Перевод Sound Pressure Level [dB] в Power Spectral Density [Watt/Hz]

[femapper 1]

Делаю расчет на прочность пластины от воздействия диффузного акустического поля. Расчет проводится в Ansys Workbench Mechanical. В этой программе Power Spectral Density задается в Watt/Hz. Мои уровни в исходных данных заданы в Sound Pressure Level [dB]. Не понимаю, как перевести Sound Pressure Level [dB] в Power Spectral Density [Watt/Hz]. Подскажите, пожалуйста, как это сделать. 

[AlexKaz 1,876]

Погуглить статьи по фразам Power spectral density plot converting to sound pressure level и т.п.

Для конвертации есть простая рабочая формула и последовательность посложнее. В сети часто встречается первый случай.

[femapper 1]

2 часа назад, AlexKaz сказал:

Погуглить статьи по фразам Power spectral density plot converting to sound pressure level и т.п.

Для конвертации есть простая рабочая формула и последовательность посложнее. В сети часто встречается первый случай.

Разумеется, гуглил. В Ансисе PSD в Ваттах. С ваттами все как-то труднее.

 

Повторю вопрос, если Вы знаете, как из дБ  перейти в Ватт/Гц, то напишите, пожалуйста. Не отправляйте к Гуглу.

[Борман 2,404]

25 минут назад, femapper сказал:

Ватт/Гц

это должно задаваться в источнике

 

26 минут назад, femapper сказал:

дБ

если, речь про  sound pressure, то на приемнике.

[femapper 1]

6 часов назад, Борман сказал:

это должно задаваться в источнике

 

если, речь про  sound pressure, то на приемнике.

 
Хорошее, конечно, замечание. 
 

Может быть, Вы поймете, как задать эти условия. 
 

Испытание объекта на акустическую прочность происходит следующим образом. Он ставится в реверберационную камеру и нагружается диффузным акустическим полем. Уровни звукового давления Sound pressure level - измеряются с микрофонов, расставленных вокруг объекта испытаний. 
 

Вот я моделирую аналогичную ситуацию в Ansys Workbench Mechanical. 
 

А в этой программе уровни задаются через Power Spectral Density в Ватт/Гц. Причем PSD «прикладывается» к изделию.

[AlexKaz 1,876]

04.04.2025 в 21:28, femapper сказал:

как перевести Sound Pressure Level [dB] в Power Spectral Density [Watt/Hz]

 

Децибелы - это всегда пересчитанная величина относительно некоего порогового уровня. Для давления звуковой волны этот пороговый уровень p_0 = 20 µPa = 2 · 10^−5 Pa [1].

Как найти децибел любой величины, если есть её пороговое значение, - гуглится без труда.

Про перевод из давления в энергию и мощность можно посмотреть по той же ссылке [1]:

    Цитата

Цитата

    If you are a technician checking the sound quality by listening with your hearing, think of the sound waves that move your eardrums by the effect of the sound pressure as sound field quantity. That is why there is the advice:
    In sound recording try to avoid the use of sound power and sound intensity as sound energy sizes.
     
    How many decibels (dB) is the sound energy W = I×t×A in J = W×s?
    This question is asked quite rare. For calculations we use more the following sound energy sizes: Sound energy density w or E = I / c in J/m3, sound intensity I = Pac / A in W/m², and sound power Pac in W = J/s and their corresponding levels. It is wise to use the sound pressure p in Pa or the sound pressure level SPL in dB.

или, попроще [2]:

Цитата

 

   Unlike sound pressure p, sound power W is not measured directly but calculated from sound pressure p, particle velocity n (alternating velocity of the molecules of the medium), and measuring surface S.

    W = p · v · S = ~ p^2 · S

    where v=p/(rho · c) , rho =air density , c = sound velocity in air

 

Пороговая величина для мощности [2]:

Цитата

  As with the sound pressure, a lower limit (N_0=10^-12 watts) of sound power has been defined as a reference towhich all actual sound power data are related.

