gürültü kontrol elemanlarının akustik özelliklerinin empedans tüpü

10. ULUSAL AKUSTİK KONGRESİ
YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ODİTORYUMU, İSTANBUL
16-17 Aralık 2013
GÜRÜLTÜ KONTROL ELEMANLARININ AKUSTİK
ÖZELLİKLERİNİN EMPEDANS TÜPÜ İLE BELİRLENMESİ
Onur Akaydın1, Alper Akgül1, Emre Orhon1, H. Temel Belek2
1
Pro-Plan Ltd. Şti., Levent, İstanbul, Türkiye
Tel: 212 279 95 22, e-posta: [email protected]
2
İstanbul Teknik Üniversitesi, Beyoğlu, İstanbul, Türkiye
Tel: 212 293 13 00 / 2510, e-posta: [email protected]
ÖZET
Endüstriyel gürültü kontrol uygulamalarında; tek veya çok katmanlı, ses yalıtım ve yutucu
akustik malzemeler ile; susturucu ve rezonatör gibi çeşitli akustik elemanlara ihtiyaç
duyulmaktadır. Bu çalışmada gürültü kontrol elemanlarının akustik özelliklerinin belirlenmesi
amacıyla bir Empedans Tüpü deney düzeneği tasarlanmıştır. Bir hoparlör ile üretilen beyaz
gürültü, silindirik bir tüp aracılığıyla numuneye iletilmekte; numunenin önünde ve arkasında
konumlandırılan mikrofon çiftleri ile ses basıncı ölçümleri alınarak ASTM E1050 standardına
göre belirli akustik parametreler hesaplanmaktadır. Test edilen numunelerin giriş ve çıkış
çaplarının farklılık gösterdiği durumlarda, tüp ile gereken bağlantıların yapılabilmesi için
kullanılan adaptör parçaların ölçüm sonuçlarına etkisi değerlendirilerek, ses iletim kaybı
parametresi üzerinde düzeltme yapılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Empedans tüpü, ses iletim kaybı, yutum katsayısı, akustik, gürültü
kontrolü.
DETERMINATION OF ACOUSTIC PROPERTIES OF NOISE CONTROL
ELEMENTS WITH IMPEDANCE TUBE
ABSTRACT
Single or composite layered acoustic materials are widely used for sound isolation and
absorbtion, as well as the silencers and rezonators, in industrial noise control applications. It
is important to extract the acoustical properties of noise control elements. In the present study,
an impedance tube system will be introduced together with the theoretical background to
determine the acoustical properties of noise control elements. White noise generated is
amplified and emitted by a loudspeaker on to the sample is measured by the microphone pairs
on the incident and transmitted sides of the sample, then the acoustical parameters are
calculated according to ASTM E1050 standard. When the tested object has different inlet and
outlet diameters conical adaptors are used to connect the test object. The effect of the conical
adaptors are also calculated in the program and corrections are made automatically.
Keywords: Impedance tube, sound transmission loss, absorbtion coefficient, acoustics, noise
control.
1. GİRİŞ
Otomotiv, makina, uçak, beyaz eşya ve yapı endüstrilerinde, gürültü kontrol uygulamalarında
çeşitli akustik malzeme ve elemanlara ihtiyaç duyulmaktadır. Tek veya çok katmanlı, ses
yalıtıcı, yutucu ve yansıtıcı akustik malzemeler ile; susturucu ve rezonatör gibi akustik
elemanlar bunlara örnek olarak gösterilebilir. Bu elemanların yanısıra, bir sistemin akustik
performansının geliştirilmesi amacıyla bazı hallerde, “otomobil motor filtresi” gibi esas amacı
gürültü kontrolü olmayan elemanlar bile istenen akustik özellikleri sağlayacak biçimde
modifiye ve optimize edilerek ikinci bir işlev görecek şekilde tasarlanabilmektedir.
