Ljud och vibrationsanalys med tajt budget.

Så, du vill mäta ljud och vibrationer?

Det kan finnas flera anledningar till det och en hel del att fundera över så innan du börjar kan det vara ide att fundera över vad du letar efter eller vill med dina ljudmätningar.

a. Exiteringskällor, som ger energi som startar och underhåller svängningarna.
b. Resonanser, som håller igång svängningar med minimal energiförlust.

Nästa fråga är om det gäller en absolutmätning, tex för certifiering eller om det handlar om utvecklingsarbete i största allmänhet. Gäller det certifiering är det typ 1 instrument (dyrt) som gäller och annars kan man ta ut svängarna och sätta ihop mätverktygen själva, eventuellt kan man skaffa en typ 2 ljudmätare (billigt) för att kalibrera sin utrustning, men som sagt, vid certifiering eller om ett papper skall skrivas under är det typ 1 instrument och mätning enligt ISO eller annan norm som gäller och det är inte vad jag tar upp här.

Eftersom jag inte har en aning om vad du letar efter så tar jag ett par praktikfall för att visa vad vibrationer kan ställa till.

Fall 1. Svängande skorsten
En enkel skorsten av sammansvetsade kortentuber hade bultats fast i ett betongfundament. Drygt en meter över fundamentet är en anslutningsstos svetsad för pannan.
Vinden fick skorstenen att svaja vid sin resonansfrekvens och krafterna växte sig så stora att redan efter ca en vecka uppstod utmattningsbrott vid anslutningsstosen.
Problemet upptäcktes i tid, sprickorna reparerades, sedan gällde det att göra något åt grundproblemet, svängningarna.
Exiteringskällan, vinden i det här fallet, var det inte mycket att göra åt.
Resonanserna kunde man antingen dämpa eller ändra frekvens på så att amplituden minskade.
Att höja resonansfrekvensen var här det enda rimliga eftersom konstruktionen uppenbarligen måste förstärkas i vilket fall som helst, och lösningen blev att skorstenen styvades upp med längsgående plattjärn som stack ut som flänsar och ökade böjstyvheten. Lösningen är inte helt okontroversiell för en ökad frekvens, ger fler töjningar per tidsenhet och det kan också påverka livslängden, men här hjälpte det för skorstenen svängde tydligen inte längre och har nu stått i över trettio år. Mäta vibrationer? Nja, i det här fallet är skorstenen mitt eget ansvar och jag tror nog att det inte behövs -i det här fallet.

Fall 2, Libertyfartygen.
Det är en klassiker från andra världskriget då ett antal fraktfartyg, s.k. libertyfartyg, oförklarligt försvann mellan USA och England. Libertyfartygen var ett standardiserat enhetsfartyg som togs fram som en QDS för att snabbt få upp fraktvolymerna  över atlanten Ubåtar kunde inte uteslutas, men mönstret passade inte riktigt in. Sabotage misstänktes. Gåtan fick sin lösning då en dag ett halvt fartyg strandade på en kust. Andra halvan lär ha landat i ett annat land. Det hade helt enkelt gått mitt av och  tvärskott i lastrum i skrovet var plötsligt en vägg mot omgivande havsvatten.
Sabotageteorin stärktes och varvsarbetarna förhördes, men efter noggranna analyser visade sig att det var vibrationer från propelleraxeln som exiterade hela skrovet just vid dess resonansfrekvens. Båten var chanslös. Lösningen blev att öka varvtalet på propellern så att man kom över propelleraxelns egenfrekvens, om det nu var propelleraxeln eller skrovet som var problemet diskuteras fortfarande, men troligen var det en kombination av båda. Att problemet inte uppmärksammades tidigare berodde förmodligen på att konstruktionen togs fram vid kriget innan, nämligen det första världskriget. Det var tänkt som ett enhetsfartyg som skulle massproduceras med den tidens tillverkningsteknik, dvs. nitning. Tjugo år senare dammades ritningarna av, man hade inte tid att nita utan  skrovet svetsades ihop och fick då helt andra egenskaper. Mäta vibrationer? Det vet jag inte om man gjorde, men det hade varit befogat att göra en konstruktionsanalys, i synnerhet efter ändringen av produktionsmetod, även om konstruktionen kanske var beprövad. Åtgärden, att höja varvtalet var inte optimal för båtarna drog rejält mycket mera bränsle utan att farten ökades.

