Adequação da acústica e controlo do ruído em unidades de ressonância magnética: projeto de investigação

Mestrado em Segurança e Higiene do Trabalho.

Measuring end-to-end delay in real-time auralisation systems

One of the major challenges in the development of an immersive system is handling the delay between the tracking of the user’s head position and the updated projection of a 3D image or auralised sound, also called end-to-end delay. Excessive end-to-end delay can result in the general decrement of the “feeling of presence”, the occurrence of motion sickness and poor performance in perception-action tasks. These latencies must be known in order to provide insights on the technological (hardware/software optimization) or psychophysical (recalibration sessions) strategies to deal with them. Our goal was to develop a new measurement method of end-to-end delay that is both precise and easily replicated. We used a Head and Torso simulator (HATS) as an auditory signal sensor, a fast response photo-sensor to detect a visual stimulus response from a Motion Capture System, and a voltage input trigger as real-time event. The HATS was mounted in a turntable which allowed us to precisely change the 3D sound relative to the head position. When the virtual sound source was at 90º azimuth, the correspondent HRTF would set all the intensity values to zero, at the same time a trigger would register the real-time event of turning the HATS 90º azimuth. Furthermore, with the HATS turned 90º to the left, the motion capture marker visualization would fell exactly in the photo-sensor receptor. This method allowed us to precisely measure the delay from tracking to displaying. Moreover, our results show that the method of tracking, its tracking frequency, and the rendering of the sound reflections are the main predictors of end-to-end delay.

Estudi d'impacte acústic de l'Avinguda Sant Jordi del municipi d'Olot

Aquest Projecte Final de Carrera consta de realitzar una sèrie de mesures de soroll adequades, previ estudi de les característiques del tram de carretera a avaluar, per tal de crear un model amb el programa CADNA a partir del qual poder valorar els nivells de soroll generats per l’Avinguda Sant Jordi a la ciutat d’Olot i veure com afecten en els veïns de la zona. Posteriorment i amb independència dels resultats obtinguts, s’estudiaran diferents hipòtesis per a poder disminuir aquests nivells de soroll. No obstant, també s’avaluarà l’efecte que produiria en els nivells acústics de l’Avinguda Sant Jordi la construcció d’un vial alternatiu

Estudi d'impacte acústic de l'avinguda de França en el municipi de Sarrià de Ter

El present projecte s’emmarca dins les accions empreses pel conveni de cooperació entre la Universitat de Girona i l’Ajuntament de Sarrià de Ter per tal d’estudiar l’impacte acústic de diferents infraestructures i activitats de Sarrià de Ter. En el cas que ens ocupa, hem tractat el terme municipal de Sarrià de Ter, estudiant tota la longitud de l’antiga N-II, actual avinguda de França, en el seu pas pel municipi per determinar-ne l’impacte acústic. Cal remarcar que Sarrià de Ter, a part de patir l’Avinguda de França com a important font de soroll, es veu afectada per una remarcable activitat industrial també al pas de l’antiga Nacional–II, pel pas de l’autopista AP-7, pel tren i per una indústria d’extracció d’àrids. El projecte de l’estudi d’impacte acústic de l’avinguda de França en el municipi de Sarrià de Ter, té com a objectiu principal mesurar i calcular els nivells de contaminació acústica, i estudiar possibles accions per tal de minimitzar l’impacte acústic del vial al municipi. El projecte d’estudi de soroll de la població de Sarrià de Ter, té com a objectiu final elaborar el mapa acústic d’impacte de la infraestructura en el seu pas pel terme municipal

