Strumentazione acustica e tecniche di misura. Francesco Pompoli

Strumentazione acustica e tecniche di misura

Francesco Pompoli

Strumentazione:

Microfoni

Fonometri e analizzatori Sonda intensimetrica

Head and torso simulator

Arrays microfonici per mappe di emissione sonora Tecniche di misura:

Potenza sonora

Outline

Microfono

Il microfono è un trasduttore che converte il suono in un segnale elettrico

Esistono diverse tipologie di microfoni, che utilizzano vari

metodi di conversione della pressione acustica oscillante del suono in un segnale elettrico.

I più comuni sono:

• condenser microphone, che usano un diaframma come piatto di un condensatore;

• dynamic microphone, che utilizza una bobina di filo sospeso in un campo magnetico;

• piezoelectric microphone, che usa un cristallo di materiale piezoelettrico;

• MEMS (MicroElectrical-Mechanical System) microfono che utilizza un diaframma sensibile alla pressione, inciso

direttamente su un wafer di silicio mediante tecniche di elaborazione MEMS.

•Diaframma metallico in tensione

•Contropiatto di metallo rigido

•Griglia di protezione

•Involucro o capsula

•Isolatore

•Terminale di uscita

•Cavità interna con foro di compensazione

Condenser microphone

Principio operativo:

Condensatore d'aria, polarizzato da una carica sulla piastra posteriore, che varia la sua capacità quando il diaframma vibra

Condenser microphone

POSSONO ESSERE

ESTERNAMENTE POLARIZZATI (richiedono alimentazione dallo strumento cui sono collegati) O PREPOLARIZZATI (hanno la carica fissata sul contropiatto tramite un sottile strato di elettrete)

Condenser microphone

Main characteristics of

microphones

• Sensibilità

• Gamma dinamica

• Risposta in frequenza

• Direzionalità

Main characteristics of

microphones

Si esprime in mV/Pa

S

=v/p

p(t) v(t)

Sensibilità

Gamma dinamica

Hz kHz

Risposta in frequenza

Risposta in frequenza

Risposta in frequenza

Limite a bassa frequenza

-3dB

Lower Limiting Frequency

Risposta in frequenza

Limite ad alta frequenza

Ad alta frequenza c'è un'interazione di tre diversi fenomeni:

• Risonanza meccanica del diaframma;

• Influenza del microfono sulla pressione sonora misurata in un campo libero;

• Direttività del microfono.

Risonanza meccanica della membrana:

È controllata dalla massa e rigidezza della membrana, oltre che dallo smorzamento

fornito dal volume d’aria presente tra diaframma e contropiatto e dalla dimensione dei fori

presenti sul contropiatto per regolare tale

smorzamento

b) Pressure field mic.

c) Free field mic.

Risposta in frequenza

Limite ad alta frequenza

Alterazione del campo acustico dovuta alla dimensione del microfono:

d≈λ/4 f ≈ 343/(4*0.012)

≈ 7 kHz (1/2”)

Risposta in frequenza

Limite ad alta frequenza

Compensazione dei due fenomeni per free field microphone Risposta in frequenza

Limite ad alta frequenza

Direttività

I microfoni sono direttivi fino ad alta frequenza (f ≈ 343/(4*d)

Type of microphones

Compensazione della direttività e sovrappressione con diversa tipologia di membrana

NB: posso usare un mic. free field In campo diffuso applicando la correzione numerica in frequenza (in free field posso usare un

microfono da diffuse field

inclinandolo di circa 70° rispetto alla sorgente

Diffuse field microphone

Scelta del microfono

Adatta l'impedenza del microfono a quella del circuito (analizzatore, prolunghe)

Preamplificatore

Analizza il segnale del tempo di pressione sonora nei modi seguenti:

• ponderazione di frequenza

• analisi in frequenza

• calcolo del valore efficace

• analisi temporale dei valori rms

• calcolo del Leq

• salvataggio dei dati

Peak (Hold)

integrator circuit (Leq)

Fonometro

La norma IEC 61672-1 divide I fonometri in due “classi” : Class 1 and Class 2.

