Акустические параметры отражают различные стороны колебательного движения в упругой среде, где их измерение затрудняет ряд специфических особенностей:
малая величина абсолютных значений измеряемых величин (акустические давления обычно составляют миллионные доли статического атмосферного давления, на которое они накладываются, а неизбежные звуковые помехи затрудняют точные измерения в слабых акустических полях);
большой диапазон частот;
резонансные особенности звуковых излучателей и приемников и самого помещения, в котором производятся измерения;
сложность акустических полей в помещениях и их изменений при изменении частоты;
искажение акустического поля и явления дифракции вблизи акустических приемников;
сложность и неустойчивость спектра звуков и шумов. Поэтому для акустических измерений высокой точности необходимы как измерительные аппараты и анализаторы, соответствующие предъявляемым требованиям, так и специально оборудованные помещения или специальные установки, обеспечивающие образование акустических полей самых простых конфигураций, например трубы-резонаторы с плоским стационарным волновым полем или бесконечные трубы с плоским беспрерывно распространяющимся волновым полем, камеры с малым объемом и т. д.
Рис. 1. Принципиальная схема устройства для измерения шума.
На рис. 1 представлены важнейшие элементы комплектного оборудования для изучения шума, которое в случае общих измерений уровней может служить просто шумомером. Поэтому в дальнейшем изложении шумомерами будут называться и аппараты для общих измерений и акустические анализаторы, используемые для исследований.
Шумомер — это переносный аппарат, предназначенный для измерения в газовой среде уровня акустического давления, выражаемого в децибелах. Структурная схема шумомера со всеми каскадами приведена на рис. 2, а на рис. 3 показан его общий вид.
Технические характеристики, порядок градуировки и поверки шумомеров регламентированы в публикации МЭК № 123/1961 (рекомендации относительно шумомера). В этой публикации предусмотрены классы точности для рабочих и контрольных приборов.
Рис. 2. Принципиальная схема шумомера.
Общие условия для этих приборов одинаковы. В этой же публикации МЭК № 123 даны частотные характеристики шумомеров. Наличие трех корректированных кривых А, В и С оправдано тем фактом, что линии одинакового звукового ощущения не параллельны и значения, порога слышимости для низких и высоких частот соответствуют повышенным уровням акустического давления.
До последнего времени рекомендовалось использование одной из корректированных кривых в зависимости от уровня шума и расстояния от источника до микрофона, как показано в табл. 2.
Вообще при конструировании прецизионных аппаратов разработчики предусматривают возможность производства также чисто физических измерений без ослабления какого-либо компонента. Такой вид измерений эквивалентен соответствующей линейной кривой во всей полосе частот и обозначается на приборах через «плавно».
Рис. 3. Шумомер фирмы Bruel and Kjaer
Новейшие эксперименты относительно линий одинакового звукового ощущения, принятых и ИCO (Рекомендация 226), показали, что звуки даже очень сильные не вредны для человека до тех пор, пока они низкочастотные. Поэтому для оценки уровня шума принята корректированная кривая Л, которая больше всего учитывает степень физиологического беспокойства. По этим причинам кривая А принята в рекомендации ИСО/ТС43 (секретариат 149), относительно шума машин, так же как и в ряде национальных стандартов. В этом случае не требуется оснащение шумомера корректирующими цепями для других шкал и даже был поднят вопрос о пересмотре рекомендации МЭК № 123 в части характеристик шумомеров. Предлагается только сохранение возможности корректированного измерения по кривой А и возможность чисто физических измерений, т. е. без коррекции. Однако необходимы две кривые при измерении уровней шума, так как только сравнивая два результата, можно определить, имеет ли испытуемый объект низкочастотные компоненты, которые не имеют значения с точки зрения вредности, но могут указать на некоторые конструктивные дефекты.
Электрическая градуировка не представляет трудностей в противоположность акустической градуировке, являющейся очень тонкой работой, которую можно выполнить только в специализированных лабораториях.
Конструкторы предусматривают очень удобные для акустической градуировки устройства, названные пистофонами, которые позволяют проверить степень сохранности градуировки шумомером.
Важнейшим элементом как шумомера, так и анализатора, определяющим качество всего устройства, является микрофон.
