Experimentální mechanika (KME/EXM)

Transkript

1 Akustické vyzařování vibrujících těles Experimentální mechanika (KME/EXM) Katedra mechaniky, Fakulta aplikovaných věd Západočeská univerzita v Plzni Zpracoval: Luboš Smolík 1 Měřící potřeby analyzátor Brűel & Kjær PULSE frame Brűel & Kjær 3560C sít ový modul Brűel & Kjær /2 vstupní/výstupní modul Brűel & Kjær 3109 aplikace Brűel & Kjær PULSE LabShop intenzitní sonda Brűel & Kjær 4197 modální budič Brűel & Kjær 4824 vstupní zesilovač Brűel & Kjær Obecná část Toto laboratorní cvičení je věnováno problematice akustického vyzařování vibrujícími tělesy. Zvuk a vibrace jsou poměrně úzce svázány. Za vibrace se obvykle považuje mechanické kmitání pevných těles, jejich částí nebo jednotlivých částic; v případě, že vibrují povrchy těles, se často hovoří o chvění. Zvukem se pak rozumí takový pohyb částic pružného prostředí, který má charakter vlnění a navíc je schopen vyvolat sluchový vjem. Je zřejmé, že pohyb částic pružného prostředí může být a velmi často bývá způsoben právě chvěním pevného tělesa. 1

2 Akustické vyzařování vibrujících těles 2 Vibrace jsou charakterizovány frekvencí f v Hz (též úhlovou frekvencí ω v rad s 1 ), amplitudou X v m či mm, rychlostí ẋẋẋ v m s 1 nebo mm s 1, zrychlením ẍẍẍ v m s 2 nebo mm s 2 a časovým průběhem x(t) v m nebo mm. Pozorováním lze dojít k závěru, že tyto veličiny popisují nejenom kmity či chvění tělesa, ale přímo určují i vyzařované akustické vlny. V tomto laboratorním cvičení bude MDF 1 deska o průměru 300 mm a tloušt ce 18 mm připevněna na modální budič a bude buzena známou frekvencí. Kmitání povrchu desky způsobí rozkmitání částic vzduchu, tj. pružného prostředí, a vznik mechanického vlnění zvuku. 3 Pracovní úkol 1. Upevněte MDF desku k modálnímu budiči. 2. Sestavte intenzitní sondu, zapojte měřící aparaturu a generátor. 3. Otevřte soubor projektu v aplikaci PULSE LabShop a spust te měření. 4. Změřte hlukové pozadí. 5. Změřte hladinu akustického tlaku vyzařovanou MDF deskou a budičem. 6. Posud te akustické vyzařování MDF desky. 4 Příprava a průběh měření 4.1 Připevnění MDF desky MDF desku je třeba připevnit k budiči pomocí šroubu velikosti M5 v místě zobrazeném na Obr. 1. Šroub musí být dotažen dostatečně pevně, aby bylo zamezeno protáčení desky. 4.2 Sestavení měřícího řetězce Nejprve sestavte intenzitní sondu podle Obr. 2. Pozor, konektory spojujícíc jednotlivé části jsou opatřeny drážkami, viz Obr. 3, takže jednotlivé části sondy lze sesadit jediným způsobem. Proto nepoužívejte při sestavování hrubou sílu. Při manipulaci se sondou by se mělo vyhnout nárazu mikrofonů do pevné překážky, aby nedošlo k jejich poškození. Je tedy vhodné měřící část sondy překrýt ochranným krytem. Sestavenou sondu připojte k vypnutému analyzátoru. Na 1 MDF (medium density fiberboard) je dřevovláknitá deska s hustotou kg m 3

3 Akusticke vyzar ova nı vibrujı cı ch te les 3 Obra zek 1: Mı sto na moda lnı m budic i pro upevne nı MDF desky Obra zek 2: Sestavenı intenzitnı sondy vstupnı ch konektorech sondy mu z e by t nape tı az 220 V a takove nape tı mu z e zpu sobit pos kozenı analyza toru c i sondy. Sonda ma celkem tr i vstupnı konektory: dva stejne mikrofonnı kabely zapojte do vstupnı ch kana lu 1 a 2 vstupnı ho modulu (na Obr. 4 oznac eny zelenou barvou), tr etı kabel zapojte do se riove ho portu (na pouz ı vana napr. pr i vy robe reproduktoru.

4 Akustické vyzařování vibrujících těles 4 Obrázek 3: Detail koncovky krku intenzitní sondy a koncovky BNC kabelu Obr. 4 označen oranžově) jen pokud chcete měření ovládat pomocí tlačítek na těle sondy. Dále propojte vstupní zesilovač signálu a výstupní kanál 1 analyzátoru (označen azurově) BNC kabelem. BNC kabely jsou vybaveny bajonetovou koncovkou s pojistkou, viz na Obr. 3. Je-li BNC kabel odpojován, musí se koncovka přitlačit směrem k analyzátoru, pootočit a teprve pak vytáhnout. Nakonec zapněte vstupní zesilovač tlačítkem Power (na Obr. 5 označeno červeně) a otočným regulačním jezdcem (na Obr. 5 označen žlutě) nastavte výstupní proud zhruba do poloviny stupnice. Nakonec propojte počítač s analyzátorem pomocí běžného LAN kabelu (na Obr. 4 označen žlutě), připojte analyzátor ke zdroji (červeně označený konektor) a zapněte jej (tlačítko On/Off je na Obr. 4 označeno purpurovou barvou).

