Rozprawa zawiera charakterystykę opracowanej i wdrożonej nowej instrumentalizacji pomiarowej do badań akustycznych w komorze bezechowej z użyciem skonstruowanego manipulatora o wysokiej dokładności pozycjonowania sondy pomiarowej, wraz z wynikami badań ją testującymi. Rozprawa ta określiła nową generację oprzyrządowania pomiarowego dla specjalizowanych laboratoriów, jakimi są komory bezechowe, stwarzając nowe możliwości badawcze w akustyce.
Przeprowadzono badania weryfikacyjne i funkcjonalne wykonanego manipulatora w badaniach:
• poziomu mocy akustycznej źródła, • charakterystyk kierunkowości,
• pomiaru współczynnika rozproszenia dźwięku;
Badania wykazały jego pełną przydatność do prac laboratoryjnych w komorze bezechowej, a niekiedy wręcz nakreśliły jego niezbędną obecność.
Zasadniczym atutem podczas tych, jak i zapewne każdych potencjalnych badań z użyciem manipulatora w praktyce laboratoryjnej jest bardzo wysoka – niemożliwa tradycyjnymi metodami do uzyskania – dokładność pozycjonowania sondy pomiarowej w polu akustycznym. Drugim, głównym wyznacznikiem jej przydatności jest znaczące skrócenie czasu trwania pomiarów, w porównaniu do dotychczasowej praktyki pomiarowej z pozycjonowaniem ręcznym mikrofonu (w przypadku charakterystyki kierunkowości nawet 50-krotne). Rzutuje to w istotny sposób na możliwość ograniczenia wpływu zakłóceń środowiskowych podczas pomiarów. Ważnym atrybutem wdrożenia opracowanej instrumentalizacji pomiarowej jest jej pełne wkomponowanie w system automatyzacji pomiarów, zapewniający możliwość realizacji programowo-sterowanego eksperymentu badawczego, dokumentowanego i archiwizowanego w odpowiednio zbudowanych bazach danych.
Opracowany manipulator otworzył nowe możliwości badawcze w zakresie wyznaczenia przestrzennych charakterystyk kierunkowych z rozdzielczością poniżej 15º, co bez użycia opracowanego układu pozycjonującego jest mało realne do zrealizowania ze względu na dużą ilość punktów pomiarowych, a w związku z tym ogromną czasochłonność.
Kluczową zaletą opracowanej i wdrożonej do badań instrumentalizacji pomiarowej jest zapewnienie wysokiej dokładności i powtarzalność pomiarów. W przypadku pomiaru
poziomu mocy akustycznej wysoka rozdzielczość manipulatora może się wydawać mało uzasadniona, gdyż wprowadzenie losowego błędu na poziomie niekiedy ±100 mm powoduje błąd w pomiarach na poziomie 0,2 dB. Natomiast w przypadku wyznaczania charakterystyk kierunkowych oraz rozproszenia dźwięku problem rozdzielczości jest zagadnieniem fundamentalnym. Ze względu na pełną automatyzację i precyzję manipulator eliminuje niepewność pomiarową związaną z czynnikiem ludzkim.
Na korzyść opracowanego rozwiązania przemawia jego konstrukcja, która jest otwarta i podatna na rekonfigurację i rozbudowę. Dzięki temu mogą być realizowane nowe wyzwania badawcze, które do tej pory w ogóle nie były brane pod uwagę. Takim potencjalnym przykładem może być szerokie zastosowanie opracowanego manipulatora jako źródło pozycjonowania sondy dwu-mikrofonowej do wyznaczenia pomiaru natężenia dźwięku. Uniwersalność zaprojektowanego manipulatora polega ponadto na możliwości ciągłego rozwoju oprogramowania sterującego w kontekście programowania nowych eksperymentów pomiarowych realizowanych w komorze bezechowej, jak i modyfikacji realizowanych dotychczas procedur badawczych.
Budowa manipulatora pomiarowego przyczyniła się do 9 zgłoszeń patentowych [65-73].