Микрофон — это элемент, обеспечивающий преобразование акустической энергии в энергию электрическую.
Публикация МЭК № 123 о шумомерах включает и технические требования, предъявляемые к микрофонам.
Рис. 4. Нормализованные частотные характеристики шумомеров.
Необходимо отметить, что микрофоны для шумомеров должны быть не прямого действия и должны перекрывать диапазон частот от 31,5 до 8 000 Гц.
По значению величины преобразования и ее частоты, а также в зависимости от условий, в которых производятся измерения, используются различные типы микрофонов.
Пьезоэлектрический микрофон обычно используется совместно с шумомером в условиях малых колебаний температуры и влажности. Работа микрофона становится неудовлетворительной, когда его соединяют с шумомером при помощи длинного кабеля. Емкость этого микрофона значительно изменяется с температурой и влияние кабеля становится значительным.
Электродинамический микрофон используется совместно с трансформатором с коэффициентом трансформации 30:1 для того, чтобы поднять выработанное напряжение на нужный уровень. Трансформатор не влияет па характеристику микрофона, если он хорошо экранировки. Этот тип микрофона не рекомендуется для измерения шума электрических машин, так как он чувствителен к магнитным полям рассеяния. Он используется только при измерениях невысокой точности.
Конденсаторный микрофон имеет высокую чувствительность и хорошую частотную характеристику до 10 000 Гц. Эти микрофоны имеют малые размеры и поэтому создают минимальные возмущения акустического тюля при высоких частотах.
Диапазоны по температуре, влажности и длине соединительного кабеля для этого микрофона весьма широки. Используется он предпочтительно при акустических исследованиях в широких частотных диапазонах.
Кроме установления общих характеристик используемых типов микрофонов, необходимо анализировать факторы, имеющие большое влияние на их работу. Это позволяет установить наиболее благоприятные условия работы каждого типа микрофона.
Микрофоны для измерения очень низких уровней акустического давления должны иметь очень малый собственный шум, а выходное напряжение должно быть значительным для того, чтобы превосходить шум усилителя шумомера. Таким требованиям удовлетворяет пьезоэлектрический микрофон, он позволяет измерить уровни акустического давления меньше 24 дБ. Электродинамический микрофон также обладает благоприятными свойствами для измерения звуков низкого давления. Конденсаторный микрофон непригоден для этих целей, так как его собственный шум эквивалентен уровню акустического давления в 40 дБ.
Имеются фирмы, которые производят микрофоны с отношением сигнал/шум намного больше, чем у описанных выше типов, но этот выигрыш гасится значительным ухудшением частотных характеристик. Эти микрофоны используются в специальных случаях.
Для измерения высоких уровней акустического давления пригодны конденсаторные и пьезоэлектрические микрофоны, позволяющие измерять давление больше 1 10 дБ
Измерение параметров звуков низкой частоты до нескольких герц может осуществляться при помощи конденсаторных или пьезоэлектрических микрофонов. Электродинамические микрофоны не могут использоваться для частот меньше 35 Гц, так как ниже этой частоты их характеристики быстро спадают.
Измерения звуков высокой частоты требуют использования микрофонов с возможно меньшими размерами. При высокочастотных измерениях рекомендуется следующий порядок предпочтительности использования микрофонов конденсаторный, электродинамический и пьезоэлектрический.
При измерениях звуков в условиях изменяющейся температуры необходимо учитывать максимально допустимые температуры для нормальной работы микрофонов: 45 °С для пьезоэлектрических, 75 °С для электродинамических и 100 °С для конденсаторных. Обычно микрофоны градуируются для определенной температуры камеры. Если приходится пользоваться ими при других температурах, то необходимо внести коррекцию во избежание изменения чувствительности микрофона.
Измерение звуков во влажных условиях следует производить, избегая длительной работы микрофона. У пьезоэлектрического микрофона влажность со временем приводит к растворению кристалла. Конденсаторный микрофон не боится влажности, но его работа может быть расстроена вследствие утечки тока. Электродинамические микрофоны относительно хорошо переносят влажную среду.
Непосредственное воздействие звука на микрофон становится значительным при частотах более 1 000 Гц, когда длина волны звука в воздухе становится сравнимой с размерами микрофона.
