SES GÜCÜ DÜZEYĠ BELĠRLENMESĠ KARġILAġTIRMA ÖLÇÜMLERĠ

Transkript

1 10.Ulusal Akustik Kongresi Yıldız Teknik Üniversitesi Oditoryumu, Ġstanbul Aralık 2013 SES GÜCÜ DÜZEYĠ BELĠRLENMESĠ KARġILAġTIRMA ÖLÇÜMLERĠ Cafer KIRBAġ, Eyüp BĠLGĠÇ, Enver SADIKOĞLU, Baki KARABÖCE TÜBİTAK Ulusal Metroloji Enstitüsü, Gebze, Kocaeli Tel: , e-posta: e-posta: e-posta: enver e-posta: ÖZET Günlük yaşamda her yerde kullanılan makine, cihaz vb. ekipmanların akustik özelliği ses gücü düzeyi parametresi ile tanımlanmaktadır. Ses gücü düzeyinin belirlenmesi için literatürde tanımlanmış farklı standartlar mevcuttur. TUBITAK UME laboratuvarlarında ses gücü düzeyi belirlenmesi ölçümleri akreditasyon kapsamında ilgili standart yöntemler doğrultusunda gerçekleştirilmektedir. Yapılan ölçümlerin kalitesinin artırılması kapsamında uluslararası karşılaştırma düzenlenmiştir. Bu bildiride gerçekleştirilen karşılaştırma ölçümleri ve sonuçları sunulacaktır. Anahtar Kelimeler: Ses gücü düzeyi, Laboratuvarlar arası karşılaştırma COMPARISON MEASUREMENTS IN DETERMINATION OF SOUND POWER LEVEL ABSTRACT The acoustical property of many devices and equipments used in our daily life are defined by the sound power parameter. There are different standardized methods in literature to determine the sound power. The accredited measurements for determining the sound power level of sound sources are performed in TUBITAK UME Acoustics laboratories according to different standards. In order to increase the precision and the quality of the sound power measurements, an bilateral comparison was arranged. In this paper, performed sound power determination measurements and the results of comparisons are presented. Keywords: Sound Power Level, Comparisons measurements

