Ses İletim Kaybı Ölçüm Düzeneği Tasarımı Ve Geliştirilmesi
Sound Transmission Loss Measurement System Design And Improvements
Yazar: BURAK ERDAL
Danışman: PROF. DR. HALUK EROL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Teorisi ve  Dinamiği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akustik = Acoustic ; Akustik dalga = Acoustic wave ; Düzlem dalgalar = Plane wavrs ; Ses basıncı = Sound pressure ; Taşıma matrisi yöntemi = Transfer matrix method

Özet:
Gürültü kontrolü günümüzde, genel olarak insan sağlığı, konforu ya da birçok makinada çeşitli işlevleri yerine getirmek amacıyla uygulanmaktadır.Problemin tipine bağlı olarak, çeşitli gürültü kontrolü yöntemleri mevcuttur. Gürültü kontrolü; kaynak, iletim yolu ya da alıcı üzerinde olabilmektedir. En etkin yöntem sesin kaynakta azaltılması olarak görülse de, birçok durumda kaynakta oluşan gürültü sistemin çalışmasından dolayı oluşabilmekte ve belirli düzeylerin altına sistem kısıtlamaları nedeniyle indirilememektedir. Bu tip durumlarda, sistemin çıkışındaki gürültüyü azaltıcı önlemler önem kazanmaktadır. Gürültü azaltımı sağlamak amacıyla tasarlanan sistem ya da malzemelerin yeterliliklerinin tespit edilmesi, ancak akustik performanslarının ölçülmesi ile yapılabilir. Bu amaçla, ses yutuculuk özelliği olan bir akustik elemanın (gürültü azaltımı amaçlı kullanılan sistem ve malzeme) ses yutum katsayısı, sesin geçişini azaltma özelliği olan bir akustik elemanın ise ses geçiş kaybı vb. akustik özellikleri doğrulukla ölçülmelidir. Böylece kullanılan akustik elemanların özellikleri bilinerek daha doğru uygulanabilir.Bu tez, akustik elemanların performanslarının tespit edilmesine yönelik yöntemleri ve bu amaçla oluşturulan ölçüm düzeneği tasarımı ve geliştirilmesini kapsamaktadır.Bu tez kapsamında, akustik malzemelerin ses iletim kaybı ölçümünün yapılması için gerekli düzeneğin tasarımı ve geliştirilmesi hedeflenmiştir. Çalışma, giriş ve sonuç kısmı dahil olmak üzere altı bölümden oluşmaktadır. İlk bölümde yer alan genel açıklamalar ve literatür araştırmasının ardından, ikinci bölüm altında yer alan teorik incelemeler aşamasında; dalga teorisi, düzlem dalga, akustik performans parametreleri, dijital sinyal işleme ve mikrofon ve akustik sürücü gibi bazı donamımlar incelenmiştir.Üçüncü bölüm altında ölçüm sisteminin doğruluğunun tespit edilmesi ve tasarım iyileştirmesi sağlamak açısından oluşturulan çeşitli sayısal analizler ve karşılaştırmalar yapılmıştır.Dördüncü bölüm altında bir susturucunun ses iletim kaybı ölçümü için gerekli ölçüm sisteminin tasarım detayları incelenmiştir. Akustik performans parametreleri incelenerek, susturucular için ölçülebilir önemli bir performans kriteri olan Ses İletim Kaybı ölçüm tekniği üzerine çalışılmıştır. Literatür araştırması sonucunda elde edilen bilgiler ışığında iki-yük (two-load) transfer matrisi yönteminin ses iletim kaybı ölçümü için uygun bir yöntem olduğu belirlenmiş ve bu yöntemin esas alındığı ASTM-E2611 standardından da faydalanılarak bir ölçüm sistemi oluşturulmuştur. Oluşturulan sistemin tüm geometrik ve akustik özelliklerinin ölçüm sonuçlarına olan etkileri incelenmeye çalışılmıştır. Bu etkiler ile ilgili analitik ifadeler literatür araştırması kısmında incelenmiştir.Beşinci bölüm altında ses iletim kaybı ölçümü yapılabilmesi için gerekli yazılım algoritması ve veri üzerindeki işlemler anlatılmıştır. Son bölümde ise, tasarım doğrulama amacıyla yapılmış bir karşılaştırma ve çalışma sonucunda elde edilen genel sonuçlar ile birlikte çalışmanın devamında araştırılabilinecek muhtemel konulara değinilmiştir.