Когда уровень акустического давления измеряют в реверберационной камере в точке, удаленной от источника шума, акустические волны достигают микрофона из многих различных направлений. В этих случаях следует избегать установки микрофона по нормали к жесткой поверхности, от которой звуки высокой частоты могут отражаться перпендикулярно к плоскости диафрагмы микрофона. Если такой установки избежать невозможно, то погрешности измерения могут быть уменьшены путем покрытия отражающей поверхности слоем звукопоглощающего материала.
Вообще при измерениях в реверберационных камерах ось микрофона должна составлять с прямой, соединяющей источник шума с микрофоном, угол в 70°.
Уровень интенсивности в децибелах, измеренный шумомером, не дает спектр частот шума. Корректирующие цепи шумомера позволяют только качественно определить частотный состав шума.
Анализатор частот. Этот аппарат позволяет измерить спектр амплитуд шума, т. е. зависимость акустического давления от частоты.
Выбор типа анализатора определяется количеством информации, необходимой для исследуемой задачи. Чем больше требуется информации, тем выше должна быть избирательная способность прибора.
Узкополосный анализатор может быть использован для любого анализа частот и искажений. В принципе анализатор частот состоит из входного усилителя, ряда корректирующих цепей, избирательного и выходного усилителей.
Избирательность у подобных аппаратов можно сделать узкополосной для определенной частоты, а у некоторых— даже в октавной полосе. Для анализа шумов необходимо использовать шумомер, усиливающий напряжения, генерируемые акустическим датчиком. Результаты анализа можно наблюдать на стрелочном приборе или на экране осциллографа с послесвечением. Приборы такого рода снабжены выходными зажимами для подключения регистраторов анализируемого спектра. Таким прибором является прибор типа LEA (Лаборатория электроакустическая, Париж), который имеет две степени избирательности: одну в 3 Гц для диапазона 10—1 000 Гц и другую в 30 Гц для диапазонов 100—15 000 Гц и 15 000—50000 Гц. У этого прибора в случае автоматического анализа «прохождение» диапазона производится за 15 или 150 с.
Для анализа шумов требуется больше времени и работать при этом необходимо вручную.
Частотный спектрометр — это универсальный прибор для измерений и анализа звуков, электрозвуков и вибраций. Он также может быть использован для измерений и анализа в электронике в диапазоне частот от 35 до 35 000 Гц.
Частотный спектрометр состоит из входного усилителя, системы полосовых фильтров, корректирующих цепей А, В, С и выходного усилителя, управляющего измерительным и регистрирующим приборами.
Ширина полосы фильтров и возбуждение корректирующих цепей являются 1/3-октавными или 1/3 октавными, что позволяет использовать прибор для анализа шумовых сигналов, вибраций, а также и для избирательных измерений. Эти фильтры коммутируются как Вручную, так и автоматически. Автоматический коммутатор фильтров выполнен в виде электромеханического устройства и может управляться дистанционно.
Спектрометр, соединенный с регистрирующим прибором, позволяет автоматически записывать проградуированный в герцах спектр на бумагу стандартных размеров.
Бумага может иметь ширину 100 или 50 мм и 20 скоростей протяжки от 0,0003 до 100 мм/с. Скорость протяжки бумаги и коммутатор фильтров синхронизированы.
Цепи коррекции предназначены для того, чтобы допускать оценки, предусмотренные публикацией МЭК № 123 относительно шумомеров. Когда аппарат установлен на режим «плавно», частотная характеристика линейна в диапазоне 45—20 000 Гц с отклонением ±0,3 дБ, а в диапазоне от 2 до 35 000 Гц с отклонением ±0,5 дБ.
В индикаторном приборе предусмотрены три различные цепи подстройки для индикации пиковых, действующих или средних значений входной величины.
В акустических исследованиях осциллограф используется для изучения форм волн, из которых состоит шум или выходной сигнал шумомера. Осциллограф показывает амплитуду сигнала <в функции времени, т. е. дает развернутое во времени изображение сигнала. Он особенно пригоден для наблюдения кратковременных шумов или удара. Его можно использовать для измерения амплитуд, сдвигов фаз, запаздываний и формы колебаний.