Uwagi końcowe – kierunki dalszych badań
Budowa i wdrożenie do prac laboratoryjnych w komorze w bezechowej, manipulatora o wysokiej dokładności pozycjonowania akustycznej sondy pomiarowej:
• odmieniło oblicze badań akustycznych, poprzez zapewnienie warunków do ich automatyzacji i pełnej powtarzalności.
• stworzyło warunki umożliwiające monitorowanie pola akustycznego badanego źródła w dłuższym okresie czasu.
• pozwoliło ograniczyć pracochłonność eksperymentalnych prac badawczych.
W przyszłości badania powinny być kontynuowane, (przy wykorzystanie skonstruowanego manipulatora do badań akustycznych w komorze bezechowej, o wysokiej precyzji pozycjonowania sondy pomiarowej) na kierunku :
• tworzenia procedur oceny niepewności parametrów akustycznych źródeł związanej z niedokładnością pozycjonowania mikrofonu pomiarowego.
• analizy i wyboru optymalnej sieci punktów pomiarowych na dokładność estymacji parametrów akustycznych badanych źródeł hałasu.
• budowy nowych certyfikatów oceny parametrów akustycznych badanych obiektów; z uwzględnieniem wiedzy pozyskanej nowa technologią pomiaru, określoną wysoką powtarzalnością i dokładnością pozycjonowania mikrofonu pomiarowego.
8 Literatura
1. Application of B&K equipment to acoustic noise measurements. Bruel&Kjaer, Nærum 1971
2. Augustyńska D., Pleban D., Mikulski W., Tadzik P.: Ocena emisji hałasu maszyn – wymagania i metody. CIOP, Warszawa 2000.
3. Bańkowski Z.: Poradnik Mechanika, Tom 1 i 2 . WNT, 1985.
4. Batko W., Dąbrowski Z., Engel Z., Kiciński J., Weyna S.: Nowoczesne metody badania procesów wibroakustycznych. Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy w Radomiu 2005.
5. Batko W., Felis J., Flach A., Giesko T., Kamisiński T., Zbrowski Z.: Koncepcja układu wykonawczego dla pozycjonowania elementów systemu pomiarowego w komorze bezechowej. Otwarte Seminarium z Akustyki, Przemyśl 2007.
6. Batko W., Felis J., Flach A., Giesko T., Kamisiński T., Zbrowski A.: A concept of an actuator for positioning of elements of a measurement system in an anechoic chamber Archives of Acoustics 2007.
7. Batko W., Felis J., Flach A., Kamisiński T.: On a design of a positioning system suited for acoustic measurement in anechoic room. WibroTech 2007.
8. Batko W.: Numerical uncertainty in processes of acoustical monitoring. Archives of Acoustics 2010
9. Batko W., Felis J., Kamisiński T., Wierzbicki J: Automation of acoustic measurements in an anechoic chamber. Mitteilungen aus dem Institut für Maschinenwesen der Technischen Universität Clausthal 2007
10. Beranek L.: Concert Halls and Opera Houses: Music, Acoustics, and Architecture. Springer, NY: Springer, 2nd edition, 2004
11. Chruściel M.: LabVIEW w praktyce. Wydawnictwo BTC, Warszawa 2008
12. Condenser Microphones and microphone preamplifiers for acoustic measurements. Data Handbook, Bruel&Kjaer Nærum1982.
13. Cox T. J., D'Antonio P.; Acoustic Absorbers and Diffusers: Theory, Design and Application, Spon Press 2004.
14. Decaulne P., Pelegrin M., Gille J.C.: Serwomechanizmy Tom 1 Teoria i Technika. PWT, Warszawa 1961.
16. Everest F. A.: Podręcznik Akustyki. Wydawnictwo Sonia Draga, Katowice 2004 17. Felis J., Jaworowski H., Cieślik J.: Teoria Mechanizmów i Maszyn. Część 1. Analiza
Mechanizmów, Wyd. Katedra Mechaniki Robotyki i Dynamiki Maszyn AGH, Kraków 2001
18. Felis J., Flach A., Kamisiński T.: Testing of the positioning device for the measuring microphone in the research room. Archives of Acoustics 2011.
