Wykład 5
5. Układy do pomiarów i analizy
parametrów drgań i hałasu
5.1. Wprowadzenie
Dokładna znajomość parametrów drgań i hałasu
występujących w środowisku pracy i życia człowieka stanowi
podstawę oceny zagrożenia drganiami i hałasem, a także
podstawę wszelkich poczynań mających na celu ochronę
środowiska przed tego typu  zanieczyszczeniami".
Wyznaczenie fizycznych parametrów sygnału
wibroakustycznego na drodze pomiarowej pozwala określić ich
wpływ na cechy psychofizjologiczne człowieka przebywającego w
określonym miejscu środowiska. Z drugiej strony sygnał
wibroakustyczny jest bogatym nośnikiem informacji o stanie
technicznym urządzeń i maszyn znajdujących się w zakładach
pracy, mieszkaniach itp.
W pierwszym przypadku określa się stopień szkodliwości
drgań lub hałasu, negatywny wpływ na organizm, środowisko,
maszyny, urządzenia, konstrukcje. Podaje się również sposoby
zabezpieczenia przed tymi skutkami. W drugim zmierzony sygnał
jest przedmiotem specjalnej  obróbki", na podstawie której
podaje się diagnozę o stanie badanego obiektu.
Drgania odznaczają się trzema związanymi między sobą
wielkościami: przesunięciem, prędkością i przyspieszeniem.
Ponieważ te trzy wielkości są ze sobą matematycznie powiązane,
wybór jednej z tych wielkości jest tylko kwestią wygody.
W praktyce drgania są złożonymi ruchami okresowymi
składającymi się z wielu podstawowych przebiegów
harmonicznych. Z tego powodu wykres przemieszczenia w
zależności od czasu nie jest wystarczający dla określenia ilości,
charakteru i częstotliwości składowych.
1
Rozkładanie złożonego przebiegu ruchu drgającego na drgania
składowe i znajdowanie składników częstotliwości nazywamy
analizą częstotliwości.
Przebieg amplitudy w zależności od częstotliwości nazywamy
widmem amplitudowym lub spektrum częstotliwości. Często do
ilościowego opisu drgań posługujemy się wielkością zwaną
amplitudą (drgań, prędkości, przyspieszenia). Stosuje się też
pojęcie wartości szczytowej, wartości średniej oraz średniej
wartości skutecznej.
Wartość średnia danego sygnału a(t) zdefiniowana jest
wyrażeniem:
T
1
Aśr = a dt
+"
T
0
2
gdzie T  okres drgań.
Natomiast średnia wartość skuteczna ARMS (ang. Root Mean
Sąuare), nazywana niekiedy  średniokwadratową wartością",
określona jest wzorem:
T
1
ARMS =
+"a2(t)dt
T
0
Najlepiej charakteryzuje drgania średnia wartość skuteczna,
gdyż uwzględnia ona zarówno historię czasową przebiegu jak
również informację o wartości amplitudy.
Dla przebiegów sinusoidalnych stosuje się niekiedy
pojęcie wartości szczyt-szczyt. Wartość ta na rysunku odpowiada
odległości od maksimum funkcji przebiegu drgań do minimum. Dla
sygnału symetrycznego, np. drgań harmonicznych, jest ona
większa dwukrotnie od wartości szczytowej. Pomiędzy trzema
omówionymi wielkościami zachodzi związek, który może być
przedstawiony w postaci:
1
Aszcz
ARMS = Ff Aśr =
Fszcz
gdzie Ff jest współczynnikiem kształtu, Fszcz  współczynnikiem
szczytu; dla przebiegów sinusoidalnych współczynniki te są równe
Ą
Ff = = 1,11
Fszcz = 2 = 1,41
2 2
W teorii drgań mechanicznych i akustycznych, ze względu na
szeroki zakres mierzonych amplitud drgań oraz częstotliwości,
posługujemy się często skalą logarytmiczną. Skala ta powoduje
rozszerzenie zakresu niskich częstotliwości, a zagęszczenie
wysokich. Stosowany w tej skali decybel (dB) wyraża się
następującym wzorem:
3
gdzie N jest liczbą decybeli, A  poziomem mierzonym, A0 
poziomem odniesienia (por. tabela poniżej).