Пистофон — аппарат для акустической градуировки, является генератором синусоидальных колебаний с содержанием гармоник менее 5%, с выходным напряжением 2 В при 400 Гц и выходным сопротивлением в 600 Ом. Этот аппарат выверяет чувствительность шумомера с микрофоном. Он имеет малогабаритный стабилизированный диффузор. Пистофон смонтирован в коробке, в которой может быть размещен микрофон шумомера. Размеры коробки таковы, что акустическая связь между диффузором и микрофоном постоянна
п может быть воспроизведена. Акустический уровень достаточно высок для того, чтобы шумовой фон не затруднял считывание. При градуировках анализаторов и записывающих аппаратов используется один и тот же прибор. Он должен быть так отрегулирован, чтобы для эталонного акустического давления получалось соответствующее отклонение измерительного прибора или перышка записывающего аппарата.
Магнитофон. Магнитофон широко используется как в исследованиях, так и в эксплуатации, позволяет сохранять шумы для последующего анализа или для сопоставления со сравниваемым шумом.
В магнитофоне масштаб времени преобразуется в масштаб длины, и это часто используется при анализе вибрации и шумов низкой частоты. С этой целью сигнал записывается при малой скорости протяжки магнитофонной ленты, после чего для анализатора дается большая скорость, при этом частота повышается пропорционально отношению этих двух скоростей.
Для проведения прецизионного анализа необходимо использовать магнитофон высокого качества, т. е. имеющий насколько возможно наиболее точную частотную характеристику, уменьшенный фоновый шум, малые нелинейные искажения и постоянную скорость протяжки ленты.
Генератор шума является источником высокого уровня давления. Он производит в широком диапазоне электрический шум, который при помощи диффузора может быть преобразован в акустический шум. Такие источники шума используются для измерения передачи шумов, а также при проверке микрофонов и градуировке.
Выходное напряжение генератора шума может быть преобразовано и в электромеханические вибрации. В этих случаях прибор используется для механического анализа.
Используя описанные выше элементы, можно осуществить серию комплектных устройств для изучения и измерения шума и вибраций.
Шумомер, как было показано, может дать информацию об общем уровне шума и, кроме того, некоторые сведения относительно его тональности, если используются корректирующие фильтры А, В и С. Результаты измерений можно наблюдать непосредственно па измерительном приборе или, если используется записывающий
прибор, записать на магнитную или бумажную ленту.. Если выход шумомера ввести в систему фильтров, то можно произвести анализ измеренного шума, как это видно из схемы на рис. 4.
Имеются фирмы, поставляющие комплекты фильтров 1/3- и 18/1-октавные, которые могут соединяться с: шумомером, составляя единое целое (рис. 5).
Рис. 4. Блок-схема анализатора шума.
Рис. 6. Анализатор частоты, автоматически регистрирующий спектры на калиброванной бумаге.
Также имеются фирмы, которые выполняют спектрометр и записывающий прибор в виде одного прибора, у которого коммутация фильтров и скорость подачи бумаги синхронизированы. На рис. 6 показан общий вид такой установки.
Рис. 5. Шумомер с комплектом полосовых октавных фильтров.
Для записи шумов, как и для их последующего анализа, используется серия схем, На рис. 7 и 8 показаны схемы, используемые в акустической лаборатории общества Electricite de FIrance. Описанная аппаратура может иметь множество применений не только в области акустики, но и в электронике.
Рис. 7. Структурная схема устройства для регистрации шума.
Приборы для измерений вибраций так же различны, как и объекты, имеющие вибрации. Поначалу приборы для измерения вибраций были чисто механическими. За последние два десятилетия одновременно с развитием техники электрических измерений неэлектрических величин получили большое развитие электрические приборы для измерения механических вибраций.
Рис. 8. Структурная схема устройства для воспроизведения и анализа шума.
Из множества существующей аппаратуры отмечается современная аппаратура, используемая для измерения вибраций электрических машин. Установленные методы измерения вибраций и конструкция измерительных приборов определились таким образом, что в настоящее время изготовляются только электрические измерительные приборы.
Электрические приборы для измерения вибраций имеют много преимуществ по сравнению с механическими, как-то: большую чувствительность, позволяют произвести точный анализ вибраций, работают в широком диапазоне частот, не оказывают никакого влияния на корпус, вибрации которого определяют, позволяют одновременно определять все три параметра движения (смещение, скорость, ускорение) и т. д.
