hörkurven und a-bewertung

© Frank Kameier Folie 1 - 15.05.2008

FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und Akustik

Hörkurven und A-Bewertung

Was ist unter Dasylab zu beachten?

- A-Bewertungs Stützstellen müssen unter /Dasylab/Diverses/ zur Verfügung stehen

- blaue und rote y-Achse müssen manuell gleich eingestellt werden



Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse

Periodische Zeitfunktion Linienspektrum (Klang, Tongemisch) (diskretes Spektrum)

Jede Frequenzlinie hat eine Breite f

(Auflösung im Frequenzbereich in Hz)



Fensterung - Blöcke

A [V]

t[s]A [V]

t [s]

Nach Fensterung im Zeitbereich

FFT

(FFT)^2

Blockmittelung

ggf. Wurzel ziehen wegen linearer Einheit



Campbell-Diagramm

f[Hz]

p[Pa]

n[U/min]

1. Biege-Mode

1. Torsions-Mode

2.

Drehzahlordnungen

n[U/min]

f[Hz]

1.

3.

4.



4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001/m in

0

500

1000

1500

2000

2500H z

50

60

70

80

90

100

110

120

dBR M S

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

0

500

1000

1500

2000

2500H z

80 90 100 110 120 130

dBR M S

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

s4000

6000

8000

100001/m in

4000 5000 6000 7000 8000 9000 100001/m in

50

70

90

110

130dB R M S

G esam tpegel1-te O rdnung12-te O rdnung

Mikrofon

PAK 5.3 www.muellerbbm-vas.de

Editors: 3_D _standard_drehzahl /P age 1 /3D _S tandard_D rehzahl_sr4.pak_flystudent /PAK/M ESSD ATEN / teka /Lam inar_drossel_290404_2_F1

Kal.: 0 .0116683 V /Freq.-Sp.: 6400 H z; M ean: 3200 H zN _FL: 801 ; N _BLK: 2048 ; D F: 8H zAVG : 3 ; O VL: 90% ; W IN : H ann ingAcquisition: 29.04.2004 14:31:46

APS M axim um

http://ifs.mv.fh-duesseldorf.de/Ström ungstechnik und Akustik

student 08.02.2006 14:37:55 h

160.0 H z 123.568 dB (lin) 48.0 H z 116.474 dB (lin) 96.0 H z 114.929 dB (lin) 32.0 H z 114.661 dB (lin)

TE K ALam inar_D rossel

Fachhochschu le D üsse ldorfF H D

D rehzahl



Abtasttheorem

Faktor *Frequenzspanne=Abtastrate•Frequenzanalysatoren: 2.56 (aus n^2 Linien werden „runde“ Zahlen)•CD-Player arbeiten mit 2.2 (44.100 Hz bei 20000 Hz für HiFi-Signal)

HzHz2

Blocksizeffmax



Theorem von Parceval und Gesamtpegel

d)(h1

dt)t(hT

1 2

0max

2T

0

max

N

1i

2iA

1GP

Zeitebene Frequenzebene

fT

f t dtrms

T

1 2

0

( )

Effektivwert Gesamtpegel



A[V2]

o o o o o o o o o o o

x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x 3 dB

f [Hz]

n - Linien

2n - Linien

Einfluss der Frequenzauflösung auf den Rauschpegel

A[V2] x

o o x o

o x o o x x oo o o x x o o o

x xx x x x x x x x x x x x x x x x

f [ Hz ]

siehe auch Dasylab Schaltbild rauschen_linieneinfluss140508.DSB



Verarbeitung im Zeitbereich – Effektivwert -> Pegel



Frequenzanalyse – nur quadratische Daten mitteln und Amplitudenkorrektur (DasyLab spezifisch)- Blockmittelung



A-Bewertung – Modul „Blockorientierte Messwertgewichtung, Koeffizienten müssen unter „Diverses“ als Datei vorliegen - Pegelberechnung



Gesamtpegelberechnung (unbewertet und A-bewertet)-„Effektivwert“ im Frequenzbereich- Summe über alle Frequenzlinien wird mit Modul „Integral“ gelöst- Faktor t muss entsprechend wieder herausgekürzt werden- Pegelberechnung



Quellenlokalisierung – Akustische Kamera

qualitatives Messverfahren – Anordnung von 32 Mikrofonen auf einem Ring !vgl. http://www.akustische-kamera.de/ und schallquellenortung140508.pdf



ausgewählter Frequenzbereich für das akustische Foto

Auswertung „Akustische Kamera“ grundsätzliches Vorgehen



Geräuschmessverfahren – Regelwerke - Richtlinien

Hallraumverfahren; DIN EN ISO 3741 (GK1), 3743-1 (GK2) und 3743-2 (GK2)

