funkce úhlových frekvencí (kx,ky,Ȧ) spojených s namČĜenými daty: Aj s t

uA " = AY" = AZ" -mAY" AZ" l A " -mnMMvpM_

=wuAY"

AZ"

=

A " -mAY"

AZ"

x A OMO'%OM MqpM_

"

d A s y.

Zde k Ł ω/c vyznaþuje vlnové þíslo. U rovinných vln dojde pouze k fázovému posunu, zatím co u evanescentních vln dochází ke zmínČnému exponenciálnímu útlumu. 2.7.1 NS-STSF – Non Stationary Spatial Transformation of Sound Fileds Metoda NS-STSF (Non Stationary Spatial Transformation of Sound Fields) je implementací TDH zprostĜedkovávající popis akustických dČjĤ souþasným zaznamenáváním þasových dat a mČĜením akustického tlaku v rovinČ pokrývající zdroj hluku. Data jsou uložena jako funkce þasu, nebo RPM (Revolution per Minute). Pro provedení tohoto mČĜení je zapotĜebí užití plného mikrofonního pole. Není možné využití pouze dvou mikrofonĤ, kdy je jeden nastaven jako referenþní. Tato metoda má oproti STSF tĜi nejvýznamnČjší výhody:

1. Není zapotĜebí samostatného referenþního signálu. 2. Není kladen požadavek na stacionární chod zkoumaného objektu. 3. BČhem celého prĤbČhu mČĜení a výpoþtu je zachováno plné þasové rozlišení. A tak zatímco metoda STSF poskytuje detailní pĜehled kde je hluk vyzaĜován, NS-STSF pĜiĜadí k informaci o poloze také þasový údaj. Využití • Lokalizace zdrojĤ hluku s þasovou interakcí. • Mapování hluku na malých a stĜednČ velkých objektech jako jsou motory, þásti motorových vozidel, elektrické náĜadí, spotĜebiþe apod. • Urþení akustického výkonu vedlejších zdrojĤ hluku a jeho šíĜení. Rysy • Mapování akustického tlaku, akustické intensity a rychlosti kmitání þástic. • Intuitivní vytváĜení dokumentace, zahrnující animaci s použitím pĜekrývání fotografie zdroje. • Nízké až stĜední frekvence (100 Hz - 5kHz). • RozšíĜitelné pomocí beamformingu a konformního mapování povrchĤ. Omezení • Vyžaduje vČtší množství mikrofonĤ. • Pracuje v plné pĜesnosti pouze ve volném poli (potĜeba bezdozvukové komory.

VWUDQD

)2508/$&(ě(â(1e+2352%/e08$-(+2ě(â(1Ë

3

FORMULACE ěEŠENÉHO PROBLÉMU A JEHO ěEŠENÍ

3.1 Motivace diplomové práce Hlavní motivací této diplomové práce bylo poĜízení nových mČĜících technologií pracujících na platformČ PULSE spoleþnosti Brüel & Kjær, která je již delší dobu využívána na Ústavu konstruování a Ústavu mechaniky tČles, mechatroniky a biomechaniky pro provádČní rĤzných druhĤ analýz. Tato diplomová práce má za úkol pĜinést zhodnocení a porovnání jednotlivých metod užívaných pro mapování akustických polí a lokalizaci zdrojĤ hluku a pĜipravit podmínky k jejich komerþnímu a výukovému užívání. Pro splnČní zadání bude zapotĜebí provést pojednání o vhodnosti jednotlivých metod v závislosti na podmínkách mČĜení, technologické a uživatelské nároþnosti a poukázat na pĜednosti a úskalí užívání tČchto metod. Jedním z oþekávaných výsledkĤ bylo zrychlení, zpĜesnČní a zjednodušení provádČní akustických testĤ a experimentĤ zavedením nových mČĜících postupĤ do bČžné praxe. Jako nejvČtší oþekávaný pĜínos by se však mČla projevit schopnost mČĜení transientních dČjĤ. V dobČ nákupu tČchto technologii bylo po svČtČ vystaveno pouze sedm komerþních licencí pro jejich využívání, pĜiþemž se jednalo o první licenci v ýeské republice. Jejich poĜízením se tedy Fakulta strojního inženýrství dostala na prestižní místo v oblasti akustické diagnostiky strojĤ a strojních souþástí. Tato skuteþnost pĜinesla znaþný potenciál komerþního využití mČĜících metod a polobezdozvukové zkušební komory Ústavu konstruování.

VWUDQD

9<0(=(1Ë&Ë/ģ35È&(

4

VYMEZENÍ CÍLģ PRÁCE

4.1 Cíle práce

Cílem je vytvoĜení formálních a technických podmínek výukového pracovištČ pro demonstraci metod mapování akustických polí SONAH a beamforming na platformČ Brüel & Kjær PULSE. Souþástí projektu budou softwarové pomĤcky a výsledky mČĜení zkušebního akustického zdroje. PĜedpoklady pro splnČní tohoto cíle jsou: • VytvoĜení porovnání a zhodnocení metod pro mapování akustických polí (metoda intenzitní sondy, beamforming, stacionární a nestacionární variantu prostorové transformace zvukových polí). • Pojednání o vhodnosti jednotlivých metod pro rĤzné podmínky mČĜení. • Provedení demonstraþního mČĜení všemi metodami. • Tvorba šablon v softwaru PULSE LabShop vþetnČ výsledkĤ demonstraþních mČĜení.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

5

NÁVRH METODICKÉHO PěÍSTUPU K ěEŠENÍ

V této kapitole podrobnČji popíši principy a provedu porovnání jednotlivých metod pro mapování akustických polí. Pro jejich porovnání byla provedena demonstraþní mČĜení na testovacím objektu. Pro každou z metod bylo provedeno více jak jedno mČĜení, avšak protože cílem této práce je podat zhodnocení a srovnání metod a nikoliv provézt analýzu tohoto objektu, bude vždy uvedeno mČĜení pouze jedno. Veškerá mČĜení byla provedena pomocí softwaru PULSE LabShop, dodávaném spoleþností Brüel & Kjær spoleþnČ s mČĜící platformou PULSE.

5.1 Popis principu metod 5.1.1 Mapování pomocí intenzitní sondy Jak bylo popsáno v kapitole Definice základních pojmĤ, akustická intenzita je þasovČ prĤmČrovaný souþin okamžitého tlaku a odpovídající okamžité rychlosti kmitajících þástic prostĜedí v témže místČ. Pomocí jednoho mikrofonu lze provádČt mČĜení akustického tlaku, ale zjištČní rychlosti þástic není tak jednoduché. Tato rychlost však mĤže být dána do vztahu s tlakovým gradientem (míra zmČny okamžitého tlaku pĜi zmČnČ vzdálenosti od zdroje) v linearizovaném EulerovČ vztahu. Pomocí takového výpoþtu je možné zmČĜit tlakový gradient pomocí dvou blízko u sebe umístČných mikrofonĤ. Eulerova rovnice vychází z Newtonova druhého zákona implementovaného na tekutiny. Druhý zákon dává do vztahu zrychlení udČlené hmotČ a sílu na hmotu pĤsobící. Pokud známe pĤsobící sílu a hmotnost, získáme zrychlení a z nČj pomocí integrace podle þasu i rychlost. *

* ]

7 . &Oz mM{[oAmM

V EulerovČ výpoþtu je to tlakový gradient, který udČluje tekutinČ dané hustoty zrychlení, a tak pokud známe tlakový gradient a hustotu tekutiny, mĤžeme vypoþítat zrychlení kmitajících þástic. 5 > 5 > = |-7* = *}~pO-m_[ e_

$ > $ >-

po integraci této rovnice platí

5 = 2 5 5 > 7 = ] 7 = ] = 2 7 * =] $ $$ >

kde pA a pB jsou okamžité hodnoty akustického tlaku mČĜené souosými mikrofony, mající mezi sebou mezeru o velikosti ∆r. Intenzita zvuku je poté urþena vztahem

5 R ] R 7 *

kde Ir je kosinová složka vektoru intenzity zvuku ve smČru r.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Pro mČĜení ení pomocí intenzitní sondy se využívají velice kva kvalitní litní kondenzátorové mikrofony, nejþastČji Č otoþené þené þely k sobČ. Mezi ochranné mĜížky tČchto chto mikrofon mikrofonĤ je vložena distanþní ní vložka pro pĜesné p vymezení jejich vzdálenosti. [8]

Obr. 5-1 Princip dvoumikrofonní intenzitní sondy [8]

Pro dvoumikrofonní sondu je dĤležitá d ležitá maximální shoda mezi ppĜenosovými funkcemi obou mikrofonních kanálĤ. kanál . Protože akustická intenzita je vektorová veliþina, záleží na nasmČrování rování sondy vzhledem ke smČru šíĜení ení postupné vlny ve zvukovém poli. Pokud je sonda nasmČrována nasm rována tak, že její osa je rovnob rovnobČžná se smČrem šíĜení ení vlny, bude hladina akustické intenzity rovna hl hladinČ adinČ akustického tlaku. PĜípadný rozdíl tČchto chto hodnot charakterizuje rozdíl mezi kanály jednotlivých mikrofonĤ. PĜi umístČní ní sondy ve stejném zvukovém poli osou kolmo ke sm smČru šíĜení, ení, bude složka intenzity pro tento smČr sm nulová, pĜiþemž emž hladina akustické intenzity by mČla la být mínus nekone nekoneþno. V praxi však namČĜíme íme hladinu llišící se od hodnoty v rovnobČžném žném smČru sm o jednotky až nČkolik kolik desítek dB. To je op opČt dáno rozdílem mezi kanály mikrofonĤ, mikrofon který mČĜící ící systém vyhodnocuje jako nenulový tlakový gradient a výsledkem je „zbytková intenzita“. intenzita [8] Frekvenþní ní omezení dvoumikrofo dvoumikrofonní nní intenzitní sondy je dáno vzdáleností mezi obČma mikrofony. PĜii každém ode odeþtení tení hodnot na mikrofonech je vyhodnocena lineární regrese tlakového gradientu. U vysokých frekvencí frekvencí nastávají stavy, kdy se mezi oba mikrofony vleze celoþíselný celo násobek zvukovýchh vln, což má za následek vyhodnocení stejného okamžitého akustického tlaku na na obou mikrofonech. Dojde tedy k mylnému stavu nulového gradientu. Druhým nepĜíznivým nep íznivým jevem vysokých frekvencí je rychlé kmitání lineární regrese, které zpĤsobuje nepĜesnosti esnosti dan dané malou vlnovou délkou.

