ISKANJE VIROV HRUPA Z UPORABO AKUSTIČNIH SENZORJEV IN MIKROFONSKE MATRIKE

ISKANJE VIROV HRUPA Z UPORABO AKUSTIČNIH SENZORJEV IN MIKROFONSKE MATRIKE 1 UVOD Mehanizmi nastajanja hrupa se razlikujejo pri različnih tipih naprav in pri različnih režimih obratovanja, vključujoč prehodne režime (poki, pojav zastojnih vrtincev, prečrpavanja), pri katerih prihaja do povečanega hrupa.»realni viri hrupa (stroji in naprave) so sestavljeni iz večjega števila elementarnih virov zvočnega valovanja. Kateri elementarni vir največ prispeva k celotni ravni zvočnega valovanja in kolikšen je ta delež, je težko ugotoviti. Prav tako je težko ugotoviti, kako amplituda zvočnega valovanja iz posameznega elementarnega vira pada z oddaljenostjo in kakšno je fazno ujemanje z drugimi elementarnimi viri. Zadeva je toliko bolj kompleksna, ker so parametri in njihove medsebojne povezave odvisne od frekvence«[1]. Dr. Nikola Holeček Vodja Akustike Da bi zmanjšali hrup, je najprej potrebno ugotoviti, od kod prihaja. To je lahko zapleten problem, vendar v praksi obstajajo številni načini za dosego tega cilja. Zbrani so pod generičnim izrazom Identifikacija Izvora Zvoka (Noise Source Identification - NSI). To so številne tehnike, ki so se začele razvijati v osemdesetih letih prejšnjega stoletja za pomoč pri vizualnem razpoznavanju zvočnih virov na strojih in napravah. V tem prispevku je podan pregled nekaterih NSI metod in opisani praktični merilni rezultati na različnih gospodinjskih aparatih. Metode vizualizacije zvočnih virov se ločijo na tiste, ki delujejo v bližnjem zvočnem polju, in na tiste, ki delujejo v daljnem zvočnem polju (Slika 1). V našem laboratoriju smo uporabljali/uporabljamo sledeče merilne tehnike: 1. Tehnika mapiranja zvočne intenzitete (zvočne jakosti, gostote energijskega toka) Pogosto uporabljen način merjenja je uporaba merilnega senzorja (sonda za zvočno intenziteto, tj. dva povezana mikrofona, ki ju ločuje distančnik). Merjenje zvočnega tlaka na obeh mikrofonih in vnaprej določene razdalje med njima nam omogoča kalkulacijo zvočne intenzitete. 2. Akustična holografija v bližnjem polju (Nearfield Acoustic Holography - NAH) Uporabljamo matriko mikrofonov (array), s katero se posname interferenčni vzorec, ki omogoča prikaz zvočnih posnetih slik v dveh ali s posebno tehniko v treh dimenzijah. 3. Rekonstrukcija zvočnih žarkov (Beamforming - BF) Izvajamo jo z mikrofonsko matriko v daljnem zvočnem polju, na kateri lahko vzorčimo polje zvočnega tlaka. Na osnovi tega rekonstruiramo zvočno polje na vseh površinah, ki so vzporedne mejni površini vira zvočnega valovanja. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 9

V prispevku je podan pregled metod za iskanje izvorov zvoka (NSI metod), ki se jih poslužujemo v Gorenju, in opisani praktični merilnimi rezultati pri različnih gospodinjskih aparatih. Slika 1: NSI tehnike (holografija, mapiranje intenzitete in beamforming) glede na oddaljenost od vira, tj. v bližnjem polju (near field) in daljnem polju (far field) 4. Kombinirana akustična holografija in beamforming Uporabljamo obliko kombinirane NAH in BF metode, poimenovano Statisticaly Optimized Nearfield Holography - SONAH. Opisane merilne metode in ustrezni merilni sistemi nam v Akustičnem laboratoriju omogočajo vizualizacijo zvočnega polja, ki nam koristi za: lociranje dominantnih virov hrupa na strojih in napravah, določanje zvočne moči, ki jo sevajo ti zvočni viri, rangiranje parcialnih zvočnih virov, študij učinkov potencialnih ukrepov za zmanjšanje hrupa in modifikacijo zvočnega vira. 2 TEHNIKA MAPIRANJA ZVOČNE INTENZITETE Zvočna intenziteta je vektorska veličina, ki meri tok akustične energije od A do B. Tok zvočnih valov, ki gre mimo neke točke v prostoru, spremlja tok akustične energije. Zvočna intenziteta na specifični točki in smeri v zvočnem polju je enaka energijskem akustičnem toku valovanja v času na enoto površine (W/m 2 ). To je vektorska količina, zvočni tlak in zvočna moč pa sta skalarni količini. Če je točkovni zvočni vir zvočne moči W v vatih obdan z imaginarno sferično površino S z radijem r, površine območja S = 4πr 2, potem je zvočna intenziteta z radialno smerjo na katerikoli točki površine: I = W = W [W/m 2 ] S 4πr 2 (1) Nivo intenzitete zvoka L I je definiran z naslednjo enačbo: L 1 = 10Log 10 I ( ) I 0 [db] (2) GIB letnik 25. št. 04-06/2016 10

