Система дистанционного контроля акустического окружения (шумомер)

Відзив

про роботу над дипломним проектом студента гр. ДЗ-92 ФЕЛ

Булавка Дмитра Ігоровича

на тему «Система дистанційного контролю акустичного оточення»

Людина живе в середовищі, фактор шуму якої грає не останню роль у його житті. Дослідженнями доведено, що під впливом шуму, навіть помірної інтенсивності, погіршується працездатність, особливо для розумової праці. Негативний вплив шуму тим сильніше, чим вище його тональність, тривалість впливу й неоднорідність спектрального складу в результаті імпульсних складових й окремих включень чистого тону. Тривалий вплив сильного шуму з рівнем від 90 дБ і вище може викликати в людини порушення слуху, розлад нервової системи й сприяти захворюванням серцево-судинної системи.

У процесі роботи над дипломним проектом був розроблений прилад, що на відміну від існуючих розробок порівняно невисокої вартості, що здійснюють фільтрацію, корекцію і аналіз аналоговим способом, у ній подібні функції реалізовані цифровим способом, що призводить до значного зниження вартості виробу і зменшення його габаритів. Також великою перевагою розробленого приладу є можливість функціонування у режимі інтелектуального датчика із підключенням до ЕОМ, що робить його універсальнім у користуванні та конкурентноздатним на ринку.

У цілому, вважаю, що даний дипломний проект заслуговує оцінки "добре", а її автор Булавко Дмитро Ігорович заслуговує присвоєння йому кваліфікації спеціаліста за спеціальністю 7.092401 „Телекомунікаційні системи та мережі”.

Керівник дипломного проекту проф. Пілінський В.В.

Рецензія

на дипломний проект студента гр. ДЗ-92 ФЕЛ

Булавка Дмитра Ігоровича

на тему «Система дистанційного контролю акустичного оточення»

Представлений на рецензію дипломний проект студента Булавка Дмитра Ігоровича. на тему «Система дистанційного контролю акустичного оточення» складається з пояснювальної записки 84 сторінок формату А4 та 6 креслень формату А1. та є конструкторською документацією на розроблений прилад, що здійснює спектральний аналіз рівня звукового тиску з частотною корекцією та без неї.

У першому розділі пояснювальної записки наведений аналітичній огляд існуючих аналогів, у другому розділі здійснений вибір оптимальної елементної бази, наведені алгоритми роботи пристрою на опис режимів його роботи. Третій розділ складається з розрахунків джерела живлення, часу роботи від елементу живлення, часу безвідмовної роботи та потужності схеми. У четвертому розділі здійснено розрахунок вартості науково-дослідної роботи, у п’ятому - розрахунок виробничого освітлення у приміщенні.

На кресленнях наведені: принципові схеми пристрою, структурна схема, друкована плата та складальне креслення модулю індикації та загальній вид пристрою.

Викладений матеріал демонструє теоретичні і практичні знання, отримані студентом.

У цілому, вважаю, що даний дипломний заслуговує оцінки „відмінно", а її автор Булавко Дмитро Ігорович заслуговує присвоєння йому кваліфікації спеціаліста за спеціальністю 7.092401 „Телекомунікаційні системи та мережі”.

Головний інженер ПП „Булавка Ігор Анатолійович”

Білоус Олена Анатоліївна

ANNOTATION

The degree project is made out as an explanatory note containing sheets,

tables, illustrations and a graphic part containing 6 sheets of А1 format.

The degree project is devoted to development of the device for acoustic environment measuring. It functions as in autonomous mode as in intellectual sensor mode. what makes it multi-purpose.

Using of a computer allows to make processing of the received information, and its storage with an effective utilization of storage devices.

Development is executed with use of import element base.

AUDIO-NOISE METER, NETWORK, SENSOR, NOISE, ACOUSTIC ENVIRONMENT, FAST FOURIER TRANSFORMATION, DECIBEL.

УДК 621.398.4.

РЕФЕРАТ

Дипломний проект оформлений у вигляді пояснювальної записки, що містить аркушів, таблиць, ілюстрацій і графічної частини - 6 аркушів формату А1.

