Akusztikus mérőműszerek Hangszintmérő: méri a frekvencia súlyozott, és nyomásátlagolt hangnyomás szintet (hangszintet). Felépítése
Mikrofon + Erősítő Előerősítő Nem mindig ez a sorrend
Frekvencia súlyozás
Szint tartomány Időátlagolás beállítás
Kijelzés
Mikrofon. A nyomásváltozást az akusztikus hullámban átalakítja elektromos jellé. Ideális mikrofon: 1., Az elektromos jel tökéletes analógiája a hanghullámnak 2., A mikrofon jelenléte nem zavarja meg a mért akusztikus teret 3., Frekvencia független válasz 4., Lineáris kapcsolat a mikrofon jel szint és a nyomásszint között. 5., A mikrofon érzékenysége időben nem változik, és nem függ a környezeti viszonyoktól
Érzékenység a frekvencia függvényében (mikrofon válasz) Érzékenység: a mikrofon elektromos jele és a mikrofon diafragmáján a hangnyomás aránya Előerősítő nélkül (nyitott áramkör) Szabad tér relatív érzékenység szint
⎛ S ⎞ 20 log10 ⎜ ⎟ ⎝ 1V / Pa ⎠ Referencia érzékenység: 1V/Pa Szabad tér: Az akusztikus tér a mikrofon nélkül. Mérőmikrofon: teljesíti a nemzetközi szabványokat (zajmérésre lehet használni).
Érzékenység a beesési szög függvényében
Irányítottsági mintázat 13 mm (vagy kisebb) átmérőjű mikrofonoknak általában nincs irányfüggésük 5000 Hz alatt. Vannak speciális mikrofonok, amik bizonyos irányokban nem érzékenyek. Ezek nem használatosak mérőmikrofonokként. Érzékenység merőleges és súrlódó beesés esetén. Irányított hangforrások esetén, valamelyiket a kettő közül célszerű használni. Stacionárius forrás: merőleges beesés, mozgó forrás, súrlódó beesés. Érzékenység véletlen beesésnél véletlen irányú beesés minden beesési irány egyformán valószínű.
Vannak olyan hangszintmérők, amelyek kapcsolhatók merőleges és véletlen beesés között. 2
A környezeti effektusok hatása a mikrofonokra. Érzékenység hőmérsékletfüggése. A gyártó által megadott adat (érzékenységváltozás egységnyi hőmérsékletváltozás esetén). Nyomás hatása általában nem túl jelentős. Páratartalom hatása nem túl jelentős, DE! harmatponti hőmérséklet alatt vízcseppek jelenhetnek meg a diafragmán (katasztrofális hatás). Hosszú idejű stabilitás. Kezdeti gyors változások. Később 0.4 dB/év. Nemlineáris torzítás. Bizonyos hangszint felett lép fel: > 140 dB (1” - mikrofonok), > 150 dB. (1/2” mikrofonok), > 160 dB. (1/4” mikrofonok)
Mérőmikrofonok típusai Mérőmikrofon: megfelel a nemzetközi előírásoknak. Kapacitás (kondenzátor mikrofonok)
polarizáló feszültség: 150-200
V.
Egyenletes
mikrofon
válasz
széles
frekvencia
tartományban. Magas frekvenciákon (> 10.000 Hz) mechanikus rezonancia. Csillapító lyukak a hátlapon. Alacsony frekvenciákon a nyomáskiegyenlítő korlátoz. Méret: ¼”-2” (1/2” a legáltalánosabb). Jó minőségű kondenzátor mikrofonokhoz megfelelő gyári dokumentáció (kalibrációs görbék). Előnyei:
Nagy érzékenység (10-150 mV/Pa) Alig érzékeny a környezet változásaira Széles tartományban frekvencia független válasz Nagy lineáris tartomány Változtatható érzékenység
Hátrányai:
Külső feszültség kell a használatukhoz Drágák Alacsony hőmérsékleten, magas páratartalomnál könnyen tönkremehetnek
3
Elektrét mikrofonok (Előpolarizált vagy elektrét).
Nem külső feszültség, hanem permanens töltések Előnye
Olcsóság Alacsony hőmérsékleten, magas páratartalom mellett is működnek
Hátrányai
Viszonylag rossz stabilitás Zajosság Kevésbé egyenletes frekvencia függőválasz
Piezoelektromos (Kerámia) mikrofonok. A diafragma mechanikus kapcsolatban van egy piezoelektromos anyaggal. Akusztikus hullám deformációt okoz, ami feszültséget kelt. Előnyei:
Egyenletes válasz (a frekvencia függvényében). Nagy nedvességű közegben is
működőképes. Ellenálló a környezeti hatásoknak. Nincs szükség külső feszültségre. Hátrányai
Alacsony érzékenység. Nagy rezgésérzékenység. Erős hőmérsékletfüggés.
