Измерения звука и шума с помощью микрофонов

Что такое звук?

Звук — это изменение давления, воспринимаемое ухом человека. Звуковые волны проходят через воздух, воду и даже твердые тела. Повседневные примеры звука — музыка, речь, гудение двигателя и пение птиц. Из-за способа образования звука его называют звуковым давлением.

Звук не распространяется без среды: он проходит через сжимаемую среду (например, воздух или воду) в виде продольных волн. Через твердые тела звук проходит в виде поперечных волн. Звуковые волны возникают в источнике звука (вибрирующей мембране или динамике). Источник звука создаёт вибрации в окружающей среде. По мере возникновения вибрации в среде она отдаляется от источника со скоростью звука и образует звуковую волну.

Уровень звукового давления (SPL) — это логарифмическая мера среднеквадратичного звукового давления или звука относительно опорного значения, которая измеряется в децибелах (дБ) выше стандартного опорного уровня. Стандартное опорное звуковое давление в воздухе и других газах равняется 20 мкПа. Считается, что это пороговое значение звука, воспринимаемого ухом человека (на частоте 1 кГц). Ниже представлено уравнение для вычисления уровня звукового давления (Lp) в децибел [дБ] из звукового давления (P) в паскаль [Па].

Где:

где Pref — опорное звуковое давление, а Prms — СКЗ измеряемого звукового давления.

Что такое шум?

Крайне важно измерять и анализировать не только «чистые» звуки, но и шумы, то есть «нежелательные звуки». Как и весь звук, шум измеряется в паскалях, однако чаще всего его переводят в децибелы из практических соображений.

В контексте измерений звука и шума распространена аббревиатура NVH (Noise, Vibration, Harshness), которая означает «шум, вибрацию, жёсткость». Такой метод испытания (NVH) подразумевает измерение нежелательных звуков с множества различных источников с целью сокращения или устранения таких звуков. Шум издают практически все машины: автомобили, воздуходувки, фены, миксеры и многие другие. 

Измерения звука и шума нужны, чтобы проектировать машины, которые издают меньше шума или не издают его вовсе. При этом некоторые звуки не просто надоедают и раздражают — они могут вредить здоровью, в связи с чем их необходимо сокращать или устранять. Первым этапом этого процесса становятся точные измерения.

Как измеряется звук?

Основным датчиком для измерения звука является микрофон. Микрофоны применяются для измерения волн звукового давления на различных частотах, в том числе в полном диапазоне человеческого слуха и за его пределами. Большинство микрофонов предназначены для измерения звука, проходящего через воздух, однако существуют и другие типы: например, гидрофоны, которые применяются для измерения звука под водой, и сейсмические приборы, которые применяются для измерения звука в земле.

Что такое звуковое давление?

Звуковое давление измеряется в паскалях (Па). Оно отражает, как звук воспринимается его «приёмником», например ухом человека. Особенности восприятия того или иного звука зависят от множества переменных, например отражающей способности помещения, его размера (при его наличии), расстояния от источника и многих других. 

Подробнее:

Измерение уровня звука

Что такое акустическая мощность?

Акустическая мощность измеряется в ваттах (Вт). Звуковой мощности соответствует звуковая энергия, создаваемая источником. Мощность не связана с восприятием звука. 

Производители практически всех видов оборудования обязаны измерять и обозначать его акустическую мощность в соответствии с различными директивами, например Директивой 2006/42/ЕС о безопасности машин и оборудования. К такому оборудованию относится очень много: от игрушек до принтеров, промышленных инструментов и строительного оборудования. Также измерения акустической мощности проводятся при решении проектировочных задач, например в звуковом дизайне.

Акустическая мощность описана в следующих стандартах:

• ISO 3741

• ISO 3743-1

• ISO 3743-2

• ISO 3744

• ISO 3745

• ISO 639-3

• ISO 639-4

• ISO 639-5

• ISO 639-6

Подытожим: звуковое давление — то, как слушатель воспринимает тот или иной звук в той или иной акустической среде, а акустическая мощность — энергия звука, которая не зависит от среды или особенностей восприятия звука. Эти понятия сильно отличаются друг от друга и не являются взаимозаменяемыми.

Говоря кратко: акустическая мощность — это причина, а звуковое давление — это воспринимаемый нами эффект. 

Подробнее:

Измерение звуковой мощности

Измерение уровня звуковой мощности ноутбукаУзнайте, как выполнить измерение уровня звуковой мощности в соответствии со стандартом ISO 3744 с помощью решения Dewesoft Sound Power в полубезэховой камере.

Что такое интенсивность звука?

Интенсивность звука отличается от звукового давления. Интенсивность звука — это мощность, переносимая звуковыми волнами по определенной области перпендикулярно ей. Интенсивность звука вычисляется путём умножения звукового давления (Pa) на скорость частиц (v).

где Pa — звуковое давление в Паскалях, а v — скорость частицы в м/с.

Измерения интенсивности звука очень важны: фактически, они позволяют узнать усреднённый по времени поток энергии на единицу площади. В отличие от акустической мощности, измерить которую, как правило, можно только в особой среде (например, звукоизолирующей камере), измерить интенсивности звука можно где угодно.

Подробнее:

Измерение интенсивности звука

Что такое уровень звукового воздействия?

Уровень звукового воздействия (SEL) — это измерение уровня воспринятого звука и продолжительности такого воздействия. Продолжительность играет ключевую роль, поскольку люди могут выдерживать определенные частицы и амплитуды лишь непродолжительное время: более длительное воздействие приводит к повреждению органов слуха или потере слуха. Звуки от 90 дБ и выше считаются вредными для людей.

SEL — интеграл (зависимость от времени) звукового давления в квадрате. Уровень звукового давления вычисляется по следующей формуле:

(паскаль в квадрате на секунду)

Что такое уровень звука?

Уровень звука — общий термин, который может включать один или несколько следующих параметров звука:

• уровень звукового давления;

• уровень интенсивности звука;

• уровень акустической мощности;

• уровень звукового воздействия.

