Учебный комплекс для измерений/анализа шума

Шум сопровождает нас всю жизнь, и даже дольше. Ведь мы начинаем слышать еще за несколько месяцев до своего рождения. Какие то шумы мы отторгаем, а другие, тональные гармонические, музыка дают нам наслаждения. Существуют и не гармонические шумы, которые нам нравятся, так называемый розовый шум, шум морской волны.
Углубляясь в тему, можно дойти и до «Автономной сенсорной меридиональной реакции» на некоторые звуки. Английская аббревиатура ASMR, и всё что с этой техникой связано у нас так и называют: асэмэр, хотя грамотнее, конечно будет ЭйЭсЭмЭр. Но это будет отклонением от заявленной темы.

Чаще всего с шумом у нас связаны все таки негативные ассоциации. Анализ шума помогает в диагностике машин и, поэтому мы вынуждены относиться к нему как к мало приятному, но полезному помощнику.  Примерно так, как мы относимся к хирургическому скальпелю.

Но измерение шума — не простое дело, и очень непростое. И учиться мастерству акустических измерений нужно не на аналоговых стрелочных шумомерах, подстраиваясь под инерционность стрелки индикатора (быстро/медленно), а на технике завтрашнего дня.

В отличие от анализа/измерения вибрации, являющейся объективной реальностью, измерения шума имеют дело хоть и с реальностью, да только не очень объективной.
Представим себе, что человечество слышало бы звуки только ниже 4 000 Гц.  А промышленные предприятия излучали бы шум с частотами только выше 4 000 Гц. Тогда измерением шума интересовались бы считанные единицы людей. Выходит, что выдаваемые датчиками шума электрические сигналы нужно скорректировать с учетом некоторой усредненной чувствительности людей к шуму. Шумомеры должны выдавать корректированные уровни звукового давления, звуковой мощности. Такие же манипуляции с вибрацией были бы совершенно недопустимы, так как вибрации — это реальность объективная.

Еще более выраженно проблема взаимодействия звука и человека выступает в так называемой бинауральной акустике. Здесь мы имеем следующий шаг адаптации измерительных датчиков к способностям восприятия и анализа звука органами слуха. Бинауральный микрофон — это миниатюрный стереофонический микрофон, предназначенный для размещения в искусственном ухе манекена или в специально сконструированной искусственной ушной раковине, чтобы во время записи на этот микрофон звука он трансформировался таким образом, как это происходит в слуховом проходе уха у любого здорового человека. Если запись произведена на бинауральный микрофон, то при прослушивании через обычные стереонаушники создается 100% эффект присутствия. Не обязательно это будет музыка. Часто это шум морских волн или шелест листвы в лесу и т.д.

Представленный на следующей субстранице учебный комплекс анализа шума (а при наличии акселерометра и — анализа вибрации) и составления отчетов по результатам измерений охватывает широкий круг вопросов:
· Акустическая мощность
· Тестирование материалов
· Оценка времени реверберации
· Дробно-октавный частотный анализ (1/1-1/24)

Компания Брюль и Къер представляет компактный комплекc аппаратных средств и программного обеспечения, разработанного целенаправленно для выполнения высокоточных измерений основных параметров шума.

Преподаватель, а с его помощью и студенты найдут здесь все необходимые инструменты и вспомогательные средства, включая программное обеспечение чтобы организовать результативное обучение в процессе практического освоения шумоизмерительного комплекса.

Студенты, изучающие акустику и процессы распространения и подавления шумов, могут выполнить с его помощью множество самостоятельно спланированных экспериментов и, использовать неоспоримые преимущества обучения на практических примерах из области измерений звука и шума.

Входящая в состав обучающего комплекса система/интерфейс сбора данных LAN-XI, новое слово в вопросах сбора данных с датчиков/микрофонов и обработки, отличается гибкой архитектурой — каждый её модуль уже является многоканальной измерительной системой шума и может использоваться автономно, как в представленном образовательном проекте, так и в качестве компонента более сложной распределённой системы.

LAN-XI органично объединяет в себе такие инновационные уникальные технологии, как Dyn-X, REq-X и TEDS.

В результате система измерения шумов сочетает в себе простоту установки, отсутствие перегрузок, широкий (до 12.5 кГц) частотный диапазон. Эксплуатационные характеристики повышенной стабильности не только экономят время, но и позволяют сразу же получить результаты измерений шума высокой точности. Одни и те же аппаратные средства применимы как в полевых, так и лабораторных условиях.