Дипломний проект присвячений розробці пристрою для вимірювання характеристик акустичного оточення, що може працювати як і у автономному режимі, так і у режимі інтелектуального датчика, що робить його універсальним. Використання комп'ютера дозволяє робити обробку отриманої інформації, а також її зберігання з ефективним використанням запам'ятовувальних пристроїв.

Розробка виконана з використанням імпортної елементної бази.

ШУМОМІР, МЕРЕЖА, ДАТЧИК, ШУМ, АКУСТИЧНЕ СЕРЕДОВИЩЕ, ШВИДКЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ФУР’Є, ДЕЦИБЕЛ.

ЗМІСТ

ПЕРЕЛІК УМOBHИX ПОЗНАЧЕНЬ І СКОРОЧЕНЬ

АЦП – Аналогово-цифровий перетворювач;

ДПФ – Дискретне перетворення Фур’є;

ЕОМ – Електронно-обчислювальна машина;

ДКР – Дослідницько-конструкторська робота;

НДР – Науково-дослідна робота;

ТЕО – Техніко-економічне обґрунтування;

ЦАП – Цифро-аналоговий перетворювач;

ШПФ – Швидке перетворення Фур’є;

SCK – SPI Clock;

SDI – Serial Data-In;

SDO – Serial Data-Out;

SPI – Serial Peripheral Interface;

SS – Slave Select;

ВСТУП

Людина живе в середовищі, фактор шуму якої грає не останню роль у його житті. Дослідженнями доведено, що під впливом шуму, навіть помірної інтенсивності, погіршується працездатність, особливо при розумовій праці. Негативний вплив шуму тим сильніше, чим вище його тональність, тривалість впливу й неоднорідність спектрального складу в результаті імпульсних складових й окремих включень чистого тону.

Тривалий вплив сильного шуму з рівнем від 90 дБ і вище може викликати в людини порушення слуху, розлад нервової системи й сприяти захворюванням серцево-судинної системи. В останні роки з'явився навіть спеціальний термін «шумова хвороба».

Боротьба з усіма видами шумів - виробничими, вуличними, побутовими - представляє одну з найважливіших обов'язків органів санітарної інспекції й служби охорони праці на підприємствах. Виробництва, рівень шуму яких перевищує припустимі норми, віднесені до категорії шкідливих.

Для вимірювання шумових характеристик застосовують спеціальні прилади - шумоміри. Шумомір представляє автономний переносний прилад, що дозволяє вимірювати безпосередньо в децибелах рівні інтенсивності звуку в широких межах щодо стандартних рівнів.

Законом України „Про внесення змін до деяких законодавчих актів України щодо захисту населення від впливу шуму” від 03.06.2004 (5) було значно посилено контроль і відповідальність за порушення вимог законодавчих та інших нормативно-правових актів щодо захисту населення від шкідливого впливу шуму, що потребує розробки портативного універсального пристрою для вимірювання параметрів акустичного шуму, що має невисоку вартість відносно аналогів, що найчастіше являють собою складні дорогі програмно-апаратні комплекси, що відрізняються високою точністю й надійністю.

На підприємствах часто виникає питання щодо можливості контролю акустичного середовища у багатьох приміщеннях з метою оперативного реагування на відхилення від норми, подальшої обробки інформації та її зберігання, що потребує розробки апаратно програмного комплексу обробки інформації, в яких обчислення здійснює спеціалізований пристрій, сумісний з ЕОМ, а вторинну обробку отриманої інформації (накопичення, аналіз) – ЕОМ.

Таким чином метою даної роботи є розробка універсального приладу для контролю акустичного оточення, що може працювати так і в автономному переносному режимі, так і у складі апаратно-програмного комплексу, повинен бути дешевший за аналоги і мати простий інтерфейс користувача з метою можливості швидкого навчання роботи з ним.

