GÜRÜLTÜ KONTROL ELEMANLARININ AKUSTİK ÖZELLİKLERİNİN EMPEDANS TÜPÜ İLE BELİRLENMESİ

Transkript

1 10. ULUSAL AKUSTİK KONGRESİ YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ ODİTORYUMU, İSTANBUL Aralık 2013 GÜRÜLTÜ KONTROL ELEMANLARININ AKUSTİK ÖZELLİKLERİNİN EMPEDANS TÜPÜ İLE BELİRLENMESİ Onur Akaydın 1, Alper Akgül 1, Emre Orhon 1, H. Temel Belek 2 1 Pro-Plan Ltd. Şti., Levent, İstanbul, Türkiye Tel: , e-posta: info@proplan.com.tr 2 İstanbul Teknik Üniversitesi, Beyoğlu, İstanbul, Türkiye Tel: / 2510, e-posta: belek@itu.edu.tr 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.

2 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 a 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 ve ASTM E 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 :1996 ve ASTM C 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 ve SAE J1400:90 standartları ile tanımlanan İki Oda Metodu G. Düzlem-dalga tüp metodları: G.1: ASTM E 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

3 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 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.

4 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

5 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 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 Sinyal üreteci Deney düzeneğinde kullanılan sinyal üreteci veri toplama ünitesi ile bütünleşik, khz aralığında analog sinyal üretebilen, beyaz ve pembe gürültü formlarına sahip olan bir üreteçtir Güç amplifikatörü Güç amplifikatörü, sinyal üretecinde üretilen zayıf haldeki beyaz gürültü sinyalini güçlendirerek, bir sonraki başlıkta seçilen ses kaynağını sürme işlevini görmektedir 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.

6 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 Veri toplama ünitesi Kullanılan mikrofonlar ile uyumlu, kanallar arası faz farkı oldukça düşük, khz aralığında frekans analizi yapmaya uygun bir veri toplama ünitesi kullanılmıştır 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. 3. HESAPLAMALAR Şekil 5. Yazılımın arayüzü 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.

7 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) ( ) (3) ( ) (4) ( ) (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)

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)

9 [ ] (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: 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. (22)

10 TL_n (Re) TL_n_corr (Re) 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, [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 , [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), , [4] M. L. Munjal, Acoustics Of Ducts And Mufflers, Chapter 2.18 "Transfer Matrix Method", 1987.