individuazione di una specifica sorgente sonora · individuazione di una specifica ......

15/10/2015 Slide 1Assoacustici: Ambiente e Lavoro 2015

Ricerca sorgenti - -G.Amadasi – P.Giacomin

Individuazione di una specifica sorgente sonora

Tecniche di misura con sonda microfonica per l’individuazione di una specifica sorgente sonora in ambito industriale: Tecniche deduttive, Metodi metrologici e Approcci diversi per l’individuazione e la comprensione degli effetti generati da sorgenti sonore in un ambiente sonoro complesso.

G.Amadasi – P.Giacomin



Introduzione

Metodi interpretativi sperimentali che utilizzano immagini del campo acusticoLa cartografia intensimetrica

Metodi deduttivi sperimentali di analisi vibro-acusticheAnalisi 3d: sonogrammiL’analisi audio e il riascolto con l’utilizzo di filtri e di analisi non-lineariLa percezione sonora e la localizzazione tramite registrazioni binaurali

Metodi di analisi per immagini del campo acustico Olografia acustica e l’analisi del campo acusticoBreve introduzione al BeamformingBeamforming in Real-Time:Antenna piana fino a 70 kHz di bandaAntenna sferica omnidirezionaleBeamforming in Real Time e Alta definizione



Esempi di applicazione Caratteristiche acustiche di pareti Riflessioni acustiche in ambienti confinatiIndividuazione sorgenti di trasmissioni meccanicheEmissione sonora pompe acquaLame in rotazione di un rasoioRumorosità pompa idraulicaSorvolo aereo Sorgenti di rumore antropicoPropagazione strutturale in un macchinario di produzioneEmissione dai tunnel TAVRumore aerodinamico vetturaRumorosità unità di condizionamentoCamera riverberante di piccole dimensioni



Con il termine “ insonorizzare “ si presuppongono vari concetti quali:Contenuto spettrale dell’emissione ComprensionePosizione delle sorgenti sonore dominanti LocalizzazioneImportanza relativa delle sorgenti dominanti Classificazione

La Ricerca dei “Punti Caldi” può essere condotta:

Con misure fonometriche o di intensità sonora, spostando il microfono o la sonda intensimetrica su di un piano “immaginato a fronte dell’oggetto”; si può ottenere una panoramica della situazione ma senza risultati metrologicamente precisi

Tramite un’operazione di Mappatura intensimetrica per identificare la posizione dei “Punti caldi” di emissione e il suo livello relativo; con l’analisi in frequenza si possono identificare le componenti tonali disturbanti.

La Classificazione delle diverse sorgenti :

può fare riferimento alla potenza sonora dell’oggetto intero o parte di esso (aree o strutture); le sub aree determinano il contributo relativo all’emissione totale



Metodi avanzati

L’Olografia acustica consente di determinare il livello di intensità sonora in campo vicino con una migliore risoluzione (riferimenti);

L’analisi non stazionaria, in funzione del tempo, consente di determinare l’emissione sonora dinamica e, quindi, lo studio di sorgenti transitorie.

Il Beamforming lavora lontano dalla sorgente per “focalizzare” sul campo acustico posto ad una determinata distanza



Metodi interpretativi sperimentali

Metodo semplice per individuare una sorgente sonora: mappa del livello di pressione sonora (Lp) attorno all’oggetto (macchinario) rumoroso analisi dei valori di Lp globale o in 1/3 di ottava in ogni punto della griglia definitamappa a scala di colori o di isolivello idea approssimativa della posizione e delle caratteristiche delle sorgenti

Dalla pressione all’intensità: il valore Lp è stato sostituito dal livello LI - misura intensi metrica sviluppata sulla base di una coppia di microfoni con i quali misurare il flusso di energia acustica si ricava sia l’ampiezza sia la direzione dell'energia sonorametodo adottato in diversi standard per determinare la potenza sonora delle sorgenti



Con la mappatura di LI viene costruita una mappa cromatica o isolivello sovrapposta ad una fotografia frontale dell’oggetto identificazione interpretativa delle sorgenti di rumore deduzione soggettiva posizionale tra “hot spots” e parti dell’oggetto

La risoluzione spaziale è limitata dalla lunghezza d'onda del suono e dalla distanza tra i punti di misura nella griglia.