5 Akustické vyzařování vibrujících těles 5 Obrázek 4: Schéma zapojení analyzátoru Brűel & Kjær PULSE Obrázek 5: Vstupní zesilovač Brűel & Kjær Aplikace PULSE LabShop Spuštění Nabídka Start Všechny programy PULSE PULSE LabShop Otevření projektu Pro jednodušší realizaci laboratorní úlohy je v aplikace PULSE LabShop připraven projekt, v němž je připraveno nastavení měřícího řetězce. Aby projekt bezproblémově fungoval, musí být měřící snímač a generátor správně zapojeny. Projekt otevřete tak, že po spuštění aplikace vyberete z nabídky okna New Project položku Open existing project... a otevřete soubor C:\Vyuka. 4.4 Projekt Právě otevřený projekt slouží jak k ovládání měření, tak k vizualizaci výsledků měření. Po levé straně okna projektu se nachází svislá lišta, která slouží k navigaci mezi třemi záložkami (v LabShopu nazvanými Tasks), jejichž detailnější popis se nachází níže Záložka Nastavení měření Tato záložka slouží jako rozhraní pro identifikaci použitých periferií, tedy snímačů a dalších přístrojů (např. v našem případě vstupního zesilovače). Rovněž se po-

6 Akustické vyzařování vibrujících těles 6 mocí této záložky nastavuje zpracování vstupních signálů. Při měření akustických veličin se signály nejčastěji zpracovávají tzv. frekvenční analýzou. V našem případě je zvolena metoda s konstantní absolutní šířkou pásma 2 u níž lze v případě nutnosti nastavit další vlastnosti, jako je frekvenční rozsah (tj. v jaké intervalu frekvencí měříme), počet spektrálních čar (tj. jaké jsou nejmenší odlišitelné rozdíly mezi frekvencemi), způsob průměrování a akustické vážení. Obrázek 6: Záložka Nastavení měření Záložka Generátor V této záložce je ovládán signál, kterým vstupní zesilovač napájí generátor. Změna nastavení zde se projeví změnou pohybu MDF desky. 2 Metoda s konstantní absolutní šířkou pásma, v technické praxi nejčastěji zastoupená rychlou Fourierovou analýzou (FFT) poměrně přesně určí, na kterých frekvencích je vyzařována určitá akustická energie. Další metodou je metoda s konstantní relativní šířkou pásma (tzv. CPB), která dobře reflektuje vnímání hluku sluchovým ústrojím a používá se tedy v případech, kdy je posuzován vliv hluku na člověka.

7 Akustické vyzařování vibrujících těles 7 Obrázek 7: Záložka Generátor Záložka Spektra Tato záložka slouží pro vizualizaci výsledků měření. Jsou zde zobrazena tzv. spektra (proces získání tohoto grafu rozborem signálu je zván spektrální analýza). Vodorovná osa grafu udává frekvenci f v Hz a svislá osa zobrazuje hladinu akustického tlaku L p v db. Lze tedy říci, že diagram spekter poskytuje informaci o tom, jak velký je příspěvek veličiny o dané frekvenci do celkového signálu. Vztah mezi akustickým tlakem a hladinou akustického tlaku je možné vyjádřit za použití logaritmické funkce L p = 10 log p2, (1) p 2 0 kde p 0 = Pa je referenční hodnota akustického tlaku, která vyjadřuje práh slyšení 3. 3 Konkrétně jde o práh slyšení harmonického signálu o frekvenci 1 khz ve volném poli.