Prednost tehnike mapiranja zvočne intenzitete je v tem, da je izvedba relativno enostavna, saj potrebujemo le dvokanalni analizator, sondo za izračun intenzitete in programsko opremo za mapiranje. V primeru točkovnega vira v prostem polju bosta nivo zvočnega tlaka L p in L I na isti točki v polju približno enaka. Za to praktično razmerje je izbrana referenčna zvočna intenziteta, definirana kot I 0 = 1 pw /m 2. Vektorske karakteristike zvočne intenzitete smo uporabljali za lokalizacijo zvočnega izvora v kompleksnih virih v gospodinjskih aparatih. Testirajo se tiste parcialne površine, ki oddajajo največ hrupa. Te meritve dajo oceno amplitude in frekvence hrupa, ki ga ta območja ustvarjajo. Slika 2: Vizualizirana zvočna intenziteta na rešetki kompresorskega prostora hladilnika Slika 3: Trodimenzionalna slika zvočne intenzitete na osnovi meritve v bližnjem polju v 26 točkah okoli prototipa univerzalnega malega gospodinjskega aparata. Na desni je rangirana zvočna moč vseh stranic. V procesu meritev smo definirali merilno mrežo okrog zvočnega vira, merilne točke in nadalje vstavili ustrezna merila v programsko opremo za mapiranje. Na Sliki 2 je prikaz vizualizirane zvočne intenzitete (zvočne slike/slike sevanja, sound image) na rešetki kompresorskega prostora hladilnika. Okrog zvočnega vira je bila postavljena hipotetična mreža merilnih točk, razdeljena na enake segmente. Zvočna intenziteta je bila s sondo za zvočno intenziteto merjena v vsakem segmentu pravokotno na merilno površino. Na ta način so bila določena mesta, ki so bila nato akustično modificirana za zmanjšanje gostote energije zvočnega sevanja. Slika 3 kaže tako tridimenzionalno mapo zvočnega polja ter zvočno rangiranje merilnih ploskev. Merilne točke so na presečiščih merilne mreže na hipotetičnem paralelepipedu. Med točkami je potrebno nekaj ekstrapolacije za izboljšanje kakovosti zvočne mape. Izbran frekvenčni razpon sega od 100 Hz do 10.000 Hz, na intervalih 1/3 oktave. Možno je tudi ozkopasovno mapiranje zvočne intenzitete. A-Weighted Freq:20.0-10.0k Hz Total Power Level: 80.4 db+ ZADAJ SPREDAJ LEVA DESNA ZGORAJ 75.3 db+ 74.8 db+ 73.7 db+ 71.4 db+ 68.9 db+ GIB letnik 25. št. 04-06/2016 11