Poziom dz
więku jest to korygowana (ważona) wartość
poziomu ciśnienia akustycznego rozpatrywanego dz
więku,
otrzymana za pomocą miernika dz
więku, o umownie przyjętych
charakterystykach ważenia. Znając poziom Lfi ciśnienia akustycz-
nego w pomieszczeniu dla poszczególnych pasm częstotliwości,
można obliczyć poziom dz
więku LA na podstawie wyrażenia:
n
(L )/
fi Ai
LA = 10log
"10 +K 10 dB
i=1
4
gdzie Lfi jest poziomem ciśnienia akustycznego w paśmie
częstotliwości fi w dB, n  liczbą pasm częstotliwości, KAi 
poprawką dla częstotliwości fi podaną w tablicy poniżej, gdzie
poprawki korekcyjne podano według charakterystyki A dla i-tego
pasma częstotliwości o danej częstotliwości środkowej f.
5
Skorygowany poziom mocy akustycznej określony jest
wyrażeniem:
n
(LNi Ai )/
LNA = 10
"10 + K 10 dB
i =1
gdzie LNi jest poziomem mocy akustycznej w i-tym paśmie
częstotliwości w dB, KAi  poprawką dla częstotliwości fi podaną
w tablicy powyżej, n  liczbą pasm częstotliwości.
Równoważny poziom dz
więku. Zróżnicowana reakcja
narządu słuchu na hałas o poziomie zmiennym w czasie
spowodowała wprowadzenie pojęcia poziomu równoważnego
dz
więku (ekwiwalentnego). Dla hałasu zmiennego w czasie
wartość poziomu ciśnienia akustycznego musi być okresowo
próbkowana w dokładnie określonych przedziałach czasu,
zwanych czasem próbkowania. W wyniku tych pomiarów wyznacza
się pojedynczą wartość zwaną równoważnym (ekwiwalentnym)
poziomem dz
więku. Równoważny poziom dz
więku wyraża to samo
potencjalne ryzyko uszkodzenia narządu słuchu co zmierzony
hałas o zmiennym poziomie. Stosuje się wyznaczenie
równoważnego poziomu dz
więku według charakterystyk np. A.
Poziom równoważny wyraża się wzorem:
t
Ą#1 �# pA( t ) ś#2 ń#
ź#
Leq = 10log ó# dtĄ#
+"ś#
ś# ź#
ó#t 0 p0 Ą#
�# #
Ł# Ś#
gdzie t jest całkowitym czasem pomiaru w s, pA(t)  chwilową
wartością ciśnienia akustycznego skorygowanego charakterystyką
A w Pa, p0  ciśnieniem odniesienia w Pa.
W badaniach praktycznych dla wyznaczenia równoważnego
poziomu dz
więku podaje się poziomy ciśnienia akustycznego, a
nie ich wartości, obliczane ze wzoru
n
Ą#
q 1
LAeq = log (ti �"100,3LAmi / q)ń# dB
"
ó#t Ą#
0,3
Ł# i=1 Ś#
6
gdzie: t jest czasem oceny w s, LAmi  średnim poziomem dz
więku
A w przedziale czasu tt, w którym hałas uznać można za ustalony,
n  liczbą odcinków czasowych ti , q  współczynnikiem zależnym
od charakteru hałasu (q = 4 dla hałasów komunikacyjnych, q = 3
dla innych hałasów).
W przypadku stosowania analizy statystycznej równoważny
poziom dz
więku wyznacza się z wyrażenia:
n
Ą#
q 1
LAeq = log (ni �"100,3LAi / q)ń# dB
"
ó# Ą#
0,3 N
Ł# i=1 Ś#
gdzie: LAi jest średnim poziomem dz
więku A w i-tym przedziale
poziomów, n  liczbą przedziałów poziomu hałasu, N  całkowitą
liczbą odczytów poziomu dz
więku LAi. w czasie, dla którego
n
N =
"n
i
i =1
wyznacza się równoważny poziom LAeq, przy czym ,
a ni jest liczbą odczytów poziomu dz
więku A w i-tym przedziale
poziomów.
Ostatnie dwa wzory zgodnie z PN-87/B-02156 mają postać:
Średni poziom dz
więku A obliczamy z wyrażenia:
gdzie LAi jest poziomem dz
więku A występującym w danej chwili
w dB, n  liczbą określonych poziomów dz
więku A w czasie
obserwacji w danym punkcie.
Przy badaniu parametrów drgań i hałasu mierzone mogą być
różne wielkości w zależności od celu badań doświadczalnych,
7
posiadanej aparatury itp. Mierzy się przemieszczenie drgań,
prędkość drgań, przyspieszenie, poziom ciśnienia akustycznego,
siły itd.
