Jak wybrać najlepszy miernik poziomu ciśnienia akustycznego do dokładnego pomiaru hałasu

Zakup miernika poziomu ciśnienia akustycznego to dziwne doświadczenie. Kilkanaście instrumentów wygląda niemal identycznie, mieści się w wąskim przedziale cenowym i wszystkie obiecują „wysoką celność”. Różnice, które faktycznie decydują o tym, czy Twoje dane przetrwają kontrolę, rzadko są widoczne na zdjęciu produktu. Mieszkają w kapsule mikrofonu, w klasie tolerancji, na którą instrument został zatwierdzony, w zakresie częstotliwości, jaki rzetelnie może objąć, i w informacji, którą przekazuje po zakończeniu pomiaru.

Dni robocze spędzamy na budowaniu łańcuchów pomiarów hałasu i wibracji, więc nasz pogląd jest praktyczny: nie ma jednego najlepszego miernika poziomu ciśnienia akustycznego, jest jedynie najlepsze dopasowanie instrumentu do zadania. W tym przewodniku omówiono, co tak naprawdę mierzą te przyrządy, jak działa rozróżnienie na klasę 1 i klasę 2, kiedy miernik ręczny przestaje wystarczać i na jakie specyfikacje warto zwrócić uwagę przed podjęciem decyzji.

Co właściwie mierzy miernik poziomu ciśnienia akustycznego

Dźwięk to szybka, niewielka zmiana ciśnienia powietrza. Tło cichego biura porusza powietrze o ułamek paskala, normalna rozmowa o kilka setnych paskala, a silnik odrzutowy z bliskiej odległości o dziesiątki paskali. Ponieważ zakres ten obejmuje kilka milionów do jednego, jest on kompresowany do skali logarytmicznej, czyli decybeli, przy ciśnieniu odniesienia wynoszącym 20 mikropaskali (µPa) – mniej więcej najcichszym tonie o częstotliwości 1 kHz, jaki może wykryć młode, zdrowe ucho.

Niezależnie od ceny, każdy miernik poziomu ciśnienia akustycznego zawiera te same cztery bloki. Kapsuła mikrofonu przekształca ciśnienie w bardzo małe napięcie. Przedwzmacniacz buforuje to napięcie i steruje kablem bez dodawania szumów. Elektronika przetwarzająca i przetwarzająca stosuje do sygnału ważenie częstotliwości i czasu. Wyświetlacz, karta pamięci lub łącze sieciowe przesyłają wynik poza urządzenie. Tym, co różni niedrogi miernik od łańcucha laboratoryjnego, nie jest architektura, ale wierność działania każdego bloku i to, jaką część oryginalnego sygnału można zachować.

Licznik pokazujący tylko jedną liczbę kryje w sobie wiele decyzji podjętych w Twoim imieniu. Przed porównaniem modeli warto biegle posługiwać się słownictwem zawartym w karcie specyfikacji:

• SPL (dB do 20 µPa): chwilowy poziom ciśnienia akustycznego, czyli liczba, którą ludzie mają na myśli, gdy pytają, jak głośno coś jest.
• Waga A: filtr tłumiący niskie częstotliwości w sposób imitujący ludzki słuch; stanowi podstawę niemal każdego limitu hałasu w środowisku i miejscu pracy.
• Ważenie C i Z (płaskie): cięższa zawartość niskich częstotliwości i brak jakiegokolwiek ważenia, używana do poziomów szczytowych, testów sprzętu i wszelkich analiz, w których nie chcesz, aby opinia instrumentu była uwzględniana w danych.
• Ważenie czasowe: krzywe odpowiedzi Fast, Slow i Impulse, które określają, jak szybko wyświetlany poziom podąża za zmieniającym się sygnałem.
• Leq: równoważny poziom ciągły, średnia energii w określonym okresie i znacznie lepsze podsumowanie zmiennego źródła niż jakakolwiek pojedyncza chwila.
• Lmax, Lmin i Lpeak: skrajności, z wartością szczytową mierzoną na znacznie szybszym detektorze, niż jest to możliwe na wyświetlaczu.
• Pasma oktawowe i trzeciej oktawy: poziom podzielony przez częstotliwość, czyli to, czego potrzebujesz, aby zidentyfikować źródło tonalne lub porównać wynik z krzywą oceny szumu.
• Poziomy statystyczne (L10, L50, L90): poziomy zostały przekroczone przez 10, 50 i 90 procent okresu pomiarowego, co jest szeroko stosowane w ocenie hałasu w ruchu drogowym i w społecznościach.