Prednosti metode akustične holografije bližnjega polja so, da se le-ta lahko uporablja za meritve nestacionarnih zvočnih virov in da se zvočno polje lahko rekonstruira iz samo ene izvedene meritve in to na vsaki ravnini, ki je vzporedna s prvotno merjeno ploskvijo in za vsak akustični parameter (zvočni tlak, zvočno intenziteto oz. hitrost delcev). Prednost opisane tehnike je v tem, da je izvedba relativno enostavna, saj potrebujemo le dvokanalni analizator, sondo za izračun intenzitete in programsko opremo za mapiranje. Ključna pomanjkljivost te metode je dolgotrajnost meritev in da je uporabna samo pri stacionarnih zvočnih procesih. Dejstvo je, da z mapiranjem lahko dobimo le vedenje o zvočnem polju na ravnini, kjer se opravljajo meritve. 3 AKUSTIČNA HOLOGRAFIJA V BLIŽNJEM POLJU (NEARFIELD ACOUSTIC HOLOGRAPHY - NAH) Tehniko akustične holografije bližnjega polja so začeli razvijati na začetku tega stoletja. Mikrofoni so postavljeni na način, da zajamejo serijo akustičnih»posnetkov«zvočnega polja v časovnem zaporedju. Ti»posnetki«se lahko uporabljajo za izračun zvočnega polja na vsaki površini, ki je vzporedna s prvotno merjeno ploskvijo kot funkcijo prostora in časa. To omogoča, da rekonstruiramo zvočno polje bliže površini, ki oddaja zvok oz. bolj oddaljeno od nje. Slika 4: Oprema za vizualizacijo zvočnih polj. Na levi je sistem PULSE, na desni 60-mikrofonska matrika. Razvrstitev mikrofonov je primerna za metode NAH, BF in SONAH. Uporablja se v bližini vira za NAH in se potem premakne v daljno polje za BF / SONAH. Prednosti NAH so, da se ta metoda lahko uporablja za meritve nestacionarnih zvočnih virov in da se zvočno polje lahko rekonstruira iz samo ene izvedene meritve in to na vsaki ravnini, ki je vzporedna s prvotno merjeno ploskvijo in za vsak akustični parameter (zvočni tlak, zvočno intenziteto oz. hitrost delcev). Pomanjkljivost je v tem, da je gornja frekvenčna meja funkcija razdalje med mikrofoni na mikrofonski matriki (meritve višjih frekvenc zahtevajo več mikrofonov na enoto površine). To določa zgornjo frekvenčno mejo NAH, ki znaša med 5 khz in 6 khz. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 12

Glavne prednosti beamforminga so hitrost opravljanja meritev, uporaba na objektih večjih dimenzij in dobra resolucija na visokih frekvencah (glavna pomanjkljivost NAH). Slika 5: NAH vklopljenega motorja v pralnem stroju. Skupna zvočna slika pralnega stroja: levo brez izolacije, v sredini z izolacijo in desno z zvočno zaveso Na Sliki 5 so podani rezultati meritev na pralnem stroju, kje je elektromotor identificiran kot dominanten vir hrupa. 4 REKONSTRUKCIJA ZVOČNIH ŽARKOV (BEAMFORMING BF) Tretja tehnika NSI je beamforming - BF. Tudi ta uporablja razporeditev mikrofonov na mikrofonski matriki, vendar je obvezna naključna postavitev mikrofonov (razvrstitev v različnih smereh brez dejanskega fizičnega premika). Ta postopek se lahko uporabi za rekonstrukcijo slike zvočnega polja na katerikoli razdalji od mikrofonske matrike. Tako kot NAH je tudi to izredno hiter postopek, kjer se lahko vsi rezultati preračunajo iz ene same meritve. Rezultati se lahko predstavijo kot širokopasovni, 1/n oktavni oz. kot ozkopasovni zvočni tlak. Če naredimo nekaj predpostavk glede zvočnega polja, se le-ti lahko izrazijo kot zvočna intenziteta in končno tudi zvočna moč skozi definirano površino. Meritve se opravljajo v daljnem zvočnem polju. BF deluje najbolj optimalno na srednjih in visokih frekvencah. Resolucija je funkcija valovne dolžine, ki na nek način degradira nižje frekvence [2]. BF deluje v daljnem zvočnem polju objekta (zvočnega vira) in v prosti zvočni okolici (gluha soba). Dinamično območje metode je zelo majhno, še posebej pri majhnih valovnih številih. Osnova metode rekonstrukcije zvočnega žarka temelji na enačbi 3, ki izračunava izhodni signal BF v funkciji tlaka na posameznem mikrofonu. (3) Pri tem je p m zvočni tlak na posameznem mikrofonu (m od 1 do M = 60), kotna frekvenca, k = -k, k je vektor valovnih števil ravnega vpadnega valovanja za smeri, v katere je usmerjena mreža mikrofonov, k = /c je valovno število, w m je koeficient za utežitev. Skozi nastavitev fazne razlike na posameznem mikrofonu Δ m (k) nastavimo usmerjenost mreže mikrofonov. Usmerimo jo za poljuben kot pri predpostavljenem ravnem valovanju in izmerimo raven zvočnega valovanja, ki prihaja iz tiste smeri [1]. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 13

