Испытательная лаборатория. Немного подробнее и конкретнее.Чем измерять АВАК?

Автор: Кондратьев А.В.

Ну вот и снова, уважаемый читатель, мы возвращаемся к одному из «проклятых» вопросов нашей тематики. На сей раз Вашему «по заказу» :)

Не столь уж и давно очень похожую тематику мы рассматривали для области АЭП ( вот тут ). Теперь пришло время технической акустики, которая, как известно, включает в себя как измерения звукового давления (в воздушной среде), так и измерения виброускорения (на поверхностях твёрдых тел).

Не будем возвращаться к тому, почему и для чего нужно это измерять. Об этом достаточно сказано как в нормативных документах, так и в самых разных публикациях ( например, тут ).

Повторимся совсем немного. Выполняются измерения двух физических величин, уже названых выше. И выполняются они средством измерения по «имени» шумомер. Если быть совсем строгим в определениях, то шумомер/вибромер. Однако очень многие фирмы-производители этим не заморачиваются и называют свои изделия шумомерами, несмотря на то, что и вибрации они измеряют столь же успешно. На самом деле вся разница заключается только в двух факторах.

Первый – какой именно первичный измерительный преобразователь подключён к входу шумомера, «микрофон воздушной проводимости» (тогда измеряем звуковое давление) или акселерометр (тогда измеряем один из параметров вибрации – виброускорение).

С названиями, шкалами и измеряемыми величинами, разобрались. Теперь давайте рассмотрим, каковы должны быть параметры измерительного канала. Причём такими тривиальными вопросами, как наличие октавных и третьоктавных встроенных фильтров мы заниматься не будем. Просто они «автоматом» присутствуют в любом шумомере I класса.

А вот параметры первичных преобразователей надо бы рассмотреть подробнее.

Итак…

Вспоминаем, в области звуковых давлений нам надо измерять акустический тест-сигнал («до» и «после» строительной конструкции) и «фоновые шумы». Если уровни акустического тест-сигнала, обычно, составляют порядка 100 дБ (разумеется, это весьма усреднённая оценка) и такой уровень звукового давления можно измерить почти чем угодно (в смысле – любым микрофоном), то вот с фоновыми шумами далеко не так всё просто.

Не будем голословными, попробуем оценить minimum minimorum для этого измерения. Снова обратимся к стандартам. Вот СанПиН 2.4-2.1.8.562-96 "Шум на рабочих местах, в помещениях жилых, общественных зданий и на территории жилой застройки" (кстати, это Закон!) или «Защита от шума» СНиП 23-03-2003 (данные в обоих документах одни и те же).

В таблице первого документа находим допустимые уровни шума по октавам:

Таблица приведена не полностью. Да это и не нужно, обратите внимание на цифры, которые выделены цветом. Приведённые значения обосновывают те минимальные уровни, которые приходится измерять. И пусть читателя не смущает, что это нормы для жилых помещений или больничных палат. Уж поверьте, именно их применяют, когда приходится работать в «высоких» кабинетах. А нашей фирме и мне лично немало пришлось поработать на таком, «жёстком» уровне тех самых «фоновых шумов». Причём бок о бок с нами работали сотрудники СЭС и измеряли именно эти самые уровни. А когда выявилось, что в кабинете, в том углу, где находились жалюзи приточно/вытяжной вентиляции, уровень шума был превышен на 1,5 дБ – заставили ночью переделать половину вентиляции, вот так…

Но, к делу. Чтобы измерять звуковое давление порядка 20 дБ собственные эквивалентные шумы микрофона должны быть, как минимум, на 10 дБ ниже (это для беспроблемного измерения). Вот Вам и «нижняя» оценка необходимой чувствительности. Да, такова оценка для тех, кто хочет и работает на самом высоком уровне. Для «среднего лицензиата» оценка минимально необходимой чувствительности будет выше на 20÷25 дБ (нетрудно и самому прикинуть по таблице).

Посмотрим на технические параметры существующих на рынке микрофонов.

Вот, например, параметры конденсаторного полудюймового капсюля 2541 (фирма L&D), очень типовое изделие по своим параметрам. По паспорту уровень собственных шумов 15 дБА. То есть 15 дБ, но измерения выполнены с применением взвешивающего фильтра по МЭК с кривой «А». А вот если фильтр отключить, то это будет уже около 25÷27 дБ. Понятно, что таким микрофоном измерить уровень меньше 40 дБ уже сложнее. Читатель может и сам оценить таким же образом любой микрофон. Ещё пример, классический ICP микрофон TSM130E20 (применённый во многих изделиях, в том числе и в САИС). Так вот у него, по паспортным данным, собственные шумы всё по той же кривой МЭК «А» «не более 30 дБ». Комментарии нужны?