Obr. 5-2 Horní limit intenzitní sondy [8] VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Pro efektivní využití intenzitní sondy je tedy stanoven stanoven horní frekven frekvenþní limit závislý na velikosti distanþní distan ní vložky mezi mikrofony. Nad tímto limitem dochází ke znaþnému nárĤstu stu chyb. Pr Pro pĜesnost do 1 dB musí být mČĜená ená vlnová délka vvČtší než šestinásobek vzdálenosti obou mikrofonĤ. mikrofon . To poté odpovídá následujícím frekvenþním limitĤm: • • •

50 mm – do 1,25 kHz 12 mm – do 5 kHz 6 mm – do 10 kHz

Analogicky je tomu pĜi p mČĜení nízkých frekvencí, kdee dochází ke zvČtšování zv vlnové délky. Vlnovou délku lze vyjádĜit pomocí rotace jako 360°. PĜi P dodržení pĜedpisu edpisu šestinásobku rozchodu mikrofon mikrofonĤ pĜipadá ipadá na tuto vzdálenost šestina rotace, tedy 60°. Kvalitní mČĜ ČĜící vybavení vykazuje pĜesnost pĜibližnČ ibližnČ ± 0,3°. Tato nepĜesnost esnost je pro fázovou zm zmČnu 60° zanedbatelná, avšak kupĜíkladu íkladu pĜi p 63 Hz je vlnová délka rovna pĜibližn ibližnČ 5,5 m. ZmČna na fáze na 12 mm vzdálenosti mikrofonĤ mikrofon je poté pouze 0,8°. Zde již hodnota 0,3° pĜedstavuje p znaþný ný podíl, m mČĜení je proto invalidní. í. Pro rozchod mikrofonĤ mikrofon 50 mm (pĜibližnČ þtyĜnásobek násobek 12 mm) je zmČna zm fáze na dané vzdálenosti 3,3° (pĜibližnČ (p þtyĜnásobek násobek 0,8°). Pro nízké frekvence je tedy zapotĜebí vČtší tší vzdálenosti mikrofon mikrofonĤ. [8]

Obr. 5-3 Dolní limit intenzitní sondy [8]

PĜi mČĜení lze pro získání plošné mapy postupovat dvČma dv zpĤsoby. soby. Prvním je mČĜení v bodech, kdy je rovina ležící u strany zkoumaného objektu objektu rozd rozdČlena na menší stejnČ velké segmenty, na kterých je zm zmČĜena ena hodnota intenzity. K tomuto úþelu lze využít napĜíklad íklad m mĜížkovou osnovu vytvoĜenou enou drátkem þi provázkem.

Obr. 5-4 PrĤbČh mČĜení nad osnovou [3]

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Pro druhou metodu pĜedpokládáme, že urþujeme intenzitu pouze pro jednu þtvercovou, þi obdélníkovou plochu. Tu rozdČlíme na pás o konstantní šíĜce, jehož stĜedem se bude pohybovat sonda. Je však tĜeba dodržet konstantní rychlost pohybu sondy. Metoda tzv. skenování se využívá pro získání mapy akustického výkonu, jak je znázornČno na obr. 5-7. Oba možné postupy mČĜení jsou znázornČny na obrázku 5-5.

Obr. 5-5 ZnázornČní metody mČĜení v bodech (vlevo) a skenování (vpravo) [10]

Obr. 5-6 Vzájemné pĜekrytí jednotlivých mČĜení [9]

Po dokonþení mČĜení je provedeno prĤmČrování získaných hodnot a vynesení výsledkĤ do plošných þi prostorových diagramĤ. Princip prĤmČrování je pĜiblížen obrázkem 5-8

Obr. 5-7 Princip plošného prĤmČrování hodnot [9] VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-8 Vykreslení mapy celkového akustického výkonu [9]

5.1.2 Beamforming Princip beamformingu je nejlépe pĜiblížen skrze popsání základĤ algoritmu „Delay And Sum“, který byl využit i pĜi výpoþtu mČĜení testovacího objektu. Jak je znázornČno na obrázku 5-9, pĜedpokládáme mikrofonní pole s M mikrofony na pozicích rm (m=1, 2, 3,…, M) v rovinČ xy. Pokud je takové pole použito pro „Delay And Sum“ algoritmus, mČĜené signály akustického tlaku pm jsou individuálnČ opoždČny a poté seþteny:

* X = \* +

kde wm je nastavení váhového filtru, nebo koeficient stínČní pro jednotlivé mikrofony. Individuální þasová zpoždČní ∆m jsou zvolena s ohledem na dosažení požadované smČrové citlivosti, dané vektorem κ. Toho je docíleno tím, že þasové prodlevy jsou nastaveny tak, aby signály spojené s rovinnou vlnou pĜicházející z požadovaného smČru κ byly seĜazeny ještČ pĜed sumarizací. SeĜazení lze provést pomocí volby: * % kde c je rychlost šíĜení zvuku v daném prostĜedí. Signály pĜicházející z jiných smČrĤ nebudou pĜed seþtením pĜiĜazeny, a proto nebudou pĜiþteny koherentnČ, þímž je získána smČrová citlivost. [6] Na obrázku 5-9(a) lze vidČt mikrofonní pole, zaostĜené na vzdálené zvukové pole ve smČru κ a rovinnou vlnu šíĜící se ze stejného smČru. Na pravé stranČ stejného obrázku (b) je uveden typický diagram smČrové citlivosti s hlavním lalokem (main lobe) ve smČru zaostĜení mikrofonního pole a vedlejšími laloky (sidelobe) pro vlny pĜicházející z jiných smČrĤ. [6]

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-9 (a) Mikrofonní pole, smČr zaostĜení pro vzdálené pole a rovinná vlna šíĜící se ze smČru zaostĜení. (b) Typický diagram smČrové citlivosti s hlavním lalokem (main lobe) ve smČru zaostĜení a vedlejšími laloky (sidelobes) v jiných smČrech [6]

Výstupem rovnice „Delay And Sum“ pro frekvenþní oblast je

+

8* z O !Py z O P . Zde ω je úhlová frekvence, k Ł –kκ κ je vektor vlnového þísla rovinné vlny šíĜící se ve smČru κ, na které je pole zaostĜeno a k = ω/c je vlnové þíslo. [6] κ), nebo ekvivalentnČ upĜednostĖováním Skrze volbu þasových zpoždČní ∆m(κ vektoru urþitého vlnového þísla k Ł –kκ κ, je provedeno zaostĜení beamformeru na daný smČr κ vzdáleného pole. V ideálním pĜípadČ by mČlo být možné pro provedení lokalizace zdroje hluku, mČĜit pouze signály pĜicházející z daného smČru. Pro zjištČní stupnČ kontaminace zpĤsobeného signály pĜicházejícími z jiných smČrĤ budeme pĜedpokládat rovinnou vlnu s vektorem vlnového þísla k0 odlišného od upĜednostĖovaného vektoru k Ł –kκ κ. Projev této vlny je znázornČn na obrázku 5-9(b) jako vedlejší lalok (sidelobe). Tlak zmČĜe,n mikrofony poté bude odpovídat: O !P3 *

což vzhledem k rovnici „Delay And Sum“ dá následující výstup z beamformeru:

8* z O P!3 s = * kde funkce W

s z O P

je nazývána array pattern (šablona pole), mající tvar zobecnČné prostorové diskrétní Fourierovy transformace váhové funkce w, která je nulová mimo oblast pole. V pĜípadČ wm = 1 je rovnice array patternu závislá pouze na geometrii pole. [6]

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-10 Rovinná vlna s vektorem vlnového þísla k0, šíĜící se ze smČru odlišného od smČru zaostĜení ț. [6]

PĜedpoklady rovinných vln jsou však platné jen pro mČĜení ve vzdáleném poli. Pro zamČĜení na bod zdroje hluku v koneþné vzdálenosti by mČla být þasová zpoždČní pĜiĜazena ve chvíli kdy je sférická vlna vyzáĜena z místa na které je pole zaostĜeno. [6] VyjádĜení algoritmu „Delay And Sum“ pro zaostĜení na bod r v koneþné vzdálenosti je poté:

8* O !Py

+

a rovnice pro výpoþet þasových zpoždČní má tvar:

II = -

* %

kde rm(r) ൙ |r – rm| je vzdálenost mikrofonu m od zaostĜeného bodu. PĜesnost beamformingu do znaþné míry ovlivĖuje geometrie mikrofonního pole, protože to urþuje odezvu mČĜící soustavy skrze array pattern, ze kterého mĤžeme extrahovat maximální velikosti vedlejších lalokĤ. Ty definují schopnost potlaþit zobrazení „duchĤ“ jako funkci frekvence. [6]

