Laboratorium Akustyki Technicznej. Jednostka Katedry Mechaniki i Wibroakustyki AGH w Krakowie

Podobnie sale koncertowe (te zaprojektowane i wykonane „z głową”, a więc w konsultacji i pod nadzorem wykwalifikowanego akustyka) – ich powstanie jest również okupione godzinami badań i pomiarów, np. okładzin ściennych, foteli, a nawet elementów systemu oświetleniowego. Ludzie, którzy tym się zajmują nie pracują w warunkach, do jakich przyzwyczajeni są realizatorzy dźwięku – szczególni ci live’owi. Ich miejscem pracy jest zacisze laboratorium, w którym dokonują oni różnorakich pomiarów, badań, symulacji itp. Takich miejsc w Polsce jest kilka, a jednym z nich jest

LAT

czyli Laboratorium Akustyki Technicznej Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej im. Stanisława Staszica w Krakowie.

Laboratorium działa nieprzerwanie od 1974 roku i służy – jako że jest jednostką uczelni wyższej – przede wszystkim kształceniu studentów oraz podnoszeniu wiedzy kadry dydaktycznej. Ale nie tylko – wszak można połączyć „przyjemne z pożytecznym”, tj. prace dydaktyczną z możliwością zdobycia dodatkowych środków finansowych na rozwój laboratorium, jak i ogólnie uczelni. Toteż Laboratorium Akustyki Technicznej świadczy również usługi dla tzw. „przemysłu”, wykonując różnorakie działania w zakresie miernictwa akustycznego, na zlecenie klientów zewnętrznych.

Wykonywane są również projekty i nadzory nad wykonawstwem akustycznym różnorakich obiektów o akustyce kwalifikowanej, i w tej dziedzinie LAT może pochwalić się wieloma dokonaniami. Jednym z przykładów jest przebudowa Opery Lwowskiej, w której pracownicy laboratorium mieli swój czynny udział. Spośród innych inwestycji należy wymienić przebudowę i modernizację Filharmonii Podkarpackiej w Rzeszowie, sali teatralnej Teatru Bagatela w Krakowie, prace nad opracowaniem i przeprowadzeniem procedury testowej przed zainstalowaniem Systemu Wsparcia Akustyki w Teatrze Wielkim Operze Narodowej w Warszawie (o czym pisaliśmy w numerze 3/2015 LSI) czy rozbudowę i modernizację PWST w Krakowie.

Równolegle prowadzone są prace naukowe, które umożliwią poszerzenie zakresu wykonywanych badań, jak również udoskonalą przeprowadzane dotychczas pomiary.

Każde przedsięwzięcie nie może obejść się bez dwóch „składników” – infrastruktury i kadry, albo inaczej „zasobów ludzkich”. W przypadku Laboratorium Akustyki Technicznej ową infrastrukturę można podzielić na dwie składowe – obiekty i sprzęt. Na nic jednak – jak zresztą w każdej dziedzinie – zda się nawet najlepszy sprzęt i najbardziej komfortowe warunki pracy, jeśli nie będzie odpowiedniej kadry tenże sprzęt obsługującej. Na początek powiedzmy więc co nieco o

LUDZIACH LAT

Laboratorium kieruje dr hab. inż. Tadeusz Kamisiński, profesor Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Zespół Akustyki Architektonicznej uzupełnia 8 doktorów inżynierów (obojga płci) – w tym jeszcze jedna osoba z tytułem profesora AGH, dr inż. Anna Snakowska – oraz 5 doktorantów, aktualnie magistrów inżynierów. Wśród tych ostatnich jest „sprawca” tego artykułu, człowiek który zaprosił mnie do odwiedzenia laboratorium, oprowadził i wszystko szczegółowo objaśnił – mgr inż. Marcin Zastawnik. Dzięki ludziom laboratorium aparatura i obiekty (dwie komory pomiarowe) – o których więcej informacji za moment – służą studentom, wykładowcom oraz wszystkim innym „potrzebującym”, utrzymywane w stanie gotowości i obsługiwane fachową ręką i okiem.