1 АНАЛІТИЧНА ЧАСТИНА

1.1 Огляд існуючих аналогів

1.1.1 Аналізатори Bruel & Kjear

На сьогоднішній день існує велика кількість приладів, що служать для вимірювання рівня шуму й проведення його спектрального аналізу. Найчастіше ці прилади являють собою складні дорогі програмно-апаратні комплекси, що відрізняються високою точністю й надійністю.

Очевидним лідером у виробництві приладів, що вимірюють рівень шуму є фірма Bruel & Kjear, прилади якої дуже відомі у світі та відрізняються великою надійністю і вартістю.

Модель 2238 - високоякісний вимірник рівня звукового тиску 1го класу (рис 1.1). Прилад має змогу одночасно вимірювати середньоквадратичні і пікові значення за допомогою двох детекторів з незалежним частотним зважуванням. Прилад випускається з октавним й 1/3-октавним фільтром. 2238 виробляються в декількох модифікаціях - 2238А, 2238B, 2238С, 2238D, 2238E, 2238F, 2238G, 2238H.

Рисунок 1.1 – Аналізатор моделі 2238

Застосування:

• вимірювання рівня шуму навколишнього середовища: скарги, моніторинг, оцінка;

• професійна оцінка шуму;

• вибір засобів захисту органів слуху;

• шумове зменшення;

• загальні вимірювання шуму в класі 1.

Інтегруючий шумомір 1-го класу 2239А є вимірником рівня звуку 1го класу точності (рис 1.2). Він спроектований таким чином, щоб робити швидкі й легкі вимірювання навколишнього шуму й вимірів у приміщеннях, пов'язаних з охороною здоров'я.

Результати вимірів відображаються на великому рідинокристалічному дисплеї, що містить квазіаналоговий рядок, що показує поточний рівень звукового тиску.

Інструмент містить два паралельних незалежні детектори. Це дозволяє відображати одночасно як середньоквадратичні, так і пікові значення.

Рисунок 1.2 - Інтегруючий шумомір 1-го класу 2239А

Використання:

• контроль рівня шуму на робочому місці;

• вимір потужності звуку;

• спостереження за навколишнім шумом;

Застосування:

• вимір рівнів звуку й рівнів звукового тиску.

• визначення еквівалентних рівнів з метою оцінки шкідливих та подразнюючих впливів шуму, для використання з метою охорони праці та санітарного надзору.

• оцінка шуму оточуючого середовища: від залізничних там автомобільних магістралей.

• вимір шумів, що створюються машинним устаткуванням.

Особливості:

• зручне і просте калібрування

• наглядність відображення вимірюваних параметрів.

• два детектора, що працюють паралельно, з можливістю одночасного вимірювання середньоквадратичних та пікових значень.

• рідинокристалічний екран с підсвіткою

• вбудована пам’ять для зберігання 40 протоколів вимірювань.

Діапазони:

• динамічний діапазон: 80 дБ;

• діапазон вимірів: від 26 дБ до 140 дБ.

Екран:

• 4-х рядковий рідинокристалічний;

• швидкість відновлення даних на екрані: один раз у секунду;

• підсвічування;

• відображення вхідного рівня сигналу квазіаналоговим індикатором, що обновлюється 15 разів у секунду;

• індикація часу початку виміру;

• відображення частотних корекцій.

Послідовний інтерфейс:

• швидкість обміну в бодах: 9600.

Вага й габарити:

• 460 г (з батареями);

• 257 х 97 х 41 мм.

1.1.2 Прецизійний шумомір й аналізатор спектру ОКТАВА 101А

Новий російський шумомір аналізатор спектра ОКТАВА-101А (рис. 1.3) відповідає всім сучасним вимогам до приладів даного типу й ні в чому не уступає закордонним аналогам. Прилад має два режими вимірів: „звук” й „інфразвук”. У режимі „звук” ОКТАВА-101А одночасно виконує функцію двох приладів: інтегруючого шумоміра 1 класу (МЭК 60651/60804) і аналізатора спектрів 1 класу (МЭК 1260).