Slika 5: Beamforming hladilnika, ki emitira različne poke, povzročene z dilatacijami v materialu. Posneli smo časovno 3 poke za analizo lokacije, frekvence in zvočne moči posameznega poka (spodaj). Na Sliki 5 so prikazane meritve (125 4000 Hz) dilatacijskih pokov pri hladilniku. Analiza zvočne moči po posameznih tercah razkrije, da je skupen nivo zvočne moči v primeru prvega poka 83 db, v primeru drugega 72 db in tretjega 84 db (Slika 6). Večina zvočne moči je nad 70 db skoncentrirana v višjem frekvenčnem območju, nad 1000 Hz. Slika 6: Nivo zvočne moči za posamezen pok (na vrhu prvi pok, v sredini drugi in spodaj tretji) v frekvenčnem območju od 125 Hz 4000 Hz. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 14

Glavne prednosti beamforminga so hitrost opravljanja meritev, uporaba na objektih večjih dimenzij in dobra resolucija na visokih frekvencah (glavna pomanjkljivost NAH). Pomanjkljivosti so slaba nizkofrekvenčna resolucija in potrebna previdnost pri tolmačenju zvočnih slik. Vzrok je v tem, da ima postavitev mikrofonov v svojem odzivu nekatere stranske učinke, tj. imaginarni viri zvoka (ghost images). 5 KOMBINIRANI METODI NAH IN BF NAH tehnika se je pokazala kot zelo dobra pri nizkofrekvenčnem in srednjefrekvenčnem območju, medtem ko je BF sistem dober pri srednjih in visokih frekvencah. V praksi kombiniramo oba sistema meritev ter uporabljamo ustrezne distance za pridobitev rezultatov v celotnem frekvenčnem območju. Z razširitvijo na prehodne pojave pri virih hrupa se je razvoj NSI dopolnil z uvedbo SONAH algoritma (Statically Optimized Near-filed Acoustical Holography = Statično optimizirana akustična holografija bližnjega polja). Nadaljnji razvoj teh tehnik je konformno mapiranje, pri katerem izdelana mapa sledi površini vira ter na veliko enostavnejši način omogoča vizualizacijo zvočnih virov. Gre za povsem novo tehniko, ki je še v povojih [4]. Slika 7: Prikaz dveh zvočnih virov pri pomivalnem stroju Na Sliki 7 je prikazano sevanje dveh zvočnih virov, ki se pojavita pri pomivalnem stroju na sprednji površini pri frekvenci 2500 Hz. Nastavitev meritev zvočne intenzivnosti nam omogoča, da lahko določimo zvočno moč vsakemu viru posebej. Z rdečo piko se postavimo v središče enega ali drugega vira in odčitamo vrednosti zvočne moči s pripadajočimi podatki. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 15

Nova, sodobna merilna oprema, ki smo jo v podjetju pridobili v začetku leta 2015, nam omogoča uporabo opisanih metod za iskanje izvorov zvoka in kvalitetnejše diagnosticiranje vzrokov hrupa pri gospodinjskih aparatih. Slika 8: Prikaz primerjave sevanja vseh štirih stranic istega merjenca 6 ZAKLJUČEK NSI tehnike se uvajajo in izpopolnjujejo že dobrih štirideset let. Cenovno je najugodnejša metoda mapiranja zvočne intenzitete, saj lahko nudi kljub enostavni izvedbi relativno dobre rezultate. Ostale navedene metode NSI so veliko zmogljivejše, ker se lahko uporabljajo pri nestacionarnih virih hrupa ter nudijo rekonstrukcijo zvočnega polja tam, kjer ni merilne ravnine (measurement plane). Metoda BF je novejša metoda merjenja prostorskih zvočnih polj, ki dopolnjuje že prej široko uporabljeno akustično holografijo v bližnjem zvočnem polju (Near field Acoustic Holography NAH). BF ni alternativa NAH metodi, temveč njena dopolnitev in razširitev. Že od samega začetka uporabe NAH je bila njena šibka točka ločljivost v zgornjem delu frekvenčnega obsega. Omejena je z razdaljo med mikrofoni, ki pa ne sme biti večja kot ½ valovne dolžine (npr. za frekvenco 2 khz je največja razdalja med mikrofoni 8,5 cm). Posledično to pomeni zelo veliko število mikrofonov. Zaradi principa zakasnitve in seštevanja, ki ga uporablja BF, je pri višjih frekvencah potrebno bistveno manj mikrofonov kot pri NAH, ker je razdalja med mikrofoni lahko večja. Vpliv imaginarnih izvorov zvoka (ghost images) pa je izločen s posebej načrtovano nepravilno porazdelitvijo geometrije mikrofonov. Večja razdalja med mikrofoni pomeni tudi, da je z BF mogoče z eno meritvijo pokriti bistveno večje površine kot z NAH, kjer je velikost matrike enaka merjeni površini [5-7]. Menjava mikrofonskih matrik (array) med NAH, ki ima pravilno in enakomerno porazdelitev mikrofonov, in BF z nepravilno porazdelitvijo mikrofonov, se je za uporabnika pokazala kot dokaj nepraktična. Razvoj je prinesel dobre rezultate v obliki kombinirane NAH in BF metode SONAH. S pomočjo algoritma SONAH je bilo mogoče za NAH metodo namesto pravilne pravokotne porazdelitve mikrofonov uporabiti matriko z nepravilno porazdelitvijo mikrofonov, torej enako kot pri BF. Posledično ni več potrebe po ločenih matrikah mikrofonov, saj lahko z eno univerzalno matriko, ki je nameščena v neposredni bližini merjenca, pokrijemo področje nizkih frekvenc in z isto matriko iz večje oddaljenosti, področje višjih in visokih frekvenc. Matrika mikrofonov, ki smo jo pri identifikaciji zvočnih virov uporabili v laboratoriju za akustiko, ki so prikazane na slikah 2-8, podpira kombinirano metodo SONAH in s tem nizkofrekvenčno in visokofrekvenčno območje. Za doseganje dobre ločljivosti pri nizkih frekvencah smo matriko približali viru in tako pokrili tudi nižje frekvence. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 16