Instrumentem, który zgłasza tylko pierwszą pozycję na tej liście, jest narzędzie przesiewowe. Przyrządem, który raportuje je wszystkie, z wystarczającą ilością pamięci i baterią, aby działać przez wiele dni, jest przyrząd monitorujący. Pierwszą uczciwą decyzją o zakupie jest podjęcie decyzji, którego z nich faktycznie potrzebujesz.

Dopasowanie instrumentu do zadania

Ta sama zasada pomiaru służy do bardzo różnych zadań, a zadania te nakładają różne wymagania na sprzęt. Większość błędów zakupowych wynika z wyboru instrumentu, który jest doskonały w jednym zadaniu i nieodpowiedni do aktualnie wykonywanego zadania.

Klasy dokładności: klasa 1, klasa 2 i łańcuch laboratoryjny

Norma IEC 61672-1 definiuje dwie klasy wydajności mierników poziomu dźwięku. Przyrząd klasy 1 musi wykazywać węższe tolerancje w szerszym zakresie częstotliwości niż przyrząd klasy 2, a obie klasy są weryfikowane poprzez homologację typu, a w wielu krajach okresową weryfikację pojedynczego przyrządu. Klasy 1 zwykle oczekuje się wszędzie tam, gdzie wynik może być kwestionowany – raportowanie zgodności, spory prawne, deklaracje produktów – natomiast klasa 2 odpowiada ogólnym ankietom, przeglądom i kontrolom wewnętrznym.

Etykieta klasy opisuje jednak licznik. Nie mówi nic o tym, jak dobrze go wykorzystałeś, jak mikrofon został zamontowany ani czy łańcuch pomiarowy został zweryfikowany danego dnia. Miernik klasy 1 skierowany w niewłaściwe miejsce, bez przedniej szyby przy lekkim wietrze, będzie generował gorsze dane niż miernik klasy 2 używany ostrożnie.

Trzecie rozwiązanie – mikrofon pomiarowy zasilający analizator sygnału dynamicznego – znajduje się całkowicie poza systemem klasy podręcznej. Jego dokładność jest cechą całego łańcucha: kapsuły, przedwzmacniacza, okablowania, digitalizatora i kalibracji. Daje to swobodę, ale oznacza również, że odpowiedzialność za identyfikowalność należy do Ciebie.

Mikrofon decyduje o więcej niż miernik

Jeśli odejmiesz jedną myśl z tego artykułu, niech to będzie ta: w większości praktycznych sytuacji kapsuła mikrofonu i jej przedwzmacniacz ograniczają jakość pomiaru na długo przed tym, jak robi to elektronika. Precyzyjna kapsuła z dobrze dobranym przedwzmacniaczem przed zwykłym digitalizatorem za każdym razem przebije znakomity digitalizer zasilany przeciętną kapsułą.

Pomiarowe mikrofony pojemnościowe nie bez powodu są określane według średnicy. Kapsuła półcalowa zapewnia dobry kompromis pomiędzy czułością a zachowaniem w wysokich częstotliwościach, podczas gdy kapsuła ćwierćcalowa poświęca czułość na rzecz szerszej, bardziej płaskiej reakcji i lepszej wydajności przy wysokich poziomach dźwięku i w ograniczonych przestrzeniach. Wersje z wolnym polem, ciśnieniem i przypadkowym występowaniem są odpowiednie dla różnych środowisk akustycznych; wybranie niewłaściwego powoduje wprowadzenie kilku dziesiątych decybeli błędu przy wysokich częstotliwościach, co ma znaczenie przy porównywaniu wyników pomiędzy laboratoriami.

