POMIARY AKUSTYCZNE

POMIARY AKUSTYCZNE

Pomiary elektroakustyczne

Pomiary hałasu,

Pomiary hałasu,

mikrofonów, gło

ś

ników i słuchawek

mikrofonów, gło

ś

ników i słuchawek

POMIARY HAŁASU

POMIARY HAŁASU

Nie ma ścisłej definicji hałasu. Najczęściej mówimy, że

hałas jest to każdy dźwięk, który jest niepożądany
i uciążliwy dla słuchacza

.

Definicja ta opiera się na subiektywnym odczuwaniu
hałasu. Ponadto uciążliwość nie musi być związana
z głośnością dźwięku.

Celem pomiarów hałasu jest

ilościowa ocena uciążliwości

hałasu

.

Poziom dźwięku

Poziom dźwięku

Pomiary hałasu są dokonywane przy użyciu mierników
poziomu dźwięku (sound level meter).

Poziom dźwięku

(

SPL

– Sound Pressure Level):

stosunek zmierzonego ciśnienia do referencyjnej wartości
ciśnienia, wyrażony w decybelach

Wartość odniesienia:

P

0

= 20

µ

Pa = 20 — 10

-5

Pa

0

log

20

P

P

L

SPL

=

Ważenie częstotliwościowe

Ważenie częstotliwościowe

Ze względu na właściwości słuchu, uciążliwość hałasu
o takim samym poziomie, ale różnej strukturze widmowej,
może być różna.

Aby to uwzględnić, przetwarza się przez

filtry wagowe

(korekcyjne)

o charakterystykach ustalonych normami.

Kształtowanie mierzonego sygnału przy pomocy filtrów
wagowych nazywa się

ważeniem częstotliwościowym

(frequency weighting).

Ważenie częstotliwościowe pozwala w bardziej dokładny
sposób wyrazić uciążliwość hałasu.

Ważenie częstotliwościowe

Ważenie częstotliwościowe

Krzywe wagowe

:

• A

– dla niskich poziomów ciśnienia SPL

• B

– dla średnich poziomów ciśnienia

• C

– dla wysokich wartości ciśnienia

• D

– do pomiaru hałasów lotniczych

• L

– krzywa płaska (brak ważenia – linear)

Najczęściej przy pomiarach hałasu używa się krzywej
korekcyjnej

A

.

Krzywe B i C nie odpowiadają wynikom testów
subiektywnych (zostały wyznaczone dla tonów prostych).

Ważenie częstotliwościowe

Ważenie częstotliwościowe

Kształt krzywych
wagowych
A, B, C, D

Stałe czasowe

Stałe czasowe

W przypadku pomiary hałasu szybkozmiennego
uzyskujemy „niestablilny” (często zmieniający się) odczyt
wyniku pomiaru.

Aby uzyskać stabilny odczyt, stosuje się

uśrednianie

wyników pomiaru w określonym odcinku czasu.

Stałe czasowe

wyznaczają czas uśredniania:

• S

(Slow): 1 sekunda

• F

(Fast): 125 ms

• I

(Impulse): 35 ms, do pomiaru hałasów impulsowych

Miernik poziomu dźwięku

Miernik poziomu dźwięku

Budowa typowego miernika poziomu dźwięku:

• mikrofon, najczęściej pojemnościowy
• przedwzmacniacz mikrofonowy
• krzywe korekcyjne (filtry A/B/C/D)
• analizator częstotliwości (filtry tercjowe i oktawowe)
• wzmacniacz pomiarowy
• detektor wartości skutecznej RMS

(stałe czasowe S/F/I)

• wskaźnik wyników
• inne, np. pamięć, wskaźnik przesterowań, moduł

analizy, zapis i odczyt danych, itp.

Miernik poziomu dźwięku

Miernik poziomu dźwięku

Schemat blokowy miernika poziomu dźwięku

Pomiar poziomu dźwięku

Pomiar poziomu dźwięku

Podając wynik pomiaru poziomu dźwięku należy też podać
informację o sposobie pomiaru tej wartości.
Mierzony parametr oznacza się najczęściej:

L

XY

gdzie:

• X

oznacza

krzywą wagową

(L / A / B / C / D)

• Y

oznacza

stałą czasową

(S / F / I)

Jeżeli nie podano dalszych informacji, zakładamy, że
chodzi o

wartość chwilową

(instantaneous value),

np. L

AS

– wartość chwilowa, krzywa wagowa A, wolna stała

czasowa (S)

Pomiar poziomu dźwięku

Pomiar poziomu dźwięku

Poza wartością chwilową mierzy się również inne
parametry dotyczące poziomu dźwięku.