Приборы для измерения вибраций практически не отличаются от приборов для измерения шумов, за исключением датчика и в некоторых случаях интегродифференцирующих цепочек, позволяющих определить три параметра вибраций.
Большинство фирм, производящих аппаратуру для акустических измерений, предусматривает возможность измерения вибраций путем замены микрофона датчиком вибраций. Анализ вибраций производится теми же анализаторами, которыми пользуются при анализе шума, но при этом предельная частота ниже. Поэтому в последующем изложении будут рассмотрены только некоторые типы датчиков вибраций, используемые в настоящее время.
Среди датчиков, нашедших применение в последнее время, находятся пьезоэлектрические и электродинамические, различающиеся по принципу преобразования механической энергии в электрическую. У электродинамических датчиков генерируемое напряжение пропорционально скорости вибрации, в то время как у пьезоэлектрических датчиков это напряжение пропорционально ускорению. Электродинамические датчики еще называются индукционными, а пьезоэлектрические — акселерометрами.
Самые распространенные акселерометры изготовляются из керамического пьезоэлектрического материала— титаната циркония или бария. Эти материалы обладают сильным пьезоэлектрическим эффектом, высокой электрической постоянной и очень большим механическим сопротивлением. Кроме этих особенностей, акселерометры имеют очень незначительные размеры, а следовательно, и малый вес.
На рис. 9 показаны различные формы и способы крепления акселерометров.
Характеристики этих датчиков не зависят от температуры в интервале от 10 до 100°С, а частотная характеристика линейна в интервале от 5 до 10 000 Гц.
Рис. 9. Виды акселерометров и способы их крепления.
Электрический сигнал, полученный от датчика, подается на усилительные и интегрирующие устройства, при помощи которых можно измерить, кроме ускорения, также скорость и смещение (рис. 10).
Электродинамические датчики (индукционные) могут быть построены в различных вариантах в зависимости от того, подвижна или неподвижна катушка. Индукционные датчики имеют то преимущество, что получаемый от них ток достаточно велик, поэтому можно обходиться без усилителей. При малых скоростях вибраций их использование не рекомендуется.
Рис. 10. Интегратор фирмы Bruel and Kjaer.
а — общий вид; б — электрическая схема.
Если требуется измерить ускорение или смещение, то выходная величина датчика подается на дифференцирующие или интегрирующие контуры.
Виброметр—это устройство, состоящее из датчика, усилителя и интегрирующих и дифференцирующих контуров. Он предназначен для использования в технике виброизмерений. Виброметры измеряют в основном вибрации в диапазоне частот от 10 до 1 000 Гц. Шкала измеряющего прибора проградуирована в децибелах.
Шумомеры, сконструированные в последнее время, используются и как виброметры, для чего микрофон заменяется акселерометром и самописцем очень малых размеров.
Анализаторы вибраций — это те же анализаторы, которые применяются при изучении шума, т. е. октавные и 1/3-октавные анализаторы, узкополосные, с непрерывным спектром. В некоторых случаях производится расширение диапазона в области низких частот, причем достигается иногда частота в 5 Гц, в то время как акустика не охватывает частоты ниже 16—20 Гц. В области высоких частот в анализе вибраций не представляют интереса частоты выше 5 000 Гц.
Рис. 11. Схема устройства ICPE для измерения вибрации. Обозначения элементов устройства соответствуют каталогу фирмы Bruel and Kjaer.
Для анализа низкочастотных вибраций получаемые от датчиков сигналы записываются при малой скорости vh после чего их воспроизводят при большей скорости v<i, что приводит к возрастанию частоты сигнала соответственно отношению v2/vi. Подбирая эти две скорости, можно увеличивать частоту воспроизведения таким образом, чтобы она соответствовала полосовым частотам анализаторов, которыми располагает лаборатория.
При измерении вибраций, так же как и при измерений шума, необходимы самописцы, магнитофоны, осциллографы и т. д.
На рис. 11 представлена схема комплектного устройства для анализа вибраций, использованного в ICPE. Приборы, используемые в схеме, производит фирма Bruel and Kjaer.
