Hoe we het geluidsniveau meten
Hoe wij geluid meten
Het betrouwbaar en precies meten van het ruisen van ventilatoren, het tikken bij hardeschijftoegang en andere stoorgeluiden van testapparaten vergt aardig wat technische inspanning. Naast een kalibreerbaar meetsysteem is er ook een dode kamer met koeling nodig.
Iedereen neemt geluid anders waar. De subjectieve geluidsindruk hangt niet alleen af van individuele gehoorvermogens, maar ook van verwachtingen, stemmingen en de vorm van de dag. Om de storende geluiden van pc's, notebooks, beamers, servers en andere testappara- ten bij ons op de redactie nauwkeurig te meten, hebben we meetapparatuur nodig die objectieve en reproduceerbare resultaten levert. Het is natuurlijk geen goed idee om een redacteur met een portable geluidsmeter achter zijn bureau de metingen te laten doen. Dan zijn er teveel andere geluidsbronnen die de metingen storen. Daarnaast heeft elke ruimte een eigen akoestische karakteristiek door de geluidsreflecties. Metingen met hetzelfde meetapparaat leiden daardoor in verschillende ruimtes ook tot verschillende resultaten.
Om nauwkeurige, vergelijkbare en altijd reproduceerbare meetresultaten te garanderen, hebben we de beschikking over een zogeheten reflectiearme ruimte, wat in de volksmond ook wel een dode kamer wordt genoemd. In die uniforme, erg stille en tegen storingen van buitenaf afgeschermde omgeving voeren geschoolde medewerkers alle geluidsmetingen uit op een genormaliseerde manier.
Het maken van zo'n kamer vergt aardig wat moeite. Er zijn altijd een heleboel stoorbronnen die geneutraliseerd moeten worden. Denk aan geluiden van buitenaf als auto's, brommers, treinen en helikopters. Binnen een gebouw heb je vaak te maken met herrie van een airconditioning, de liften en het lopen van andere medewerkers. Daarom wordt een geluidskamer in een raamloos deel van een gebouw geplaatst binnen een zelf ook akoestisch afgeschermde ruimte. Hij is gemaakt met een gipsplaatconstructie met dubbele deuren. De vloer heeft sleu-
ven, maar alle doorgaande kabelgoten, pijpleidingen en ventilatiekanalen werden verwijderd. Omdat de metingen bij een gelijkblijvende temperatuur van 23 graden Celsius moeten gebeuren, is er wel een stille, uit te schakelen koelinstallatie aangebracht.
Een oorspronkelijk voor radio-uitzendingen ontwikkelde vierkante spreekcabine (type M:Box Plus van het Berlijnse bedrijf Desone) met buitenafmetingen van zo'n vier meter dient als basis van de meetcabine. De tweevoudige constructie biedt binnenin een vierkant vloeroppervlak van 3,5 bij 3,5 meter en is 2,4 meter hoog. Het plafond en de binnenwanden inclusief de toegangsdeur zijn voorzien van geluidsabsorberende platen van 40 centimeter lang. De vloer is bekleed met een vilttapijt. Daardoor blijft er een bruikbare ruimte over van 3 × 3 × 2 meter. Dat is groot genoeg voor geluidsmetingen aan de verschillende IT-producten, maar helaas te klein voor genormaliseerde metingen aan luidsprekers.
Hoge tonen zijn makkelijker te dempen dan lage met hun grote golflengte. De afscherming van de kamer tegen stoorgeluiden van buitenaf werkt daarom minder naarmate de frequentie lager wordt. Met name heel laagfrequente stoorbronnen zijn problematisch, zoals bijvoorbeeld van dichtslaande deuren of de airconditioning. Dat frequentiedeel is in het algemeen erg problematisch bij de akoestische meettechniek. Daarom filtert een hoogdoorlaatfilter de hele lage tonen eruit, die worden bij de metingen niet meegenomen.
Voorverwarmen
Elk testapparaat komt op een speciale tafel te staan met een dik zachthouten blad. Dat zware blad trilt amper mee als er vibraties van een testapparaat afkomen, bijvoorbeeld van de ventilatoren of de harde schijven. Geluid dat van dergelijke vibraties afkomstig kan zijn, mag de meting niet verstoren.
