Как выбрать лучший измеритель уровня звукового давления для точного измерения шума

Покупка измерителя уровня звукового давления – это странный опыт. Дюжина инструментов выглядят почти одинаково, находятся в узком ценовом диапазоне и все обещают «высокую точность». Различия, которые на самом деле решают, выдержат ли ваши данные проверку, редко видны на фотографии продукта. Они живут в капсюле микрофона, в классе допуска, которому одобрен прибор, в диапазоне частот, который он может честно охватить, и в информации, которую он передает вам после завершения измерения.

Мы тратим свои рабочие дни на создание цепочек измерения шума и вибрации, поэтому наша точка зрения носит практический характер: не существует единственного лучшего измерителя уровня звукового давления, есть только лучшее соответствие между инструментом и работой. В этом руководстве рассказывается, что на самом деле измеряют эти приборы, как работает различие между классом 1 и классом 2, когда портативного измерителя перестает быть достаточно, и какие характеристики заслуживают вашего внимания, прежде чем вы примете меры.

Что на самом деле измеряет измеритель уровня звукового давления

Звук — это быстрое, крошечное колебание давления воздуха. Фон тихого офиса перемещает воздух на доли паскаля, обычный разговор — на несколько сотых паскаля, а реактивный двигатель с близкого расстояния — на десятки паскалей. Поскольку этот диапазон охватывает несколько миллионов к одному, он сжимается в логарифмическом масштабе, децибеле, с опорным давлением 20 микропаскалей (мкПа) — примерно самого тихого тона частотой 1 кГц, который может уловить молодое здоровое ухо.

Независимо от цены, каждый измеритель уровня звукового давления содержит одни и те же четыре блока. Капсюль микрофона преобразует давление в очень небольшое напряжение. Предварительный усилитель буферизует это напряжение и управляет кабелем без добавления шума. Электроника преобразования и обработки применяет к сигналу частотную и временную коррекцию. Дисплей, карта памяти или сетевое соединение передают результат из прибора. Разница между недорогим счетчиком и лабораторной цепью заключается не в архитектуре, а в том, насколько точно работает каждый блок и какую часть исходного сигнала можно сохранить.

Счетчик, показывающий только одно число, скрывает множество решений, принятых от вашего имени. Прежде чем сравнивать модели, полезно свободно владеть словарным запасом, указанным в спецификации:

• Уровень звукового давления (дБ относительно 20 мкПа): мгновенный уровень звукового давления, число, которое люди имеют в виду, когда спрашивают, насколько громко что-то происходит.
• A-взвешивание: фильтр, который ослабляет низкие частоты, имитируя человеческий слух; это основа почти всех ограничений по шуму в окружающей среде и на рабочем месте.
• C-взвешивание и Z (плоский): более тяжелый низкочастотный контент и вообще без взвешивания, используется для пиковых уровней, испытаний оборудования и любого анализа, когда вы не хотите, чтобы мнение прибора учитывалось в данных.
• Взвешивание по времени: кривые быстрой, медленной и импульсной реакции, которые определяют, насколько быстро отображаемый уровень следует за меняющимся сигналом.
• Лек: эквивалентный непрерывный уровень, среднее значение энергии за установленный период и гораздо лучшее описание колеблющегося источника, чем любой отдельный момент.
• Lmax, Lmin и Lpeak: крайние значения: пик измеряется на гораздо более быстром детекторе, чем может отслеживать дисплей.
• Октавные и третьоктавные полосы: уровень, разделенный по частоте, что вам нужно, чтобы идентифицировать источник тона или сравнить результат с кривой оценки шума.
• Статистические уровни (L10, L50, L90): уровни превышались в течение 10, 50 и 90 процентов периода измерения, что широко используется при оценке шума на дорогах и в населенных пунктах.

Инструмент, который сообщает только первый элемент в этом списке, является инструментом скрининга. Инструмент, который сообщает обо всех этих событиях и имеет достаточно памяти и времени автономной работы, чтобы работать в течение нескольких дней, является инструментом мониторинга. Решение о том, какой из двух продуктов вам действительно нужен, является первым честным решением о покупке.