19. Felis J., Flach A., Kamisiński T., Zbrowski A.: Manipulator for acoustical measurements in an anechoic chamber. Wibrotech, Kraków 2008
20. Felis J., Flach A., Kamisiński T.: Testing of a Device for Positioning Measuring Microphones in Anechoic and Reverberation Chambers. Archives of Acoustics 2/2012.
21. Felis J., Zbrowski A., Giesko T., Mężyk J.: Structure synthesis and mechanical parameters choice for a manipulating mechanism for acoustical measurements in anechoic chamber. SSP Solid State Phenomena, Switzerland 2009.
22. Flach A.: Stanowisko do pomiarów parametrów elektroakustycznych głośników. Praca Magisterska, Katedra Mechaniki i Wibroakustyki AGH, Kraków 2005.
23. Gajewski A. S.: Błędy i niepewności pomiarowe. Wydawnictwo Akademii Ekonomicznej w Krakowie 2003.
24. GERB Vibration Isolation Systems 10 Edition 2000.
25. Goliński J. A.: Wibroizolacja maszyn wirnikowych. Arkady, Warszawa 1964. 26. Hadam P.: Projektowanie systemów mikroprocesorowych. BTC, Warszawa 2005. 27. Herreman K.: Anechoic chamber verification for calibration of reference sound
sources.Journal of the Acoustical Society of America, 2010.
28. Kamisiński T., Flach A.: A Uniplanar Manipulator For Precision Acoustic Studies. Archives of Acoustics 2006.
29. Kamisiński T., Flach A., Rubacha J., Pilch A.: Acoustic screen with diffusion surface. Archives of Acoustics 2010.
30. Kamisiński T., Felis J., Flach A., Zbrowski A.: Usefullness of a rotating manipulator as a tool in acoustic measurements in anechoic Chambers. Archives of Acoustics; 2009.
31. Kamisiński T., Kinasz R., Rubacha J., Pilch A., Flach A.: Badania akustyczne wybranych materiałów dla renowacji wnętrza Opery we Lwowie — [Acoustic studies of chosen materials for the renovation of the Lvov Opera interior] fizyka budowli w teorii i praktyce : XII polska konferencja naukowo-techniczna, Łódź 2009.
32. Kamisiński T., Pilch A., Rubacha J.: The Study of Sound Scattering Structures for the Purposes of Room Acoustic Enhancement. Acta Physica Polonica A 2010
33. Kuś Z., Strzelecki Z.: Projekt technologiczny budowy laboratorium drgań i szumów. Praca Magisterska Katedra Mechaniki i Wibroakustyki AGH, Kraków 1974.
34. Kuttruff H.: Room Acoustics. CRC Press 2000. 35. Makarewicz R.: Dźwięki i fale. UAM, Poznań 2004.
36. Malecki I.: Teoria Fal i Układów Akustycznych. PWN, Warszawa 1964. 37. Master Catalogue Electronic Instruments, Bruel&Kjaer Nærum 1989 38. Mechanical vibration ans shock measurements. Bruel&Kjaer Nærum 1972
39. Mężyk J., Kamisiński T., Zbrowski A., Flach A.: Hardware structure of a control section of manipulation mechanism for acoustical measurement in anechoic chamber MSM 2008 : Mechatronic Systems and Materials, Białystok, 2008.
40. Mężyk J., Flach A.: System sterowania manipulatora 3DOF — The control system for the 3DOF manipulator Problemy Eksploatacji - Maintenance Problems 2011
41. Motion Control, National Instruments Universal Motion Interface (UMI)-7774/7772. User Manual
42. Motion Control. NI 7350 User Manual. National Instruments Corporation, 2006. 43. Neufert E.: Podręcznik projektowania architektoniczno-budowlanego. Arkady,
Warszawa 2000.
44. Pilch A., Kamisiński T.: The Effect of Geometrical and Material Modification of Sound Diffusers on Their Acoustic Parameters Archives of Acoustic 2011
45. Pilch A.: Creating acoustic parameters of sound diffusing structures. Archives of Acoustics 2011 vol. 36 no. 3 s. 667.