Рисунок 1.3 - Прецизійний шумомір й аналізатор спектру ОКТАВА 101А

Одночасно в реальному часі виміряються загальні (Лін) і кореговані (А,С) рівні звуку й рівні звукового тиску в октавний й 1/3-октавних смугах частот 25 Гц - 16 кГц.

У режимі „інфразвук” прилад дозволяє в реальному часі одночасно бачити на екрані октавний й 1/3 октавний спектр 1,6 Гц - 20 Гц.

Результати вимірів можна зберегти в енергонезалежній пам'яті, а згодом видати знову на рідинокристалічний графічний індикатор або передати в комп'ютер по інтерфейсу RS-232.

Живлення приладу здійснюється від убудованої акумуляторної батареї або від мережного блоку живлення.

Для спеціальних додатків, що вимагають проведення вимірів вібрації, прилад ОКТАВА-101А може бути доукомплектований датчиком зі спеціальним перехідником.

1.1.3 Вимірник шуму й вібрації ВШВ-003-М3

Прилад ВШВ-003 М3 з 1/3 октавними фільтрами є малогабаритним, портативним вимірювальним приладом і призначений для виміру й аналізу шуму й вібрації в житлових і виробничих приміщеннях і використовується для визначення характеристик джерел і характеристик шуму й вібрації в місцях знаходження людей, при дослідженнях і випробуваннях машин і механізмів, при розробці й контролі якості виробів (рис 1.4).

Рисунок 1.4 – Вимірник ВШВ-003 М3

Прилад ВШВ-003 М3 має убудовані фільтри із частотними характеристиками А, В, С, а також смугові фільтри: октавні й третинооктавні, що дозволяють проводити класифікацію, вимір і визначення нормованих параметрів і характеристик шуму й вібрації відповідно до вимог санітарних норм і стандартів безпеки праці.

Прилад ВШВ-003 М3 поставляється в зручній для переносу сумці. Укомплектований п'єзоелектричними вимірювальними перетворювачами ДН-3-М1 і ДН-4- М1, що мають коефіцієнт перетворення відповідно 10 мВ см²/м й 1 мВ см²/м, конденсатором мікрофонним капсулем М-101, що має чутливість 50 мВ/Па, предпідсилювачем ВПМ-101, еквівалентами перетворювача й капсуля мікрофонного.

1.1.4 Апаратура акустичного контролю VTS

Апаратура призначена для аудіоконтролю й аудіоохорони приміщень. Можлива побудова системи охорони об'єкта із застосуванням автоматичного запису акустичної обстановки того або іншого приміщення, у якому спрацював датчик охорони. Система аудіоконтролю приміщень складається з набору високочутливих мікрофонів "МК-1" (рис. 1.5) , "МК-2", "МК-3" і пульта оператора (рис 1.6).

Рисунок 1.5 – Мікрофон МК-1

До пульту оператора входять:

• плата комутації віддалених мікрофонів з індикацією обраного каналу;

• мікрофонний попередній підсилювач і низькочастотний підсилювач потужності;

• акустичні колонки;

• схема узгодження з навушниками й входом магнітофона;

• блок живлення 220 В АС.

Рисунок 1.6 - Пульт оператора

Комплектація апаратур, у загальному випадку, здійснюється високочутливими мікрофонами "МК-1" або "МК-3", а для приміщень із низькочастотними шумами система аудіоконтроля комплектується мікрофонами "МК-2". Віддалені мікрофони з'єднуються з пультом контролю по трьохпровідній лінії зв'язку.

1.2 Основні параметри шуму

Механічні коливання з частотою від 20 Гц до 20 кГц, що виникають у пружному середовищі, називають звуком. Чіткої різниці між поняттями «звук» та «шум» немає. Зву­ками, як правило, називають регулярні періодичні коли­вання, а шумом — неперіодичні коливальні процеси. При проведенні робіт щодо забезпечення нормальних умов жит­тя людини шумом вважають будь-який небажаний звук незалежно від його характеру та природи виникнення. У цій книзі розглядається в основному промисловий шум, що виникає внаслідок роботи механізмів та устаткування.