2 1. GĠRĠġ Ses gücü düzeyi ses kaynağından bütün yönlere birim zamanda yayılan toplam enerji seviyesi ölçütü olarak tanımlanmaktadır. Ses gücü, ses basınç düzeyi gibi ortama ve ses kaynağından olan mesafeye göre değişiklik gösteren bir parametre değil, ses kaynağının özelliğini veren parametrelerden biridir. Bu nedenle piyasada satılan teknik amaçlı olarak kullanılan bir çok ürünün akustik özelliği ses gücü parametresi üzerinden verilmektedir. Ses gücü birimi Watt olarak tanımlanır fakat ses basıncında olduğu gibi referans değeri 1 pw (10-12 W) alınarak db birimi cinsinden ifade edilmektedir. Ses kaynaklarının ses gücü düzeylerinin belirlenmesi için farklı standart ölçüm yöntemleri bulunmaktadır. Serbest alan içerisinde, tanımlı bir yüzey üzerinde ses basınç düzeyi ölçümleri gerçekleştirilerek ve ölçülen değerlerin ortalaması kullanılarak ses gücü değeri hesaplama yoluyla belirlenmektedir. Tam serbest (free field) alan şartının gerçekleştirildiği ölçüm yöntemi ISO 3745 [1], serbest alana yakın (essential free field) şartının gerçekleştirildiği ölçüm yöntemleri ise ISO 3744 [2] ve ISO 3746 [3] standartları ile verilmektedir. Diğer farklı olan yöntem ise dağınık ses alanı içerisinde gerçekleştirilen ses enerjisi toplamı veya diğer bir değişle ses basınç düzeyi ölçümleri ile kullanılarak ses gücü hesaplaması ISO 3741 [4] standardında, dağınık ses alanına yakın ortamlarda gerçekleştirilen ölçümler ile ses gücünün belirlenmesi ise ISO 3743 [5] standardında tarif edilmektedir UME Akustik Laboratuvarında beyaz eşya, askeri cihazlar, hoparlör ve sirenler, ve benzer ses üreten cihazların ses gücü düzeylerinin belirlenmesi ölçümleri gerçekleştirilmektedir. Çınlanım odasında dağınık alan içerisinde ISO 3741 ve tam yansımasız oda içerisinde ISO 3745 standartlarına göre ses gücü belirlemesi ölçümleri akredite hizmet [6] olarak verilmektedir. Verilen ölçümlerin güvenirliliğinin sağlanması ve hizmet kalitesinin artırılması için diğer alanlarda olduğu gibi ses gücü belirlenmesi ölçümleri için uluslararası karşılaştırmaya katılınmış sağlanmıştır. Almanya da UME nin eşleniği olarak görev yapan PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) ile ISO 3745 ve ISO 3741 standartları kapsamında ikili karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırmalarda B&K 4204 tip referans ses kaynağı (RSS) kullanılmıştır. Referans ses kaynağının kullanılması nedeniyle ayrıca ISO 6926 [7] standardında belirtilen direktiflerde kullanılmıştır. Ölçümlerinin tekrarlanabilirliğinin belirlenebilmesi için karşılaştırma ölçümleri farklı günlerde tekrarlanarak gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırma ölçümleri belirli bir protokol kapsamında yapılmıştır. Protokol içerisinde karşılaştırmada yapılması gereken ölçümler ve uyulması gerekli kurallar, RSS nin kurumlar arasında nasıl dolaştıracağı gibi detay bilgiler verilmiştir. RSS ses gücü belirlemesi ölçümleri ilk olarak UME de gerçekleştirilmiş daha sonra PTB tarafından ölçümler tekrarlanmıştır. Ölçümlerde standartların ifade etmiş olduğu yönergeler birebir gerçekleştirilmiştir.

3 2. SES GÜCÜ TEORĠSĠ Ses gücü aşağıda Denklem 1 ifadesinde verildiği üzere tanımlanmaktadır. Burada tanımlanan yüzeye dik ses şiddeti değeridir. Ses şiddeti ile ses basıncı arasındaki ilişki ise Denklem 2 de gösterilmektedir. ρ: ortam yoğunluğu с: ses hızı р: ses basıncı Ses gücü düzeyini bulmak için Denklem 1 in logaritmasının 10 katını alırsak Denklem 3 e ulaşırız. (3) Denklem 3 ses gücü düzeyini vermektedir. ses şiddeti düzeyinin S yüzeyi üzerinde ölçülen ortalamasıdır. =1 m 2, referans yüzey değeridir. Referans ses gücü değeri ise aşağıdaki ifadeden bulunur. (4) Akustik literatüründe referans ses gücü ve referans ses şiddeti değeri W olarak alınmaktadır. Yukarıdaki ifadelerden gözüktüğü üzere ses gücü düzeyi direk olarak ölçülen bir büyüklük değildir. Ses gücü düzeyi Denklem 3 te verildiği üzere ses şiddeti veya ses basınç düzeyi ölçümleri üzerinden hesaplanabilmektedir. Ses kaynaklarının ses gücü düzeylerinin belirlenmesinde normal koşullarda gerçekleştirilen ölçümlerde belirsizlik değeri oldukça yüksektir. Bundan dolayı ölçümlerin özel ortamlarda gerçekleştirilmesiyle daha yüksek doğruluğa sahip sonuçlar elde edilmektedir. Serbest alan ve dağınık alanlarda gerçekleştirilen ses basınç düzeyi ölçümleri ile en yüksek doğrulukta ses gücü düzeyleri belirlenmektedir. İki özel ortam arasında gerçekleştirilen ses gücü düzeyleri arasındaki farkın belirlenmesine yönelik çalışma daha önce gerçekleştirilmişti [8]. Özel ortamlar dışında, ses kaynaklarının ses gücü belirlenmesine yönelik tarama (survey), mühendislik (engineering) ve yerinde ölçümler (in situ) gibi daha düşük doğrulukta yöntemlerde mevcuttur. Serbest alan ortamında diğer bir değişle tam yansımasız oda içerisinde tanımlı bir yüzeyde gerçekleştirilen ölçümlerde denklem 3 te yerine denklem 2 de verilen ses şiddetini yerine koyarak aşağıdaki ses gücü ifadesini elde ederiz. Dağınık alan içerisinde oluşan durağan durumdaki Denklemde 6 da verilen ses enerjisi ifadesinden yola çıkarak ses kaynaklarının ses gücü düzeyi değerlerini Denklem 7 yi ve 8 i kullanarak bulabiliriz. (1) (2) (5)