Как правило, для измерения уровня звука используют шумомер. Более подробное описание перечисленных параметров представлено в соответствующих разделах.

Что такое качество звука?

Измерения качества звука проводятся для точной оценки восприятия звука машин ухом человека. На основе таких измерений специалисты могут улучшить и оптимизировать звук машин, чтобы выпускаемая продукция звучала более «приятно» для пользователя и окружающих.

И хотя восприятие звука субъективно, мы можем провести объективные измерения звука и применить к ним различные метрики качества звука. В их числе:

Испытания качества звука важны для компаний, которым требуется оценить и оптимизировать звук, издаваемый их продукцией. Цель — сделать звук оборудования более приятным для пользователей путем его регулирования. Такие испытания проводятся в следующих сферах:

• шумы, вибрации, стуки автомобилей, проектирование автомобилей и их компонентов;

• аудиоустройства: динамики, микрофоны, усилители, наушники, музыкальные инструменты;

• домашние и садовые приборы: газонокосилки, посудомоечные машины, холодильники, компьютеры, ОВКВ.

Также их проводят в научно-исследовательских отделах для решения следующих задач:

• эталонных испытаний и оптимизации;

• определения целевых значений;

• моделирования и симуляции;

• прогнозирования;

• реактивного проектирования;

• испытаний и устранения неисправностей;

• оценки качества изделий.

Подробнее:

Измерение качества звука

Как измерить звуковую частоту?

Один из ключевых и наиболее эффективных способов измерения звуковых частот — быстрое преобразование Фурье (БПФ). БПФ — это набор алгоритмов для преобразования данных временной области в данные частотной области. Как правило, системы сбора данных записывают данные звука и шума, после чего ПО преобразует временную область в частотную. Преобразовать данные можно как в реальном времени, так и на этапе постобработки.

С помощью БПФ-анализа можно изучить различные характеристики каналов, при этом анализ в частотной области даёт гораздо более подробные сведения о них, чем анализ во временной области. В частотной области характеристики сигнала определяются независимыми частотными составляющими, а во временной области — одной формой сигнала, которая сочетает в себе все характеристики сразу.

На стандартном графике временной области вертикальная ось является амплитудой сигнала, а горизонтальная ось — временем. На таком графике видно, как амплитуда сигнала меняется с течением времени.

Графики временной области имеют тысячи применений, однако по ним нельзя проанализировать отдельные частоты комплексных сигналов. С помощью БПФ мы преобразовываем сигнал так, чтобы на вертикальной оси отражалась величина, а на горизонтальной — частота, а не время. Таким образом, мы получаем возможность работать с частотной областью.

На представленном ниже графике БПФ видно, что ось частоты масштабирована от 0 Гц до 10 кГц слева направо. На частоте 1200 Гц можно увидеть резкий скачок величины, а на частоте — 3750 Гц меньший скачок. 

Стандартный график БПФ — широко распространенный инструмент измерения частоты. В большинстве систем сбора данных для измерений звука одну или обе оси можно масштабировать линейно (см. пример ниже) или логарифмически: в зависимости от типа измерения, тот или иной способ помогает получить важные сведения.

На стандартном графике БПФ не учитывается время, в связи с чем данные на нём отображаются только за конкретный момент времени. Что это за момент, и как долго он длится? По сути, БПФ-анализ подразумевает наличие временного среза (x проб при частоте дискретизации y), вычисление и отображение результатов. Такой срез называется временным промежутком: его, наряду с другими параметрами, регулирует инженер или оператор анализатора.

Многие системы сбора данных (в том числе системы Dewesoft) оснащены встроенными эффективными инструментами БПФ-анализа. С помощью курсоров (в том числе гармонических) на графике можно выбрать пики и скачки и ознакомиться с точными значениями в них. Также можно отобразить математические каналы: в них значения пиков отображаются автоматически.

Кроме того, на график БПФ можно добавить третью ось — ось времени. На полученном 3D-графике, который называют каскадным, отображаются частота, величина и время. При этом для удобства восприятия они обозначены цветом.

В БПФ-анализе учитывается множество различных аспектов, и в данной статье будут рассмотрены лишь некоторые из них. Среди них — спектральное разрешение, масштабирование по амплитуде, окна взвешивания по времени, усреднение, перекрытие и другие. Более подробные сведения о частотном БПФ-анализе представлены в следующих ресурсах:

Подробнее:

БПФ-анализатор

Что такое микрофон?

Все знают, что микрофоны используют для культурно-развлекательных мероприятий и публичных речей, однако помимо этого все микрофоны являются полноценными датчиками, которые широко применяются для научных и промышленных измерений. Говоря просто, микрофон — это датчик или преобразователь, которые преобразовывает звук (акустическую энергию) в электрическую энергию, которую можно усилить, оцифровать, отобразить, записать и т.д.

Как и в случае с другими датчиками, микрофоны для измерения звука и шума делятся на различные типы. Разнообразие обусловлено широким набором применений и условий измерения. Они будут рассмотрены в данной статье. В ответ на спрос специалистов по измерению звука производители микрофонов создали широкий ряд различных микрофонов.

Микрофоны для научных и промышленных измерений звука называют микрофонными датчиками или микрофонными преобразователями.

Принцип работы микрофонов

Микрофон — это преобразователь звуковой энергии в электрическую. Различные типы микрофонов работают по различному принципу. Необходимо начать с классических динамических микрофонов, изобретённых более 100 лет назад.

1. Выполненные из тонкого материала (например, пластика) мембраны резонируют при поступлении волн звукового давления.

2. Закрепленная на мембране катушка движется назад и вперед

3. Постоянный магнит создает магнитное поле, которое вызывает напряжение катушки

4. Ток — это «аналоговая форма» звука. Вытекающий из катушки ток можно усилить, оцифровать, записать, отобразить, проанализировать и т.д.

Описанный выше тип микрофонного преобразователя называют динамическим микрофоном. При изменении направления преобразователя путем ввода электрического сигнала на выход катушка бы сдвинулась и привела в действие мембрану. Мембрана гораздо большего размера привела бы в движение воздух и издала звук. Поздравляем, у вас получился динамик, то есть направленный в обратную сторону микрофон!

