SWEPT SINE MITTAUSTEKNIIKKA (NOR121 ANALYSAATTORILLA)

Transkriptio

1 SWEPT SINE MITTAUSTEKNIIKKA (NOR121 ANALYSAATTORILLA) KÄYTTÖKOHTEET: mittaukset tiloissa, joissa on kova taustamelu mittaukset tiloissa, joissa ääni vaimenee voimakkaasti lyhyiden jälkikaiunta-aikojen mittaukset soveltuvuus ulkomittauksiin

2 Swept-sine (pyyhkäisty siniaalto) menetelmässä käytetään sinimuotoista signaalia, jonka taajuus kasvaa eksponentiaalisesti ajan suhteen. Signaali tallennetaan analysaattorilla ja impulssivaste lähde- ja vastaanottopisteiden välillä määritellään matemaattisesti käyttäen dekonvoluutiomenetelmää. Kansainvälisessä standardissa ISO/DIS 18233: Acoustics - Application of new measurement methods in building acoustics on esitetty, että swept-sine menetelmä tarjoaa mahdollisuuden suorittaa mittauksia tiloissa, joissa on kova taustamelu. Tämä ominaisuus on suuri etu verrattuna klassisiin menetelmiin. Tämä tarkoittaa myös sitä, että menetelmän avulla oikeita mittaustuloksia saadaan myös tiloissa, joissa on voimakas äänen eristävyys. Seuraavat esimerkit osoittavat, kuinka Norsonicin analysaattori Nor121 ja sen vaihtoehtoinen swept-sine -tekniikka parantavat mittausmahdollisuuksia. Esimerkkimittaukset on suoritettu käyttäen Nor121 analysaattoria, Nor260 tehovahvistinta ja Nor250 kuusielementtistä kaiutinta. ÄÄNEN ERISTÄVYYS MITTAUKSET Tässä esimerkissä suoritettiin kolme mittausta, jotta pystyttiin määrittämään tasoerot lähetys- ja vastaanottohuoneissa. Ensiksi käytettiin leveäkaistaista pinkkiä kohinaa ja rinnakkaisanalyysiä. Toiseksi käytettiin 1/3 oktaavin pinkkiä kohinaa ja sarjaanalyysiä. Viimeinen mittaus suoritettiin käyttäen swept-sine -tekniikkaa. Jotta näiden kolmen mittauksen tuloksia voitaisiin vertailla, on tulokset esitetty kolmessa graafisessa kuvaajassa. Käyrät ensimmäisessä kuvassa kuvaavat tasoja lähettävässä huoneessa. Kuvaajasta voidaan nähdä, että swept-sine heräteääni saa aikaan kohonneen heräteäänitason. Tämä johtuu sinimuotoisen signaalin pienemmästä crest factorista verrattuna satunnaiseen ääneen. Tämä antaa itsessään suoranaisen parannuksen SNR:n (signalt to noise ration).

3 Kuva 1. Heräteäänen tasot lähettävässä huoneessa Käyrät toisessa kuvaajassa esittävät tasoja, jotka on mitattu vastaanottavasta huoneesta sekä vastaanottavan huoneen taustamelun. Käyrät kuvassa 3 vastaavat mitattuja tasoeroja. Taustamelun taso vastaanottavassa huoneessa oli 45 db alhaisilla taajuuksilla ja 25 db korkeilla taajuuksilla. Taustamelu on esitetty mustalla viivalla kuvassa 2. Kuva 2. Tasot vastaanottavassa huoneessa Leveäkaistaisella heräteäänellä saatu taso vastaanottavassa huoneessa on alhaisilla taajuuksilla vain hiukan taustamelun yläpuolella (sininen käyrä). Sitä vastoin korkeilla taajuuksilla se sekoittuu kokonaan taustameluun. Tämän seurauksena tasoero on pienempi kuin oikea arvo, kuten voidaan nähdä kuvasta 3.