Nu behöver inte alla vibrationer vara fatala. Här är fler fall:

Fall 3. Bullrande maskin
En maskin som tillverkade X (sorry, hemligt) väsnades något hemskt. För att uppfylla lagkrav snarare än av hänsyn till personalen ville tillverkaren av X-maskinen sänka bullret och en konsultfirma anlitades. Ljudet mättes, spektra analyserades och det funderades. Resultatet blev inte helt lysande och de lösningar som föreslogs ansågs för dyra, liksom konsultfirmans räkning. En ny firma anlitades, nya mätningar, mer tänkande och denna gången startade man med handpåläggning gratis och som en ren good will för att visa att det fanns en del att göra och att det förmodligen var hanterligt. I spektrat från ljudmätningen kunde en och annan topp urskiljas och då stod man inför två vägar att gå vidare; det dyra sättet, räkna sönder maskinen eller ”do it the hard way” och se om man kunde finna en eller flera QDS. Tillverkaren av X-maskiner var liten och skulle förmodligen inte ha råd med större utredningar. För att snabbt komma till skott plockades en accelerometer med magnetfot fram och kopplades till ljudingången på en laptopp-dator. Ett snabbt överslag gjordes över hur en komponent kunde tänkas se ut som genererade en av topparna och sedan flyttades accelerometern mellan några olika komponenter som exiterades med ett slag med en knog medan spektrat hos signalen från accelerometern studerades i realtid. Efter ett par minuter hittades en plåt som skulle fungera som bullerskjöld, men som i sig hade just den egenfrekvensen. Plåten avlägsnades, maskinen startades, ljudnivå och spektra mättes. Ljudnivån hade sjunkit med knappt en ynka decibell, men en resonanstopp hade försvunnit. Där slutade egentligen historien, för kunden  trodde han fattat galoppen och avbröt kontakten. Kunde man gjort mera? Absolut. Skjölden mot buller var borta, förmodligen borde den ersättas med en utan resonans. Ljudnivån låg kanske 15dB eller mer över vad som var acceptabelt så väldigt mycket mer måste också göras. Exiteringen kom från ett verktyg i maskinen som gav ett slag med mycket kort stigtid och ganska långt mellan slagen, ett slag som fick alla komponenter i den stela konstruktionen i svängning, alla komponenter oavsett resonansfrekvens. Att göra något åt exiteringskällan utan att göra mycket ändringar i konstruktionen var inte att tänka på, dessutom fanns det  ett antal patent som i så fall skulle haverera eller brytas. Men, med ett par dagars jobb skulle förmodligen ett antal resonanser kunna identifieras och dämpas ut och ljudnivån kunna sänkas betydligt, kanske genom att styva upp lite här eller införa lite fjädring där. Att öka eller minska en eller annan massa i den komplexa ramkonstruktionen skulle säkert också göra susen, liksom att tillföra något som omvandlade en del av den akustiska energin till värme i form av en ljud eller vibrationsabsorbent. Nå det fick nu bli tillverkaren av X-maskiners problem och förmodligen går personalen fortfarande med hörselskydd.

Fall 4. Vibrerande bänkslip.
Jag gillar den här. Inte för att det egentligen är en bra lösning, snarare en QDS (quick and dirty solution) som fyller sin funktion i just det här fallet.
En hobbyist, finmekaniker och god vän hade en bänkslip som vibrerade och väsnades. Balansering hjälpte inte mycket. Här hade vi nu en maskin med en känd exiteringskälla som hela tiden försåg konstruktionen med energi i ett avgränsat spektra. Skulle man bulta fast slipen i något rejält tungt eller sätta den på något fjädrande? Ett tungt stativ hade förmodligen gjort något åt symptomen, men mycket av energin från exiteringskällan (de roterande delarna) hade förmodligen studsat tillbaka och så småningom skadat kullagren. Fjädrande upphängning? Det är också en åtgärd som attackerar symptomen snarare än problemet, men som förmodligen är snällare mot lagren. Energi kan emellertid fortfarande studsa tillbaka och göra precisionarbete omöjligt. Åtgärden fick bli en kompromiss. En lådformad sockel tillverkades i trä och fylldes med sand. Träet gav lite svikt som skonade lagren och sanden i lådan åt upp mycket av rörelseenergin. Det blev tyst och det gick att göra hyfsade precisionsarbeten. Den gode vännen kunde åter bygga klockor, ångmaskiner och sterlingmotorer.

Vad lär oss dessa exempel?

• Undvik resonanser.
• Se upp med och dämpa exiteringskällor.
• Försök ”bränn” bort onödig rörelseenergi, ungefär som i stötdämparna i en bil.

Modalanalys?
Modalanalys är ett avancerat sätt att mäta resonanser och att se hur akustiska vågor påverkar olika delar av en konstruktion. Analysmetoden använder en kombination av accelerometermätningar och avancerade beräkningar och ligger högt upp på skalan av komplexitet, fast det är enkelt och elegant när man är inne i det.
Jag behärskar intemodalalanalys utan sätter ribban betydligt lägre, man kan med de metoder och hjälpmedel jag tar upp lösa en hel del problem.

