Испытательная лаборатория. К вопросу оценки АВАК (продолжение)

Автор: Кондратьев А.В.

Поскольку о ПЭМИН написано уже более чем достаточно, то «сменим пластинку» J Поговорим о более простой (как многим кажется!) области специальных исследований – об измерениях в области акустики и вибраций. Делать это приходится весьма многим (если не сказать – всем). А «тёмных мест» в этой проблематике вполне достаточно для того, чтобы получить необъективные результаты.

Вообще этому вопросу немалое место отведено в учебно-практическом пособии, изданном группой компаний МАСКОМ (информацию по заказу издания легко найти на нашем сайте, на ряде форумов и т.д.). Целый раздел 5.5 «Специальные исследования в области защиты речевой информации» посвящён именно этой теме. Повторять его я не буду и остановлюсь, как обычно, на самых общих, вполне «открытых» вопросах акустических и вибрационных измерений.

Кстати, говоря именно об этом виде СИ, нельзя не упомянуть, что назвать его «закрытым» довольно сложно. Вся суть методики, за малыми девиациями, изложена в вполне открытых публикациях и её несложно отыскать на просторах «рунета», например, здесь.

Постараемся сосредоточится на ином, уже привычном (надеюсь!) читателю подходе с точки зрения метролога, на источниках погрешностей и их первичной оценке по «вкладу» в результаты.

Если исходить из приведённых источников, то в качестве тест сигнала при измерении степени затухания его в ограждающих конструкциях (стенах, перекрытиях, окнах и т.д.) рекомендуется применять сигнал шумовой, принципиально широкополосный. Отметим, что действующий НМД АРР в этом с вышеприведёнными авторами согласен, но не исключает и сигнала тонального (при определённых условиях).

Что на эту тему говорит метрология? А вот что:

В основном и наиболее близком по сути ГОСТ 27296-87 «Защита от шума в строительстве. Звукоизоляция ограждающих конструкций. Методы измерения.» предлагается степень ослабления звука в испытуемой конструкции выполнять «на проход» в октавных или третьоктавных полосах. То есть здесь разночтений не наблюдается.

Однако сходство на этом заканчивается. Стандарт предполагает:

Вот цитата из ГОСТ, из раздела, посвящённого измерениям, наиболее близко совпадающим с теми, которые выполняются при оценке защищённости помещений.

6. ИЗМЕРЕНИЕ ИЗОЛЯЦИИ ВОЗДУШНОГО ШУМА ВНУТРЕННИМИ ОГРАЖДАЮЩИМИ КОНСТРУКЦИЯМИ В НАТУРНЫХ УСЛОВИЯХ

6.1. Проведение измерений изоляции воздушно­го шума в зданиях

6.1.1. Помещения для испытаний должны соответствовать тре­бованиям п. -3.2.

6.1.2. Аппаратура для проведения испытаний должна соответ­ствовать требованиям разд. 4

6.1.3. При проведении измерений должны соблюдаться следую­щие условия:

1. установка громкоговорителя в двух местах помещения с вы­соким уровнем;
2. установка измерительного микрофона в каждой из шести точек в помещениях низкого и высокого уровней, минимальное расстояние точек установки микрофона одна от другой, а также от ограждающей конструкции и от диффузоров 0,5 м, минимальное расстояние от громкоговорителей 1 м.

6.1.4. Измерение и определение изоляции воздушного шума R' осуществляется в соответствии с требованиями п. 5.1.

В чём же суть перечисленных требований?

Помещения, между которыми находится исследуемая конструкция, должны обладать определёнными размерами (объёмом, не менее чем). Причём в помещении «высокого уровня» (в том, в котором размещается источник тест-сигнала) должны быть созданы условия для создания диффузного поля. Оба помещения (и «высокого» и «низкого» уровней) должны иметь время реверберации не менее 1 с. В помещении высокого уровня рекомендуется применение рассеивающих элементов - диффузоров для создания равномерного поля.

И даже при этих условиях источник тестового шумового сигнала в помещении высокого уровня размещается не менее, чем в двух точках (в углах помещения на расстоянии не менее 2-х метров от исследуемой конструкции). А измерительный микрофон в помещениях высокого и низкого уровней должен последовательно устанавливаться не ме­нее чем в шести точках (на каждой позиции громкоговорителя в трех точках). Точки измерений должны отстоять не менее чем на 1 м от поверхности ограждающих конструкций, друг от друга и от громкоговорителей.

Вот при выполнении этих условий обеспечивается повторяемость результатов (собственно, главное, чего добивается метрология в целом!) от 5 до 1 дБ в зависимости от полосы частот. Причём измерения в таких условиях называются прецизионными.

Можете себе представить, какова «точность» измерения для абсолютно произвольных помещений с никому неизвестным временем реверберации (по моим наблюдениям – не более 0,1÷0,3 с за исключением залов заседаний, где оно, обычно, повыше), без гарантий диффузного поля и при измерении в ОДНОЙ точке.