Polaryzacja to inna decyzja. Zewnętrznie spolaryzowane mikrofony wymagają osobnego zasilania 200 V i zapewniają doskonałą długoterminową stabilność. Typy wstępnie spolaryzowane (CCP/IEPE) działają na prostym zasilaniu stałoprądowym, dlatego tak łatwo integrują się z nowoczesnym sprzętem do gromadzenia danych, w tym z naszą własną gamą akustycznych mikrofonów pojemnościowych, w których kapsuła, przedwzmacniacz i układ zasilania są dobierane w taki sposób, że czułość, według której kalibrujesz, jest czułością, z którą mierzysz.

Od mikrofonu do danych: co dodaje analizator

Mierniki ręczne celowo odrzucają informacje. Większość z nich oblicza poziom w czasie i przechowuje jedynie podsumowanie. Analizator sygnału dynamicznego działa odwrotnie: przechowuje surowy, skalibrowany przebieg z mikrofonu, dzięki czemu na każde późniejsze pytanie – poziomy pasma, widma, tonację, impulsywność, korelację z prędkością urządzenia – można odpowiedzieć na podstawie tego samego zapisu bez drugiej wizyty w serwisie.

Wymagania są proste do określenia. Analogowy moduł przedni musi dostarczać do mikrofonu prąd stały, zwykle kilka miliamperów przy napięciu od 18 do 24 woltów. Przetwornik analogowo-cyfrowy powinien być 24-bitowy z jednoczesnym próbkowaniem na wszystkich kanałach, tak aby zachowane zostały zależności fazowe pomiędzy mikrofonami i akcelerometrami. Częstotliwość próbkowania musi przekraczać dwukrotnie najwyższą częstotliwość zainteresowania, a w praktyce potrzebny jest znacznie większy margines, jeśli zamierzasz przechwytywać zdarzenia impulsowe lub ponownie wykorzystywać przebieg do odtwarzania. Szybki jednokanałowy instrument, taki jak ZTU8301C, który próbkuje z częstotliwością do 256 kHz, jest dokładnie tym rodzajem narzędzia, które zmienia mikrofon w pełną stację pomiarową.

ZT-U8301C Jednokanałowy analizator sygnału dynamicznego 256 kHz 24-bitowy jednokanałowy analizator USB z próbkowaniem 256 kHz, mocą IEPE i filtrowaniem antyaliasingowym do przekształcania mikrofonów w stacje pomiarowe. Zobacz produkt →

Jeśli nie jesteś jeszcze pewien, gdzie kończy się instrument ogólnego przeznaczenia, a zaczyna prawdziwy analizator, to krótkie wyjaśnienie czym dynamiczny analizator sygnału różni się od tradycyjnego instrumentu to przydatne miejsce na początek.

Kiedy jeden mikrofon to za mało

Wielu problemów związanych z hałasem nie da się rozwiązać z jednego punktu. Lokalizowanie źródła na dużej maszynie, mapowanie pola dźwiękowego wokół pojazdu, pomiar hałasu przejazdu lub monitorowanie kilku pozycji wokół zakładu – wszystko zależy od wielu kanałów zarejestrowanych w tym samym momencie. Dopasowanie fazowe między kanałami staje się ważniejsze niż absolutna dokładność, ponieważ użyteczną informacją są różnice między kanałami.

To tutaj liczba kanałów i przepustowość danych przejmują kontrolę nad specyfikacją kapsuły. Analizator oparty na kartach, taki jak ZTG9232I, z 32 kanałami przesyłanymi strumieniowo przez gigabitowy Ethernet, zapewnia synchroniczny obraz całej struktury w jednym przebiegu i pozwala, aby ten sam sprzęt obsługiwał zarówno matryce akustyczne, jak i zwykle im towarzyszące kanały akcelerometru.

