Analisi più efficiente del rumore con la tecnologia di misura allo stato dell'arte

Acquisizione di utili informazioni dal rumore

Comprendere le fonti e le cause del rumore acustico delle macchine o dei componenti di sistema sta diventando sempre più importante oggetto d'indagine nello sviluppo, sperimentazione, produzione di campionature, servizi e manutenzione, poiché la quantità di “emissioni acustiche extra” è sovente cruciale nell'ottica del comfort, salute, sicurezza operativa ed immagine del marchio nell'intero ciclo di vita del prodotto.

In passato, gli sperimentatori erano obbligati ad utilizzare strumenti aggiuntivi per effettuare le misurazioni acustiche, costretti a battagliare con apparecchiature, interfacce utenti, filosofie e formati dati di tipo molto diverso. Al contrario, oggi gli strumenti di misura quali i sistemi di acquisizione dati QuantumX e catman®AP della HBM, sono in grado di fornire analisi dettagliate delle misurazioni acustiche, essendo dotati di un'ampia gamma di funzionalità per l'acquisizione di segnali meccanici, termici, elettrici e da bus digitali come i CAN, nonché di segnali GPS e video. In particolare, gli sperimentatori traggono vantaggio da funzioni quali l'analisi del livello del suono in dB(A) con valutazione psicoacustica in funzione del volume e dell'analisi in frequenza negli spettrogrammi 2 D.

Mediante questa strumentazione di misura multiscopo, i tecnici possono completare rapidamente e facilmente tramite pochi clic del mouse, i lavori di acquisizione e salvare tutti i dati in un singolo file. Quest'approccio consente non solo maggior efficacia nella misurazione degli eventi, ma implementa e velocizza il confronto con i precedenti risultati di misura nell'analisi delle tendenze. Infine, questi strumenti offrono la soluzione compatta e mobile necessaria per molte attività di servizio e manutenzione.

Ingegneria acustica

Nel settore automobilistico, i termini rumore (noise), vibrazione (vibration) e rigidità (harshness), in breve NVH, vengono tipicamente usati per descrivere il rumore udibile o la vibrazione percepibile nel veicolo o nelle macchine. La rigidità è la regione di transizione soggettiva fra 20 e 100 Hz, sia udibile che percepibile. La vibrazione scaturisce dalla forza generata da una sorgente vibratoria nelle strutture conduttrici delle vibrazioni come gli effetti di blocca-scivola (stick-slip) autoindotti. Esempi tipici dell'NVH sono lo strisciamento del tergicristalli, il fruscio della trasmissione, il cambio marcia, od il sibilo dell'aria condizionata.

L'NVH deriva sia dagli effetti collaterali dell'attrito voluto che dal risultato indesiderato della frizione fra solidi provocante l'emissione di rumori strutturali che, infine, dai rumori che si propagano nell'aria. In un solido libero da tutte le parti, si propagano due diversi tipi di onde sonore strutturali: le cosiddette onde longitudinali e quelle trasversali. Queste onde si propagano indipendentemente una dall'altra. In ambedue i casi, la velocità del suono - come il rumore nell'aria - non dipende dalla frequenza. La velocità del suono è influenzata dalla densità, dalla rigidità (onde trasversali) e dal modulo elastico (onde longitudinali).

La registrazione ed analisi del rumore generato dalle strutture gioca un ruolo importante nell'ingegneria. Durante lo sviluppo dei sistemi meccanici, l'analisi del rumore può aiutare a verificare il funzionamento generale, l'avvio, le prestazioni, la durevolezza e perfino l'intera vita del manufatto. Nella produzione, l'analisi del rumore può migliorare i processi di controllo della qualità, assicurando che vengano soddisfatti i vincoli acustici durante l'integrazione di parti nell'interno dell'automobile, gruppi di guida ed altro. In tutto il ciclo di vita del prodotto, la misurazione del rumore fornisce le informazioni critiche necessarie per l'analisi continua a lungo termine dell'integrità strutturale ed i dati diagnostici durante le ispezioni di routine, la ricerca dei guasti, la risoluzione di problemi e le tarature od aggiustamenti. Gli ingegneri possono analizzare le caratteristiche acustiche dei sistemi o lo stato tecnico della macchina per la ricerca di problemi, quali l'usura dei cuscinetti, o per registrare i dati relativi allo sviluppo di cricche guasti nei materiali.

La natura del rumore

Per l'NVH, il problema consiste nell'evitare le vibrazioni che potrebbero ridurre il comfort. Nella scienza acustica, la natura del disagio acustico è relativa alle numerose caratteristiche delle sorgenti, comprendenti il suono ed i livelli di pressione sonora. Ad esempio, il suono di un motore a getto, di un concerto o di un autocarro pesante, può risultare fastidioso semplicemente per il suo elevato volume.

