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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
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Allgemeine Eigenschaften der Frequenzanalyse
Periodische Zeitfunktion Linienspektrum (Klang, Tongemisch) (diskretes Spektrum)
Jede Frequenzlinie hat eine Breite f
(Auflösung im Frequenzbereich in Hz)
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Fensterung - Blöcke
A [V]
t[s]A [V]
t [s]
Nach Fensterung im Zeitbereich
FFT
(FFT)^2
Blockmittelung
ggf. Wurzel ziehen wegen linearer Einheit
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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.
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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
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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
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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
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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
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Verarbeitung im Zeitbereich – Effektivwert -> Pegel
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Frequenzanalyse – nur quadratische Daten mitteln und Amplitudenkorrektur (DasyLab spezifisch)- Blockmittelung
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A-Bewertung – Modul „Blockorientierte Messwertgewichtung, Koeffizienten müssen unter „Diverses“ als Datei vorliegen - Pegelberechnung
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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
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Quellenlokalisierung – Akustische Kamera
qualitatives Messverfahren – Anordnung von 32 Mikrofonen auf einem Ring !vgl. http://www.akustische-kamera.de/ und schallquellenortung140508.pdf
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ausgewählter Frequenzbereich für das akustische Foto
Auswertung „Akustische Kamera“ grundsätzliches Vorgehen
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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)
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Mikrofonanordnung auf der Halbkugel-Messfläche (ISO 3744)(Vorderansicht)
Hauptmikrofonpositionen
zusätzliche Mikrofonpositionen
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Ausgewählte Mikrofonpositionen 4,5,6 und 10 für die Messung des Gesamt-Schallleistungspegels Lw einer Vergleichsschallquelle (Laborversuch FHD)
Messung einer Vergleichsschallquelle
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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
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min
4540353025201510X/Y-Grafik 1
100
90
80
70
Lp [dB]
t [min]
Einschalten des EVB
nicht stationäres Hintergrundgeräusch
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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
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Messverfahren: a) punktweise Messung, b) kontinuierliches Abtasten (Scanning)
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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
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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
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Randbedingungen der Messungen
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B&K Intensitätssonde
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Folgende Theorie als reines Hintergrundmaterial!
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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)
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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)
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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)
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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)
*)
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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)
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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)
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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
*)
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Folgende Folien gehen teilweise über den Lehrveranstaltungsinhalt hinaus, können aber als interessante Unterstützung zum Lernen nützlich sein!
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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
© Frank Kameier Folie 37 - 15.05.2008
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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');
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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
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Kármánsche Wirbelstraße / Strouhalfrequenz als Grundlage strömungsinduzierter Schalldruckschwankungen
Quelle: R. Feynman, Lectures on Physics,
d
u*Srf
Tacoma Narrows Bridge, 1940
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Tacoma-Bridge (1940) Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
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Anordnung von Zylindern und Kármánschen Wirbelstraßen
Blevins: Flow-Induced Vibration, 1990
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Ferrybridge (GB) Kühltürme (1965)Kármánsche Wirbelstraße verursacht Strukturschwingung
Quelle: Krause, Zum 100. Geburtstag des Luft- und Raumfahrtpioniers Theodore von Kármán, Aachen, 1981.
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Sources of Airframe Noise
Smith (1989)
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Smith (1989)
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Lips (1995)
Noisy - Silent - Fan Installation
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Fluid-borne noise
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Aufbau eines Demonstrators – Lüftergeräusch und Active Noise Control
Strömungsrichtung
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Setup eines Prototyps
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Einkanaliges, feed forward ANC-System
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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
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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
© Frank Kameier Folie 52 - 15.05.2008
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Ausschnitt aus des Simulink-Modells
© Frank Kameier Folie 53 - 15.05.2008
FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und Akustik
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
© Frank Kameier Folie 54 - 15.05.2008
FH DFachhochschule DüsseldorfStrömungstechnik und Akustik
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
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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
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Geräuschminderung am Error-Mikrofon des ANC Systems