Найбільш важливими параметрами шуму є звуковий тиск, інтенсивність звука та звукова потужність. У інже­нерній практиці ці величини виражають у логарифмічних одиницях, що пояснюється двома причинами:

• реакція вуха людини на різну гучність має логарифмічний харак­тер;

• діапазон зміни цих параметрів надзвичайно широ­кий. Розглянемо зазначені параметри докладне

Звуковий тиск — це різниця між миттєвим значенням повного тиску і статичним тиском у даній точці. Він харак­теризує зміну густини середовища в напрямі поширення коливань. Кількісною оцінкою звукового тиску є середньо-квадратичне значення

, (1.1)

де Т — час вимірювання; р(t) — миттєве значення звукового тиску.

Значення р вимірюють на певній відстані від джерела шуму в заданій смузі частот. Рівень звукового тиску L, дБ, визначають відносно порогового середньоквадратичного значення звукового тиску р₀ = 2 • 10^-5 Па за формулою

. (1.2)

Звуковою потужністюназивають потужність звука, який випромінюється джерелом в усіх напрямах простору, що оточує джерело. У цьому розумінні це інтегральна ха­рактеристика шуму, який створюється джерелом. Зазначи­мо, що джерело звука випромінює звукову потужність, а звуковий тиск є наслідком цього випромінювання. Слух лю­дини сприймає звуковий тиск, а причиною цього сприйман­ня є звукова потужність джерела. Рівень звукової потуж­ності L_P, дБ, визначають відносно порогової потужності Р = 10^-12 Вт за формулою

(1.3)

Звукова потужність є мірою швидкості випромінювання звукової енергії, тобто звуковою енергією, що віднесена до одиниці часу.

Інтенсивність звука характеризує швидкість потоку зву­кової енергії в певній точці звукового поля. Рівень інтенсивності звука L_I,дБ, визначають відносно порогового значення I₀ = 10^-12 Вт/м² за формулою

. ^(1.4)

Зазначимо, що I₀ = р₀²/ρс, де ρс — хвильовий опір повітря, який дорівнює 416 кг/(м²с).

Звуковий тиск та інтенсивність звука є точковими харак­теристиками звукового поля. Вони залежать від розташу­вання точки вимірювання та умов поширення звукових хвиль. Звукова потужність не залежить від зазначених факторів, тому є унікальною мірою шумності даного джерела шуму.

1.3 Основні типи звукових полів у практиці вимірювань шуму

Звуковим полемназивають простір, в якому поширюють­ся звукові хвилі. У практиці вимірювань шуму звукові по­ля класифікують за наявністю відбивних перешкод (вільні й дифузні) та за відстанню від джерела звука (дальні та ближні).

Для вільного звукового поляхарактерне поширення зву­кових хвиль без відбивання. Ідеальні умови вільного поля можна створити на відкритому повітрі в місцях, що відда­лені від об'єктів з великими відбивними поверхнями. На місці вимірювання не повинно бути сторонніх шумів. Од­нак можливість вимірювання шуму на відкритому повітрі залежить від метеорологічних умов і часу доби.

Умови вільного поля можна створити штучно в так званих заглушених камерах, де відбивання звукових хвиль від стін і стелі істотно послаблюються спеціальним облицю­ванням цих поверхонь звукопоглинальними матеріалами. Здебільшого для цього придатні звичайні приміщення до­статньо великого об'єму.

Для дифузного звукового поля, навпаки, характерні багаторазові відбивання звукових хвиль, внаслідок чого ці хвилі поширюються в усіх напрямах з ідентичною амплітудою. Середня густина енергії звука однакова по всьому полю. Апроксимацією дифузного поля є акустичне поле в ревербераційному приміщенні.

Показниками якості ревербераційного приміщення є час реверберації та нерівномірність звукового тиску в усіх

точках внутрішнього простору (за винятком точок, близь­ких до відбивних поверхонь). Ревербераційна камера тим краща, чим більший час реверберації і чим більша рівномір­ність у ній звукового поля по всьому робочому діапазону частот.