Какие технологии микрофонов являются наиболее важными?

К трём основным типам микрофонов относятся:

• Динамические микрофоны. Такие микрофоны основаны на магнитной индукции; соединенная с мембраной и обмотанная вокруг постоянного магнита катушка преобразовывает звуковое давление в электрический сигнал. Одним из видов таких микрофонов являются ленточные микрофоны: в них в качестве мембраны и преобразователя используется тонкая металлическая лента. Наиболее широко динамические микрофоны применяются для записи музыки, развлекательных мероприятий, трансляций, а также публичных выступлений.

• Конденсаторные микрофоны. Такие микрофоны основаны на электрической ёмкости. За мембраной закреплена обкладка конденсатора; мембрана выводит электрический заряд при поступлении на неё волн звукового давления. Такие микрофоны применяются для промышленного и научного измерения звука.

• Пьезоэлектрические микрофоны. Такие микрофоны тоже основаны на электрической ёмкости, однако вместо обкладки конденсатора в них используется кристаллический материал. Такие микрофоны применяются для промышленного и научного измерения звука.

В данной статье мы сосредоточимся на конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонах.

Конденсаторные микрофоны

Чаще всего для измерения звука применяют конденсаторные микрофоны. В их основе — тонкая металлическая мембрана с металлической обкладкой. При воздействии на них звукового давления меняется электрическая ёмкость между мембраной и обкладкой. Такое изменение выводится в качестве сигнала переменного тока, который можно усилить, измерить, оцифровать и проанализировать.

Для создания заряда мембраны и обкладки на конденсаторный микрофон должна поступать энергия. В зависимости от типа микрофона, подать её можно двумя способами:

• Микрофонам с внешней поляризацией требуется сигнал 200 В, поступающий с внешнего источника питания микрофона. Как правило, для соединения используют 7-контактный разъём LEMO или его аналоги.

• Предварительно поляризованным микрофонам не требуется такой сигнал. Предварительно поляризованные микрофоны также называют электретными микрофонами: они постоянно поляризованы постоянно заряженным электроизоляционным материалом, который может выполнять функцию мембраны или находиться в капсюле. На такие микрофоны должен постоянно поступать ток (по такому же принципу работают стандартные IEPE-акселерометры), который называют фантомным питанием. Постоянный ток может проходить по сигнальной линии без помех, в связи с чем для подключения такого микрофона подходит 2-контактный разъём (как правило, BNC).

Конденсаторные микрофоны имеют различный диаметр: 1 дюйм, ½ дюйма, ¼ дюйма или ⅛ дюйма. В сравнении с микрофонами меньшего диаметра, крупные микрофоны более чувствительны, то есть подходят для измерения сигналов на меньших частотах.

Пьезоэлектрические микрофоны

Пьезоэлектрические микрофоны работают по принципу пьезоэлектрических акселерометров (IEPE). Лежащие в их основе кристаллические материалы (например, кварц) выводят переменный заряд при их механическом напряжении силой ускорения или, в нашем случае, при воздействии звукового давления. Небольшой встроенный усилитель преобразовывает сигнал заряда в более высокое напряжение, которое подается на IEPE-блок преобразования сигналов.

IEPE-блоки преобразования сигналов постоянно подают ток для питания небольших усилителей в пьезоэлектрических микрофонах.

Какой микрофон лучше: конденсаторный или пьезоэлектрический?

Конденсаторные и пьезоэлектрические микрофоны применяются для различных целей. Например, конденсаторные микрофоны имеют меньший порог шума, чем пьезоэлектрические микрофоны. При этом пьезоэлектрические микрофоны выдерживают более высокое давление, поэтому их можно применять для испытаний взрывом и других испытаний, подразумевающих высокоамплитудный звук и сильный шум. Нельзя сказать, какая микрофоны лучше: они применяются для различных целей.

Особые виды микрофонов

Гидрофоны

Обычный микрофон нельзя опустить в воду: он выйдет из строя. Именно поэтому отдельные производители выпускают специальные микрофоны для применения в воде — гидрофоны. Такие микрофоны устойчивы к коррозии и подходят для погружения в воду. Их применяют в промышленном, научном, а также оборонном секторах. 

Под водой волны звукового давления распространяются в 4,3 раза быстрее, чем в воздухе. В связи с тем, что плотность воды выше плотности воздуха, отдельный звук оказывает в воде такое же давление, как в воздухе. Гидрофоны адаптированы для работы под водой.

Доступны как однонаправленные, так и всенаправленные модели гидрофонов. Также гидрофоны можно использовать в массивах: например, для формирования лучей — одного из методов пространственной фильтрации. 

Давление под водой повышается по мере увеличения глубины, поэтому перед измерением необходимо убедиться, что гидрофон рассчитан на ту или иную глубину.

Микрофонные массивы

Как следует из названия, микрофонный массив — это массив микрофонов, расположенных определенным образом. Такие массивы применяются для трёхмерного измерения звука. Системы микрофонных массивов могут состоять из любого количества микрофонов: от 2 — для обнаружения утечек в слуховых аппаратах — до 100 — для формирования лучей и акустической голографии.

Микрофонные массивы имеют множество применений. Среди них:

• звуковой контроль ветроэлектростанций;

• измерение звука автомобилей и поездов;

• анализ излучения звука на производственных объектах;

• голография;

• измерение уровня звука в салонах автомобилей и самолетов;

• испытание шума двигателей;

• сопоставление звукового давления;

• формирование лучей;

• испытание шума медицинских приборов;

• испытание автомобилей, самолетов и т.д. в аэродинамической трубе.

Микрофоны MEMS

Читаете эту статью с ноутбука, планшета или телефона? Скорее всего, в нем есть микрофон MEMS. Преимущества технологии MEMS (micro-electromechanical system — «микроэлектромеханические системы»). Микрофоны MEMS могут быть меньше 3 × 2 × 1 мм в размере. Для англичан: около 1/8 дюйма в самой широкой точке.