Для интенсивности (погонной) также вводят пороговый уровень [1]:

Цитата

     Reference intensity I_0 = 1 pW/m^2 = 10^−12 W/m^2

Про перевод

Цитата

 

    From the complex spectrum we can compute the one-sided power spectral density in Pa^2/Hz = p^2/Hz as

    PSD(f) ≡ 2 ·(|X(f)|^2) / (t2 - t1)

    where

    the complex spectrum of a sound <wave> x(t) in the time range (t1, t2) is X(f) ≡ ∫{from t1}{to t2} x(t)·e^-(2·π·i·f·t) dt  < преобразование Фурье, можно выполнить через БПФ>

 

Как видно, PSD(f) пропорционален W. Соответсвенно, можно сделать вывод, что W=PSD(f)*(t2-t1)/2 погонно. Подробности и уточнения должны быть в книгах по акустике.

В планах мне это также может понадобиться. Может я и не прав где - более опытным спецам виднее.

 

1 https://sengpielaudio.com/calculator-soundlevel.htm

2 https://cdn.trox.de/ded5af88f9b030f4/dda6d44c3e97/345_acoustic_fundamentals.pdf

3 https://www.fon.hum.uva.nl/praat/manual/power_spectral_density.html

Edited April 7 by AlexKaz

[Tad 215]

04.04.2025 в 19:28, femapper сказал:

как перевести Sound Pressure Level [dB] в Power Spectral Density [Watt/Hz].

С помощью преобразования Фурье.

[femapper 1]

07.04.2025 в 22:31, AlexKaz сказал:

 

Децибелы - это всегда пересчитанная величина относительно некоего порогового уровня. Для давления звуковой волны этот пороговый уровень p_0 = 20 µPa = 2 · 10^−5 Pa [1].

Как найти децибел любой величины, если есть её пороговое значение, - гуглится без труда.

Про перевод из давления в энергию и мощность можно посмотреть по той же ссылке [1]:

    Цитата

или, попроще [2]:

Пороговая величина для мощности [2]:

Для интенсивности (погонной) также вводят пороговый уровень [1]:

Про перевод

Как видно, PSD(f) пропорционален W. Соответсвенно, можно сделать вывод, что W=PSD(f)*(t2-t1)/2 погонно. Подробности и уточнения должны быть в книгах по акустике.

В планах мне это также может понадобиться. Может я и не прав где - более опытным спецам виднее.

 

1 https://sengpielaudio.com/calculator-soundlevel.htm

2 https://cdn.trox.de/ded5af88f9b030f4/dda6d44c3e97/345_acoustic_fundamentals.pdf

3 https://www.fon.hum.uva.nl/praat/manual/power_spectral_density.html

Спасибо. А Вы ниразу не считали в Harmonic Acoustic нагружение diffuse sound field? У меня проблема в том, что результаты не повторяются. То есть несколько последовательных расчетов имеют разные результаты. Не могу понять, как от этого избавиться.

[AlexKaz 1,876]

3 часа назад, femapper сказал:

результаты не повторяются.

Попробуйте почитать лог решателя и dat-файл (команда EQSL или EQSLV). Возможно, достаточно поменять решатель на другой. Решателей в ANSYS хватает: JCG, PCG и т.п.

[femapper 1]

3 часа назад, AlexKaz сказал:

Попробуйте почитать лог решателя и dat-файл (команда EQSL или EQSLV). Возможно, достаточно поменять решатель на другой. Решателей в ANSYS хватает: JCG, PCG и т.п.

Решаю пример из документа Ansys Mechanical APDL Acoustic Analysis Guide. Там есть пример “13.15 Example: structural panel subject excitation from a diffuse sound field”.

Попробовал вставить в него команду “eqslv,jcg”.

Выдает ошибку. Говорит нужен sparse.

[AlexKaz 1,876]

8 часов назад, femapper сказал:

Ansys Mechanical APDL Acoustic Analysis Guide. Там есть пример “13.15 Example: structural panel subject excitation from a diffuse sound field”.

В примере есть команда dfswave. В Mechanical Acoustic Analysis Guide . pdf дано такое описание для соответствующего типа расчёта и самой команды:

Цитата

3.3. Diffuse Sound Field
You use the Diffuse Sound Field excitation condition to create random excitation waves. The diffuse sound field is approached by the asymptotic model summing a high number of uncorrelated plane waves with random phases from all directions in free space. For additional information, see the DFSWAVE
section in the Mechanical APDL Command Reference.