Дальнімназивають звукове поле в достатньо віддаленій від джерела зоні простору, де напрям швидкості поширен­ня частинок збігається з напрямом поширення звукової енергії, а інтенсивність звука пропорційна квадрату зву­кового тиску. Залежно від задачі вимірювання в акустиці застосовують різні кількісні критерії дальнього поля, наприклад співвідношення kr > 1 (k — хвильове число). У практиці вимірювань шуму машин вважають, що умо­ви дальнього поля виконуються на відстані від джерела, яка більша, ніж довжина хвилі, або в 2...З рази перевищує найбільший лінійний розмір джерела. Звукову хвилю в дальньому полі можна розглядати як плоску чи сферичну. Поширення звука у вільному дальньому полі відповідає закону зворотних радіусів: р ~ 1/r, І ~ 1/r².

Ближнє звукове поле— це сусідня до джерела звука зо­на, в якій напрям коливань не обов'язково збігається з на­прямом поширення звукової енергії. У цьому полі звуко­вий тиск не може характеризувати звукову потужність дже­рела, оскільки реактивна складова ближнього поля, що враховується в процесі вимірювання тиску, не пов'язана з випромінюванням потужності. Проте слід зазначити, що реактивна складова ближнього звукового поля не впливає на результати вимірювання інтенсивності звука, оскільки остання пов'язана з потоком звукової енергії і тому реагує тільки на активну складову поля.

Придатність приміщення для вимірювання шуму в умо­вах вільного дальнього поля перевіряють експерименталь­но. При цьому ставляться такі вимоги:

• сторонній шум (перешкода), що проникає в приміщення, повинен бути слабкіший за сумарний шум агрегату та перешкоди не менше ніж на 10 дБ як за загальним рівнем, так і за рівнем окремих складових спектра в робочому діапазоні частот; у противному разі треба зробити поправку;

• спад рівня звукового тиску в дальньому полі джерела звука при подвоєнні відстані від джерела до точки вимірювання має становити не менше ніж 6 дБ;

• у приміщенні не повинно бути помітних стоячих хвиль, принаймні в місцях розміщення мікрофонів.

1.4 Датчики шуму

Мікрофони - це електроакустичні перетворювачі, що перетворюють звукові коливання на електричні. Залежно від конструкції розрізняють мікрофони тиску, а яких звуковий тиск впливає на діафрагму тільки з одного зовнішньо­го боку, та мікрофони градієнта тиску, в яких звуковий тиск впливає на два боки діафрагми, але з певним зсувом по фазі. У першому випадку зусилля на діафрагму визначається звуковим тиском, що діє на неї, а в другому — різницею тисків з обох боків діафрагми з урахуванням різниці фаз коливань.

Мікрофони повинні бути по можливості малих порівняно з довжиною хвилі звука розмірів, щоб не впливати на вимірюване звукове поле. Невеликі мікрофони можна використовувати в широкому діапазоні частот. Пере­вага невеликих мікрофонів полягає ще й у тому, що їхня характеристика напрямленості більш рівномірна. Тому при вимірюванні в тому разі, коли напрям поширення звука не зовсім збігається з віссю напрямленості мікрофона, виникає менше помилок. Проте внаслідок відносно невеликої чутливості цих мікрофонів застосовування їх при малих значеннях вимірюваних величин обмежене.

Залежно від характеру звукового поля розрізняють кілька показників чутливості мікрофона. У вільному полі напругу, що створюється мікрофоном, відносять до зву­кового тиску вільної плоскої біжучої хвилі, що рухається до центра мікрофона в напрямі його осі. Чутливість у дифузному полі становить відношення вихідної напруги до звукового тиску в цьому полі. Для визначення чутливості за тиском напругу на виході мікрофона відносять до зву­кового тиску, який фактично створюється перед мембраною мікрофона.

Для вимірювань використовують здебільшого конденсаторні мікрофони в основному внаслідок їхньої порівняно рівномірної частотної характеристики. Крім того, конден­саторні мікрофони стійкі до зміни температурного ре­жиму, відрізняються високою стабільністю характеристик у часі й мають рівномірну діаграму напрямленості.