Wartość szczytowa

(peak value) –

L

XYpk

• maksymalna wartość, jaka wystąpiła w zadanym

czasie, np. uaktualniana co sekundę

Maksymalna wartość RMS w zadanym przedziale czasu

:

• 1 sekunda –

L

XY SPL

,

• 3 lub 5 sekund – L

XYT3

, L

XYT5

(Taktmaximal – norma niemiecka)

Poziom równoważny

Poziom równoważny

Ocena szkodliwości hałasu na zdrowie zależy od:

• poziomu hałasu,
• czasu ekspozycji na hałas.

Równoważny (ekwiwalentny) poziom dźwięku

:

stały poziom dźwięku, który działając przez taki sam czas,
jak badany hałas o zmiennym poziomie, niesie ze sobą
taką samą energię i takie samo ryzyko uszkodzenia
słuchu.

Poziom równoważny (equivalent level) oznacza się

L

XEq

.

Poziom równoważny

Poziom równoważny

Poziom równoważny mierzy się za pomocą specjalnych
całkujących mierników poziomu dźwięku.

PRZYKŁAD:

• mierzymy poziom równoważny podczas 8 godzin
• podczas pierwszej godziny pracownik jest narażony na

hałas o stałym poziomie L

A

= 100 dB

• podczas pozostałych siedmiu godzin pracownik jest

narażony na hałas o stałym poziomie L

A

= 70 dB

• po zakończeniu pomiarów miernik pokazał L

AEq

= 91 dB

• oznacza to, że gdyby pracownik był przez 8 godzin

narażony na hałas o stałym poziomie L

A

= 91 dB,

szkodliwość tego hałasu byłaby taka sama

Poziom ekspozycji na hałas

Poziom ekspozycji na hałas

Poziom ekspozycji na hałas (SEL, Sound Exposition Level)

stały poziom dźwięku działający w ciągu 1 sekundy, który
zawiera tą samą energię akustyczną co mierzony hałas.

W przypadku użycia krzywej wagowej A (ASEL), mierzony
parametr oznacza się L

AE

.

Dzięki temu, że poziom ekspozycji na hałas SEL odnosi się
zawsze do 1 sekundy, możliwe jest porównywanie wartości
energii w pojedynczych zdarzeniach hałasowych.

Pomiary SEL stosuje się do określania hałasu np.
emitowanego podczas przejazdów pojedynczych
samochodów.

Poziom równoważny a SEL

Poziom równoważny a SEL

Zależność między
wartością chwilową,
poziomem równoważnym,
poziomem SEL

Dawka hałasu

Dawka hałasu

Dawka hałasu przyjęta podczas dnia pracy jest mierzona
przy pomocy

dozymetrów hałasu

– przenośnych

(kieszonkowych) mierników poziomu dźwięku.
Dozymetry wskazują w procentach dopuszczalną dzienną
dawkę hałasu. Maksymalna dawka hałasu w ciągu

8 godzin

pracy wynosi

90 dB(A)

.

Istnieją dwie normy obliczania dawki hałasu:

• ISO – zwiększenie poziomu dźwięku o 3 dB wymaga

skrócenia dopuszczalnego czasu ekspozycji o połowę,
nie jest uwzględniane zjawisko regeneracji słuchu;

• OSHA (norma w USA) – skrócenie czasu ekspozycji

o połowę pozwala zwiększyć poziom dźwięku o 5 dB
(uwzględnia się regenerację słuchu)

Dawka hałasu

Dawka hałasu

Maksymalna dawka
hałasu w zależności
od czasu ekspozycji
na hałas

Analiza czasowa hałasu

Analiza czasowa hałasu

Wykres czasowy

przedstawia zmienność mierzonego

parametru w ciągu czasu obserwacji.

Wykres taki jest użyteczny np. przy analizie hałasu
komunikacyjnego mierzonego w ciągu 24 godzin.
Wykres czasowy pozwala określić pory dnia, w których
natężenie hałasu jest największe.