В своё время мне пришлось провести анализ влияния погрешности при измерении степени ослабления звука (звукоизоляции) на значение параметра защищённости. Результаты получились небезинтересные. На рисунке приведены в графической форме значения ошибки в расчёте значения параметра защищённости от погрешности при измерении звуковых давлений.

Как видим, даже при применении точного метода с повторяемостью не хуже 1÷2 дБ погрешность может составлять порядка 15÷20%, а при повторяемости не лучше 3 дБ легко достигает значений 30÷50%. Комментарии тут излишни…

Обращу внимание читателя на то, что ГОСТ предписывает выполнять измерения строго по обе стороны исследуемой конструкции (одновременно или последовательно, при этом ничего не меняя в схеме эксперимента). Наш руководящий документ предписывает нечто гораздо более оригинальное. Предписывается «откалибровать» передающую часть комплекса в неком, достаточно произвольном помещении и, далее, так «откалиброваный» источник звука (шума) размещать в РАЗЛИЧНЫХ испытуемых помещениях. В расчёт включать не реально измеренное диффузное поле в каждом помещении «высокого уровня» а именно те значения, которые были получены при «калибровке».

Любому, хоть мало-мальски знакомому с законами акустики абсолютно понятно, что значение поля в каждом из испытуемых помещений будет РАЗЛИЧНЫМ. Поскольку оно неизбежно зависит от степени затухания звука в помещении (которое характеризуется временем реверберации). Экспериментальные проверки показали, что погрешность только за счёт этого составляет, в среднем, до 15 дБ. О результирующей погрешности в расчёте параметра защищённости я лучше помолчу…

Что же следует из довольно объёмного рассмотрения, приведённого выше?

Ну, во-первых, очень рекомендуется выполнять измерения именно по «двухточечной» схеме, измеряя в КАЖДОЙ КОНТРОЛЬНОЙ ТОЧКЕ и значение падающей, и значение прошедшей через строительную конструкцию, волны. В своё время спорили у регулятора на эту тему немало и пришли к «мнению», что это правильно. А интерпретация требования НМД предложена была такая. Поскольку «калибровать» передающую часть измерительной системы предписано, то именно это и делается. В КАЖДОЙ контрольной точке. Такая трактовка вполне укладывается и в «де юре» и в «де факто», поскольку инспекция регулятора при своих контрольных измерениях пользуется (уже много лет) системой «Шёпот», которая именно так, в двух точках («до» и «после») и измеряет.

Во-вторых, что крайне полезно понимать оператору? Исходя «из физики» и требований метрологии наиболее важным условием минимизации погрешности при измерениях звукоизоляции является создание именно диффузного поля в помещении с «высоким» уровнем. То есть акустическое поле тест-сигнала должно бы иметь плоский фронт с постоянным уровнем звукового давления. Именно для этого акустики громкоговоритель размещают на достаточно большом расстоянии от испытуемой конструкции, да ещё и в углу помещения (а не в 1 м, как требует НМД!).

Несложно проверить реальные условия измерения прямо перед, собственно, измерением. Передвиньте измерительный микрофон в точке 1 вправо/влево и/или вверх/вниз на 15÷30 см от штатного размещения (в 1м от колонки и на 0,5 м от, например, стены) параллельно стене. Проследите за показаниями шумомера при этих перемещениях (естественно, при включённом источнике тест-сигнала).

Если у Вас реально создано поле, приближающееся к диффузному, то звуковое давление должно падать при любом смещении микрофона от штатного положения. В какой-то мере приблизительно пропорционально смещению и в любую сторону – одинаково. Это если поле диффузное, но, из-за близости излучателя – скорее сферическое, чем плоское. Если это спадание звукового давления не превысит 2÷3 дБ, то всё не так уж и плохо, можно работать. Если больше или то растёт, то спадает – надо бы разобраться, в чём причина.

Более того, при таком, двухточечном измерении, где именно установлена колонка (в 1 м или на любом ином расстоянии) – вообще не играет роли. Хотите получить более плоский фронт волны – отодвиньте колонку! Выполните требования ГОСТ – это правильно! Если не доверяете – проверьте сами, проведите 3÷4 цикла измерения, меняя ТОЛЬКО размещение колонки (микрофоны в точках 1 и 2 не передвигать!). У Вас получаться РАЗНЫЕ цифры звукового давления «до» и «после», но одни и те же результаты расчётов параметра защищённости (с повторяемостью, обусловленной только локальными погрешностями измерения). Отмечу, что значения фоновых помех при этом должны быть ОДИНАКОВЫ для всех измерений! А уровень тест-сигнала «по ту сторону» быть выше фоновых помех (шумов) хотя бы на 10 дБ (это тоже требование ГОСТ!).

Всё перечисленное относилось к измерениям в области акустики, но сохраняет свою значимость и при измерениях вибраций.

Как правильно выбирать размещение и количество контрольных точек достаточно полно изложено в упомянутом выше издании. Рассмотрим несколько подробнее только один аспект – исследования (измерения) на остеклении окон.