Останнім часом для вимірювань застосовують п'єзоелектричні мікрофони з термостійких матеріалів з достатньо великим п’єзоелектричним ефектом. У них використо­вується властивість п’єзоелектричних матеріалів створюва­ти при механічній деформації напругу між електродами, які прикладені до пластин з цих матеріалів. У вимірювальних пристроях високого класу п’єзомікрофони застосовуються нечасто. Це пояснюється в основному низькою тем­пературною стабільністю і дуже високим внутрішнім опо­ром ємнісного типу. Останнє ускладнює підключення їх за допомогою довгих ліній, а також на навантаження з не великим опором. До переваг п’єзомікрофонів належать простота конструкції, невеликі розміри, висока чутливість.

Електродинамічні мікрофони майже завжди використо­вуються для порівняльних вимірювань. Вони мають дуже низький рівень власних перешкод, тому придатні для вимірювань слабких шумів.

При застосуванні мікрофонів треба враховувати низку факторів. Зокрема зазначимо, що чим більша частота вимірювання, тим меншим має бути розмір мікрофона. Щоб не перекручувати звукове поле, мікрофонні приймачі, з'єднувальні кабелі повинні мати невеликі розміри віднос­но довжини звукової хвилі, а відстань між мікрофоном та оператором, який обслуговує апаратуру, повинна станови­ти не менше ніж 1 м. Крім того, слід звести до мінімуму наведені електричні та магнітні поля, особливо помітні при застосуванні довгих кабелів.

1.5 Основні методи і засоби обробки акустичних сигналів

Сигнали шуму та вібрації тут здебільшого вважаються випадковими процесами. Це обумовлено необхідністю врахування фактора випадковості при формуванні їх унаслідок нестабільності умов збудження, неможливості абсолютного повторення режимів роботи тощо. Крім того, акустичні сигнали вважаються стаціонарними процесами, що забезпечується сталістю процесу збудження коливань. Фізично виправдане для розглядуваних процесів також припущення про їхню ергодичність. Отже, акустичні сигнали в цій книзі вважаються стаціонарними ергодичними випадковими процесами (якщо немає додаткових уточнень). Це дає змогу застосувати для аналізу їх достатньо розроблену спектрально-кореляційну теорію.

Основним сучасним методом обробки сигналів шуму та вібрації є спектральний аналіз. Цей метод застосовують для оцінки основних спектральних характеристик сигналів шуму та вібрації — спектральних густин потужності, а також характеристик взаємозв'язку сигналів (взаємних спектрів, функцій когерентності та кореляції). Крім того, на підставі цих характеристик обчислюють частотні характеристики шляхів поширення коливань.

Сучасний спектральний аналіз шумових і вібраційних сигналів поділяється на аналіз з постійною смугою частот (Δf = const) і з постійною відносною смугою (Δf_о/f_о = const); остання, як правило, октавна чи третинооктавна. Тут Δf — ширина смуги аналізу (для ШПФ Δf часто називають також кроком за частотою), f_о — центральна частота смуги. Вид аналізу та параметри відповідної апаратури вибирають залежно від задачі аналізу.

Якщо мета досліджень — визначення окремих дискретних складових, то слід вибирати вузькосмуговий аналіз з постійною смугою пропускання. Проте ця смуга не повинна бути занадто вузькою, оскільки під час роботи будь-якого джерела шуму та вібрації спектральні складові неминуче флуктують з плином часу за частотою. Смуга аналізу має охоплювати ці флуктуації; у противному разі результати спотворюватимуться.

При боротьбі з шумом та вібрацією методами звукоізоляції чи поглинання часто достатньо виявити інтенсивні частотні ділянки або зони цих процесів. У цьому разі більш доцільний аналіз з постійною відносною смугою пропускання. У будівництві застосовують здебільшого октавний аналіз, у машинобудуванні — третинооктавний.