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-11 OstĜení v blízkém poli, sférické vlny vyzáĜeny monopólem zdroje ve smČru zaostĜení r [6]

Po provedení rĤzných testĤ a analýz, bČhem kterých byla otestována široká škála pravidelných, nepravidelných, kĜížových, obdélníkových i kruhových polí, pĜišla spoleþnost Brüel & Kjær na trh s optimalizovaným kruhovým mikrofonním polem urþeným pro beamforming a STSF/NS-STSF. [6]

Obr. 5-12 Kruhové pole B&K pro beamforming a STSF/NS-STSF [2]

Beamforming se tedy vždy zamČĜuje na rovinu zdroje rovnobČžnou s rovinou mČĜení v koneþné vzdálenosti. Stále tedy mapuje pouze relativní pĜírĤstky a není možné získat kalibrovanou mapu akustických veliþin pro rovinu v blízkosti povrchu zdroje hluku. Na druhou stranu jediným mČĜením, s použitím pole osazeným dostateþným poþtem snímaþĤ, mĤžeme mapovat prostor ve smČru až do 30° od osy mikrofonního pole a pokrýt tak relativnČ veliké oblasti. BČžnČ lze dosáhnout rozlišení okolo jedné délky zvukové vlny, což je témČĜ stejná pĜesnost jako u akustické holografie ve vyšších frekvencích. U velmi vysokých frekvencí dokonce metody holografie pĜedþí, ovšem pro frekvence pod 1 kHz na akustickou holografii beamforming dosti ztrácí. [6]

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-13 PĜíklad vykreslení mapy v SW Pulse LabShop pĜi mČĜení metodou beamforming na automobilu [3]

5.1.3 SONAH – STSF Metoda STSF vychází z principĤ akustické holografie v blízkém poli, které byly popsány v kapitole nesoucí stejnojmenný nadpis. Následující Ĝádky jsou tedy spíše upĜesnČním obecných principĤ. Vzhledem k charakteru mČĜícího procesu využívajícího dvourozmČrné prostorové FFT, by mČlo být dle teorie zapotĜebí, aby rozmístČní mČĜících bodĤ (rozložení mikrofonĤ v poli) tvoĜilo obdélníkový tvar.

Obr. 5-14 Rozestup mikrofonĤ pro mČĜení metodou STSF [3]

Na obrázku 5-14 je vidČt závislost mikrofonního pole na rozlišovací schopnosti metody STSF. Hlavním kritériem ovlivĖující rozlišení je vlnová délka. Pokud λmin je vlnová délka nejvyšší mČĜené frekvence, tak pro zamezení aliasingu je tĜeba rozestup mikrofonĤ p l

VWUDQD

p l .

1È95+0(72',&.e+23ěË67838 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Avšak dle praktických zkušeností založených na ĜadČ experimentĤ se pro metodu STSF využívá i kruhové pole s polonahodilým uspoĜádáním m mikrofonĤ mikrofon (pojem polonahodilé užívám z dĤvodu, Ĥvodu, který jsem již popsal v kapitole Mikrofonní pole, tedy že toto pole se po 120° opakuje). 5.1.4 SONAH – NS-STSF STSF Jak již bylo popsáno,, NS-STSF NS je implementací akustické cké holografie v þasové oblasti. Pro tuto metodu tedy platí principy popsané ve stejnČ pojmenované kapitole. Výstupem mČĜení je sekvence snímkĤ snímk mapující zvolenou akustickou veliþinu veli v rovinČ rovnobČžné s rovinou mČĜení. m Na obrázku 5-15 je pro názornost uveden pĜíklad íklad vykreslení okamžitého vychýlení þástic vzduchu v rovinČ bo boþní strany pneumatiky nákladního vozidla.

Obr. 5-15 Sekvence snímkĤ snímk – princip NS-STSF [4]

PĜi využití NS-STSF STSF pro analýzu spalovacích motorĤ (obr. 5-16) jsou v optimálním pĜípadČ nahrávány dva tacho signály z klikového hĜídele ídele (dva tacho signály však nejsou podmínkou provedení mČĜení). m ení). Jeden signál mající vysoké rozlišením je urþen en pro pĜesné mČĜení m natoþení klikového hĜídele ídele a druhý snímající jednou za cyklus referenþní þní úhel natoþení. nato Tyto dva signály umožĖují ují identifikaci natoþení kliky a otáþek ek mot motoru na jednotlivých snímcích. S užitím systému NS-STSF NS je proto možné pĜiĜadit adit vyzá vyzáĜený hluk k rĤzným dČjĤm m probíhajících bbČhem pracovního cyklu motoru,, jak je znázornČno znázorn na obrázku 5-16.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-16 Schéma datového toku pro NS-STSF [3]

Na obr. 5-17 je znázornČn datový tok NS-STSF ve schematické podobČ. Jak je ze schématu patrné, prĤmČrování hodnot není nezbytným krokem, uživatel má možnost zobrazení namČĜených dat s rozlišením užité vzorkovací frekvence. Pokud není nastaveno žádné prĤmČrování a výstup má tvar jednotlivých vzorkĤ, mohou být tato surová data exportována pro provedení jakéhokoliv postprocesorového zpracování.

Obr. 5-17 Schéma datového toku pro NS-STSF [3]

StejnČ jako software pro STSF dokáže i NS-STSF software provádČt úpravy zdroje pomocí snížení rychlosti þástic u vybraných podoblastí roviny ležící VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

u povrchu zdroje hluku. Zvukové pole takto upraveného zdroje mĤže být poté vypoþítáno a podrobeno analýze. KupĜíkladu signál tlaku v urþité vzdálenosti mĤže být exportován pro subjektivní vyhodnocení hluku. Tím mĤže být pĜedpovČzen hluk po provedení zmČn na zdroji. PravdČpodobnČ nejvČtší praktickou výhodou systému NS-STSF je schopnost získání jakékoliv informace o tom, kde a kdy byl hluk vyzáĜen pomocí jediného rychlého mČĜení. [3]

5.2 Provedení demonstraþního mČĜení

5.2.1 Testovaný objekt Testovaným objektem byl þtyĜdobý vzduchem chlazený jednoválcový motor ROBIN EH34, umístČný v laboratoĜi 114 Ústavu konstruování, nacházející se v pĜízemí budovy A3. Jeho parametry jsou uvedeny v tabulce 1. Motor, sloužící jako výuková pomĤcka, je pĜipojen na motorovou brzdu s Ĝídícím panelem, díky þemuž je možné podrobnČ sledovat režim chodu motoru a docílit opakovatelného nastavení požadovaného chodu. Pomocí ovládacího panelu jsou nastaveny elektronicky ovládavé otáþky motorové brzdy a plynovou páþkou je možné docílit požadovaného zatížení motoru. Zatížení je uvádČno na displeji ovládacího panelu hodnotou v Nm. Pokud se hodnota pohybuje v záporných þíslech, je motor brzdČn a tedy zatČžován. Je-li hodnota krouticího momentu kladná, motor je brzdou pohánČn a jeho zatížení je minimální. Místnost, ve které se motor nachází, není z akustického hlediska pĜíliš vhodný prostor pro provádČní mČĜení pomocí metod SONAH þi beamforming. Tuto skuteþnost zpĤsobuje pĜedevším pĜítomnost mnoha rovných ploch s neabsorpþním povrchem (nepohlcují hluk), jako jsou stČny v bezprostĜední blízkosti motoru, okna nacházející se za motorovým stanovištČm v ose mČĜení a plechové kryty ovládacích prvkĤ. Nutnost provádČní mČĜení v tČchto prostorách byla zapĜíþinČna pevným uchycením celého zaĜízení k betonové podlaze. Charakter laboratoĜe 114 však umožnil ovČĜit, do jaké míry je skuteþnČ intenzitní sonda schopna provádČt mČĜení v provozních podmínkách jako jsou výrobní haly.

Obr. 5-18 Motor ROBIN EH34 s ovládacím panelem

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Tab. 1 Parametry motoru ROBIN EH 34

ŽďũĞŵǀĄůĐĞ ŽďũĞŵǀĄůĐĞ ǀƌƚĄŶşǆǌĚǀŝŚ ǀƌƚĄŶşǆǌĚǀŝŚ ƌŽǌǀŽĚ ŬŽŵƉƌĞƐŶşƉŽŵĢƌ ŬŽŵƉƌĞƐŶşƉŽŵĢƌ ŵĂǆ͘ǀǉŬŽŶ ŵĂǆ͘ǀǉŬŽŶ ƐŽƵǀŝƐůǉǀǉŬŽŶ ƐŽƵǀŝƐůǉǀǉŬŽŶ ŵĂǆ͘ŬƌŽƵƚşĐşŵŽŵĞŶƚ ŵĂǆ͘ŬƌŽƵƚşĐşŵŽŵĞŶƚ ƐƵĐŚĄŚŵŽƚŶŽƐƚ ƐƵĐŚĄŚŵŽƚŶŽƐƚ ƌŽǌŵĢƌǇĚǆƓǆǀ ƌŽǌŵĢƌǇĚǆƓǆǀ ŽůĞũ ŽďũĞŵŽůĞũŽǀĠŶĄƉůŶĢ ŽďũĞŵŽůĞũŽǀĠŶĄƉůŶĢ ƉĂůŝǀŽ

΀Đŵϯ΁ ΀ŵŵ΁ ΀ŬtͬZWD΁ ΀ŬtͬZWD΁ ΀Eŵ΁ ΀ŬŐ΁ ΀ŵŵ΁ ϯ ΀Đŵ ΁

ϯϯϴ ϴϰǆϲϭ K,s ϴ͕ϯ͗ϭ ϴ͕ϮͬϯϲϬϬ ϴ͕ϮͬϯϲϬϬ ϴ͕ϬͬϯϲϬϬ ϴ͕ϬͬϯϲϬϬ Ϯϯ͕ϲ ϯϬ ϯϳϳǆϰϮϭǆϰϴϱ ϯϳϳǆϰϮϭǆϰϴϱ ^ϭϬt ^ϭϬtͲϰϬ ϭϮϬϬ ŶĂƚƵƌĂůϵϱ ŶĂƚƵƌĂůϵϱ

5.2.2 Mapování pomocí intenzitní sondy MČĜení ení jsem provedl dne 19. 12. 2011 pod odborným vedením Ing. Lubomíra Houfka, Ph.D. z Ústavu mechaniky tČles, t les, mechatroniky a biomechaniky, biomechaniky který mi pomohl sestavit mČĜící ící aparaturu a nastavit šablonu v softwaru PULSE Labshop.

