27 декабря 2011
О лаборатории специальных исследований
Часть третья
Попробуем теперь поговорить подробнее о самом наболевшем – чем же измерять? Как выбрать комплект оборудования, из каких критериев исходить?
Оставим в стороне (хотя бы на время) требования регуляторов к парку измерительного оборудования, который должен быть у лицензиата. Перечни эти известны, они всегда отстают на 3-5 лет от реальности и носят, в большинстве, формальный характер.
Будем исходить в своих рассуждениях из требований реальностью и действующих требований к измерению (и обеспечению единства измерений!) физических величин.
Итак, «три кита» на которых зиждется проблематика ТЗИ:
- измерения в области акустики;
- измерения электрических сигналов;
- измерения электромагнитных полей
Начнём с простого, с измерений в области акустики.
Во-первых, разберёмся с терминологией. В данном контексте будем пользоваться классическим термином, включающим в себя как измерения в воздушной среде, так и измерения в твёрдом теле. Второе, вообще-то, может определяться и как измерение вибрации. А на профессиональном сленге, вошедшем и в НМД, сие именуется «виброакустикой». Причём именно в таком сочетании – «акустика и виброакустика» (достаточно распространённая аббревиатура – АВАК)
Хотя правильное применение термина «виброакустика» уже означает объединение в одном слове двух областей техники – акустики и вибраций. А не одних «вибраций», пусть даже и возникающих как следствие звукового давления, то есть «чистой» акустики.
Доказательства? Пожалуйста, вот строго официальное название системы сертификации: «СИСТЕМА СЕРТИФИКАЦИИ ПРОДУКЦИИ
ПО АКУСТИЧЕСКИМ И ВИБРАЦИОННЫМ ХАРАКТЕРИСТИКАМ.
Государственный Реестр ГОСТ Р № РОСС RU.0001.030006 «ВИБРОАКУСТИКА».
Итак, в соответствии с официальным перечнем средств измерений РФ, поддерживаемым ВНИИМС, для измерений в области акустики, то есть для измерения звукового давления, применяется средство измерения «ШУМОМЕР». Что подтверждается недавно введённым ГОСТ Р 53188.1-2008 ШУМОМЕРЫ. Часть 1. Технические требования.
В соответствии с требованиями НМД для измерений в области ТЗИ допускается применять шумомеры I или II классов. Таковых моделей в мире производится не один десяток самыми различными фирмами (названия и модели не приводятся намеренно, по сути – это неважно).
Последние годы практически все модели являются «только цифровыми интегрирующими», аналоговые шумомеры 70-80 годов разработки уже не производятся, за очень небольшими исключениями. Подавляющее большинство этих изделий представляют собою портативные приборы, в которых собственно шумомер и измерительный микрофон с его предусилителем объединены в одной, жёсткой конструкции. Для очень многих измерений в области акустики такое построение удобно. Но не для измерений в области ТЗИ. Как видно на фотографии, габариты шумомера, с торчащим предусилителем, составляют порядка 40 см. Такую конструкцию использовать при измерениях, например, в воздуховоде вентиляции или в межстекольном пространстве невозможно.
Рисунок 1 - Шумомер L&D 824
Вот и сразу одно из требований – микрофон шумомера должен быть небольшим и на длинном кабеле (как минимум). Таким требованиям отвечают микрофоны стандарта ICP (преобразователи со встроенной электроникой, Integrated Circuit Piezoelectric), разработан фирмой PCB Piezotronics, Inc. USA. Выходное сопротивление таких микрофонов составляет не более первых десятков Ом, питание подаётся по тому же коаксиальному кабелю. Большинство метрологических характеристик таких измерительных преобразователей (как микрофонов, так и акселерометров) вполне удовлетворяет пользователя. За исключением уровня собственных шумов, который выше, чем у классических конденсаторных микрофонов и зарядовых акселерометров. Разумеется, конструкция шумомера должна поддерживать использование таких первичных преобразователей (что, как правило, выполняется).
При выборе моделей первичных преобразователей следует обращать внимание на параметры электропитания. К сожалению, на рынке уже начали появляться модели (в частности – микрофонов), которые не полностью удовлетворяют ICP стандарту и, при подключении в произвольному шумомеру просто работают неправильно. Преобразователь должен быть работоспособен, а шумомер обеспечивать питание предусилителя типа ICP постоянным током 2...20 мА при напряжении питания 15...30 В. Иные параметры уже не гарантируют совместимости и не являются ICP стандартом.
Динамический диапазон измеряемого звукового давления для оценки защищённости помещений определяется, с одной стороны, минимальным уровнем шумов (в помещении), а с другой – максимальным уровнем тест-сигнала. Учитывая, что минимальный уровень шума по «Санитарные нормы СН 2.4/2.1.8.562-96 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки" составляет (средневзвешенный, по МЭК «А») в рабочих помещениях не менее 50 дБ, а в больничной операционной не менее 25 дБ, то минимально измеряемый уровень можно определить в 35-40 дБ.
Все величины звукового давления в относительных единицах задаются относительно «0» дБ - 2·10-5 Па (20 мкПа).