APARATURA

Aparatura pomiarowa używana w laboratorium to sprzęt najwyższej klasy, w dużej mierze produkcji światowego lidera w tej dziedzinie, firmy Brüel&Kjær (w skrócie B&K). Trudno tu wymieniać cały sprzęt, jakim dysponuje LAT, ale trzeba wspomnieć o kilku najistotniejszych.

Jednym z nich jest czteromikrofonowa rura impedancyjna B&K 4206T z modułem generatora B&K 3160 (cztery wejścia/ dwa wyjścia, każde pracujące w paśmie od 0 do 51 kHz). Za jej pomocą można mierzyć parametry akustyczne próbki wybranego materiału przy padaniu fali dźwiękowej prostopadle do jej powierzchni. Rura impedancyjna tego typu pozwala zmierzyć impedancję i admitancję akustyczną badanego materiału, współczynnik odbicia i pochłaniania oraz współczynnik strat sygnału podczas jego przejścia przez materiał. Dzięki temu można porównywać kilka różnych próbek materiału, wstępnie wyselekcjonować materiał, który następnie zostanie poddany badaniom w polu rozproszonym (w komorze pogłosowej), gdzie – w przeciwieństwie do rury impedancyjnej – fala dźwiękowa pada na materiał z każdej strony i pod różnymi kątami, lub stworzyć model analityczny, stosowany przy projektowaniu materiałów lub komponentów.

Laboratorium dysponuje też małą – można nawet rzec przenośną – komorą pogłosową, szczelną hermetycznie. Wykorzystuje się ją do badania modeli w skali, gdzie przeskalować trzeba nie tylko wymiary badanego obiektu czy struktury, ale również warunki, w jakich będzie pracować, np. częstotliwość fal akustycznych czy też prędkość rozchodzenia się tych fal. W tym właśnie celu komora musi być hermetyczna, aby wypompować z niej powietrze, a następnie napełnić ją odpowiednim gazem, zapewniającym uzyskanie wymaganej prędkości dźwięku.

Użytkowany w LAT jest również niskoszumny system pomiarowy duńskiej firmy G.R.A.S, składający się z 1-calowego pojemnościowego mikrofonu pomiarowego o dużej czułości (1,18 V/Pa) 40HF oraz również 1-calowego przedwzmacniacza o bardzo małych szumach 26HF. Razem ten układ mikrofon-przedwzmacniacz pracuje w paśmie od 12,5 Hz do 12,5 kHz (-3 dB), z zakresem dynamiki od -2 dB(A) do 110 dB(A). Widać więc, iż szumy termiczne przetwornika są kosmicznie niskie (-2 dB(A)), co przy dużej jego czułości pozwala zmierzyć nawet bardzo ciche dźwięki, w zasadzie niesłyszalne dla człowieka.

Takich „niezwykłych” mikrofonów jest tutaj więcej – niejako „po drugiej stronie kija” (który, jak wiadomo, ma zawsze dwa końce) jest przetwornik B&K 4138 o średnicy 1/8”, który nie dość że pracuje w paśmie od 6,5 Hz do 140 kHz(!), to jeszcze jest w stanie przetworzyć z 10-procentowymi zniekształceniami dźwięk o poziomie ciśnienia akustycznego 178 dB! Oprócz niego laboratorium wyposażone jest w przetworniki B&K ¼”, ½” i 1-calowe (wraz z przedwzmacniaczami) oraz półcalowe firmy G.R.A.S (7 46AQ i 10 46AE).

LAT dysponuje również sztuczną głową i sztucznymi ustami produkcji B&K, sondą natężeniową p-p wraz z analizatorem – obydwa urządzenia również produkcji B&K – a także stanowiskiem do pomiaru sztywności dynamicznej (jak pewnie nietrudno się domyślić, wyposażone w sprzęt firmy Brüel&Kjær).

Dzięki laserowemu wibrometrowi firmy Polytec LAT może również wykonywać bezdotykowe pomiary drgań.