I fonometri delle due classi hanno la stessa funzionalità, ma tolleranze di errore diverse.

All'interno dello standard sono presenti una serie di criteri di prestazione che uno strumento deve soddisfare e ciascuno di essi ha una tolleranza associata. Le tolleranze per la Classe 1 sono più rigorose rispetto alla Classe 2. Per esempio, alla

frequenza di riferimento di 1kHz, il limite di tolleranza per la Classe 1 è +/- 1.9dB e per Classe 2 è +/- 2.2dB.

Il fonometro deve soddisfare:

• Omologazione (modello di fonometro)

• Taratura (1 or 2 anni, in laboratori accreditati)

• Calibrazione (prima e dopo ogni sessione di misura)

Fonometro

Analisi in frequenza

• Bande di ottava e 1/3 di ottava

• FFT

Trasforma un segnale istantaneo in un valore RMS che cambia nel tempo con una operazione di integrazione temporale

esponenziale:





 





t t

RMS

t p e d

p  



 ) (

2

( ) ) 1

(

RMS exp

p(t) p

(t)

Costante di tempo del circuito,

ottenuto con un circuito RC t

τ

τ

La pressione sonora è mediata nel tempo con una pesatura esponenziale; il contenuto

energetico complessivo del segnale rimane invariato

Costante di tempo esponenziale

t

τ

τ

FAST (F) τ

= τ

=125 ms

SLOW (S) τ

= τ

=1000 ms

IMPULSE (I) τ

= 35 ms τ

=1500 ms

Costante di tempo esponenziale

E’ calcolato dal valore massimo istantaneo prima del calcolo del valore RMS:

E’ utilizzato per prevenire danni al sistema uditivo poichè livelli troppo alti possono danneggiare la membrana timpanica; non è un livello legato al disturbo da rumore perchè il nostro sistema uditivo integra l’energia con una media di tipo esponenziale (costante FAST).

2 2 max

0

) log (

10 p

t L

  p

Livello di picco

Integra l’energia sonora durante un tempo di misura definito dall’operatore per valutare l’emissione sonora di una sorgente:

 





 





 

 





 

eq

dt

p t p

L T

0

2

0

) ( log 1

10

T

Leq

Circuito di media temporale

Per applicazioni automotive si usano più frequentemente sistemi multicanale;

Con questi sistemi sono disponibili numerosi software di analisi del segnale.

Analizzatori multicanale

DEMO

Intensità sonora

n I

α

dS

Intensità sonora

Definizione:

Intensità acustica istantanea:

I(x,t) = p(x,t)  u(x,t) Potenza acustica:

dW(x,t) = I(x,t) n dS =

= I cos dS = I_ndS

Tipi di campi acustici:

Attivo: presenta uno sfasamento nullo tra la pressione e la velocità istantanea delle

particelle. Caso tipico: onda piana in campo libero; l'intensità mediata nel tempo è in questo caso pari a p²/ρc

Generico: presenta uno sfasamento non nullo tra la pressione e la velocità istantanea delle particelle. In questo caso il livello di intensità mediata nel tempo è minore rispetto a quello di pressione sonora presente nel campo

Reattivo: presenta uno sfasamento di 90° tra la pressione e la velocità istantanea delle particelle. Caso tipico: onda stazionaria;

l'intensità mediata nel tempo è in questo caso nulla

Intensità sonora

Intensità sonora

Esempi di campi acustici:

Misura dell'intensità acustica:

Sonde p-u : sono sonde che misurano contemporaneamente

pressione e velocità delle particelle; dal loro prodotto istantaneo si ricava direttamente dalla definizione l'intensità sonora. Sono state poco usate per il problema di misura della velocità delle particelle, più difficoltoso rispetto alla pressione acustica.

Sonde p-p : sono le sonde più usate, composte da due microfoni uguali affacciati e distanziati di una certa distanza tra loro.

Misurano contemporaneamente la pressione sonora nei due punti A e B relativi alle due membrane e approssimano il valore presente nel centro del segmento AB.