Wybór wielkości mierzonej jest szczególnie ważny przy
przeprowadzaniu pomiarów w szerokim paśmie częstotliwości,
gdy sygnał wibroakustyczny ma składowe o różnych
częstotliwościach. Dla przykładu można podać, że przy pomiarach
drgań pomiar przemieszczenia uwypukla składowe o niskich
częstotliwościach, natomiast przy pomiarze przyspieszeń
uwypuklone zostaną składowe o wysokich częstotliwościach.
Podstawowy układ do pomiarów i analizy procesów
wibroakustycznych przedstawia się następująco:
Układ taki składa się z przetworników, które mają za zadanie
przetworzenie mierzonej wielkości fizykalnej w odpowiedni sygnał
elektryczny. Sygnały elektryczne uzyskane z przetworników są na
ogół słabe (niskonapięciowe). Z tego względu stosuje się układy
dopasowujące, których zadaniem jest zapewnienie właściwych
warunków pracy dla przetwornika, oraz wzmocnienia sygnału do
poziomu niezbędnego do dalszej obróbki.
Właściwe przetwarzanie informacji odbywa się w procesorze.
Procesor spełnia kilka zadań. Między innymi podaje wartość
szczytową (ASZCZ), wartość średnią (Aśr), średnią wartość skuteczną
8
(ARMS). Procesor przeprowadza analizę częstotliwościową procesu,
czyli wyznacza ocenę funkcyjną procesu w postaci jego widma.
Dane uzyskane z informacji przetworzonych przez procesor
mogą mieć charakter liczbowy lub funkcyjny. Dane te
obserwujemy lub rejestrujemy na różnego typu przyrządach
oscyloskopowych, wskaz
nikach analogowych lub cyfrowych rejes-
tratorach poziomów, rejestratorach X-Y, magnetofonach
pomiarowych itp.
Na temat budowy i działania przetworników układów
pośredniczących, procesorów sygnałów itp. istnieje bogata
literatura specjalistyczna.
5.2. Przetworniki
Przetworniki mają za zadanie przetworzenie mierzonej
wielkości fizykalnej w odpowiedni sygnał elektryczny. W
rozpatrywanym przypadku przetworniki służyć będą do pomiaru
9
przemieszczeń, prędkości, przyspieszenia oraz ciśnienia akustycz-
nego. Przetworniki przetwarzają więc pewne informacje na
wejściu na pewne informacje na wyjściu. Przetwornik
przekształcać może drgania mechaniczne w inne drgania
mechaniczne lub drgania elektryczne.
Przetworniki można podzielić na dwie grupy: na przetworniki
czynne i przetworniki bierne. Przetworniki bierne pobierają
energię z osobnego z
ródła, a nie z badanego
obiektu. Przetworniki czynne nie wymagają oddzielnego z
ródła
zasilania. Do przetworników biernych zaliczymy przetworniki
pojemnościowe, przetworniki indukcyjne, a do przetworników
czynnych przetworniki elektromagnetyczne, przetworniki elektro
dynamiczne, przetworniki piezoelektryczne.
Przetworniki odznaczają się pewnymi wielkościami, do
których zaliczyć można:
1) ciężar i wymiary,
2) zakres dynamiczny,
3) zakres częstotliwości,
4) czułość,
5) odporność na wpływ otoczenia
a) temperaturę,
b) drgania poprzeczne,
c) piezoelektryczność,
d) odkształcenia podstawy,
e) tryboelektryczny hałas kablowy,
f) pole magnetyczne,
g) ciśnienie akustyczne,
h) wilgotność,
i) promieniowanie;
6) liniowość,
7) stabilność,
8) odporność na korozję.
10
Wymienione dane charakteryzujące przetworniki nie zawsze
są ze sobą zgodne, np. zakres dynamiczny, zakres
częstotliwości oraz czułość dobrane powinny być na zasadzie
pewnego kompromisu, ponieważ duża czułość przetwornika
wymaga dużej masy, co następnie powoduje niską częstotliwość
rezonansu. Zakres dynamiczny ograniczony jest od góry przez
mechaniczną wytrzymałość przetwornika, a od dołu przez
kombinację szumów wzmacniacza i przetwornika wytwarzanych
na skutek wpływu środowiska.
Przetwornik pojemnościowy przetwarza przemieszczenie
liniowe lub kątowe na zmiany pojemności kondensatora, który
jest podstawowym elementem przetwornika.
Przetworniki pojemnościowe cechują się prostą budową i
wygodą w stosowaniu. Pracują one w układach pomiarowych
zasilanych napięciem zmiennym, działającym na zasadzie
modulacji amplitudy lub częstotliwości napięcia wejściowego.
