Katalogový list PULSE – Systém Identifikace zdrojů hluku pomocí mikrofonních polí: Beamforming – Typ 8608, Akustická holografie – Typ 8607, Prostorový beamforming – Typ 8606
NSI - Noise source Identification je důležitou metodou v oblasti optimalizace hlukových emisí široké škály produktů od automobilů, spotřebního zboží, nářadí, těžkých pracovních strojů až po dílčí komponenty jako jsou motory, pneumatiky, převodovky, výfukové soustavy atd. Cílem NSI je identifikovat nejdůležitější dílčí zdroje měřených objektů ve smyslu jejich pozice, frekvenčního rozsahu a akustického výkonu. Určení dílčích zdrojů slouží pro identifikace míst, kde provedené konstrukční změny efektivně zlepší celkovou radiaci hluku.
Hardware a Software
Software Prostorový Beamforming Typ 8606 umožňuje zmapovat prostor v úhlu 360° bez ohledu na typ akustického pole Akustická holografie Typ 8607 je metoda pro matematický popis akustického pole založená na mnohočetném měření Beamforming Typ 8608 je metoda mapování zdrojů hluku založená na rozlišování hladin hluku dle směru odkud přicházejí Všechny metody lze zpracovávat post-procesně Výše uvedené metody lze rozšířit následující doplňky: Conformal, Transientní, Quasi-stacionární a Výpočty Parametrů Kvality Zvuku
Mikrofonní Pole Grid Array: pole pro STSF (Spatial Transformation of Sound Field) Wheel Array: pole, numericky optimalizovaná pro Beamforming Slice Wheel Array: pole optimalizované pro Beamforming a STSF Ruční pole pro Akustickou Holografii v reálném čase a conformal mapping Sférické pole pro Beamforming ve vnitřních stísněných prostorech
Mikrofonní pole Brüel & Kjær Tabulka 1 Přehled mikrofonních polí a robotů
Metody měření pomocí mikrofonních polí
Ke zlepšení celkové hladiny hluku je třeba lokalizovat, kvantifikovat a roztřídit jednotlivé zdroje hluku přicházející ze zařízení. To všechno začíná identifikací tzv. „hotspotů“ - míst kde je emise hluku významně vyšší než v jeho okolí. Jakmile jsou tato místa známá, jejich dominantní frekvence a příspěvek akustického výkonu lze identifikovat zdroj hluku a jeho příspěvek k celkové hladině. Klasicky lze toto provést pomocí mapování intenzitní sondou, kdy je třeba měřit v každém bodě sítě pokrývající měřený objekt. Pomocí metod využívající mikrofonních polí je tento proces významně jednodušší a výrazně rychlejší. Použitím moderních výpočetních metod jako například Beamforming, Near-Field Holography (NAH) a Statistically Optimised Near-Field Holography (SONAH) lze získat mapy zvukového pole nejenom v rovině místa měření, ale i před ní nebo přímo na měřeném objektu. To činí výsledky nejen více srozumitelné ale i lépe popisují a kvantifikují nalezené zdroje. Metody vyvinuté Brüel & Kjær SONAH: obdobně jako klasická metoda NAH, SONAH vyvinutá a představená společností Brüel & Kjær vychází z výpočtů prostorové FFT na nízkých frekvencích. SONAH navíc umožňuje použít nepravidelných mikrofonních polí a polí menších než mapovaný objekt bez nepříznivých efektů překrývání. Kombinovaná metoda SONAH a Beamforming: NAH je ideální metoda použitá na nízkých frekvencích. Beamforming pak na vysokých. Kombinací obou získáme pak výsledky v širokém frekvenčním pásmu. Zatím co klasická NAH vyžaduje pravidelné mikrofonní pole, které pokrývá celý měřený objekt, SONAH dokáže pracovat s poli nepravidelnými, která mohou být použita i pro Beamforming. S jedním mikrofonním polem pak lze pokrýt obě metody.
Použitím jednoho pole ve dvou různých vzdálenostech získáme mapu s vysokým rozlišením v širokém frekvenčním pásmu. Vzdálenost pro Beamforming odpovídá pak zhruba polovině průměru pole.
Akustická holografie, NAH a SONAH NAH staví matematický popis modelu zvukového pole na základě řady měření akustického tlaku typicky ve velmi malé vzdálenosti od měřeného objektu. Z naměřených hodnot lze napočítat parametry zvukového pole jako je akustický tlak, akustická intenzita, rychlost atd. i v rovinách rovnoběžných s rovinou měření.