Большинство микрофонов MEMS состоят из чувствительных к давлению мембран, вытравленных на кремний. Зачастую они оснащены встроенным предварительным усилителем, а также АЦП, который преобразовывает аналоговый звук в цифровой поток данных. Изначально микрофонами MEMS являлись конденсаторные микрофоны, однако сегодня доступны и пьезоэлектрические модели.

В сочетании с компьютерами, телефонами и планшетами микрофоны MEMS применяются в носимой электронике, дронах, устройствах Интернета вещей (IoT), элементах удаленного управления смарт-телевизорами и т.д.

Датчики интенсивности звука 

Датчики интенсивности — это микрофоны для измерения интенсивности звука.

Большинство датчиков интенсивности звука — пара фазосогласованных микрофонов свободного поля, которые измеряют мгновенное значение давления и градиент давления звукового поля. Как правило, их устанавливают на стойки и направляют на источник звука. При перемещении системы можно проанализировать распространение интенсивности звука, измерить акустическую мощность, а также провести измерения по стандартам IEC 61043 и IS0 9614-1.

Как выбрать подходящий микрофон

Как и в случае с другими датчикам, выбор микрофона определяется его применением. Одним из ключевых факторов при выборе микрофона является среда измерений. 

Зачастую такую среду называют полем отклика. Некоторые микрофоны называют микрофонами свободного поля, а некоторые — микрофонами поля давления. Такие названия и отражают поле отклика, в котором будет применен микрофон. Чуть ниже мы объясним, что это означает.

Помимо среды измерения при выборе микрофона необходимо учитывать диапазон измерения, а также максимальный уровень звукового давления (SPL).

При проведении измерений в условиях очень высокой или низкой температуры, или высокой влажности необходимо учитывать соответствующие расчетные значения микрофонов и встроенных в них блоков преобразования сигналов. Как правило, конденсаторные микрофоны более чувствительны к высоким температурам и влажности, однако ряд производителей выпускает конденсаторные микрофоны, предназначенные для таких условий.

Микрофоны свободного поля

Микрофоны свободного поля применяются в средах без отражений: например, вне помещений или в звукоизолирующих камерах. С их помощью можно измерить колебания звукового давления, беспрепятственно проходящего через воздух, при этом, как правило, звук исходит из одного источника. Чаще всего микрофоны свободного поля направляют прямо на источник звука. 

Микрофоны свободного поля измеряют звуковое давление так, словно в поле отсутствует микрофон. Разумеется, на поле сказывается любой находящийся в нём объект: такое происходит, когда длины волн звуковых частот близки к размерам микрофона. В связи с этим производители добавляют в микрофоны корректирующие значения: они компенсируют колебания поля, вызванные микрофоном.

Микрофоны свободного поля применяют для:

• измерения звука проезжающих автомобилей и испытания шумов вне помещений;

• испытания динамиков;

• испытания бытовых приборов в соответствующих камерах: например, стиральных машин, посудомоечных машин, миксеров и т.д.;

• устранения неисправностей для предотвращения чрезмерных вибраций и шумов;

• мониторинга шумов вне помещений.

Микрофоны поля давления

Микрофоны поля давления измеряют звуковое давление на мембране микрофона. Такие микрофоны можно разместить на стене, соединителе или внутренней поверхности камеры или закрытого пространства и измерить звуковое давление стенки или поверхности. Такие микрофоны применяют при испытаниях с использованием имитаторов уха.

Как правило, микрофоны поля давления должны иметь очень плоскую частотную характеристику. Их используют для измерений в диффузном поле (см. ниже), где требуется плоская характеристика.

Микрофоны поля давления применяют для:

• испытаний с использованием имитатора уха;

• измерения звукового давления на корпусах самолетов;

• измерения звукового давления на стенках и в полостях;

• измерения звукового давления в трубках и других конструкциях.

Микрофоны диффузного поля

Всенаправленные микрофоны диффузного поля применяют в условиях, где звук может исходить со всех сторон. К ним относятся среды с высокой отражаемостью, реверберационные камеры и т.д. Отклик микрофонов диффузного поля одинаков на всё давление, поступающего сразу с нескольких сторон.

Микрофоны диффузного поля применяют для:

• анализа акустических характеристик помещений, залов, театров;

• испытания шумов в пассажирских салонах автомобилей;

• испытания шумов в пассажирских салонах самолётов; 

• испытания бытовых электроприборов;

• испытания шумов окружающей среды;

• измерений в средне- и высокоамплитудных средах.

Основные характеристики микрофонов

Динамическая характеристика

Ухо человека воспринимает звук давлением до 20 милионных долей или 1 Па. Такая шкала не очень практична, а слух человека логарифмичен, в связи с чем большинство инженеров и учёных измеряют звук в децибелах (дБ) 

Децибелы названы в честь учёного шотландского происхождения Александра Грейама Белла — изобретателя телефона и аудиометра.

Микрофоны классифицируют по максимальному уровню давления, выдерживаемого микрофоном до соприкосновения мембраны с обкладкой или достижения общим коэффициентом гармонических искажений (THD) конкретного значения (например, 3%). 

Зачастую производители указывают наименее тихий звук, который воспримет микрофон. Иногда такой звук называют тепловым шумом капсюля (CTN), то есть самым тихим звуком, воспринимаемым микрофоном и звучащим громче электрического шума схемы микрофона.

Чем больше мембрана микрофона, тем ниже тепловой шум капсюля.

Частотная характеристика

Диапазон — один из ключевых факторов при выборе любого датчика или преобразователя. Приемлемый диапазон (называемый частотной характеристикой) датчика звука (микрофона) — это диапазон от теплового шума капсюля до максимального расчётного уровня звукового давления. При выборе микрофона помимо самой частотной характеристики необходимо учитывать допуск. Как правило, допуск выражен в децибелах (например, «±2 дБ»). 