Do wad tego typu przetworników zaliczyć należy wpływ
pojemności kabla łączącego przetwornik z innymi elementami
układu pomiarowego. Inną wadą jest konieczność stosowania
wzmacniaczy o bardzo dużej oporności wejściowej.
Przetworniki indukcyjne mogą być przetwornikami
generującymi  czynnymi oraz indukcyjnymi parametrycznymi 
biernymi. Do przetworników indukcyjnych generujących zaliczamy
przetworniki elektrodynamiczne i elektromagnetyczne.
Przetworniki elektrodynamiczne służyć mogą do pomiarów
przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń badanego obiektu
względem określonego układu odniesienia.
11
Schemat przetwornika elektromagnetycznego firmy Bruel-
Kjaer typu MM0002 przedstawiono na rysunku poniżej.
Przetwornik tego typu może pracować w temperaturze do 250�C.
Przetworniki indukcyjne elektromagnetyczne działają na
zasadzie wykorzystania zjawiska rozgałęzienia strumienia
magnetycznego, powstałego na skutek zmiany położenia w
obwodzie strumienia magnetycznego ciała ferromagnetycznego.
Obok przetworników indukcyjnych czynnych spotykamy
przetworniki indukcyjne bierne  parametryczne. Przetworniki
indukcyjne parametryczne dzielimy na grupy: przetworniki ze
zmienną szczeliną powietrzną (dławikowe) i przesuwnym
rdzeniem oraz przetworniki indukcyjne transformatorowe. Wadą
tego typu przetworników jest działanie stosunkowo dużej siły
elektromechanicznej przyciągającej zworę do rdzenia
elektromagnesu.
Do pomiarów precyzyjnych stosuje się przetworniki
transformatorowe.
Do pomiarów przyspieszeń mogą być stosowane przetworniki
piezoelektryczne. Zasada ich działania polega na wykorzystaniu
właściwości pewnych materiałów polegającej na tym, że
12
wytwarzają one prąd elektryczny w momencie działania naprężeń
mechanicznych. Omówioną właściwość mają pewne
monokrystaliczne materiały, jak turmalin, kwarc, sól Rochelle'a,
sól Seignetta. W chwili obecnej naturalne kryształy zostały
zastąpione polikrystalicznymi, sztucznie spolaryzowanymi
wyrobami ceramicznymi (np. tytanian baru, ołowian cyrkonowo-
tytanowy, metanioban ołowiu).
Czynnikiem wpływającym na jakość przetworników
piezoelektrycznych są: punkt Curie, czułość i stabilność
termiczna.
Górną granicą przenoszonego pasma jest częstotliwość drgań
własnych czujnika. O dolnej częstotliwości granicznej decydują
parametry elektryczne czujnika oraz urządzeń bezpośrednio do
niego dołączonych, takich jak kabel łączący i układ wejściowy
wzmacniacza.
Piezoelektryczny czujnik przyspieszeń
Charakterystykę częstotliwościową tego czujnika pokazano na
następnym rysunku.
13
W laboratoriach stosowane są przeważnie czujniki
przyspieszenia firmy Bruel-Kjaer.
Użytkownik musi dokonać wyboru czujnika do realizacji
konkretnego celu, doboru kabla łączącego, sposobu zamocowania
itp. W idealnym przypadku chcielibyśmy dysponować czujnikiem o
dużej czułości, szerokim zakresie częstotliwości pomiarowej i
bardzo małej masie. Wymaganie dużej czułości pozostaje w
sprzeczności z wymaganiem małej masy i szerokiego zakresu
częstotliwości. Dlatego musi być znaleziony pewien kompromis,
który uzyskamy stosując się do pewnych zasad, a mianowicie:
1) ciężar czujnika powinien być co najmniej 10 razy mniejszy cd
ciężaru badanego obiektu, na którym czujnik jest mocowany;
2) należy oszacować w przybliżeniu, w jakim zakresie
częstotliwości chcemy wykonywać pomiary i sprawdzić, czy
zakres ten leży wewnątrz użytecznego zakresu częstotliwości
czujnika;
3) należy upewnić się, że dynamiczny zakres czujnika jest
odpowiedni do pomiarów, które chcemy wykonać;
4) należy sprawdzić, czy temperatura, w której chcemy
wykonywać pomiary, nie przekracza dopuszczalnej temperatury
czujnika (pamiętać musimy, że przegrzanie materiału
piezoelektrycznego spowoduje jego depolaryzację i w
rezultacie utratę czułości);
14
5) rozważyć należy wszystkie warunki, w których będzie
pracował czujnik (wilgotność, pole magnetyczne,
promieniowanie itp.), i ocenić, czy czujnik może w tych
warunkach pracować.