На практиці часто вважають, що ширина смуги аналізу має бути приблизно (в крайньому разі) в 4 рази вужча за загальний частотний діапазон, який аналізується. Апаратура для спектрального аналізу промислового шуму та вібрації здебільшого не є специфічною тільки для аналізу механічних коливань, оскільки по суті аналізуються електричні коливання, що надходять від електроакустичного перетворювача.

Зараз спектральний аналіз здійснюють або смуговою фільтрацією сигналів, або на підставі ШПФ. Останнім часом для спектрального аналізу (зокрема обчислення дискретного перетворення Фур'є) дедалі більше використовують алгоритм ШПФ, особливо з появою швидкодіючих процесорів ШПФ. Головна перевага цього способу — можливість дістати порівняно вузькосмугові спектри, тобто можливість спектрального аналізу з високим розділенням за частотою.

В апаратному забезпеченні обробки віброакустичних сигналів формуються та розвиваються такі тенденції:

• цифрове представлення віброакустичної інформації;

• розробка спеціалізованих обчислювальних пристроїв на базі мікропроцесорів, що працюють за жорсткими алгоритмами. Переваги таких пристроїв — швидкодія, мобільність; недолік — низький ступінь універсальності;

• розробка програмних комплексів, в яких процес обробки інформації здійснюється програмно ЕОМ, найчастіше персонального типу. При цьому сигнали вводяться безпосередньо в запам'ятовуючий пристрій ЕОМ у цифровій формі. Перевагами таких комплексів є високий ступінь універсальності, порівняно великий обсяг пам'яті, можливість порівняно просто збільшувати кількість каналів одночасного введення сигналів; недолік — порівняно невисока швидкодія. Отже, такі комплекси доцільно застосовувати в метою дослідження;

• розробка програмно-апаратних комплексів обробки інформації, в яких обчислення спеціальної функції (наприклад, спектральної густини) здійснює спеціалізований пристрій, сумісний з ЕОМ, а вторинну обробку добутих функцій (накопичення, аналіз) — ЕОМ. Такий варіант, незважаючи на порівняно високу вартість, має менше недоліків двох перших і тому розвивається найбільш інтенсивно.

1.6 Застосування частотної корекції

Найпростішою фізичною мірою шуму є вимір його повного рівня звукового тиску. З іншого боку, такий вимір не дає ніякої інформації ні про розподіл частот шуму, ні про його сприйняття людиною, тобто практично таке вимірювання буде не ефективним. Однак за допомогою простих засобів вимірювальну апаратуру можна забезпечити деякими характеристиками, що дозволяють зробити результати вимірів набагато ефективніше. Застосовується набір частотних коригувальних фільтрів, характеристики яких індексовані літерами А, В, С. Характеристика з індексом С мало залежить від частоти в значній частині звукових частот, у той час як характеристика з індексом А перебуває в сильній залежності від частот нижче 1000 Гц. Порівнюючи частотну характеристику А с кривими рівня рівної гучності для чистих тонів можна виявити деяку подібність між останніми й оберненою А характеристикою. Навіть незважаючи на те, що процес сприйняття звуків людиною набагато складніше апроксимації за допомогою частотної корекції, як це представлено кривою А, в багатьох випадках інформація може бути отримана в результаті вимірів за допомогою апаратури за характеристикою А. Останній довід також підтверджується тим, що існуючі національні й міжнародні стандарти, що регламентуюсь вимірюванні та оцінці рівня шуму головним чином рекомендують застосування коригувальної характеристики А.

Рисунок 1.8 - Коригувальні характеристики А, В, С, D

Для того, щоб розрізняти фізичні вимірювання рівнів звукового тиску в децибелах (дБ) (без частотної корекції) від суб'єктивного виміру рівнів гучності у фонах і вимірів, зроблених за допомогою однієї з уведених стандартних частотних характеристик А, В, С (або D), прийнята міжнародна угода про те, що результати останнього виду вимірів повинні бути виражені у вигляді рівнів звуку з використанням шкали децибел із вказівкою виду частотної коригувальної характеристики А, В, або С (або D). Якщо, наприклад, шум вимірюється з використанням корекції А, то результат повинен бути представлений у вигляді дБ(А). Аналог