Conform de best-practice op dit vakgebied worden de apparaten akoestisch gemeten onder praktijkgerichte omstandigheden. Voor een desktop-pc betekent dit naast een idle-modus met en zonder toegang tot de harde schijf – gesimuleerd met h2benchw – ook een volledige belasting van processors en grafische kaart. Metingen aan ATX-voedingen worden met verschillende belastingen gedaan. Buiten de cabine staan daar elektronische belastingen voor klaar, die via lange aansluit- kabels verbonden worden met de op dat moment te meten voeding.
In het akoestische meetlaboratorium moeten dezelfde belastingen gelden als bij de overige tests van de redactie. Om ervoor te zorgen dat de belastingwaarde in de geluidsmeetruimte overeenkomt met de metingen die bij andere afdelingen worden gedaan, controleren de akoestische specialisten het opgenomen vermogen van de betreffende bedrijfstoestand met het nauwkeurige meetapparaat LMG95 van ZES Zimmer.
Voor het opwarmen van een testapparaat is een wachttijd van een paar minuten nodig. Het moet in een stationaire toestand komen, zodat de ventilatoren met een redelijk constant toerental ronddraaien. Bij apparaten die veel energie verbruiken, stijgt de temperatuur in de meetcabine soms redelijk snel omdat de complexe geluidsisolatie ook als warmteisolatie werkt. Zeker notebooks reageren sterk op een warmere omgeving door de ventilatoren harder te laten draaien, zelfs als ze niets aan het doen zijn. Er is daarom een sensor die de luchttemperatuur in de meetcabine meet. Het uitschakelbare koelsysteem zorgt ervoor dat alle geteste apparaten dezelfde beginvoorwaarden hebben. Tijdens de korte testfases wordt de cabinekoeling dan uitgeschakeld.
Microfoonopstelling
Aan elke kant van de meettafel staat een statief met een microfoon. Omdat IT-componenten de laatste jaren gelukkig steeds stiller zijn geworden, wijken we bewust af van de in de norm aangegeven afstand van 1 meter tussen microfoon en testobject. Het geluid van printers, scanners, desktop-pc's, notebooks, NAS-systemen, settopboxen, beamers, voedingen en gameconsoles meten we op een afstand van 50 centimeter. De in c't gegeven meetwaarden zijn daarom niet rechtstreeks te vergelijken met de fabrikantspecificaties over de geluidsproductie. Als vuistregel geldt: het halveren van de meetafstand leidt tot een 6 dBA hogere meetwaarde.
Geluiden van grafische kaarten meten we praktijkgericht in een referentie-pcbehuizing. Voor vergelijkbare componenten die alleen in een pc werken, staan er passief gekoelde, stille testcomputers ter
beschikking. Harde schijven monteren we voor het meten in een ontkoppelframe, en dan zetten we de microfoon nog dichterbij, namelijk op een afstand van 25 centimeter. Moderne schijven zijn extreem stil, maar sommige vibreren dusdanig sterk dat ze extra stoorgeluiden zouden veroorzaken als we ze gewoon op de meettafel zouden leggen.
Wat een gezond en geschoold oor niet meer kan horen, vormt ook meteen de grens van wat een hoogwaardige microfoon kan registreren. Degene die de metingen doet buiten de cabine, luistert tijdens elke opname mee naar de signalen van de microfoons. Hij moet storingen van buitenaf herkennen die het meetresultaat beïnvloeden. Geen enkel geluid ontgaat aan de meetmicrofoons van het type Microtech Gefell MK 102.1 door hun hoge dynamiekbereik van 11 tot 146 dBA. De ruisarme condensatormeetmicrofoons met 1-inch membranen dekken het hele frequentiespectrum af dat mensen kunnen waarnemen, van 10 Hz tot 20 kHz. Bij dergelijke microfoons is een eigen klankkarakteristiek zoals een bijzonder 'warm' geluid net zo ongewenst als andere optimalisaties voor bepaalde frequentiebereiken. Het gaat om een zo neutraal mogelijk klankbeeld.
