DE3625396C2 - Akustische Eichvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine akustische Eichvorrichtung für Intensitätsmeßsysteme umfassend mindestens zwei Druckmikrophone.

Meßmikrophone sind weitgehend zum Messen von Schalldrücken verwendet worden. In vielen akustischen Untersuchungen hat es sich aber als zweckmäßiger erwiesen, die Schallstärke, die eine Vektorgröße ist, vor dem Schalldruck, die eine Skalargröße ist, zu messen. Die Schallstärke einer Schallquelle ist z. B. durch Integration der Schallstärke über eine die Schallquelle umschließende Fläche bestimmbar. Es besteht somit kein Bedarf an einem besonders schalltoten Raum. Sogar ein kräftiges Nebengeräusch beeinflußt nicht die Meßergebnisse nachteilig, da Schallquellen außerhalb der umschließenden Integrationsfläche nicht zur integrierten Schallstärke beitragen.

Intensitätsmessung basiert oft auf einer 2-Mikrophon-Technik, wie z. B. von Finn Jacobsen im Rapport Nr. 28, 1980 von DTH, Akustisk Laboratorium (Die Technische Hochschule Dänemarks, Akustisches Laboratorium): "Measurement of sound intensity" beschrieben. In Kürze basiert das Verfahren auf der Annäherung, daß der Intensitätsvektor in einem stationären Schallfeld in einem bestimmten Punkt gleich dem zeitlichen Mittelwert das Produktes aus dem Augenblicksdruck und dem dazu entsprechenden Partikelgeschwindigkeitsvektor in demselben Punkt ist, und daß die Partikelgeschwindigkeit vom Druckgradient im Punkt hergeleitet werden kann. Dieser Druckgradient ist annähernd gleich der Druckdifferenz zwischen zwei Punkten, die sich im geringeren Abstand vom Referenzpunkt befinden, geteilt durch den Abstand zwischen den beiden Meßpunkten.

Eine Voraussetzung, daß die Verfahren in der Praxis und besonders bei niedrigen Frequenzen verwendbar ist, ist, daß die beiden Druckmikrophone gegenseitig außerordentlich gut zusammenpassen, besonders mit bezug auf ihre Phasencharakteristiken, wenn Meßfehler zu vermeiden sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine akustische Eichvorrichtung zu schaffen, mit der Druckmikrophone ohne Verwendung eines schalltoten Raums geeicht werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Eichvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst. Der akustische Widerstand in Verbindung mit dem nachfolgenden Hohlraum bildet ein akustisches RC-Glied, das eine Phasendrehung proportional zu der Frquenz erzeugt, und dies entspricht den Verhältnissen im freien Feld. Bei einer angemessenen Dimensionierung des RC-Glieds wird eine Phasendrehung erreicht, die der Phasendrehung über einen Abstand von z. B. 50 mm im freien Feld entspricht. Die betreffende Schallquelle kann entweder weißes Geräusch oder hellrotes Geräusch erzeugen, abhängig davon, ob über feste Frequenzintervalle oder relative Frequenzintervalle gemessen wird.

Der akustische Widerstand kann z. B. aus einer Lamellenkonstruktion aus radial verlaufenden Lamellen bestehen, die zu einem ringsumlaufenden Hohlraum mit eben verteilten Öffnungen hinaus geführt sind, indem der akustische Widerstand durch Entfernung einer oder mehrerer Lamellen veränderbar ist.

Demzufolge wird es verhältnismäßig leicht, den akustischen Widerstand mit einer gewünschten hohen Genauigkeit nachzustellen.

Daß das akustische Widerstandselement eine gewisse Massenreaktanz aufweist, kann vorteilhaft ausgenutzt werden, da hierdurch ein gleichmäßigerer Schalldruck in den zwei Kammern des Kopplers über einen Frequenzbereich erreichbar ist.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Eichvorrichtung für Intensitätsmeßsysteme, umfassend mindestens zwei Druckmikrophone,

Fig. 2 einen Kopplerkreis der Eichvorrichtung,

Fig. 3 den Druck als Funktion der Frequenz, und

Fig. 4 den Druck als Funktion der Frequenz, indem ein Widerstandselement einer geringeren Massenreaktanz hier verwendet ist.

Eine akustische Eichvorrichtung ist vorgesehen, die in Verbindung mit einem druckmikrophonbasierten Intensitätsmeßsystem eine wohldefinierte Intensität simulieren kann.