Model může být použit pro výpočet odezvy vzdáleného pole, odhad rozložení akustického tlaku ve vzdáleném poli založený na Helmholtzově integrální rovnici (HIE). Metoda SONAH pak překonává omezení klasické metody NAH, kterými jsou: Měřicí oblast musí krýt zdroje hluku plus určitou oblast okolo aby se zabránilo okénkovému efektu Měřicí oblast musí být pravidelný pravoúhelník tak aby bylo možné použít metodu prostorové FFT SONAH umožňuje procovat jak s pravidelnými tak nepravidelnými mikrofonními poli a poli menšími než je velikost měřeného objektu. Měření a Analýza Stacionární měření STSF jsou uskutečněna pomocí pravoúhlého mikrofonního pole, kterým se skenuje měřený objekt pomocí robota. Aby byla zajištěna absolutní fázová shoda mezi jednotlivými skenovacími pozicemi, je nutné současně měřit několika dalšími, referenčními, snímači. Měření přechodových jevů je nutné provést pomocí velkého pevného mikrofonního pole, kdy jsou všechny body měřeny najednou. Kontribuční analýza Analýza příspěvků je provedena na základě hodnocení akustického výkonu jednotlivých uživatelem definovaných podoblastí. Parametry Rozlišení: rozlišení je definováno jako nejkratší vzdálenost dvou bodů zdroje, které lze od sebe separovat a je rovno R=min(L,λ/2) kde L je vzdálenost pole od zdroje a λ je vlnová délka Frekvenční rozsah: ten je definován fmax=c/2dx a fmin=c/8D kde c je rychlost zvuku, dx je průměrná vzdálenost mezi měřenými body a D je průměr mikrofonního pole. Použití STSF je tím omezeno na vysokých frekvencích rozestupem měřicích bodů. Typicky lze STSF použít v rozsahu 50 Hz až 3000 Hz Vlastnoti a Benefity: Jednoduché mapování s vysokým rozlišením na nízkých a středních frekvencích Velni nízká spodní frekvence fmin při použití SONAH Plná automatizace měření včetně použití robota a PULSE ATC 7761 Typické aplikace Motory a pohonné jednotky Komponenty Průniky těsněním dveří Kancelářské stroje Bílé zboží Těžká technika Příklady aplikací
Mapa 1/12 oktávové analýzy 205-1454 Hz. NAH vlevo, SONAH vpravo
STSF mapa průniku hluku těsněním dveří
Planární Beamforming Beamforming je metoda mapování zdrojů hluku založená na rozlišování hladin hluku dle směru odkud přicházejí. Metoda je velice rychlá, dovolující výpočet kompletní mapy z jednoho krátkého měření a dává výsledky na vysokých frekvencích. Moderní kruhová mikrofonní pole firmy Brüel & Kjær ve spojení s PULSE Beamforming podává optimální výsledky s maximálně jednoduchým ovládáním a snadným transportem V porovnání s ostatními metodami lokalizace zdrojů hluku je Beamforming rychlý díky tomu, že všechny kanály jsou měřeny současně, není potřeba používat nákladné bezdozvukové komory a větrné tunely. Použití Beamformingu je vzdáleno nudným a stereotypním měřením pomocí klasických metod. Měření a Analýza Zvukové vlny, které se šíří od zdroje, jsou měřeny mikrofony u kterých je přesně definovaná vzdálenost od tohoto zdroje a jejich pozice. Mikrofonní pole je rovinné a směřuje do středu měřeného objektu. Dosazením zpoždění, které mají zvukové vlny na jednotlivých mikrofonech, do celkového výsledku, lze matematicky vytvořit akustickou anténu odpovídající parabolickému reflektoru s hlavním lalokem o velké citlivosti při definovaného úhlu dopadu zvukových vln. Opakováním výpočetního procesu na stejném setu měření a různých úhlech se získá mapa relativních příspěvků akustického tlaku v místě zaměření. Pomocí Beamformingu lze počítat výsledky pro úhel do 30° od osy středu mikrofonního pole. Tak lze jedním malým polem, v jedné pozici mapovat i velké objekty jako například celé vozidlo. Konstrukce mikrofonního