W przypadku pomiarów hałasu w krótkich odcinkach
czasu, mierzony parametr zachowuje się jak zmienna
losowa – wykres czasowy nie daje nam istotnych
informacji o charakterze hałasu. Musimy użyć

analizy

statystycznej

.

Analiza częstotliwościowa hałasu

Analiza częstotliwościowa hałasu

Analiza częstotliwościowa hałasu wymaga użycia
przyrządów pomiarowych dokonujących

analizy widmowej

,

typowo w pasmach

oktawowych

lub

tercjowych

.

Analiza częstotliwościowa pozwala określić,
czy w mierzonym hałasie rozkład częstotliwości jest
równomierny, czy też dominuje hałas z pewnego zakresu
częstotliwości. Czasami można też określić źródło hałasu.

Prezentacja wyników analizy częstotliwościowej:

• widmo chwilowe
• widmo uśrednione za cały czas pomiarów
• widmo dynamiczne (wykres trójwymiarowy)

Analiza statystyczna

Analiza statystyczna

W analizie statystycznej badany jest rozkład gęstości
wybranego parametru (np. chwilowego poziomu L

AF

).

Rozkład gęstości

– „jak rozkładają się wyniki pomiarów

w analizowanym odcinku czasu”.

Rozkład gęstości przedstawia się w postaci

histogramu

.

Histogram dostarcza nam najwięcej informacji
o charakterze analizowanego hałasu.

Histogram

Histogram

Mamy pomiar pewnego parametru (np. L

AF

) dokonany

w pewnym odcinku czasu. Jak tworzymy histogram?

• Dzielimy zakres poziomów dźwięku na

przedziały

(bins),

np. szerokości 2 dB (…, 60-62, 62-64, 64-66, …).

• Bierzemy każdą z kolei zmierzoną wartość poziomu

hałasu i „wrzucamy” ją do określonego przedziału,
np. wartość 63,2 dB trafia do przedziału [62-64].

• Po zanalizowaniu wszystkich wartości liczymy liczbę

wyników w każdym z przedziałów – przedstawiamy ją
jako procent wszystkich analizowanych wyników;
np. przedział [62-64]: 21 wyników na 100 = 21%.

• Histogram przedstawiamy w postaci wykresu

schodkowego.

Histogram

Histogram

Histogram pozwala nam dowiedzieć się jaki poziom hałasu
występował najczęściej i jak szeroki zakres poziomów
obejmował badany hałas.
Przykładowy histogram:

50

60

70

80

90

0

5

10

15

20

25

[%]

prawdo-

podobień-

stwo

L [dB

A

]

Histogram kumulacyjny

Histogram kumulacyjny

Inny sposób przedstawiania wyników analizy statystycznej
to histogram kumulacyjny (cumulative distribution).

Wykres kumulacyjny przedstawia prawdopodobieństwo
tego, że wartość poziomu w czasie pomiaru była

większa

od danej wartości.

Histogram kumulacyjny można obliczyć ze zwykłego
histogramu: dla każdego poziomu hałasu sumujemy liczbę
wartości ze wszystkich przedziałów od przedziału
zawierającego dany poziom do ostatniego przedziału.
Np. dla wartości poziomu 63,2 dB sumujemy liczbę
wyników z przedziałów: 62-64, 64-66, ..., 118-120.

W przypadku histogramu kumulacyjnego szerokości
przedziałów powinny być jak najmniejsze.

Histogram kumulacyjny

Histogram kumulacyjny

Przykład histogramu kumulacyjnego

50

60

70

80

90

0

20

40

60

80

100

[%]

prawdo-

podobień-

stwo

L [dB

A

]

prawdopodobieństwo

wartości mniejszej niż

L

x

L

x

prawdopodobieństwo
wartości większej niż

L

x

Histogram kumulacyjny

Histogram kumulacyjny

Z histogramem kumulacyjnym związane są pewne
parametry statystyczne –

kwantyle

:

• Percentyl L

N

– określa wartość mierzonego parametru,

której na wykresie kumulacyjnym odpowiada
prawdopodobieństwo N% (N = 1, 2, 3, …, 100),
np. na histogramie z poprzedniego slajdu: L

40

= 72 dB

• Decyle

– percentyle dla N będącego wielokrotnością 10

(L

10

, L

20

, L

30

, …, L

100

)

• Kwartyle

– percentyle L

25

, L

50

, L

75

, L

100

• L

50

to

mediana

Mapy hałasu

Mapy hałasu

Mapy hałasu tworzone są przez stały pomiar hałasu
w wielu punktach wybranego obszaru (np. miasta).