4 (6) (7) (8) Burada ortam şartlarından kaynaklı ilgili düzeltme değerleridir. Tam yansımasız ve çınlanım oda içerisinde gerçekleştirilen ölçümlerde ses gücü düzeyinin hesaplanmasına yönelik ISO 3745 ve ISO 3741 standartlarında detaylı bilgiler verilmektedir. 3. KARġILAġTIRMA ÖLÇÜMLERĠ Referans ses kaynağının ses gücünün belirlenmesi karşılaştırma ölçümleri UME ve PTB arasında ikili karşılaştırma yöntemiyle gerçekleştirilmiştir. Ses gücü belirlenmesi ölçümleri 100 Hz ile 10 khz frekans aralığında 1/3 oktav merkez frekans bantlarında ISO 3741 ve ISO 3745 standartları doğrultusunda sırasıyla çınlanım odası ve yarı yansımasız oda içerisinde yarım küre yüzeyinde yapılan ölçümleri kapsamaktadır. Karşılaştırma ölçümlerinde ses kaynağı olarak Şekil 1 de gösterilen RSS kullanıldığı için ayrıca ISO 6926 standardı da ölçümler kapsamında kullanılmıştır. Ölçümler ilk olarak UME de gerçekleştirilmiştir. RSS nin ses gücünün belirlenmesi ölçümleri ayrı ayrı hem çınlanım oda hem de yarı yansımasız oda içerisinde yapılmıştır. Ölçümler UME de tamamlandıktan sonra RSS PTB ye gönderilmiş ve RSS nin ses gücü belirlenmesi ölçümleri PTB tekrarlanmıştır. ġekil 1. Karşılaştırma ölçümlerinde kullanılan B&K 4204 Referans Ses Kaynağı 3.1. Ölçümlerde kullanılan oda özellikleri Çınlanım Odası UME Çınlanım odası 9,7 m uzunluğunda 6,6 m genişliğinde ve 4,1 m yüksekliğinde dikdörtgen yapıdan oluşmaktadır. Oda hacmi 262,5 m 3 ve oda duvarlarının iç yüzeylerinin toplamı 261,7 m 2 dir. Oda içerisinde dağınıklığın sağlanması için fiberglasdan imal edilmiş 16 adet dağıtıcı bulunmaktadır. Ayrıca oda içerisinde ses yutuculuğun azaltılmasına yönelik 6 adet yutucu bulunmaktadır. Oda iç yüzeyleri sert epoksi boya ile kaplanmıştır.