Obr. 5-19 MČĜící osnova použita pĜi mČĜení intenzitní sondou

MČĜení ení bylo provedeno pomocí intenz intenzitní sondy Brüel & Kjær 3599 (obr. 5-1), pro které si bylo zapotĜebí zapot pĜipravit osnovu. Tu jsem vytvoĜil il pomocí dvou duralových trubek, závitových tyþí ty M5 a kloboukových gumiþek. ek. Výsledkem bylo vytvoĜení 108 polí (12 x 9) o velikosti 10 x 10 cm. Tato osnova byla uchycena ke dvČma ma fotografickým stativĤm stativ a umístČna 50 cm pĜed povrch mČĜeného eného objektu objektu, jak je znázornČno no na obrázku geometrie mČĜení m (obr. 5-20).

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-20 Geometrie mČĜení metodou intenzitní sondy

Dalším krokem bylo vytvoĜení šablony mČĜení v softwaru PULSE LabShop, kde byly zadány informace popisující mČĜící osnovu (poþet polí a jejich rozmČry) a byla zvolena 1/3 oktávová analýza (CPB analysis). Následoval start motoru, po kterém jsem nastavil požadovaný pracovní režimu, který odpovídal hodnotám v tabulce 2. Tab. 2 Pracovní režim motoru

ŽƚĄēŬǇ ŬƌŽƵƚŝĐşŵŽŵĞŶƚ ƚĞƉůŽƚĂŵŽƚŽƌƵŶĂǌĂēĄƚŬƵŵĢƎĞŶş ƚĞƉůŽƚĂŵŽƚŽƌƵŶĂŬŽŶĐŝŵĢƎĞŶş

ŶсϮϬϬϬϭͬŵŝŶ DсͲϰ͕ϯEŵ ƚƐƚĂƌƚсϮϮϬΣ ƚƐƚŽƉсϮϴϬΣ

Dále bylo na ĜadČ samotné mČĜení na zmiĖovaných 108 polích. V každém poli byla sonda umístČna doprostĜed tak, aby rovina osnovy protínala prostor mezi obČma mikrofony. Avšak vzhledem k faktu, že sonda nebyla bČhem mČĜení pevnČ pĜichycena, ale pouze držena operátorem, nebyla zajištČna pĜesná poloha po celou dobu mČĜení a mohlo snadno dojít k vychýlení sondy z požadované pozice. Proto každé z tČchto 108 mČĜení trvalo 10 sekund, þímž byl zajištČn dostateþný objem dat pro provedení lokálního zprĤmČrování a bylo tak možné získat validní hodnotu akustické intenzity pro dané pole.

Obr. 5-21 PrĤbČh mČĜení pomocí intenzitní sondy VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

5.2.3 Beamforming MČĜení probČhlo 28. 2. 2012, pĜi kterém mi asistoval Ing. Milan Klapka, Ph.D. PĜíprava mČĜení se skládala ze dvou þástí, pĜiþemž jednou bylo nastavení hardwaru a druhou nastavení softwaru. Jednou ze základních myšlenek platformy PULSE je pĜipravení mČĜící šablony pĜed samotným mČĜením, avšak protože se jednalo o první využití nové technologie, musel jsem šablonu vytvoĜit. Pro mČĜení metodami beamforming a SONAH bylo využito 36 kanálové kruhové pole osazené mikrofony Brüel & Kjær typ 4957, urþené pro frekvenþní rozsah 50 – 10 000 Hz a dynamický rozsah 32 – 134 dB. Prvním krokem byla tedy pĜíprava tohoto mikrofonního pole a platformy PULSE. Ta spoþívala v upevnČní pole do stativu, instalaci mikrofonĤ do patic, pĜipojení kabeláže a propojení modulu k PC se spuštČným PULSE LabShop. Po vložení mikrofonĤ do patic bylo potĜeba provézt jejich inicializaci v softwaru a pĜiĜadit jejich sériová þísla k jednotlivým kanálĤm v pĜíslušném dialogovém oknČ (obr. 5-22).

Obr. 5-22 Dialogové okno inicializace mikrofonĤ

Inicializaci jsem provádČl pistonphonem Brüel & Kjær typ 4228, postupným pĜikládáním gumové koncovky na mikrofony. Patice mikrofonĤ jsou oþíslované, stejnČ jako

Obr. 5-23 Pistonphone Brüel & Kjær typ 4228 [2]

kabely k propojení pole a modulu. Vloží-li se tedy vždy stejné mikrofony na stejné pozice a uživatel má k dispozici dĜíve vytvoĜenou šablonu, není zapotĜebí provádČt proces inicializace pĜed každým mČĜením. DefaultnČ dojde k pĜiĜazení prvního kanálu jako referenþního signálu mikrofonního pole. VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-24 Nastavení FFT analyzéru

Následujícím krokem bylo nastavení FFT analyzéru v uživatelském prostĜedí prost LabShop. Zde bylo zapotĜebí zapot upĜesnit vzdálenost pole od povrchu zkoumaného objektu (od hlavy mikrofonĤ), mikrofon ), zvolit vzorkovací frekvenci (ta závisí pouze na výpoþetní etní síle užívaného poþítaþe, po defaultnČ je nastavena na maximum), ppĜiĜadit snímek z USB kamery a vyplnit metadata, podle kterých bylo možné možné jejich zpČtné dohledání v databázi.

Obr. 5-25 PrĤbČhh mČĜení m pomocí metody beamforming

Po provedení výše uvedených krokĤ krok byl systém pĜipravený ipravený na provedení m mČĜení. Následoval tedy start motoru a nastavení požadovaných požadovaných provozních podmínek dle tabulky 3.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Po zahĜátí motoru a ustálení jeho chodu bylo provedeno 5 sekundové mČĜení, bČhem kterého byl automaticky poĜízen snímek z USB kamery. Po ukonþení mČĜícího procesu byla data automaticky uložena do databáze a systém byl okamžitČ pĜipraven pro další beamforming mČĜení, avšak pro dané úþely postaþovalo mČĜení jedno. Snímek byl pozdČji využit i pro post-processing mČĜení metodou SONAH, protože pĜi metodách holografie je mikrofonní pole v blízkosti zdroje hluku a takto poĜízený snímek zabere pouze malou þást testovaného objektu. Tab. 3 Pracovní režim motoru pĜi mČĜení metodou beamforming


ŶсϮϬϬϲϭͬŵŝŶ DсͲϰ͕ϮEŵ ƚƐƚĂƌƚсϭϵϴΣ ƚƐƚŽƉсϮϲϮΣ

5.2.4 SONAH – STSF MČĜení testovaného objektu, motoru ROBIN EH34, bylo provedeno bezprostĜednČ po dokonþení mČĜení metodou beamforming (28. 2. 2012 za asistence Ing. Milana Klapky, Ph.D.). Celá mČĜící soustava byla tedy pĜipravena z pĜedešlého mČĜení a jediné co bylo zapotĜebí provést, bylo pĜiblížení mikrofonního pole co nejblíže povrchu zdroje hluku (potĜebné kvĤli zachycení evanescentních vln) tak, aby USB kamera v ose mikrofonního pole byla zaostĜena na stejné místo, jako tomu bylo pĜi mČĜení metodou beamforming. Zachování zámČrného bodu je nezbytné pro možnost využití snímku poĜízeného z metrové vzdálenosti pĜi mČĜení beamforming. Jako nejmenší vzdálenosti jsem dosáhnul 10 cm, blíže jsem se nebyl schopný dostat z dĤvodu kolize konstrukce rámu motorového stendu a stativu držícího mikrofonní pole.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-26 PrĤbČh mČĜení STST / NS-STSF Tab. 4 Pracovní režim motoru pĜi mČĜení STSF


ŶсϮϬϭϮϭͬŵŝŶ DсͲϰ͕ϮEŵ ƚƐƚĂƌƚсϮϯϵΣ ƚƐƚŽƉсϮϯϵΣ

NáslednČ jsem provedl nastavení chodu motoru pomocí ovládacího panelu dle tabulky 4. Samotný proces mČĜení probíhal obdobnČ jako u metody beamforming. Skládal se tedy z vyplnČní metadat (popis mČĜení, dle kterého jsou data vyhledány v databázi), nastavení vzorkovací frekvence, popĜípadČ filtrĤ þi vážení a spuštČní mČĜení.