Istotnym problemem jest mocowanie czujnika na mierzonym
obiekcie, gdyż dokładność wyników pomiaru zależy od metody
zamocowania czujnika przyspieszeń w punkcie pomiarowym.
Niewłaściwe zamocowanie (luz
ne) prowadzi do obniżenia
częstotliwości drgań własnych czujnika, co jest równoznaczne ze
zmniejszeniem zakresu użytecznego częstotliwości czujnika.
Poniżej podano niektóre sposoby mocowania czujników.
Optymalnym sposobem jest zamocowanie czujnika za pomocą
wkrętów. Powierzchnia mocowania powinna być czysta i
posmarowana cienką warstwą smaru. Otwór gwintowany powinien
być na tyle głęboki, aby gwintowany korek nie działał z
dodatkową siłą na czujnik. Na rysunku b) przedstawiono czujnik
zamocowany za pomocą izolowanego wkrętu. Gdy nie można
nawiercić otworów do mocowania, czujnik przykleja się za
pomocą wosku pszczelego (rys. poniżej).
15
Można również stosować do przyklejania cement dentystyczny z
żywic epoksydowych lub klej cyjanoakrylowy.
Jeżeli punkt pomiarowy znajduje się na płaskiej powierzchni
magnetycznej, do mocowania można użyć magnesu stałego.
Metoda ta redukuje zakres częstotliwości pomiarów do 2 kHz.
Zależnie od wymiarów czujnika, magnes wytrzymuje przy-
spieszenia nawet 2000 m/s2.
Niekiedy przy pomiarach
wstępnych, nie wymagających dużej
dokładności, stosuje się ręczną sondę
z czujnikiem umieszczonym na
szczycie.
Tego typu pomiary nie powinny
być stosowane przy drganiach o
częstotliwościach ok. 1000 Hz.
Na charakterystykę czujnika
wpływ ma kabel łączący. Zarówno
rezystancja izolacji jak i pojemność
kabla wchodzą w układ zastępczy
toru pomiarowego. Wysokie wymagania stawiane izolacji oraz
możliwie mała pojemność ograniczają długość przewodu. Zwykle
długość przewodu nie przekracza l m. Nie wolno zapomnieć, że
ciężar przewodu wpływa na ciężar czujnika. Czujniki
16
piezoelektryczne są urządzeniami o dużej impedancji. Dlatego
ruchy kabla, jego zginanie, ściskanie lub rozciąganie powodują
wzrost lokalnych zmian pojemności, co z kolei powoduje
zakłócenia pracy czujnika, szczególnie w niskich
częstotliwościach. Z tego powodu konieczne jest odpowiednie za-
mocowanie kabla do drgającego obiektu, uniemożliwiające ruch
względny przewodu.
dobrze
Jeszcze jednym ważnym elementem stosowania czujników
przyspieszeń jest określenie osi maksymalnej czułości. Gdy
czujnik wykonany jest w kształcie walca, zwykle oś ta pokrywa się
z główną osią geometryczną czujnika. Spotyka się jednak czujniki
o kształcie prostopadłościanu lub innym, wówczas oś maksymalnej
czułości jest prostą prostopadłą do płaszczyzny mocowania, w
której znajduje się
nagwintowany otwór,
przeznaczony do
przykręcenia czujni-
ka do drgającej po-
wierzchni. Kierunek
prostopadły do osi
maksymalnej czułości
w płaszczyz
nie zamo-
cowania czujnika
wykazuje znacznie
mniejszą czułość,
zwykle nie przekraczającą 3%. Na niektórych typach czujników
czerwonym punktem zaznaczono kierunek czułości minimalnej,
17
określony z właściwości kierunkowych elementów piezoelekt-
rycznych.
5.3. Mikrofony
Do pomiarów ciśnienia akustycznego stosowane są
przetworniki elektroakustyczne  mikrofony. Mikrofon jest więc
przetwornikiem przetwarzającym energii akustyczną na
elektryczną. Od mikrofonów pomiarowych wymagane są
odpowiednie właściwości, zatem nie wszystkie używane mikrofony
mogą być zastosowane do celów pomiarowych. Na mikrofony
pomiarowe nakładany jest warunek wierności odwzorcowania
elektrycznego sygnału akustycznego w dużym zakresie.
Współczesne mikrofony reagują na różnice ciśnień po obydwu
stronach membrany, którą można uzyskać przez utrzymanie
stałego ciśnienia po jednej stronie
membrany i w ten sposób mierzyć ciśnienie fali akustycznej.