Соответствие инструмента работе

Один и тот же принцип измерения служит совершенно разным задачам, и эти задачи предъявляют разные требования к оборудованию. Большинство ошибок при покупке происходит из-за выбора инструмента, который отлично справляется с одной задачей и не подходит для конкретной работы.

Классы точности: класс 1, класс 2 и лабораторная цепочка.

МЭК 61672-1 определяет два класса производительности для шумомеров. Прибор класса 1 должен иметь более жесткие допуски в более широком диапазоне частот, чем прибор класса 2, и оба класса проверяются посредством утверждения типа, а во многих странах - периодической проверки отдельного прибора. Класс 1 обычно ожидается везде, где результаты могут быть оспорены (отчетность о соответствии, юридические споры, декларации продукции), тогда как класс 2 подходит для общих обследований, скрининга и внутренних проверок.

Однако метка класса описывает счетчик. В нем ничего не говорится о том, насколько хорошо вы им пользовались, как был установлен микрофон и была ли проверена цепочка измерений в тот день. Измеритель класса 1, направленный в неправильное место, без ветрового стекла, при легком ветре даст худшие данные, чем прибор класса 2, используемый осторожно.

Третий маршрут — измерительный микрофон, питающий динамический анализатор сигналов — вообще находится за пределами портативной системы. Его точность является свойством всей цепочки: капсюля, предусилителя, кабелей, дигитайзера и калибровки. Это дает вам свободу, но также означает, что ответственность за отслеживание лежит на вас.

Микрофон решает больше, чем измерительный прибор

Если вы вынесете одну идею из этой статьи, то пусть это будет такая: в большинстве практических ситуаций капсюль микрофона и его предусилитель ограничивают качество измерения задолго до того, как это делает электроника. Прецизионный капсюль с хорошо подобранным предусилителем перед обычным дигитайзером каждый раз превосходит превосходный дигитайзер, питаемый посредственным капсюлем.

Измерительные конденсаторные микрофоны не просто так указаны по диаметру. Полудюймовый капсюль предлагает хороший компромисс между чувствительностью и высокочастотным поведением, тогда как четвертьдюймовый капсюль жертвует чувствительностью ради более широкого, более плоского отклика и лучших характеристик при высоких уровнях звука и в ограниченном пространстве. Версии для свободного поля, давления и случайного падения корректируют различные акустические среды; Неправильный выбор приводит к погрешности на высоких частотах в несколько десятых децибела, что важно при сравнении результатов разных лабораторий.

Поляризация – другое решение. Микрофоны с внешней поляризацией требуют отдельного источника питания 200 В и обеспечивают превосходную долговременную стабильность. Типы с предварительной поляризацией (CCP/IEPE) работают от простого источника постоянного тока, поэтому они так легко интегрируются с современным оборудованием для сбора данных, включая нашу собственную линейку акустических конденсаторных микрофонов, где капсюль, предусилитель и устройство питания подобраны таким образом, что чувствительность, по которой вы калибруете, соответствует чувствительности, с которой вы измеряете.

От микрофона к данным: что добавляет анализатор

Ручные счетчики намеренно сбрасывают информацию. Большинство из них вычисляют уровень в зависимости от времени и сохраняют только сводку. Динамический анализатор сигналов делает обратное: он сохраняет необработанный калиброванный сигнал с микрофона, чтобы на каждый последующий вопрос — уровни полос, спектры, тональность, импульсивность, корреляцию со скоростью машины — можно было ответить из той же записи без повторного посещения объекта.

