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.
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 423-02a 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 10534-2 ve ASTM E1050-98 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 10534-1:1996 ve ASTM C 384-04 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 90-04 ve SAE J1400:90 standartları ile tanımlanan “İki Oda Metodu”
- G. Düzlem-dalga tüp metodları:
- G.1: ASTM E 1050-98 standardıyla tanımlanan “Dört Mikrofonlu Düzlem Dalga Tüpünde Transfer Matris Metodu”
- G.2: Literatürde tanımlanmış fakat henüz standartlaşmamış diğer metodlar.
uygulanabilmektedir.
Bu çalışma kapsamında, yalnızca D.1 ve G.1 maddelerinde belirtilen metodlara uygun olarak bir Empedans Tüpü deney düzeneği tasarlanmıştır. Yukarıdaki yöntemler arasından 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 düzlem dalga formundaki gürültüye tabi tutulduğunda, elemanın yüzeyine dik-gelişli (normal-incidence) ses dalgalarına karşı tepkisi ölçülebilmektedir. Diğer yandan C ve F gibi, akustik elemanının iki oda arasında konumlandırıldığı metodlarda, test edilen numunenin rastgele-gelişli (random-incidence) akustik özellikleri belirlenebilmektedir. Pratikte bir akusti kelemanın 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.
2.1. 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.
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 1050-98 standardına göre önerilen boyutlar şöyle tanımlanmıştır:
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 yönteminde, 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 boşluğa 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.
2.2. Sinyal üreteci
Deney düzeneğinde kullanılan sinyal üreteci veri toplama ünitesi ile bütünleşik, 0-100 kHz aralığında analog sinyal üretebilen, beyaz ve pembe gürültü formlarına sahip olan bir üreteçtir.
2.3. Güç amplifikatörü
Güç amplifikatörü, sinyal üretecinde üretilen zayıf haldeki beyaz gürültü sinyalini güçlendirerek, bir sonraki başlıkta seçilen ses kaynağını sürme işlevini görmektedir.
2.4. 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.
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.
2.6. Veri toplama ünitesi
Kullanılan mikrofonlar ile uyumlu, kanallar arası faz farkı oldukça düşük, 0-51.2 kHz aralığında frekans analizi yapmaya uygun bir veri toplama ünitesi kullanılmıştır.
2.7. 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.
