Hur exakt är mätning av ljudeffekt med ljudintensitet?

Det vanligaste sättet att mäta ljudeffekten hos apparater, t.ex. maskiner eller hushållsapparater, är att använda envelopemetoden med flera mikrofoner enligt ISO 3744 eller ISO 3745. Man kan dock även bestämma ljudeffekt med en ljudintensitetsprobe med ett par matchade mikrofoner, vilket kan vara mer hanterbart. Testingenjören går runt D.U.T. (Device Under Test) med antingen punktmetod eller scanningsmetod, enligt ISO 9614-1 respektive ISO 9614-2.

Dessa metoder ger en djupare förståelse för apparatens riktade ljudegenskaper genom en ljudkarta. Många bullermätningsstandarder refererar till dessa metoder, men hur exakt är egentligen mätningen av ljudeffekten?

Innan vi jämför de olika mätprinciperna, låt oss upprepa några av de saker vi lärde oss under Dewesoft Pro Träningen om mätning av ljudeffekt. 

Vad är ljudintensitet?

Vi definierar ljudintensitet som ljudeffekt per ytenhet. Den beror på avståndet från ljudkällan och dess akustiska miljö. Ljudintensitet är en vektorstorhet som beskriver mängden och riktningen av ljudenergi. Enheten för ljudintensitet är [W/m²]. Den beräknas som produkten av ljudtryck och partikelhastighet.

Vad är ljudeffekt?

Ljudeffekt är en egenskap hos en ljudkälla, vanligtvis uttryckt på en logaritmisk skala som ljudeffektnivå, vilket motsvarar de utsända ljudenergimängderna från bullerkällor. Den är oberoende av avståndet från källan och är därför ett praktiskt sätt att jämföra olika ljudkällor. Ljudeffekt kan mätas på olika sätt, antingen via ljudtryck eller ljudintensitet.

Vad är ljudtryck?

Ljudtryck, eller akustiskt tryck, är variationen i det lokala trycket från det omgivande atmosfäriska trycket som orsakas av en ljudvåg. I luft mäts ljudtryck vanligtvis med en mikrofon, medan man i vatten använder en hydrofon. Standardenheten för att mäta ljudtryck i det internationella systemet (SI) är Pascal (Pa).

Matematiskt definieras ljudtrycket, betecknat p, som:

där

• $p_{total}$ är det totala trycket,

• $p_{stat}$ är det statiska trycket.

Dewesoft Sound Intensity-modulen mäter, beräknar och visar alla tre av de ovan beskrivna ljudstorheterna: ljudintensitet, ljudtrycksnivå och ljudeffektnivå.

D.U.T. – Referensljudkälla (RSS)

För att noggrant definiera ljudutstrålning över ett brett frekvensområde (100 Hz–20 kHz) valde vi Reference Sound Source B&K 4204 som testanordning enligt ISO 6929.

Denna enhet fungerar som en roterande fläkt och genererar ett konstant, långvarigt och stabilt vitt brus. Den används främst inom byggnadsakustik, t.ex. för att bestämma ljudabsorption eller ljudisolering hos rum eller olika material. Den gav ett ganska robust intryck.

Eftersom enhetens ljudeffekt låg runt 92 dB(A) under mätningarna var vi tvungna att använda industriella öronproppar för hörselskydd – nödvändigt om yrkesmässig bullerexponering mot örat överstiger 80 dB(A).

Kalibreringsrapporten var aktuell, och mätförhållandena var välkända: Ett externt kalibreringslaboratorium bestämde Total Sound Power och de individuella oktavbanden i ett semi-anechoic-rum (över en reflektiv platta) enligt ISO 3745 precision grade.

Utrustningslista

• Dewesoft SIRIUS mini datainsamlingssystem, kompakt och portabel buller- och vibrationsanalysator, DB19008866, HW 4.0, FW 5.3.30.16, kalibrerad 26.06.2024, enligt funnet skick

• DewesoftX Software 2024.2 - programvara för datainsamling och digital signalbehandling

• Sound-Intensity-Plugin - plugin för DewesoftX-programvaran

• Ljudintensitetsprobe: GRAS 50GI-R, Serienr. 482052

• Ljudtryckskalibrator: GRAS 42AG

• Fas-kalibrator enligt IEC 61043: GRAS 51AB, SN: 210878

• Funktionsgenerator: Rigol DG1022 för bullersignal (för fas-kalibrering)

• Referensljudkälla enligt ISO 6929: B&K 4204, Serienr. 552298, kalibrerad av ackrediterat testlabb den 19.12.2023

• Anekotiskt rum ägt av EN ISO/IEC 17025-ackrediterade AUVA General Accidents Insurance Company, beläget nära Wien

Omgivningsförhållanden:

• Temperatur: 21.2 °C

• Relativ luftfuktighet: 55.1 %

Vad är en ljudintensitetsprobe?