Hangszintmérő részegységei Előerősítő. A mikrofon közelében. Szerepe impedancia-transzformáció. Erősítő Kis szintek mérhetővé tétele. Frekvencia független, időben állandó erősítés. Alacsony sajátzaj. Frekvencia súlyozás: A-súlyozás számos esetben a legjobban írja le az egyének, illetve közösségek reakcióját zajra. B-súlyozás nem használják. C-súlyozás széles frekvenciatartományban egyenletes. Egyenletes-súlyozás mindent áteresztő vagy lineáris. Mérési tartomány szabályzó: 10 vagy 20 dB-es lépésekben. A tartományok átfednek. Időátlagolás: Exponenciális átlagolás, vagy súlyozatlan átlagolás. A hangszint mérők pontosság szerinti osztályozása. Nullás osztály:
Laboratóriumi.
Egyes osztály
Precíziós.
Kettes osztály
Általános célú.
4
Akusztikus kalibrálók A mérőrendszerek érzékenységének ellenőrzése. Ismert hangszintet állítanak elő olyan zárt üregben, amelybe a mikrofon behelyezhető. Pisztofon: Motorral mozgatott dugattyú térfogatváltozást, ezáltal nyomásváltozást hoz létre. Hangszóró típusú akusztikus kalibrálók.
Speciális hangszintmérők Minimum-maximum szintmérők általában gyors időátlagolás. Alkalmazás például elhaladó gépjármű. Csúcsszint mérők 50 mikro-szekundumos átlagolási idő. Kiegészítő berendezések
Spektrum analizátorok Sávszűrők alkalmazásával. Grafikus kijelzés. Sávszűrő olyan elektronika, amely a megadott frekvencia tartományban mindent átenged, azon kívül pedig levág. Oktáv sáv, terc sáv analizátorok. Konstans sávszélességű spektrum analizátorok
Zajok és rezgések frekvencia analízise Szűrők. Különböző frekvenciákra különböző szűrők (diszkrét spektrum), vagy egy szűrő folyamatosan hangolható központi frekvenciával. Digitális szűrők. Szűrők jellemzése. 3 dB es sávszélesség. Impulzus átvitel (a sávszélességgel fordítottan arányos késleltetés). FFT analízis. DFT (diszkrét Fourier transzformáció) FFT (Gyors Fourier transzformáció). 2 egész kitevős hatványainak (pl. 1024 vagy 2048) megfelelő számú pontot felveszünk a jelből. Az FFT ”reprezentálja” egy olyan, periodikus jel Fourier integrálját, amelyiknek egyetlen periódusát vettük fel. FFT analízis paraméterei T: teljes mérési idő, N: mérési pontok száma, ∆t a két mérés között eltelt idő, fs mintavételezési frekvencia, ∆f a spektrum felbontása.
1 ∆f 1 f s = N∆f = ∆t T = N∆t =
5
N/2+1 frekvencia, 0-tól fs/2-ig. A nem-nulla komponenseket szorozni kell (2-vel), hogy a hiányzó negatív komponensek súlya megjelenjen. Problémák az FFT-vel. Nem a valódi, hanem egy módosított jelet mérünk. Aliasing: a mintavételi frekvencia kétszeresénél nagyobb frekvenciák, mint alacsony frekvenciák jelennek meg. Megoldás: Antialiasing szűrők.
6
Jel
4 2 0 -2 0.000
0.001
0.002
Idő (sec)
Teljesítmény szivárgás: Egy adott frekvenciából a felvett jel NEM egész számú periódust tartalmaz. A jelhez tartozó teljesítmény más frekvenciákon jelenik meg. Olyan időablakban mérni, amely a mért frekvencia egész számú többszörösét tartalmazza. Tranziens jelből az egész tranzienst fel kell venni. Ha ez nem lehetséges, akkor ablakfüggvényt kell használni.
FFT amplitudó
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 3400
3600
3800
4000
4200
4400
Frekvencia (Hz) Véges frekvencia felbontás. Lehet, hogy egy lényeges frekvenciát nem mintavételezünk. 6
Ablakfüggvények. A mérés elején és végén a szakadásokat átalakítják folyamatos átmenetté. Hátrányuk, hogy megváltozik a jelalak. Általánosan használt ablakok: négyszög, Hanning (fél periódusa a koszinusz négyzet függvénynek), Flattop. Zoom analízis. Kiválasztott frekvencia tartomány kinagyítása. Spektrum átlagolás. Stacionárius, véletlenszerű jel. A spektrum szórása (σ) az átlagolások számának (n) függvényében:
σ=
1 2 n
Ha nem négyszög ablakot használunk lehetséges részben átfedő spektrumok átlagolása. Tranziens analízis Lehetőleg a teljes időjelet fel kell venni. Ablak függvény alkalmazására nincs szükség. Szinkronizált átlagolás: Időben ismétlődő eseményeknél a jel per zaj viszony növelése. A mérések mindig ugyanakkor, egy külső impulzus jel hatására (triggerelésre) indulnak.
7