Verktyg:
PC, gärna en laptopp, men det går med en bordsdator.
Mikrofon, en kondensatormikrofon för några tior är en bra start, du kan uppgradera när du blir varm i kläderna.
Accelerometer kan vara bra att ha i något skede, men börja med mikrofonen. Lawicel i Tyringe säljer en treaxlig accelerometer för någon hundralapp och den klarar upp till drygt hundra hertz.
Skärmade kablar och kontakter måste naturligtvis till.

Mjukvara till PC'n?
Enklast är det till Linux där "Baudline" är smidigast att använda. Kostar gratis och är mycket prisvärd.
Till Windows rekommenderar jag en programvara som kallas ”Spectrum Lab” och som bl.a. används av radioamatörer, valforskare och fladdermusforskare. I övrigt kan man botanisera på webben, där finns olika förslag.

Jag börjar med Baudline för det passar Eee-pc'n som jag just skriver på alldeles utmärkt.

Sugen på att börja labba?

Då tar vi ett par enkla fall.
Om du är hemma så är toa inget dåligt ställe att börja på, där tänker man bra och där har vi en bra efterklang.
Placera mikrofonen lite offset i rummet, t.ex. i öronhöjd. Det kan till nöds gå med laptoppens inbyggda mikrofon, det är ju bara ett slaskförsök, Starta Baudline och se till att du får ett vattenfallsdiagram (sorry, du måste själv läsa manualen) och klappa händerna. Om allt fungerar så kommer du att se resonanser i diagrammet på skärmen och du kan se hur de klingar av. Syns ingenting? Plocka ned tvätten och ta bort mattan och eventuella gardiner, sedan kommer förmodligen rummets resonanser att visa sig som släpningar i vattenfallet. Resonanserna är stående vågor i rummet och de kan dämpas med en handduk eller ett badlakan, det är bara att experimentera och flytta runt föremål och mikrofon. Ju brantare framkanten är på ljudvågen du åstadkommer, desto fler resonanser förmår du exitera i experimentet. Ett par korta brädlappar som slås ihop med flatsidorna ger en ljudvåg med brantare framkant än om du bara klappar händerna. Proffsen avfyrar en pistol med lösa skott när de mäter efterklang.

En liten historia från verkliga livet: På en kurs jag var berättade en kvinnlig deltagare att en gång skulle hon mäta efterklangen i en nyinredd systembolagsbutik. Det var strax efter stängningsdags, mätutrustningen var riggad och hon höll som bäst på med sina tester när en polis dök upp på andra sida glasdörren och siktade på henne med sin pistol. Det visade sig att en förbipasserande hade observerat ”ett tokigt fruntimmer” som gick och sköt i taket inte i butiken. Polis larmades, gatan spärrades av och utrymdes… Nå, det slutade väl trots allt.

Vardagsrummet eller sovrummet är heller inget dåligt lab. om det har en del textiler i möbler och på väggar som kan ”äta” akustisk energi. Ett kastrullock kan få agera ljudkälla om du klipper till det och du kan se hur ljudet påverkas om du belastar det lite olika med tvättklämmor i kanten på locket.

Dags för ett nytt besök på toa? Ok, då höjer vi ribban lite och låter Baudline generera ljud, fast här räcker nog inte de inbyggda högtalarna till, men prova. Baudline kan generera ljud om du högerklickar i vattenfallet, väljer ”output” och sedan ”tone generator”. Där finns en hel del att laborera med och det skadar inte att ha gymnasiefysiken aktuell, men det går bra ändå. Frekvensen kan ändras manuellt med ”skjutreglaget” i toppen och det går även att svepa eller generera brus. För att få igång svepet får du klicka på ”Manual Trigger”.
Nu är de inbyggda högtalarna i Eee-pc'n erbarmliga, men köp inget nytt förrän du behärskar tekniken, kanske det går att hänga på ett par lösa PC-högtalare eller kanske hemmastereon kan bidra?
Prova med svept ton och olika typer av brus och se hur spektra förändras när du gör ändringar i rummet. Det tar förmodligen inte lång stund att få lite känsla för vad som händer och hur den ”primitiva” analysatorn du har fungerar.

Dags för mer experiment?
Helmholtsresonatorn är en tacksam leksak. Kolla på nätet hur den fungerar och hur den dimensioneras. Med en eller ett par sådan(a) kan man ”bygga om” ett helt rum akustiskt om man får en släng av lite audiofili. Experimentera med flaskor, högtalare, mikrofon och brus till att börja med och se hur de kan absorbera olika delar av akustiska spektrat.

