Softvérové vybavenie akustickej kamery umožňuje pres­né a účinné nakladanie s komplexnými akustickými para­metrami. Škála nástrojov je veľmi široká a umožňuje účin­nú a efektívnu prácu, vykonať kvalitatívnu i kvantitatívnu analýzu zdrojov hluku, a tak vytvoriť základ pre zvukovo-izolačné opatrenia.

Okrem už spomínaných možností je hlavnou prednosťou akustickej kamery vizualizácia hluku prostredníctvom akustických snímok, kto­ré pomocou farebných polí znázorňujú emisie hluku. Tento unikát­ny nástroj je špeciálne navrhnutý na vykonávanie meraní v laborató­riu i priamo v teréne.

 

Princíp činnosti akustickej kamery

Akustická kamera je modulárny a flexibilný nástroj na vizualizáciu, lokalizáciu a analýzu zdrojov hluku. Prostredníctvom vizualizácie, exaktných a rýchlych výsledkov skracuje vývojové časy následných technických opatrení na znižovanie hlukovej záťaže zamestnancov a obyvateľstva.

Princípom akustickej kamery je ukázať súvislosť medzi počutím a „vi­dením“ hluku. Po skončení merania si možno vypočuť (prezrieť) akustickú snímku alebo akustický film. Zvuk príslušného namerané­ho miesta si možno vypočuť a vykonať jeho bližšiu analýzu. Takýmto spôsobom sa dajú počuť a analyzovať aj také zdroje hluku, ktoré sú inak prekryté podstatne silnejšími zdrojmi hluku. Pri akustickom fil­me možno pomocou špecializovaného softvéru dodatočne animo­vať obraz a vytvoriť aj frekvenčné spektrum vypočutých miest.

Akustická kamera využíva obdĺžnikovú zobrazovaciu rovinu (obr. 1) za účelom presného výpočtu oneskorení akustických zvukových sig­nálov vyžarovaných z rôznych zdrojov hluku k jednotlivým mikrofó­nom antény. Výpočet sa uskutoční za predpokladu, že zobrazovacia rovina sa počas merania nepohybuje. Výsledkom rozdelenia zobrazo­vacej roviny na riadky a stĺpce je konečný počet zobrazovacích bodov – pixelov a stred tejto oblasti je použitý na výpočet.

Okamžitý výpočet pomocou metódy „delay&sum“ alebo „beamfor­ming“ v časovom rozsahu je najjednoduchšou a historicky najstaršou metódou. Pre anténu s M mikrofónmi sa vytvorí časová funkcia mies­ta x po porovnaní z rovnice (1). Princíp beamformingu a výpočtu ča­sových oneskorení je znázornený na obr. 2 [3].

t – čas [s], M – počet mikrofónov na anténe [-], wi – optimálne váhy [s], fi – nahraté časové funkcie jednotlivých mikrofónov, Δi – pridelené relatívne oneskorené časy, vypočítané z absolútnych priebehových časov τi ako Δi = τi – min(τi). Absolútne priebeho­vé časy sú určené z τi = |ri|/v, kde v je rýchlosť zvuku v ovzduší a |ri| je geometrická vzdialenosť od i-tého mikrofónu do záujmo­vého bodu x [s].

Efektívny akustický tlak v bode x sa dá určiť použitím rovnice (2). Každý jednotlivý zobrazovací bod (pixel) na obrazovke je zafarbený príslušnou farbou priradenou na základe vypočítanej efektívnej hod­noty v danom bode. K tomu sa zobrazí aj farebná škála, z ktorej mož­no určiť hodnotu v dB [3].

n – súčet nespojitých vzorkovacích časov – odhadovaný čas efektívnej hodnoty [s], fˆ – akustický tlak (v bode x) v čase [Pa], tk – k-tý časový interval (hodnota) [s].

Základné vybavenie akustickej kamery

Akustická kamera predstavuje súbor zariadení (obr. 4) slúžiacich na kvantitatívnu analýzu zdrojov hluku s následnou vizualizáciou hluku.

Základnú zostavu akustickej kamery tvorí:

– matica mikrofónov (tzv. mikrofónové pole),

– klasická kamera umiestnená v strede mikrofónového poľa,

– dátový rekordér,

– notebook,

– softvér – NoiseImage.