 

[femapper 1]

8 часов назад, AlexKaz сказал:

В примере есть команда dfswave. В Mechanical Acoustic Analysis Guide . pdf дано такое описание для соответствующего типа расчёта и самой команды:

 

Да, я использую это команду. Там сказано, что random, значит процесс случайный. В таком случае данный расчет не моделирует испытания в реверберационной камере? При испытаниях конструкции на акустическую прочность в реверберационной камере, отклики (ускорения с датчиков акселерометров) двух последовательных испытаний практически сходятся.   

[AlexKaz 1,876]

Вот этот вопрос уже к другим, я не могу подсказать.

[femapper 1]

05.04.2025 в 11:25, Борман сказал:

это должно задаваться в источнике

 

если, речь про  sound pressure, то на приемнике.

Вы не считали в harmonic acoustic объект под воздействием диффузного поля? Проблема в том, что у расчетов нет повторяемости 

[femapper 1]

11.04.2025 в 09:57, AlexKaz сказал:

Вот этот вопрос уже к другим, я не могу подсказать.

Есть другой вопрос. 
Вы не знаете, как вывести PSD ускорения? PSD напряжения конструкции? 
harmonic acoustic при расчете пластины от воздействия диффузного акустического поля, по команде frequency response выдает какую-то фигню. Как её обрабатывать - без понятия. Может быть, в ансисе есть инструменты для того, чтобы корректно вывести PSD ускорения? 
На испытаниях PSD ускорения измеряется в g^2/Hz

 

 

у меня вообще такое ощущение, что в блоке harmonic acoustic в принципе нельзя смотреть ничего, что относится не к воздуху. Типа там все на акустике завязано 

[AlexKaz 1,876]

3 часа назад, femapper сказал:

как вывести PSD ускорения? PSD напряжения конструкции? 

 

Выше приводил пример (PSD(f) ≡ 2 ·(|X(f)|^2) / (t2 - t1)  и далее).

Я не в курсе, есть ли в WB подходящая кнопка, но, в курсе, как это можно сделать на apdl, в т.ч. командной вставкой в WB, потому как в apdl есть команда для вызова быстрого преобразования Фурье https://www.mm.bme.hu/~gyebro/files/ans_help_v182/ans_cmd/Hlp_C_FFT.html

Для любой произвольной величины можно взять совет из сети:

Цитата

This is what I figured out :

t : time (s)

a : acceleration (g)

L : number of time/acceleration samples

F : sampling frequency

1. Amplitude (g) = 2 * abs(FFT(a)) / L

2. PSD (g^2/Hz) = 2 * abs(FFT(a)) ** 2 / (F*L)

3. ASD (g/Sqrt(Hz)) = sqrt(PSD)

4. PSD or ASD in dB = 10*log(PSD or ASD)

Plot up to F/2.

Т.е. смысл остаётся тем же, что и в формуле выше.

 

Если словами: в массив нужно вытащить отклик величины во времени, и получите, например, массив перемещений в узле во времени, или массив ускорений в узле во времени, или массив эквивалентного напряжения в узле, или в элементе, во времени... и т.д. Массив двумерный - есть амплитуды и сооветствующие им значения времени. Протаскиваете часть массива с амплитудами через FFT, и получите спектр амплитуд. Спектр на выходе из FFT - это всегда массив комплексных чисел - амплитуд. Из-за теоремы Котельникова-Найквиста-Шеннона из выдачи FFT нужно взять только половину отсчётов - вторая зеркальна первой, а потом найти абсолютную величину.

Воот. Затем прогоняете все математические действия по формулам выше для каждого элемента массива на предыдущем этапе.

К тому, что получится, потребуется ещё особым образом пересчитать шкалу времён чтобы получить массив частот, чтобы Вы могли построить график в осях "величина - частота в Гц", но это уже предлагаю гуглить. Или может посмотреть черновик моей методички, в ней поиском найти процедуру fefft

https://www.researchgate.net/publication/371276521_Basics_of_the_control_theory_mechatronics_and_robotics_with_Scilab_Xcos_OpenModelica_wxMaxima_and_GNU_Octave_using_Handbook_in_Russian_draft

Edited April 18 by AlexKaz