Kakšne pa so prednosti uporabe matrike v primerjavi s klasičnim akustičnim senzorjem (sondo za zvočno intenziteto)? Oba sistema meritev sta namenjeni prepoznavanju in oceni zvočnih virov. Bistvena razlika se odraža v učinkovitosti merjenja. Za meritev z matriko in SONAH računsko metodo je dovolj le nekaj deset sekund meritev in zvočna slika za celotno površino je že na voljo. Podlaga za zvočno sliko je meritev zvočnega tlaka ali zvočne intenzitete, ki je ključen podatek za izračun zvočne moči. Za kvantifikacijo zvočnih virov namreč ni dovolj imeti le slike, pač pa predvsem meritev, ki omogoča medsebojno primerjavo po kriteriju nivoja zvočne moči. Za izračun celotne zvočne moči merjenca program samodejno sešteje parcialne zvočne moči. Prav zaradi hitrosti in enostavnosti merjenja je metoda SONAH zelo primerna za: preverjanje izboljšav in optimizacijo v fazi razvoja izdelka, spremljanje učinkov sprememb v konstrukciji ali uporabi različnih dušilnih materialov, primerjavo hrupnosti izdelkov istega proizvajalca ali z izdelki konkurentov (benchmarking), prikaz zvočne slike za izbrano frekvenco ali poljubno izbran frekvenčni pas (delta cursor), rangiranje zvočnih virov po zvočni moči, ki je produkt površine in povprečne intenzitete, pregledno in napredno upravljanje velike količine izmerjenih rezultatov s pomočjo SQL (Structured Query Language - strukturirani povpraševalni jezik za delo s podatkovnimi bazami) baze podatkov, atraktiven prikaz rezultatov merjenja, ki je primeren za namene propagande trženja izdelkov. Nova, sodobna merilna oprema, ki smo jo v podjetju pridobili v začetku leta 2015, nam omogoča uporabo opisanih metod za iskanje izvorov zvoka in kvalitetnejše diagnosticiranje vzrokov hrupa pri gospodinjskih aparatih. LITERATURA [1] J. Prezelj, Primerjava različnih metod za vizualizacijo zvočnih virov, Ventil, 12/5 (2006). [2] J. Christensen and J. Hald, Beamforming. B&K technical review, 2004. [3] J. Hald. Patch near field acoustical holography using a new statistically optimal method. B&K technical review, str. 40, 2005. [4] R. Upton, M. Quickert, Application of noise source identification techniques to consumer s products with illustration on a dishwasher machine and copying machine, Proceedings of Internoise, 2006. [5] J. D. Maynard, E. G. Williams, Nearfield Acoustic Holography: Theory of the Generalized Holography and the Development of NAH, JASA, 78(4) October 1985. [6] B. Béguet, Jean-Louis Chauray, Filip Deblauwe, Practical Aspects for Acoustical Holography, Internoise 97, Letn. 3, str. 1301-1306. [7] T. Bravo and C. Maury, Inverse Source Strength Reconstruction Techniques for Ducted Acoustic Sources, ICSV 2008, str. 696-703. GIB letnik 25. št. 04-06/2016 17