Mikrofony pomiarowe podzielić można na pojemnościowe,
dynamiczne, piezoelektryczne i elektretowe.
W chwili obecnej najczęściej stosowany do pomiarów jest
mikrofon pojemnościowy.
Na rysunku pokazano
schemat tego typu
mikrofonu. Mikrofon
pojemnościowy zbudo-
wany jest w postaci
kondensatora, którego
jedną okładziną jest
membrana, drugą zaś
sztywna płyta tylna.
Membrana jest odizolowana od płyty tylnej. Zmiany ciśnienia
spowodowane falami akustycznymi powodują przemieszczenie
membrany i przez to zmieniają pojemność kondensatora. Do
18
okładek kondensatora przyłożone jest napięcie polaryzujące w
celu wytworzenia na jego okładkach stałego ładunku. W wyniku
tego przy drganiach membrany generuje się w mikrofonie
zmienne napięcie. Konstrukcja mikrofonu umożliwia uzyskanie
zmiennego napięcia wyjściowego, proporcjonalnego do ciśnienia
fali akustycznej w szerokim paśmie częstotliwości i dużym
zakresie dynamicznym. Na rysunkach pokazano praktyczne
rozwiązanie konstrukcyjne mikrofonu pojemnościowego firmy
Bruel-Kjaer oraz równoważny obwód takiego mikrofonu.
Na ograniczenie przenoszenia wysokich częstotliwości przez
mikrofon pojemnościowy wpływają również takie czynniki jak
19
mechaniczne tłumienie ruchu membrany wielkość masy
membrany oraz zjawisko interferencji i dyfrakcji, gdy średnica
mikrofonu ma wartość tego samego rzędu co długość fali
akustycznej.
Sprawność przetwarzania mikrofonu określana jest jego
skutecznością. Skuteczność mikrofonu jest to iloraz napięcia na
wyjściu (na nie obciążonych zaciskach wyjściowych) i wartości
ciśnienia akustycznego na wejściu (działającego na membranę).
Skuteczność ciśnieniowa mikrofonu określana jest
wyrażeniem:
U
S = V/Pa
p
p
gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na wyjściu w V, p 
wartością skuteczną ciśnienia akustycznego w Pa.
Skuteczność w polu fali swobodnej określona jest wyrażeniem
U
S = V/Pa
f
ps
gdzie U jest wartością skuteczną napięcia na wyjściu w V, ps 
wartością skuteczną ciśnienia akustycznego występującą w polu
swobodnym w miejscu umieszczenia mikrofonu, zanim
umieszczony został tam mikrofon, w Pa.
Niekiedy wytwórcy mikrofonów podają tzw. znamionową
skuteczność mikrofonu, przez co rozumie się skuteczność
mikrofonu w swobodnym polu akustycznym przy padaniu fal
dz
więkowych o częstotliwości 1000 Hz w kierunku osi
odniesienia. Natomiast charakterystyka skuteczności mikrofonu
podaje przebieg skuteczności w zależności od częstotliwości przy
stałej wartości pobudzającego ciśnienia akustycznego.
.
20
Istnieją dwa rozwią-
zania konstrukcyjne mik-
rofonów:
- mikrofony ciśnieniowe,
- mikrofony do pomia-
rów w polu swobodnym
(typu pola swobodnego).
Charakterystykę mikrofo-
nu do pomiarów w polu swobodnym przedstawiono na rysunku.
Mikrofony ciśnieniowe stosuje się przy pomiarach w
obszarach zamkniętych, a także przy pomiarach specjalnych, np.
w ścianie kanału wentylacyjnego. Mikrofony te mają płaską
charakterystykę ciśnieniową skuteczności w zakresie wysokich
częstotliwości.
Mikrofony do pomiarów w polu swobodnym stosuje się
powszechnie przy pomiarach hałasu. Mają one rozwiązanie
konstrukcyjne zapewniające tłumienie drgań rezonansowych
membrany oraz kompensację wpływu kąta padania fali na
membranę.
Charakterystyka kierunkowości mikrofonu jest to zależność
skuteczności mikrofonu przy danej częstotliwości od kąta, pod
jakim pada fala dz
więkowa. Charakterystyka kierunkowości
przedstawiona jest zwykle w układzie o współrzędnych
biegunowych. W zależności od charakterystyki kierunkowości
rozróżnia się mikrofony:
- bezkierunkowe lub wszechkierunkowe (kołowy),
- dwukierunkowe (ósemkowy),
- jednokierunkowe (kardioida),
- jednokierunkowe (superkardioida).
