Zvuk a vibrace jsou pomerne uzce svazany. Za vibrace se obvykle povazujemechanicke kmitanı pevnych teles, jejich castı nebo jednotlivych castic; v prıpade,ze vibrujı povrchy teles, se casto hovorı o chvenı. Zvukem se pak rozumı takovypohyb castic pruzneho prostredı, ktery ma charakter vlnenı a navıc je schopenvyvolat sluchovy vjem. Je zrejme, ze pohyb castic pruzneho prostredı muze byt –a velmi casto byva – zpusoben prave chvenım pevneho telesa.
1
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 2
Vibrace jsou charakterizovany frekvencı f v Hz (tez uhlovou frekvencı ω vrad · s−1), amplitudou X v m ci mm, rychlostı xxx v m · s−1 nebo mm · s−1, zrych-lenım xxx v m · s−2 nebo mm · s−2 a casovym prubehem xxx(t) v m nebo mm. Po-zorovanım lze dojıt k zaveru, ze tyto veliciny popisujı nejenom kmity ci chvenıtelesa, ale prımo urcujı i vyzarovane akusticke vlny.
V tomto laboratornım cvicenı bude MDF1 deska o prumeru 300 mm a tloust’ce18 mm pripevnena na modalnı budic a bude buzena znamou frekvencı. Kmitanıpovrchu desky zpusobı rozkmitanı castic vzduchu, tj. pruzneho prostredı, a vznikmechanickeho vlnenı – zvuku.
3 Pracovnı ukol1. Upevnete MDF desku k modalnımu budici.
2. Sestavte intenzitnı sondu, zapojte merıcı aparaturu a generator.
3. Otevrte soubor projektu v aplikaci PULSE LabShop a spust’te merenı.
4. Zmerte hlukove pozadı.
5. Zmerte hladinu akustickeho tlaku vyzarovanou MDF deskou a budicem.
6. Posud’te akusticke vyzarovanı MDF desky.
4 Prıprava a prubeh merenı
4.1 Pripevnenı MDF deskyMDF desku je treba pripevnit k budici pomocı sroubu velikosti M5 v mıste zob-razenem na Obr. 1. Sroub musı byt dotazen dostatecne pevne, aby bylo zamezenoprotacenı desky.
4.2 Sestavenı merıcıho retezceNejprve sestavte intenzitnı sondu podle Obr. 2. Pozor, konektory spojujıcıc jed-notlive casti jsou opatreny drazkami, viz Obr. 3, takze jednotlive casti sondy lzesesadit jedinym zpusobem. Proto nepouzıvejte pri sestavovanı hrubou sılu.
Pri manipulaci se sondou by se melo vyhnout narazu mikrofonu do pevneprekazky, aby nedoslo k jejich poskozenı. Je tedy vhodne merıcı cast sondy prekrytochrannym krytem. Sestavenou sondu pripojte k vypnutemu analyzatoru. Na
1MDF (medium density fiberboard) je drevovlaknita deska s hustotou 700 ÷ 850 kg ·m−3
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 3
Obrazek 1: Mısto na modalnım budici pro upevnenı MDF desky
Obrazek 2: Sestavenı intenzitnı sondy
vstupnıch konektorech sondy muze byt napetı az 220 V a takove napetı muzezpusobit poskozenı analyzatoru ci sondy. Sonda ma celkem tri vstupnı konektory:dva stejne mikrofonnı kabely zapojte do vstupnıch kanalu 1 a 2 vstupnıho modulu(na Obr. 4 oznaceny zelenou barvou), tretı kabel zapojte do serioveho portu (na
pouzıvana napr. pri vyrobe reproduktoru.
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 4
Obrazek 3: Detail koncovky krku intenzitnı sondy a koncovky BNC kabelu
Obr. 4 oznacen oranzove) jen pokud chcete merenı ovladat pomocı tlacıtek na telesondy.
Dale propojte vstupnı zesilovac signalu a vystupnı kanal 1 analyzatoru (ozna-cen azurove) BNC kabelem. BNC kabely jsou vybaveny bajonetovou koncovkous pojistkou, viz na Obr. 3. Je-li BNC kabel odpojovan, musı se koncovka pritlacitsmerem k analyzatoru, pootocit a teprve pak vytahnout.
Nakonec zapnete vstupnı zesilovac tlacıtkem Power (na Obr. 5 oznaceno cer-vene) a otocnym regulacnım jezdcem (na Obr. 5 oznacen zlute) nastavte vystupnıproud zhruba do poloviny stupnice. Nakonec propojte pocıtac s analyzatorempomocı bezneho LAN kabelu (na Obr. 4 oznacen zlute), pripojte analyzator kezdroji (cervene oznaceny konektor) a zapnete jej (tlacıtko On/Off je na Obr. 4oznaceno purpurovou barvou).
