DE2918947A1

DE2918947A1 - Vorrichtung zum messen der akustischen intensitaet

Info

Publication number: DE2918947A1
Application number: DE19792918947
Authority: DE
Inventors: Jean-Michel Lambert
Original assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Current assignee: Centre Technique des Industries Mecaniques CETIM
Priority date: 1978-05-10
Filing date: 1979-05-10
Publication date: 1979-11-22
Also published as: CH631262A5; FR2425632B1; GB2020807B; NL7903446A; GB2020807A; DK191979A; FR2425632A1

Description

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CENTRE TECHNIQUE DES INDUSTRIES MECANIQUES 52 Avenue Feiix-Louat

F-6o3oo Senlis

Vorrichtung zum Messen der akustischen Intensität

Die Erfindung betrifft die Untersuchung der Geräusche., welche von Schallquellen abgegeben werden, beispielsweise von industriellen Maschinen. Sie richtet sich auf eine Vorrichtung, die die Messung der akustischen Intensität an einem Punkt eines Schallfeldes zuläßt. Die akustische Intensität ist eine vektor!eile Größe, deren Richtung mit der Wanderrichtung der akustischen Energie übereinstimmt. Insoweit unterscheidet sie sich von den Schallpegeln, die von Schallmeßgeräten ermittelt werden. Die Vorrichtung zum Messen der akustischen Intensität spricht also auf die Fortpflanzrichtung der Schallwellen an und kann positive oder negative Werte anzeigen, nämlich für Schallwellen, die aus entgegengesetzten Richtungen kommen.

Die Erfindung schafft eine Vorrichtung zum Messen der

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akustischen Intensität, die gekennzeichnet ist durch mindestens ein Paar von zwei Meßfühlern für den akustischen Druck, insbesondere von zwei Mikrophonen, die Rücken an Rücken derart angeordnet sind, daß ihre auf den akustischen Druck ansprechenden Membranen parallel zueinander mit geringem Zwischenabstand angeordnet sind; durch zugehörige Schaltkreise zum Behandeln der elektrischen Signale, die von jedem der Meßfühler geliefert werden, wobei jeder Schaltkreis Einrichtungen zum Verstärken der Signale, Filtereinrichtungen, die den in Betracht gezogenen Frequenzbereich begrenzen, und analognummerische Wandlereinrichtungen umfassen, um gleichzeitig eine Reihe von nummerisch kodierten Signalen zu erzeugen, die charakteristisch sind für die genannten Signale zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten; und durch Recheneinrichtungen, die ausgehend von den nummerisch kodierten Signalen automatisch die Tourier-Fransformationen, die für jedes der genannten Signale repräsentativ sind, sowie die akustischen Intensitäten berechnen, die jeder der Frequenzen entsprechen, bei denen die Fourier-Transformationen berechnet worden sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung sind die FiItereinrichtungen derart regelbar, daß sie die Frequenzen oberhalb einer Maximalfrequenz ausschalten, welche für die Fourier-Analyse bestimmt ist und einer Wellenlänge entspricht, die mindestens gleich oder doppelt so groß wie der Abstand zwischen den beiden Meßfühlern ist. Wenn es sich bei dieser Frequenz um £_„_ handelt, so sind die aufeinander-

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folgenden Zeitpunkte zum Erstellen der nummerisch kodierten Signale von Zeitintervallen getrennt, die sämtlichst dem Wert At = 1/2 f entsprechen.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung bietet die Verwendung der zwei in geringem Abstand zueinanderliegenden Meßfühler die Möglichkeit, die Komponente der akustischen Intensität in der sogenannten Meßrichtung zu bestimmen, nämlich in der Richtung, die die Zentren der Membranen der Mikrophone mit-

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einander verbindet. Die Messung berücksichtigt die Phasendifferenz zwischen den von jedem der Meßfühler ermittelten Drücken. Die Anordnung der Meßfühler Rücken an Rücken bietet den Vorteil einer Symmetrie der Vorrichtung, bezogen auf die Meßrichtung. Auch ist das Ansprechen der Vorrichtung dasselbe für sämtliche Schallwellen, deren Portpflanzungsrichtung einen fest vorgegebenen Winkel mit der Meßrichtung bildet. Der Abstand, der die beiden Meßfühler trennt, legt die Hochfrequenzbegrenzung der Vorrichtung zum Messen der akustischen Intensität fest. Diese Begrenzung liegt um so höher, je kleiner der Abstand ist, weil die Wellenlänge nicht kleiner als das zweifache des die Meßfühler trennenden Abstands sein soll.