4 Kuva 3. Tasoerot lähettävän ja vastaanottavan huoneen välillä Kun käytetään Nor121:n sarjamittaus mahdollisuutta yhdessä suodatetun 1/3 oktaavin heräteäänen kanssa, äänentuottoenergiaa mitattavilla taajuuskaistoilla voidaan parantaa db:llä. Verrattaessa vihreää ja sinistä käyrää, sarja- ja rinnakkaisanalyysien vastaavuutta, voimme päätellä, että tämä on asianlaita matalilla taajuuksilla. Kaikesta huolimatta tämä parannus ei ollut riittävä, jotta olisi saavutettu oikea tulos korkeilla taajuuksilla. Tämä johtui olemassa olevasta taustamelusta. Swept-sine tekniikka ei tarjoa pelkästään korkea tasoista heräteääntä vaan se vaientaa myös taustamelua. Kuvasta 2 voi selvästi nähdä, että mitatut tulokset ovat alle taustamelun tason korkeilla taajuuksilla. Tästä syystä swept-sine on ainut menetelmä, jolla pystytään saamaan oikeita mittauksia esimerkkitapauksen kaltaisissa olosuhteissa. JÄLKIKAIUNTA-AJAN MITTAUKSET Swept-sine tekniikka on erittäin käyttökelpoinen mitattaessa jälkikaiunta-aikaa, koska se vähentää taustamelusta aiheutuvia ongelmia mittauksissa. Toinen esimerkki demonstroi tätä kolmen erittäin meluisassa huoneessa tehdyn mittauksen kautta. Taustamelulla on pinkki spektri ja sen voimakkuus on 96 db kaikilla taajuuskaistoilla. Mittaukset olivat: laajakaistainen pinkki ääni ja rinnakkaisanalyysi, suodatettu 1/3 oktaavin pinkki ääni ja sarja-analyysi sekä swept-sine menetelmällä tehty mittaus. Jotta mittauksia voitaisiin verrata, 1/3 oktaavikaistaa tarkastellaan keskitaajuuden 2 khz kohdalta. Kuva 4 on screenshot Nor121 näytöltä ja esittää rinnakkaisanalyysin tuloksia. 98 db:n heräteäänitaso on saavutettu, mutta se on vain hieman yli taustamelun tason. Tästä syystä jälkikaiunta-ajan mittaaminen on mahdotonta.

5 Kuva 4. Saatu jälkikaiunnan vaimenemiskuvaaja rinnakkaisanalyysillä Kuva 5 esittää sarja-analyysistä saatua tulosta. Heräteäänitaso on selvästi parantunut, mutta silti SNR ei kuitenkaan ole riittävän suuri, jotta jälkikaiuntamittaukset voitaisiin suorittaa. Kuva 5. Saatu jälkikaiunnan vaimenemiskuvaaja sarja-analyysillä Lopulta, swept-sine tekniikan käyttö ja sen melun vaimennuskyky antavat kuvan 6 esittämän tuloksen. Energian vaimenemiskäyrällä on lineaarinen vaimenemismuoto ja riittävä dynamiikka, jotta voidaan tehdä luotettavat T20 ja T30 mittaukset.

6 Kuva 6. Jälkikaiunnan vaimeneminen mitattuna swept-sine menetelmällä ERITTÄIN LYHYEN JÄLKIKAIUNTA-AJAN MITTAUKSET Lyhyen jälkikaiunta-ajan mittaus alhaisilla taajuuksilla esimerkiksi pienissä kammioissa, autoissa, yms., on normaalisti mahdotonta tavallisilla menetelmillä. Tämä johtuu käytettyjen suodattimien sisäisistä vaimennusajoista. Norsonic on selvittänyt tämän ongelman käyttämällä suodatusta taajuuskentässä yhdessä erityisesti valmistettujen hybridi ikkunoiden kanssa. Molemmat saavat aikaan lyhyen vaimennusajan ja ovat yhteensopivia IEC luokan 1 vaatimuksiin. Käyrät kuvassa 7 esittävät lyhyimpiä jälkikaiunta-aikoja, jotka voidaan luotettavasti mitata klassisella sekä swept-sine menetelmillä. Kuva 7. Minimi jälkikaiunta-ajat