Najczęściej mierzony jest poziom równoważny, ważony
krzywą A (L

AEq

). Mapy hałasu tworzy się osobno dla:

• pory dziennej (6:00 – 22:00)
• pory nocnej (22:00 – 6:00)

Zmierzone poziomy hałasu zaznacza się na mapach
najczęściej za pomocą kolorów:

• kolory gorące (czerwony) – duży poziom hałasu
• kolory zimne (zielony) – niski poziom hałasu
• kolor biały lub czarny – brak pomiarów

Mapy hałasu

Mapy hałasu

Przykład mapy hałasu (Politechnika Gdańska)

Mapy hałasu

Mapy hałasu

–

–

Warszawa

Warszawa

POMIARY MIKROFONÓW

POMIARY MIKROFONÓW

Pomiary parametrów mikrofonów dokonuje się przy użyciu

wzorcowego źródła dźwięku

(np. głośnik pomiarowy).

Źródło dźwięku i badany mikrofon ustawiane są na osi,
zwrócone do siebie, na jednakowej wysokości.

Pomiary mikrofonów mogą być wykonywane:

• w polu swobodnym (przestrzeń otwarta) – rzadko
• w komorze bezechowej (eliminacja odbić) – najczęściej
• w polu rozproszonym – w komorze pogłosowej
• za pomocą łącznika (rury)

Charakterystyka skuteczności mikrofonu

Charakterystyka skuteczności mikrofonu

Skuteczność mikrofonu

: stosunek otrzymanego efektu

elektrycznego do wartości ciśnienia akustycznego, które
ten efekt wytworzyło.

Charakterystyka częstotliwościowa

: pomiar skuteczności

dla różnych częstotliwości sygnałów akustycznych.

Pomiar dokonywany w komorze bezechowej lub w polu
swobodnym.

Sygnały testowe: zalecane stosowanie szumu
wąskopasmowego (15-60 Hz). Sygnał sinusoidalny nie
wytwarza jednakowego ciśnienia w każdym punkcie pola.

Minimalna odległość mikrofonu od źródła dźwięku: taka,
aby fala padająca na mikrofon była płaska. Wzór
empiryczny:

d

≥

(107 / f)

(f – minimalna częstotliwość)

Charakterystyka skuteczności mikrofonu

Charakterystyka skuteczności mikrofonu

Pomiar charakterystyki skuteczności mikrofonu metodą
porównawczą:

• obok badanego mikrofonu ustawiamy mikrofon

wzorcowy,

• ustawiamy poziom sygnału w generatorze, tak aby

ciśnienie fali akustycznej było proporcjonalne do
skuteczności mikrofonu wzorcowego,

• dla każdej częstotliwości sygnału pomiarowego

mierzymy napięcie z mikrofonu badanego
i wzorcowego,

• na podstawie znanej char. skuteczności mikrofonu

wzorcowego oraz wyników naszych pomiarów możemy
obliczyć charakterystykę skuteczności badanego
mikrofonu.

Charakterystyka kierunkowa

Charakterystyka kierunkowa

Pomiar charakterystyki kierunkowej mikrofonu: pomiar
zależności napięcia na wyjściu mikrofonu od kąta padania
fali akustycznej.
Sposób dokonywania pomiarów:

• tylko fala bezpośrednia, eliminacja odbić (np. pomiar

w komorze bezechowej)

• odległość 1 m
• badany mikrofon jest obracany, np. znajduje się na

stole obrotowym

• wynik pomiaru przedstawia się we współrzędnych

biegunowych

• pomiary dokonuje się dla kilku częstotliwości (osobny

wykres dla każdej częstotliwości)

Charakterystyka kierunkowa

Charakterystyka kierunkowa

Przykładowe wykresy charakterystyki kierunkowej
mikrofonów:

POMIARY GŁOŚNIKÓW

POMIARY GŁOŚNIKÓW

Pomiary głośników przeprowadza się:

• w polu swobodnym (najczęściej w

komorze

bezechowej

),

• w polu rozproszonym (komora pogłosowa)

Sposób mocowania mierzonych głośników:

• w obudowie przeznaczonej dla badanego głośnika
• w standardowej obudowie
• na standardowej odgrodzie
• bez obudowy lub odgrody

Pomiary wykonuje się przy użyciu

mikrofonu

pomiarowego

, ustawionego na osi z głośnikiem.