8 Akustické vyzařování vibrujících těles Průběh měření Aktivace projektu Několik mechanických cvaknutí signalizuje, že se software úspěšně spojil s analyzátorem. V této chvíli je vhodné stisknout tlačítko F2 a tím obnovit projekt Měření hlukového pozadí Při měření akustických veličin má nezanedbatelný podíl na výsledku hluk způsobený prostředím, v němž měření probíhá, tzv. hlukové pozadí. V laboratorních podmínkách se proto měření často provádějí v bezodrazové komoře a navíc v době, kdy je okolní šum minimální, např. v nočních hodinách, což ale v praxi obvykle realizovat nelze. Proto se měření akustického tlaku skládá ze dvou kroků 4 : prvním je měření hlukového pozadí, při němž zdroj hluku nevydává žádný zvuk, druhým krokem je pak měření ve zcela stejné konfiguraci, ale se zapnutým zdrojem. V záložce Generátor odškrtněte položku Active, klávesou F2 aktualizujte projekt a přepněte na záložku Spektra. Intenzitní sondu podržte asi cm od MDF desky tak, aby osa mikrofonů přibližně souhlasila s osou desky, jak ukazuje Obr. 8. Poté v LabShopu stiskněte F5, případně tlačítko Start/Stop Measurement na těle sondy 5, pro start měření. Jakmile se graf zobrazený na obrazovce počítače ustálí (což trvá asi sekund), stopněte měření klávesou F6, nebo tlačítkem Start/Stop Measurement a uložte jej klávesou F7, nebo tlačítkem Save Measurement. Spektrum hlukového pozadí by mělo vypadat zhruba jako spektrum na Obr. 9. Mají-li být výsledky dále zpracovávány, je vhodné je exportovat z aplikace PULSE LabShop do jiného prostředí. Nejčastější je zpracování v komerčních tabulkových procesorech jako je např. OpenOffice.org Calc a Microsoft Word, ve výpočtových prostředích, např. MatLabu, SciLabu, Octave apod. nebo různých postprocesorech jako je např. ME Scope. Výsledky měření je možné z LabShopu exportovat různými způsoby. Pro další zpracování v tabulkovém postprocesoru stačí pravým tlačítkem myši kliknout na křivku v záložce Spektra a vybrat volbu Copy Active Curve. Poté stačí pomocí pravého tlačítka nebo klávesové zkratky Ctrl+V vložit obsah schránky do tabulkového procesoru. Součástí vkládaných dat jsou kromě dat, pomocí nichž lze vykreslit graf, i detailní informace o měření, jako je počet spektrálních čar, vzor- 4 Při měřeních, kdy je potřeba dosáhnout přesných výsledků, se navíc kalibrují přístroje a případně zjišt uje teplota a vlhkost vzduchu a atmosférický tlak na začátku a na konci časově náročných měření. 5 Tlačítka na sondě fungují pouze tehdy, je-li k analyzátoru sonda připojena přes sériový kabel.

9 Akustické vyzařování vibrujících těles 9 kovací frekvence, způsob průměrování, velikost a jednotka referenční veličiny, datum a čas atd. Obrázek 8: Poloha intenzitní sondy při měření akustického tlaku Měření MDF desky Měření vyzařování hluku desky probíhá v podstatě stejně jako měření hlukového pozadí. Nejprve v záložce Generátor (viz Obr. 7) zkontrolujte, zdali je typ signálu (Waveform) nastaven na sinusový (Sine) a poté pomocí klávesnice nastavte frekvenci, na níž má deska kmitat. Tato hodnota by měla být mezi 50 a 100 Hz. Poté zaškrtněte položku Active, klávesou F2 aktualizujte projekt, přepněte na záložku Spektra a opět proměřte a následně uložte získaná spektra. Pro budící frekvenci f = 80 Hz by výsledné spektrum mělo vypadat zhruba jako spektrum na Obr. 10. Budou-li data dále zpracovávána, exportujte data ze záložky Spektra. Poté můžete PULSE LabShop zavřít.

10 Akustické vyzařování vibrujících těles 10 Obrázek 9: Vizualizace výsledků měření hlukového pozadí v záložce Spektra Zpracování výsledků Hlavním výstupem měření je určit, kolik akustické energie (a na jakých frekvencích) vyzařuje budič a deska. Pokud by byla námi změřená hladina akustického tlaku lineární veličinou (tj. veličinou by byl např. Pa), stačilo by od hodnot, které poskytlo druhé měření, jednoduše odečíst hodnoty charakterizující hlukové pozadí. Jak ale ukazuje vztah (1), hladina akustického tlaku L p je logaritmická veličina. S takovou veličinou není možné provádět operace jako je sčítání a násobení běžným způsobem, ale pro sčítání je nutné použít vzorec L p1 +p 2 = 10 log ( 10 0,1Lp ,1L p2 ), (2) který je možné odvodit z (1). Odečítáme-li hladinu L p2 od L p1, je ve vztahu (2) pochopitelně znaménko. Zobrazíme-li výslednou hladinu akustického tlaku (tj. hladinu která je dána odečtením hladiny hlukového pozadí od hladiny získané měřením kmitající desky a budiče), zjistíme, že povrch desky vyzařuje zvuk dominantně na frekvenci, kterou je deska buzena, a na celočíselných násobcích této frekvence. Těmto násobkům se říká harmonické (dvojnásobná frekvence se nazývá druhá harmonická atd.). V

11 Akustické vyzařování vibrujících těles 11 Obrázek 10: Vizualizace výsledků měření akustického tlaku vyzařovaného MDF deskou buzenou frakvencí f = 80 Hz v záložce Spektra technické praxi se harmonické frekvence a problémy s nimi spojené objevují nejenom ve vibroakustice, ale i v elektrotechnice, energetice či kybernetice.