Измерение акустических параметров связано с рядом трудностей, обусловленных следующими причинами:
малой величиной абсолютных значении измеряемых величин, так как акустические давления составляют 10~6... 10~8 от статического атмосферного давления;
большим диапазоном измеряемых частот от 2 до 30 000 Гц;
резонансными особенностями звуковых излучателей и приемников, а также самого помещения, в котором производятся измерения;
сложностью акустических полей в помещениях и их зависимостью от частоты;
сложностью и неустойчивостью спектра звуков, шумов и вибраций, а также явлениями дифракции вблизи акустических приемников.
Поэтому для акустических измерений высокой точности необходимы как измерительные аппараты и анализаторы, соответствующие предъявляемым требованиям, так и специально оборудованные помещения, обеспечивающие образование звуковых полей самых простых конфигураций.
Для измерения уровня акустического давления в газовой среде, выражаемого в децибелах, используется аппарат, называемый шумомером. Шумомер состоит из измерительного микрофона, усилителя, корректирующих цепей, детектора и индикатора, шкала которого отградуирована в децибелах относительно порогового значения акустического давления. В шумомерах предусматривается несколько временных характеристик, позволяющих измерять стабильные, стационарные и импульсные шумы.
По точности измерения шумомеры в соответствии с ГОСТ 17187 — 81 подразделяются на четыре класса: 0, 1, 2 и 3. Приборы класса 0 применяются в качестве образцового средства измерений и градуируются на рабочих эталонах, класса 1 — для точных лабораторных и натурных измерений, класса 2 — для измерений нормальной точности, класса 3 — для ориентировочных измерений. Шумомеры классов 0 и 1 имеют стандартный диапазон частот 12,5 Гц,..20 кГп. класса 2 — 8 Гц...20 кГц, класса 3 — 31,5 1ц...8 кГц. Некоторые шумомеры снабжены октавными и третьоктавными фильтрами, которые позволяют более тщательно анализировать шум в требуемом частотном диапазоне. Динамический диапазон уровня измеряемого шума составляет: минимальный — 15... 35, максимальный — 140...160 дБ.
Структурная схема шумомера:
1 — микрофон; 2 — предусилитсль; 3 — аттеньюатор (переключатель пределов); 4 — усилитель; 5 — цепи фильтров частотных характеристик; 6— внешние фильтры; 7 — квадратичный детектор (цепь возведения в квадрат); 8 — цепь экспоненциального усреднения; 9— индикатор, градуированный в децибелах
В шумомере используется измерительный микрофон ненаправленного типа с диапазоном частот от 31,5 до 12500 Гц. Чувствительность микрофона не должна изменяться более чем на ±0,5 дБ при изменении давления окружающей среды на ±10%.
В зависимости от уровня и частоты шума, а также от условий проведения измерений используются следующие типы микрофонов: конденсаторный, пьезоэлектрический и электродинамический. Наибольшее распространение для измерения шумов электрических машин получили конденсаторные микрофоны, имеющие высокую чувствительность и хорошую частотную характеристику до 10...40 кГц. Кроме того, микрофоны этого типа нечувствительны к внешним электромагнитным полям. Недостатком конденсаторных микрофонов является относительно высокий уровень собственных шумов (35...50 дБ). Это, однако, является вполне приемлемой величиной для большинства электрических машин и трансформаторов, так как нижние допустимые уровни шума электрических машин, измеренные на расстоянии 1 м составляют 49...64 дБ (по ГОСТ 16372—93 «Машины электрические вращающиеся. Допустимые уровни шума»). Для трансформаторов на расстоянии 0,3 м допустимые уровни шума составляют ..66 дБ (но ГОСТ 12.2.024—76 «Шум. Трансформаторы силовые масляные. Нормы и методы контроля»). Большинство шумомеров класса 1 снабжено конденсаторными микрофонами. Конденсаторный микрофон для нормальной работы требует поляризации емкости от специального источника питания, который встраивается в шумомер, и применения предусилителя. Это наиболее дорогой из всех микрофонов.