 

Základným prvkom na vizualizáciu hluku je usporiadanie mikrofó­nov na meracích mikrofónových poliach. Voľba vhodného mikrofó­nového poľa je nutným predpokladom pre správny výkon merania. Aplikácia jednotlivých mikrofónových polí závisí hlavne od vzdiale­nosti a frekvenčného charakteru zdroja hluku. Na obr. 5 sú znázorne­né jednotlivé typy mikrofónových polí.

Aplikácia akustickej kamery

Akustická kamera ako nástroj na vizualizáciu hluku okrem už po­užívaných tradičných metód analýzy ako je tretinooktávová analý­za, úzkopásmová analýza, aplikácia váhových filtrov do veľkej miery rozširuje možnosti analýzy zdrojov hluku. Následne možno z vyge­nerovaných spektrogramov zvoliť konkrétny frekvenčný rozsah v da­nom časovom okamihu. Z tejto selekcie sa potom vytvorí akustic­ký film, resp. akustická snímka. Z týchto výstupov sa dá exaktne určiť miesto pôsobenia zvuku a čas pôsobenia zdroja. Rovnako je možné analyzovať pohybujúce sa objekty.

Akustické snímky a videá získané akustickou kamerou možno použiť na kontrolu kvality rôznych výrobkov, ktoré pri svojej činnosti produ­kujú hluk. Práve analýzou akustickej snímky získanej z referenčného výrobku a jej porovnaním je možné posúdiť jeho kvalitu.

Aplikácia a možnosti akustickej kamery:

– lokalizácia a identifikácia zdrojov hluku,

– kvantitatívna a kvalitatívna analýza zdrojov hluku,

– kontrolné merania kvality,

– tvorba zvukových záznamov s možnosťou vypočutia zvuku v rôznych miestach,

– tvorba akustických snímok a filmov,

– návrh riešení na zníženie hluku a verifikácia uskutočnených opat­rení na zníženie hluku.

Na nasledujúcich akustických snímkach sú prezentované emisie hlu­ku emitované z priemyselných objektov v rôznych prevádzkach.

Merania boli vykonané v exteriéri pomocou hviezdicového mikrofó­nového poľa zo vzdialenosti väčšej ako 20 m od hodnoteného zdro­ja hluku. Merania tohto charakteru sú určené na identifikáciu a loka­lizáciu najvýznamnejších zdrojov hluku a na znázornenie kritických miest priemyselných objektov, cez ktoré je hluk emitovaný do okoli­tého prostredia.

Na nasledujúcom obrázku sú znázornené emisie hluku (regulačnej stanice plynu) prenikajúce cez vetracie otvory. Meranie bolo vykona­né s použitím kruhového hviezdicového poľa zo vzdialenosti cca 5 m.

Ďalšou oblasťou aplikácie je analýza zdrojov hluku strojov a zariade­ní v priemyselných prevádzkach, pričom merania boli vykonané zo vzdialenosti cca 5 m s použitím kruhového mikrofónového poľa.

Nasledujúci obrázok prezentuje emisie hluku lakoplastovacej linky plechov. Obrázok vľavo prezentuje emisie hluku v celom frekvenč­nom spektre a obrázok vpravo prezentuje emisie hluku vo zvolenom frekvenčnom spektre 250 – 550 Hz.

Práve možnosť vytvárať akustické snímky zo zvolených rozsahov frek­vencií je efektívnym nástrojom na analýzu zdrojov hluku v hlučných prevádzkach, kde sa nachádzajú viaceré zdroje hluku rôzneho cha­rakteru a dochádza k prekrývaniu hluku emitovaného jednotlivými zdrojmi hluku. Takouto možnosťou selekcie možno vytvoriť akustic­ké snímky pre rôzne frekvenčné pásma.

Ako sme už spomenuli, použitie akustickej kamery je možné pria­mo v teréne, ale často sa aplikuje aj pri laboratórnych meraniach rôz­nych zdrojov hluku, hlavne elektrospotrebičov. Nasledujúce snímky prezentujú emisie hluku vysávača a kompresora chladničky v bezdo­zvukovej miestnosti.

V praxi sa často stretávame s prípadmi, keď sú zdroje hluku pohyb­livé, resp. dochádza k zmene pôsobenia jednotlivých zdrojov hluku v čase. Typickým príkladom premenlivého pôsobenia zdrojov hlu­ku sú automatické výrobné linky. Akustická kamera umožňuje vyko­nať vizualizáciu emisií hluku v jednotlivých časových okamihoch pre celé alebo zvolené frekvenčné spektrum. Na nasledujúcich obrázkoch je prezentovaný spektrogram, z ktorého boli vygenerované akustické snímky pre jednotlivé časové okamihy.