En ljudintensitetsprobe är ett specialiserat instrument som används för att mäta ljudintensitet, det vill säga ljudeffekt per ytenhet, vanligtvis uttryckt i watt per kvadratmeter (W/m²). Ljudintensitet är en vektorstorhet med både storlek och riktning. Proben möjliggör att bestämma de riktade egenskaperna hos ljudfält, vilket är avgörande i olika tillämpningar såsom identifiering av bullerkällor, bestämning av ljudeffekt och akustisk forskning.

Komponenter i en ljudintensitetsprobe

En typisk ljudintensitetsprobe består av ett par nära placerade mikrofoner, vanligtvis några centimeter från varandra, som mäter ljudtrycket vid två olika punkter. Avståndet mellan mikrofonerna möjliggör beräkning av tryckgradienten, vilket är avgörande för att bestämma partikelhastighetskomponenten i ljudintensitetsvektorn.

En stel distanshållare bibehåller ett fast avstånd mellan mikrofonerna och säkerställer noggranna mätningar av ljudtrycksgradienten. Varje mikrofon har en förstärkare som konditionerar signalen för vidare bearbetning och ansluter till ett datainsamlingssystem som fångar signalerna från probens mikrofoner. Systemet bearbetar signalerna för att beräkna ljudintensitet genom att analysera fas- och amplitudskillnader mellan mikrofonernas signaler.

Arbetsprinciper och tillämpningar

Proben kan beräkna ljudintensitet genom att analysera skillnaden i ljudtrycksnivå mellan de två mätpunkterna. Den grundläggande principen bygger på följande steg:

1. Mätning av tryckgradient: Mikrofonerna utför mätningar av ljudtrycksnivå som registrerar ljudtrycket vid två punkter separerade med ett känt avstånd. Tryckskillnaden mellan mikrofonerna bestämmer tryckgradienten.

2. Beräkning av partikelhastighet: Tryckgradienten relateras till ljudvågens partikelhastighet. Partikelhastigheten beräknas med hjälp av tryckgradienten och det kända avståndet mellan mikrofonerna.

3. Beräkning av ljudintensitet: Ljudintensiteten beräknas som produkten av ljudtrycket mätt av en av mikrofonerna och partikelhastigheten som beräknats från tryckgradienten. Resultatet är en vektorstorhet som anger både storlek och riktning för ljudenergins flöde.

Till skillnad från traditionella ljudnivåmätare, som endast mäter ljudtryck utan riktad information, ger ljudintensitetsprober både storlek och riktning av ljudenergins flöde. Genom att tillhandahålla riktad data kan ljudintensitetsprober noggrant lokalisera bullerkällor. De kan också mäta ljudeffekt direkt i bakgrundsbuller, vilket gör dem användbara i bullriga miljöer.

Ingenjörer använder ljudintensitetsprober inom olika tillämpningar, inklusive identifiering av bullerkällor, akustisk forskning, miljöbullerövervakning, byggnadsakustik, och i vårt fall för att bestämma ljudeffekt.

Förberedelse av ljudintensitetsproben

Ljudintensitetsproben består av två parmatchade mikrofoner. Vid tillverkning väljs matchade par med minsta möjliga fasfel mellan dem. Högsta noggrannhet uppnås genom att göra en ytterligare faskalibrering på plats, vilket eliminerar små förändringar orsakade av kablage.

Funktionsgeneratorn – eller SIRIUS Analog Output + mjukvarufunktionsgenerator – ger en liten bullersignal till GRAS 51AB fas-kalibrator ansluten till mikrofonerna. Proceduren finns förinställd i standardvyn för Sound Intensity i DewesoftX, så det är bara att klicka på en knapp och vänta.