Соотношение сигнал-шум

Соотношение функциональной звуковой энергии к нефункциональной (шумам) называют соотношением сигнал-шум (SNR). Для его выражения используются децибелы. Соотношение сигнал-шум свыше 1:1 означает, что в звуковой энергии больше сигналов, а не шумов.

SNR = Pсигнал / Pшум

Где:

P = средняя мощность

Диаграмма направленности

От диаграммы направленности микрофона зависит его чувствительность к звукам, поступающим с различных направлений относительно оси микрофона. Микрофоны имеют различные диаграммы направленности: например, какие-то микрофоны более чувствительны к звукам, поступающим спереди, и не воспринимают звуки, поступающие сзади или сбоку. Наиболее распространены микрофоны со следующими диаграммами направленности:

Всенаправленные микрофоны

Всенаправленные микрофоны одинаково воспринимают звук со всех сторон. На практике такое восприятие звука микрофоном невозможно, поскольку микрофон является частью звукового поля, однако всенаправленные микрофоны очень эффективны и дают наиболее точные результаты измерения звукового давления.

Однонаправленные микрофоны (кардиоидные микрофоны)

Название кардиоидных микрофонов связано с напоминающей форму сердца диаграммой: с помощью таких микрофонов можно измерить звук, поступающий спереди. Кардиоидные микрофоны делятся на подвиды: кардиоидный, гиперкардиоидный, суперкардиоидный и субкардиоидный. На изображениях ниже видно, что такие микрофоны измеряют звук с одного направления под разным градусом:

Имеются и другие диаграммы: например, двунаправленная («цифра 8»), которую применяют для измерения звука, поступающего спереди и сзади.

Виды измерений с помощью микрофонов

Микрофоны применяют для самых разных измерений звука и шума. Некоторые виды измерений получили широкое распространение в самых разных отраслях. Прежде всего, речь идёт о группе испытаний NVH — «шум, вибрация, жёсткость». 

Для чего проводят испытания NVH («шум, вибрация, жёсткость»)

Испытания NVH применимы к самым разным машинам (от газонокосилок до бетономешалок), но наиболее часто их связывают с испытаниями транспортных средств. Если вам приходилось пересесть из автомобиля из среднего ценового диапазона в роскошный автомобиль, вам хороша знакома разница между ними. Когда закрываешь дверь роскошного автомобиля, весь шум остаётся снаружи, а мощный двигатель звучит тихо и даже приятно. Скрипы и трески раздаются очень редко (а иногда не раздаются вовсе).

Такие ощущения водителя и пассажиров — результат долгих испытаний, проектирования и повторных испытаний, проведённых инженерами-автомеханиками. Микрофоны и другие датчики применяют для измерения акустических характеристик и проводимой вибрации в салоне и на корпусе автомобиля как в реальных условиях, так и звукоизолирующих камерах. Затем инженеры-автомеханики применяют полученные данные для оптимизации конструкции автомобиля и материалов, чтобы они отвечали предъявляемым к уровню шума требованиям в различных условиях вождения.

Резкость звука — более субъективный параметр, который сложно выразить количественно, поскольку под ним понимается то, насколько сильно будет «раздражать» человека звук, вибрация или их сочетание.

Испытания NVH применимы к салонам и корпусам автомобилей и включают в себя:

• испытания шума торможения;

• анализ шума проезжающих автомобилей;

• испытания шума двигателей;

• испытания трансмиссии;

• измерения внешнего шума;

• испытания шума выхлопной системы;

• испытания электромобилей и гибридных ТС;

• испытания аэродинамического шума;

• испытания шумов типа «гул», «визг», «треск»;

• испытания шума в салоне автомобиля;

• испытания шума при движении автомобиля.

Шум рабочей и окружающей сред 

Воздействие шума на рабочем месте — угроза здоровью, в связи с чем его регулируют в США, Европе и других странах. К измерениям звука и шума в таких условиях относятся:

• испытания городского шума;

• испытания шума на рабочем месте и производственных объектах;

• испытания акустических характеристик помещения;

• испытания шума в аэропортах;

• испытания уровня звука на концертах.

Электроакустические характеристики

• испытания шума телефонов: проводных, беспроводных, гарнитур;

• испытания слуховых аппаратов;

• испытания динамиков и умных колонок;

• испытания наушников: проводных и беспроводных.

Анализ машин

При прогнозировании неисправностей и диагностике машин говорят об измерении температуры и вибрации, однако шум — такой же ключевой индикатор состояния машины. Например, первым признаком несбалансированности машины является издаваемый ей шум. Если вам доводилось слышать, как cушильная машина для одежды «борется» с несбалансированной нагрузкой, вы хорошо понимаете, о чем идет речь.

• испытания вибрации машин;

• мониторинг состояния;

• диагностическое техническое обслуживание;

• обнаружение утечек воздуха и газа.

Определение источника шума

Иногда значения количества шума недостаточно: важно знать, откуда исходит этот шум. Какой компонент или какая система является источником шума и почему? В таких случаях применяют микрофонные массивы: они позволяют создать трёхмерное представление измеряемого пространства.

Представьте, как мимо микрофонного массива проезжает вагон метро. Его колеса или тормоза скрипят, движущаяся по третьему рельсу колодка шумит, а движущийся по несущему тросу пантограф гудит. ПО для формирования лучей помогает создать 3D-карту движения объектов с учётом изменений во времени.

Микрофонные массивы (который иногда называют акустическими камерами) можно применять на как микроуровне (например, для испытаний слуховых аппаратов), так и на макроуровне (например, для анализа крупных машин, генераторов, обрезных станков, поездов, автомобилей, самолётов и целых предприятий).

• анализ источника шума транспортных систем: аэропортов, метро, автовокзалов;

• испытания акустики в аэродинамических трубах (в авиакосмической и автомобилестроительной отраслях);

• акустическая голография;

• составление схем интенсивности звука;

• испытания шума двигателей;

• испытания шума в салонах ТС;

• обнаружение утечек газа в больницах;

• обнаружение утечек сжатого воздуха.