Przy pomiarach hałasów stosuje się mikrofony
bezkierunkowe, nie mające uprzywilejowanego kierunku odbioru
21
fal. W pomiarach mających na celu lokalizację z
ródeł dz
więków
stosuje się mikrofony o podwyższonej kierunkowości.
Zakresy dynamiczne mikrofonów podają dolną granicę
zakresu, przez co rozumie się poziom szumu elektrycznego przed-
wzmacniacza (czasami również zaburzenia termiczne w
membranie), oraz górną granicę zakresu dynamicznego, zależną
od wartości dopuszczalnych zniekształceń nieliniowych
spowodowanych zakłóceniami właściwości sprężystych membrany.
Mikrofony elektretowe są pewną odmianą mikrofonów
pojemnościowych. Elektretami nazywamy dielektryki, które
spolaryzowane silnym polem elektrycznym zachowują trwale
wytworzone ładunki elektryczne. Do materiałów stosowanych na
elektrety zalicza się m.in. polimetaksylan metylu, polioctan winylu.
Zasadniczym elementem tego typu mikrofonu jest membrana z
elektretu powlekanego metalem. Zastosowanie elektretu
eliminuje konieczność stosowania zewnętrznego z
ródła napięcia
stałego, ułatwiając konstrukcję przedwzmacniacza.
Mikrofonami piezoelektrycznymi nazywamy mikrofony
wykorzystujące do przetwarzania energii akustycznej na
elektryczną zjawisko piezoelektryczne omówione uprzednio.
Mikrofony tego typu odznaczają się dużą pojemnością elementu
piezoelektrycznego, dlatego mniejszy jest wpływ kabla
łączącego.
Dodatkowe wyposażenie mikrofonów. W wielu przypadkach
wykonuje się pomiary w zmiennych warunkach. Z tych powodów
firmy produkujące urządzenia pomiarowe zalecają używanie
dodatkowych urządzeń jak osłon przeciwwietrznych, stożków
przeciwwietrznych, osłon przeciwdeszczowych lub korektorów.
Osłony przeciwwietrzne redukują szumy wiatru podczas
pomiarów na wolnym powietrzu.
22
Podczas pomiarów wewnątrz przewodów powietrznych
stosuje się stożki zastępujące siatkę ochronną i redukujące
szumy przepływu.
Korektory nadają mikrofonom do pomiarów w polu
swobodnym charakterystykę kierunkową zbliżoną do kulistej.
Korektor używany jest do pomiarów w polu rozproszonym. Na
rysunku pokazano dodatkowe wyposażenie mikrofonów.
5.4. Układu pośredniczące
W układach pomiarowych obok omówionych uprzednio
przetworników stosowane muszą być pewne układy zasilające,
układy dopasowujące, a także układy różniczkujące i całkujące.
Sygnały uzyskane z przetworników mają małą moc, muszą być
więc stosowane wzmacniacze, których zadaniem jest zwiększenie
mocy przez zwiększenie napięcia lub natężenia prądu.
23
5.5. Procesory sygnałów
Podstawowym zadaniem procesora sygnałów jest
przetwarzanie sygnałów i in. formacji w nich zawartych. Procesor
jest jednym urządzeniem lub składa się z kilku przyrządów, np.
mierników wartości szczytowej, wszelkiego rodzaju analizatorów,
korelatorów itp., połączonych z komputerem. Zasada pracy
procesorów jest analogowa, cyfrowa lub hybrydowa.
W badaniach wibroakustycznych ważna jest analiza
częstotliwości, którą można podzielić na dwie grupy:
1) analiza poziomu widma,
2) analiza widmowa gęstości mocy.
Obie metody badają dane pomiarów uzyskane w szerokim
zakresie częstotliwości za pomocą przestrajalnego filtru lub
zestawu filtrów i mierzą przy różnych częstotliwościach poziom
sygnału po przejściu przez filtr. Metody te różnią się tym, że w
pierwszym przypadku mierzymy skuteczny poziom widma
sygnału, a przy analizie widmowej gęstości analizator mierzy
średnią kwadratową poziomu widma.
Przez analizę widmową rozumiemy podział złożonego
sygnału na taką najmniejszą liczbę pasm częstotliwości, która
daje wymagane informacje. Sygnał rozkładamy na jak najmniej-
szą liczbę pasm, ponieważ przez zwiększenie liczby pasm rośnie
czas potrzebny do przeprowadzenia analizy, a ocena i
zestawienie rezultatów będą wówczas trudniejsze.