Die Schaltkreise zum Behandeln der Signale und die Recheneinrichtungen, mit denen die erfindungsgemäße Vorrichtung versehen ist, gestatten es, die Fourier-Transformationen auf zwei Spuren oder Kanälen gleichzeitig durchzuführen, und zwar derart, daß die Ermittlung der Phase des einen Signals bezüglich des anderen sichergestellt wird. Die nummerische Behandlung ermöglicht es, den Wert der Komponente der akustischen Intensität für jede Berechnungsfrequenz der Fourier-Transformationen zu erhalten. Die erzielte Information ist sehr viel detaillierter als dann, wenn man eine analoge Behandlung verwendet, die ein globales, über sämtliche Frequenzen integriertes Resultat liefert.

Die Vorrichtung nach der Erfindung kann beispielsweise dazu verwendet werden, die akustische Leistung einer Maschine an Ort und Stelle zu bestimmen. Die Integration einer Anzahl von Werten der akustischen Intensität auf einer die Schallquelle umgebenden Fläche ergibt die akustische Leistung dieser Schallquelle. Die Schallreflektion bzw. der Nachhall

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durch die lokalen Wände sowie das Vorhandensein von Neben-Schallquellen werden direkt berücksichtigt, d.h., ohne daß es erforderlich ist, die Messungen der akustischen Intensität nachträglich zu korrigieren. Tatsächlich wird die akustische Intensität in der Nähe einer Maschine im Gegensatz zum Schallpegel durch den örtlichen Nachhall nicht erhöht, da nämlich das Nachhall-Schallfeld diffus ist. Die stationären Schallquellen, die außerhalb der Meßfläche liegen, verändern das Resultat nicht, da ihr Beitrag an bestimmten Punkten positiv, an anderen negativ und insgesamt Null ist.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung. Die Zeichnung zeigt in:

Figur 1 ein schaubildliches Schema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Druckmeßfühlern;

Figur 2 die mechanische Anordnung der beiden Meßfühler;

Figur 3 eine Abwandlungsform gegenüber Figur 2, wobei eine Vorrichtung mit zwei Paaren von Meßfühlern dargestellt ist.

Im Zusammenhang mit Figur 1 soll anfänglich die dortige Anordnung beschrieben werden, die aus einem Paar von Meßfühlern und den zugehörigen Schaltkreisen besteht, wobei diese Anordnung für sich bereits eine Vorrichtung nach der Erfindung darstellt.

Das Paar von Meßfühlern nach Figur 1 besteht aus zwei

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Mikrophonen 1 und 2, die Kondensatoren aufweisen und mit Elektret-Effekt arbeiten. Diese Mikrophone besitzen den Vorteil, daß sie sehr geringe Abmaße (Dicke in der Größenordnung von 3 mm) aufweisen, wodurch die Möglichkeit besteht , die Mikrophone Rücken an Rücken derart zusammenzukleben, daß ihre beiden Membranen parallel zueinander sind und einen geringen Zwischenabstand einschließen, welcher beispielsweise kleiner als 10 mm sein kann. Der Abstand zwischen den beiden Membranen wird als Funktion des Frequenzbereichs gewählt j der bei den Berechnungen berücksichtigt werden soll. Der Abstand wird so bestimmt, daß er kleiner oder höchstens gleich der halben Wellenlänge entsprechend dem Frequenz-Maximalwert ist. Beispielsweise kann der Abstand zwischen den Membranen auf 7 mm festgelegt werden für einen Analysen-Frequenzbereich von 100 Hz bis 10 KHz. In der Praxis gestattet dieser Abstand auch noch das Analysieren sehr viel höherer Frequenzen, die bis zur höchsten hörbaren Frequenz (20 KHz) gehen, deren Wellenlänge 1,7 cm beträgt. Ein wesentlich beträchtlicherer Abstand zwischen den beiden Mikrophonen kann dazu verwendet werden, Messungen der akustischen Intensität in den niedrigsten hörbaren Frequenzen (20 Hz) durchzuführen.

Die von jedem der Mikrophone gelieferten Signale sind repräsentativ für die Änderungen des akustischen Drucks während einer Zeitspanne, die ausreichend kurz ist, so daß praktisch keine Veränderung der akustischen Charakteristika der überprüften Schallquelle auftreten. Diese Signale werden individuell von den in Figur 1 gezeigten Schaltkreisen behandelt. Jeder dieser Schaltkreise umfaßt einen Vorverstärker der, wenn dies auch aus Figur 1 nicht hervorgeht, tatsächlich in der Mikrophonkapsel angeordnet ist. Ferner ist ein Verstärker ¹J vorgesehen. Das verstärkte Signal kann ggf. auf

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einem Magnetträger gespeichert werden, um später von den Recheneinrichtungen behandelt zu werden.