Спроектированные по технологии отказоустойчивого проектирования прочные и защищенные модули и съемные передние панели, изготовленные с применением магниевого сплава, обеспечивают повышенную стабильность, малый вес и резистентность к жестким полевым условиям функционирования.

Программная поддержка образовательного комплекса по измерению шума обеспечивается пакетом PULSE™ Type 7771. Он обеспечивает все опции кроме быстрого преобразования Фурье, в частности: вычисление взаимных спектров, кепстральный анализ, получение частотных характеристик H1, H2 и H3, общий анализ уровня с одновременным измерением экспоненциально усредненного, импульсного, линейного и пиковых уровней. Использование задаваемых пользователем из меню измерительных процессов делает постановку и выполнение всех основных задач, включая калибровку, сбор данных, измерение, анализ, пост-обработку и составление отчетов с результатами измерений, удобными и легко настраиваемыми.

Микрофон свободного поля 4188, входящий в комплект поставки, прочный и стабильный прибор с верхним пределом измерения 12.5 кГц, пригодный для широкого круга задач акустических измерений. Он относится к серии «Falcon™ Range» представляющей шесть новых типов высокоточных конденсаторных микрофонов гарантированного качества диаметром 12.7 мм (1/2 дюйма). Они обладают сравнительной универсальностью, соответствуя требованиям измерений случайного, свободного поля или поля давления.
Все микрофоны этой серии, и пре-поляризованный микрофон 4188 — не исключение, являются последней по времени  разработкой компании Брюль и Къер и обеспечивают точное и надежное электроакустическое измерение в соответствии с требованиями международных стандартов International Electrotechnical Commission (IEC), или Американского национального института стандартов (ANSI).

Микрофоны отличаются повышенной устойчивостью к коррозии, что позволяет использовать их в более широком температурном диапазоне эксплуатации. Более высокая надежность и точность акустических датчиков достигнуты в результате применения технологии нового отказоустойчивого проектирования.

Частотный диапазон измерений ограничивается пределами: от 8 Гц до 12.5 кГц. По этому, в случае выполнения измерений в ультразвуковом частотном диапазоне (до 51.2 кГц), что допускается модулем 3050-A-040, нужно будет отдельно купить дополнительный микрофон, например, конденсаторный микрофон 4136, с диапазоном измерений от 200 Гц до 50 кГц .

Комплекс содержит также два 2671 DeltaTron ICP©-совместимых микрофонных предусилителя для 1/2-дюймовых пре-поляризованных микрофонов. Но основой комплекса является  4-х канальный модуль ввода PULSE LAN-XI 3050-A-040.

Его характеристики:

• тип входных сигналов датчиков шума:
  CCLD (Constant Current Line Drive — передача сигнала по линии стабилизированного постоянного тока), заряд/напряжение;
• число входных каналов — 4; (выходные управляющие каналы, типа генераторов управляющих сигналов, не предусмотрены;)
• коннекторы на лицевой панели BNC: UA-2100-040
• частота измеряемых входных сигналов — до 50 кГц;

Основу ПО составляет 2-х канальный программный пакет 7771-N2 PULSE CPB-анализа.

Дробно-октавный анализатор (алгоритм с постоянной относительной шириной полосы дискретизации спектра частот) системы PULSE-7771 позволяет выполнять октавный, 1/3-, 1/12- и 1/24-октавный анализ в реальном масштабе времени, выделяя анализируемую полосу с помощью программных стандартизированных цифровых фильтров пропускания. При исследовании сигналов шума 1/n-октавный анализ, хотя и является менее детализированным по сравнению с БПФ, зачастую более предпочтителен по сравнению с более тонким анализом. Кроме того, 1/n-октавный анализатор в отличие от БПФ, может использоваться для измерения уровней звуковой мощности и интенсивности, что характерно для шумомеров. В комплекте 7771 имеется широкополосный анализатор шума, превращающий прибор в обыкновенный шумомер, соответствующий требованиям международных стандартов IEC 651, IEC 61672 и IEC 60804. Цифровые программные фильтры пропускания соответствуют требованиям международных стандартов IEC 1260–1995 класс 1, DIN 45651, ANSI S1.11–1996 и ANSI S1.11–2004.

Октавный (дробно) анализ имеет и существенные недостатки. Так с его помощью трудно, если вообще возможно, выделить тональный компонент шума, а необходимость решения такой задачи является довольно частой при мониторинге шумовой обстановки в промзонах населенных пунктов. Хотя и имеются рекомендации считать тональным компонентом шума такой шум, у которого в одной из 1/3-октавных полос сигнал значительно превышает таковой в соседних 1/3-октавных полосах. Так что, приобретая комплект класса на 25 студентов (1-2 Channel Node-locked License), имеет смысл купить дополнительно лицензию на БПФ-анализатор.