Do wyboru mamy dwa typy analiz:
A. Analiza przy stałej procentowej szerokości pasma,
która może być:
- oktawowa,
- tercjowa (1/3-oktawowa),
- wąskopasmowa (stała procentowa szerokość pasma
wynosi 6%).
B. Analiza przy stałej szerokości pasma, która może być:
24
- szerokopasmowa (liniowa lub z korekcją filtrów A, B, C
lub D),
- wąskopasmowa (np. 3, 16 Hz).
Do analizy stosowane są
przyrządy zwane analizatorami.
Analizatory podzielić możemy na
grupy; jedna z nich to filtry o stałej
procentowej szerokości pasma.
Przykładem takich filtrów są filtry
oktawowe, 1/3-oktawowe, filtry
 strojone".
Przystępując do badań, podjąć
musimy decyzję dotyczącą wyboru
odpowiedniego filtru lub zestawu
filtrów dla konkretnego przypadku.
Chodzi bowiem o to, aby analizator
był zdolny do rozdziału
częstotliwości rezonansu lub
rozróżnienia rezonansów
otaczających, tak aby było można
zidentyfikować z
ródło powstawania rezonansu
Charakterystyczną cechą filtrów konieczną dla ich
porównawczej oceny są:
1) szerokość pasma filtru,
2) selektywność.
Przez szerokość pasma
rozumiemy różnicę pomiędzy
częstotliwościami, przy których
tłumienie wynosi 3 dB. Trzy
decybele tłumienia częstotliwości są
to punkty, w których filtr redukuje
energię do połowy poziomu wejściowego. Filtry
25
 stałoprocentowe" przystosowane są do selektywnego
odbioru sygnałów przez wytłumienie jednej oktawy lub
więcej oktaw od częstotliwości środkowej filtru. Do analizy
sygnałów wibroakustycznych mogą być stosowane analizatory
częstotliwości (real time) o stałej szerokości
pasm w pasmach od oktawy do 1/24 oktawy.
Dla przykładu w analizatorze częstotliwości
Bruel-Kjaer 2123 zastosowano filtry cyfrowe,
które umożliwiają analizę w czasie rzeczywistym
sygnałów o częstotliwości do 22,4 kHz.
Zapamiętane sygnały czasowe mogą być analizowane
fragmentarycznie. Analizatory te mają dużą pamięć
buforową, mogącą pomieścić do 1000 widm tercjowych.
Przy pracy wielowidmowej (multispectra) analizator
wykonuje operacje na macierzy widm, co ułatwia rejestrację
danych.
Stosowane są również cyfrowe, wąskopasmowe
analizatory do szybkiej transformaty Fouriera (FFT). Analizatory
te produkcji Briiel-Kjaer dzielą się na dwie grupy: na
jednokanałowe, przeznaczone do analizy sygnałów ciągłych i
przypadkowych, oraz na dwukanałowe do analizy zjawisk
fizycznych (pomiar siły wymuszającej odpowiedz
układu).
Wynik analizy w tego typu analizatorze przedstawiony jest w
postaci prążkowego widma mocy o 400 liniach. Analizator ma
pamięć o pojemności 10240 próbek przebiegu czasowego, a
wielokrotne zwiększenie rozdzielczości pozwala każdorazowo
uzyskać widmo złożone z 4000 prążków. Zakres pracy w
czasie rzeczywistym do 2 kHz. Zawiera 11 podzakresów
częstotliwości od 0-10 Hz do 0-20 kHz. Zakres dynamiczny
większy od 70 dB.
26
5.6. Układy obserwacji i rejestracji
Wyniki badań procesów wibroakustycznych przetworzone
przez odpowiednie procesory są obserwowane lub rejestrowane.
W tych badaniach informacje mają charakter liczbowy lub
funkcyjny. Do obserwacji zmian sygnałów wibroakustycznych
stosujemy następujące układy:
1) wskaz
niki analogowe (wychyłowe) lub cyfrowe do
odczytu wartości liczbowych,
2) oscyloskopy katodowe dla obserwacji zmian sygnału
wibroakustycznego.
W chwili obecnej stosowane są następujące sposoby rejestracji
sygnałów wibroakustycznych:
- rejestracja analogowa,
- rejestracja cyfrowa.
Do rejestracji analogowej zaliczamy rejestrację graficzną i
magnetyczną.
Rejestracja cyfrowa sygnałów wibroakustycznych stosowana
jest w technice komputerowej.
Sonometr cyfrowy
27