Realisation of the unit Watt in airborne sound

Völkel, Katharina GND

The central quantity in regulations concerning acoustics is the sound power emitted by a sound source. Building up from the current state of the art of sound power determination, this work will show that there is potential to build a metrological traceability chain for this measurand. Firstly, the lack thereof will be discussed and the problems that arise from this situation will be detailed (Chp. 2). This will argue the need for a proper traceability chain including a primary, secondary and transfer standards. This work will focus on the level of the primary standard, which provides a foundation to the desired traceability chain. The task requires a significant shift in measurement protocol used. All currently standardised procedures require measurements in the sound field - while also sampling the sound field quantities sound pressure or intensity. The newly introduced procedure places the measurement equipment outside of the sound field and measures the motion of the primary standard’s surface directly. The measurement protocols and environments as well as the used physical realisations of primary sources will be described (Chp. 3). Certainly, other types or designs of primary standards are possible. The structural as well as material choices for the realisations described in this work are based on analytical and numerical studies on the characteristics of the chosen circular piston design. They will be described in detail (Chp. 4). Besides radiation characteristics, the design choices for the primary standards used are obviously governed by the suitability to the measurement method. This methodology builds on the Rayleigh integral in its discretised form. By measuring surface velocities as well as phase relations at pre-defined points of the measurement surface, the emitted sound power is calculated. The boundary condition that is imposed by this choice of measurement method is that of the need of a planar radiator which has to be embedded into the floor of the measurement environments. The discretised Rayleigh integral method is a validated methods so that the main question of interest for this work is whether its convergence can be guaranteed and, if so, how many sampling points are required to approximate this convergent value with a pre-set level of uncertainty. Both of these aspects will be discussed (Chp. 5). With the theoretical framework in place, measurement data will be evaluated. As expected, these introduce a new aspects into the uncertainty calculations: noise. The evaluation of the uncertainties associated with calculated sound power levels is a central topic determining the usability of the described primary standards. Based on Monte Carlo simulations, strategies to determine uncertainties will be developed. They focus on the aspects of filtration of noisy data and usability of measurement surfaces - piston versus baffle. It will be shown that in terms of precision, the proposed discretised Rayleigh integral method has the potential to yield satisfactory results (Chp. 6). In terms of accuracy, however, shortcomings of the tested primary standards will be reported. Differences in sound power levels between the ones obtained from the discretised Rayleigh integral and those gathered using standardised methods will be shown and explanations attempted (Chp. 7). The results open the window for further studies particularly on the design of primary standards. However, the suitability and validity of the proposed measurement method to form the basis of a traceability chain for the measurand sound power in air will result from this work.

Die zentrale Größe akustischer Normgebung ist die von einer Quelle abgestrahlte Schallleistung. Ausgehend vom derzeitigen Stand der Wissenschaft in der Schallleistungsmessung wird diese Arbeit aufzeigen, dass die Erstellung einer metrologisch gültigen Kalibrierkette für diese Größe realistisch ist. Dazu wird zunächst deren Fehlen diskutiert, woraus der Bedarf an einer gültigen Kalibrierkette mit Primär- und Sekundärnormalen sowie Transferstandards ersichtlich wird (Kap. 2). Diese Arbeit befasst sich mit der Kalibrierstufe des Primärnormals, welches das Fundament einer zu bestimmenden Kalibrierkette bildet und schlägt eine signifikante Veränderung der Messprotokollarien vor. Alle derzeit genormten Verfahren erfordern Messungen im Schallfeld - bei gleichzeitiger Messung der Schallfeldgrößen Druck oder Intensität. Das in dieser Arbeit vorgestellte Verfahren positioniert die Messgeräte außerhalb des Schallfelds und misst die Oberflächenschwingung der Primärquelle direkt. Das Messprotokoll, Räumlichkeiten sowie verwendete physische Realisierungen der Primärquellen werden vorgestellt (Kap. 3). Grundsätzlich bestehen auch andere Möglichkeiten, Primärquellen zu konzeptionieren. Numerische und analytische Berechnungen zu den erwartbaren Eigenschaften von kreisförmigen Kolbenstrahlern verschiedener Dimensionen führten zur Wahl der hier vorgestellten Primärquellen. Diese Berechnungen werden detailliert beschrieben (Kap. 4). Des Weiteren ist die Eignung der Quellen in Bezug auf die Messmethode von entscheidender Bedeutung. Diese basiert auf dem Rayleigh Integral in diskretisierter Form. Durch die Messung von Oberflächenschnellen und dazugehöriger Phasenlagen an definierten Messpunkten werden hierüber Schallleistungen errechnet. Die Gültigkeit der Methode basiert auf der Annahme ebener Strahler, für welche die Anwendung des diskretisierten Rayleigh Integrals validiert ist. Damit ist die entscheidende Frage für diese Arbeit, ob eine Konvergenz garantiert werden kann. In einem solchen Falle ist die Frage der notwendigen Anzahl an Messpunkten von Interesse. Beide Aspekte werden in dieser Arbeit diskutiert (Kap. 5). Aufbauend auf diesen Grundlagen werden im weiteren Verlauf der Arbeit Messdaten analysiert. Diese erweitern vorangegangene Diskussionen zur Unsicherheit um den Aspekt des Rauschens. Die Bewertung der Unsicherheiten berechneter Schallleistungen ist ein zentrales Thema, welches die Nutzbarkeit der beschriebenen Primärquellen maßgeblich beeinflusst. Basierend auf Monte-Carlo Simulationen werden Strategien zur Unsicherheitsquantifizierung erarbeitet, die sich insbesondere auf die Aspekte der Datenbereinigung verrauschter Messergebnisse sowie die Nutzbarkeit unterschiedlicher Messoberflächen - Kolben und Bodenplatte - konzentrieren. Es wird gezeigt, dass das diskretisierte Rayleigh Integral in Betrachtung seiner Genauigkeit zufriedenstellende Ergebnisse liefert (Kap. 6). In Hinblick auf die Exaktheit der Ergebnisse werden allerdings Schwachstellen der genutzten Primärquellen sichtbar. Unterschiede zwischen den Schallleistungen aus mittels diskretisiertem Rayleigh Integral und genormten Methoden erhaltenen Werte werden gezeigt und Erklärungsversuche angestrengt (Kap. 7). Die Ergebnisse beschreiben mögliche Richtungen zukünftiger Forschung insbesondere für das Thema des Designs von Primärquellen. Gleichwohl wird die grundsätzliche Eignung und Gültigkeit der vorgestellten Messmethode als Basis einer Kalibrierkette für die Größe Schallleistung in Luft als Ergebnis dieser Arbeit herausgestellt.

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Völkel, Katharina: Realisation of the unit Watt in airborne sound. Clausthal-Zellerfeld 2020.

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