ZT-G9232I 32-kanałowy analizator sygnału dynamicznego Gigabit Ethernet 32-kanałowy, 24-bitowy analizator Ethernet do pomiaru napięcia synchronicznego, IEPE i odkształcenia w wielopunktowym monitorowaniu drgań i hałasu. Zobacz produkt →

W przypadku pracy wielopunktowej budżet na okablowanie i czas nagrywania jest tak samo ostrożny, jak budżet na kanały. 32-kanałowy zapis z dużą częstotliwością próbkowania zapełnia pamięć zaskakująco szybko, a możliwość wyzwalania, wstępnego wyzwalania i segmentowania nagrań często ma większe znaczenie niż sama przepustowość.

Kalibracja, identyfikowalność i kontrole w terenie

Każdy łańcuch pomiarów akustycznych dryfuje i każdy wynik, który ma znaczenie, powinien być broniony. Procedura jest prosta: nałóż kalibrator akustyczny na mikrofon bezpośrednio przed pomiarem i ponownie bezpośrednio po nim. Jeżeli obie kontrole zgadzają się z niewielkim marginesem, łańcuch uważa się za stabilny w czasie trwania. Jeśli się nie zgadzają, dane między nimi są podejrzane, niezależnie od tego, jak elegancko wygląda widmo.

Kalibratory terenowe zazwyczaj wytwarzają 94 dB i 114 dB przy 1 kHz na zamontowanym mikrofonie, przy czym kalibrator klasy 1 określony w normie IEC 60942 jest odpowiednim uzupełnieniem łańcucha pomiarowego klasy 1. Oprócz codziennych kontroli instrument i mikrofon należy w określonych odstępach czasu odsyłać do laboratorium w celu weryfikacji, tak aby identyfikowalność wyników nie była zależna od urządzenia, które przez trzy lata pozostawało bezczynne.

• Poprawki środowiskowe. Temperatura, wilgotność i ciśnienie statyczne wpływają na czułość kapsuły, a największe efekty pojawiają się w skrajnych zakresach roboczych, a nie w wygodnym laboratorium.
• Szyba przednia pojazdu. Na zewnątrz niezbędna jest szyba przednia; jego efekt wstawiania jest niewielki, ale nie zerowy i należy go uwzględnić, gdy wyniki są podawane z dokładnością do ułamka decybeli.
• Hałas w tle. Jeżeli interesujące źródło znajduje się zaledwie kilka decybeli nad tłem, zmierzony poziom jest częściowo tłem. Standardową praktyką jest stosowanie korekcji, gdy różnica jest niewielka i odrzucanie pomiaru, gdy źródło ledwo przekracza tło.
• Montaż i orientacja. Odbicia od operatora, od statywu lub od płaszczyzny uziemienia mogą przekroczyć klasę dokładności samego instrumentu.

Miernik ręczny czy łańcuch pomiarowy? Ścieżka decyzji

Wybór zwykle rozstrzyga się sam, gdy szczerze odpowiesz na trzy pytania. Czy potrzebujesz bronić numeru w kontekście formalnym? Czy musisz zrozumieć źródło, a nie tylko je określić ilościowo? Czy za pół roku ktoś zada nowe pytanie dotyczące tych danych?

• Dwie lub trzy odpowiedzi „nie” wskazują na miernik ręczny klasy 2, używany ostrożnie i sprawdzany kalibratorem.
• „Tak” w kwestii formalnej obronności wskazuje na instrument klasy 1 z logowaniem i udokumentowaną historią weryfikacji.
• „Tak” w sprawie zrozumienia źródła lub przyszłej ponownej analizy wskazuje na łańcuch mikrofonu i analizatora, w którym zachowany jest surowy sygnał.

Wiele zespołów dysponuje zarówno ręcznym miernikiem do szybkich pomiarów, jak i opartym na kanałach systemem do pomiarów generującym raporty. Jeśli Twoja praca obejmuje łącznie hałas i wibracje, warto sprawdzić, jak obie strony pasują do jednej architektury, i właśnie o to nam chodzi systemy badań wibracyjnych i dynamicznych są zbudowane wokół — wspólnych czujników, wspólnych akwizycji i wspólnego środowiska analitycznego.

Dane techniczne, które należy sprawdzić przed zakupem

Poniższą listę zastosowalibyśmy do każdego potencjalnego instrumentu, niezależnie od marki i przedziału cenowego. Pracuj nad tym w odpowiedniej kolejności, a większość nieodpowiednich modeli sama się wyeliminuje.