Wyniki przelicza się do unormowanej odległości 1 m.

Charakterystyka poziomu ciśnienia

Charakterystyka poziomu ciśnienia

Pomiar charakterystyki poziomu ciśnienia głośnika:

• pomiar w komorze bezechowej,
• badany głośnik pobudzany jest szumem

wąskopasmowym (lub sygnałem sinusoidalnym)

• mierzony jest sygnał odebrany przez mikrofon

pomiarowy i wzmocniony przez wzmacniacz

• na podstawie wyników pomiaru i znanej

charakterystyki skuteczności mikrofonu pomiarowego
można obliczyć ciśnienie akustyczne

• jeżeli odległość inna niż 1 m, potrzebna jest korekcja
• charakterystyka poziomu ciśnienia – wyznaczona dla

różnych częstotliwości sygnału testowego, wyrażona
w decybelach względem 20

µ

Pa

Charakterystyki skuteczności głośnika

Charakterystyki skuteczności głośnika

Na podstawie pomiarów charakterystyki ciśnienia
akustycznego można obliczyć charakterystyki skuteczności
głośnika:

• charakterystyka skuteczności napięciowej

stosunek zmierzonego ciśnienia akustycznego
do napięcia zasilającego głośnik pomiarowy

• charakterystyka skuteczności prądowej

stosunek zmierzonego ciśnienia akustycznego
do natężenia prądu zasilającego głośnik pomiarowy

• charakterystyka skuteczności mocowej

pierwiastek z iloczynu skuteczności napięciowej
i mocowej

Charakterystyka kierunkowa głośnika

Charakterystyka kierunkowa głośnika

Pomiar charakterystyki kierunkowej głośnika jest
dokonywany podobnie jak w przypadku mikrofonów.

• Pomiar w komorze bezechowej.
• Głośnik umieszczany jest na obrotowym stole.
• Mikrofon pomiarowy rejestruje napięcie dla

poszczególnych wartości kąta ustawienia głośnika

• Pomiar dla kilku częstotliwości.
• Wyniki prezentowane są we współrzędnych

biegunowych.

Charakterystyka sprawności głośnika

Charakterystyka sprawności głośnika

Sprawność głośnika

: stosunek mocy akustycznej

wypromieniowanej przez głośnik do wielkości elektrycznej
(np. mocy) sygnału pobudzającego głośnik.

Metoda pomiaru:

• pomiar ciśnienia akustycznego w odległości r

od głośnika, dla różnych kątów,

• pomiar charakterystyki kierunkowej głośnika,
• obliczenie

akustycznej mocy promieniowanej

na podstawie wzoru,

• obliczenie sprawności (stosunek akustycznej mocy

promieniowanej do mocy elektrycznej)

Moc akustyczna promieniowana może też być wyznaczona
w komorze pogłosowej.

Inne pomiary głośników

Inne pomiary głośników

• Pomiar zniekształceń opóźnieniowych

pomiar różnicy fazy między głośnikiem a mikrofonem
pomiarowym w funkcji częstotliwości

• Pomiar zniekształceń nieliniowych

pomiar zniekształceń harmonicznych
i intermodulacyjnych, dokonywany podobnie jak
w torze fonicznym, czasami mierzy się za pomocą
szumu wąskopasmowego

• Pomiar obciążalności głośnika

maksymalna moc, jaką może przetwarzać głośnik bez
ryzyka jego uszkodzenia i przy zachowaniu
zniekształceń nieliniowych poniżej 10%

Inne pomiary głośników (

Inne pomiary głośników (

cd

cd

.)

.)