Meetketen
Meteen achter de microfoon zit een ruisvrije voorversterker. Hij pept het signaal van de microfoon op, zodat dat minder gevoelig is voor elektrische storingen van buitenaf als het door een afgeschermde kabel naar het eigenlijke meetsysteem gaat. De voorversterker heeft een theoretisch dynamiekbereik van 11 tot 168 dB om de signalen die van de microfoon afkomen niet te begrenzen. De signaalkabel loopt uit de reflectiearme ruimte naar de ingangsmodule van het zogeten front-end SQlab II van Head Acoustics. Dit modulair opgebouwde systeem heeft ingangskanalen voor vier meetmicrofoons en verzorgt de polarisatiespanning van 200 volt voor de microfoons en voorversterker.
Het front-end converteert de analoge signalen naar digitale met een samplerate van 48 kHz. Volgens het Nyquist-Shannontheorema – samplerate minstens twee keer zo hoog als de maximale signaalfrequentie – zijn theoretisch metingen tot 24 kHz mogelijk. Een stabiele metalen behuizing beschermt de gevoelige elektronica tegen stoorinvloeden van buitenaf. Daar draagt ook de externe en ruim overgedimensioneerde voeding aan bij. Alle gebruikte componenten zijn bedoeld voor een breed frequentiespectrum en lage toleranties.
Via de wat verouderde SCSI2-interface gaan de gedigitaliseerde signaaldata naar de Windows-meetcomputer. Daar draait de analysesoftware Head Acoustics ArtemiS op. De recordermodule slaat de meetdata van alle vier de kanalen niet-gecomprimeerd op. Comprimeren zou nuances van het signaal kunnen verbloemen en is daarom ongeschikt voor goede metingen. We archiveren de geluidsopnamen en kunnen ze jaren later ook nog afspelen, analyseren en als wave-bestand exporteren.
Voor de meeste geteste apparaten is een meetinterval van 10 seconden per bedrijfstoestand het beste gebleken. De opnamesoftware kan echter ook langere tijd opnemen om de data vervolgens met een editor te knippen – net als bij de audiosoftware voor een pc. Dat is te gebruiken om verschillende arbeidsfases van een testapparaat afzonderlijk te beoordelen, bijvoorbeeld het scannen, printen en de papierdoorvoer van een multifunctionele printer.
Het meetsysteem lijkt op meerdere manieren op een meersporen-audiostudio. Het belangrijkste verschil is echter dat de meetketen hier te kalibreren is. Daarmee achterhaal je afwijkingen van referentiewaarden en kun je correctiefactoren in het meetsysteem aanmaken om de gewenste meetnauwkeurigheid te halen. De complete meetketen (hardware en software) voldoet aan de eisen voor meetapparatuur van de Klasse 1 volgens DIN EN 61672. De duidelijk goedkopere portable geluidsmeters zitten in de meetapparatuurklasse 2 en voldoen niet aan dergelijke eisen. Dat geldt ook voor apps die van een smartphone een decibelmeter proberen te maken.
Het meetsysteem registreert en analyseert telkens de hoogst voorkomende geluidspiek. Zonder storingen van buitenaf kan het systeem tot aan 11 dbA nauwkeurig meten. Om de reproduceerbaarheid van de meetresultaten te garanderen, stellen we de meetgrens echter in op 17 dBA oftewel een luidheid van 0,1 sone. Alles daaronder noemen we niet en is in de praktijk ook niet relevant. Om het lezen makkelijker te maken, gebruiken we voor de geluidsdruk de eenheid dBA. Daar worden als alternatief ook wel de schrijfwijzen dB(A), dB/A en dB/(A) voor gebruikt.
En nu we het toch over geluidsdruk hebben: die wordt door de software berekend uit het digitale microfoonsignaal. Het meten van een testapparaat is dan ook nog niet ten einde met een exact en reproduceerbaar registreren van de geluiden. Het verwerken van de data gebeurt met psycho-akoestische modellen die een normale gehoorgevoeligheid van doorsnee mensen simuleren. Hoe dat werkt, staat in het volgende artikel. (nkr)