Hüllflächenverfahren; DIN EN ISO 3744 (GK2), 3745 (GK1), 3746 (GK3)(Schalldruckpegel als zu messende Größe), sowie DIN EN ISO 9614-1 (GK2), 9614-2 (GK2) und 9614-3 (GK1) (Schallintensitätspegel als zu messende Größe)

Vergleichsverfahren; DIN EN ISO 3747 (GK3 bzw. GK2)(Schalldruckpegel als zu messende Größe)

Kanalverfahren; DIN EN ISO 5136 (GK2)(Schalldruckpegel als zu messende Größe)



Mikrofonanordnung auf der Halbkugel-Messfläche (ISO 3744)(Vorderansicht)

Hauptmikrofonpositionen

zusätzliche Mikrofonpositionen



Ausgewählte Mikrofonpositionen 4,5,6 und 10 für die Messung des Gesamt-Schallleistungspegels Lw einer Vergleichsschallquelle (Laborversuch FHD)

Messung einer Vergleichsschallquelle



Hüllflächen – oder Freifeldverfahren nach DIN EN ISO 3744/5/6

spfw LLL

21' KKLL ppf

0

lg10S

SLS

LK

1,0110

1 1lg10

wrw LLA

SK

4 1lg102

Schallleistungspegel:

Messflächen-Schalldruckpegel:

Messflächenmaß:S0=1m2

Fremdgeräuschkorrektur:

Umgebungskorrektur:

dB

dB

dB

dB

dB



min

4540353025201510X/Y-Grafik 1

100

90

80

70

Lp [dB]

t [min]

Einschalten des EVB

nicht stationäres Hintergrundgeräusch



Schallintensitätsmessungen

DIN EN ISO 9614-1, Ausgabe: 1995-06Akustik - Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen ausSchallintensitätsmessungen - Teil 1: Messung an diskreten Punkten, DIN EN ISO 9614-2, Ausgabe: 1996-12Akustik - Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen ausSchallintensitätsmessungen - Teil 2: Messung mit kontinuierlicher AbtastungundDIN EN ISO 9614-3, Ausgabe: 2003-04Akustik – Bestimmung der Schallleistungspegel von Geräuschquellen ausSchallintensitätsmessungen – Teil 3: Scanning-Verfahren der Genauigkeitsklasse 1



Messverfahren: a) punktweise Messung, b) kontinuierliches Abtasten (Scanning)



Festlegung eines Rasters auf einer Teilfläche

Bild 2: Rasterung der Teilfläche 2 (vorne) und 4 (hinten) in 300 mm x 200 mm 10 x 9 Messpunkte. Rasterung einer Teilfläche in 300 x 200 mm => 10 x 9 Messpunkte



Verteilung der Schallleistung auf einer Teilfläche

Bild 3: Schallleistungs-Kartierung der Teilfläche 2, vorne mit Zustromöffnungen.

Bereich der Ansaugöffnungen

Boden

Schallleistungskartierung einer Teilfläche, oben links befindet sich eine Zuströmöffnung



Randbedingungen der Messungen



B&K Intensitätssonde



Folgende Theorie als reines Hintergrundmaterial!



aus: Igor Horvat, Investigation of the Noise Generation Mechanisms of the Airplane Outflow-Valve and Noise Reduction Methods, Master-Thesis FH Düsseldorf 2007

Theorie Schallintensitätsberechnung bei einer Zweimikrofonversuchsanordnung

Die Schallintensität ist ein Vektor der die Richtung und die Größe eines Energieflusses an einem bestimmten Punkt beschreibt. Die momentane Intensität für eine radiale akustische Welle wird dem Betrage nach beschrieben mit folgendem Ausdruck:

tu*tptI , (1)

wobei tp der momentane Druck und tu die momentane radiale Partikelgeschwindigkeit (Schallschnelle) sind. Die zeitlich gemittelte Intensität an einem Punkt wird beschrieben als:

av

0av

dt*tu*tpt

1I , (2)

wobei avt die Zeit, über die gemittelt worden ist darstellt.