Максимально реализуемый уровень тест-сигнала («белого» шума в речевом диапазоне частот) составляет не более 110 дБ (и так это значение не столь уж далеко от «болевого порога»). Отсюда и динамический диапазон шумомера по звуковому давлению 35?120 дБ. Такие величины типовыми шумомерами измеряются без проблем. Причём минимальный уровень в 30-35 дБ, на практике, придётся измерять не чаще одного раза в несколько лет…
Теперь об измерении вибраций. Точнее – виброускорений, поскольку измерять именно этот параметр предписывает методика. Правильно виброускорение измерять ВИБРОМЕРОМ. У ряда моделей шумомеров в названии есть и это – «шумомер-вибромер». У других нет, но измерять виброускорение ими можно. Все мировые изготовитель первичных преобразователей виброускорения (акселерометров) конструируют их так, чтобы электрический сигнал на их выходах лежал в тех же пределах (по амплитуде), что и у микрофонов. Акселерометры так же бывают «зарядовые» (с высоким выходным сопротивлением) и ICP. Последние предпочтительнее, так как их соединительный кабель некритичен к длине и более помехоустойчив.
Необходимый динамический диапазон (исходя из таких же, вышеприведённых соображений) составляет от 20-30 до 120-130 дБ. Причём подавляющее большинство минимальных уровней виброускорения лежит выше 40 дБ. За «0» дБ в шкале виброускорений принято 1·10-6 м/с2 .
Таким требованиям отвечают десятки моделей акселерометров различных производителей (как российских, так и зарубежных) и какие-то сложности могут возникнуть только при отыскании особо малошумящих моделей. Важно выбирать модели с меньшей массой, так как акселерометр, при установке его на достаточно лёгкую конструкцию (например, стекло) не должен заметно менять её свойства.
Все остальные требования к шумомеру перечислять нет смысла, поскольку все они входят в стандартные характеристики шумомеров и исполняются автоматически.
Прибором, отвечающим вышеприведённым требованиям, можно провести все необходимые измерения (строго по методике, приведённой в НМД). Разумеется, одного шумомера мало, нужен источник тест-сигнала, штативы для микрофонов и довольно много всяческих «прибамбасов». Кроме того, учитывая, что действующая методика предусматривает не одно измерение в каждой контрольной точке, да и самих точек бывает достаточно много, измерять вручную долго и не слишком удобно.
Выше был упомянут источник тест-сигнала. По сут, это генератор шума в речевом диапазоне, усилитель мощности и акустический излучатель (колонка). Задача всего этого вспомогательного оборудования создать необходимый акустический тестовый сигнал. Достаточно равномерный по спектру частот, регулируемый и, желательно, не только по общему уровню, но и в отдельных полосах частот (как правило – в октавных). Требований к нему немного. Возможность создать звуковое давление на расстоянии 1 м не менее 100-110 дБ, включаться и выключаться, менять АЧХ (октавные уровни).
Кроме основного измерительного оборудования понадобятся ещё различные приспособления для крепления микрофонов, акселерометров и колонки в (на) самых разных местах и конструкциях. Крайне полезным (а, зачастую, просто необходимым!) является возможность подключить микрофон или акселерометр на беспроводном канале, чтобы не тащить кабель на десятки метров. Или когда просто невозможно этот кабель применить (например, за закрытым окном). Особо отметим, что в типовые шумомеры радиоканал не входит.
Последнее, о чём необходимо упомянуть в связи с измерениями в области акустики. Вся система метрологических ГОСТ-ов, гостированных методик измерений (МИ ххх) строго устанавливает, что перед началом измерений шумомер с конкретным микрофоном должен быть откалиброван. Все ведущие фирмы, производящие шумомеры, выпускают калибраторы звукового давления (устаревшее название «пистонфон»). Упомянутый выше ГОСТ Р 53188.1-2008 указывает, что акустический калибратор, отвечающий требованиям МЭК 60942:2003, является неотъемлемой частью шумомера:
5.2.1 В руководстве по эксплуатации должна быть указана, по крайней мере, одна модель акустического калибратора для проверки и поддержания правильных показаний на устройстве отображения шумомера.
5.2.2 Для шумомеров 1-го класса акустический калибратор должен удовлетворять требованиям к классу 1 по [8]. Для шумомеров 2-го класса акустический калибратор должен удовлетворять требованиям к классу 1 или 2 по [8].
Таким образом, шумомер или измерительная система (измерительный комплекс) в области акустики без наличия калибратора (эталона звукового давления) не является средством измерения.
В отношении измерений виброускорения акселерометром положение несколько иное. Утверждённая методика измерений использует отношение между двумя измерениями виброускорения. В силу этого нет необходимости измерять абсолютные значения в м/с2. И возможные погрешности компенсируются. Поэтому калибровка измерительного тракта при помощи эталона (калибратора) виброускорения не является обязательной.
Исходя из всего вышеизложенного в предыдущей статье была рекомендация применять специализированные измерительные системы или комплексы. Их разработчики уже подумали обо всей необходимой «обвязке», вспомогательных приспособлениях, и т.д., облегчающих и упрощающих процесс измерений. Как и о совместимости всех элементов системы.
Не последнюю роль играет и возможность автоматического сохранения результатов измерений в цифровой форме, пригодной для последующего автоматизированного расчёта в соответствии с методикой. При этом исключается возможность человеческих ошибок.
Не говоря уже об автоматизации самого процесса измерения и возможности устранить некоторые источники погрешностей. Но об этом нужно говорить отдельно.
А пока, закончим с акустикой и вибрациями и рассмотрим измерения электрических сигналов в проблематике ТЗИ в следующей статье.
Продолжение следует