Obr. 5-27 Zadaní metadat VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

5.2.5 SONAH – NS-STSF Nestacionární mČĜení v základu probíhá identicky s mČĜením STSF. Pokud je však vyžadováno zobrazení akustické mapy v závislosti kromČ þasu i na jiném stavu mČĜeného objektu, jako je tĜeba natoþení libovolné rotaþní souþásti þi její otáþky za minutu, je zapotĜebí pĜiĜadit referenþní signál poskytující informace o tomto stavu. PĜi demonstraþním mČĜení bylo zjišĢováno natoþení klikového hĜídele pomocí tacho sondy 360M od spoleþnosti Brüel & Kjær pĜes setrvaþník, který je s klikovým hĜídelem napĜímo pevnČ spojen. Tak jako vČtšina vybavení spoleþnosti Brüel & Kjær je tato sonda vybavena þipem TEDS (Transducer Electronic Data Sheet), což velice usnadĖuje inicializaci zaĜízení. PĜesto je však nutné provést nastavení referenþního signálu v softwaru PULSE LabShop. NejdĜíve je zapotĜebí vytvoĜit nový signál a pĜiĜadit tacho sondu v Configuration Organizer. NáslednČ je nutné pĜidat tento signál v Measurement Organiser do skupiny Signals a vytvoĜit novou Group pro tento tacho signal, Tacho Group. Dále je tĜeba do podsložky Setup pĜidat modul Tachometer a umístit do nČj vytvoĜenou Tacho Group. V oknČ Function Organiser je potĜeba obdobnČ pĜipojit Tachometer a to stejné pro Display Organizer. Takto vytvoĜený signál je poté nutné nastavit jako referenþní (measure and monitor) v dialogovém oknČ Array Setup.

Obr. 5-28 Postup pĜiĜazení sondy poskytující tacho signál [3]

Pro správnou funkci tacho sondy je nutné provést její nastavení, ke kterému je zajištČn pĜístup prostĜednictvím Measurement Organiseru, kliknutím pravého tlaþítka myši na Tacho a otevĜením Properties. Zde je nutné vČnovat pozornost pĜedevším kolonkám Level (urþuje výkmit tacho signálu), Slope (volí se dle smyslu kmitání signálu), Ratio (zadává se pomČr mezi základními otáþkami stroje a otáþkami na sledované souþásti) a Pulses Per Unit (poþet impulsĤ za jednu otoþku).

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-29 Dialogová okna nastavení tacho signálĤ

5.3 Zpracování namČĜených dat

V následujících podkapitolách bude uveden postup, jakým jsem provedl zpracování a vyhodnocení dat z mČĜení jednotlivými metodami. Post-processing pro metody využívající mikrofonní pole (beamforming a SONAH) byl proveden ve speciálním softwaru Array Acoustics Post-processing, dodaném Brüel & Kjær spoleþnČ s novČ zakoupeným systémem PULSE. 5.3.1 Mapování pomocí intenzitní sondy Po provedení mČĜení ve všech bodech osnovy následovalo provedení výpoþtu a vykreslení mapy akustické intenzity. S výpoþtem mi pomohl Ing. Lubomír Houfek, Ph.D. Výstupem softwaru PULSE LabShop je prostĜedí prohlížeþe, kde si mĤže operátor nechat vykreslit mapy intenzity pro požadovaná frekvenþní pásma v libovolných bodech mČĜící osnovy.

Obr. 5-30 ProstĜedí prohlížeþe výsledkĤ PULSE LabShop

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë 1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Jak je však z obrázku 5-30 patrné, uživatel z programu LabShop získá pouze slepou akustickou mapu. mapu Bylo tedy zapotĜebí, abych provedl další úpravy pro získání z mapy aplikované na snímek mČĜeného objektu. V tomto pĜípadČ toho bylo docíleno úpravou slepé mapy v programu MS Paint, kde jsem pomocí funkce „Vyplnit barvou“ zmČnil modré pozadí na bílé, bílé a následnČ jsem v programu Adobe Photoshop 7.0 CE takto upravenou mapou transparentnČ transparentn pĜekryl fotku motoru ROBIN EH34 s mČĜící osnovou, poĜízenou ízenou bČhem b mČĜení. Výsledek této úpravy ravy je uveden na obrázku 5-31. Bohužel celý tento proces aplikování mapy mapy na snímek je pouze jednorázový a je tedy tĜeba provést celý postup pro každou vykreslenou mapu zvlášĢ.

Obr. 5-31 Výsledná mapa akustické intenzity testovaného objektu

5.3.2 Beamforming ro provedení výpoþtu výpo a získání pĜístupu k výsledkĤm mČĜení ení bylo potĜebné Pro spuštČní programu Array Acoustics Acoustic Post-processing. Práce v programu je rozdČlena rozd do tĜí þástí. TČmi mi jsou vyhledání dat, provedení výpoþtu výpo tu a prohlížení výsledk výsledkĤ. PĜepínání mezi tČmito þástmi je provádČno provád pomocí panelu viz obr 5-32 32.

Obr. 5-32 PĜepínání epínání mezi hlavními sekcemi programu

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-33 Dialogové okno pro vyhledávání pomocí metadat

Pomocí zadaných popisných informací je tĜeba vyhledat provedené mČĜení (Search). Poté musí uživatel v levém sloupci pĜiĜadit požadovaný druh výpoþtového algoritmu. Pro beamforming je jím algoritmus „Delay And Sum“ jehož princip jsem popsal v kapitole 5.3.1.

Obr. 5-34 PĜiĜazení algoritmu výpoþtu pĜi mČĜení pomocí metody beamforming

Záložka calculation setup (Calculate) je urþena pro provedení podrobného nastavení výpoþtu. Uživatel postupnČ provede nastavení parametrĤ jako je druh analýzy (FFT, 1/n oktávová), horní a dolní frekvenþní limit, šíĜka pásma, prĤmČrování hodnot a vzdálenost mikrofonního pole od povrchu mČĜeného objektu. Po projití všech tČchto parametrĤ nastává þas pro spuštČní výpoþtu, který je ukonþen zprávou „calculaion done“ ve Overall JobStatus Window. Po obdržení této informace následuje pĜepnutí do prohlížeþe výsledkĤ (Results).

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

Obr. 5-35 Status window

Jako první je zapotĜebí vybrat provedený výpoþet a pomocí myši jej pĜetáhnout na stĜed okna v pravé þásti uživatelského prostĜedí, pro naþtení hodnot do prohlížeþe, a provést úpravu prĤhlednosti vykreslené mapy (funkce transparency v dialogovém oknČ properties).

Obr. 5-36 Naþtení namČĜených dat do prohlížeþe

Provedením tohoto úkonu se zpĜístupní grafy spekter, jak je patrné na obrázku 5-36, kde pravý graf odpovídá spektru pĜes celou plochu mČĜení, zatímco levý pĜipadá oblasti zvolené pomocí volby bodu na snímku (þervený bod). Graf nalevo slouží také pro volbu frekvenþního pásma, které má být vykresleno. Je možná volba buć jednoho frekvenþního pásma, jehož šíĜka vychází z nastavení v calculation setup, nebo si mĤže uživatel tažením myší oznaþit širší pásmo (i celý rozsah mČĜení), které je oznaþeno žlutým sloupcem, jak lze vidČt na obrázku 5-36.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

5.3.3 SONAH – STSF Celý proces zpracování dat probíhal obdobnČ, jako jsem popsal pro metodu beamforming. Zaþínal tedy vyhledáním dat v databázi podle popisných informací (metadata) a pĜidČlením algoritmu SONAH.

Obr. 5-37 PĜiĜazení algoritmu výpoþtu pĜi mČĜení pomocí metody STSF/NS-STSF

Krokem navíc oproti zpracování dat beamformingu byla nutnost pĜiĜadit snímek motoru z USB kamery od pĜedchozího mČĜení. To se bČžnČ provádí kliknutím pravého tlaþítka myši na „Delay And Sum“ mČĜení (pokud toto mČĜení bylo na stejném objektu provedeno) a výbČrem funkce „Copy calculation setup“. Poté je tĜeba pravým tlaþítkem myši rozbalit nabídku pro mČĜení SONAH a zvolit v sekci Paste „Picture Allignment Only“ jak je znázornČno na obrázku 5-38.

Obr. 5-38 PĜiĜazení snímku pro STSF/NS-STSF z jiného mČĜení

Následuje provedení calculation setup jehož nastavení je obdobné jako pro beamforming a prošel jsem ho v kapitole 5.3.2. Po provedení výpoþtu a jeho naþtení do prohlížeþe v sekci Results je umožnČno analyzování výsledkĤ dle vykreslených akustických map a spektrogramĤ. 5.3.4 SONAH – NS-STSF Post-processing dat pro transientní dČje probíhá velice podobnČ jako u beamformingu þi prostorové transformace zvukových polí. Surová data jsou po vyhledání naþtena z databáze a následuje nastavení výpoþtu. Zde je dĤležité zvolit typ analýzy jako transient (obr. 5-39) a nastavit požadované prĤmČrování. Pomocí hodnoty prĤmČrování je ovládána synchronní filtrace. Uživatel má na výbČr, zda si chce namČĜený dČj nechat vykreslit v závislosti na þase, RPM, þi jiné referenþní hodnotČ. V pĜípadČ mČĜení motoru ROBIN bylo referenþním signálem natoþení klikového hĜídele, veliþina pro prĤmČrování poté byla hodnota ve stupních natoþení.