Lista sprzętu, jakim dysponuje Laboratorium Akustyki Technicznej, na tym się nie kończy. Obejmuje jeszcze sporo pozycji, w tym m.in. przenośne analizatory dźwięku i drgań polskiej firmy Svantek – SVAN 958 oraz SVAN 912 E wraz z przystawkami SV06 i SV08, a także mierniki, rejestratory poziomów, generatory sygnałów, wzmacniacze, kalibratory i wzorcowe źródło mocy akustycznej – wszystko firmy Brüel&Kjær.

Co ciekawe, wśród tego wysoce specjalistycznego (i drogiego!) sprzętu można też znaleźć urządzenia dobrze nam znane, np. estradowe wzmacniacze (Crest Audio) czy interfejsy audio (RME Fireface), które również wykorzystuje się w pracy laboratorium.

Jednak cały ten sprzęt byłby w dużej mierze niewykorzystywany, gdyby LAT nie dysponowało odpowiednimi, w tym dwoma specjalistycznymi

POMIESZCZENIAMI

Od roku 2004 podjęto sukcesywną modernizację pomieszczeń Laboratorium Akustyki Technicznej, która objęła pomieszczenia aparaturowe, pomieszczenia pomocnicze w piwnicach, komorę pogłosową oraz komorę bezechową. Realizację modernizacji prowadzono z udziałem sponsorów z przemysłu, środków własnych oraz prac studenckich.

Współpraca z przemysłem stworzyła możliwości realizacji pewnych przedsięwzięć modernizacyjnych, bez angażowania środków budżetowych. W czasie ostatnich pięciu lat wartość prac i materiałów (po cenach rynkowych) pochodzących od współpracujących firm oszacowano na kwotę powyżej 250.000 zł, czego efektem jest widoczna poprawa estetyki i funkcjonalności wnętrz Laboratorium Akustyki Technicznej.

W roku 2006 wykonano w komorze pogłosowej, w ramach prac studenckich sponsorowanych, stanowisko do badania izolacyjności akustycznej małych próbek. W 2008 roku zainstalowano w komorze bezechowej prototyp manipulatora pomiarowego dla automatyzacji procesów badawczych źródeł dźwięku i przetworników elektroakustycznych. Podjęto również badania nad stworzeniem stanowisk i procedur do pomiaru rozproszenia dźwięku przez ustroje akustyczne.

Sercem Laboratorium Akustyki Technicznej są pomieszczenia laboratoryjne, z których można zarówno sterować pomiarami w obu wspominanych komorach pomiarowych, jak i dokonywać pomiarów mniejszych próbek, np. z wykorzystaniem opisywanej już rury impedancyjnej czy małej komory pogłosowej do pomiaru modeli w skali. Zajmują one powierzchnię około 120 m2. W tych pomieszczeniach odbywają się także wszelkiego rodzaju zajęcia dydaktyczne (dla studentów AGH oraz członków Uniwersytetu Dzieci czy Uniwersytetu Trzeciego Wieku).

KOMORA POGŁOSOWA

Komora pogłosowa ma kształt nieregularnego graniastosłupa o objętości 181 m3. Ściany są nierównoległe ze względu na konieczność zapewnienia właściwego rozproszenia, wspomaganego przez pięć rozpraszaczy z plexi PMMA. Pomieszczenie jest odseparowane od pozostałej części budynku za pomocą wełny mineralnej, a posadowione na warstwie gumy i korka. Ściany wewnątrz pokryte są „cementem palonym” oraz specjalną farbą dla zapewnienia możliwie najmniejszego pochłaniania.

W komorze na stałe zamontowano 6 mikrofonów G.R.A.S oraz 2 źródła wszechkierunkowe, skonstruowane i wykonane w LAT. Odległości pomiędzy ich pozycjami, a także odległości od ścian spełniają wymagania normy PN-EN ISO 354 „Akustyka – Pomiar pochłaniania dźwięku w komorze pogłosowej”.

W komorze wykonuje się pomiary:
–– pogłosowego współczynnika pochłaniania dźwięku,
–– poziomu mocy akustycznej,
–– współczynnika rozproszenia,
–– izolacyjności akustycznej małych próbek.