Dalla misura contemporanea delle due pressioni p_A e p_B è possibile valutare in maniera indiretta la velocità u delle particelle.

Intensità sonora

p-u probe

1D

3D

-

p-p probe

-

p-p probe

Bassa frequenza

Il calcolo dell’intensità acustica risente di un’incertezza a bassa frequenza dovuto al ridotto sfasamento del segnale da misurare rispetto allo sfasamento introdotto dalla catena di misura

La risoluzione di tale problematica avviene per mezzo di:

• Scelta di microfoni con sfasamento ridotto (accoppiati in fase)

• Calibrazione intensimetrica in fase della sonda

• Scelta di uno spaziatore maggiore fra i microfoni.

p-p probe

Limite a bassa frequenza

Calibratore di fase

Alta frequenza

la misura risulta alterata in quanto non vale più l’approssimazione alle differenze finite; occorre utilizzare uno spaziatore minore fra i due

microfoni.

p-p probe

Limite ad alta frequenza

Campo di frequenze operative

Active field Reactive field

La direttività della sonda intensimetrica consente

l’individuazione più precisa di

aree di emissione sonora di sorgenti

complesse (mappe intensimetriche)

p-p probe - Direttività

Si misura con speciali calibratori in fase che generano sulle due membrane dell’intensimetro una pressione a sfasamento nullo; il valore della intensità sonora dovrebbe essere nullo, mentre il valore rilevato dalla sonda (intensità residua) è generato dallo sfasamento dei due canali; il parametro è quindi indice dell’accoppiamento in fase della catena di misura intensimetrica.

Molti strumenti hanno la possibilità di correggere lo sfasamento dei microfoni tramite procedura di calibrazione e raggiungere quindi valori di P-I residua molto elevati.

0 0

0 P I

PI  L  L



Pressure-residual intensity index

[dB]

In ogni punto del campo acustico si può definire questo indice che quantifica la reattività del campo acustico (nel caso di onda piana l’indice P-I tende a zero).

L’indice P-I deve essere confrontato con l’indice P-I residua per

verificare la precisione della misura di intensità; per avere un errore inferiore ad 1 dB occorre che:

I P

PI  L  L



d PI

PI   ₀  7  L



Ld è detta capacità dinamica dello strumento e rappresenta la massima reattività del campo consentita per la misura con la precisione di 1 dB.

Pressure-intensity index

[dB]

[dB]

Pressure-residual intensity index

Measurement range

Potenza sonora (anche in-situ)

Classificazione delle sorgenti sonore

Mappe di emissione sonora

Misure di isolamento acustico

Principali applicazioni

Misure binaurali

• Per misure con più accuratezza e realismo del livello sonoro all’orecchio del guidatore sono usate teste binaurali o torsi che presentano microfoni a condensatore all’interno di un condotto uditivo/padiglione auricolare standardizzato

• Con questi sistemi è possibile registrare segnali binaurali che possono essere usati per una riproduzione con spazializzazione

del suono.

Microphone arrays

Esistono due metodi basati su array microfononici sviluppati per la mappatura dell’emission acustica:

- Beamforming

- Nearfield Acoustic Holography

Beamforming

Beamforming è una tecnica di misura basata su array

microfonici per la localizzazione di sorgenti sonore a distanze medio-alta dalla sorgente e per frequenze alte.

In pratica, la localizzazione della sorgente è ottenuta

calcolando l’ampiezza dell’onda piana (o sferica) che incide sull’array da una determinata direzione angolare.

2D Beamforming

Examples

3D Beamforming

Example: Car interior during run up

Nearfield Acoustic Holography

Planar Near-field Acoustical Holography (NAH) è una tecnica che consente la localizzazione di sorgenti sonore.

NAH può fornire mappe dell’emissione sonora di una sorgente ad alta risoluzione su una superficie planare da misure

effettuate su una griglia regolare di punti vicini alla sorgente.

La griglia di misura deve catturare la maggior parte della radiazione acustica con un angolo solido di almeno 45°.

La spaziatura della griglia deve essere minore di metà lunghezza d’onda rispetto alla maggiore frequenza di interesse.