ДЕТЕКТИРОВАНИЕ

В недалеком прошлом измерения сигналов шума основывалось на схемотехническом усреднении входных сигналов с микрофона за определенные интервалы времени. Для этого применялись интегрирующие схемы с весовыми функциями, реализующие различные режимы усреднения — линейное, экспоненциальное усреднение. В современных LAN-XI анализаторах шума динамический диапазон и быстродействие в большинстве случаев позволяет вопросы усреднения решить на программном уровне. В частности для реализации экспоненциального усреднения используется рекуррентный алгоритм,  не оказывающий существенной нагрузки на память и быстродействие.

ОБРАБОТКА ДАННЫХ

В результате анализа шума могут быть получены:

• энергетический спектр сигнала;
• взаимный энергетический спектр двух сигналов;
• среднее спектральное звуковое давление;
• спектр скоростей;
• спектр интенсивности;
• комплексный спектр интенсивности.

Примечание: измерение интенсивности производится  датчиками интенсивности с двумя микрофонами.

МГНОВЕННЫЙ МИНИМУМ/МАКСИМУМ СПЕКТРА

Мгновенный максимум/минимум спектра с применением экспоненциального усреднения.

ПОСТ-ОБРАБОТКА

Измеренные и записанные данные можно подвергнуть следующим процедурам пост-обработки:

• автоспектр с заданными фазными характеристиками;
• частотная характеристика в эффективно воспроизводимом (рабочем) диапазоне частот (Н1, Н2, Н3);
• обратная (инвертированная) частотная характеристика (1/Н1, 1/Н2, 1/Н3);
• когерентность;
• отношение шум/сигнал;
• мощность когерентного/некогерентного акустического излучения;
• расчетная интенсивность/комплексная интенсивность;
• показатель давление-интенсивность;
• громкость (в соответствии с международным стандартом ISO 532 B);
• показатель (индекс) артикуляции (в соответствии с американским стандартом ANSI 53.5-1969).

Некоторые термины.

Микрофон – это датчик, акустический электрический преобразователь, который преобразует входной сигнал — звук в электрический сигнал на выходе.
Что такое бинауральные микрофоны. Подробнее смотрите во введении. А здесь кратко:

Бинауральный микрофон — это стерео-микрофон, помещаемый в искусственное ухо манекена или в искусственные ушные раковины, чтобы во время записи звука он трансформировался так, как это происходит в ухе у любого человека.

Микрофоны свободного поля в отличие от других, искажающих своим присутствием звуковое поле, имеют конструкцию, позволяющую скомпенсировать это искажение. Для измерений, проводимых в ограниченных стенами или перегородками замкнутых помещениях или, когда точки измерения находятся вблизи твердых отражающих поверхностей, следует отдать предпочтение не микрофону свободного поля, а микрофону для измерений в поле звукового давления.

Примером может служить мониторинг шума набором микрофонов поля звукового давления, установленных в нескольких точках крыла дрона или самолета.
Конструкция микрофонов, для измерений в диффузном звуковом поле, обеспечивает их универсальную направленность, т.е. одинаковую или почти одинаковую чувствительность по отношению к звуковым волнам, падающим на чувствительный элемент под разными углами, что имитирует условия измерения в реверберационных и диффузных звуковых полях.

Имеются специальные микрофоны для измерений в так называемом ближнем поле. Под этим термином подразумевается прямой звук, измеряемый вблизи от его источника и/или звук, отраженный от ближайших к источнику звуко-отражающих поверхностей.