L'intensità sonora descrive l’energia presente in una determinata posizione di un campo acustico, è l’energia irradiata da una sorgente presente all’interno del campo, una sorgente che può essere dunque localizzata, deducendone la posizione da una mappatura del campo acustico, una sorgente caratterizzata in termini di potenza acustica.

L’approccio è mappare una superficie tipicamente rivolta verso una sorgente e rilevare degli hot-spots sul piano di misura si costruisce così un’immagine del campo acustico “sul piano di misura”

Il campo acustico è descritto con il vettore intensità sonora dato da due parametri: valore scalare della “pressione sonora” p valore vettoriale della “velocità delle particelle” u del mezzo (aria)

Il prodotto p x u è il valore della componente del vettore nel punto di misura lungo la componente data dalla direzione della sonda.



il valore della pressione sonora viene misurato con il classico microfonola velocità delle particelle del mezzo viene determinata con:

uno specifico sensore (anemometro a filo caldo) oppure come una differenza finita del gradiente di pressione tra una coppia di microfoni posizionati molto vicini tra di loro nello spazio.

Una sonda intensimetrica esiste pertanto in due versioni: la sonda P-P che utilizza una coppia di microfoni la sonda P-u che utilizza un microfono e un anemometro a filo caldo.

Sonda intensimetrica tipo p-p (reference BK, GRAS, ecc.)

Sonda intensimetrica tipo p-u (reference Microflown)

u

u



! ricordare che sia le misure di pressione sonora sia quelle di intensità sonora sono

misure del campo acustico presente nel punto di misura e non della sorgente che lo causa

! alla sorgente si può risalire in modo induttivo per localizzarla o calcolare l’energia

emessa (la potenza)

! pressione e intensità non sono misure diretta dell’energia emessa dalla sorgente

! il vettore intensità non ci fornisce le coordinate della sorgente, ma solo la misura

dell’energia lungo una direzione.

Quello che viene fatto in pratica è abbastanza logico sebbene non metrologico: si rappresenta graficamente (mappatura) la distribuzione del modulo dell’intensità sonora sul piano di misura, posto di fronte alla sorgente ed a distanza ravvicinata, si sovrappone un’immagine fotografica della sorgente, si associano i valori massimi di intensità ai punti di maggiore emissione di energia.



Per migliorare i risultati

si crea un riferimento sulla sorgente onde verificare quanto coerente sia l’energia rilevata in un punto con la sorgente individuata, collegare un accelerometro al punto del macchinario sorgente che corrisponde al punto della mappa dove si ha un valore elevato di energia, si ipotizza quindi che la vibrazione di una specifica parte del macchinario è la causa del rumore irradiato.

L’accelerometro fornirà allora un segnale di riferimento si considera una funzione di coerenza tra i segnali della sonda intensimetrica e dell’accelerometro, il rapporto tra i segnali potrà fornire il grado di attendibilità, una coerenza di valore 1 significa che tutta l’energia misurata dalla sonda dipende linearmente dalla vibrazione rilevata dall’accelerometro, se <1 la dipendenza è soltanto parziale o dubbia (< 0.5).



Metodi deduttivi sperimentali: vibro-acustica

Real Time Noise Monitor e Analisi 3d: sonogrammi

Dati in Real Time: che rumore è?

Campane! È l’ora della messa


Fenomeni in alta freuenza

Fenomeni a banda larga

Passaggio a livello

Treno passeggeri (corto e veloce)


Passaggio a livello

Treno merci (lungo e lento)

Tuono rilevato da 2 NMT distanti 6 km

t = 17 seconds


Sorvolo aereo

Doppler effect


Fenomeni ad alta frequenza

Somparsa del fenomeno

Frequenze medio-basse


Grilli

Aereo


Uccellini al sorgere del sole 5:00Leq,A circa 40 dB

Birds

Dati in Real Time: suoni all’alba

Aumento dei volatili che cantano

Dati in Real Time: suoni all’alba

Tutti svegli !