Per questo il numero di punti di misura diventa molto grande quando la sorgente è più grande di una lunghezza d’onda, e questo avviene sempre ad alta frequenza.

Tecniche di misura:

potenza sonora

Definizione di Potenza Sonora

La potenza sonora è determinata dall’energia emessa da una sorgente sonora nell’unità di tempo [Watt]

La determinazione della potenza sonora può avvenire attraverso misure su una superficie chiusa che racchiuda la sorgente di:

• pressione sonora

• intensità sonora

Definizione di Potenza Sonora

La misura di potenza sonora è utile solo se viene ottenuta in condizioni definite, che producono grandezze definite utilizzando strumenti

normalizzati.

I dati di potenza sonora ottenuti in conformità con le norme forniscono dati indipendenti dal luogo di

misura e di installazione della macchina.

.

Introduzione

Perché determinare la POTENZA SONORA?

E’ l’unico parametro che consente lo scambio di informazioni acustiche su una sorgente tra le diverse parti (costruttore, acquirente, installatore, consulente acustico, utente).

Finalità:

• Dichiarazione del rumore emesso (marcatura CE);

• Caratterizzazione e descrizione della sorgente;

• Confronto del rumore emesso da macchine di vari tipi e dimensioni;

• Definizione delle specifiche acustiche in sede di capitolato;

• Verifica dei valori dichiarati;

• Previsione dei livelli sonori in ambiente interno o esterno prodotti dalla macchina;

• Opere di bonifica acustica sulla macchina.

Metodi basati sulla misura della pressione sonora

Ci sono diverse norme ISO che differiscono per grado di precisione

(laboratorio, ingegneristico, indagine) e per il tipo di ambiente nel quale le misure vengono effettuate (anecoico, riverberante o in una situazione intermedia)

Metodi basati sulla pressione sonora

Metodo in campo libero:

Se sono sufficientemente lontano (a rigore kr>10, cioè r>1.6λ) dalla sorgente, posso considerare localmente pressione e velocità delle particelle in fase tra loro (onde piane); in questo caso valgono le seguenti relazioni

c u p

p

I



2







P o

P o

I

L

cI L p

L   





 



 

 

2

log 10

 

 



 

 



 



 



P o I o

W

S

L S S

L S

L 10 log 10 log

Lw 90 dB

r 1 m

f 63 125 250 500 1000 2000

lamda 5.40 2.72 1.36 0.68 0.34 0.17

kr 1.15 2.29 4.58 9.16 18.32 36.64

Lp sf real I 84.6 82.9 82.4 82.2 82.2 82.2

Lp piane 82.2 82.2 82.2 82.2 82.2 82.2

In realtà nelle norme la distanza minima consentita dalla sorgente è inferiore, pari a r≥λ4, per evidenti ragioni pratiche;

Se consideriamo una sorgente puntiforme il passaggio da intensità sonora a pressione sonora diventa:

 

 

c p ikr

c ikr u p

p

I ^{eff eff eff}

0 2 2

2

0 2

0

2

1 1

Re   

 













 





















 



  



 



Metodi basati sulla pressione

sonora

UNI EN ISO 3745 (2017)

Metodo di laboratorio in camera anecoica o semi- anecoica

 Richiede un ambiente privo di riflessioni del campoa

custico (ad eccezione del pavimento per la condizione semi-anecoica

 E’ basata sulla legge di campo libero

 Misura la pressione Sonora su una superficie che

racchiude la sorgente

 Deriva la Potenza Sonora che attraversa la superficie di misura nell’ipotesi di campo di ond localmente piane.