5 Yarı yansımasız oda UME tam yanısımasız oda 9,8 m uzunluğunda 7,6 m genişliğinde ve10,3 m yüksekliğinde boyutlara sahiptir. Odanın alt kesilim frekansı 50 Hz tir. Geriplan gürültüsü her şey kapalıyken 0 db dir. Tam yansımasız odayı yarı yansımasız odaya çevirmek için 30 mm kalınlığında MDF suntalam malzeme oda içerisine kaplanmış ve toplamda oda içerisi zemininde 5 m x 5 m boyutlarında yansıtıcı zemin oluşturulmuştur Ölçüm Düzeneği Çınlanım oda içerisinde gerçekleştirilen ölçümlerde B&K 4191 ve 4133 tip kapasitif mikrofonlar kullanılmıştır. Mikrofonların ölçümlerden önce dağınık alan tepkileri belirlenmiş ve ilgili düzeltmeler hesaplamalarda uygulanmıştır. Yarı yansımasız oda içerisinde B&K 4191 ve 4133 mikrofonların yanında G.R.A.S. 40AF tip mikrofonlarda kullanılmıştır. Ölçümlerde 15 kanallı analiz sistemi kullanılmıştır. Ölçümler eş zamanlı olarak aktif bütün kanallar kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Odaların geriplan gürültüsü ölçümleri B&K 4179 tip özel düşük gürültülü mikrofonlar kullanılarak yapılmıştır. Ölçümlerde önce ölçüm sistemi 4231 akustik kalibratör kullanılarak kalibre edilmiştir. 3.2 Ölçümler Çınlanım odası içerisinde ISO 3741 ve ISO 6926 standardına göre gerçekleştirilen ölçümlerde RSS oda içerisinde dört farklı noktada konumlandırılmıştır. RSS nin konumuna göre mikrofon noktalarının konumlarında da değişiklikler gerçekleştirilmiştir. Mikrofon konumları belirlenirken, standart içerisinde verilen direktifler doğrultusunda mikrofon noktalarında gerçekleştirilen SPL ölçümleri belirli bir standart sapma değerinden küçük olacak şekilde ayarlamalar yapılmıştır. Sonuç olarak dört farklı ses kaynağı konumu için 12 den fazla mikrofon konumunda geriplan gürültüsü ölçümleri ve SPL ölçümleri yapılmıştır. Ölçümlerin gerçekleştirildiği mikrofon ve ses kaynağı konumlarının oda içerisindeki tipik durumunu gösteren yerleşim Şekil 2 de verilmektedir. Çınlanım süresi ölçümlerinde 20 db ses azalmasının gerçekleşmesi için gerekli olan T20 değerleri ölçülmüştür. ġekil 2. Çınlanım oda içerisinden çınlanım süresi ölçümlerinin yapıldığı mikrofon ve yönsüz ses kaynağının tipik konumları Yarı yansımasız oda içerisinde ise Şekil 3 te gösterilen yarım küre yüzeyi üzerindeki mikrofon noktalarında geriplan ve RSS çalışırken SPL ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Yarım küre yüzeyi üzerindeki ölçüm noktaları ISO 3745 standardı içerisinde verilmektedir. Yarım

6 küre yüzeyinin yarıçapı 2 m olarak belirlenmiştir. Ölçümler 10 mikrofon noktasında eşzamanlı ölçülecek şekilde 2 ayrı set kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ölçümler farklı zamanlarda tekrarlanarak ölçümlerin tekrarlanabilirlikleri kontrol edilmiştir. ġekil 3. Yarı yansımasız oda içerisinde 2 m yarıçaplı yarım küre yüzeyi ve yüzey üzerindeki ölçüm noktaları 4. ÖLÇÜM SONUÇLARI ISO 3741 standardına göre RSS nin ses gücü düzeyinin belirlenmesi ölçümlerinde çınlanım oda içerisinde geriplan gürültüsü ölçümleri yapılmış, daha sonra RSS çalışırken mikrofon noktalarında SPL ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Odanın yutuculuğunun belirlenmesi için oda içerisinde T20 çınlanım süreleri ölçülmüştür. Ölçümler sonucunda Denklem 7 de ifade edildiği üzere ve ilgili standartlar içerisindeki hesaplamalara göre ses gücü düzeyi bulunmuştur. Hesaplanan ses gücü düzeyleri Tablo 1 de verilmektedir. ISO 3745 standardına göre gerçekleştirilen SPL ölçümleri sonucunda hesaplanan ses gücü düzeyi Tablo 1 de verilmektedir. Tablo 1 de ses gücü değerlerinin yanında hesaplanan belirsizlik değerleri de verilmektedir. Her iki oda içerisinde UME de gerçekleştirilen karşılaştırma ölçümlerinde, ortamların veya farklı standartların uygulama sonuçları Şekil 4 deki grafikte verilmektedir. Grafiğe bakıldığında 400 Hz ile 5 khz frekansları arasında her iki ortama göre gerçekleştirilen ölçümlerde tam bir uyum bulunmaktadır. 100 Hz ile 400 Hz frekans aralığında çınlanım oda içerisinde bulunan ses gücü düzeylerinin serbest alan içerisinde yapılan ses gücü düzeylerinden daha düşük olduğu gözlenmektedir. Aynı şekilde 6,3 khz ve 10 khz frekans aralığında da ses gücü düzeyi değerlerinin azaldığı gözlenmektedir. A-Ağırlıklı toplam seviye olarak bakıldığında her iki ortamda gerçekleştirilen ses gücü değeri arasında 0,3 db seviyesinde bir farkın olduğu görülmektedir. Elde edilen sonuçlar daha önce UME de yapılan çalışma [8] sonuçları ile uyum göstermektedir. UME ve PTB arasında gerçekleştirilen karşılaştırma ölçüm sonuçları [9] ise Şekil 5 ve Şekil 6 daki grafiklerde verilmektedir. Şekil 5 deki grafikte çınlanım oda içerisinde ISO 3741 standardına göre gerçekleştirilen ölçüm sonuçlarının karşılaştırılması verilmektedir. Grafikten anlaşıldığı üzere UME 200 Hz, 315 Hz, 6,3 khz, 8 khz ve 10 khz frekanslarındaki ses gücü