Die Eichvorrichtung besteht aus einem Koppler und einer oder mehreren Schallquellen. Der Koppler wird - ungeachtet welche Quelle verwendet wird - die Phase zwischen seinen beiden akustischen Signalen proportional zu der Frequenz drehen, wie es der Fall zwischen zwei Punkten in einem freien Feld ist.

Der Koppler kann z. B. zur Erzeugung einer Phasendrehung, die der Phasendrehung über einen Abstand von 50 mm im freien Feld entspricht, gestaltet werden.

Dies kann in der Praxis über ungefähr 5 Oktaven (20 Hz bis 640 Hz) zufriedenstellend erfolgen, gleichzeitig damit, daß die Amplituden der beiden Kopplerdrücke ungefähr gleich groß sind.

Der Koppler ist z. B. in Verbindung mit einer akustischen Schallquelle, die ein hellrotes Geräusch (- 3 dB/Oktav) zwischen ungefähr 20 Hz und 5 kHz abgibt, verwendbar. Der Restintensitätsindex eines Meßsystems ist durch eine solche Quelle kontrollierbar. Die Messungen sind ferner so einfach, daß sie am Meßort ausführbar sind. Eine Schallquelle mit diskreten Frequenzen, z. B. ein Pistonphon, kann alternativ verwendet werden.

Der Koppler weist zwei durch ein akustisches Widerstandselement 3 gegenseitig verbundene Hohlräume 1, 2 auf - vgl. Fig. 1. Die Schallquelle 4 ist an den ersten Hohlraum 1 angeschlossen; der Schall breitet sich durch den Widerstand 3 zum zweiten Hohlraum 2 aus. Der Schalldruck im zweiten Hohlraum 2 ist dann proportional zu der Frequenz phasengedreht, und der Druck im zweiten Hohlraum 2 wird in der Praxis gleich dem Druck im ersten Hohlraum 1 bei kleinen Phasendrehungen sein. Ein Kopplerkreis ist in Fig. 2 gezeigt, der außer auf die erwähnten Parameter auch auf Leckage in den beiden Hohlräumen, akustische Masse im Widerstandselement und Wärmeleitungswirkung der Innenflächen der beiden Hohlräume, also auf den Übergang zwischen dem adiabatischen und dem isothermischen Verdichtungsverfahren in den Hohlräumen, Rücksicht nimmt.

Es kann durch dieses Modell illustriert werden, daß nur das Widerstandselement 3 in der Praxis z. B. bei 250 Hz, das eine ideale Frequenz für Intensitätssimulierung ist, kritisch sein wird.

Bei Messung der Restintensität werden die beiden Mikrophone einander gegenüber in einem Hohlraum angebracht. Nur die Membrane - und nicht die Druckausgleichkanäle - werden dem Schalldruck ausgesetzt.

Gesinterte akustische Widerstände aus z. B. rostfreiem Stahl können verwendet werden. Um einen Abstand zwischen den Mikrophonen von 50 mm in einem freien Feld zu simulieren, muß der gesamte Widerstand ungefähr 2 × 10⁶Ns/m⁵ für einen Hohlraum von ungefähr 10 cm³ sein. Alternativ können Lamellenkonstruktionen verwendet werden, die aus radial verlaufenden Lamellen bestehen, die zu einer ringsumlaufenden Rille eines ringsumlaufenden Hohlraums mit eben verteilten Öffnungen hinaus geführt sind, indem der akustische Widerstand ∆R durch Entfernung einer oder mehrerer Lamellen veränderbar ist - vgl. Fig. 1.

Da die Mikrophone mit bezug auf Empfindlichkeit (Amplitude und Phase) nicht ganz symmetrisch um ihre Achsen sind, ist ein Schallfeld im Koppler vorgesehen, der, wo die Mikrophone einander gegenüber angebracht sind, so symmetrisch wie möglich ist.

Eichen des Kopplers

Ein Phasenwinkel wird mit dem einen Mikrophon im ersten Hohlraum 1 und dem zweiten Mikrophon im zweiten Hohlraum 2 mittels zwei willkürlicher Mikrophonkanäle gemessen. Danach werden die Mikrophone zwischen den beiden Hohlräumen 1, 2 vertauscht, und der Phasenwinkel Φ wird wieder gemessen. Bei einer angemessenen Optimierung der Meßaufstellung ist der Phasenwinkel mit einer Genauigkeit meßbar, die wesentlich kleiner als 0,1° oder kleiner als 0,5% der 13,11°, die für 50 mm bei 250 Hz nominell sind, ist.

Die Drücke P₁ und P₂ im Koppler werden im Verhältnis zum Druck an der Quelle 4 gemessen, wonach eine simulierte Partikelgeschwindigkeit V und Intensität I gemäß den untenstehenden Formeln berechnet werden kann

die Frequenz ω wird auch während des Eichens gemessen.