Микрофоны для анализаторов шума/шумомеров

Фото микрофона	Тип, (диаметр)	Измерение	Чувстви- тельность микрофона, мВ/Па	Частотный диапазон измерений, Гц	Динамичес- кий диапазон, dB	Температур- ный диапазон эксплуатации, °C
	4101	Бинауральный микрофон	20	20 – 20 000	23– 134	-30…+70
	4101-A	Бинауральный микрофон (TEDS)	20	20 – 20 000	23– 134	-30…+70
	4137 (1/2”)	Свободное поле	31.6	8 –12 500	15,8 – 146 (2669)	-30…+125
	4138 (1/8”)	Поле давления	1	6.5 – 140 000	52,2 – 168 (2670, UA-0160)	-30…+100
	4144 (1”)	Поле давления	50	2.6 – 8 000	11 – 146 (2669)	-30…+100
	4145 (1”)	Свободное поле	50	2.6 – 18 000	10,2– 146 (2669)	-30…+100
	4160 (1”)	Поле давления	47	2,6 – 8 000	10– 146	-10…+50
	4176 (1/2”)	Свободное поле	50	7 – 12 500	14 – 142 (2669)	-30…+100
	4178 (1/4”)	Микрофонная пара	4	6 – 14 000 (±1 dB) 4 – 100 000 (±2 dB)	28 – 164	-40…+150
	4179 (1”)	Свободное поле	100	10 – 10 000	-2,5 – 102 (2660)	-30…+100
	4180 (1/2”)	Давления и диффузное поля	12.5	4 – 20 000	21– 160 (2669)	-30…+100
	4182 (зонд)	Измерения в ближнем поле	3.16	1 – 20 000	42– 164	-10…+700
	4184-микрофон всенаправленный	Всенаправленный	12.5	20 –8 000	25– 140	-40…+55
	4187 (1/4”)	Поле давления	4	1 – 6 400	—	—
	4188 (1/2”)	Свободное поле	31.6	8 – 12 500	15,8 – 146 (2669)	-30…+125
	4189 (1/2”)	Свободное поле	50	6.3 – 20 000	15,2 – 146 (2669)	-30…+150
	4190 (1/2”)	Свободное поле	50	3.15 – 20 000	15 – 148 (2669)	-30…+150
	4191 1/2” микрофон свободного поля	Свободное поле	12.5	3.15 – 40 000	21,4 – 162 (2669)	-30…+300
	4192 (1/2”)	Поле давления	12.5	3.15 – 20 000	20,7 – 161 (2669)	-30…+150
	4193 полдюймовый микрофон поля давления (1/2”)	Поле давления	12.5	0.07 – 20 000	20,7 – 161 (2669)	-30…+150
	4197 полдюймовая микрофонная пара (1/2″)	Микрофонная пара	11.2	5 – 12 500 (±1 dB) 0.3 – 20 000 (±2 dB)	20– 162	—
	4198 1/2″ всенаправленный микрофон	Всенаправленный	50	6.3 – 16 000	15,2 – 146	-25…+60
	4938 1/4″ микрофон поля давления	Поле давления	1.6	4 – 70 000	42 – 172 (2670)	-40…+150
	4939 (1/4”)	Свободное поле	4	4 – 100 000	35 – 164 (2670)	-40…+150
	4941 (1/4″)	Поле давления	0.09	4 – 20 000	73,5– 184 (2670)	-40…+150
	4942 (1/2″)	Диффузное поле	50	6.3 – 16 000	15,2– 146 (2669)	-40…+150
	4943 (1/2″)	Диффузное поле	50	3.15 –10 000	15,9– 147 (2669)	-40…+150
	4944 (1/4″)	Поле давления	1	4 – 70 000	46– 170 (2670)	-40…+150
	4947 (1/2″)	Поле давления	12.5	8 – 10 000	21,4 – 160 (2669)	-30…+125
	4948 (0.41”) плоский	Поле давления	1.4	5 – 20 000	55 — 160	-55…+100
	4949 (0.41”) плоский	Поле давления	11.2	5 – 20 000	30 — 140	-55…+100
	4950 (1/2″)	Свободное поле	50	4 – 16 000	14– 142 (2669)	-30…+100
	4952 (1/2″)	Всенаправленный	31.6	8 – 12 500	15,8 – 146	-30…+60
	4953 (1/2″)	Поле давления	50	1 – 12 000	16.2 – 146 (2669)	-30…+150
	4954 (1/4″)	Свободное поле	3.16	4 – 80 000	35– 164 (2670)	-40…+150
	4955 (1/2″)	Поле давления	1 100	10 – 16 000	6,5– 110 (встроенный пред-усилитель)	-20…+100
	4957 (1/4″)	—	17	50 – 10 000	32 – 134	-10…+55
	4958 (1/4″)	—	17	20 – 20 000	28 – 140	-10…+55
	4961  (1/4”)	Любое поле	65	5 – 20 000	20 – 130 (встроенный пред-усилитель)	-20…+8

Цены на учебные комплексы предельно снижены. Так программное обеспечение для учебного класса по изучению вибрации на 25 студентов обойдется ВУЗу всего в 1100 Евро. Цены на остальное оборудование должны обсуждаться для каждого конкретного случая отдельно, но в любом случае цена для университета будет значительно ниже, чем для обыкновенного заказчика.