Aktiivinen melunvaimennus ampumaradalla

Aktiivinen melunvaimennus (active noise control, ANC) onkauan tunnettu ja sovellettu tekniikka. Kuitenkaan sitä ei ole aiemmin sovellettu impulssimaiseen satunnaiseen meluun. Tässä diplomityössä tutkitaan aktiivisenmelunvaimennuksen soveltuvuutta ampumaradan melunvaimennukseen. Ampumarata äärimmäisenä tapauksena asettaa korkean vaatimustason laitteistolle ja sen komponenteille. Suurin haaste on etsiä sopivat laitteiston komponentit, jotka tuottavat ja kestävät suurta äänenpainetasoa. Myös muuttuvat sääolosuhteet asettavat vaatimuksensa laitteiden mekaaniselle kestävyydelle sekä säänkestävyydelle. Työssä paneuduttiin erityisesti selvittämään, mitä kaupallisesti saatavilla olevia komponentteja voidaan hyödyntää aktiiviseen impulssimelunvaimennusjärjestelmään. Kaupallisten komponenttien soveltuvuutta aktiiviseen impulssimelunvaimennukseen analysoitiin laboratorio- ja kenttämittauksin. Työssä esitetään myös tulokset yksinkertaisella koelaitteistolla saavutetusta vaimennuksesta kenttäolosuhteissa.

Audiosignaalin digitaalinen käsittely aktiivisessa meluntorjunnassa

Meluntorjuntaan on perinteisesti käytetty passiivisia menetelmiä. Monissa sovelluksissa melua voidaan vaimentaa myös aktiivisella meluntorjunnalla. Tässä työssä tutkitaan aktiivisen meluntorjunnan signaalinkäsittelyä sekä signaalinkäsittelyyn soveltuvia laitteistoja. Lisäksi selvitetään ANC-järjestelmien (Active Noise Control) toimintaanja signaalinkäsittelyyn vaikuttavia tekijöitä. Tutkinnassa rajoitutaan yksikanavaisiin järjestelmiin. Esimerkkisovelluksena käytetään ulkotilan melunvaimennukseen soveltuvaa järjestelmää. Esimerkkijärjestelmään suunniteltiin signaalinkäsittelylaitteisto, jonka soveltuvuutta järjestelmän signaalinkäsittelyyn selvitettiin suorituskykymittauksin ja kokeellisin mittauksin.Lisäksi pohditaan signaalinkäsittelyn toteuttamista tutkittavassa järjestelmässä ja sovelluskohteessa.

Aktiivinen meluntorjunta ulkotiloissa

Ympäristömelu on nyky-yhteiskunnassa kasvava ongelma. Perinteisesti tätä melua on pyritty vähentämään passiivisen melunvaimennuksen avulla, kuten tienvarsien melumuureilla. Melua voidaan kuitenkin vaimentaa myös aktiivisellameluntorjunnalla (ANC, active noise control). Tässä työssä selvitetäänmitä ongelmia kohdataan, kun ANC-järjestelmää suunnitellaan ulkotiloihin ja mitä ominaisuuksia tällaiselta järjestelmältä vaaditaan. Työssä tutkitaan myös miten vaihtuvat ympäristöolosuhteet ja ulkoakustiset ilmiöt vaikuttavat ANC-järjestelmän toimintaan. Tutkimuksen pohjalta toteutetaan oma ANC-järjestelmä, jonka suorituskykyä työssä mitataan sekä komponentti- että järjestelmätasolla. Myös järjestelmän toimivuuteen vaikuttavia tekijöitä kartoitetaan mittausten avulla. Erikoistapauksena työssä selvitetään voiko suunnitellulla ANC-järjestelmällä vaimentaa impulssimaista melua paikallisesti.