In der komplexen Darstellung wird aus (2):

*U*PReI . (3)



Wobei * den komplex konjugierten Teil und Re den Realteil darstellt. Um die Intensität nach

Gleichung (3) zu ermitteln, sind Abschätzungen für tp und tu aus Messungen mit zwei Mikrofonen nötig. Die linearisierte Komponente in Ausbreitungsrichtung des Schalls der Euler-Gleichung wird integriert um die Partikelgeschwindigkeit (Schallschnelle) zu erhalten:

pgrad1

fcgrad*ct

c

, (4)

r

p1

t

u

. (5)

Hierbei ist 0 die Dichte. Für geeignet kleine Wellenlängen ( 1rk ) kann der Druckgradient als

endliche Differenz der beiden Mikrofonmessungen abgeschätzt werden:

r

pp1

r

p1u

t12

. (6)



1p und 2p sind hierbei die Drucksignale von Mikrofon 1 und Mikrofon 2. Die Fourier-Transformation auf

Gleichung (5) angewendet ergibt:

12tj pp

r

1dte*u

t

. (7)

Nach der Produktregel ergibt sich:

12tjtj pp

r

1

U

dtuej|t

ue

. (8)



U ist die Fourier Transformation der radialen Partikelgeschwindigkeit (Schallschnelle). Der erste Term auf der linken Seite in Gleichung (8) kann nur bestimmt werden unter der Annahme von unendlichen Zeitgrenzen im positiven wie auch im negativen. Die Partikelgeschwindigkeit erreicht dann gleiche Werte, der Ausdruck hebt sich auf. Die frequenzabhängige Partikelgeschwindigkeit kann dann mit folgendem Ausdruck abgeschätzt werden:

12 ppr

jU

. (9)

Die zeitlich gemittelte Schallintensität kann nun als folgender Term ausgedrückt werden, wobei (p 1 + p2)/2 der arithmetische Mittelwert des Schalldruckes zwischen den beiden Mikrofonen ist:

*

1221 pp

r

j

2

ppReI . (10)

Ausmultiplizieren ergibt:

*

11*12

*21

*22 pppppppp

r2

jReI . (11)

*)



Gleichung (11) kann weiter vereinfacht werden. *22pp und

*11pp sind die realen Autospektren die bei

einer zeitlichen Mittelung einander entsprechen und sich aufheben:

*

12*21 pppp

r2

jReI . (12)

*12

*21 pppp in komplexer Schreibweise gesondert betrachtet ergibt:

11222211*12

*21 jyx*jyxjyx*jyxpppp , (12.1)

und die rechte Seite ausmultipliziert:

1212121221212121 yyxjyyjxxxyyxjyyjxxx . (12.2)

Zusammengefasst erhält man somit:

12122121*12

*21 xjyyjxxjyyjxpppp . (12.3)



Weiter zusammengefasst folgt:

2121*12

*21 yxj2xyj2pppp . (12.4)

Klammert man 2j aus:

2121*12

*21 yxxyj2pppp . (12.5)

Betrachtet man den Ausdruck in den geschweiften Klammern aus Gleichung (12.5), so folgt:

*21

*12

*21 ppImj2pppp . (12.6)

Gleichung (12.6) in Gleichung (12) eingesetzt ergibt:

*21ppImj2

r2

jI

. (13)



Durch Ausmultiplizieren ergibt sich:

r2

ppImj*j2I

*21

, (14)

und zusammengefasst:

r

ppImI

*21

. (15)

*21ppIm entspricht dem Imaginärteil des Kreuzleistungsspektrums 12GIm :

r

GImI 12

. (16)

Hinweis zum Rechnen mit imaginären Zahlen

ii

i*i

i

1

i

1

(siehe Gleichung (8) auf (9))

1)1()i*i( (siehe Gleichung (14) auf (15))

Literatur: A MEMS-Based Sound Intensity Probe

*)



Folgende Folien gehen teilweise über den Lehrveranstaltungsinhalt hinaus, können aber als interessante Unterstützung zum Lernen nützlich sein!



Dämpfung

)tsin(eA)t(y t

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.8

-0.6

-0.4

-0.2

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

t [s]A

mplit

ude [

V]

Dämpfung klein delta=0.2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

t [s]

Am

plit

ude [

V]

Dämpfung groß delta=1



Dämpfung clear all

close all

omega=13;

t=linspace(1,10,2000);

f=sin(omega*t);

daempfung=1;

f_mit_daempfung=exp(-daempfung*t).*f

plot(t,f_mit_daempfung)

xlabel('t [s]');

ylabel('Amplitude [V]');

hold

plot(t,exp(-daempfung*t))

title('Dämpfung groß delta=1');



Welche Bewegung liegt bei 20 mm/s Schwinggeschwindigkeit und unterschiedlichen Frequenzen vor?a_ref 1,00E-05 m/s^2v_ref 5,00E-08 m/sx_ref 2,55E-10 m

[Hz] [m/s^2] [m/s] [m] [dB] [dB] [dB] [mm/s^2] [mm/s] [mm]f a v x Lx Lv La a_mm v_mm x_mm

31,5 1 0,0051 0,0000255 100,0 100,1 100,0 1000 5,1 25,563 1 0,0025 0,0000064 88,0 94,1 100,0 1000 2,5 6,4

