RYHMÄKERROIN ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN



Samankaltaiset tiedostot
PAKOPUTKEN PÄÄN MUODON VAIKUTUS ÄÄNENSÄTEILYYN

Yleisen antennin säteily k enttien ratk aisem isen v aih eet:

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Suuntaavuus ja vahvistus Aukkoantennien tapauksessa suuntaavuus saadaan m uotoon (luku ) E a 2 ds

20 Kollektorivirta kun V 1 = 15V Transistorin virtavahvistus Transistorin ominaiskayrasto Toimintasuora ja -piste 10

dx = L2 (x + 1) 2 dx x ln x + 1 = L 2 1 L + 1 L ( = 1 ((L + 1)ln(L + 1) L) L k + 1 xk+1 = 1 k + 2 xk+2 = 1 10k+1 k + 2 = 7.

RF-tekniikan perusteet BL50A Luento Antennit Radioaaltojen eteneminen

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

FYSA210/2 PYÖRIVÄ KOORDINAATISTO

Mittalaitetekniikka. NYMTES13 Vaihtosähköpiirit Jussi Hurri syksy 2014

Kondensaattorin läpi kulkeva virta saadaan derivoimalla yhtälöä (2), jolloin saadaan

Pilkku merkitsee, että kysymyksessä on rakennusmittaus (in situ) R W (db) vaaka/pysty. L n,w (db) Rakennus

Koordinaatistot 1/6 Sisältö ESITIEDOT: reaaliluvut

Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 - Ratkaisut / vko 37

Radiotekniikan perusteet BL50A0301

(1) Novia University of Applied Sciences, Vaasa,

2 Pistejoukko koordinaatistossa

Lineaarialgebra MATH.1040 / trigonometriaa

Matematiikan tukikurssi

V astaano ttav aa antennia m allinnetaan k u v an m u k aisella piirillä, jo ssa o n jänniteläh d e V sarjassa

Ellipsit, hyperbelit ja paraabelit vinossa

Digitaalinen signaalinkäsittely Desibeliasteikko, suotimen suunnittelu

Integrointi ja sovellukset

Sampomuunnos, kallistuneen lähettimen vaikutuksen poistaminen Matti Oksama

A B = (1, q, q 2 ) (2, 0, 2) = 2 2q q 2 = 0 q 2 = 1 q = ±1 A(±1) = (1, ±1, 1) A(1) A( 1) = (1, 1, 1) (1, 1, 1) = A( 1) A(1) A( 1) = 1

1 Vastaa seuraaviin. b) Taajuusvasteen

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

MUISTIO No CFD/MECHA pvm 22. kesäkuuta 2011

N:o Liite 1. Staattisen magneettikentän (0 Hz) vuontiheyden suositusarvo.

SMG-2100: SÄHKÖTEKNIIKKA

Kertaus. Integraalifunktio ja integrointi. 2( x 1) 1 2x. 3( x 1) 1 (3x 1) KERTAUSTEHTÄVIÄ. K1. a)

Dynaamisten systeemien teoriaa. Systeemianalyysilaboratorio II

ELEC-C6001 Sähköenergiatekniikka, laskuharjoitukset oppikirjan lukuun 10 liittyen.

Tietoliikennesignaalit & spektri

Preliminäärikoe Tehtävät Pitkä matematiikka / 3

Mervento Oy, Vaasa Tuulivoimalan melun leviämisen mallinnus Projektinumero: WSP Finland Oy

PIENEN KOAKSIAALISEN KOLMITIEKAIUTTIMEN SUUNNITTELU 1 JOHDANTO 2 AIEMMAT RATKAISUT. Juha Holm 1, Aki Mäkivirta 1. Olvitie IISALMI.

S OPTIIKKA 1/10 Laboratoriotyö: Polarisaatio POLARISAATIO. Laboratoriotyö

Kuva 1: Vaihtovirtapiiri, jossa on sarjaan kytkettynä resistanssi, kapasitanssi ja induktanssi

PRELIMINÄÄRIKOE. Lyhyt Matematiikka

Yllämainittujen 3 tapauksen meluimmissiokartat on esitetty kuvassa 1.