1. Typ i średnica mikrofonu. Potwierdź, czy kapsułka jest w polu swobodnym, ciśnieniowa lub losowa i czy jest spolaryzowana wstępnie czy zewnętrznie.
2. Zakres częstotliwości. Sprawdź zakres, w którym faktycznie obowiązuje podana tolerancja, a nie zakres, w którym przyrząd jedynie generuje liczbę.
3. Zakres dynamiki i szum własny. Szeroki zakres jest użyteczny tylko wtedy, gdy dolny zakres jest naprawdę wystarczająco cichy dla najniższego oczekiwanego poziomu.
4. Stałe wagowe i czasowe. Wagi A, C i Z oraz Fast, Slow i Impulse obejmują zdecydowaną większość pracy opartej na standardach.
5. Rejestracja danych i pamięć. Określ, ile dni może wytrzymać zapis bez nadzoru i w jaki sposób dane są odzyskiwane.
6. Częstotliwość próbkowania i głębia bitowa. Do prac analitycznych należy szukać konwersji 24-bitowej i jednoczesnego próbkowania we wszystkich kanałach.
7. Typ wejścia i moc czujnika. Wejścia napięciowe, IEPE i ładowania, z odpowiednim zasilaniem stałym prądem dla długich kabli, dają szerokie możliwości.
8. Liczba kanałów. Kupuj za największy wymiar, jakiego realistycznie oczekujesz, a nie najmniejszy, jaki możesz sobie wyobrazić.
9. Interfejs i synchronizacja. USB do przenośnej pracy na jednym urządzeniu; Ethernet do instalacji stałych i synchronizacji wielu urządzeń.
10. Oprogramowanie i eksport. Sprawdź, czy wyniki można eksportować w formatach, z których korzysta już Twój przepływ raportowania, bez zastrzeżonego konwertera.
11. Ścieżka kalibracji. Potwierdź, że kapsułkę można skalibrować za pomocą standardowego kalibratora terenowego i zweryfikować w laboratorium.
12. Ochrona środowiska. Zastosowania zewnętrzne i przemysłowe wymagają złączy, obudów i okablowania przystosowanych do warunków, jakie będą spełniać.

Gdzie pomiary ciśnienia akustycznego wychodzą źle

Po wystarczającej liczbie wizyt w serwisie raz po raz pojawia się ta sama garść błędów, a żaden z nich nie jest spowodowany niewłaściwą klasą instrumentu.

• Pomiar na wietrze bez przedniej szyby, a następnie zastanawianie się, dlaczego poziom niskich częstotliwości jest zawyżony.
• Stojąc pomiędzy źródłem a mikrofonem i mierząc odbicie, a nie źródło.
• Rejestrowanie poziomu zaledwie kilku decybeli powyżej tła i raportowanie go tak, jakby był to samo źródło.
• Wykorzystanie danych ważonych A do zbadania problemu niskiej częstotliwości, który ważony A miał za zadanie złagodzić nacisk.
• Zapominając, że pojedyncza wartość Leq nie może opisać źródła impulsów i całkowicie pomijając pomiary szczytowe.
• Kalibracja na początku badania, a nie na końcu, tak aby nic nie sprawdzało łańcucha w godzinach pomiędzy.
• Rejestrowanie tylko poziomów podsumowujących, a później odkrywanie, że interesujące pytanie wymagało kształtu fali.

Zwróć uwagę, jak wiele z tych problemów rozwiązuje się nie poprzez wydawanie większej ilości pieniędzy, ale poprzez wcześniejsze podjęcie decyzji, jakie dane mają odpowiedzieć. Krótki, pisemny plan pomiarów, zajmujący jedną stronę, zapobiega większości z nich.

Połączenie hałasu i wibracji

W praktyce ciśnienie akustyczne rzadko pojawia się samo. Głośna maszyna zwykle również wibruje, a te dwa pomiary odpowiadają na różne połowy tego samego pytania. Mikrofony rejestrują to, co słyszy operator; Akcelerometry i czujniki siły ujawniają, skąd pochodzi energia i w jaki sposób przemieszcza się przez konstrukcję, zanim wypromieniuje w postaci hałasu.