W celu umożliwienia pomiarów współczynnika rozproszenia w podłodze komory zamontowano stół obrotowy z demontowanym talerzem o średnicy 3 m. Jest to jedyne takie stanowisko w Polsce.

Komora pogłosowa dysponuje niezbędnym zestawem sprzętu do jej obsługi (w tym modułami przetworników DAQ i kontrolerem stołu obrotowego firmy National Instruments oraz termohigrometrem), a także specjalnym oprogramowaniem pozwalającym na automatyzację wykonywanych pomiarów i ułatwiającym analizę zebranych danych.

KOMORA BEZECHOWA

Bodajże największym powodem do dumy Laboratorium Akustyki Technicznej Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie jest duża komora bezechowa, będąca jednym z największych obiektów tego typu w Polsce. Jest to specjalne pomieszczenie, w którym, dzięki zastosowaniu na ścianach specjalnych elementów rozpraszająco- pochłaniających, panują warunki pola swobodnego.

Komora jest żelbetonowym sześcianem o krawędzi zewnętrznej około 10 m (objętość około 1.000 m3). Objętość użyteczna (pomiędzy klinami) to około 342 m3 (6,7 m x 7,1 m oraz 7,2 m wysokość). Masa komory jest szacowana na około 500 ton, a sama „kostka” posadowiona na wibroizolacji ograniczającej przenoszenie drgań i dźwięków drogą materiałową.

Izolacja ta składa się z 25 kaset wibroizolujących, w każdej z nich znajdują się 2 sprężyny w płaszczu z tworzywa. Komora od początku była zainstalowana na wibroizolatorach, jednak po latach eksploatacji cześć z nich przestała pełnić swoją funkcję, gdyż sprężyny w nich zostały już tak ściśnięte, iż obudowy kaset stykały się ze sobą. Kilka lat temu zapadła więc decyzja o ich wymianie na profesjonalne kasety czołowego producenta wibroizolatorów z Niemiec. Co ciekawe, całą operację wymiany kaset, na których osadzona jest 500-tonowa „kostka” żelbetonowa, przeprowadził jeden człowiek!

Dzięki zastosowanym zabezpieczeniom (obiekt typu pudełko w pudełku, osadzony na wibroizolatorach) poziom ciśnienia akustycznego tła, zmierzonego w komorze w ciągu dnia wynosi około 0 dB(A), zaś w porze nocnej spada nawet poniżej -1,5 dB(A).

W komorze możliwe są pomiary laboratoryjne rozproszenia, poziomu mocy akustycznej i kierunkowości dźwięku urządzeń, a także innych pomiarów prototypowych i modelowych.

Wewnątrz komory zamontowany jest prototypowy manipulator do pomiaru poziomu mocy akustycznej, którego możliwości zostały rozszerzone o pomiar kierunkowości oraz rozproszenia – do tego celu używa się stolika obrotowego wspomnianego manipulatora, który umożliwia obrót z dokładnością do 0,01°.

Ze względu na umieszczenie klinów także na podłodze w komorze chodzi się po siatce rozciągniętej pół metra nad klinami. Ta komora także dysponuje specjalistycznym oprogramowaniem, jak również oprzyrządowaniem firmy National Instruments.

Laboratorium Akustyki Technicznej Katedry Mechaniki i Wibroakustyki Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie jest doskonale wyposażonym i kierowanym oraz obsługiwanym przez wysokiej klasy specjalistów ośrodkiem badawczym, dzięki czemu może zaoferować szeroki wachlarz usług związanych z techniką dźwiękową oraz ochroną wibroizolacyjną. Lista usług w zakresie miernictwa akustycznego jest naprawdę długa (o niektórych z nich wspomniałem w trakcie opisywania pomieszczeń i sprzętu, jakim dysponuje LAT). Szczegóły na ten oraz na inne tematy dotyczące laboratorium można znaleźć na stronie internetowej – www.lat.agh.edu.pl. Wszyscy zainteresowani współpracą znajdą tam niezbędne informacje oraz kontakt do osób, które mogą udzielić wszelkich innych informacji dotyczących Laboratorium Akustyki Technicznej.

Piotr Sadłoń