Tekijä MAA2 Polynomifunktiot ja -yhtälöt = Vastaus a)

Muodonmuutostila hum

Suora. Määritelmä. Oletetaan, että n = 2 tai n = 3. Avaruuden R n suora on joukko. { p + t v t R},

S SÄHKÖTEKNIIKKA Kimmo Silvonen

a b c d

Ilmanvaihdon äänitekniikan opas

a(t) = v (t) = 3 2 t a(t) = 3 2 t < t 1 2 < 69 t 1 2 < 46 t < 46 2 = 2116 a(t) = v (t) = 50

Vektorien pistetulo on aina reaaliluku. Esimerkiksi vektorien v = (3, 2, 0) ja w = (1, 2, 3) pistetulo on

Säätötekniikan ja signaalinkäsittelyn työkurssi

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 1 / vko 44

Digitaalinen Signaalinkäsittely T0125 Luento

Talousmatematiikan perusteet: Luento 9

MATEMATIIKAN KOE, PITKÄ OPPIMÄÄRÄ (1 piste/kohta)

Aaltojen heijastuminen ja taittuminen

3 TOISEN ASTEEN POLYNOMIFUNKTIO

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

Kuva 1: Helmholtzin käyttämä HR [2] sekä HR:n arkkityyppi Tatti.

Avaruuden kolme sellaista pistettä, jotka eivät sijaitse samalla suoralla, määräävät

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 5: Kaarenpituus ja skalaarikentän viivaintegraali

LUT CS20A0650 Meluntorjunta 1. Tsunamin synty LUT CS20A0650 Meluntorjunta

Radioamatöörikurssi 2014

Ratkaisu: Maksimivalovoiman lauseke koostuu heijastimen maksimivalovoimasta ja valonlähteestä suoraan (ilman heijastumista) tulevasta valovoimasta:

TEHTÄVIEN RATKAISUT. Tehtäväsarja A. 2. a) a + b = = 1 b) (a + b) = ( 1) = 1 c) a + ( b) = 13 + ( 12) = = 1.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2015)

MS-A0003/A0005 Matriisilaskenta Laskuharjoitus 2 / vko 45

ClassPad 330 plus ylioppilaskirjoituksissa apuna

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

Scanned by CamScanner

Jakso 6: Värähdysliikkeet Tämän jakson tehtävät on näytettävä viimeistään torstaina

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät Välikoe

15. Suorakulmaisen kolmion geometria

Suorat ja tasot, L6. Suuntajana. Suora xy-tasossa. Suora xyzkoordinaatistossa. Taso xyzkoordinaatistossa. Tason koordinaattimuotoinen yhtälö.

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Antennin impedanssi. Z A = R A + jx A, (7 2 ) jossa R A on sy öttöresistanssi ja X A sy öttöreak tanssi. 6. maaliskuuta 2008

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

Johdatus vaihtosähköön, sinimuotoiset suureet. DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

SGN-1200 Signaalinkäsittelyn menetelmät, Tentti

LAUSEKKEET JA NIIDEN MUUNTAMINEN

FYSP105/2 VAIHTOVIRTAKOMPONENTIT. 1 Johdanto

PERMITTIIVISYYS. 1 Johdanto. 1.1 Tyhjiön permittiivisyyden mittaaminen tasokondensaattorilla . (1) , (2) (3) . (4) Permittiivisyys

5. Numeerisesta derivoinnista

Tehtävä 1. Oletetaan että uv on neliö ja (u, v) = 1. Osoita, että kumpikin luvuista u ja v on. p 2j i. p j i

Luento 15: Ääniaallot, osa 2

Luvun 10 laskuesimerkit


Lineaarialgebra MATH.1040 / voima

Malliratkaisut Demo 4

23 VALON POLARISAATIO 23.1 Johdanto Valon polarisointi ja polarisaation havaitseminen

Latamäen Tuulivoimahanke, Luhanka

LOPPURAPORTTI Lämpötilahälytin Hans Baumgartner xxxxxxx nimi nimi

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

1 Olkoon suodattimen vaatimusmäärittely seuraava:

Ota tämä paperi mukaan, merkkaa siihen omat vastauksesi ja tarkista oikeat vastaukset klo 11:30 jälkeen osoitteesta

Äänen eteneminen ja heijastuminen

Transkriptio:

ÄÄNILÄHDERYHMÄN SUUNTAAVUUDEN ARVIOINNISSA Seppo Uosukainen, Jukka Tanttari, Heikki Isomoisio, Esa Nousiainen, Ville Veijanen, Virpi Hankaniemi VTT PL, 44 VTT etunimi.sukunimi@vtt.fi Wärtsilä Finland Oy Power Plants PL 5, 65 Vaasa etunimi.sukunimi@wartsila.com Tiivistelmä Ryhmäkertoimen käsite äänilähderyhmän suuntaavuuden arvioimiseksi esitetään. Ryhmäkerroin ottaa huomioon ryhmän äänilähteiden lukumäärän ja niiden geometrisen sijoittelun sekä niiden keskinäisten amplitudi- ja vaihesuhteiden vaikutuksen äänensäteilyyn. MATLAB-ohjelmisto ryhmäkertoimen laskemiseksi on kehitetty ja validoitu yksinkertaisilla esimerkkiryhmillä, joiden suuntaavuus on analyyttisesti tiedossa. Lasketut suuntaavuudet ovat erittäin tarkasti samoja analyyttisten suuntaavuuslausekkeiden kanssa. Ohjelmistoa voidaan hyödyntää esimerkiksi säteilijäryhmien äänitehon minimoimiseksi ja interferenssiminimien aikaansaamiseksi halutuille vastaanottoalueille. Sovellusalueena on simuloitu voimaloiden pakomelun vähentämistä yksittäisten pakokanavien äänensäteilyn vaiheistuksella. Pakokanavien suhteellisilla vaihe-eroilla on merkittävä vaikutus äänensäteilyn suuntaavuusominaisuuksiin ja suhteelliset vaihe-erot voivat vaikuttaa myös kokonaisäänitehoon voimakkaasti pienillä taajuuksilla. JOHDANTO Äänilähteen suuntaavuusominaisuudet aiheuttavat erilaisen äänisäteilyn eri suuntiin. Monien lähteiden yhtä aikaa säteillessä lähderyhmän geometrinen sijoittelu sekä osalähteiden keskinäiset amplitudi- ja vaihe-erot tuottavat interferenssiefektin aiheuttaen kokonaissäteilyyn lisää suuntaavuutta. Tätä ryhmäominaisuutta kuvataan ryhmäkertoimella. Wärtsilä Finland Oy Power Plantsin rahoittamassa hankkeessa on tutkittu äänilähderyhmän ryhmäkertoimen hyväksikäyttömahdollisuuksia äänensäteilyn minimoimiseksi.

RYHMÄKERROIN Keskenään samanlaisten lähteiden (mahdollisia amplitudi- ja vaihe-eroja lukuunottamatta) tuottama kokonaisäänikenttä saadaan yksittäisen origoon sijoitetun äänilähteen tuottaman äänikentän p ja ryhmäkertoimen tulona [, ] p N jkri cos i i ( r ) f g f g Ai e, () i p missä A i ja i ovat lähteen i suhteellinen amplitudi ja vaihe ja muut suureet nähdään kuvasta. Menetelmä toimii parhaiten lähderyhmän kaukokentässä. Ryhmäkertoimeen vaikuttavat näin ollen lähderyhmän geometrinen sijoittelu sekä osalähteiden lukumäärä ja niiden keskinäiset amplitudi- ja vaihe-erot. Kuva : Ryhmäkertoimen muodostamis- ja käyttöperiaate []; r on kenttäpistevektori ja r, r ovat lähdepistevektorit. Kuvan mukaisesti lähteiden keskipistevektoreiden r i ja kenttäpistevektorin r väliset kulmat i tarvitaan ryhmäkertoimen määrittämiseksi. Ne saadaan lausekkeesta i ri r arccos. () ri r Ryhmäkerroin on parhaiten esitettävissä pallokoordinaatiston avulla koordinaateilla (r,, ), missä kulma on vektorin kulma z-akseliin nähden ja kulma on vektorin xyprojektion kulma x-akseliin nähden. Radiaalikoordinaattia r ei tarvita ryhmäkertoimessa, ainoastaan vektorin r kulmakoordinaatit. Keskinäisvaikutukset voivat vaikuttaa myös äänitehoon P, erityisesti pienillä taajuuksilla, jolloin lähderyhmän kokonaisääniteho ei ole yksittäisten äänilähteiden tehojen summa. Kokonaisääniteho voidaan laskea ryhmäkertoimen avulla lausekkeesta [] P P 4 sin( ) dd, (3) missä P on origossa olevan äänenpaineen p tuottavan hypoteettisen referenssilähteen ääniteho.