Требования просты в формулировке. Аналоговый интерфейс должен подавать на микрофон постоянный ток, обычно несколько миллиампер при напряжении от 18 до 24 вольт. Аналого-цифровой преобразователь должен быть 24-битным с одновременной выборкой по всем каналам, чтобы сохранялись фазовые соотношения между микрофонами и акселерометрами. Частота дискретизации должна в два раза превышать максимальную интересующую частоту, и на практике вам нужен значительно больший запас, чем тот, если вы собираетесь фиксировать импульсивные события или повторно использовать форму сигнала для воспроизведения. Высокоскоростной одноканальный прибор, такой как ZTU8301C, который осуществляет выборку до 256 кГц, — это именно тот инструмент, который превращает микрофон в полноценную измерительную станцию.

ZT-U8301C Одноканальный динамический анализатор сигналов, 256 кГц 24-битный одноканальный USB-анализатор с частотой дискретизации 256 кГц, питанием IEPE и сглаживающей фильтрацией для превращения микрофонов в измерительные станции. Посмотреть продукт →

Если вы еще не уверены, где заканчивается прибор общего назначения и начинается настоящий анализатор, это краткое объяснение чем динамический анализатор сигналов отличается от традиционного прибора это полезное место для начала.

Когда одного микрофона недостаточно

Многие проблемы шума невозможно решить из одной точки. Обнаружение источника на большой машине, составление карты звукового поля вокруг транспортного средства, измерение проходящего шума или мониторинг нескольких позиций вокруг завода — все это зависит от множества каналов, записываемых в один и тот же момент. Фазовое согласование между каналами становится более важным, чем абсолютная точность, поскольку полезная информация заключается в различиях между каналами.

Именно здесь количество каналов и пропускная способность данных берут верх над спецификацией капсулы. Анализатор на основе карты, такой как ZTG9232I, с 32 каналами, передаваемыми через Gigabit Ethernet, дает вам синхронный снимок всей структуры за один проход и позволяет одному и тому же оборудованию обслуживать как акустические массивы, так и каналы акселерометра, которые обычно сопровождают их.

ZT-G9232I 32-канальный динамический анализатор сигналов Gigabit Ethernet 32-канальный 24-битный Ethernet-анализатор для измерения синхронного напряжения, IEPE и деформации при многоточечном мониторинге вибрации и шума. Посмотреть продукт →

При работе с несколькими точками планируйте расходы на прокладку кабелей и время записи так же тщательно, как и на каналы. 32-канальная запись с высокой частотой дискретизации на удивление быстро заполняет хранилище, а возможность запускать, предварительно запускать и сегментировать записи часто имеет большее значение, чем чистая полоса пропускания.

Калибровка, отслеживаемость и полевые проверки

Каждая цепочка акустических измерений дрейфует, и каждый значимый результат следует защищать. Процедура проста: приложите акустический калибратор к микрофону непосредственно перед измерением и снова сразу после него. Если две проверки совпадают с небольшим отрывом, цепочка считается стабильной на протяжении всего срока действия. Если они не согласны, полученные ими данные вызывают подозрение, независимо от того, насколько элегантно выглядит спектр.

Полевые калибраторы обычно производят 94 дБ и 114 дБ на частоте 1 кГц на установленном микрофоне, при этом калибратор класса 1, указанный в соответствии со стандартом IEC 60942, является подходящим дополнением для измерительной цепи класса 1. Помимо ежедневных проверок, прибор и микрофон следует через определенные промежутки времени возвращать в лабораторию для проверки, чтобы прослеживаемость ваших результатов не зависела от устройства, которое спокойно дрейфовало в течение трех лет.

• Исправления окружения. Температура, влажность и статическое давление влияют на чувствительность капсулы, причем наибольшие эффекты проявляются в крайних пределах рабочего диапазона, а не в комфортной лаборатории.
• Ветровое стекло. На открытом воздухе ветровое стекло необходимо; его эффект вставки невелик, но не равен нулю, и его следует учитывать, когда результаты сообщаются с точностью до долей децибела.
• Фоновый шум. Когда интересующий источник находится всего на несколько децибел выше фона, измеренный уровень частично является фоном. Стандартная практика заключается в применении поправки, когда разница невелика, и отмене измерения, когда источник вообще едва превышает фон.
• Монтаж и ориентация. Отражения от оператора, от штатива или от земли могут превышать класс точности самого прибора.