Akustik malzemeleri veya akustik elemanları, özellikleri bakımından başlıca iki grupta
toplamak mümkündür, bunlar:
 Yutum katsayısı, yansıtma katsayısı, yüzey empedansı gibi akustik yutum özellikleri
taşıyan malzemeler,
 Ses iletim kaybı, yansıma katsayısı gibi akustik yalıtım özellikleri taşıyan
malzemeler.
Bu yutum ve yalıtım özelliklerinin belirlenmesi için günümüzde uygulanan birçok yöntem ve
standart mevcuttur. Akustik yutum özelliklerinin belirlenmesi amacıyla;
A. Yerinde uygulama sonrası test
B. Serbest alan metodları
C. Çınlanım odası metodları:
C.1: ISO 354:2003 ve ASTM C 423-02a standartlarına göre bir çınlanım odası
kullanarak
C.2: Otomotiv akustiğine yönelik, küçük çınlanım odaları kullanılarak (alfa kabin)
D. Düzlem-dalga tüp metodları:
D.1: ISO 10534-2 ve ASTM E1050-98 standartları ile tanımlanan “İki Mikrofon
Metodu (Transfer Fonksiyonu Metodu)”
D.2: Ses basıncı ölçen bir mikrofon ile partikül hızı (u) sensörünün (Microflown p-u
probu) birlikte kullanılması
D.3: ISO 10534-1:1996 ve ASTM C 384-04 standartlarıyla tanımlanmış, durağan
dalga oranlarının tüm frekanslarda birer birer hesaplanması (günümüzde bu metodun
yerini İki Mikrofon Metodu almıştır).
Akustik bariyer özelliklerinin belirlenmesi amacıyla;
E. Yerinde uygulama sonrası test
F. ISO 140-3:1995, ASTM E 90-04 ve SAE J1400:90 standartları ile tanımlanan “İki
Oda Metodu”
G. Düzlem-dalga tüp metodları:
G.1: ASTM E 1050-98 standardıyla tanımlanan “Dört Mikrofonlu Düzlem Dalga
Tüpünde Transfer Matris Metodu”
G.2: Literatürde tanımlanmış fakat henüz standartlaşmamış diğer metodlar.
uygulanabilmektedir.
Bu çalışmada kapsamında, yalnızca D.1 ve G.1 maddelerinde belirtilen metodlara uygun
olarak bir Empedans Tüpü deney düzeneği tasarlanmıştır. Yukarıdaki yöntemler arasından
C, D, F ve G metodları; gürültü kontrol elemanlarının verimliliğini, ürün tasarımının henüz
erken safhalarında belirleme ve ürün gürültüsüne etkileri üzerine tahminlerde bulunma imkanı
sağlamaktadır. D ve G metodlarında olduğu gibi, akustik eleman bir tüp içinde düzlemdalgaya formundaki gürültüye tabi tutulduğunda, elemanın yüzeyine dik-gelişli (normalincidence) ses dalgalarına karşı tepkisi ölçülebilmektedir. Diğer yandan C ve F gibi, akustik
elemanının iki oda arasında konumlandırıldığı metodlarda, test edilen numunenin rastgelegelişli (random incidence) akustik özellikleri belirlenebilmektedir. Pratikte bir akustik
elemanın dik-gelişli akustik özellikleri ile rastgele-gelişli akustik özellikleri arasında her
zaman tam doğrusal bir ilişki kurulamasa da, biri arttıkça diğerinin de artış gösterdiği
bilinmektedir [1].
Düzenekte; bir hoparlör yardımıyla üretilen beyaz gürültü silindirik bir tüp aracılığıyla
numuneye iletilmekte, numunenin önünde ve arkasında ikişer adet olmak üzere toplam dört
mikrofon ile eşzamanlı ses basıncı ölçümleri alınarak ASTM E1050 standardına göre yutum
katsayısı, yansıma katsayısı, akustik empedans ve ses iletim katsayısı gibi parametreler
hesaplanmaktadır [2].