• Pomiar stanów nieustalonych

zachowanie się głośnika w stanach nieustalonych,
pobudzanie głośnika sygnałami impulsowymi

• Pomiar charakterystyki drgań membrany

np. metody holograficzne

• Pomiar charakterystyki impedancji elektrycznej

• Badania subiektywne

ocena zrozumiałości i jakości dźwięku wytwarzanego
przez głośnik, dokonywana przez grupę słuchaczy przy
użyciu odpowiedniej skali subiektywnej

POMIARY SŁUCHAWEK

POMIARY SŁUCHAWEK

Pomiary słuchawek powinny być dokonywane w warunkach
możliwie najbardziej zbliżonych do tych, w których
słuchawki będą użytkowane.
Metody pomiaru słuchawek:

• przy użyciu sztucznego ucha – symulacja warunków

akustycznych ucha

• przy użyciu sondy mikrofonowej umieszczanej

wewnątrz ucha (metoda kłopotliwa, rzadko stosowana)

• bez użycia specjalnych przyrządów (słuchawka

w pobliżu źródła dźwięku) – pomiar niedokładny,
należy unikać tej metody

Sztuczne ucho

Sztuczne ucho

Sztuczne ucho (artificial ear)

– urządzenie symulujące pod

względem geometrycznym i akustycznym ucho zewnętrzne
i środkowe człowieka.

• Akustyczna impedancja wejściowa układu jest taka

sama jak impedancja ucha.

• Słuchawka przyłożona do sztucznego ucha jest tak

samo obciążona jak przy przyłożeniu do ucha
naturalnego.

• Ciśnienia akustyczne wytworzone wewnątrz sztucznego

ucha i w kanale usznym są takie same.

W rzeczywistości sztuczne ucho jedynie przybliża warunki
akustyczne panujące w rzeczywistym uchu.

Sztuczne ucho

Sztuczne ucho

Zasadniczym elementem sztucznego ucha jest

sprzęgacz

(łącznik, ang. coupler) – komora akustyczna symulująca
przewód słuchowy. Stosowane są sprzęgacze:

• o pojemności 6 cm

3

– pomiar słuchawek nausznych

• o pojemności 2 cm

3

– pomiar słuchawek

wewnątrzusznych i aparatów słuchowych

Pomiar charakterystyk słuchawki

Pomiar charakterystyk słuchawki

Pomiar

charakterystyki ciśnienia akustycznego

słuchawki

dokonuje się przy pomocy sztucznego ucha:

• na słuchawkę podawane są sygnały sinusoidalne

o różnych częstotliwościach z generatora

• wytworzona fala akustyczna jest zamieniana na

napięcie przez mikrofon w sztucznym uchu

Na podstawie zmierzonej charakterystyki ciśnienia
akustycznego można wyznaczyć

charakterystyki

skuteczności

słuchawki (napięciową, prądową, mocową)

w podobny sposób jak w pomiarach głośników.

Pomiary zniekształceń nieliniowych – jak dla głośników.

Pomiary quasi

Pomiary quasi

-

-

bezechowe

bezechowe

Przy pomiarach akustycznych (pomiary głośników,
mikrofonów, pomieszczeń, itp.) powinniśmy mierzyć tylko

bezpośrednią falę dźwiękową

, docierającą najkrótszą drogą

od źródła dźwięku do punktu pomiarowego.

W przypadku pomiarów przeprowadzanych w typowych
pomieszczeniach, oprócz fali bezpośredniej mierzymy
również

fale odbite

(od ścian pomieszczenia, sufitu,

podłogi, przedmiotów, itp.). Powoduje to zniekształcenie
wyników pomiaru.

Pomiary quasi

Pomiary quasi

-

-

bezechowe

bezechowe

Sposoby rozwiązania problemu fal odbitych:

• Pomiary w przestrzeni otwartej

– problem dużego poziomu zakłóceń tła.

• Pomiar w komorze bezechowej

– w pomieszczeniu wytłumionym w taki sposób, aby
fale dźwiękowe nie odbijały się od ścian;
wysoki koszt i trudność konstrukcji takiej komory.

• Metody quasi-bezechowe

– dokonujemy pomiarów w pomieszczeniu
pogłosowym, a następnie dokonujemy przetwarzania
zarejestrowanego sygnału w celu wyodrębnienia tylko
fali bezpośredniej.