Haulikkoratamelun minimoinnin suunnittelu

Työn tavoitteena oli tutkia kilpa- ja harjoitusammuntaan käytettävällä haulikkoradalla käytettäväksi soveltuvia passiivisia meluntorjuntamenetelmiä ja suunnitella niistä toimiva kokonaisuus kohderadoille siten, että rata-alueen läheisillä asuinalueilla alitetaan 50 dB LAIMax-taso sekä muilla alueilla ampumaratamelun ohjearvot. Aluksi tarkasteltiin kohderatojen vanhoja menetelmiä ja radan meluntorjunnan kannalta olennaiset suunnat selvitettiin mittauksilla. Myös laukausmelun spektriä tutkittiin mittauksilla. Olemassa oleville menetelmille etsittiin korvaavia ja täydentäviä menetelmiä. Radan sijoittaminen maastoon on tärkeä osa meluntorjuntaa uutta rataa suunniteltaessa, mutta kohteena olleiden ratojen sijoittamista ei voitu enää muuttaa. Koska haulikkoammunnan säännöt eivät mahdollista aliääniammusten tai äänenvaimentimien käyttöä, ei varsinaista melupäästöä pystytä pienentämään. Melulle altistuvan kohteen sisätilojen suojaaminenkin on käytännössä hyödytöntä, koska ampumamelun ohjearvot ovat ulkoalueille. Ainoastaan melun absorptio, etenemisen estäminen ja ohjaaminen ovat kelvollisia menetelmiä kohderadoilla. Rata-alueelle suunniteltiin uudet ratojen väliset meluseinät, joiden ääneneristävyys ja -absorptio on vanhoja seiniä parempi. Taustavallille suunniteltiin jatkamista maavallina ja korottamista meluaitana, joka toimii myös haulienkierrätysjärjestelmän runkona. Alueen maaperä suunniteltiin muutettavaksi akustisesti pehmeämmäksi. Käytettävien menetelmien suunnittelussa tehtiin eri vaihtoehdoille laskennallisia arvioita, tietokonemallinnuksia ja laboratoriokokeita. Myös uusia menetelmiä haulikkoradan meluntorjunnassa tutkittiin. Tutkimusten perusteella näitä menetelmiä tutkitaan jatkossa käytännössä.

Meluntorjunta voiteluainetehtaassa

Melu on epämiellyttävää ja tarpeetonta ääntä. Se saattaa olla myös fysiologisesti haitallista aiheuttaen pahimmassa tapauksessa pysyvän kuulovaurion. Tämän diplomityön tavoitteena oli saada vähennettyä työntekijöiden päivittäistä meluannosta alle 80 desibeliin, jotta työntekijöiden työturvallisuus ja työskentelyolosuhteet paranisivat. Työn teoriaosuudessa kerrotaan yleisiä asioita äänestä, sen mittaamisesta, vaikutuksista ihmisiin, laitevalmistajien ja työnantajien velvollisuuksia sekä meluntorjunnan perusteita. Käytännön osiossa käydään läpi aikaisemmin tehtyjen melumittausten tuloksia, esitellään mittauksissa käytettyjä laitteita, esitellään kohteet joihin parannuksia tehtiin ja miten ne tehtiin, sekä käydään läpi kuinka suuri vaikutus kullakin parannuksella on ollut. Lisäksi verrataan ennen parannuksia tehtyjen meluannosmittausten tuloksia parannusten jälkeisiin tuloksiin. Tulokset olivat hyviä, sillä täyttökoneilla työskentelevien työntekijöiden meluannosmäärät putosivat alle 80 desibeliin.

Jatkuvan äänitehojakautuman algoritmi pitkien käytävien äänikenttien mallintamiseen