pole Dynamický rozsah (rovněž označovaný jako MSL-Maximum Side Lobe)akustických map je typicky mezi 8 a 15 dB v závislosti na konstrukci mikrofonního pole. Obecně lze říci, že nepravidelná pole svými parametry překonávají pole pravidelné konstrukce, ale nepravidelná pole se stejným počtem mikrofonů mají rozdílné parametry, které jsou závislé právě na pozicích jednotlivých mikrofonů. Brüel & Kjær používá patentovanou metodu optimalizace konstrukce polí zaměřenou na frekvenční rozsah a počet mikrofonů. Speciální „Slice wheel Array“ jsou optimalizována pro použití dvou metod: Beamforming a SONAH a mohou být použita pro kombinaci obou těchto jmenovaných metod pro zvětšení frekvenčního rozsahu. Parametry Rozlišení: rozlišení je definováno jako nejkratší vzdálenost dvou bodů zdroje, které lze od sebe separovat a je rovno R=L/D*λ, kde L je vzdálenost pole od zdroje, D je průměr pole a λ je vlnová délka použití Beamformingu je tak limitováno na nízkých frekvencích rozlišením. Typicky lze Beamforming použít pro měření od 500 Hz do 20 kHz
Pro velké zdroje zvuku jako například větrné turbíny a továrny je doporučeno použít pentagulárního mikrofonního pole, které dokáže díky svému trychtýřovitému tvaru potlačit okolní hluk (přicházející ze zadu) až o 10dB (závislé na frekvenci). Vlastnosti a benefity Rychlé měření Ideální pro střední a vysoké frekvence Pokryje rozsáhlé objekty V kombinaci se SONAH pokryje celé slyšitelné pásmo Typické aplikace Celá vozidla Strojní zařízení Větrné tunely Motory a pohonná ústrojí Interiéry vozidel Příklad aplikace
Výsledek Beamformingu motoru vozidla
Conformal mapping pomocí metody SONAH
Na základě unikátních schopností algoritmu SONAH lze provést pomocí řady měření v definovaných pozicích a znalosti geometrie měřeného objektu kompletní prostorové mapování. Geometrii lze importovat z řady běžných formátů nebo ji lze vytvořit pomocí detekčního systému integrovaného do ručního pole WA-1536 Geometrie Objektu Pomocí ukazovátka zaregistruje systém určení polohy 3D souřadnice významných bodů měřeného objektu, pomocí nástroje pro vytvoření sítě se pak vytvoří model tak aby splnil nároky na rozlišení. Alternativní metodou získání geometrii je její import z existujícího CAD nebo CAE modelu. V tomto případě je třeba model zjednodušit aby se minimalizoval počet elementů a tím i počet měřicích bodů. CAD model může být importován v IEGS formátu typu 143,144 rovněž i série 500 (*.igs) nebo meschovaný model v Universal File Format 2411 a 2412 9 (.unv). Měření a analýza Měření pomocí ručního pole jsou provedena v nejsnáze přístupných místech okolo objektu, kdy je současně měřeno 30-100 bodů. Integrovaný systém určení polohy pak přidá informaci o prostorovém umístění pole k příslušným naměřeným datům
Benefity Přesné mapování nerovinných objektů Vysoké rozlišení Měření lze provést na nejpřístupnějších místech Není třeba složitého pole Není třeba modelovat objekt Typické aplikace Motory Komponenty Interiéry vozidel Příklad aplikace
Conformal mapping motoru vozidla 882 Hz
Sférický Beamforming Sférický Beamforming využívá algoritmus tzv. sférických harmonických, označovaný SHARP, který jedním měřením vytvoří kompletní všesměrovou hlukovou mapu libovolného akustického prostředí. Na rozdíl od ostatních metod, kdy je mapa pouze částí okolí, Sférický Beamforming používá k vytvoření všesměrové mapy kulového pole s 12 kamerami, které snímají obraz a který je následně použit jako pozadí akustické mapy. Sférický Beamforming lze použít jak ve volném poli tak v difúzním, proto jej lze použít pro mapování takových