När proceduren är genomförd blir det uppmätta resultatet tillgängligt som en fas-kalibreringstabell i inställningarna för Sound Intensity-kanalen.

Mätuppställning

Vi modifierade det helt anekoiska rummet till ett semi-anekoiskt rum genom att placera en reflekterande golvplatta, med målet att uppnå samma förhållanden som i kalibreringsrapporten för Referensljudkällan. Generellt utförs ISO 9614-metoderna i fritt fält över en reflekterande yta, såsom golvet. Denna uppställning innebär att ljudintensitet behöver mätas över fem ytor, eftersom all ljudenergi som sänds nedåt från källan reflekteras via dessa fem ytor. På varje yta mäts den tidsmedelvärdesbildade ljudintensiteten innan ytan inkluderas i den senare beräkningen av ljudeffekt.

Vi valde frekvensavståndet för det rekommenderade frekvensområdet 100–12500 Hz för ljudintensitetsproben. Eftersom scanningsmetoden introducerar många osäkerheter – beroende på testingenjören, som kan röra proben snabbare eller långsammare över D.U.T.:s sektor – valdes punktmetoden, enligt EN ISO 9614-1, som metod.

Runt D.U.T. definierade vi en kub med totala måtten 1,9 × 1,9 × 1,5 m. Eftersom vi inte kunde mäta underifrån resulterade kuben i fem ytor. Vi delade sedan varje yta i fyra sektorer och centrerade ljudintensitetsproben i respektive sektor för varje mätning.

Eftersom D.U.T.:s emitterade ljud är mycket homogent förändrades inte datan efter några sekunders medelvärdesbildning, och segmentmättiderna kunde minskas till 10 sekunder per mätning.

Mätning och datainsamling

För att säkerställa precis positionering av ljudintensitetsproben använde vi stativ till vänster och höger om varje yta, med ett gummiband som hjälp. Vi markerade de lägre positionerna med gul tejp på bandet medan vi roterade stativens övre armar 90 grader för att guida de högre positionerna. Vi flyttade hela uppställningen mellan varje sida av kuben, och klistermärken på golvet, som också hade markerats i förväg, gav ytterligare orientering.

Mätresultat och slutsatser

Efter att vi hade genomfört mätningarna exporterade vi Total Sound Power och de individuella oktavbanden till MS Excel.

Nedan, på vänstra sidan av tabellen, ser du värdena från testrapporten för ljudeffekt, utförd av ett ackrediterat laboratorium baserat på ISO 3745 hemisfär-setup. I mitten finns Dewesofts mätningar av ljudeffekt, utförda med ljudintensitetsprincipen, och på högra sidan visas skillnaden.

Eftersom det ackrediterade laboratoriets kalibreringsrapport visade resultat med (Z)-viktning, kunde vi även konvertera dessa till (A)-viktning för att matcha det mänskliga örats beteende. Denna konvertering görs enkelt genom att lägga till A-viktningens referenskurva för varje band – se även förklaringen i Dewesoft PRO Training för mer information. Vid 1 kHz sammanfaller (Z)- och (A)-värdena eftersom korrektionsvärdet är 0.

För den totala ljudeffekten Lw(A) längst ner i tabellen kan man se en avvikelse på omkring 1 dB. Detta kan förklaras av de olika frekvensområden som används. Medan det ackrediterade laboratoriets rapport i Figur 8 täcker frekvensområdet 20 Hz–20 kHz, täcker Dewesofts mätning 100 Hz–12,5 kHz. För att täcka hela området måste man kombinera två mätningar med olika spacers, t.ex. 12 mm och 100 mm.

Eftersom de två mätmetoderna skiljer sig i princip, anger ISO 9614-1 vid mätning av ljudeffekt baserad på ljudintensitet en tolerans på ±2·s (standardavvikelse) för de individuella banden, vilket innebär:

• +/-4 dB för banden 50-160 Hz

• +/-3 dB för banden 200-630 Hz

• +/-2 dB för banden 800-5000 Hz

• +/-4 dB för bandet 6300 Hz

Dewesoft Sound Intensity-plugin uppfyller specifikationerna för Precision grade. Den kompenserar dessutom delvis för plastic spacer-effekten mellan mikrofonerna och förbättrar ytterligare noggrannheten, särskilt i de högre banden, som 6 kHz till 12,5 kHz, vilket skiljer oss från konkurrenterna.