JÄKÄLA-algoritmi (Jatkuvan Äänitehojakautuman algoritmi Käytävien Äänikenttien LAskentaan) ja sen NUMO- ja APPRO-laskentayhtälöt perustuvat käytävällä olevan todellisen äänilähteen kuvalähteiden symmetriaan. NUMO on algoritmin numeerisen ratkaisun ja APPRO likiarvoratkaisun laskentayhtälö. Algoritmia johdettaessa oletettiin, että absorptiomateriaali oli jakautunut tasaisesti käytävän ääntä heijastaville pinnoille. Suorakaiteen muotoisen käytävän kuvalähdetason muunto jatkuvaksi äänitehojakautumaksi sisältää kolme muokkausvaihetta. Aluksi suorakaiteen kuvalähdetaso muunnetaan neliön muotoiseksi. Seuraavaksi neliön muotoisen kuvalähdetason samanarvoiset kuvalähteet siirretään koordinaattiakselille diskreetiksi kuvalähdejonoksi. Lopuksi kuvalähdejono muunnetaan jatkuvaksi äänitehojakautumaksi, jolloin käytävän vastaanottopisteen äänenpainetaso voidaan laskea integroimalla jatkuvan äänitehojakautuman yli. JÄKÄLA-algoritmin validiteetin toteamiseksi käytettiin testattua kaupallista AKURI-ohjelmaa. AKURI-ohjelma antoi myös hyvän käsityksen siitä, miten NUMO- ja APPRO-yhtälöillä lasketut arvot mahdollisesti eroavat todellisilla käytävillä mitatuista arvoista. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöitä testattiin myös vertaamalla niiden antamia tuloksia kolmen erityyppisen käytävän äänenpainetasomittauksiin. Tässä tutkimuksessa on osoitettu, että akustisen kuvateorian pohjalta on mahdollista johtaa laskenta-algoritmi, jota voidaan soveltaa pitkien käytävien äänikenttien pika-arvioinnissa paikan päällä. Sekä teoreettinen laskenta että käytännön äänenpainetasomittaukset todellisilla käytävillä osoittivat, että JÄKÄLA-algoritmin yhtälöiden ennustustarkkuus oli erinomainen ideaalikäytävillä ja hyvä niillä todellisilla käytävillä, joilla ei ollut ääntä heijastavia rakenteita. NUMO- ja APPRO-yhtälöt näyttäisivät toimivan hyvin käytävillä, joiden poikkileikkaus oli lähes neliön muotoinen ja joissa pintojen suurin absorptiokerroin oli korkeintaan kymmenen kertaa pienintä absorptiokerrointa suurempi. NUMO- ja APPRO-yhtälöiden suurin puute on, etteivät ne ota huomioon pintojen erilaisia absorptiokertoimia eivätkä esineistä heijastuvia ääniä. NUMO- ja APPRO- laskentayhtälöt poikkesivat mitatuista arvoista eniten käytävillä, joilla kahden vastakkaisen pinnan absorptiokerroin oli hyvin suuri ja toisen pintaparin hyvin pieni, ja käytävillä, joissa oli massiivisia, ääntä heijastavia pilareita ja palkkeja. JÄKÄLA-algoritmin NUMO- ja APPRO-yhtälöt antoivat tutkituilla käytävillä kuitenkin selvästi tarkempia arvoja kuin Kuttruffin likiarvoyhtälö ja tilastollisen huoneakustiikan perusyhtälö. JÄKÄLA-algoritmin laskentatarkkuutta on testattu vain neljällä todellisella käytävällä. Algoritmin kehittämiseksi tulisi jatkossa käytävän vastakkaisia pintoja ja niiden absorptiokertoimia käsitellä laskennassa pareittain. Algoritmin validiteetin varmistamiseksi on mittauksia tehtävä lisää käytävillä, joiden absorptiomateriaalien jakautumat poikkeavat toisistaan.

A contribution for nonlinear structural dynamics characterization of cantilever beams

Successful experiments in nonlinear vibrations have been carried out with cantilever beams under harmonic base excitation. A flexible slender cantilever has been chosen as a convenient structure to exhibit modal interactions, subharmonic, superharmonic and chaotic motions, and others interesting nonlinear phenomena. The tools employed to analyze the dynamics of the beam generally include frequency- and force-response curves. To produce force-response curves, one keeps the excitation frequency constant and slowly varies the excitation amplitude, on the other hand, to produce frequency-response curves, one keeps the excitation amplitude fixed and slowly varies the excitation frequency. However, keeping the excitation amplitude constant while varying the excitation frequency is a difficult task with an open-loop measurement system. In this paper, it is proposed a closed-loop monitor vibration system available with the electromagnetic shaker in order to keep the harmonic base excitation amplitude constant. This experimental setup constitutes a significant improvement to produce frequency-response curves and the advantages of this setup are evaluated in a case study. The beam is excited with a periodic base motion transverse to the axis of the beam near the third natural frequency. Modal interactions and two-period quasi-periodic motion are observed involving the first and the third modes. Frequency-response curves, phase space and Poincaré map are used to characterize the dynamics of the beam.