Но обратимся к более специализированным микрофонам.

Их, увы, немного. Фактически всего две фирмы в мире выпускают то, чем можно измерить уровень акустического сигнала менее 20 дБ (хотя бы в октаве).

Это, прежде всего, единственное в мире, выпускающееся неизменным уже лет 30, не меньше, легендарное изделие B&K модель 4179 (микрофон) с предусилителем 2660. Для его применения нужен и аналоговый же усилитель той же фирмы, который формирует и необходимые для работы микрофона напряжения. А уж потом можно передать сигнал на любой шумомер. Зато порог собственного шума этой модели составляет ‑2,5 дБА во всём рабочем диапазоне частот или ‑16 дБ в третьоктавных полосах!!!

И второй лидер – фирма G.R.A.S. Её система (так же аналоговая) 40HH даёт уровень собственных шумов порядка -7 дБ в третьоктавных полосах. Такие же параметры у системы 40HT. Кстати эти изделия и имеют заметно меньшие габариты, поскольку это полудюймовые микрофоны, в отличие от дюймового B&K 4179.

Сразу отмечу, что обе системы совсем неслучайно – аналоговые (в части построения микрофонного предусилителя прежде всего). До настоящего времени сверхмалошумящее усиление и «цифра» - понятия несовместимые. Во всяком случае – дешёвыми методами. Хотя и сами сверхмалошумящие микрофонные системы тоже недёшевы, особенно B&K, это тоже надо понимать и принимать «как есть».

Обратимся теперь к акселерометрам. И начнём снова с рассмотрения того, что нужно измерять.

Таких требований, как приведены для шума, в СанПиН или СНиП-ах мне найти не удалось. Может быть, кому-то из читателей повезёт больше, буду признателен. Но вот на одном из таких же VIP-объектов пришлось мне измерять «вибрации» на мощных бетонных блоках фундамента. Причём здание стояло на удалении от ближайшей дороги не менее 800 м. Рядом – вообще ничего «вибрирующего» и измерения шли с 12 ночи до 6 утра. Так вот «фоновые шумы» легко падали до 10 дБ. А тестовый акустический сигнал «прослушивался» через метр бетона с уровнем 22-24 дБ. Примерно то же самое происходило на 125 мм бронестекле из 18 слоёв закалённого стекла и поликарбоната. Ещё раз напомню, далеко не каждому лицензиату придётся на практике встретится с такой ситуацией. Решайте сами ;)

Тем не менее «опорное значение» определилось. Посмотрим, что же нам предлагает промышленность средств измерения?

Начнём с типового и прекрасно знакомого практически всем акселерометра AP98-100. Его собственный шум, по паспортным данным, составляет не более 0,0002 g. Учитывая, что «0» для децибельной шкалы составляет 1*10^-6 м/с² получаем, что это составляет около 65 дБ (во всей рабочей полосе). В октавной полосе будет меньше, для пятой октавы, шириною 2,8 кГц, это будет где-то около 55 дБ. Для других, более узких октав – меньше.

Тем не менее до требуемого минимального уровня далеко-о-о-о…

При всём при том необходимо отметить ещё одно. В разных источниках для одной и той же измерительной системы можно встретить различные цифры «предельной чувствительности». И САИС «Шёпот» - не исключение. В чём же дело? Где правда?

Дело в том, что ни в одном НМД или перечне требований к средствам измерений (пока таковых нет, но проекты таких требований уже разрабатываются) нет чётко прописанных условий измерения этого параметра.

Вы заметили, что я ненавязчиво, но упомянул, о том, что "прикидка" по минимально измеряемому уровню относилась ко всей рабочей полосе? И ещё упомянул, что отдельно для 5-й октавы значение будет меньше? А если рассчитать значение собственных шумов для 1/3 этой 5-й октавы? А если для первой октавы и, тем более, для 1/3 октавы? Величина шума с сужением полосы становится всё меньше и меньше. Соответственно и уменьшается минимально измеряемый «сигнал». А где написано, для какой именно полосы частот УСТАНОВЛЕНО определять уровень собственных шумов? Вот именно поэтому и оценки разнятся. Сейчас верно и то, и другое, и третье… Вот если и когда будет записано в сертификационных требованиях для средств контроля защищённости что предельная чувствительность (включая первичный преобразователь) определяется в полосе ХХ Гц на частоте УУ Гц - всё, закончится "разброд и шатание". Все оценки этого параметра будут у всех одинаково значимыми. Точно так же, как разнобой и у западных фирм при записи уровня собственных шумов любого анализатора. То на 1Гц, то на 10, то на 1000 Гц и т.д.