prostorů, jako jsou kabiny vozidel nebo letadel. Měření a Výpočty Mikrofony jsou umístěny na povrchu pevné kulové plochy, pozice mikrofonů jsou matematicky optimalizovány tak, aby bylo dosaženo maximálního dynamického rozsahu mapy. Toto sférické pole se umis´tuje do místa účinku mapovaného hluku, například na sedadlo řidiče. Při výpočtu je rozloženo nasnímané zvukové pole do sférických harmonických komponent a dále jsou vypočteny směrové příspěvky. Parametry Algoritmus použitý při Sférickém Beamformingu přináší lepší rozlišení než algoritmus „Delay and Sum“, zvláště pak na nízkých frekvencích (Tabulka 2). Tabulka 2 porovnání rozlišení Sférického Beamformingu a Delay and Sum
Dynamický rozsah (Maximum Side Lobe- MSL) klesá s frekvencí, pro 50-ti kanálové mikrofonní pole je však do frekvence 8 kHz lepší než 6 dB, pro 36-ti kanálové pole pak lepší než 6 dB do 5 kHz. Frekvenční rozsah použití Sférického Beamformingu je tedy dán rozlišením na nízkých frekvencích a dynamickým rozlišením na frekvencích vysokých od 250 Hz do 8000 Hz. V kombinaci s Conformal SONAH lze pokrýt velmi široký frekvenční rozsah. Vlastnosti Rychlé měření Ideální pro střední a vysoké frekvence Všesměrový Nezávislý na typu zvukového pole Typické aplikace Kabiny vozidel Kabiny letadel Místnosti Hluk provozoven
Výsledky měření v kabině vozidla, 80mil/hod 2000-3000 Hz
Conformal mapping 1/3 Okt. 4-5 Hz Hluk pravého výduchu klimatizace
Parametry Kvality Zvuku – BZ-5638 Pro všechny aplikace mapování (Beamforming, Akustická holografie, Sférický Beamforming) lze mapovat i parametry kvality zvuku
Porovnání map hlasitosti (v levo) a hladiny akustického tlaku (v pravo)
Dostupnost parametrů kvality zvuku je závislá na typu zpracování a je uvedena v následující tabulce. Parametr „Impulsiveness“ byl vyvinut ve spolupráci s Isuzu Motors Limited, Japonsko.
Typické sestavy systémů
18-ti kanálový „Slice Wheel Array“ systém
Pentagulární systém
Systém s ručním polem
Typický systém s 36-ti kanálovým sférickým mikrofonním polem
Specifikace – Typy 8606, 8607 a 8608 Konfigurace Operační systém ® ® ® ® Microsoft Windows XP. Windows Vista nebo Windows 7 Další softwarové požadavky ® Microsoft Office 2003, nebo vyšší Microsoft® SQL Server® PULSE 7700/7770/7771 PULSE Acoustic Test Consultant 7761 Konfigurace PC pro Front-end Jako pro PULSE
Informace pro objednání
SOFTWAROVÉ DOPŇKY Typ 7707 Analysis Engine BZ-5496-X PULSE Moving option pro Beamforming BZ-5370-X Robot option pro ATC Typ 7761 PŘÍSLUŠENSTVÍ Typ 9665 Polohovací systém (Robot) WA-0810 Stativ pro ruční pole WA0806 Integrované připojení pole WA0807 Flexibilní připojení pole WB-1477 Řízení robota 9712-W-D18 3D Creator-optický polohovací systém WA-1565-W-003 Sférické pole 36 kanálů WA-1565-W-004 Sférické pole 50 kanálů WA-1647-W-001 Držák sférického pole pro sedadlo
HEADQUARTERS: Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S · DK-2850 Nærum · Denmark Telephone: +45 77 41 20 00 · Fax: +45 45 80 14 05 · www.bksv.com ·
[email protected] Spectris Praha spol. s r.o. · Počernická 96 · 108 00 · Praha 10 · Telefon: +420 29641 1100 · Fax: +420 29641 1120 · www.spectris.cz ·
[email protected] www.spectris.cz ·
WA-0728-W-004 Jednokanálový adaptér pro pistonfon WA-0728-W-003 Adaptér pro pistonfon, 6 mikrofonů WA-0890 Kruhové/půlkruhové mikrofonní pole WA-1558 Slice Wheel Array WQ-2691 Stativ WA-0893 Přepravní obal pro půlkruhové pole WA-1536 Ruční mikrofonní pole Typ 4957 10 kHz mikrofon pro mikrofonní pole Typ 4958 20 kHz mikrofon Typ 4949 10 kHz krátký mikrofon SOFTWAROVÁ A TECHNICKÁ PODPORA Dostupná pro všechny softwarové balíky