Praktisk tillämpningar?

En stående våg i en ventilationstrumma kan ge ett rent h...e för den som tvingas vistas i ljudet. Är frekvensen känd kan den helmholtsresonator beräknas och byggas. Rätt placerad kan den sedan ta bort en hel del av symptomen, fast allra bäst är att försöka hitta exiteringskällan, vanligen en fläkt. Kanske man måste göra både och för i princip alla transienter kan trigga en resonans.

Oljud från en maskin? Kolla spektra i realtid med Baudline och se om det finns några diskreta linjer. Finns det resonanser så försök identifiera komponenterna med handpåläggningsmetoden om det är möjligt utan att riskera liv och lem. Hittar du passiva komponenter som svänger och ger ljud försök tysta dem permanent en efter en genom att ändra massan eller staga upp dem så de blir styvare eller får en lite annorlunda form. Med passiva komponenter menar jag stag, balkar, kåpor, ja allt som kan svänga som en lite stämgaffel eller cymbal. Aktiva komponenter, typ motorer, är exiteringskällor. De kan behöva balanseras, isoleras eller så kanske varvtalet måste ändras, men viktigast till en början är att se till att inget svänger med om det skulle råka exiteras.

Många maskiner har varvtalsberoende vibrationer. Mikrofonen fångar ofta upp både motorljud om det är en förbränningsmotor(så du ser varvtalet eller en multipel) och resonansljud, allt på samma gång. Gör varvtalssvep och studera spektra. Oftast blir resonanser mer eller mindre vertikala streck i Baudline, medan motorljudet som är varvtalsberoende blir ett snett eller bågformat streck.

Användbart?
Tänk efter!

Inte tillgång till dator när du skall mäta?
Lugn, prova att spela in ljudet och analysera senare. Det behöver oftast inte vara särskilt märkvärdigt för ett första försök, använd en diktafon eller en videokamera. Själv använder jag ibland en H2-mikrofon med inspelningsmöjlighet, men jag har också använt en handdator (Palm Tungsten T) med diktafonfunktion. En videokamera med ingång för extern mikrofon brukar också vara en god ljudinspelningsapparat.

Många proffs vrider sig säkert i vånda när de läser det här, men praktik ger erfarenhet och det finns som vanligt många sanningar.

En bra sak med Baudline är att den faktiskt spelar in medan den mäter så det går att pausa och sedan skrolla fram och tillbaka i tidsplanet. Mycket användbart. Baudline kan dessutom användas tillsammans med flerkanaliga I/O-enheter, men det har jag ännu inte testat.

Måste man inte veta ljudnivåerna exakt?
Tja, vid certifiering är det ett måste, liksom om du skall mäta ljudintensitet, men under vägen dit... Relativa mätningar kan vara en bra kompromiss. Ta hand om oljudet så löser sig nog resten mer eller mindre av sig själv och du kan vid certifieringstillfället använda typ 1 instrument för att bevisa att du är bäst för att det inte finns ljud kvar att mäta:-)
Nu blir ingen proffs med så enkla medel, men det går att göra förvånansvärt mycket med en liten plånbok och lite experimentlusta.
Akustisk mätteknik är något av det svåraste man kan ge sig in på för den som vill ha absoluta mätetal, men samtidigt en av de enklare att experimentera med i relativa tal.

Jag glömde en sak: Om du samlar in data för simuleringsövningar i t.ex. ADAMS så måste du nog använda bättre utrustning än så här.

Redo att höja ribban? Kanske dags för en accelerometer, men det kan kräva lite elektronikkunskaper för att kunna koppla ihop den med datorn. Inte svårt och inte dyrt, men jag ber att få återkomma så att jag kan ge en för datorn säker beskrivning på hur man kan tänkas gå tillväga.

En slutkläm:
Kan enkla mikrofoner, persondatorer och programvara som Baudline lösa världsproblemen?
Självklart inte. I många fall måste man använda riktiga precisionsverktyg och ha mycket bra kunskaper, men enkla verktyg är en bra början för att lösa enkla problem och skaffa sig förståelse för mättekniken och akustiken. Som konstruktör kan man med lite övning också få bättre känsla för vad man håller på med och kan kanske undvika en del problem redan på ritbordet. Det blir billigast så och det är också lättare att få arbetsgivarens förståelse för att man måste ta in riktigt fackfolk i tid i en del projekt. Jag använder instrument som kostar halvmiljonen eller mer där jag måste, men på vägen behöver jag oftast inte riskera mer än en procent av den summan.

Länkar:

http://freenet-homepage.de/dl4yhf/spectra1.html          Spectrum lab, spektrumanalysator för Windows.
http://www.baudline.com/  Baudline, spektrumanalysator för Linux