С акселерометрами зарядового типа, без встроенной электроники (которая, в основном, и «шумит») положение несколько лучше. Но и они (например, типовая модель АР-57) уровни менее 40 дБ не позволяют измерить. В общем, как и следовало ожидать, «средние» первичные преобразователи – весьма средние возможности.

Что же нам предлагает промышленность средств измерений из малошумящих моделей?

Вот, к примеру, малошумящая модель фирмы IMI Sensors Division 601A12. Расчёт даёт уровень шума в пятой октаве порядка 48 дБ. Но чувствительность акселерометра в 10 раз выше, чем АР98-100. Значит и шумы эквивалентно на 20 дБ ниже, итого порядка 28 дБ. Не рекорд, но уже лучше :) Вообще надо отметить, что в этой области очень малошумящих моделей мы у мировых производителей не отыскали. И не только мы… Была в нашей практике задачка, пришлось разрабатывать и изготавливать свой акселерометр. Да, да, пришлось! Вот для интересующихся достигнутые у нас параметры.

Из приведённых данных следует, что при измерениях в третьоктавных полосах с помощью такого акселерометра можно измерить ускорение, например на частоте 1 кГц:

Ускорение в 1 м/с² (и выходной сигнал в 9,1·10^-3) соответствует значению в +120 дБ («0» дБ - 1·10^-6). Шум на выходе акселерометра в 0,19 мкВ соответствует уровню 26,39 дБ. Это означает, что данным акселерометром можно измерить виброускорение на 3 дБ большее, то есть не более 29 дБ. При этом приведённые данные по шумам являются наихудшими из серии. Как видим, реальная чувствительность этого изделия как минимум на 20 дБ лучше, чем специальные малошумящие модели IMI Sensors Division. Были экземпляры, которые в диапазоне 20 Гц – 20 кГц были способны уверенно измерить уровень виброускорения в +15 дБ! Аналогов в мире я не отыскал.

Впрочем, есть и отечественные неплохие примеры. Та же фирма «Глобал-тест» (г. Саров) анонсировала свою новинку, высокочувствительный акселерометр. Прекрасные значения собственного шума, практически на три порядка лучше (5•10^-6), чем у типового АР98-100, но… ограниченный рабочий диапазон. Прямо по Гоголю, вот если бы: «Если бы губы Никанора Ивановича да приставить к носу Ивана Кузьмича, да взять сколько-нибудь развязности, как у Балтазара Балтазаровича, да, пожалуй, прибавить к этому ещё дородности Ивана Павловича - я бы тогда…». Тогда получился бы практически идеальный отечественный акселерометр!

Высокочувствительный вибропреобразователь

Это, так сказать, «достигнутый уровень». А вообще на практике приходится переходить к более узкополосным измерениям, это весьма благоприятно сказывается на шумах канала измерения.

Итак, с первичными преобразователями мы определились. Но важны не только они. Кабели, предусилители (микрофонные и зарядовые), основные усилители и сами шумомеры должны быть соответствующими. Например, как это ни печально, но реализовать рекордные параметры акселерометров и микрофонов можно только с аналоговыми же шумомерами. Которые уже почти вышли из употребления и производства. За исключением лидера рынка, фирмы B&K. Она продолжает выпускать аналоговую технику и цифровым моделям (которые тоже производятся) до них далеко. Но и стоит эта продукция весьма дорого. Так что и тут выбор не прост… Ну а такие модели, как неплохо известные в России шумомеры L&D тип 824 или более поздний тип 831 в этом смысле (по собственным шумам) не более, чем «крепкие середнячки». Причём собственные шумы модели 824 с годами выпуска только росли (хоть и не очень значительно). Правда модель 831 получше, и только за счёт «шумоподавляющей» математики. Тем не менее, подключать к ним сверхмалошумящие микрофон или акселерометр совершенно бессмысленно. Модели SVAN я проверял совсем немного, поэтому однозначно утверждать не берусь. Но первое впечатление – чуток хуже L&D.