125 1 0,0013 0,0000016 76,1 88,1 100,0 1000 1,3 1,6159,2 10 0,0100 0,0000100 91,9 106,0 120,0 10000 10,0 10,0 Kalibrator 1 g

250 1 0,0006 0,0000004 64,0 82,1 100,0 1000 0,6 0,41500 1 0,0003 0,0000001 52,0 76,1 100,0 1000 0,3 0,101

1000 1 0,0002 0,0000000 39,9 70,1 100,0 1000 0,2 0,0252000 1 0,0001 0,0000000 27,9 64,0 100,0 1000 0,1 0,00634000 1 0,0000 0,0000000 15,9 58,0 100,0 1000 0,0 0,0016

100 13 0,0207 0,0000329 102,2 112,3 122,3 13000 20,7 32,931000 130 0,0207 0,0000033 82,2 112,3 142,3 130000 20,7 3,29

10000 1300 0,0207 0,0000003 62,2 112,3 162,3 1300000 20,7 0,33

Beschleunigung, Schwinggeschwindigkeit, Auslenkung von Vibrationen

weg_geschw_beschl_150508.xls



Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz als Grundlage strömungsinduzierter Schalldruckschwankungen

Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,

d

u*Srf

Tacoma Narrows Bridge, 1940



Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung



Anordnung von Zylindern und Kármánschen Wirbelstraßen

Blevins: Flow-Induced Vibration, 1990



Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung

Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.



Sources of Airframe Noise

Smith (1989)



Smith (1989)



Lips (1995)

Noisy - Silent - Fan Installation



Fluid-borne noise



Aufbau eines Demonstrators – Lüftergeräusch und Active Noise Control

Strömungsrichtung



Setup eines Prototyps



Einkanaliges, feed forward ANC-System



Abbildung 1: Das Setup zum Prototyping

TCP/IP

Host PC: Matlab/Simulink

Entwicklung des Algorithmus Steuerung des Target PCs

Target PC:

Abarbeiten des Algorithmus AD/DA-Wandlung

AD/DA

Demonstrator:

Liefert das Referenzsignal und das Errorsignal zum Target PC Erhält das Störgeräusch (vom Host) und das Antischall-Signal (vom Target)

Setup eines Prototyps


FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und AkustikEntwicklungsumgebung für das Prototyping

• Matlab und Simulink mit• Real-Time-Workshop: Echtzeitfähigkeit für Simulink• Signal-Processing-Blockset: Funktionsblöcke wie Buffer und Audioschnittstellen• Filter-Design-Toolbox: Verschiedene Filter-Blöcke und einfache adaptive Algorithmen

• xPC Target: Zum Ausführen der Algorithmen auf einem stand-alone system mit

• AMD Athlon, 1 GHz• AD/DA Wandlerkarte von General Standards mit

• 8 Inputs• 4 Outputs• 16 bit Quantisierung• Samplerate von bis zu 100 kHz (fs = 16 kHz beim vorliegen Projekt)• Ohne Antialiasing- und Rekonstruktionsfilter. Externe Filter 8. Ordnung mit fg = 3,5 kHz



Ausschnitt aus des Simulink-Modells



31.5 100 315 1k 3.15k [H z ]0

10

20

30

40

S challd ruck

http ://ifs.m v.fh-duesseldorf.de 25.09.2007 14:03:52 h

Form at: AN C Pegeld ifferenz /terzspektren_S iem ens_20060822.pak_fly Adm in /A N C /R aum 1 1cm an

S iem ens

(Raum 1 1cm an )A P S Lp= 37.8 dB Lp(A)= 34.4 dB(Raum 1 1cm aus )A P S Lp= 42.7 dB Lp(A)= 37.5 dB

w w w .m uelle rbbm -vas.de P A K 5.3

31.5 100 315 1k 3.15k [H z ]-10

-5

0

5

10D äm pfung

Geräuschminderung im Raum – mit ANC



31.5 100 315 1k 3.15k [H z ]

30

40

50

60

S challdruck

http ://ifs.m v.fh-duesseldorf.de 25.09.2007 14:06:14 h

Form at: AN C Pegeld ifferenz /terzspektren_S iem ens_20060822.pak_fly Adm in /A N C /E rr1 1cm an

S iem ens

(E rr1 1cm an )A PS Lp= 51.1 dB Lp(A)= 47.3 dB(Err1 1cm aus )A PS Lp= 65.7 dB Lp(A)= 61.1 dB

w w w .m uelle rbbm -vas.de P A K 5.3

31.5 100 315 1k 3.15k [H z ]-30

-20

-10

0

10D äm pfung

Geräuschminderung am Error-Mikrofon des ANC Systems

hörkurven und a-bewertung

Documents