Infrasound measurement – From primary calibration to field application
The reliable and traceable assessment of infrasound has become more and more important in recent years. One area of application for infrasound measurements is the worldwide sensor network of the International Monitoring System run by the Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization. On a smaller scale, the demand for the assessment of low-frequency and infrasound noise rises, one example being infrasound emitted by wind turbines. While the demand is there, the established calibration facilities for airborne sound do not sufficiently cover the infrasound frequency range. Furthermore, the established regulations for the assessment of noise have been designed for the audible frequency range and do not cover the infrasound frequency range. This thesis covers the full traceability chain from the realization of the unit Pascal in a primary calibration setup to the application of calibrated sensors in field environments. A primary calibration method and its realization in a measurement setup are presented which utilize the vertical gradient of the ambient pressure as stimulus. The calibration setup is capable of calibrating microphones in the frequency range from 0.1 Hz to 10 Hz by periodically moving them up and down. To disseminate this realization of the unit onto field devices, two secondary calibration setups were realized. Both setups are based on the comparison principle and utilize loudspeakers to create a significant alternating pressure in a closed cavity. These setups enable the calibration of a variety of infrasound sensors for field use, such as microphones, sound level meters, and microbarometers. In addition to traceably calibrated sensors, regulations regarding measurement procedures are necessary to ensure the reliable assessment of infrasound. Two field studies were conducted to provide a basis for the extension of regulations concerning noise assessment towards infrasound frequencies. First, microphones and microbarometers equipped with three different wind protection systems were compared in a field measurement setup near a wind park. These measurements allow the cross-validation of both sensor principles and enable a comparison of the different wind protection systems. The findings from this study highlight the need for extensive wind protection. Second, an investigation into the influence of small defects of a microphone diaphragm on the frequency response of the microphone was conducted. This study revealed that such defects can have a major influence of the infrasound sensitivity of a microphone, while being nearly undetectable with established calibrators. All in all, the results from this thesis are a valuable contribution to the calibration capabilities of infrasound sensors and to procedures regarding the reliable assessment of infrasound.
Die verlässliche Beurteilung von Infraschall gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein Einsatzzweck für Infraschallmesstechnik ist das weltweite Sensornetzwerk des International Monitoring Systems, das von der Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization betrieben wird. In kleinerem Maßstab gewinnt die Beurteilung von Tieffrequenz- und Infraschalllärm zunehmend an Bedeutung, ein prominentes Beispiel sind die Infraschallemissionen von Windenergieanlagen. Demgegenüber sind die etablierten Kalibriermethoden für luftgeleiteten Schall im Infraschallbereich nicht zufriedenstellend anwendbar. Außerdem decken die Regularien für die Beurteilung von Lärm den Infraschallfrequenzbereich nicht ab. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der gesamten Rückführungskette von der Realisierung der Einheit Pascal mittels eines Primärkalibrierverfahrens bis zur Anwendung kalibrierter Sensoren in der Praxis. Ein Primärkalibrierverfahren und darauf aufbauend ein Kalibrierplatz wurden entwickelt, die den vertikalen Gradienten des Umgebungsluftdrucks als Stimulus nutzen. In diesem Aufbau werden Mikrofone im Frequenzbereich von 0.1 Hz bis 10 Hz kalibriert, indem sie periodisch auf und ab bewegt werden. Zur Weitergabe dieser Primärreferenz auf Sensoren für den Praxiseinsatz wurden zwei Sekundärmessplätze entwickelt. Beide Messplätze basieren auf dem Komparationsprinzip und nutzen Lautsprecher, um einen Wechseldruck als Anregungssignal in einem geschlossenen Druckvolumen zu erzeugen. Diese Messplätze ermöglichen die Weitergabe der Einheit Pascal auf eine Vielzahl an Infraschallsensoren für den Praxiseinsatz, zum Beispiel Mikrofone, Schallpegelmesser und Mikrobarometer. Für die zuverlässige Beurteilung von Infraschall sind außer kalibrierten Sensoren auch Regularien hinsichtlich der anzuwendenden Messverfahren notwendig. Zwei Feldstudien wurden durchgeführt, um die technische Basis für die Erweiterung der bestehenden Normen zur Lärmbeurteilung auf den Infraschallfrequenzbereich zu schaffen. Zum einen wurden Mikrofone und Mikrobarometer mit drei verschiedenen Windschutzsystemen im Praxiseinsatz an einem Windpark verglichen. Diese Vergleichsmessungen ermöglichen die gegenseitige Validierung der Sensortechnologien und einen Vergleich der Windschutzsysteme. Im Ergebnis zeigt diese Studie die Problematik von Windrauschen auf, die den Infraschallbereich stärker betrifft als den Hörschallbereich. Zum anderen wurde der Einfluss von kleinen Membrandefekten auf den Frequenzgang von Mikrofonen untersucht. Diese Studie zeigte, dass solche Defekte auf die Empfindlichkeit von Mikrofonen im Infraschallbereich einen starken Einfluss haben können, während sie mit etablierten Kalibratoren im Hörschallbereich nicht detektierbar sind. Die Ergebnisse dieser Arbeit liefern wertvolle Beiträge zur Kalibrierung von Infraschallsensoren und zu Messverfahren zur verlässlichen Beurteilung von Infraschalllärm.
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