Ручной счетчик или измерительная цепь? Путь принятия решения

Выбор обычно решается сам собой, как только вы честно ответите на три вопроса. Вам нужно защитить цифру в формальном контексте? Вам нужно понять источник, а не просто дать ему количественную оценку? Задаст ли кто-нибудь новый вопрос об этих данных через шесть месяцев?

• Два или три ответа «нет» указывают на портативный измеритель класса 2, используемый аккуратно и проверенный калибратором.
• «Да» в отношении формальной защищенности указывает на инструмент класса 1 с протоколированием и документированной историей проверок.
• «Да» на понимание источника или на будущий повторный анализ указывает на цепь микрофона и анализатора, в которой сохраняется необработанный сигнал.

Многие команды в конечном итоге имеют и то, и другое: портативный измеритель для быстрых обследований и канальную систему для измерений, на основе которых формируются отчеты. Если ваша работа объединяет шум и вибрацию, стоит проанализировать, как эти две стороны вписываются в единую архитектуру, что и является нашей целью. системы вибрационных и динамических испытаний построены вокруг общих датчиков, совместного сбора данных и общей среды анализа.

Технические характеристики, которые следует проверить перед покупкой

Следующий список мы применим к любому инструменту-кандидату, независимо от марки или ценовой категории. Проработайте его по порядку, и большинство неподходящих моделей устранятся сами собой.

1. Тип и диаметр микрофона. Подтвердите, является ли капсула свободным полем, давлением или случайным падением, а также является ли она преполяризованной или внешней поляризацией.
2. Частотный диапазон. Проверьте диапазон, в котором фактически применяется указанный допуск, а не диапазон, в котором прибор просто выдает число.
3. Динамический диапазон и собственный шум. Широкий диапазон полезен только в том случае, если нижний предел действительно достаточно тихий для минимально ожидаемого уровня.
4. Весовые и временные константы. Взвешивание A, C и Z, а также быстрый, медленный и импульсный режимы охватывают подавляющее большинство работ, основанных на стандартах.
5. Регистрация данных и память. Определите, сколько дней автоматической записи может хранить прибор и как извлекаются данные.
6. Частота дискретизации и разрядность. Для анализа ищите 24-битное преобразование и одновременную выборку по всем каналам.
7. Тип входа и мощность датчика. Входы напряжения, IEPE и заряда, а также достаточный источник постоянного тока для длинных кабелей сохраняют ваши возможности открытыми.
8. Количество каналов. Покупайте по максимальному размеру, который вы реально ожидаете, а не по самому маленькому, который вы можете себе представить.
9. Интерфейс и синхронизация. USB для портативной работы одного устройства; Ethernet для стационарных установок и синхронизации нескольких устройств.
10. Программное обеспечение и экспорт. Убедитесь, что результаты можно экспортировать в форматы, которые уже используются в вашем рабочем процессе отчетности, без специального конвертера.
11. Путь калибровки. Убедитесь, что капсулу можно откалибровать с помощью стандартного полевого калибратора и проверить в лаборатории.
12. Защита окружающей среды. Для наружного и промышленного использования требуются разъемы, корпуса и кабели, рассчитанные на условия, которым они будут соответствовать.

Где измерения звукового давления дают неверные результаты

После достаточного количества посещений сайта одни и те же ошибки появляются снова и снова, и ни одна из них не вызвана тем, что инструмент принадлежит неправильному классу.

• Замерял на ветерке без лобового стекла, потом удивляюсь, почему уровень НЧ завышен.
• Стоя между источником и микрофоном и измеряя отражение, а не источник.
• Запись уровня всего на пару децибел выше фона и сообщение об этом, как если бы это был единственный источник.
• Использование данных с A-взвешиванием для исследования низкочастотной проблемы, которую A-взвешивание было призвано уменьшить.
• Забываем, что одно значение Leq не может описать импульсный источник, и полностью опускаем пиковые измерения.
• Калибровка выполняется в начале опроса, а не в конце, чтобы ничто не проверяло цепочку в течение нескольких часов между ними.
• Записывали только сводные уровни, а позже обнаружили, что для интересного вопроса нужна форма волны.