VWUDQD

1È95+0(72',&.e+23ěË67838.ě(â(1Ë

V pĜípadČ našeho mČĜení jsme mČli k dispozici pouze jeden tacho signál, proto jsme z nČj získali pouze relativní natoþení z výchozí pozice, nikoliv však absolutní polohu klikového hĜídele. PonČvadž u motoru ROBIN EN34 se jedná o þtyĜdobý jednoválec, jeden pracovní cyklus zahrnuje dvČ otáþky klikového hĜídele. Proto bylo zapotĜebí vzít tento fakt v potaz a nastavit pro tacho signál odpovídající pĜevodový pomČr, tedy 2:1. Ostatní kolonky pro nastavení jsou shodné s beamformingem a SFST a jejich význam byl tedy již popsán v pĜedešlých kapitolách.

Obr. 5-39 Volba výpoþtu transientního dČje (pĜepnutí STSF na NS-STSF)

NepĜíjemná skuteþnost na uživatele þeká po spuštČní výpoþtu. Zjistí totiž, že oproti výpoþtu statického mČĜení trvá výpoþet transientního dČje mnohonásobnČ déle. NapĜíklad pro výpoþet našeho 5 vteĜinového stacionárního dČje se doba výpoþtu pohybovala v Ĝádu sekund, pro výpoþet stejnČ dlouhého transientního dČje s prĤmČrováním nastaveným na úhel 10° se potĜebný þas vyšplhal až k 5 hodinám. Po pĜepnutí do sekce Results a „natažení“ mČĜení do prohlížeþe si mĤže uživatel nechat pĜehrát sekvenci snímkĤ ve smyþce, nebo si prohlížet jednotlivé snímky v interakci s frekvencí, prostorem þi referenþní veliþinou (þas, úhel natoþení atd.).

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

6

ANALÝZA A INTERPRETACE ZÍSKANÝCH ÚDAJģ

6.1 Zhodnocení metod, mČĜení a výsledkĤ

6.1.1 Metoda intenzitní sondy Jak bylo popsáno v kapitole 2 v pĜíslušné podkapitole, jedná se o jednu z nejstarších metod mapování akustických polí. PĜiþemž dle teoretických podkladĤ by mČla mít jak své klady, tak i úskalí.

6.1.1.1 PotĜebné vybavení Co se týþe množství mČĜícího vybavení, je tato metoda pomČrnČ nenároþná. Nezbytným vybavením se stávají pouze dva mikrofony, dvoukanálový A/D pĜevodník a záznamové zaĜízení. NejvČtší nároky jsou však kladeny na mikrofony, které musí být pro kvalitní výsledky vhodnČ spárovány. Pro tato mČĜení bylo použito vybavení Brüel & Kjær, a to intenzitní sonda a starší verze platformy PULSE.

6.1.1.2 Osnova mČĜení Jedním z významnČjších záporĤ metody intenzitní sondy je nutnost vytvoĜení mČĜící osnovy. Ta mĤže pro mČĜení na vČtších objektech dosahovat znaþných rozmČrĤ, þímž se znemožní její pĜeprava ve funkþním stavu a je zapotĜebí její montáž na místČ, což ponČkud prodlužuje þas potĜebný pro provedení mČĜení.

6.1.1.3 Manuální obsluha Vzhledem k faktu, že celá sonda je v prĤbČhu mČĜícího procesu fixována ve stĜedu mČĜeného segmentu osnovy a pĜesouvána pouze operátorem bez užití stativu, je pomČrnČ nároþné udržet zaĜízení ve správné pozici. Pro pĜedstavu jedno mČĜení na motoru ROBIN EH34 zabralo pĜibližnČ 20 minut. PĜi tĜetím mČĜení byly již na operátorovi (autor práce) patrny známky únavy a rozkmit sondy dosahoval jednotek centimetrĤ jak v rovinČ osnovy, tak i ve smČru kolmém na ni. Z toho dĤvodu bylo potĜebné, aby mČĜení na jednotlivých segmentech osnovy byla dostateþnČ dlouhá a tím byl získán potĜebný objem dat pro provedení prĤmČrování a získání validní hodnoty. Délka mČĜení na jednom poli byla nastavena na 10 sekund.

6.1.1.4 Zpracování výsledkĤ PĜestože vykreslení mapy akustické intenzity je provádČno automaticky a uživateli je umožnČno rychlé pĜepínání mezi body osnovy a frekvencemi, je zobrazena vždy pouze slepá mapa a pro pĜekrytí pĜes snímek objektu musí být vynaloženo ještČ znaþné úsilí. Proces této úpravy je popsán v kapitole 5.3.1.

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

Obr. 6-1 Pozice intenzitní sondy bČhem mČĜení

6.1.1.5 Zhodnocení metody Hlavní výhodou metody mapování pomocí intenzitní sondy má být dle teorie její vektorový charakter, díky nČmuž by mČla být schopna díky své smČrové citlivosti eliminovat vzruchy okolí. Tato vlastnost se však bČhem mČĜení na testovaném objektu neprojevila a do výsledkĤ všech tĜí provedených mČĜení vstupovaly znaþné odrazy od okolních objektĤ.

Obr. 6-2 Mapy akustické intenzity získané bČhem tĜí mČĜení

Na obrázku 6-2 jsou uvedeny výsledky tĜí provedených mČĜení, kdy první dvČ mapy byly namČĜeny pĜi velice podobném zatížení motoru (ve skuteþnosti se však jednalo o první a tĜetí mČĜení, zde jsou pouze pĜehozeny pro názornost) a tĜetí odpovídá chodu motoru pod trojnásobným zatížením. Jako druhé hlavní mínus by se dal oznaþit þas potĜebný pro provedení jednoho mČĜení. Ten se pro uvedené modelové mČĜení pohyboval okolo 20 minut, bČhem kterých se nesmČl výraznČji zmČnit charakter zdroje hluku. Metoda tedy klade znaþné nároky na stacionární chod testovaného objektu. V závČru tedy vychází metoda intenzitní sondy jako tČžkopádná, dlouhotrvající metoda, jejíž jedinou výhodou je menší nároþnost na množství potĜebného mČĜícího vybavení.

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

6.1.2 Beamforming V literatuĜe popisující teorii této metody se þtenáĜ þasto setkává s názorem, že u beamformingu se jedná pouze o metodu užívanou pro rychlé zjištČní hlavních zdrojĤ hluku a urþení míst, kterým je radno se nadále blíže vČnovat, pĜiþemž není plnohodnotnou mČĜící metodou. BČhem provedených testĤ byl však tento názor vyvrácen a bylo pozorováno, že pro frekvence vyšší jak 1 kHz jde o znaþnČ pĜesnou metodu, poskytující podrobné informace o akustickém poli obklopující zkoumaný objekt. PĜesnost této metody je závislá na vzdálenosti mikrofonního pole od zdroje hluku. S rostoucí vzdáleností klesá rozlišení algoritmu, avšak pro mČĜení provedená do vzdálenosti 1 m se dá s nadsázkou hovoĜit o rozšíĜení metod akustické holografie do frekvenþních pásem, ve kterých holografie ztrácí svou pĜesnost.

6.1.2.1 PotĜebné vybavení PonČvadž se jedná o metodu využívající k mapování mikrofonní pole, je zĜejmé, že oproti metodČ intenzitní sondy bude beamforming vyžadovat vČtší množství vybavení. Pro provedené mČĜení bylo použito kruhové 36 kanálové pole. Z toho vyplývá, že bylo zapotĜebí 36 mikrofonĤ (Brüel & Kjær 4957 array microphone) spoleþnČ s 36 kanály na frontendu platformy PULSE (byly využity 3 Lan XI moduly, každý s 12 kanály), který se propojuje s PC s patĜiþným softwarem. Aþkoliv je vybavení relativnČ hodnČ, jeho pĜíprava k mČĜení nezabere mnoho þasu a není ani uživatelsky nároþná.

6.1.2.2 PrĤbČh mČĜení Samotný prĤbČh mČĜení je velice rychlý. Nejvíce þasu uživateli zabere inicializace mikrofonĤ v poli pomocí pistonphonu (pokud nepoužívá pĜedem vytvoĜenou šablonu a nedošlo k zamČnČní mikrofonĤ na jednotlivých pozicích). Tento proces byl popsán v kapitole 5.3.2. Po inicializaci probíhá pouze pĜipojení USB kamery (je-li jí pole osazeno) a základní nastavení. Po této krátké proceduĜe je již systém plnČ pĜipraven k provedení mČĜení.

6.1.2.3 Zpracování výsledkĤ Díky softwaru urþeného pĜímo pro post-processing dat namČĜených pomocí mikrofonních polí na platformČ PULSE, je ovládání výpoþtu a vykreslení akustických map oproti intenzitní sondČ výraznČ snadnČjší. Hlavní výhodou je automatické pĜekrývání mapy na vystĜedČný snímek testovaného objektu. Tím odpadá potĜeba využití grafických programĤ, které þasto musí být licencovány.