Sole già sorto alle 6:00Leq,A circa 60 dB

Andamento orario degli LN

Analisi statistiche

Andamento del L95 in una cittadina

Persone che escono di casa e vanno al lavoro

Persone che fanno ritorno dal lavoro

Analisi statistiche 3d: LN,F vs. tempo

Andamento del L10 in una cittadina

Canto degli uccelli

Attività antropiche: pausa pranzo, radio-TV, voci

Voci in piazza nelle sere d’estate

Stazione climatica con pompa in in Start/Stop durante il giorno ma accessaalmeno per il 10% del tempo

Analisi statistiche 3d: LN,F vs. tempo




L’analisi audio e il riascolto con l’utilizzo di filtri e di analisi non-lineariLa percezione sonora e la localizzazione tramite registrazioni binaurali



Metodi di analisi per immagini del campo acustico

Olografia Acustica e l’analisi del campo acustico Olografia acustica in campo vicino NAH (Nearfield Acoustic Holography) tecnica consolidata per l’individuazione di sorgenti sonore tramite mappe ad alta risoluzione del campo acustico presente sul piano di misura:

tipicamente il piano dell’antenna microfonica, uso di sensori di riferimento per “calcolare” i parametri delle sorgenti la griglia dei microfoni di misura “vede” il semi-spazio rivolto verso l’oggetto in esame (macchinario..) la griglia deve normalmente avere le dimensioni dell’oggetto deve avere un ulteriore apertura a 45 gradi.



una matrice di microfoni con distribuzione regolare rappresenta un campionamento spaziale del campo sonoro sul piano dell’antenna: l’olografia acustica richiede normalmente una distribuzione regolare, ad esempio una griglia rettangolare di punti, applica una DFT spaziale 2D che non risenta degli effetti di aliasing fuori dalla regione di campo vicino, se però la spaziatura tra i microfoni è inferiore ad ½ della lunghezza d'onda, in caso contrario si avranno notevoli influenze dovute all’aliasing che appaiono repentinamente subito oltre la frequenza limite (1/2 lambda) data dalla distanza tra i microfoni l’aliasing spaziale si instaura per valori di frequenza f > c/d,

c è la velocità di propagazione nel mezzo d è la distanza tra i microfoni (array regolare e onde piane).

La realizzazione di antenne con distribuzione irregolare può parzialmente migliorare la questione dell’aliasing e permettere una transizione graduale che riduce ad un livello accettabile gli effetti di aliasing spaziale fino ad una frequenza maggiore a parità di distanza tra i microfoni, o altrimenti detto: con la stessa densità di campionamento.



Breve introduzione al Beamforming la tecnica del Beamforming si basa su una matrice (array, antenna) di microfoni per localizzare una sorgente sonora (fonte di energia sonora) dalla media e lunga distanza, la sorgente si identifica (nello spazio) stimando le ampiezze delle onde sonore (piane e/o sferiche) incidenti sul piano della matrice microfonica da diverse angolazioni la risoluzione angolare è inversamente proporzionale all’ampiezza dell’antenna la cui estensione (dimensioni) deve essere molto maggiore della lunghezza d'onda di interesse,

un requisito difficile da soddisfare man mano che si riduce la frequenza.

il Beamforming può utilizzare delle distribuzioni irregolari di microfoni non necessita di antenne la cui dimensione sia maggiore della sorgente

(diversamente dalla tecnica dell’olografia acustica),

per distribuzioni irregolari di microfoni, la distanza di misura tra antenna e sorgente non può essere molto più piccola dell’ampiezza dell’antenna, d’altra parte, tale distanza dovrebbe invece essere la minore possibile per ottenere la migliore risoluzione spaziale di superficie.



Concetti di base del beamforing - 1 l’algoritmo di beamforming maggiormente utilizzato è definito “Delay and Sum”, si presuppone che un’onda sonora emessa da una sorgente, ad un certo istante di tempo, è percepita da un osservatore posto ad una certa distanza R con un ritardo temporale Δt=R/c

(c è la velocità di propagazione dell’onda sonora nel mezzo considerato)

la pressione sonora dell’onda (per una propagazione sferica) si riduce in modo lineare con la distanza. Conoscendo la posizione della sorgente ad un dato istante temporale t, si ricostruisce il segnale emesso con il ritardo temporale (delay) ed un’opportuna correzione in ampiezza. si acquisiscono contemporaneamente i segnali di tutti gli N microfoni posizionati nel campo acustico (array microfonico) perturbato dalla sorgente, ogni segnale viene riportato al tempo di emissione conoscendo il cammino presumibilmente percorso dell’onda sonora (Delay), tutti gli N segnali così ottenuti sono mediati (Sum),



Concetti di base del beamforing - 2 per ogni posizione microfonica:

se la posizione corrisponde a quella di una sorgente i segnali ricostruiti si combinano in maniera costruttiva fornendo il livello di pressione sonora propria della sorgente, altrimenti si combinano in maniera distruttiva fornendo un risultato attenuato.