Ponieważ sprzęt do akwizycji jest wspólny, koszt krańcowy dodania kanałów wibracyjnych do pomiaru hałasu jest niewielki. Ten sam analizator rejestruje jednocześnie kanały mikrofonu, akcelerometru i siły, dzięki czemu śledzenie kolejności, analiza modalna i badania ścieżki transferu działają na danych zebranych podczas jednej sesji. Tam, gdzie pomiar akustyczny wymaga certyfikatu kalibracji, kanały wibracyjne wymagają własnej trasy kalibracji i oba korzystają z wspólnej weryfikacji przed uruchomieniem maszyny.

Często zadawane pytania

Czy miernik klasy 1 jest zawsze lepszym wyborem?

Nie automatycznie. Klasa 1 zapewnia węższe tolerancje i szerszy zweryfikowany zakres częstotliwości, co jest niezbędne, gdy wynik musi być formalnie broniony. Do rutynowych badań przesiewowych i porównań wewnętrznych, starannie używany przyrząd klasy 2 generuje liczby doskonale nadające się do użytku. Tym, co czyni obie klasy godnymi zaufania, jest dyscyplina kalibracji i rozsądna praktyka pomiarowa.

Czy aplikacja na smartfona może zastąpić miernik poziomu ciśnienia akustycznego?

Mikrofon telefoniczny jest przeznaczony do mówienia, a nie do metrologii. Jego charakterystyka częstotliwościowa jest nierówna, automatyczna kontrola wzmocnienia może być aktywna, a jego czułość bezwzględna nie jest identyfikowalna. Aplikacje na telefon przydadzą się do przybliżonego wskazania, czy w danym pomieszczeniu jest głośno, i do niczego, co wymaga odnotowania w raporcie.

Jak często należy kalibrować łańcuch?

Kontrole terenowe przed i po każdej sesji pomiarowej, bez wyjątku. Weryfikacja laboratoryjna przyrządu i kapsułki w odstępach czasu określonych przez system jakości lub przepisy, zgodnie z którymi pracujesz. Jeśli sprawdzenie w terenie wykracza poza margines akceptacji, całą sesję potraktuj jako podejrzaną.

Czy naprawdę potrzebuję danych dotyczących pasma oktawowego?

Jeśli chcesz wiedzieć, co to za hałas, a nie tylko jak głośno jest, to tak. Pojedynczy poziom ważony A nie mówi nic o tym, czy problem ma charakter tonalny, niskoczęstotliwościowy czy szerokopasmowy, a strategia łagodzenia jest w każdym przypadku zupełnie inna. Dane dotyczące pasma są również podstawą większości schematów oceny hałasu.

Ile powinien kosztować dobry miernik poziomu ciśnienia akustycznego?

Ceny odzwierciedlają możliwości, a nie markę. Miernik przesiewowy, przyrząd rejestrujący klasy 1 i wielokanałowy łańcuch analityczny mieszczą się w trzech wyraźnie oddzielnych przedziałach budżetowych, a czynnikiem decydującym powinno być to, który przedział odpowiada pytaniom, na które należy odpowiedzieć. Kupno jednej klasy powyżej swoich potrzeb jest niedrogie; zakup klasy niższej zwykle oznacza powtórzenie pracy.

Poszukiwanie najlepszego miernika poziomu ciśnienia akustycznego jest tak naprawdę kwestią celu pomiaru. Zdecyduj, co mają udowodnić dane, jak długo muszą przetrwać i kto może je ponownie sprawdzić, a arkusz specyfikacji stanie się znacznie łatwiejszy do odczytania. Najpierw wybierz kapsułę, następnie elektronikę konwertującą, a na końcu obudowę – następnie skalibruj cały łańcuch, zanim zaufasz choćby jednej wygenerowanej przez niego liczbie. Ten sposób myślenia dobrze nam się sprawdził na mostach, w halach maszynowych, laboratoriach i na placach budowy i będzie dobrze służył także Tobie.