Komora bezechowa

Komora bezechowa

Przykład komory bezechowej – pomieszczenia
wytłumionego w taki sposób, aby odbite fale dźwiękowe
były możliwie najbardziej wytłumione

Pomiary impulsowe

Pomiary impulsowe

Większość metod quasi-bezechowych wykorzystuje
następującą obserwację:

• fala bezpośrednia dociera najszybciej do punktu

pomiarowego

• pierwsza fala odbita dociera do punktu pomiarowego

z pewnym opóźnieniem

∆

t względem fali bezpośredniej

Metoda

pomiaru impulsowego

:

• źródło dźwięku wysyła

impuls

(np. szumu białego)

o bardzo dużej amplitudzie i krótkim czasie trwania

• analizator jest

włączany

w chwili, gdy fala

bezpośrednia dociera do pkt. pomiarowego

• analizator jest

wyłączany

w chwili, gdy pierwsza fala

odbita dociera do pkt. pomiarowego

Pomiary impulsowe

Pomiary impulsowe

Analizowana jest tylko część sygnału odpowiadająca fali
bezpośredniej, czyli tak, jak gdyby nie było fal odbitych.

Pomiary impulsowe

Pomiary impulsowe

Wady metody impulsowej:

• krótki czas trwania „części bezpośredniej” pogarsza

dokładność analizy,

• krótki czas trwania impulsu (mała energia sygnału)

powoduje słaby stosunek sygnału do szumu; trzeba
wielokrotnie powtarzać pomiar i uśredniać wyniki,

• trudność w wyznaczaniu „części bezpośredniej”

odebranego sygnału,

• ograniczenie dla niskich częstotliwości: dla „części

bezpośredniej” trwającej t sekund, minimalna
częstotliwość wynosi (1/t)

Z powyższych powodów metoda impulsowa jest znacznie
mniej dokładna niż inne metody quasi-bezechowe

TDS

TDS

–

–

Time Delay Spectrometry

Time Delay Spectrometry

Time Delay Spectrometry (TDS)

Sygnałem testowym jest sygnał sinusoidalny o liniowo
przestrajanej częstotliwości (swept sinewave).
Częstotliwość przestrajania jest mała (rzędu 10 Hz/ms).

W danej chwili t:

• częstotliwość sygnału z generatora =

f

G

• częstotliwość fali bezpośredniej odbieranej przez

mikrofon:

f

B

= f

G

–

∆

f

(

∆

f jest stała)

• fale odbite przebywają dłuższą drogę, więc

częstotliwości fal odbitych odbieranych przez mikrofon:

f

O

< f

B

t

f

TDS

TDS

–

–

Time Delay Spectrometry

Time Delay Spectrometry

Ilustracja metody TDS
prędkość przestrajania generatora = 10 Hz/ms

≈

1 m - odpowiada ok. 3 ms

1000 Hz

970 Hz

940 Hz

920 Hz

TDS

TDS

–

–

Time Delay Spectrometry

Time Delay Spectrometry

Częstotliwość fali bezpośredniej odbieranej przez mikrofon
jest opóźniona względem częstotliwości z generatora
o stałą wartość. Zatem wystarczy użyć

filtru pasmowo-

przepustowego

, który usunie składowe nie odpowiadające

fali bezpośredniej.
Filtr musi być

przestrajany

razem z sygnałem z generatora.

1000 Hz

970 Hz

940 Hz

920 Hz

przestrajanie

filtr BP

sygnał z
generatora

TSR

TSR

–

–

Time Selective Response

Time Selective Response

Dla zachowania dokładności pomiaru, prędkość
przestrajania częstotliwości sygnału w metodzie TDS
nie może być zbyt duża.

Time Selective Response (TSR)

– modyfikacja metody TDS,

eliminuje ograniczenie szybkości przestrajania częstotl.
sygnału, skraca przez to czas pomiaru, zachowując
dokładność.

W metodzie TSR sygnałem z generatora jest przestrajany
sygnał sinusoidalny

zespolony

.

W praktyce generowane są dwa sygnały: sinusoidalny
i cosinusoidalny, o tej samej częstotliwości.

TSR

TSR

–

–

Time Selective Response

Time Selective Response

Ilustracja metody TSR
Sygnałem wyjściowym jest zespolona odpowiedź
impulsowa badanego urządzenia.

Metody TDS i TSR

Metody TDS i TSR

Zalety metod TDS i TSR

:

• większa dokładność niż metody impulsowej
• łatwość wydzielenia fali bezpośredniej

Wady metod TDS i TSR

:

• ograniczenie dokładności przy zbyt szybkim

przestrajaniu sygnału, szczególnie dla niskich
częstotliwości (problem głównie dla TDS)

• ograniczenie stosunku sygnał-szum dla niskich cz.