Dynamic analysis of a new piezoelectric flextensional actuator using the J1-J4 optical interferometric method

Piezoelectric actuators are widely used in positioning systems which demand high resolution such as scanning microscopy, fast mirror scanners, vibration cancellation, cell manipulation, etc. In this work a piezoelectric flextensional actuator (PFA), designed with the topology optimization method, is experimentally characterized by the measurement of its nanometric displacements using a Michelson interferometer. Because this detection process is non-linear, adequate techniques must be applied to obtain a linear relationship between an output electrical signal and the induced optical phase shift. Ideally, the bias phase shift in the interferometer should remain constant, but in practice it suffers from fading. The J1-J4 spectral analysis method provides a linear and direct measurement of dynamic phase shift in a no-feedback and no-phase bias optical homodyne interferometer. PFA application such as micromanipulation in biotechnology demands fast and precise movements. So, in order to operate with arbitrary control signals the PFA must have frequency bandwidth of several kHz. However as the natural frequencies of the PFA are low, unwanted dynamics of the structure are often a problem, especially for scanning motion, but also if trajectories have to be followed with high velocities, because of the tracking error phenomenon. So the PFA must be designed in such a manner that the first mechanical resonance occurs far beyond this band. Thus it is important to know all the PFA resonance frequencies. In this work the linearity and frequency response of the PFA are evaluated up to 50 kHz using optical interferometry and the J1-J4 method.

Thermodynamic response of an ultrasonic densitometer

An ultrasonic densitometer is experimentally characterized as a function of temperature. The measurement of propagation velocity and density of several liquids is performed in the 15 to 40°C temperature range. Results are compared to tabulated values in the case of distilled water, showing accuracy of 0.07% for the propagation velocity. Density values are compared to those obtained with a pycnometer, showing 0.2% accuracy in density measurement for stabilized temperature and 0.4% under thermal gradient conditions.

Desenvolvimento e caracterização acústica de painéis multicamadas unifibra, multifibras e mesclados, fabricados a partir de fibras vegetais

Em um tempo em que altos níveis de ruído fazem parte do cotidiano das pessoas, a necessidade de controlá-los não é somente evidente, mas providencial. Atualmente a poluição sonora, em nível mundial, só não é mais grave do que a poluição do ar e da água. No Brasil a situação não é diferente, pois se estima que mais de 15 milhões de pessoas apresentem algum grau de deficiência auditiva devido a este problema ambiental. Dispositivos acústicos como painéis, barreiras, etc., quando de alta eficiência, geralmente, são de custosa aquisição, tornando, em muitas das vezes, inviável sua utilização, principalmente, por empresas de pequeno porte e orçamento limitado. Assim, soluções alternativas, a começar por novos materiais, que sejam menos custosos e possuam desempenho satisfatório surgem como uma ótima opção caso propostas tradicionais sejam inviabilizadas devido ao custo. Algumas fibras vegetais, na forma de painéis, possuem características acústicas satisfatórias quando utilizadas para reduzir a reverberação em determinados ambientes fechados. Dessa forma, considerando as tendências ambientais globais, o uso de fibras vegetais é uma boa oportunidade para agregar valor às referidas fibras e assim contribuir com o desenvolvimento tecnológico do país, já que estes materiais são de fácil obtenção, existem em abundância, não são tóxicos e provêm de fontes renováveis. Este trabalho apresenta a metodologia de desenvolvimento de painéis fabricados a partir de fibras vegetais (açaí, coco, sisal e dendê), assim como a metodologia utilizada para sua caracterização acústica em câmara reverberante em escala reduzida, baseando-se na norma ISO 354/1999. Os dados de coeficiente de absorção dos painéis são obtidos através de um analisador de frequências utilizando-se o Método da Interrupção do Ruído. A comparação entre os resultados obtidos para os painéis artesanais e os materiais convencionais ensaiados permite concluir que o desempenho acústico demonstrado por alguns painéis de fibras vegetais são muito satisfatórios, uma vez que seus coeficientes de absorção sonora foram compatíveis, e em alguns casos superiores, àqueles apresentados pelos materiais convencionais em determinada faixa de freqüência. Finalmente, uma comparação numérico-experimental é realizada, a fim de avaliar a influência de painéis de fibras de sisal sobre as características acústicas de uma pequena sala.