Nel caso in cui un’onda (immaginiamo piana) giunga perpendicolarmente all’antenna microfonica viene vista con la stessa fase su tutti i microfoni e quindi la somma dei segnali degli stessi ripropone fedelmente l’ondaincidente; nel caso invece in cui l’angolo risulti diverso da 90°, la differente fase con cui viene vista l’onda dai vari microfoni genera una somma ‘attenuata’ rispetto alla precedente, e dipendente dall’angolo incidente



Beamforming I metodi tradizionali di elaborazione acustica sono computazionalmente molto pesanti e richiedono molti secondi (e anche minuti) per produrre immagini di qualità. Per ridurre il tempo di calcolo si è spesso costretti a diminuire la risoluzione delle immagini acustiche per produrle velocemente in tempi ragionevoli, utilizzando però poche dozzine di punti per immagine. Per migliorare visivamente il risultato si può anche ricorrere ad un processo di interpolazione per ottenere una sorta di “smoothing” che porta però ad una immagine sfocata.



Beamforming in Real Time e Alta definizione Le tecnologie oggi disponibili si basano su potenti algoritmi che consentono velocità cento volte superiori di trattamento in Real Time di svariate migliaia di pixel, si arriva infatti a 60 immagini acustiche al secondo (Distran Aura), invece di 4-5 secondi normalmente necessari, i filmati audio-video in HD sono prodotti in Real Time mentre le tecniche precedenti richiedono ore o giorni, per esempio :

un video di 30 secondi è prodotto in 30 secondi (Distran Aura) invece che in più di 2 ore.



Le caratteristiche operative di uno strumento Beamforming: tradizionalmente, il processo di indagine del campo acustico con la tecnica del Beamforming prevede: il set- up del sistema di misura la registrazione audio-video in una data posizione per una data situazione si può controllare la qualità dei dati raccolti sulla base di una temporanea immagine acustica preliminare ottenibile in loco, rimandando il resto alle analisi in post-processo per ottenere i risultati.

Cosa succederebbe però se ci fosse un'eco da una parete, la presenza di un’altra sorgente sonora disturbante e non prevista?

Le caratteristiche operative in Real Time di uno strumento Beamforming: sono cruciali per effettuare l’effettivo Controllo della qualità delle misure direttamente sul posto verificare anche durante l’acquisizione dei dati, per consentire ulteriori misure nel caso fosse necessario.



ESEMPI PRATICI DI ACUSTICA PER IMMAGINI: Beamforming e Olografia



Beamforming in Real-Time: Inseguimento visivo di un Drone



Beamforming in Real-Time: Sorvolo aereo

Beamforming in Real-Time: Lame in rotazione di un rasoio



Beamforming in Real-Time: Sorgenti dirumore antropico



Beamforming in Real Time: Rumore moto

Attività specifiche correlateLa correlazione rumore-rumore e rumore-vibrazioniLa diagnostica di funzionamento della sorgente



Beamforming in Real-Time: Rumorosità pompa idraulica

Attività specifiche correlateLa correlazione rumore-rumore e rumore-vibrazioniLa diagnostica di funzionamento della sorgente



Olografia acustica NAH: Rumorosità unità di condizionamento



Beamforming-3d Rumore aerodinamico vettura



Beamforming-3d Rumore Tunnel per treni alta velocità

La misura è riferita al treno che si trova all’internodel tunnel: la testa Treno si trova ad inizio misura a-53m e a fine misura a -3m rispetto alla bocca deltunnel.



Beamforming-3d Rumore Tunnel per treni alta velocità

Attività specifiche correlate Analisi dei segnali Tempo-Frequenza

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