2. DENEY DÜZENEĞİ
Deneyin düzeneği ASTM E1050 standardında belirtilen kriterler baz alınarak hazırlanmıştır.
Düzenek; bir empedans tüpü, bir sinyal üreteci, bir güç amplifikatörü, bir hoparlör (ses
kaynağı), dört mikrofon, bir veri toplama ünitesi ve ölçülen sinyalleri işleyen bir yazılımdan
oluşmaktadır. Deney düzeneğine ait ölçüm zinciri Şekil 1’de görülmektedir.
Sinyal Üreteci
Güç
Amplifikatörü
Ses Kaynağı
Empedans Tüpü (Numune İle Birlikte)
Mikrofonlar
Veri Toplama
Ünitesi
Sinyal İşleme ve
Raporlandırma
Şekil 1. Deney düzeneğine ait ölçüm zinciri.
2.1. Empedans tüpü
Empedans tüpü ölçüm sisteminin görünüşü Şekil 2 de gösterilmiştir. Deneyde kullanılan
empedans tüpü iki parçadan oluşmaktadır. Birinci parça, sesin ses kaynağından çıktıktan
sonra düzlemsel dalga formuna kavuşarak akustik elemana dik bir şekilde ilerlediği hacmi
oluşturan tüptür. İkinci parça ise akustik elemanın arkasına iletilen sesin ilerlediği hacmi
oluşturmaktadır. Akustik malzeme veya eleman (bundan sonra numune olarak
adlandırılacaktır) bu iki parçanın arasına sızdırmaz bir şekilde monte edilmiştir.
Şekil 2. Empedans tüpünün görünüşü.
Şekil 3’te ise empedans tüpünün şematik bir gösterimi bulunmaktadır.
Şekil 3. Empedans tüpünün şematik gösterimi
Susturucu, filtre gibi parçaların giriş veya çıkış çapları tüp çapıyla aynı ise tüpe doğrudan
bağlantı mümkün olabilmektedir. Eğer çap ölçüleri farklıysa, numunelerin tüpe sızdırmaz bir
şekilde bağlanabilmesi için konik yapıdaki adaptörler kullanılmaktadır. Şekil 4’te adaptör
parçaların kullanılması durumu şematik olarak gösterilmiştir.
Şekil 4. Adaptör kullanılması durumunda empedans tüpünün şematik gösterimi
Empedans tüpünün boyutları ve mikrofon konumları, deney düzeneğinin doğru sonuç
verebileceği frekans aralığını önemli ölçüde etkilemektedir. Bilindiği gibi bir empedans tüpü
ölçümünde ses dalgalarının tüp içinde düzlemsel olarak ilerlemesi beklenir, ancak yüksek
frekanslarda sesin dalga boyu tüpün çapına kıyasla küçüldükçe düzlemsel yayılımda
bozulmalar ortaya çıkar ve tüp eksenine dik ses dalgaları oluşur. Bu nedenle yüksek
frekanslar malzeme özelliklerini doğru elde etmek için daha küçük çapta tüp kullanılır.
Dolayısı ile empedans tüp ölçümlerinde güvenli ölçümlerin yapıldığı frekans aralığının üst
sınırını belirleyen etken tüp çapıdır. Güvenli ölçüm frekans aralığının alt sınırını belirleyen
etken ise tüpün boyudur. Tüp içinde alt frekans sınırında en az bir dalga boyunda ses dalgası
oluşmalıdır. Bu nedenle tüp uzunluğunun güvenilir ölçüm yapılacak en düşük frekanstaki
dalga boyunun üç katı olması beklenir.