7 değerlerinde PTB den farklılık göstermektedir. Özellikle yüksek frekanslardaki ses gücü düzeyi değerlerinde anlamlı düşmelerin olduğu görülmüştür. Diğer frekanslarda UME ve PTB tam bir uyum içerisindedir. Şekil 6 deki grafikte serbest alan içerisinde ISO 3745 standardına göre gerçekleştirilen ses gücü düzeylerinin karşılaştırılması verilmektedir. Grafikten görüldüğü üzere UME ve PTB de gerçekleştirilen ölçüm sonuçları tam bir uyum içerisinde olduğu gözlenmektedir. Karşılaştırma ölçümleri ile ilgili bütün veriler PTB tarafından henüz tam olarak sonlandırılmamıştır. Grafiklerde verilen veriler ön değerlendirme niteliğinde olan verilerdir. ISO 3741 standardına göre gerçekleştirilen ölçümlerde bazı farklılıkların oluşması belki uygulanmamış bir düzeltmeden kaynaklı olabilir. Tablo 1. ISO 3741 ve ISO 3745 standardına göre belirlenen ses gücü düzeyleri Frekans Hz Ses gücü düzeyi db ref 1 pw ISO 3741 ISO 3745 GeniĢletilmiĢ Ses gücü düzeyi Belirsizlik db db ref 1 pw GeniĢletilmiĢ Belirsizlik db ,9 1,3 75,4 0, ,7 1,1 76,0 0, ,5 0,9 76,2 0, ,1 1,0 76,5 0, ,7 0,8 76,6 0, ,9 0,8 76,3 0, ,1 0,8 76,7 0, ,3 0,8 76,8 0, ,9 0,8 77,4 0, ,6 0,8 79,1 0, ,7 0,8 80,1 0, ,5 0,9 81,7 0, ,9 0,9 82,1 0, ,3 0,9 81,5 0, ,4 1,0 79,7 0, ,1 1,0 79,0 0, ,7 1,0 78,8 0, ,8 1,1 78,4 0, ,6 1,1 77,3 0, ,9 1,1 75,8 0, ,0 1,2 73,4 1,0 Toplam 91,1 91,7

8 Ses Gücü Düzeyi, db ref 1 pw Ses Gücü Düzeyi, db ref 1 pw UME ISO 3745 UME ISO Frekans, Hz ġekil 4. Laboratuvar içerisinde gerçekleştirilen ISO 3741 ve ISO 3745 sonuçlarının karşılaştırması PTB UME Frekans, Hz ġekil 5. ISO 3741 standardına göre PTB ve UME arasındaki karşılaştırma sonuçları