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ $1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

Obr. 6-33 Vykreslení mapy hladiny akustického tlaku v pásmu 4kHz pomocí metody beamfornig

6.1.2.4 Zhodnocení metody Beamforming mforming se bČhem bČ testovacích mČĜení ení projevil jako velice úúþinná metoda pro lokalizaci a popis zdrojĤ zdroj hluku v pozorovaném akustickém poli. Jeho vhodnost je omezena dolní hraniþní ní frekvencí 1 kHz, pod kterou razantnČ razantn ztrácí prostorové rozlišení a dochází k pĜekrývání pĜ celé pozorované oblasti. Jako metoda využívající mikrofonního pole se dostává beamforming do skupiny technologií s vysokou poĜizovací cenou, což se však jeví spolu s frekvenþním ním limitem jako jediné mínus. Za tuto cenu ovšem uživatel získá možnost možnos provádČtt rychlá, jednoduchá a hlavn hlavnČ pĜesná mČĜení a schopnost monitorovat jak stacionární tak transientní transie dČje ze vzdáleného pole. 6.1.3 SONAH – STSF Metoda prostorové transformace zvukových polí je využívána využívána pro lokalizaci zdrojĤ hluku a jejich zkoumání v blízkém poli. Je urþena ena pro m mČĜení malých a stĜednČ velkých objekt objektĤ se stacionárním chodem. Její výhodou dou by mČla m být rychlost mČĜení ení a dobré rozlišení. 6.1.3.1 PrĤbČh mČĜení ení Pokud má operátor dopĜedu dop pĜichystanou šablonu mČĜení, ení, skládá se celý proces pĜipravení snímání ímání pouze ze složení hardwaru (mikrofonní pole, stativ, s kabeláž, analyzátor a poþítaþ)) a jeho inicializace v patĜiþném ném softwaru, což nevyžaduje nijak

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ $1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

mnoho þasu. V pĜípadČ,, že šablona pĜipravena není, pĜibývá nutnost pĜiĜazení jednotlivých mikrofonĤ v poli ke kanálĤm analyzéru. Mikrofonní pole musí být bČhem hem analýzy touto metodou co nejblíže povrchu zkoumaného zkoumaného objektu, aby byly zaznamenány evanescentní vlny. To mĤže m že znemožnit provedení test testĤ na špatnČ pĜístupných dílech nČkterých kterých strojĤ stroj bez jejich demontáže. MČĜení ení jako takové probíhá velice rychle a je uživatelsky pohodlné. Pro mČĜení je tĜeba eba zajistit stacionární chod zdroje hluku. 6.1.3.2 Zpracování výsledkĤ výsledk Jelikož se jedná o metodu využívající mikrofonní pole pole je zpracování dat provádČno v softwaru Array Acoustic Acou Post-processing, což usnadĖuje uje a urychluje jak výpoþet, tak i prohlížení a analýzu výsledkĤ, výsledk kde si uživatel mĤže že lehce volit frekvenþní ní pásma a oblasti zájmu.

Obr. 6-4 Vykreslení mapy hladiny akustického tlaku v pásmu 0,5 - 1kHz pomocí metody STSF

6.1.3.3 Zhodnocení metody MČĜení ení pomocí prostorové transformace zvukových polí jjee uživatelsky velice pĜíjemná metoda kvĤli li rychlosti jak nastavení, tak i samotného mČĜ mČĜení. PĜesnost a rozlišení STSF záleží na rozestupu mikrofonĤ v poli, tvaru mikrofonního pole a na jeho vzdálenosti od povrchu zdroje. S rostoucí vzdáleností klesá pĜesnost esnost a od urþité ur vzdálenosti již zaniká realizovatelnost mČĜení m kvĤli li slabé hladinČ þi úplnému vymizení evanescentních vln.

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

Nutnost využití mikrofonního pole znaþnČ zvyšuje poĜizovací cenu této metody, avšak protože se využívá stejné mikrofonní pole pro metody beamforming, STSF i NS-STSF, je mezi nČ tato cena rozdČlena. 6.1.4 SONAH – NS-STSF Od metody pro mČĜení nestacionárních dČjĤ jsme oþekávali nejvČtší pĜínos jak pro rozšíĜení možností provádČní akustických analýz, tak pro zvýšení konkurenceschopnosti bezdozvukové komory na trhu, ponČvadž nákupem této technologie se Fakulta strojního inženýrství stala jejím prvním a jediným majitelem v ýeské republice. 6.1.4.1 PrĤbČh mČĜení PrĤbČhem mČĜení se od metody STSF liší pouze nutností užití snímaþe, který poskytuje informace o okamžitém stavu zdroje hluku, pĜi zachování svižnosti mČĜícího procesu. Pro demonstraþní mČĜení byla využita tachosonda pro zjištČní relativního natoþení klikového hĜídele. Relativního proto, že tento signál nám nezajistil, že natoþení 0° odpovídá horní úvrati, ale udával pouze pĜírĤstek hodnoty natoþení. Nastavení tachosondy je potĜeba manuálnČ provést v programu LabShop, což vyžaduje podrobnČjší znalost tohoto softwaru. Popis nastavení je uveden v kapitole 5.2.5. 6.1.4.2 Zpracování výsledkĤ Post-processing dat probíhá obdobnČ, jako pro ostatní metody využívající mikrofonní pole, které jsem popsal v pĜedešlých kapitolách. Drobné rozdíly jsou v nastavení kritéria prĤmČrování, ale v þem se tato metoda zásadnČ odlišuje je þas potĜebný pro provedení výpoþtu akustické mapy. Ten se pro naše 5 sekundové mČĜení vyšplhal na 5 hodin, pĜiþemž nejvíce þasu zabírá fliping dat na pevném disku. BČhem tohoto procesu se celý systém chová, jako by došlo k chybČ a nereaguje na pokyny. Uživatel tento fakt musí brát v potaz a projevit trpČlivost. Po dokonþení výpoþtu a jeho naþtení do prohlížeþe si mĤže uživatel prohlížet výsledky v závislosti na frekvenci, pozici v rovinČ rovnobČžné s rovinou pole (rovina na povrchu zdroje v zadané vzdálenosti o roviny zdroje) a v závislosti na referenþním signálu, kterým pro nás byl zmiĖovaný úhel natoþení kliky a který je zastoupen ukazatelem na jednotlivých snímcích na obr. 6-5. Celou sekvenci si lze nechat pĜehrát ve smyþce.

Obr. 6-5 Sekvence snímkĤ NS-STSF zachycující výfuk motoru

VWUDQD

$1$/é=$$,17(535(7$&(=Ë6.$1é&+Ò'$-ģ

6.1.4.3 Zhodnocení metody Metoda NS-STSF vnáší do akustické diagnostiky zcela nový rozmČr, a tím je možnost mapování nestacionárních dČjĤ. Díky tomu lze zaznamenat i rychle a krátce probíhající dČje, které by jinak mohli být ztraceny bČhem prĤmČrování. A tak oproti metodám stacionárním k informaci „kde“ pĜiĜadí také informaci „kdy“. Nastavení šablony mČĜení je zde ponČkud nároþnČjší oproti STSF þi metodČ beamforming. To je dáno užitím tacho sondy jako zdroje referenþního signálu, pro jejíž správné nastavení je zapotĜebí hlubší znalost struktury programu PULSE LabShop. Rozlišení, frekvenþní rozsah a použitelnost si tato metoda pĜebírá od prostorové transformace zvukových polí, tedy STSF. Nevýhodou NS-STSF je doba potĜebná pro provedení výpoþtu. Ta dosahovala pĜi testech i pro krátká mČĜení nČkolika hodin. Tento výpoþetní þas závisí na zvolené hodnotČ prĤmČrování a šíĜce jednoho frekvenþního pásma. Avšak lze vČĜit, že se strmČ stoupajícím trendem stále levnČjší výpoþetní síly, za krátký þas odpadne tento nedostatek, a tím metoda NS-STSF ztratí své nejvýraznČjší mínus.

VWUDQD

=È9ċ5

7

ZÁVċR

Pro splnČní cílĤ této práce bylo zapotĜebí získat potĜebné teoretické znalosti principĤ jednotlivých mČĜících metod a nauþit se samostatnČ pracovat s novČ nabytým vybavením pro tyto technologie. Teorii jsem þerpal z internetových i psaných zdrojĤ, nejvíce užiteþné však bylo odborné školení provedené zástupcem spoleþnosti Brüel & Kjær Frankem Rasmussenem ve dnech 21. – 23. února 2012, který nám celý systém oživil a provedl vysvČtlení funkce a zacházení s vybavením na demonstraþních mČĜeních na dvoustupĖovém kompresoru pro plnČní tlakových lahví. Po tomto školení jsme se spolu s Ing. Milanem Klapkou, PhD. stali prvními proškolenými jedinci v ýeské republice, schopni nové technologie na platformČ PULSE ovládat. S takto nabytými zkušenostmi jsem se mohl pustit do provádČní demonstraþních mČĜení na motoru ROBIN EH34, popsaných v této práci a provést srovnání jednotlivých metod, vypracovat pojednání o jejich vhodnosti v závislosti na podmínkách mČĜení a vytvoĜit podmínky pro zaþlenČní metod mapování mikrofonních polí do bČžné praxe. Mapování akustických polí intenzitní sondou je jednou z nejstarších mapovacích metod a jako taková je již delší dobu využívána i na FakultČ strojního inženýrství. Její výhody spoþívají v pomČrnČ malé nároþnosti na množství mČĜícího vybavení a vektorové charakteristice mČĜené akustické veliþiny. Díky této vlastnosti by dle teoretických podkladĤ mČlo využití akustické intenzity do znaþné míry zamezit kontaminaci mČĜeného objektu vzruchy od okolí a umožnit mČĜení na strojích v jejich bČžných pracovních podmínkách, aniž by muselo dojít k odstavení okolních strojĤ z provozu. Tato vynikající vlastnost se však bČhem provádČní mČĜení testovaného objektu plnČ neprojevila a do výsledné mapy akustické intenzity proniklo znaþné množství kontaminace zpĤsobené odrazy od okolí, jako stČny, okna þi plechových krytĤ. K potlaþení tČchto nechtČných vzruchĤ jsem musel snížit amplitudový rozsah vykreslené mapy. Znaþnou nevýhodou mapování intenzitní sondou je pomČrnČ veliká þasová nároþnost, dána nutností mČĜení pomocí pĜedem vytvoĜené osnovy. ObzvláštČ pak, je-li se sondou operováno manuálnČ jako pĜi našem mČĜení a dochází k výraznému rozkmitu sondy z ideální polohy bČhem mČĜení. Pro snížení nepĜesnosti je poté dĤležité nastavit delší mČĜící þas pro každé pole osnovy, pro získání dostateþného objemu dat a kvalitní zprĤmČrované hodnoty. Také zpracování namČĜených dat si žádá jistou dávku trpČlivosti, neboĢ z programu PULSE LabShop získá uživatel slepou mapu, kterou musí manuálnČ upravit v libovolném grafickém softwaru a následnČ ji transparentnČ nanést na snímek mČĜeného objektu, aby dosáhl patĜiþné názornosti výsledkĤ. Ve shrnutí vyšla intenzitní sonda jako relativnČ levná metoda, která však klade znaþné nároky na stacionární chod zkoumaného objektu a þas jak mČĜení, tak i zpracování dat. Oproti tomu metody využívající mikrofonní pole (beamforming, STSF a NSSTSF) plnČ prokázaly oþekávaný pĜínos, kterým bylo zrychlení a zjednodušení provádČných mČĜení pĜiþemž díky specializovanému post-processingovému softwaru došlo ke zjednodušení i pro zpracování dat. Úkonem, který pĜi práci s mikrofonními poli zabral nejvíce þasu, byla inicializace mikrofonĤ a jejich pĜiĜazení k jednotlivým kanálĤm analyzéru. Avšak