Pro jednodussı realizaci laboratornı ulohy je v aplikace PULSE LabShop pripravenprojekt, v nemz je pripraveno nastavenı merıcıho retezce. Aby projekt bezpro-blemove fungoval, musı byt merıcı snımac a generator spravne zapojeny. Projektotevrete tak, ze po spustenı aplikace vyberete z nabıdky okna New Project polozkuOpen existing project... a otevrete soubor C:\Vyuka.
4.4 ProjektPrave otevreny projekt slouzı jak k ovladanı merenı, tak k vizualizaci vysledkumerenı. Po leve strane okna projektu se nachazı svisla lista, ktera slouzı k navigacimezi tremi zalozkami (v LabShopu nazvanymi Tasks), jejichz detailnejsı popis senachazı nıze.
4.4.1 Zalozka Nastavenı merenı
Tato zalozka slouzı jako rozhranı pro identifikaci pouzitych periferiı, tedy snımacua dalsıch prıstroju (napr. v nasem prıpade vstupnıho zesilovace). Rovnez se po-
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 6
mocı teto zalozky nastavuje zpracovanı vstupnıch signalu. Pri merenı akustickychvelicin se signaly nejcasteji zpracovavajı tzv. frekvencnı analyzou. V nasem prıpadeje zvolena metoda s konstantnı absolutnı sırkou pasma2 u nız lze v prıpade nutnostinastavit dalsı vlastnosti, jako je frekvencnı rozsah (tj. v jake intervalu frekvencımerıme), pocet spektralnıch car (tj. jake jsou nejmensı odlisitelne rozdıly mezifrekvencemi), zpusob prumerovanı a akusticke vazenı.
Obrazek 6: Zalozka Nastavenı merenı
4.4.2 Zalozka Generator
V teto zalozce je ovladan signal, kterym vstupnı zesilovac napajı generator. Zmenanastavenı zde se projevı zmenou pohybu MDF desky.
2Metoda s konstantnı absolutnı sırkou pasma, v technicke praxi nejcasteji zastoupena rychlouFourierovou analyzou (FFT) pomerne presne urcı, na kterych frekvencıch je vyzarovana urcitaakusticka energie. Dalsı metodou je metoda s konstantnı relativnı sırkou pasma (tzv. CPB), kteradobre reflektuje vnımanı hluku sluchovym ustrojım a pouzıva se tedy v prıpadech, kdy je posu-zovan vliv hluku na cloveka.
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 7
Obrazek 7: Zalozka Generator
4.4.3 Zalozka Spektra
Tato zalozka slouzı pro vizualizaci vysledku merenı. Jsou zde zobrazena tzv. spek-tra (proces zıskanı tohoto grafu rozborem signalu je zvan spektralnı analyza).
Vodorovna osa grafu udava frekvenci f v Hz a svisla osa zobrazuje hladinuakustickeho tlaku Lp v dB. Lze tedy rıci, ze diagram spekter poskytuje informacio tom, jak velky je prıspevek veliciny o dane frekvenci do celkoveho signalu.Vztah mezi akustickym tlakem a hladinou akustickeho tlaku je mozne vyjadrit zapouzitı logaritmicke funkce
Lp = 10 logp2
p20
, (1)
kde p0 = 2 ·10−5 Pa je referencnı hodnota akustickeho tlaku, ktera vyjadruje prahslysenı3.
3Konkretne jde o prah slysenı harmonickeho signalu o frekvenci 1 kHz ve volnem poli.
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 8
4.5 Prubeh merenı4.5.1 Aktivace projektu
Nekolik mechanickych cvaknutı signalizuje, ze se software uspesne spojil s ana-lyzatorem. V teto chvıli je vhodne stisknout tlacıtko F2 a tım obnovit projekt.
4.5.2 Merenı hlukoveho pozadı
Pri merenı akustickych velicin ma nezanedbatelny podıl na vysledku hluk zpu-sobeny prostredım, v nemz merenı probıha, tzv. hlukove pozadı. V laboratornıchpodmınkach se proto merenı casto provadejı v bezodrazove komore a navıc vdobe, kdy je okolnı sum minimalnı, napr. v nocnıch hodinach, coz ale v praxi ob-vykle realizovat nelze. Proto se merenı akustickeho tlaku sklada ze dvou kroku4:prvnım je merenı hlukoveho pozadı, pri nemz zdroj hluku nevydava zadny zvuk,druhym krokem je pak merenı ve zcela stejne konfiguraci, ale se zapnutym zdro-jem.
V zalozce Generator odskrtnete polozku Active, klavesou F2 aktualizujte pro-jekt a prepnete na zalozku Spektra.