3 VALIDOINTIESIMERKKEJÄ Ensimmäisenä esimerkkinä tarkastellaan kahta z-akselilla keskinäisellä etäisyydellä d sijaitsevaa sama-amplitudista monopolia kuvan (vasen) mukaisesti. Konfiguraatio on pyörähdyssymmetrinen z-akselin suhteen, joten tulokset eivät riipu kulmasta. Toisena esimerkkinä tarkastellaan neljää kvadrupolilähteen muodostavaa monopolia kuvan (oikea) mukaisesti. Tämä konfiguraatio ei ole pyörähdyssymmetrinen, joten tulokset riippuvat myös kulmasta. z z d q e j q e j r -q +q d d +q -q Kuva : Validointiesimerkit: () kaksi sama-amplitudista monopolia ja () neljä kvadrupolilähteen muodostavaa monopolia. Ryhmäkertoimien analyyttiset lausekkeet ovat [] (alaindeksit ja viittaavat esimerkkeihin ja ) f g j e f g kd cos cos d d 4sink cos sink sin cos, (4) missä =. Esimerkin äänitehon analyyttinen lauseke on [] P sin( kd cos( ) ). (5) P kd Kuvassa 3 on esitetty esimerkin lasketut ja analyyttisen lausekkeen mukaiset ryhmäkertoimet (ilman vakiovaihetermiä) kolmella taajuudella ja suhteellinen ääniteho taajuusalueella Hz, kummatkin kolmella eri vaihe-erolla ja etäisyysparametrin arvolla d = m. Kuvassa 4 on esitetty esimerkin lasketut ja analyyttisen lausekkeen mukaiset ryhmäkertoimet (itseisarvoina) kolmella taajuudella etäisyysparametrin arvolla d = m joihinkin suuntiin. Lasketut ja analyyttiset lausekkeiden mukaiset tulokset ovat käyrinä aivan päällekkäin, joten nähdään, että kaavoihin (), () ja (3) sekä kuvaan pohjautuvan MATLAB-ohjelmiston tuottamat tulokset ovat analyyttisten tulosten kanssa äärimmäisen hyvin yhteensopivia.

.5.5 Taajuus = Hz.5.5 Taajuus = 5 Hz deg, laskettu deg, analyyttinen 6 deg, laskettu 6 deg, analyyttinen 8 deg, laskettu 8 deg, analyyttinen -.5 deg, laskettu - deg, analyyttinen 6 deg, laskettu 6 deg, analyyttinen -.5 8 deg, laskettu 8 deg, analyyttinen - 4 6 8 4 6 8 [deg] -.5 - -.5-4 6 8 4 6 8 [deg] Taajuus = Hz 4.5 3.5 3.5.5 P / P -.5 deg, laskettu - deg, analyyttinen 6 deg, laskettu 6 deg, analyyttinen -.5 8 deg, laskettu 8 deg, analyyttinen - 4 6 8 4 6 8 [deg].5 deg, laskettu deg, analyyttinen 6 deg, laskettu 6 deg, analyyttinen.5 8 deg, laskettu 8 deg, analyyttinen 3 4 5 6 7 8 9 Taajuus [Hz] Kuva 3: Esimerkin ryhmäkertoimen lasketut ja analyyttiset arvot taajuuksilla Hz, 5 Hz ja khz kulman funktioina, ja suhteelliset äänitehot taajuuden funktioina, d = m ja =, 6 ja 8. 4 3.5 3.5 = deg Hz, laskettu Hz, analyyttinen 5 Hz, laskettu 5 Hz, analyyttinen khz, laskettu khz, analyyttinen 4 3.5 3.5 = 3 deg Hz, laskettu Hz, analyyttinen 5 Hz, laskettu 5 Hz, analyyttinen khz, laskettu khz, analyyttinen abs( ) abs( ).5.5.5.5 4 6 8 4 6 8 [deg] 5 5 5 3 35 [deg] Kuva 4: Esimerkin ryhmäkertoimen lasketut ja analyyttiset arvot taajuuksilla Hz, 5 Hz ja khz etäisyysparametrin arvolla d = m kulman funktioina, kun = ja kulman funktioina, kun = 3.