7 SWEPT-SINEN EDUT VERRATTUNA MLS:N MLS (Maximum Lenght Sequence) on määrätynlainen binäärisekvenssi, jonka taajuusominaisuudet ovat kuten valkoisella kohinalla. Kuten swept-sinessä, MLS käyttää analyysiosiossa dekonvoluutiota. Kaikesta huolimatta swept-sine tekniikalla on useita etuja MLS:n verrattuna. Etuja ovat mm.: immuniteetti harmonista säröä kohtaan voidaan käyttää korkeampia herätetasoja sietää paremmin ajan muutoksen Swept-sine tekniikka mahdollistaa kaiuttimien käyttämisen korkeammilla ulostulotasoilla. Tämän ansioista herätesignaalin taso voi olla korkeampi (erittäin haluttu ominaisuus, kun se kasvattaa SNR:ää), mutta se voi myös aiheuttaa harmonista säröä, joka syntyy kaiuttimien epälineaarisuuden seurauksena. Tämä särö voi tulla esiin MLS:n saavuttamina impulssivasteina ja swept-sinessä kahdella eri tavalla. MLS:n mittausvasteessa särö tulee esiin valepiikkeinä. Tämä pienentää SNR:ää ja voi heikentää mitattua impulssivastetta siinä määrin, että se rajoittaa menetelmän käyttöä. Toisaalta, kun impulssivastetta mitattaan swept-sine tekniikalla, harmonisen särön vaikutukset voidaan poistaa kokonaan. Lineaarista dekonvoluutiota käytettäessä särökomponentit tulevat esiin negatiivisina aikoina mitatussa impulssivasteessa ja nämä komponentit voidaan poistaa ikkunoinnilla. Tämä käytännöllinen ominaisuus mahdollistaa pienempien ja pienempitehoisempien kaiuttimien käytön mittauksissa. MITTAUSAJAN MUUTOSTEN HYVÄ SIETOKYKY Kasvatettaessa SNR:ää, MLS mittaus voi sisältää toinen toistaan seuraavia synkronoituja mittauksia, joiden tuloksista otetaan keskiarvo. Tämä ratkaisumalli kyllä kasvattaa SNR:ää, mutta se myös kasvattaa herkkyyttä mittausajan muutoksille. Mittausajan muutos aiheutuu tyypillisesti äänen nopeuden muutoksista, joka on seurausta ilman kosteuden, lämpötilan ja tuulen nopeuden muutoksista. Tämä rajoittaa merkittävästi MLS-tekniikan käyttökohteita ulkomittauksissa. Swept-sine mittaus puolestaan koostuu yhdestä mittauksesta, jolloin synkronoitua keskiarvostusta ei tarvita. Tämä parantaa merkittävästi mittausajan muutosten sietokykyä, kuten seuraavassa esimerkissä osoitetaan. Äänennopeuden muutokset on simuloitu käyttämällä muuttuvaa vaimennusta. Mittaukset tehtiin kahdessa ryhmässä. Ensimmäinen ryhmä koostui Norsonic reaaliaika-analysaattorista Nor840:stä ja MLS:stä ja toinen ryhmä Nor-121:stä ja swept-sinesta. Kumpikin ryhmä suoritti kaksi mittausta. Mittaukset tehtiin

8 simuloiduilla äänennopeuden muutoksilla ja ilman niitä. Jälkikaiunnan vaimennuksen Leq arvoja verrattiin. Kuva 8 esittää jälkikaiunnan vaimenemisen simuloidun mittausajan muutoksen kanssa. Kuvasta voidaan huomata, että taustamelun taso on noussut noin 25 db:ä verrattuna kuvaan 9, jonka tulokset on saatu ilman simuloitua mittausajan muutosta. Kuva 8. Neliöity impulssivaste, MLS ja simuloitu mittausajan muutos Kuva 9. Neliöity impulssivaste, MLS Kuvat 10 ja 11 ovat swept-sine mittausten tuloksia. Kun näille tuloksille tehdään sama vertailu, voidaan havaita, että taustamelun tasossa ei ole juurikaan muutoksia. Tästä puolestaan voidaan tehdä johtopäätös, että swept-sine menetelmä on menetelmä, joka tulee valita tehtäessä mittauksia ulkona.

9 Kuva 10. Neliöity impulssivaste, Swept-sine ja simuloitu mittausajan muutos Kuva 11. Neliöity impulssivaste, Swept-sine