Im Hinblick auf die nummerische Behandlung umfaßt jede Behandlungsspur bzw. jeder Kanal einen Tiefpaßfilter 5, der die Frequenzen oberhalb der vorbestimmten Maximalfrequenz der Analyse ausschaltet. Es werden sodann Proben der Signale genommen bzw. die Signale bemustert und in nummerische Form gebracht durch parallele Behandlung in zwei analog-nummerischen Wandlern 6. Blöcke von 512 aufeinanderfolgenden Werten des bemusterten Signals werden zu einem Rechner 7 geleitet, um dort mit Fourier-Transformationen behandelt zu werden. Unter diesen Bedingungen kann der Rechner die Fourier-Transformationen in reellen Anteilen und imaginären Anteilen für .256 Werte der Frequenz bestimmen.

Der nummerische Rechner gewährleistet gleichzeitig die Berechnung der Komponente der akustischen Intensität in der definierten Meßrichtung, und zwar ausgehend von den Fourier-Tranformationen der beiden Signale für die unterschiedlichen Berechnungsfrequenzen dieser Transformationen.

Bezeichnet man die akustischen Drücke auf der Höhe der Meßwertgeber mit p>(t) und p₂(t), so ergibt sich die gesamte oder globale akustische Intensität in der die beiden Zentren der Meßwertgeber verbindenden Richtung aus folgender Nähe- . rungsformel

T(P₁ + Po) Γ (P₁ - Po) dt 7

(1)

Dabei bedeutet ^* den Abstand,, der die Meßwertgeber trennt,

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und O die volumetrische Masse der Luft.

Hat man ausgehend von Signalen p.(t) und p₂(t) deren komplexe Fourier-Transformationen X. (f) und X₂ ("^) ¹°^e~ rechnet j wobei f die Frequenz bedeutet, so kann man die akustische Intensität als Funktion der Frequenz durch die folgende Formel (2) berechnen, die von der obigen Beziehung (1) abgeleitet ist:

^X1^X2 * ~-^Xi* ^X2

In diesem Ausdruck bedeutet K eine Konstante, die theoretisch gleich dem Wert ^τ/'* f ist, jedoch korrigiert werden kann, um die Diffraktion der Schallwellen durch die Vorrichtung zu berücksichtigen. Die Sterne dienen dazu, die konjugierte komplexe Zahl zu bezeichnen. ^ > bedeutet einen Mittelwert in der Zeit, und j steht für die komplexe Zahl V-1.

Als Variante kann man die Berechnungen der akustischen Intensität auch nach folgender Näherungsformel durchführen:

I (f) ~ —— J^X₁ X₂*7/ .-Argument (^X₁ X₂*> ) O)

In dieser Beziehung gibt das Argument des mittleren Kreuzspektrums < X.X„ ^ tatsächlich die Phasenverschiebung der Signale wieder, und zwar in Abhängigkeit von der Frequenz. I ^ -^1^-p ^l bezeichnet den Modul der komplexen Zahl

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Bei der praktischen Benutzung der Erfindung können die Berechnungen der akustischen Intensität durch die eine oder die andere der Formeln (2) bzw. (3) durchgeführt werden. Um die Unsicherheit des Resultats zu vermindern, verwendet man für jede Rechnung vorzugsweise eine statistisch bedeutende Anzahl von Proben der Vorgabewerte, beispielsweise mehrere hundert Proben. Ein Signal, das während einer Dauer in der Größenordnung von 30 Sekunden stationär ist, reicht aus, um eine entsprechende Probennahme zuzulassen. In diesem Falle führt man die Summierung der erhaltenen Kreuzspektren für jeden der Probenwerte durch.

Was den mechanischen Aufbau anbelangt, so sind die Mikrophone 1 und 2 gemäß Figur 2 am Ende einer Tragstange 8 befestigt, welche durch eine Hülse 9 verlängert ist, die die elektrischen Leitungen eng umschließt. Letztere verbinden die Mikrophone mit einer Stromquelle von 1,5 V und mit den Behandlungs-Schaltkreisen.

