Papierowe źródło impulsowe Origami – naukowa alternatywa dla tradycyjnych metod pomiaru czasu pogłosu i izolacyjności akustycznej
W pomiarach akustycznych jednym z kluczowych elementów jest źródło dźwięku, które pozwala wygenerować odpowiednio silny i powtarzalny impuls akustyczny. Tradycyjnie do tego celu wykorzystuje się wystrzały z pistoletu startowego, pękanie balonu lub dedykowane źródła głośnikowe. Każde z tych rozwiązań ma jednak swoje ograniczenia – dotyczące powtarzalności, bezpieczeństwa, kosztów czy też mobilności.
W odpowiedzi na te problemy, zespół badaczy Emi Toyoda, Satoshi Sugie i Junichi Yoshimura z Kobayasi Institute of Physical Research (Tokio, Japonia) opracował Origami Impulse Source (OIS) – innowacyjne, mechaniczne źródło impulsowe wykonane z papieru, którego działanie oparto na zasadzie japońskiego kami-teppo („papierowego pistoletu”).
Wyniki badań nad tym rozwiązaniem zostały opublikowane w dwóch pracach naukowych:
-
E. Toyoda, S. Sugie, J. Yoshimura – “Characteristics of the Origami Impulse Source”, Kobayasi Institute of Physical Research, Tokyo, Japan.
-
E. Toyoda, S. Sugie, J. Yoshimura – “Filed Survey Method Using Origami Impulse Source for Sound Insulation Measurements”, Inter-Noise 2011, Osaka, Japan.
1. Konstrukcja i zasada działania źródła Origami
OIS to całkowicie mechaniczne źródło impulsowe wykonane z pojedynczego arkusza papieru, złożonego w charakterystyczny sposób zgodnie z techniką origami. W momencie szybkiego, energicznego ruchu dłonią, złożona konstrukcja ulega gwałtownemu rozprostowaniu, wytwarzając krótki, silny impuls akustyczny przypominający dźwięk trzasku.
W oryginalnym opracowaniu autorzy opisali trzy rozmiary źródeł (S, M, L), różniące się wymiarami arkusza papieru, przy zachowaniu tej samej grubości (0,19 mm). Większy rozmiar odpowiadał wyższemu poziomowi energii akustycznej.
Wymiary trzech typów źródeł
2. Charakterystyka akustyczna OIS
Badacze przeprowadzili serię eksperymentów w komorze pogłosowej i bezechowej w celu określenia parametrów akustycznych źródła Origami, takich jak:
- poziom energii akustycznej (sound energy level),
- charakterystyka kierunkowa promieniowania (radiation directivity),
- charakterystyka częstotliwościowa (frequency characteristics).
Poziom energii akustycznej
Poziomy energii akustycznej mierzono w zakresie 50 Hz – 5 kHz metodą pola rozproszonego. OIS uzyskało porównywalne wartości SPL do pękającego balonu i jedynie nieznacznie niższe od petardy, przy znacznie wyższej powtarzalności wyników. Zwiększenie rozmiaru arkusza papieru przekładało się na wzrost poziomu energii akustycznej o kilka decybeli.
Charakterystyka kierunkowa
Pomiary wykonane w komorze bezechowej wykazały, że źródło Origami zachowuje wszechkierunkowy charakter promieniowania w zakresie średnich częstotliwości (125 Hz – 4 kHz), co czyni je odpowiednim do zastosowań zarówno w pomiarach czasu pogłosu, jak i izolacyjności akustycznej.
Charakterystyka częstotliwościowa
Analiza odpowiedzi impulsowej wykazała, że OIS generuje pojedynczy, dobrze zdefiniowany impuls o szerokim widmie częstotliwościowym do ok. 2 kHz, co umożliwia dokładne wyznaczenie odpowiedzi impulsowej pomieszczenia.
3. Zastosowanie OIS w pomiarach czasu pogłosu
W dalszej części badań źródło Origami zastosowano do pomiaru czasu pogłosu metodą całkowanej odpowiedzi impulsowej w pomieszczeniu o objętości ok. 45 m³. Wyniki uzyskane przy użyciu OIS porównano z metodą hałasu przerywanego (interrupted noise method), zgodnie z normą ISO 3741 / ISO 354.
Uzyskano bardzo dobrą zgodność w całym zakresie częstotliwości – różnice nie przekraczały 0,1 s.
4. Pomiar izolacyjności akustycznej z wykorzystaniem źródła Origami
Druga publikacja, „Filed Survey Method Using Origami Impulse Source for Sound Insulation Measurements” (Inter-Noise 2011, Osaka), stanowi rozszerzenie wcześniejszych badań o pomiary izolacyjności akustycznej między pomieszczeniami oraz stolarki okiennej w warunkach terenowych.
Badania przeprowadzono w dwóch scenariuszach:
- Izolacyjność ściany betonowej – porównano wyniki uzyskane przy użyciu OIS i klasycznego źródła głośnikowego zgodnie z normą ISO 140-4.
Wyniki wykazały bardzo dobrą zgodność obu metod, przy braku istotnych różnic między rozmieszczeniami mikrofonów. - Izolacyjność okien przesuwnych – porównano wyniki z metodami JIS A 1520 i ISO 15186-2. Różnice nie przekroczyły 2 dB w całym zakresie częstotliwości, co potwierdziło, że OIS można z powodzeniem stosować w pomiarach terenowych.
5. Wnioski
Badania prowadzone w Kobayasi Institute of Physical Research potwierdziły, że papierowe źródło impulsowe Origami (OIS) jest w pełni funkcjonalnym narzędziem do pomiarów akustycznych. Pomimo swojej prostoty konstrukcyjnej, generuje ono impuls o wystarczającej energii i szerokim paśmie częstotliwości, umożliwiający:
-
dokładny pomiar czasu pogłosu w pomieszczeniach,
-
ocenę izolacyjności akustycznej przegród w warunkach terenowych,
-
powtarzalne pomiary z charakterystyką promieniowania zbliżoną do źródła wszechkierunkowego.
Zaletą OIS jest także niskie ryzyko uszkodzenia, zerowy koszt eksploatacji i pełna mobilność, co czyni je niezwykle atrakcyjnym rozwiązaniem dla zastosowań dydaktycznych, terenowych i laboratoryjnych.
Źródła:
1. Toyoda E., Sugie S., Yoshimura J., Characteristics of the Origami Impulse Source, Kobayasi Institute of Physical Research, Tokyo, Japan.
2. Toyoda E., Sugie S., Yoshimura J., Filed Survey Method Using Origami Impulse Source for Sound Insulation Measurements, Inter-Noise 2011, Osaka, Japan.