ASTM: E 1050-98 Standardına göre önerilen boyutlar şöyle tanımlanmıştır:
 Tüpün çapı:
 Mikrofonlar arası mesafe:
 Tüp uzunluğu :
Bu düzenek kullanılarak elde edilen ses iletim kaybı transfer matrisinin bilinmeyen dört
katsayısı iki farklı yöntem ile belirlenmektedir. “Çift yükleme” ve “anekoik terminasyon “
olarak tanımlanan bu yöntemleri uygulamak için test numünesi iki tüp arasına yerleştirilir ve
kaynaktan yayılan ses basıncı her iki mikrofon çifti ile kayıt edilir. Transfer matrisinin
bilinmeyen dört adet katsayısını hesaplamak için dört adet bağımsız denklem elde etmek
gerekir. Bu nedenle çift yükleme yöntemi’nde test tüpünün uç kısmı rijit bir kapak ile
kapatılarak ve daha sonra da açık tutularak ölçümler tekrarlanır. Bu ölçüm sonuçları ile
istenen katsayılar sayısal olarak hesaplanabilir.
“Anekoik Terminasyon Yöntemi”nde ise tüpün uç kısmı anekoik bir boluğa açılmıştır. Bu
durumda tüp ucuna ulaşan ses dalgaları anekoik hacim içinde yutularak geri yansımaz ve
sonuçta ölçüm sayısı yarı yarıya azaltılarak istenen sonuca ulaşılmış olunur. Ancak bu
yöntemde anekoik terminasyonun istenen düzeyde olmaması, ses dalgalarının bir bölümünün
geri yansıyarak ölçüm sonuçlarında bozucu etkiler yaratabilir.
2.2. Sinyal üreteci
Deney düzeneğinde kullanılan sinyal üreteci veri toplama ünitesi ile bütünleşik, 0-100 kHz
aralığında analog sinyal üretebilen, beyaz ve pembe gürültü formlarına sahip olan bir
üreteçtir.
2.3. Güç amplifikatörü
Güç amplifikatörü, sinyal üretecinde üretilen zayıf haldeki beyaz gürültü sinyalini
güçlendirerek, bir sonraki başlıkta seçilen ses kaynağını sürme işlevini görmektedir.
2.4. Ses kaynağı
Güç amplifikatörünün çıkışındaki sinyali ses enerjisine çeviren aygıttır. Numuneye iletilen
sesin bütün frekanslarda yeterli miktarda ses enerjisine sahip olabilmesi için mümkün
olduğunca düz frekans tepkisine (flat response) sahip bir hoparlör seçilmiştir.
2.5. Mikrofon
Deneyin yapıldığı frekans aralığında düz frekans tepkisine sahip, birbirlerine göre faz farkı
olabildiğince düşük, tüp içerisinde oluşabilecek ses basınç seviyelerini (~140 dB)
okuyabilecek, basınç alanı mikrofonları kullanılmıştır.
2.6. Veri toplama ünitesi
Kullanılan mikrofonlar ile uyumlu, kanallar arası faz farkı oldukça düşük, 0-51.2 kHz
aralığında frekans analizi yapmaya uygun bir veri toplama ünitesi kullanılmıştır.
2.7. Yazılım
Mikrofonlardan veri toplama ünitesi aracılığıyla okunan sinyaller üzerinde FFT analizi
yapabilen; auto-spectrum, cross-spectrum ve frekans tepki fonksiyonlarını hesaplayabilen ve
bu fonksiyonlara ait spektral değerleri anlık olarak başka yazılımlara sürekli çıktı şeklinde
gönderebilen çekirdek bir yazılım kullanılmıştır. Bu deney için ayrıca tasarlanan bir ikinci bir
yazılıma, çekirdek yazılımdan alınan autospectrum ve cross-spectrum verileri aktarılarak
akustik parametrelerin hesaplanması ve raporlandırılması işlemleri ikinci yazılım üzerinden
yönetilmiştir. Yazılımın arayüzünden bir görüntü Şekil 5 ile gösterilmiştir.