Модули измерения звука Dewesoft

Dewesoft предлагает широкий выбор передовых систем сбора данных, которые станут идеальным решением для измерения звука и вибрации. Рассмотрим их:

Системы сбора данных SIRIUS

Серия DualCoreADC

Системы SIRIUS® DualCoreADC® оснащены двумя 24-битными АЦП на канал и измеряют звук в широком динамическом диапазоне 160 дБ во временной и частотной областях. Частота дискретизации до 200 кГц на канал и встроенных антиалиасинговый фильтр дают безалиасинговую полосу пропускания более 70 кГц. Все каналы имеют гальваническую изоляцию, которая предотвращает наиболее распространённые трудности, связанные с модами, шумами и заземлением.

Серия High-Density

Системы SIRIUS HD имеют один 24-битный АЦП на канал и имеют превосходный динамический диапазон, а также вдвое больше каналов на слайс (16 вместо 8).

Серия High-Speed

Системы SIRIUS HS оснащены 16-битным АЦП последовательного приближения (SAR), имеют частоту дискретизации 1 МГц на канал, а также 8 каналов на слайс.

Серия Extra High-Speed

Системы SIRIUS XHS — новое поколение систем сбора данных Dewesoft. Частота дискретизации на каждом канале достигает 15 МГц. При частоте дискретизации до 1 МГц разрешение составляет 24 бита. При частоте дискретизации свыше 1 МГц — 16 бит. Более того, на каждом канале можно задать любую частоту дискретизации и режим измерения с их полной синхронизацией.

Усилители микрофонов и акселерометров SIRIUS ACC

Системы SIRIUS поддерживают большой набор усилителей и совместимы с любыми сигналами и датчиками, а значит подходят для измерения звука и вибрации, а также множества других измерений. Для измерения звука и вибрации применяются усилители ACC.

Они совместимы с IEPE-датчиками: акселерометрами, пьезоэлектрическими микрофонами, а также предварительно поляризованными конденсаторными микрофонами. Усилители ACC стабильно питают такие датчики током. Усилители ACC совместимыми со всеми конфигурациями SIRIUS:

Усилители SIRIUS ACС совместимы с большинством типов микрофонов, в том числе имеют встроенную поддержку предварительно поляризованных конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов. При наличии внешнего источника питания можно использовать конденсаторные микрофоны без поляризации. Прямая поддержка конденсаторных микрофонов с внешней поляризацией имеется в устройстве SIRIUS MIC200 (см. ниже).

Подробнее:

SIRIUS® ModularСистема сбора данных SIRIUS Modular

SIRIUS® XHS Высокоскоростная система сбора данных

Система SIRIUS MIC200

SIRIUS MIC200 — высокоэффективная 8-канальная система сбора данных SIRIUS для работы с конденсаторными микрофонами с внешней поляризацией. Она оснащена 7-контактными разъёмами LEMO, через которые на конденсаторные микрофоны с внешней поляризацией подаётся питание 200 В. Система SIRIUS MIC200 предназначена для точного измерения высокоамплитудных сигналов и имеет высокую временную и температурную стабильность.

Особенности системы SIRIUS MIC200

• Широкий динамический диапазон: до 160 дБ благодаря поддержке DualADC

• Быстрый сбор данных: частота дискретизации 200 кГц для сбора данных с высокочастотных микрофонов.

• Широкая поддержка микрофонов: стандартный 7-контактный разъём LEMO совместим с микрофонами всех основных производителей.

• Поддержка TEDS: автоматическая настройка микрофонов с поддержкой TEDS.

• Большое количество каналов: используйте столько систем MIC200, сколько потребуется. Все системы будут автоматически синхронизированы друг с другом.

• В комплект поставки входит ПО Dewesoft X.

• Измерения по IEC SLM (класс 1) и полному набору стандартов ISO: измерения акустической мощности, интенсивности звука, качества звука, времени реверберации RT60

• Услуги калибровки акустических характеристик по IEC: IEC61672, IEC61260, IEC 60651, IEC 61094-4 и др. Кроме того, мы поставляем предварительно калиброванные системы.

SIRIUS MIC200 — многофункциональная расширяемая система. Её можно синхронизировать со всеми системами сбора данными Dewesoft: так, с использованием одного ПО и полной синхронизацией данных можно фиксировать температуру, вибрацию, видео, деформацию и другие параметры.

SIRIUS MINI

SIRIUS mini — очень компактная систем сбора данных с питанием по USB и четырьмя аналоговыми входами с расширенным динамическим диапазоном для прямой подачи напряжения или IEPE/ICP-сигналов. Каждый усилитель оснащен двумя 24-битными сигма-дельта АЦП с частотой дискретизации до 200 кГц на канал и встроенным антиалиасинговым фильтром. На выходе — динамический диапазон до 160 дБ, который идеально подходит для измерения звука и вибрации.

Просто подключите систему SIRIUS mini к ПК на базе Windows®, запустите ПО из комплекта поставки Dewesoft X и получите высокоэффективную 4-канальную систему сбора данных для сотен различных измерений звука и вибрации.

Каждый из четырёх аналоговых входов совместим с любым конденсаторным или пьезоэлектрическим IEPE-микрофоном или IEPE-акселерометром. При наличии внешнего источника питания система совместима с конденсаторными микрофонами с внешней поляризацией. 

Входные характеристики данной системы практически полностью совпадают с характеристикими усилителя ACC, совмещенного с системой SIRIUS DualCore:

Благодаря дополнительному входу счётчика SuperCounter систему можно дополнить энкодерами и тахометрами для отслеживания порядков вращающихся машин и другого оборудования.

Система SIRIUS mini питается от ноутбука и помещается в рюкзак.

Подробнее:

SIRIUS® MiniПортативный 4-канальный анализатор звука и вибрации

DEWE-43A 

DEWE-43A — компактная система сбора данных с питанием по USB, оснащенная восемью универсальными аналоговыми входами, восемью счётчиками SuperCounters, а также двумя интерфейсами CAN USB.