Záver

Akustická kamera spája tradičné metódy analýzy zvuku, ako sú A-váženie, 1/3-oktávová analýza, FFT spektrálna analýza a ďalšie s metódami vi­zualizácie hluku. Spojením týchto prístupov akustická kamera rozširuje a zvyšuje úroveň možností analýzy zvuku a stáva sa účinným nástrojom na lokalizáciu a identifikáciu zdrojov hluku. Dokáže vizualizovať emisie hluku jednotlivých zdrojov na základe časovej a frekvenčnej selektivity.

Výstupmi meraní pomocou akustickej kamery sú klasické deskriptory hluku, ale hlavne akustické snímky a akustické videá, ktoré exaktne zná­zorňujú emisie a šírenie hluku z jednotlivých zdrojov a časy ich pôsobenia.

Následne tieto výstupy tvoria efektívne podklady na vykonanie protihlukových a zvukovoizalačných opatrení, resp. návrhy na zlepšenie akus­tického dizajnu elektrovýrobkov a domácich spotrebičov.

 

Literatúra

[1] BADIDA, M., LUMNITZER, E., ROMÁNOVÁ, M.: Metodika určovania neistôt merania hluku pri hygienických meraniach. In: Acta MechanicaSlovaca. roč. 10, č. 3/2006, s. 5 – 14, ISSN 1335-2393.

[2] DÖBLER, D., Time-Domainbeamformingusingzero-padding, Berlin Beamforming Conference (BeBeC), 2008.

[3] JAECKEL, O., SCHRÖDER, R.: Beamforming – Zeitbereich versus Frequenzbereich, Gesellschaftzur Förderungangewandter Informatik e.V. (GFaIe.V.), Berlin.

[4] MORAVEC, M., LIPTAI, P.: Aplikácia akustickej kamery pri riešení problematiky priemyselného hluku. In: Novusscientia 2007, 10. celoštátna konferencia doktorandov strojníckych fakúlt technických univerzít a vysokých škôl s medzinárodnou účasťou, Košice, SjF TU, 2007, s. 401 – 405, ISBN 978-80-8073-922-5.

[5] BADIDA, M., LUMNITZER, E., ROMÁNOVÁ, M.: Hluk v pracovnom prostredí a jeho hodnotenie v zmysle novej legislatívy. In: Trendy les­níckej, drevárskej a environmentálnej techniky a jej aplikácie vo výrobnom procese, Medzinárodná vedecká konferencia k 10. výročiu vzni­ku FEVT, Zvolen, Technická univerzita, 2006. s. 19 – 22, ISBN 80-228-1649-3.

[6] BADIDA, M., LUMNITZER, E., BIĽOVÁ, M.: Theusage of dynamic visualisation by industrial source analysis, In.: Acta Mechanica Slovaca, No.1, vol. 13, TUKE Košice 2009, s. 20 – 24, ISSN 1355-2393.

[7] BADIDA, M., LUMNITZER, E., MORAVEC, M., LIPTAI, P.: Posudzovanie priemyselných zdrojov hluku prostredníctvom ich vizualizácie. In.: Zborník z 15. Medzinárodného seminára Hluk a vibrácie, STU Bratislava, 2010, s. 73 – 76, ISBN 978-80-227-3305-2.

[8] LIPTAI, P., BADIDA, M., LUMNITZER, E., LUKÁČOVÁ, K.: Experimental measurements with acoustic camera. In.: Annals of MteM for 2009 and proceeedings of 9th international conference Modern Technologies in Manufacturing, Cluj – Napoca, 2009, s. 321 – 324, ISBN 97379370704.

[9] LIPTAI, P., BADIDA, M., LUMNITZER, E., MORAVEC, M.: Application of acoustic camera in industrial site. In.: MMA 2009, Novi Sad, Serbia, s. 258 – 261, ISBN 9788678922237.

[10] VARGOVÁ J. M., BADIDA, M., FIĽO, M.: Assessment of environmental factors in industry. In.: Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské – Technické Univerzity Ostrava, Vol. 54, no. 1/2008, s. 245 – 252, ISSN 1210-0471.

 

TEXT/FOTO: Miroslav Badida, Ervin Lumnitzer, Marek Moravec, Pavol Liptai

Článok vznikol na základe riešenia výskumného projektu KEGA 049 TUKE-4/2012.