Beim Eichen eines Intensitätsmeßgeräts mit dem Koppler wird der Koppler innerhalb weiter Grenzen die Phase proportional zu der Frequenz drehen, weshalb die Frequenz der Schallquelle nicht kritisch sein wird. Die Ebene der Partikelgeschwindigkeit und der Intensität werden von den Phasenänderungen in der Schallquelle 4 nicht beeinflußt.

Das aufgestellte Modell ist ferner zum Analysieren des Einflusses des statischen Drucks verwendet worden. Es hat sich erwiesen, daß der Koppler, verwendet zusammen mit der betreffenden Schallquelle, gegenüber einem Meßsystem, das korrekt bei einem aktuellen statischen Druck mißt, eine konstante Intensität simulieren kann. Der Schalldruck wird aber zu dem statischen Druck proportional sein.

Der Einfluß der Temperatur

Die Temperatur beeinflußt die Eichvorrichtung nur durch eine kleinere Änderung der Luftviskosität. Der Widerstand zwischen den Kammern ändert sich und hat kleine Änderungen im Eichsignal zur Folge. Trotzdem wird die simulierte Geschwindigkeit und Intensität ein wenig geändert, indem die Verhältnisse ihm zu simulierenden Schallfeld geändert werden.

In einer konkreten Ausführungsform ist die Eichvorrichtung wie im Schnittbild in Fig. 1 dargestellt gestaltet. Die Schallquelle 4, die unten angebracht ist, ist zur Abgabe eines Schallsignals eingerichtet, das von dem im ersten Hohlraum 1 angebrachten Mikrophon 6 bzw. von dem im zweiten Hohlraum 2 angebrachten Mikrophon 7 empfangen wird. Die Hohlräume werden von einem akustischen Widerstandselement getrennt gehalten, so daß eine zu der Frequenz proportionale Phasendrehung erreicht wird. Die Vorrichtung kann z. B. durch O-Ringe 8 gedichtet sein. Die Vorrichtung kann z. B. einen Durchmesser von ungefähr 35 mm aufweisen. Die Platte 9 verteilt den Schalldruck der Schallquelle 4.

Die Tatsache, daß die Selbstinduktion in Verbindung mit dem akustischen Widerstand kleiner ist, kann vorteilhaft ausgenutzt werden, indem die Eichvorrichtung dadurch innerhalb eines breiteren Frequenzintervalls auch verwendbar ist - vgl. Fig. 4.

Die Eichvorrichtung ist am Meßort verwendbar, verhältnismäßig einfach aufgebaut und mittels eines Pistonphons leicht eichbar.

Die Eichvorrichtung kann auch zum Eichen von Partikelgeschwindigkeitmeßgeräten verwendet werden.

Beim Verwenden der Vorrichtung zur Messung des Restintensitätsindex sind die Mikrophone in derselben Kammer angebracht.

Claims (7)

1. Akustische Eichvorrichtung für Intensitätsmeßsysteme umfassend mindestens zwei Druckmikrophone (6, 7), die je in einem Hohlraum (1; 2) angebracht sind, wobei diese Hohlräume durch mindestens ein akustisches Widerstandselement (3) gegenseitig verbunden sind,
das eine Druckmikrophon (6) in den einen Hohlraum (1) einsetzbar ist, und das übrige Druckmikrophon (7) bzw. die übrigen Druckmikrophone in den anderen der Hohlräume (2) einsetzbar ist bzw. sind,
zwei in unterschiedlichen Hohlräumen angeordnete Mikrophone gegeneinander austauschbar sind und eine Schallquelle (4) an einen der Hohlräume (1) angeschlossen ist.

2. Eichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schallquelle (4) zum Erzeugen von weißen oder hellroten Geräuschen eingerichtet ist.

3. Eichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Widerstand aus gesinterten akustischen Widerständen aus rostfreiem Stahl besteht.

4. Eichvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der akustische Widerstand aus einer Lamellenkonstruktion besteht.

5. Eichvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellenkonstruktion aus radial verlaufenden Lamellen besteht, die zu ringsumlaufenden Hohlraum mit eben verteilten Öffnungen hinaus geführt sind, indem der akustische Widerstand durch Entfernung einer oder mehrerer Lamellen veränderbar ist.

6. Eichvorrichtung nach Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung während der Zusammensetzung durch Dichtungsringe (8), wie elastische O-Ringe, gedichtet ist.

7. Eichvorrichtung nach Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch ein Pistonphon eichbar ist.