– problem można rozwiązać stosując logarytmiczne
przestrajanie częstotliwości, co jednak komplikuje
układ pomiarowy

SSR

SSR

-

-

Steady State Response

Steady State Response

Metoda

Steady State Response (SSR)

jest modyfikacją

metody TSR, umożliwiającą badanie parametrów
urządzenia w stanie ustalonym.

Algorytm metody jest taki sam jak dla metody TSR,
dodawany jest jedynie dodatkowy blok przetwarzania
wyznaczonej zespolonej odpowiedzi impulsowej.

Jako sygnału pomiarowego, zamiast liniowo
przestrajanego sygnału sinusoidalnego, stosuje się

sygnał sinusoidalny przestrajany skokowo

(stepped sine).

Częstotliwości wchodzące w skład sygnału mogą być
dowolne.

t

f

SSR

SSR

-

-

Steady State Response

Steady State Response

Wyznaczona odpowiedź impulsowa urządzenia jest
poddawana na wejście

bloku adaptacyjnego przetwarzania

(adaptive scan).
Przetwarzanie odbywa się osobno dla każdej częstotliwości
sygnału z generatora (dla każdego „kroku sinusa”):

• pierwszych 10 próbek jest odrzucanych (stan

nieustalony)

• dla kolejnych próbek (w miarę ich napływania) liczona

jest wartość średnia i odchylenie standardowe

• jeżeli wartość odchylenia standardowego nie

przekracza założonej wartości progowej (0,1–6 dB),
kończymy przetwarzanie i przechodzimy do kolejnej
częstotliwości

• definiowany jest też maksymalny czas analizy

SSR

SSR

-

-

Steady State Response

Steady State Response

Ilustracja działania algorytmu adaptacyjnego

MLS

MLS

–

–

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence (MLS)

– binarny sygnał

pseudoprzypadkowy (ciąg impulsów).

Sekwencja MLS N-tego rzędu powtarza się
z okresem (2

N

–1).

Długość sekwencji MLS użytej do pomiarów nie może być
mniejsza niż długość badanej odpowiedzi impulsowej.

Metoda ma zastosowanie do badania systemów

LTI

(liniowych, o niezmiennej w czasie odpowiedzi impulsowej)

Metodę MLS stosuje się do badania odpowiedzi impulsowej

• mikrofonów i głośników
• samych pomieszczeń

MLS

MLS

–

–

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence

Pomiary quasi-okresowe metodą MLS:

• generator wytwarza sekwencję MLS i przesyła ją

do głośnika

• liczona jest korelacja skrośna sygnału odebranego

przez mikrofon z sygnałem z generatora

• wynik tej operacji jest odpowiedzią impulsową
• z odpowiedzi impulsowej należy wydzielić część

odpowiadającą fali bezpośredniej

• FFT odpowiedzi impulsowej jest charakt. częstotl.

MLS

MLS

–

–

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence

Ilustracja metody MLS

MLS

R

xx

(k) =

δδδδ

(k)

x(k)

y(k)

R

xy

(k) = h(k)

h(k)

MLS

MLS

–

–

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence

Jak działa metoda MLS?

• z teorii systemów liniowych (LTI):

R

xy

(k) = R

xx

(k) * h(k)

R

xy

(k) – korelacja skrośna sygnałów z generatora x

i mikrofonu y

R

xx

(k) – autokorelacja sygnału z generatora (MLS)

h(k) – szukana odpowiedź impulsowa

• z właściwości sygnału MLS:

R

xx

(k) =

δ

(k)

• podstawiając otrzymujemy:

R

xy

(k) =

δ

(k) * h(k) = h(k)

MLS

MLS

–

–

Maximum Length Sequence

Maximum Length Sequence

Zalety metody MLS

:

• znacznie lepszy stosunek sygnału do szumu

niż w metodach TDS, TSR i impulsowej

• znacznie szybszy pomiar niż dla ww. metod,

zachowując dokładność analizy w całym zakresie
częstotliwości

• brak konieczności filtracji, jak w TDS

Wady metody MLS

:

• konieczność wydzielania „części bezpośredniej”
• większa złożoność algorytmu, gł. obliczanie korelacji

skrośnej (stosuje się szybkie algorytmy, np. szybka
transformacja Hadamarda – FHT)