Abstract:
Noise control has significant importance for various applications. For example, noise reduction for human healthy and comfort in vehicle engineering is an important study in vehicle design. Another example can be noise reduction of loud machines like guns or ships. This kind of applications are not effecting human directly however, noise levels of system has importance in duty.There are different methods of noise control respect to noise emission character of system. Basically, noise control on source, on attenuation path and on receiver are main methods. Noise reduction on source is most efficient way, however for many system noise reduction on source is not applicable because of difficulties with general system design. For this kind of applications, noise reduction on system noise outlet path has importance. For better understanding of acoustic elements performance, sound transmission loss measurements are proving valuable knowledge.Sound transmission loss is sound level difference of incident waves on front side and back side of acoustic element. In this study, sound transmission loss measurement system design and improvements for various acoustic elements are investigated. First methods for measuring transmission loss are developed by J. Y. Chung and D. A. Blaser [3]. Incident and reflected waves on inlet side and incident wave on outlet side are calculated in this method with so-called wave decomposition formulation. This method gives correct results, if there is fully anechoic termination on outlet side of measurement tube. However, it is difficult to create fully anechoic termination in all frequencies. More convenient method is developed by T. Y. Lung and A. G. Doige [7]. This so-called two-load transfer matrix method is based on transfer matrix calculation method. Four element transfer matrix provides acoustic relation between inlet side and outlet side of the acoustic elements. Sound transmission loss can be calculated with this transfer matrix. Comparison of the TL result of these methods for a basic acoustic element is studied by L. Z. Tao and A. F. Seybert [10]. This study shows that; since creating fully anechoic termination is not possible, two-load transfer matrix method provides better results. ASTM-E2611 is used as reference standard. This measurement standard is based on two-load transfer matrix method.It is important to understand physical behaviour of acoustic waves, in order to design sound transmission loss measurement system. Acoustic waves have spherical propagation in free field. It is possible to simplify tree dimensional formulation to one dimensional formulation for acoustic wave propagation in ducts. Waves propagate as plane waves up to a certain frequency. So-called cut-on frequency is important for transfer matrix method. Higher frequencies than cut-on frequency propagates nonlinear in duct. This behaviour is caused by cavity elastic modes.Sound transmission loss of an acoustic element is composed of measurement and calculations. Accurate measurement chain has importance in order to calculate correct transmission loss value. Physical propagating waves converted to analogue signals by condenser type microphones. Since, microphones have a volume, incident waves diffract over microphone structure. This phenomena occurs non-linear frequency response in high frequency in free-field or diffuse field acoustic medium. Pressure type microphones have linear response in wide frequency band when incident wave and microphone diaphragm are perpendicular to each other. Analogue signal is acquired by data acquisition device in measurement system. Fourier algorithm transforms acquired data frequency domain.Loudspeaker is another important hardware in measurement system. Loudspeaker generate acoustics waves in defined frequencies. Since, loudspeakers are dipole source, there are some difficulties with usage. Loudspeaker needs a cabinet to cancel opposite phase acoustic waves. Resonance frequency of cavity is effecting its acoustic performance. Therefore, volume of cabinet is also important. Sound pressure levels in microphones need to be high enough in order to get better signal and high signal to noise ratio. For this reason loudspeaker have to generate enough acoustic energy in all interested frequency band.Acoustic wave propagation, acoustic plane waves, sound transmission loss measurement methods, transfer matrix method, microphone and loudspeaker techniques are investigated in first part, literature review section.Geometry of measurement system, is directly related with acoustic element sizes. If an muffler is considered, inlet and outlet diameter have to take into account. Loudspeaker diameter can be different than muffler diameter. For these case, there is a need for diameter change. This diameter change will cause reflected acoustic waves. Measurement system is investigated with numerical method calculations. Four study case is investigated with finite element method(FEM) with NASTRAN software. First of all, effect of absorption element is considered in diameter chance. Results are taken from a model has high absorber element and without absorber element. This analysis shows that, due to reflections on diameter change, all acoustic energy is not transmitting to measurement tube diameter. Sound is not generated in some frequencies related with system geometry and acoustic wave length. To prevent this, absorber material or impedance matching geometry can be used. Effect of diameter ratio is investigated in second study case. Analytical studies shows that, higher diameter ratio cause more reflected wave. FEM analysis shows same result with more detail. High diameter ratio may cause loudspeaker in efficient. Measurement may contain much more noise than generated signal. Third numerical calculation states the result of microphone positioning error. Microphones settle to measurement tube in perpendicular axis to tube. Positioning error in manufacturing of microphone holes and holders cause wrong results in specific frequencies. In a specific example, 2mm positioning error to upward cause important difference in sound transmission level. This is an important design criteria for high precision measurement system. Last numerical model is created to study a sample muffler. A rifle muffler with one expansion chamber is analysed. Sound transmission loss is calculated with numerical method. Results of these analysis are important in better system design. This calculations are explained in third part of thesis.Measurement system is designed based on ASTM-E2611 standard. This standard is referring sound transmission loss measurement with two-load transfer matrix method. Most important design criteria's for measurement system are tube diameter and distance between microphones. These is a need to generate plane acoustic wave propagation in tube for TL measurement. Analytical expressions shows that, waves are propagating until cut-on frequency of tube diameter. This expression gives, tube diameter is related with high frequency measurement values. In brief, high frequency measurements need small tube diameter. Forth part contains information about this standard and usage in this thesis.This study also covers a software which makes sound transmission loss calculation with acquired data. Software is developed in National Instrument Labview platform. Details about running software in measurement in explained in fifth part.Sound transmission loss value of a basic muffler is measured and compared to numerical and analytical solutions. Results shows than, signal-to-noise ratio is main problem for more accurate measurements. Last part of thesis contains possible improvements and comparison results.