В принципе, если обеспечить предварительное усиление, то и весьма заметные шумы квантования типовых цифровых шумомеров уже не так страшны. Например, микрофон B&K модель 4179 имеет собственное усиление +20 дБ, что крайне благоприятно сказывается на шумах канала измерения. Но это требует грамотного применения и комплексирования его элементов. Стоит ли идти на такие сложные варианты - решать придётся каждому самому. Если надо – придётся, так же, как пришлось в своё время и нам.

В заключение можно немного сказать о довольно распространившихся в последнее время компьютеризованных измерительных системах. Когда шумомер реализуется в ПЭВМ, а сигнал с первичного преобразователя чуток усиливается и оцифровывается в отдельном небольшом внешнем блоке, связанном с ПЭВМ по интерфейсу (обычно USB). Такие решения, как правило, по собственным шумам, ещё «слабее» монокорпусных шумомеров. Больше шумов предусилителя, шумов квантования, менее изощрённая математика не сглаживает шумы, как в специализированных процессорах цифровых шумомеров. Результат – обычный, средний шумомер и ни на йоту более.

Я не привожу примеров изделий отечественных фирм, поскольку это чревато обвинениями в «чёрном пиаре» и т.д. Но это существующая реальность.

Впрочем, если приложить старание, то возможны и исключения :) Судите сами, вот результаты испытаний наших изделий, блоков БСП (более ранняя разработка) и БСП-1М (последняя). В целом ничего особенного. Встроенный малошумящий усилитель со ступенчатым переключением усиления (0, 20, 40, 60 дБ) и 24 разрядный АЦП в одном корпусе. Входной разъём и порт USB. Специальная, «шумоподавляющая» математика не применялась.

Вот график собственных шумов в двух режимах «входа», при разомкнутом входе (наиболее сложный, но и максимально приближенный к реальности режим) и при 600 Ом на входе. «0» дБ – 1 мкВ.

Нетрудно видеть, что встроенный нами предусилитель не «изжил» до конца (это весьма сложно схемотехнически) классические и очень характерные для полупроводников шумы типа 1/f. И, тем не менее, средняя спектральная плотность собственных шумов составляет не более ‑20 ÷ ‑26 дБ (относительно «0» дБ – 1 мкВ), то есть порядка 50÷100 нВ/√Гц при разомкнутом входе. При 600 омах – на порядок меньше. Конечно, это совсем не «Талис-УНЧ» с его спектральной плотностью собственных шумов ниже 5 нВ/√Гц при огромном входном сопротивлении. Но с такими параметрами уже можно работать, хотя для целей микрофонного предусилителя (под конденсаторный капсюль) надо его ещё снабдить очень высокоомным входным каскадом (порядка 10÷20 ГОм).

Мы прошли этот путь, когда создавали собственный блок оцифровки (на базе которого работает наш «Тритон»). Когда пришлось решать вопросы сверхмалошумящего усиления – сделали это «в аналоге» (особенно остро этот вопрос стоял для систем семейства «Талис-НЧ-ХХ»), что гораздо эффективнее, как выяснилось. И коллеги, работающие много лет в области разработки микрофонов и акселерометров, шли раньше и идут сейчас тем же путём. Так например для меня один из коллег сделал микрофонный предусилитель, взамен типового PRM902 для L&D с уровнем собственных шумов по крайней мере на 25 дБ ниже. Это не значит, что уважаемая американская фирма не сумела сделать менее «шумный» усилитель. Просто ей это не было нужно :)

И так сплошь и рядом, шумомеры, микрофоны и акселерометры выпускаются «для всех», а не для нашей тематики. Та же отечественная фирма «Глобал тест» (г. Саров) с удовольствием готова взяться и сделать очень хороший акселерометр. Но… при гарантированном рынке сбыта. А сколько таких изделий купят? 50 или 150? Даже не смешно… Не массовая продукция, поэтому либо запредельная цена, либо … справляйтесь тем, что есть.

В заключение осталось сказать, что на сегодняшний день, к величайшему сожалению автора, в нормативных документах по проблеме ничего из вышеприведённого (требований и/или рекомендаций по необходимым параметрам средств измерений) нет и … похоже, не скоро появится. И условий, «подталкивающих» лицензиатов и владельцев объектов к серьёзному отношению к свойствам средств измерений тоже «не густо».

Так что всё приведённое совсем не «an mass», всё это либо для тех, кому необходимо работать на серьёзном уровне, либо для людей истинно увлечённых ;)

Надеюсь, что то или иное продолжение последует :)