4 KUUDEN MOOTTORIN VOIMALAN PAKOMELU Sovellusesimerkkinä tarkastellaan kuuden moottorin voimalan pakomelua. Pakoputkien ulostulokonfiguraatio muodostaa 3 matriisin. Putkien ulostulojen oletetaan tuottavan samanlaiset lähdevoimakkuudet ja ne ovat korkeudella 7.5 m maanpinnan yläpuolella keskipisteiden sijaitessa keskinäisillä etäisyyksillä.955 m toisistaan. Kuvassa 5 on esitetty laskettu normalisoitu ryhmäkerroin /N (N = 6) db-skaalassa projisoituna maanpinnalle etäisyysvälillä m horisontaalisuunnissa taajuuksilla Hz, 5 Hz ja Hz suhteellisilla vaiheilla ja kuvassa 6 peräkkäisten ulostulojen lineaarisella viive-erolla 6.7 ms ja putkien erilaisten pituuksien aiheuttamat eri suuruiset etenemisviiveet huomioonottaen. Ensin mainittu lineaarinen viive-ero on /6 periodi taajuudella 6.5 Hz (nelitahtisen moottorin yksittäisen sylinterin sytytystaajuus pyörintänopeudella 75 rpm), ja putkien erilaiset pituudet ovat L, L + 8.374 m ja L + 7.57 m, missä L on lyhyimpien putkien pituus. Lasketut suhteelliset äänitehot P/(NP ) db-skaalassa taajuuden funktioina taajuusvälillä Hz on esitetty kuvassa 7. Nähdään, että pakoputkiryhmän suhteellisilla vaihe-eroilla on merkittävä vaikutus äänensäteilyn suuntaavuusominaisuuksiin. Suhteelliset vaihe-erot voivat vaikuttaa myös kokonaisäänitehoon voimakkaasti pienillä taajuuksilla. Suhteelliset vaiheet deg, ryhmäkerroin, f = Hz Suhteelliset vaiheet deg, ryhmäkerroin, f = 5 Hz 8 8 6 4-6 4 - - -4-6 - -3 - -4-6 - -3-8 -8 - - 5-4 - - 5-4 8 Suhteelliset vaiheet deg, ryhmäkerroin, f = Hz Suhteelliset vaiheet deg, ryhmäkerroin, = 9 deg Hz 5 Hz Hz 6 4 - - - -4-6 - -3 L fg [db] - -3-8 - - 5-4 -4 5 5 5 3 35 [deg] Kuva 5: Normalisoitu ryhmäkerroin projisoituna maanpinnalle horisontaalisuunnissa db-skaalassa taajuuksilla Hz, 5 Hz ja Hz suhteellisilla vaiheilla.

Lineaarinen viive-ero 6.7 ms + etenemisviiveet, ryhmäkerroin, f = Hz Lineaarinen viive-ero 6.7 ms + etenemisviiveet, ryhmäkerroin, f = 5 Hz 8 8 6 4-6 4 - - - - -4-6 -3 - -4-6 -3-8 -8 - - 5-4 - - 5-4 Lineaarinen viive-ero 6.7 ms + etenemisviiveet, ryhmäkerroin, f = Hz 8 6 4 - -4-6 -8 - - 5 - - -3-4 L fg [db] Lineaarinen viive-ero 6.7 ms + etenemisviiveet, ryhmäkerroin, = 9 deg Hz 5 Hz Hz - - -3-4 5 5 5 3 35 [deg] Kuva 6: Normalisoitu ryhmäkerroin projisoituna maanpinnalle horisontaalisuunnissa db-skaalassa taajuuksilla Hz, 5 Hz ja Hz peräkkäisten ulostulojen lineaarisella viive-erolla 6.7 ms ja putkien erilaisten pituuksien aiheuttamat eri suuruiset etenemisviiveet huomioonottaen. 5 Suhteellinen äänitehotaso [db] - Suhteelliset vaiheet deg Lineaarinen viive-ero 6.7 ms + etenemisviiveet - 4 6 8 4 6 8 Taajuus [Hz] Kuva 7: Esitettyjen tapausten suhteelliset kokonaisäänitehotasot taajuuden funktioina. VIITTEET [] Stutzman W L, Thiele G A, Antenna Theory and Design, John Wiley & Sons, Inc., New York, 98. [] Uosukainen S, Akustinen kenttäteoria, Aalto-yliopisto, Espoo,.