Каждый усилитель оснащен 24-битным сигма-дельта АЦП с частотой дискретизации до 200 кГц на канал и встроенным антиалиасинговым фильтром. Каждый аналоговый вход напрямую собирает данные с датчиков напряжения и полномостовых датчиков, а при подключении крохотных адаптеров DSI-ACC в аналоговые входы система станет инструментом для измерения звука и ускорения. С помощью адаптеров DSI-ACC можно напрямую подключить IEPE-микрофоны и акселерометры.

Просто подключите систему DEWE-43A к ПК на базе Windows®, запустите ПО из комплекта поставки Dewesoft X и получите высокоэффективную 8-канальную систему сбора данных для сотен различных измерений звука и вибрации и других параметров.

При подключении адаптера DSI-ACC каждый аналоговый вход совместим с конденсаторными или пьезоэлектрическими IEPE-микрофонами или IEPE-акселерометром. При наличии внешнего источника питания система совместима с конденсаторными микрофонами с внешней поляризацией. При использовании адаптера DSI-CHG можно подключить зарядовые акселерометры. Также доступны DSI-адаптеры для других датчиков: LVDT, тока, напряжений до ±200 и т.д.

Ниже представлены характеристики системы DEWE-43A с адаптером DSI-ACC:

Благодаря использованию одного из восьми входов счётчика SuperCounter систему можно дополнить энкодерами и тахометрами для отслеживания порядков вращающихся машин и другого оборудования.

Система DEWE-43A питается от пост. тока в широком диапазоне и оснащена переходником пост. ток на пер. ток. В рюкзак поместится сразу несколько систем.

Подробнее:

DEWE-43A8-канальная USB-система сбора данных

Серия KRYPTON

KRYPTON — чрезвычайно защищённая система сбора данных, которую можно применять вне помещений и в суровых условиях. Система защищена от попадания влаги, работает при экстремальных температурах, а также выдерживает сильные удары и вибрацию. Доступны как одноканальные, так и многоканальные модули KRYPTON. Модули можно подключить друг к другу с помощью кабелей EtherCAT: они применяются для питания, синхронизации и отправки оцифрованных данных на хост-компьютер, на котором запущено ПО Dewesoft X.

Модули KRYPTON ACC совместимы с конденсаторными и пьезоэлектрическими IEPE-микрофонами, а также IEPE-акселерометрами. При наличии внешнего источника питания система совместима с конденсаторными микрофонами с внешней поляризацией. Каждый усилитель оснащён 24-битным сигма-дельта АЦП, а также антиалиасинговым фильтром. 

Ниже представлены характеристики системы с одноканальным или многоканальным усилителями KRYPTON ACC:

Примечание. KRYPTON-1xACC поддерживает выборку на частоте 50 кГц при использовании только одного модуля в цепи EtherCAT. Такая особенность полезна в тех случаях, когда частота дискретизации должна составлять 50 кГц.

Подробнее:

KRYPTON®Hадежная система сбора сбора EtherCAT IP67

ПО для измерения и анализа звука

ПО для сбора данных Dewesoft X подходит для проведения различных измерений акустических характеристик, звука и шума: акустической мощности, интенсивности звука, качества звука и других. Ниже рассмотрены ключевые инструменты ПО Dewesoft X.

Шумомер

Данный модуль — шумомер IEC 61672 класса 1. Он подходит для измерений звука в воздухе и под водой по стандартам IEC 60651 и IEC 60804. Результаты акустических измерений можно объединить с данными с бортовых шин, видеокамер, GPS-приёмников и другими физическими параметрами и математическими операциями для создания полной картины измерений. 

Все настроенные в программу стандартные операции спектрального взвешивания по частотам (A, B, C, D и Z) и времени (быстрое, медленное, импульсное), расчёта эквивалентного, пикового, минимального и максимального уровней звукового давления, акустической энергии, импульсности звука, и статистического уровня шума (классы значений LAF1, 5, 10, 50, 90, 95 и 99%) могут выполняться одновременно.

Для просмотра данных SLM в реальном времени и при постобработке можно использовать любые комбинации цифровых счётчиков, аналоговых полос, рекордеров временной области и узкополосных БПФ- и октавных анализаторов.

Подробнее:

Измерение уровня звука

Акустическая мощность

Данный модуль соответствует всем применимым стандартам по акустической мощности: ISO 3741, ISO 3743-1, 3743-2, ISO 3744, ISO 3745, ISO 6393, ISO 6394, ISO 6395 и ISO 6396.

В ПО доступны подсказки по всем этапам измерения: вводу параметров относительно положений микрофонов в полусфере (по стандартам), калибровке микрофонов и другим.

После испытания всего за несколько нажатий можно создать стандартизированный отчёт формата Microsoft Excel®.

Все вычисляемые параметры доступны как в процессе измерения, так и после него; программа быстро вычисляет поправочные коэффициенты K1 (измерение фонового шума), K2 (коррекция акустики помещения с встроенным модулем RT60), C1, C2 и С3 (отклонения, вызванные колебанием температуры и атмосферного давления); поддержка необработанных данных по временной области и офлайн-вычисления звуковой мощности.

Подробнее:

Измерение звуковой мощности

Модуль анализа качества звука

Анализ качества звука — незаменимый инструмент. Такие измерения позволяют оценить, как звук различных машин воспринимается человеком. 

ПО выполняет анализирует различные параметры качества звука, среди которых:

• Громкость: расчет согласно ISO 532-1 и 532-2: Акустика. Методы расчета громкости. Метод Цвиккера и метод Мура-Гласберга.

• Нормальные кривые равной громкости: согласно стандарту ISO 226.

• Резкость: рассчитывается на основе удельной громкости, которая определяется в соответствии с ISO 532-1 и 532-2.

• Разборчивость речи и её расширенные измерения при наличии других источников.

• Критерий шума (США) и коэффициент шума (Европа)

• Отношение неровностей: вычисление по стандарту ISO 7779 — измерение воздушного шума, излучаемого информационным и телекоммуникационным оборудованием.

• И другие.

Но самое важное — в отличие от датчиков качества звука, системы Dewesoft измеряют что угодно, а не только звук. Так, с их помощью можно измерить качество звук И другие параметры, чтобы сопоставить состояние машины с качеством звука.