VWUDQD

=È9ċ5

pokud je inicializace jednou provedena a nedojde k prohození mikrofonĤ lze nastavení uložit jako šablonu pro další mČĜení a uživatel je procesu pĜiĜazení ušetĜen. To znaþnČ zkrátí þas potĜebný pro pĜípravu mČĜení. Pro demonstraci popsaných metod byla provedena mČĜení na motoru ROBIN EH34, bČhem nichž bylo využito kruhové 36 kanálové mikrofonní pole spoleþnosti Brüel & Kjær, které je ve své ose osazeno USB kamerou propojenou s mČĜícím softwarem. Díky této kameĜe je samoþinnČ poĜizován snímek mČĜení, na který je automaticky pĜekreslována akustická mapa definovaná polohou þi frekvencí. V literatuĜe jsem se bČhem rešeršní þinnosti vícekrát doþetl, že beamforming není plnohodnotnou mČĜící metodou a je vhodný spíše k rychlé lokalizaci hlavních zdrojĤ hluku a urþení míst, kterým je dĤležité vČnovat pozornost. BČhem demonstraþního mČĜení jsme však zjistili, že tato metoda, mČĜíme-li z dostateþnČ malé vzdálenosti (ménČ než 1 metr), dokáže poskytnou informace o zdroji s detailem, který bychom oþekávali spíše u metod holografie. Pokud rozlišení metody závisí na vzdálenosti mikrofonního pole od zdroje hluku, frekvenþní rozsah poté na rozestavČní mikrofonĤ v poli. Pro užité pole byla dolním frekvenþním limitem hodnota 1 kHz. Velkým pĜikvapením bylo odhalení schopnosti beamformingu mČĜení nejen dČjĤ stacionárních, ale i transientních. Tato vlastnost nebyla v literatuĜe nikde zmínČna, ale pĜináší širokou Ĝadu možných uplatnČní. Práce s metodou STSF byla stejnČ jako beamforming uživatelsky velice pĜíjemná. Jediný rozdíl mezi pĜípravou tČchto dvou metod byla pozice mikrofonního pole, kdy z dĤvodu zachycení evanescentních vln musí být pro holografii pole dostateþnČ blízko zdroje hluku (ĜádovČ jednotky centimetrĤ). Tento požadavek na pozici mĤže vést k nutnosti demontáže pĜi mČĜení špatnČ dostupných þástech vČtších strojĤ. Je-li však mČĜení provedeno, výsledkem je akustická mapa ve vysokém rozlišení. To je stejnČ jako u beamformingu závislé na tvaru mikrofonního pole a rozestupu mikrofonĤ. Obdobné je také frekvenþní omezení metody. S 36 kanálovým polem byla horní limitní frekvence pĜibližnČ 1 kHz. Zcela nejvíce oþekávaným pĜínosem byla možnost mČĜení transientních dČjĤ pomocí aplikované TDH, neboli NS-STSF. Tato metoda umožĖuje detailní popis zkoumaného zvukového pole v interakci nejen s polohou a frekvencí ale i s þasem, a tím lze zaznamenat i krátce trvající dČje, které by mohli být u stacionárních metod ztraceny bČhem prĤmČrování. Pro tuto metodu je zapotĜebí referenþního signálu, který bude poskytovat informaci o stavu zkoumaného objektu. BČhem našeho mČĜení jsme použili tacho sondu pro zjištČní natoþení klikového hĜídele. Nastavení sondy vyžaduje hlubší znalost struktury programu PULSE LabShop, a je tedy vhodné uložit si nastavení jako šablonu pro pĜíští mČĜení. Rozlišení, frekvenþní rozsah a použitelnost metody NS-STSF je shodné s podmínkami pro prostorovou transformaci zvukových polí. Znaþnou pomocí pĜi zpracování dat je program urþen speciálnČ pro postprocessing dat namČĜených pomocí mikrofonních polí. Díky tomuto softwaru si uživatel s lehkostí nechá vykreslit libovolnou akustickou mapu dle polohy a frekvence, aniž by byl nucen snímek jakkoliv manuálnČ upravovat. BČhem vypracovávání této diplomové práce byly splnČny všechny stanovené cíle. Bylo sepsáno porovnání všech zkoumaných metod a provedeno pojednání o jejich vhodnosti, respektive podmínkách využití.

VWUDQD

=È9ċ5

Pro každou z metod bylo provedeno nČkolik demonstraþních mČĜení na stejném zdroji hluku, pĜiþemž v diplomové práci je vždy uvedeno pouze jedno mČĜení, jelikož cílem bylo hodnocení metod a nikoliv provedení analýzy motoru ROBIN EH34. Výsledkem provádČných demonstraþních mČĜení jsou nejen namČĜená data, ale též vytvoĜené šablony, které usnadní spolu s touto prĤvodní zprávou nadcházející mČĜení. Šablony budou uvedeny na CD jako pĜíloha diplomové práce.

VWUDQD

6(=1$0328ä,7é&+='52-ģ

8

SEZNAM POUŽITÝCH ZDROJģ

[1]

MIŠUN, V. Vibrace a hluk. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s.r.o., 2005. 177 s. ISBN: 80-214-3060-5 [2] PULSE Analyzers & Solutions: Product Catalogue, Version 19a. BRÜEL & KJAER. Spectris Praha: PULSE - pĜehled [online]. 19a. 2009 [cit. 2011-1208]. Dostupné z: http://www.e-pages.dk/bruel/80/ [3] BATEL, Mehdi, Marc MARROQUIN, Jørgen HALD, Jacob J. CHRISTENSEN, Andreas P. SCHUHMACHER a Torben G. NIELSEN. BRÜEL & KJÆR NORTH AMERICA, Inc., Norcross, Georgia and Brüel & Kjær, Denmark. Noise Source Location Techniques: Simple to Advanced Applications. 2003. Dostupné z: www.sandv.com/downloads/0303bate.pdf [4] HALD, Jørgen. BRÜEL & KJÆR SOUND & VIBRATION MEASUREMENT A/S, Nærum, Denmark. Time Domain Acoustical Holography and Its Applications. 2001. [5] BRÜEL & KJÆR. PULSE Array-based Noise Source Identification Solutions: Beamforming — Type 8608, Acoustic Holography — Type 8607, and Spherical Beamforming — Type 8606. 2011. Dostupné z: http://www.bksv.com/doc/bp2144.pdf [6] BRÜEL & KJÆR. TECHNICAL REVIEW: Beamforming. 2004. Dostupné z: http://www.bksv.com/doc/bv0056.pdf [7] KREIDL, Marcel. Technická diagnostika: senzory, metody, analýza signálu. 1. vyd. Praha: BEN, 2006, 406 s. ISBN 80-730-0158-6. [8] BRÜEL & KJÆR, Denmark. Sound Intensity. 2850 Nærum, Denmark, 1993. Dostupné z: http://www.engr.sjsu.edu/bjfurman/courses/ME120/me120pdf/SoundIntensity. pdf [9] I-Track: I-Track-Sound-Intensity-Mapping. Soft dB [online]. 2010-10-13 [cit. 2012-04-22]. Dostupné z: http://www.softdb.com/_files/_acoustic-division/ITrack/I-Track-Sound-Intensity-Mapping.pdf [10] BROTHANEK, M. a kol.. MČĜení akustického výkonu pomocí akustické intensity. . FEL-ýVUT. OtevĜená vČda [online]. 2008 [cit. 2012-01-10]. Dostupné z: http://archiv.otevrenaveda.cz/users/Image/default/C1Kurzy/Fyzika/22_brothanekc.pdf

VWUDQD

6(=1$0328ä,7é&+=.5$7(.

9

SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK NAH SONAH TDH STSF NS-STSF FFT RPM CPB USB TEDS

VWUDQD

– – – – – – – – – –

Near-field Acoustic Holography Statistically Optimal Near-field Acoustic Holography Time Domain Holography Spatial Transformation of Sound Fileds Non Stationary Spatial Transformation of Sound Fileds Fast Fourier Transformation Revolution Per Minute Constant Percentage Bandwidth Universal Seriál Bus Transducer Electronic Data Sheet

BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV KONSTRUOVÁNÍ

Recommend Documents