Обратите внимание, сколько из этих проблем решаются не за счет увеличения денег, а за счет предварительного решения того, на что должны отвечать данные. Краткий письменный план измерений длиной в одну страницу предотвращает большинство из них.

Объединение шума и вибрации

На практике звуковое давление редко возникает само по себе. Громкая машина обычно также вибрирует, и эти два измерения отвечают на разные половины одного и того же вопроса. Микрофоны улавливают то, что слышит оператор; Акселерометры и датчики силы показывают, откуда берется энергия и как она проходит через конструкцию, прежде чем излучается в виде шума.

Поскольку оборудование для сбора данных является общим, предельные затраты на добавление каналов вибрации к измерению шума невелики. Один и тот же анализатор одновременно записывает данные микрофона, акселерометра и силовых каналов, поэтому отслеживание заказов, модальный анализ и исследование пути передачи выполняются на основе данных, собранных за один сеанс. Если для акустических измерений требуется сертификат калибровки, то для вибрационных каналов требуется собственный маршрут калибровки, и оба из них проходят совместную проверку перед запуском машины.

Часто задаваемые вопросы

Всегда ли счетчик класса 1 является лучшим выбором?

Не автоматически. Класс 1 дает вам более жесткие допуски и более широкий проверенный диапазон частот, что важно, когда результат необходимо официально защитить. Для регулярного скрининга и внутренних сравнений тщательно используемый прибор класса 2 дает вполне годные цифры. Что делает оба класса заслуживающими доверия, так это дисциплина калибровки и разумная практика измерений.

Может ли приложение для смартфона заменить измеритель уровня звукового давления?

Телефонный микрофон предназначен для речи, а не для метрологии. Его частотная характеристика неравномерна, возможно, включена автоматическая регулировка усиления, а абсолютная чувствительность не прослеживается. Приложения для телефона полезны для приблизительного определения того, является ли пространство громким, а также для ничего, что нужно записать в отчет.

Как часто следует калибровать цепь?

Полевые проверки до и после каждого сеанса измерений без исключения. Лабораторная проверка прибора и капсулы с интервалами, определяемыми вашей системой качества или правилами, в соответствии с которыми вы работаете. Если полевая проверка выходит за рамки допустимого предела, рассматривайте весь сеанс как подозрительный.

Действительно ли мне нужны данные октавного диапазона?

Если вам нужно знать, что это за шум, а не просто насколько он громкий, тогда да. Один уровень A-взвешенного уровня ничего не говорит о том, является ли проблема тональной, низкочастотной или широкополосной, а стратегия смягчения в каждом случае совершенно различна. Данные о полосе частот также являются тем, на основе чего написано большинство схем оценки шума.

Сколько должен стоить хороший измеритель уровня звука?

Цены отражают возможности, а не бренд. Скрининговый счетчик, прибор для регистрации класса 1 и многоканальная аналитическая цепочка находятся в трех четко разделенных бюджетных группах, и решающим фактором должно быть то, какая группа соответствует вопросам, на которые вам нужно ответить. Покупка на один класс выше ваших потребностей доступна по цене; покупка на один класс ниже обычно означает повторение работы.

Поиск лучшего измерителя уровня звукового давления на самом деле зависит от цели измерения. Решите, что должны доказывать данные, как долго они должны сохраняться и кто может их перепроверять, и таблица спецификаций станет намного проще для чтения. Сначала выберите капсулу, затем преобразовательную электронику и в последнюю очередь корпус — затем откалибруйте всю цепочку, прежде чем доверять одному результату, который она выдает. Такой образ мышления хорошо послужил нам на мостах, в машинных залах, лабораториях и строительных площадках, и он сослужит добрую службу и вам.