Tuttavia, oltre all'alto volume, può essere complessa la relazione fra le caratteristiche della sorgente di rumore e la percezione del rumore stesso. L'udito umano percepisce il suono più o meno alto a seconda della sua frequenza. Il livello di pressione del suono o livello di rumore è una grandezza psicoacustica. Durante l'acquisizione, i segnali di rumore vengono filtrati in modo da imitare le proprietà dell'udito umano, il quale rientra nel picco di sensibilità fra circa 2 kHz e 4 kHz. Le curve ponderate di questi filtri sono normalizzate.

Si tratta della cosiddetta ponderazione A del livello di pressione del suono, in breve dB(A). La Zero dB(A) corrisponde alla soglia di udibilità (soglia uditiva). La curva di filtro della ponderazione A è definita da 20 Hz a 20 kHz. Essa s'intende come replica grossolana del volume di 40 dB della curve di “eguali livelli di intensità sonora” per le basse frequenze. La soglia del dolore da rumore è di circa 130 dB(A). Risulta molto facile convertire la pressione del suono nel livello di pressione del suono (SPL) utilizzando i "canali di calcolo" (computation channels) degli strumenti di misura acustica di qualità.

Misurazione del rumore

Tipicamente, le misurazioni acustiche generali iniziano utilizzando un microfono di alta qualità. Prendendo come esempio il microfono di misura M370 della Microtech Gefell, esso è del tipo con convertitore incorporato e contiene un ricevitore di pressione electret con caratteristica circolare. La corrente costante proveniente dall'amplificatore QuantumX MX410B alimenta il microfono e la pressione del suono misurata viene modulata in un segnale di tensione (IEPE). Il campo di frequenze misurabili è di 20 ... 20 000 Hz (classe 1, uso all'aperto). Il massimo livello di pressione è di 130 dB(A).

Per l'acquisizione ed elaborazione del segnale, strumenti come il QuantumX con il software catman®AP della HBM forniscono una completa piattaforma di gestione del segnale acustico. Il QuantumX è un sistema modulare di acquisizione dati in grado di rilevare simultaneamente i dati alla velocità da 0,1 a 100 kS/s da più sensori e trasduttori di misura di forze, deformazioni, coppie, pressioni, temperature, spostamenti, velocità, posizioni, accelerazioni, flussi, tensioni, correnti, rumori e molte altre grandezze. Insieme alla sua funzione di acquisizione dati, il software catman®AP dispone di una libreria matematica integrata per svolgere calcoli sia in linea che di post-elaborazione. Le funzioni matematiche spaziano dai semplici calcoli algebrici ai filtri, statistica e classificazione come la rain flow o time-at-level, all'analisi spettrale, al calcolo della potenza elettrica e dell'efficienza, mediante una semplice parametrizzazione.

Con la strumentazione di misura ed analisi QuantumX / catman®AP, i ricercatori possono analizzare tutte le grandezze fisiche dei sistemi o prodotti in prova, compreso il suono, per scopi di ingegneria, sperimentazione, produzione o manutenzione.

Requisiti dell'analisi del rumore

Per scoprire le cause del rumore, i tecnici utilizzano diverse funzioni analitiche essenziali con cui ottenere un quadro chiaro del sistema in prova, compreso il rumore. Alcune delle funzioni più usate sono:

Raffigurazione in funzione del tempo, frequenza, angolo, o di altre grandezze quali lo spostamento e la velocità di rotazione (tachimetro)
Raffigurazione di uno spettrogramma a colori come la densità spettrale della potenza (PSD)
Caratteristica globale del livello del suono in dB(A)
Caratteristica del livello con banda limitata in dB(A)

L'analisi del segnale nel dominio della frequenza non mostra come il contenuto delle frequenze si evolve nel tempo. Per tale compito, i necessari risultati vengono forniti dal catman® sotto forma di uno spettrogramma che mostra direttamente l'Analisi Congiunta Tempo-Frequenza (JTFA), calcolando le frequenze contenute nel segnale con le corrispondenti ampiezze nel tempo di colore diverso. Il software catman® impiega la cosiddetta Trasformata Breve di Fourier (STFT) per calcolare la JTFA, ed applica la Trasformata Rapida di Fourier (FFT) ripetutamente su brevi segmenti del segnale nel tempo. In sostanza, la JTFA di uno spettrogramma mostra un maggior numero di dettagli della FFT standard: il contenuto delle frequenze (asse y) in funzione dell'evoluzione del tempo (asse x), è raffigurato nella cosiddetta vista 2-D 1/2 ove l'ampiezza od energia viene mappata con un codice colore.

Per il calcolo dello spettro, la JTFA si basa su parametri quale il numero di valori misurati. La regola empirica per queste misurazioni è: quanto maggiore è il numero di valori compresi nella FFT, tanto più è accurata la risoluzione nel campo della frequenza. Un altro parametro è la funzione finestra, con cui si determina quale coefficiente ponderale si applica ai valori provenienti dal campionamento del segnale all'interno di un segmento (finestra), allorché essi vengano usati nel calcolo. Se nel grafico vengono assegnati più canali, si può raffigurare anche lo spettro dei canali come somma vettoriale.