Подробнее:

Измерение качества звука

Интенсивность звука 

Модуль измерения интенсивности звука Dewesoft X отвечает требованиям к измерениям акустической мощности по интенсивности звука: по методу дискретных точек (ISO 9614-1) и сканирования (ISO 9614-2). Данный модуль — комплектное решение для точного определения источника шума и вычисления мощности без особой среды (например, реверберационной или звукоизолирующей камеры).

В зависимости от направления звуковых волн (от микрофона А к микрофону Б или наоборот), модуль отобразит различные значения (положительное и отрицательное) при движении источника шума по оси датчика. При перпендикулярном расположении датчика относительно источника шума (при расположении датчика над источником шума), в визуальном элементе ПО Dewesoft X3 поочередно отображаются положительное и отрицательное значения. Данная процедура проводится для горизонтального и вертикального соотнесения оси датчика с источником звука.

Подробнее:

Измерение интенсивности звука

Октавный анализ

Модуль октавного анализа — незаменимый инструмент измерения звука. С его помощью можно оценить реакцию человеческого уха на измеренный звук. Модуль отвечает всем требованиям IEC и ANSI, предъявляемым к октавным фильтрам, и позволяет проводить истинный октавный анализ по стандарту ISO 61260. Кроме того, при работе с большим количеством каналов с его помощью можно провести синтезированный анализ. 

Для анализа звука можно применять стандартные кривые спектрального взвешивания (A, B, C, D и Z) непосредственно по частотной области. Dewesoft X подходит для анализа очень узких полос — до 1/24 октавы.

Для получения точных результатов октавного анализа проводится усреднение. В модуле доступны три режима усреднения:

• линейное усреднение — все БПФ имеют одинаковую значимость;

• экспоненциальное усреднение — БПФ теряют свою значимость со временем;

• пиковое усреднение — сохраняются и отображаются только максимальные результаты.

Подробнее:

Октавный анализатор

Время реверберации RT60

Время реверберации — это время, необходимое для спада давления звука на 60 дБ с его начального уровня. Звуковые волны многократно отражаются от расположенных в помещении препятствий. Реверберирующий звук — набор отраженных звуков в пространстве.

Когда отражённые волны сталкиваются друг с другом, происходит явление, известное как реверберация. Реверберация уменьшается, когда волны поглощаются различными поверхностями: занавесками, стульями и столами. Реверберация — ключевой параметр при определении акустических характеристик помещения.

Модуль времени реверберации Dewesoft X проводит вычисления в соответствии со стандартом ISO 354, в котором определён метод интегрированного отклика. Математический движок времени реверберации вычислит ряд параметров и выведет их на отдельные каналы. К таким параметрам относятся:

• T — измеренное время реверберации;

• ETC — временная кривая энергии;

• временные данные октав — можно выбрать однооктавный или третьоктавный анализ;

• сглаживание линии — сглаженная кривая на кривой временной зависимости энергии.

Модуль времени реверберации полностью отвечает требованиям стандартов ISO, в том числе ISO 3382 и ISO 354.

Подробнее:

Измерение RT60

Испытания NVHИспытания NVH (шум, вибрация и жесткость)

АкустикаРешения для акустических испытаний и измерений

Сертификация статического шума двигателя

Статическое тестирование шума двигателя можно выполнить с помощью модуля коррекции микрофона в DewesoftX. При использовании этого модуля уровни звукового давления и спектральные данные корректируются как для отклика микрофона, отклика системы, угла падения звука, поглощения воздуха, так и для многих других поправок, что позволяет тесту соответствовать стандартам, которые предполагают применение таких поправок.

Как правило, статические испытания двигателя на шум проводятся в соответствии со списком этапов измерения, как указано ниже:

• Перед измерениями

  • Частотная характеристика системы до

  • Калибровка чувствительности до

  • Настройка отклика микрофона

  • Настройка зависимости от среды

  • микрофон расстояния, уровень звука и другие настройки пользовательской коррекции

• Измерение шума двигателя

  • Измерение фона до

  • Измерение шума тестируемого устройства

  • Измерение фона после

• После измерений

  • Калибровка чувствительности после

  • Частотная характеристика системы после

С помощью описанной выше процедуры можно измерить и определить статический шум двигателя с учетом всех соответствующих поправок, а также сравнить с исходными измерениями микрофона без поправок.

Руководство по приложению коррекции микрофона в DewesoftX можно найти здесь.: Руководство по программному обеспечению коррекции микрофона.

Производители микрофонов

Производством микрофонов занимается огромное количество компаний, и ниже представлены лишь некоторые из них. В списке представлены компании, выпускающие микрофоны для измерения звука, а не записи музыки или публичных речей.

• PCB Piezotronics

• Gras Acoustics

• Bruel & Kjaer

• Kistler

• NTI audio AG

Прочие полезные инструменты

Шумомеры

Шумомеры — переносные устройства для измерения уровня звука в лабораториях, полевых условиях и цехах. Шумомеры имеют различные размер и форму и делятся на классы 1 и 2, при этом шумомеры класса 1 считаются более точными. Так, для проведения ряда стандартизированных испытаний требуются шумомеры класса 1.

Дозиметры уровня шума

Дозиметры уровня шума напоминают шумомеры, однако имеют меньший размер и применяются для измерения воздействия уровня шума на конкретного человека. Дозиметры уступают шумомерам и имеют другое назначение. Как правило, дозиметры надевают на тело. Они измеряют уровень шума в течение дня. 

Общепринятые термины и сокращения

Ссылки

• Omnidirectional polar pattern microphone by Galak76 - self-made, Adobe Illustrator, CC BY-SA 3.0

• Cardioid Polar Pattern by Nicoguaro - Own work, CC BY 4.0

• Supercardioid Polar Pattern by Galak76 - self-made, Adobe Illustrator, CC BY-SA 3.0

• Hypercardioid Polar Pattern by Galak76 - self-made, Adobe Illustrator, CC BY-SA 3.0