Intenzitnı sondu podrzte asi 80 – 100 cm od MDF desky tak, aby osa mik-rofonu priblizne souhlasila s osou desky, jak ukazuje Obr. 8. Pote v LabShopustisknete F5, prıpadne tlacıtko Start/Stop Measurement na tele sondy5, pro startmerenı. Jakmile se graf zobrazeny na obrazovce pocıtace ustalı (coz trva asi 10 –20 sekund), stopnete merenı klavesou F6, nebo tlacıtkem Start/Stop Measurementa ulozte jej klavesou F7, nebo tlacıtkem Save Measurement. Spektrum hlukovehopozadı by melo vypadat zhruba jako spektrum na Obr. 9.
Majı-li byt vysledky dale zpracovavany, je vhodne je exportovat z aplikacePULSE LabShop do jineho prostredı. Nejcastejsı je zpracovanı v komercnıch ta-bulkovych procesorech jako je napr. OpenOffice.org Calc a Microsoft Word, vevypoctovych prostredıch, napr. MatLabu, SciLabu, Octave apod. nebo ruznychpostprocesorech jako je napr. ME’Scope.
Vysledky merenı je mozne z LabShopu exportovat ruznymi zpusoby. Pro dalsızpracovanı v tabulkovem postprocesoru stacı pravym tlacıtkem mysi kliknout nakrivku v zalozce Spektra a vybrat volbu Copy Active Curve. Pote stacı pomocıpraveho tlacıtka nebo klavesove zkratky Ctrl+V vlozit obsah schranky do tabul-koveho procesoru. Soucastı vkladanych dat jsou krome dat, pomocı nichz lze vy-kreslit graf, i detailnı informace o merenı, jako je pocet spektralnıch car, vzor-
4Pri merenıch, kdy je potreba dosahnout presnych vysledku, se navıc kalibrujı prıstroje aprıpadne zjist’uje teplota a vlhkost vzduchu a atmosfericky tlak na zacatku a na konci casovenarocnych merenı.
5Tlacıtka na sonde fungujı pouze tehdy, je-li k analyzatoru sonda pripojena pres seriovy kabel.
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 9
kovacı frekvence, zpusob prumerovanı, velikost a jednotka referencnı veliciny,datum a cas atd.
Obrazek 8: Poloha intenzitnı sondy pri merenı akustickeho tlaku
4.5.3 Merenı MDF desky
Merenı vyzarovanı hluku desky probıha v podstate stejne jako merenı hlukovehopozadı.
Nejprve v zalozce Generator (viz Obr. 7) zkontrolujte, zdali je typ signalu(Waveform) nastaven na sinusovy (Sine) a pote pomocı klavesnice nastavte frek-venci, na nız ma deska kmitat. Tato hodnota by mela byt mezi 50 a 100 Hz. Potezaskrtnete polozku Active, klavesou F2 aktualizujte projekt, prepnete na zalozkuSpektra a opet promerte a nasledne ulozte zıskana spektra. Pro budıcı frekvencif = 80 Hz by vysledne spektrum melo vypadat zhruba jako spektrum na Obr. 10.
Budou-li data dale zpracovavana, exportujte data ze zalozky Spektra. Potemuzete PULSE LabShop zavrıt.
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 10
Obrazek 9: Vizualizace vysledku merenı hlukoveho pozadı v zalozce Spektra
4.5.4 Zpracovanı vysledku
Hlavnım vystupem merenı je urcit, kolik akusticke energie (a na jakych frek-vencıch) vyzaruje budic a deska. Pokud by byla nami zmerena hladina akus-tickeho tlaku linearnı velicinou (tj. velicinou by byl napr. Pa), stacilo by od hod-not, ktere poskytlo druhe merenı, jednoduse odecıst hodnoty charakterizujıcı hlu-kove pozadı. Jak ale ukazuje vztah (1), hladina akustickeho tlaku Lp je logarit-micka velicina. S takovou velicinou nenı mozne provadet operace jako je scıtanıa nasobenı beznym zpusobem, ale pro scıtanı je nutne pouzıt vzorec
Lp1+p2 = 10 log(100,1Lp1 + 100,1Lp2
), (2)
ktery je mozne odvodit z (1). Odecıtame-li hladinu Lp2 od Lp1 , je ve vztahu (2)pochopitelne znamenko ‘−’.
Zobrazıme-li vyslednou hladinu akustickeho tlaku (tj. hladinu ktera je danaodectenım hladiny hlukoveho pozadı od hladiny zıskane merenım kmitajıcı deskya budice), zjistıme, ze povrch desky vyzaruje zvuk dominantne na frekvenci, kte-rou je deska buzena, a na celocıselnych nasobcıch teto frekvence. Temto nasobkumse rıka harmonicke (dvojnasobna frekvence se nazyva druha harmonicka atd.). V
Akusticke vyzarovanı vibrujıcıch teles 11
Obrazek 10: Vizualizace vysledku merenı akustickeho tlaku vyzarovaneho MDFdeskou buzenou frakvencı f = 80 Hz v zalozce Spektra
technicke praxi se harmonicke frekvence a problemy s nimi spojene objevujı neje-nom ve vibroakustice, ale i v elektrotechnice, energetice ci kybernetice.