46. Pikoń A.: Autocad 2007 PL. Helion, Gliwice 2007
47. Rubacha J., Polaczek A., Kamisiński T.: A study on acoustic parameters of reflective structure models at different sound wave angle of incidence. Acta Acustica united with Acustica vol. 96 suppl. 1 s. S94, 2010
48. Sadowski J.: Akustyka Architektoniczna. PWN, Warszawa 1976.
49. Świsulski D.: Komputerowa technika pomiarowa, Oprogramowanie wirtualnych przyrządów pomiarowych w LabVIEW, Agenda Wydawnicza PAK-u, Warszawa 2005
50. Tłaczała W.: Środowisko LabVIEW w eksperymencie wspomaganym komputerowo. Wydawnictwo WNT 2002
52. Winiecki W., Nowak J., Stanik S: Graficzne zintegrowane środowiska programowe, Wydawnictwo MIKOM, Warszawa 2001
53. Zastawnik M., Flach A., Kamisiński T.: Badania parametrów akustycznych
wnętrz przy bezprzewodowym przesyłaniu sygnału. Wireless microphone system in acoustic measurements of interiors. XIX Conference on Acoustic and Biomedical Engineering, Zakopane 2012
54. ISO 17497-2 Acoustics - Sound-scattering properties of surfaces - Part 2: Measurement of the directional diffusion coefficient in a free field.
55. PN-ISO 3578:1997 - Liny stalowe - Oznaczenia podstawowe. PKN, Warszawa 1997 56. PN-EN ISO 3745:2007 Wyznaczanie poziomów mocy akustycznej źródeł hałasu na
podstawie pomiarów ciśnienia akustycznego – Metody dokładne w komorach bezechowych i w komorach bezechowych z odbijającą podłogą. PKN, Warszawa 2005.
57. PN-EN 60268-5:2005 Urządzenia systemów elektroakustycznych Część 5: Głośniki PKN, Warszawa 2005.
58. PN-EN 60268-6:2005 Urządzenia systemów elektroakustycznych Część 6: Mikrofony PKN, Warszawa 2005. 59. http://www.eckelusa.com/products/test-chambers/anechoic-chambers/wedge-and-chamber-performance.html, 2009 60. http://www.norsonic.com/index.php?sideID=2225&ledd1=2220, 2011 61. http://www.bksv.com/Products/PULSEAnalyzerPlatform/PULSESolutionsOverview/ AcousticApplications/NSIIntensityMapping.aspx, 2011 62. http://www.physics.byu.edu/research/acoustics/facilities.aspx, 2011 63. http://www.rpginc.com/technology.cfm, 2011
64. Kamisiński T., Flach A., Pilch A., Rubacha J., Zastawnik M. Method and system for location of electroacoustic measuring transducers, especially microphones in the space of the room] / Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie ; Opis zgłoszeniowy wynalazku ; PL 391882 A1. — Zgłosz. 2010-07-19 ; Opubl. 30-01-2012.
65. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Uchwyt mikrofonu pomiarowego. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391204 z dnia 13.05.2010 r.
66. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Obrotowy stół do pozycjonowania próbki w pomiarach akustycznych w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391345 z dnia 26.05.2010 r.
67. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Stół obrotowy zgłasza do pozycjonowania próbki w pomiarach akustycznych w komorze pogłosowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391631 z dnia 26.06.2010 r.
68. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Manipulator mikrofonu do pomiarów wibroakustycznych szczególnie w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391346 z dnia 26.05.2010r.
69. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Układ do justowania osi manipulatora zwłaszcza do pomiarów akustycznych w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391350 z dnia 27.05.2010 r.
70. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Wysięgnik do mocowania elementów w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391351 z dnia 27.05.2010 r. 71. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Urządzenie do pomiarów
wibroakustycznych szczególnie w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391483 z dnia 12.06.2010 r.
72. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Manipulator do kątowego pozycjonowania zwłaszcza mikrofonu do pomiarów wibroakustycznych w komorze bezechowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391636 z dnia 28.06.2010 r.
73. Kamisiński T., Flach A., Felis J., Zbrowski A.: Manipulator do kątowego pozycjonowania zwłaszcza mikrofonu do pomiarów wibroakustycznych w komorze pogłosowej. Opis zgłoszeniowy wynalazku P-391635 z dnia 28.06.2010 r.