Устройство (а), схема подачи поляризованного напряжения (0) и относительная частотная характеристика (в) однодюймового конденсаторного микрофона при углах падения 0°, 90°, при случайном падении
(R) и по давлению (Р):
1 — диафрагма; 2 — задняя пластина (неподвижный электрод); 5— изолятор; 4 — корпус; 5 — отверстие для выравнивания давления; 6 — звуковое давление; 7—
выход; 8 — источник поляризующего напряжения
Пьезоэлектрический микрофон не требует источника поляризации для нормальной работы и обладает значительной емкостью. Однако его чувствительность при том же диаметре на порядок ниже, чем у конденсаторного микрофона, в связи с чем их применяют в шумомерах класса 2.
Электродинамические микрофоны применяют в шумомерах класса 2. Они имеют низкий уровень собственного шума (10... 15 дБ) и дешевы в изготовлении. Однако на их работу сильно влияют внешние электромагнитные поля, что требует известной осторожности при выборе таких микрофонов в качестве датчиков шума электрических машин и трансформаторов. В некоторых шумомерах используется два усилителя, один из которых включен на выходе микрофона, а другой — на выходе шумомера для обеспечения устойчивой работы внешних устройств. Усилитель имеет перегрузочную способность не менее 12 дБ по отношению к максимальному отклонению на показывающем приборе шумомера.
Г Шумомер имеет характеристики коррекции, обозначаемые буквами А, В% С. Указанные характеристики отражают субъективное восприятие шума ухом человека. В настоящее время получила преимущественное распространение корректированная кривая А, которая используется для анализа и регистрации уровня шума наряду с линейной характеристикой. Амплитудно-частотные характеристики, соответствующие кривым коррекции А, В, С, приведены на рис.
Устройство пьезоэлектрического микрофона:
1 — мембрана; 2 — выходные контакты; 3 — пьезоэлектрическая пластина; 4 — игла
Как видно из рис., при измерении по кривой коррекции А сильно ослабляются низкочастотные компоненты шума, поэтому измерение должно проводиться на двух кривых — корректированной А и некоррелированной (линейной). Путем сравнения результатов измерения по этим кривым можно судить о том, какая часть спектра является преобладающей.
Если уровень шума по кривой А оказывается существенно меньшим, чем при измерении на линейной шкале, это означает, что измеряемый шум содержит большие низкочастотные составляющие. Если показания близки, то шум имеет преимущественно высокочастотные составляющие.
Устройство катушечного (а) и ленточного (б) электродинамических (динамических) микрофонов:
катушка; 2— диафрагма; 3 — корпус; 4 — постоянный магнит; 5 — лента
Характеристики коррекции шумомеров
Цепь экспоненциального усреднения имеет два режима работы: F (быстро) с постоянной времени 125 мс и S (медленно) с постоянной времени I с.
В индикаторе предусмотрена настройка для измерения пиковых, действующих или средних значений уровня шума. Кроме того, при использовании корректированной или линейной кривой по нему можно получить некоторые сведения о тональности шума. Измеренный шумомером уровень интенсивности звука не дает спектр частот, поскольку корректирующие цепи шумомера позволяют только качественно определить частотный состав шума (при сравнении уровней шума по линейной шкале и шкале А).
Для анализа спектрального состава шумов используется частотный спектрометр, состоящий из входного усилителя, системы полосовых фильтров, корректирующих цепей А, В, Си выходного усилителя, управляющего измерительными и регистрирующими приборами. Спектрометр, соединенный с самописцем, позволяет автоматически записывать спектрограмму (зависимость уровня шума в децибелах от частоты) на бумагу стандартных размеров.
Если измерение уровня шума допускается производить как в свободном, так и в реверберационном и полуреверберационном полях, то анализ шума производится только в условиях свободного поля. Для создания свободного акустического поля при анализе шумов используются специальные помещения, называемые заглушёнными камерами, в которых пол, стены и потолок надежно изолированы как от внешних, так и от вспомогательных внутренних виброакустических источников, сведена до минимума возможность отражения звуковых волн, устранены электромагнитные помехи, которые могут отрицательно повлиять на работу измерительной аппаратуры.
В настоящее время имеются материалы и конструкция покрытия внутренней поверхности заглушённых камер, позволяющие довести коэффициент поглощения падающей звуковой волны до 99% при частотах свыше 100 Гц и 93 ...99% в диапазоне частот 50... 100 Гц. Таким образом, степень приближения акустического поля к свободному оказывается весьма высокой. Для уменьшения внешних шумов и вибраций камеру устанавливают на собственном, отдельном от здания, фундаменте и тщательно заделывают стыки и соединения. В существующих заглушённых камерах уровень внешних шумов доведен до 18...20 дБ.