Bei der abgewandelten Ausfuhrungsform nach Figur 3 ist die Tragstange 8 der Mikrophone 1 und 2 außerdem mit einem rechtwinkligen Arm 10 versehen, an dessen Enden zwei zugehörige Mikrophone 11 und 12 montiert sind. Diese bilden ein Paar von Meßwertgebern entsprechend dem Paar von Mikrophonen 1 und 2, jedoch sind ihre Membranen weiter voneinander entfernt. Im Falle eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels, das jedoch keinerlei beschränkenden Charakter besitzt, weist die Vorrichtung zwei Paare von Meßwertgebern auf, von denen jedes Paar aus zwei Mikrophonen besteht, die Rücken an Rücken verklebt sind. Der Abstand, der die Mikrophone trennt, ist für jedes Paar nicht der gleiche. Das

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dichter zusammenliegende Paar ist derart angeordnet, daß der Abstand zwischen den Membranen der Mikrophone 7 mm beträgt. Es bietet die Möglichkeit, die Werte der akustischen Intensität für die Frequenzen zwischen 1 KHz und 10 KHz zu erhalten. Das zweite Paar ist derart angeordnet, daß der Abstand zwischen den Membranen der Mikrophone 12 cm beträgt. Es ermöglicht die Ermittlung der Werte der akustischen Intensität für den Frequenzbereich von 0 bis 1 KHz. Die Schaltkreise für die Behandlung der Signale und die Berechnung sind jeweils auf diese Frequenzbereiche eingeregelt, ihre prinzipielle Funktionsweise ist jedoch analog.

Die Erfindung soll in keiner Weise auf Einzelheiten der Ausfuhrungsformen beschränkt sein, die im Rahmen der bevorzugten Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind. Vielmehr umfaßt sie sämtliche ihrer Abwandlungsformen. Im einzelnen gilt, daß die Membranen der beiden Paare von Mikrophonen bei der Ausführungsform nach Figur 3 sämtlichst parallel zueinander stehen, daß es jedoch auch vorteilhaft sein kann, die Membranen des zweiten Paares senkrecht zu denen des ersten Paares auszurichten.

Zusammenfassend richtet sich die Erfindung auf akustische Maßnahmen. Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt mindestens ein Paar von zwei Rücken gegen Rücken verklebten Mikrophonenj Mittel zur analog-nummerischen Umwandlung, um eine Reihe von nummerisch kodierten Charakteristika der Signale in. aufeinanderfolgenden Zeitpunkten zu erstellen; und Mittel zum automatischen Berechnen - ausgehend von den nummerisch kodierten Charakteristika - der jedes der Signale wiedergebenden Fourier-Transformationen und der entsprechenden akustischen Intensitäten für jede der Frequenzen der Fourier-

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Tranformationen der beiden Signale. Die Erfindung umfaßt ferner die Anwendung auf die Geräuschuntersuchung von Maschinen.

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Leers.eite

Claims

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1. Vorrichtung zum Messen der akustischen Intensität, gekennzeichnet durch

mindestens ein Paar von zwei parallelen Meßfühlern (1,2; Iljl2) für den akustischen Druck_s die in unterschiedlichen Ebenen mit geringem Zwischenabstand angeordnet sind und symmetrisch zu einer Meßrichtung liegen, die ihre Zentren verbindet; durch zugehörige Schaltkreise zum Behandeln der elektrischen Signale in Funktion vom akustischen Druck, die von den Meßfühlern geliefert werden, wobei jeder Schaltkreis Einrichtungen (3,4) zum Verstärken der Signale, Piltereinrichtungen (5), die den in Betracht gezogenen Frequenzbereich begrenzen, und analog-nummerische Wandlereinrichtungen (6) umfassen, um eine Reihe von nummerisch kodierten Signalen zu erzeugen, die charakteristisch sind für die genannten Signale zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten; und'durch Recheneinrichtungen (7), die ausgehend von den nummerisch kodierten Signalen automatisch die Fourier-Transformationen, die für jedes der genannten Signale repräsentativ sind, sowie die akustischen Intensitäten berechnen, die jeder der Berechnungsfrequenzen der Fourier-

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Transformationen der beiden Signale entsprechen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die FiItereinrichtungen (5) so regelbar sind, daß sie die Frequenzen oberhalb einer Maximalfrequenz ausschalten, welche der durchgeführten Fourier-Analyse sowie einer Wellenlänge entspricht, die mindestens gleich oder doppelt so groß wie der Abstand zwischen den beiden Meßfühlern (1,2;11,12) ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß sie zur Bildung der beiden Meßfühler zwei Mikrophone (1,2; 11,12) aufweist, die Rücken an Rücken derart angeordnet sind, daß ihre auf den akustischen Druck ansprechenden Membranen mit geringem Zwischenabstand parallel zueinander liegen.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,

daß zwei analoge Mikrophonpaare (1,2;11,12) vorgesehen sind, deren Membranen jedoch in einem unterschiedlichen Abstand zueinander liegen, wobei ihnen Behandlungs-Schaltkreise und Recheneinrichtungen zugeordnet sind, die auf zugehörige, unterschiedliche Frequenzbereiche einstellbar sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

daß die Mikrophone (1,2;11,12) mit Elektret-Effekt arbeiten.

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