9 Ses Gücü Düzeyi, db ref 1 pw PTB UME ġekil 6. ISO 3745 standardına göre PTB ve UME arasındaki karşılaştırma sonuçları 5. SONUÇ Frekans, Hz Karşılaştırma ölçümleri yapılan ölçümlerin doğruluğunu teyit etmek için kullanılan bir yöntemdir. Akreditasyon kapsamımız için ise bir zorunluluktur. TÜRKAK kriterlerine göre her bir deney kapsamı için bir karşılaştırmaya katılım zorunluluğu getirilmiştir. Zaten UME nin misyonu gereği oluşturduğumuz her bir kalibrasyon ve deney ölçümlerinde ölçüm doğruluğumuzun ve kalitemizin en üst seviyede oluşması için uluslararası karşılaştırmalar düzenlemekteyiz veya düzenlenen karşılaştırmalara katılmaktayız. Ses gücü düzeylerinin belirlenmesi ölçümleri kapsamında bizim insiyatifimizde PTB ve UME arasında ikili karşılaştırma düzenlenmiştir. Karşılaştırma ölçümleri ISO 3741 ve ISO 3745 standartları kapsamında gerçekleştirilmiştir. Karşılaştırma ölçümleri her iki kurum tarafından tamamlanmış ve rapor oluşturulma aşamasına gelinmiştir. Ön ölçüm verilerinden Şekil 5 ve Şekil 6 da gözüktüğü PTB ve UME arasından aynı RSS kullanılarak gerçekleştirilen ölçümlerde büyük oranda bir uyum olduğu gözükmektedir. Bu sonuçlar sayesinde UME ilgili kapsamlarda karşılaştırma ölçümlerinden başarıyla çıkmıştır ve yapmış olduğu ölçümlerin doğruluğu ve kalitesini teyit ettirmiştir. Önümüzdeki dönem içerisindeki yapılacak çalışmalar ile karşılaştırma sonuçlarındaki uyuşmazlıkların kaynakları tespit edilerek ölçümlerde iyileştirmeler sağlanacaktır. Bu iyileştirmeler sonucunda ölçümlerin belirsizlikleri de düşürülmüş olacaktır. Tekrar düzenlenecek karşılaştırmalarda ISO 3745 standardına göre elde edilen tam uyumun ISO 3741 standardında da sağlanması hedeflenmektedir.

10 KAYNAKLAR [1] ISO 3745 Acoustics - Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure - Precision methods for anechoic rooms and hemianechoic rooms International Organization for Standardization, Genova, 2012 [2] ISO 3744 Acoustics - Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure - Engineering methods for an essentially free field over a reflecting plane International Organization for Standardization, Genova, 2010 [3] ISO 3746 Acoustics - Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure - Survey method using an enveloping measurement surface over a reflecting plane International Organization for Standardization, Genova, 2010 [4] ISO 3741 Acoustics - Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure - Precision methods for reverberation test rooms International Organization for Standardization, Genova, 2010 [5] ISO 3743 Determination of sound power levels and sound energy levels of noise sources using sound pressure - Engineering methods for small movable sources in reverberant fields - Part 1: Comparison method for a hard-walled test room International Organization for Standardization, Genova, 2010 [6] Akreditasyon No: AB-0092-T Revizyon No: 03, Ağustos,2010 [7] ISO 6926 Acoustics - Requirements for the performance and calibration of reference sound sources used for the determination of sound power levels International Organization for Standardization, Genova, 1999 [8] Eyüp Bilgiç, Cafer Kırbaş, Enver Sadıkoğlu, Baki Karaböce, A.İzzet Turan, Coherence between sound power measurements performed in full anechoic and reverberant environments Inter-Noise 2007, İstanbul, 2007 [9] Cafer Kırbaş, Bilateral Comparison in Determination of Sound Power Level Between PTB and UME, Technical Report, TUBİTAK UME, 2012