Şekil 5. Yazılımın arayüzü
3. HESAPLAMALAR
Şekil 3’te ses kaynağından numuneye iletilen, numuneden yansıyan, numunenin üzerinden
ikinci tüpe iletilen ve ikinci tüpün sonlandırıcısından geri yansıyan ses dalgaları sırasıyla A,
B, C ve D şeklinde gösterilmiştir. Pratikte bu ses dalgaları içiçe geçmiş vaziyette olup, akustik
parametrelerin belirlenebilmesi için ses dalgalarının uygun bir şekilde ayrıştırılması
gerekmektedir.
n mikrofon numarası, ref referans alınan bir mikrofonun numarası ve G cross-spectrum
fonksiyonu olmak üzere, n mikrofonu ile ref mikrofonu arasındaki kompleks frekans tepki
fonskiyonu H;
(1)
şeklinde tanımlanır. Bu çalışmada 1inci mikrofon referans olarak alınmıştır.
k tüpte ilerleyen ses için kompleks dalga sayısı ve s yapılan ölçümün sırasını gösteren harf (a
ve b) olmak üzere, yapılan her ölçüm için A, B, C ve D aşağıdaki şekilde ayrıştırılabilir:
(
( )
( )
( )
( )
( )
( )
(
√
( )
(
(
√
√
( )
)
)
( )
)
(
(
(2)
)
( )
(
)
( )
(
(4)
)
( )
)
)
(3)
(5)
Transfer fonksiyonu metoduna göre, transfer fonksiyonunun elde edilebilmesi için iki ayrı
sınır şartı (örn. tüpün ucunun bir sonlandırıcıyla kapatılması ve kapatılmaması durumları) ile
iki ayrı ölçüm almak gerekli ve yeterlidir.
s ölçümünde numunenin giriş ve çıkışlarındaki ses basınçları;
( )
( )
( )
|
( )
|
( )
( )
(6)
(7)
numunenin giriş ve çıkışlarındaki partikül hızları;
( )
( )
|
( )
(8)
( )
( )
( )
|
(9)
şeklinde elde edilir. Numunenin transfer matrisi böylelikle şu şekilde elde edilir:
(10)
[
Dik-gelişli iletim katsayısı
]
ile, ses iletim kaybı
sırasıyla şu şekilde hesaplanır:
(11)
(12)
| |
Çalışma kapsamında yukarıdaki parametrelerin yanında yutum katsayısı, yansıma katsayısı,
yüzey empedansı, numunenin kompleks karakteristik empedansı gibi ek parametreler de
ayrıca hesaplanmıştır.
4. ADAPTÖR DÜZELTMESİ
Akustik özellikleri ölçülecek numunenin empedans tüpüne bir adaptör yardımıyla bağlanması
durumunda, Bölüm 3’te verilen tarif edilen hesaplamalar yalnızca numunenin değil,
numunenin önünde ve/veya arkasındaki adaptörlerin de oluşturduğu akustik etkilerin de
hesaba katılmasına neden olacaktır.
Eğer tıpkı bir önceki bölümde numune için elde edildiği gibi konik yapıdaki bu adaptörler için
de transfer fonksiyonları elde edilebilirse, adaptörlerin etkisini devreden çıkarma işlemi basit
bir transfer fonksiyonu problemine dönüşecektir.
Selamet A. ve diğ. (1998), “Venturi Tubes: Acoustic Attenuation With Flow Loss
Considerations” isimli çalışmalarında [3] M. L. Munjal’dan da yararlanarak [4] konik
yapıdaki adaptörlerin transfer fonksiyonunu aşağıdaki şekilde elde etmişlerdir.
vektöründe i ve j M matrisinin sırasıyla satır ve sütun indisleri olmak üzere,
adaptörün transfer matrisi;
[(
)
(
(
)
(
)
)
]
n’inci
(13)
(14)
[(
)(
)
(15)
(
)(
[(
)
)
(
]
)
]
(16)
şeklinde elde edilir. Burada,
: n’inci adaptörün giriş çapı,
: n’inci adaptörün çıkış çapı,
: n’inci adaptörün uzunluğu,
olmak üzere,
(
)
(17)
(18)
(19)
(20)
denklemleri geçerlidir.