AMBIENTE DI PROVA

La camera anecoica o semi-anecoica deve essere qualificata secondo le procedure previste dall’annesso A della norma;

In sostanza si utilizza una sorgente omnidirezionale (entro i limiti definiti dall’annesso A) e si verifica che il decadimento sonoro su diverse

direttrici sia entro determinati limiti simile a quello di campo libero

UNI EN ISO 3745 (2017)

UNI EN ISO 3745 (2017)

SCELTA DELLA SUPERFICIE DI MISURA La superficie di misurazione deve essere una sfera o semisfera il cui raggio dovrà rispettare le seguenti prescrizioni:

• uguale o maggiore di due volte la

dimensione più grande della sorgente oppure tre volte la distanza del centro acustico della sorgente dal piano riflettente, nel caso in cui questa sia più grande;

• uguale o maggiore di ¼ λ relativa alla frequenza d’interesse;

• uguale o maggiore di 1 m.

Posizioni microfoniche

• Minimo 20 positioni

• Se ΔLpmax>N/2, aggiungere 20 ulteriori posizioni ruotando la sorgente di 180 ° Rumore di fondo

Almeno 10 dB inferiore al rumore della sorgente misurato

UNI EN ISO 3745 (2017)

Calcolo della potenza sonora

Directivity:

Barometric pressure

Temperature

UNI EN ISO 3745 (2017)

Esempio:

Methods based on

sound pressure measurement

PRINCIPIO DI MISURA IN CAMPO DIFFUSO

Altri metodi si basano sulla teoria di Sabine per ambienti con campo diffuso:

L

= L

+ 10log(4/A) = L

+ 10log((4*TR)/(0.16*V))

UNI EN ISO 3741 (2010)

Metodo di laboratorio in camera riverberante

 Richiede un ambiente con parete non parallele e diffusori acustici;

 e’ basato sulla formula di Sabine per ambienti

riverberanti;

 misura la pressione sonora nell’ambiente (in teoria

costante);

 deriva la potenza sonora emessa nella camera

nell’ipotesi di campo diffuso;

 sono utilizzati un minimo di 6 microfoni fissi oppure un

microfono rotante

UNI EN ISO 3741 (2010)

Metodo diretto:

UNI EN ISO 3741 (2010)

Metodo di confronto:

Metodi basati sulla misura dell’intensità sonora

Ci sono tre norme ISO che differiscono essenzialmente per il grado di precisione (laboratory, engineering, survey) ed il posizionamento della sonda intensimetrica (discrete points or scanning)

UNI EN ISO 9614-1 2009 Measurement at discrete points.

UNI EN ISO 9614-2 1998 Measurement by scanning.

UNI EN ISO 9614-3 2009 Precision method for measurement by scanning

il rumore di fondo, se stazionario, è ininfluente;

 è possibile eseguire la misura in qualsiasi ambiente;

 è possibile eseguire la misura di potenza di parti di macchina.

Vantaggi della tecnica

intensimetrica

Metodi basati sulla misura

dell’intensità sonora

Si applica alle machine e stabilisce i requisiti

essenziali per la sicurezza e la salute dei lavoratori.

Per ottenere la marchiatura CE di una macchina è necessario che questa sia conforme alla direttiva.

Componente Rumore:

Le istruzioni per l’uso devono contenere le seguenti informazioni riguardanti il rumore emesso dalla macchina:

• Il livello di pressione sonora equivalente pesato A se eccede

• Il valore massimo di pressione acustica istantanea pesato C, se eccede 63 Pa (130 dBC) misurato al posto di lavoro;

• Il livello di potenza sonora emesso dalla macchina se il livello di pressione sonora equivalente pesato A è maggiore di 80

Direttiva “macchine”

2006/42/CE

Etichettatura energetica

Direttiva 2010/30/Ue - Norme sull'etichettatura del consumo

energetico degli elettrodomestici e di altri prodotti connessi all'energia Le disposizioni presenti nella Direttiva 2010/30/Ue sono state recepite in Italia dal Dlgs 28 giugno 2012, n. 104.

Le modalità di misura della rumorosità sono riportate nella serie di norme EN/IEC 60704

Washing machine Refrigeretor Tire

Altre tecniche di misura

Le compagnie automotive hanno sviluppato molte

tecniche di misura specifiche per studiare il rumore di veicoli e componenti.

Durante il corso non è possibile descriverli tutti, alcuni di essi verranno illustrate nei seminari che terremo nelle

prossime lezioni.