НМД предписывает выполнять в этом случае не менее 3-х контрольных точек. Формулировка весьма расплывчатая и понимаемая в большинстве случаев однозначно – 3 и не более. На любом стекле, будь это форточка 20*30 см. или витраж 2*3 метра…

Пытаться рассчитать количество контрольных точек в этом случае, практически, невозможно. Слишком много неизвестных параметров. Сразу оговоримся, что нужно контролировать защищённость остекления только в том случае, если оценивается эффективность САЗ. Если нет средств активной защиты, то любые замеры не имеют большого смысла – требования нормативного документа никогда не будут выполняться сами по себе. Пассивные (и эффективные!) меры защиты остекления автору неизвестны.

Рассмотрим весьма условную, упрощённую схему:

Всего три вибровозбудителя (на остеклении большой площади их может быть много больше) и не учтено отражение волн от рамы, в которой закреплено стекло. Даже в этом случае картина весьма сложно, практически в любой точке остекления. Как правило (однозначная рекомендация ведущих специалистов в этой области) каждый из вибровозбудителей запитан от отдельного и независимого источника шумового сигнала. В этом случае почти полностью исключена выраженная интерференция от разных вибровозбудителей. Но вот интерференцию от каждого, отдельно взятого, за счёт отражения от рамы, устранить не удаётся. Очень сильно эти эффекты зависят от того, как именно стекло (стеклопакет) закреплено в раме. Если через достаточно эластичную, демпфирующую прокладку – явления интерференции выражены слабее. Если прокладка из достаточно жёсткого полиуретана – отражения от краёв стекла велики и интерференция достаточно выражена.

А следствием этого является следующее, более чем практическое, явление. Если мы не поленимся и измерим уровни виброускорения на стекле с шагом порядка 30 мм, то легко можем получить разницу в 5÷10 дБ. Последствия в комментариях не нуждаются.

Почему именно такой шаг?

Если исходить, из волновой теории, то при образовании картины стоячих волн (классическое следствие отражения волны и интерференции «прямой» и «обратной» волн) картина «узлов» и «пучностей» (по модулю) повторяется через половину длины волны. А минимумы (узлы) и максимумы (пучности) сменяют друг друга через 1/4λ. Скорость звука в стекле порядка 5000 м/с (в 15 раз выше, чем в воздухе). Следовательно, для частот порядка 300-700 Гц (диапазон, где такие проявления наблюдаются чаще всего) длина волны в воздухе (500 Гц) составит около 66 см, в стекле, соответственно, около 10 м, а четверть этого – 2,5 м. То есть в пределах одного стекла с характеристическим размером порядка 1 м интерференция вообще не должна заметно проявляться… Видимо, это (такой «шаг» неравномерностей) связан с многократными отражениями и со сложной интерференцией многих волн.

Неравномерность значений виброускорения по площади остекления весьма выражены, особенно на сложном остеклении стеклопакетом (как одно-, так и двух- трёхкамерным). Особенно ярко это выявляется в тех случаях, когда на стекле наклеены деревянные планки, имитирующие оконные переплёты. Видимо распределение интерференционных узлов и пучностей гораздо более сложное, чем на рисунке-примере, больше влияют многочисленные отражения от краёв рамы. Реальный шаг размещения контрольных точек на стекле действительно близок к 30÷40 мм. Только при такой их частоте можно быть уверенным, что на стекле нет ни одной точки, в которой не выполняется условие защищённости.

Вывод прост, если Вы желаете не «бумажку» написать, а реально выполнить защиту, то не ленитесь и проведите измерения, хотя бы в 10÷15 точках, размещённых по стеклу так, как это рекомендуется в описании системы САЗ «Шорох-Х». Если у Вас все результаты достаточно близки друг другу (в каждой октавной полосе соответственно), то это означает практическое отсутствие выраженной интерференции и «плоское» распределение виброускорения на стекле. Если же у Вас от точки к точке разброс больше 4÷6 дБ (для одноимённых октав), то есть основания подумать. Возможно, надо менять расположение и количество вибровозбудителей, иначе оптимально систему не настроить. Можно, конечно, попробовать просто поднять все уровни. Но в этом случае Ваше окно «запоёт» так, что работающие в помещении просто будут игнорировать САЗ и выключать её при всяком «удобном» случае – что б не мешалась!

Кстати именно для этого и нужны САЗ с большим числом индивидуальных (маломощных) каналов и настройками уровней в каждой октаве отдельно, независимо от других октав (эффективными эквалайзерами), которые намного более гибки в настройке.

Ну а количество контрольных точек определите сами, главное – Ваша собственная уверенность в том, что на данном стекле нет ни одной «дырки», где бы не выполнялись требования по параметру защищённости. Конечно, это требует сил, времени и, чего греха таить – элементарного желания работать добросовестно. Но, как сказал не столь уж давно г-н Бжезинский: «Государственная безопасность цены не имеет!». Вот ещё бы этим же принципом руководствовались наши Заказчики.