ses kaynağına yakın olan adaptörün (Adaptör 1) transfer matrisini,
diğer adaptörün
transfer matrisini, n adaptör numarasını, “giriş” ve “çıkış” indisleri adaptörün kendi giriş ve
çıkışlarını, P ve V ise sırasıyla adaptörün belirli konumlarındaki ses basıncı ve partikül
hızlarını temsil etmek üzere;
[
]
[
]
(21)
eşitliği tanımlansın. Bu durumda yalnızca numuneye ait olan düzeltilmiş transfer matrisi şu
şekilde elde edilir:
(22)
Bir önceki bölümde tarif edilen veya bahsedilen tüm hesaplamalar, ilk hesaplanan transfer
matrisi T yerine düzeltilmiş transfer matrisi
kullanılarak yapıldığı takdirde yalnızca
numunenin akustik özellikleri belirlenmiş olur.
Şekil 6’da iki adet adaptör vasıtasıyla düzeneğe bağlanmış olan bir motor filtresinin
düzeltilmemiş ses iletim kaybı ile,
düzeltilmiş ses iletim kaybının spektrumları
görülmektedir. Test sırasında küçük çapı 50.8 mm, büyük çapı 200 mm., uzunluğu 150 mm.
olan adaptörler kullanılmıştır.
45
40
35
30
25
TL_n (Re)
20
TL_n_corr (Re)
15
10
5
0
128
256
384
512
640
768
896
1024
1152
1280
1408
1536
1664
1792
1920
2048
2176
2304
2432
2560
2688
2816
2944
3072
0
Şekil 6. Bir motor filtresinde adaptör düzeltmesi uygulanmış ve uygulanmamış ses iletim
kaybı spektrumu
SONUÇ
Empedans tüpü ile ölçüm yöntemi; gürültü kontrol uygulamalarında kullanılan malzeme ve
elemanların akustik özelliklerinin, henüz uygulama yapılmaksızın önceden belirlenebilmesi
açısından etkili bir yöntemdir. Bu anlamda,
•
•
•
•
•
Yeni gürültü kontrol ürünleri üretme
Gürültü kontrol ürünlerinin özelliklerini belgeleme
Rakip ürünler ile karşılaştırmalar yapma
En doğru gürültü kontrol yönteminin seçilmesini kolaylaştırma
Akustik özelliklerin analitik ve nümerik metodlarla (örn. FEM, BEM) çözümü için
doğrulayıcı veri oluşturma
işlemleri oldukça hızlı ve güvenilir bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir.
Adaptör kullanılması halinde elde edilen sonuçların düzeltmesi oldukça önemlidir ve
hataların en aza indirilerek daha gerçekçi değerler elde edilmesi mümkün olmaktadır.
Geliştirilmiş olan bu sistem son derece başarılı olarak halen FORD, Gölcük tesisinde AR-GE
faaliyetlerinde kullanılmaktadır.
KAYNAKLAR
[1] Lewis H. Bell, Industrial Noise Control, Fundamentals and Applications, Marcel Dekker,
Inc. New York and Basel, 1982.
[2] ASTM International Standard: Standard Test Method for Impedance and Absorption of
Acoustical Materials Using A Tube, Two Microphones and A Digital Frequency Analysis
System, ASTM E 1050-86, 2006.
[3] A. Selamet, N. S. Dickey, Y. Kim and J. M. Novak, Venturi Tubes: Acoustic Attenuation
With Flow Loss Considerations, J. Vib. Acoust. 120(2), 607-613, 1998.
[4] M. L. Munjal, Acoustics Of Ducts And Mufflers, Chapter 2.18 "Transfer Matrix Method",
1987.