Mapping the relationship between the subjective response of jurors to fan blade parameters
Date
2020-03
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Stellenbosch : Stellenbosch University.
Abstract
ENGLISH ABSTRACT: The noise generated by computer cooling fans is known to be a factor which
may cause discomfort in the workplace. Aerodynamic noise caused by fan
blades has been identified to be a significant factor which contributes largely
to noise emission by fans. Fan parameters used in the design of fan blades are
known to affect noise emission levels significantly. Considerations made for
fan noise are known to be centred around taking unweighted and A-weighted
sound pressure readings, with fan designs often being designed to limit sound
pressure levels. The analysis made towards the unweighted and A-weighted
sound pressure levels in the temporal and frequency domain alone is known
to sufficiently define objective measures for fan noise. It is of interest to consider
whether the subjective evaluation of noise made by jurors can also be
accounted for.
The presented work is focused on identifying the feasibility of mapping the
relationship between fan blade parameters to the subjective response of jurors,
using the interim step of psychoacoustic analysis to make predictions for
an expected level of annoyance towards fan noise emissions. Three blade parameters
were selected for investigation, consisting out of blade chord, blade
angle and sweep; these are considered to have significant effects on noise emissions
produced by fan blades. Fifteen prototype models with varied blade
parameters were created to investigate the effect which blade parameters have
on the subjective evaluation of noise. Prototype models were created by 3D
scanning and recreating a reference commercial fan, altering its blade parameters
by using mesh morphing techniques. Jury evaluation tests were used to collect data towards the perceived annoyance
for fan noise using a forced pairwise comparison test, and a bipolar semantic
differential test. The jury tests were used to obtain a ranking for prototype
models, giving a relative measure of perceived preference, and also a description
for noise, as experienced by jurors. Statistical analysis methods were used
to fit simple, well-defined regression models, which were used to learn about
the interaction effects present. One model, deemed adequate for making predictions
on jury preferences, was selected and used for optimisation purposes.
This model was optimised to determine the best expected performance, for a
specific set of blade parameters. A final model using optimised blade parameters was 3D printed and used as a validation set to evaluate for the model.
The optimised model was ranked 3rd in the final, forced pairwise comparison
test, where 20 jurors were asked to partake in the test. The presented work
determined the relationship between blade parameters, psychoacoustic metrics
and data obtained from subjective jury test results to determine the feasibility
of determining jury preference from the parameters of a fan blade alone.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die geraas wat 'n rekenaar se waaier genereer, is 'n faktor wat ongemak in die werkplek kan veroorsaak. En hoe harder die waaier werk, hoe groter is die ongewenste geraasvlakke dikwels ook. Aërodinamiese geraas, wat deur waaierlemme veroorsaak word, is geïdentifiseer as 'n belangrike faktor wat grootliks bydra tot die geraas wat 'n waaier vrystel. Die waaierparameters wat in die ontwerp van waaierlemme gebruik word, is bekend daarvoor dat dit 'n beduidende invloed het op die vlak van geraas wat gemaak word. Dit is bekend dat die oorwegings vir waaiergeraas, op die neem van ongeweegde en A-geweegde klankdruklesings berus, met waaiers wat dikwels ontwerp word om klankdrukvlakke te beperk. Die ontleding wat van die ongeweegde en Ageweegde klankdrukvlak gemaak word, in die tydelike en frekwensie-domein alleen, is bekend daarvoor dat dit op voldoende wyse objektiewe maatstawwe vir waaiergeraas omskryf. 'n Vraag van belang is egter of die subjektiewe evaluering van geraas deur 'n persoon wat dit beoordeel, ook verantwoord kan word. Die werk wat hier aangebied word, fokus daarop om te bepaal hoe haalbaar dit is om die verband tussen die parameters van waaierlemme en die subjektiewe respons van beoordelaars te karteer, deur middel van psigo-akoestiese analise as tussenstap te gebruik om voorspellings te maak oor die irritasievlak wat 'n waaier se geraas na verwagting sal veroorsaak. Vir die ondersoek is drie parameters van 'n waaierlem geselekteer: naamlik die koord, die hoek en die swiep van die lem, wat geïdentifiseer is as elemente wat 'n aansienlike invloed het op die geraas wat waaierlemme maak. Vyftien prototipiese modelle, met verskillende lemparameters, is geskep om die effek te ondersoek wat lemparameters het op die subjektiewe evaluering van geraasuitset, soos waargeneem deur die beoordelaars. Die prototipiese modelle is geskep deur 3D-skandering en die herskepping van 'n kommersiële waaier as verwysing deur sy lemparameters, deur middel van sogenaamde mesh morphing-tegnieke te verander. Tweeledige beoordelaarsevalueringstoetse is gebruik om data te versamel oor die werklik waargenome ergernis weens waaiergeraas: naamlik, 'n gedwonge paargewys-vergelykende toets en 'n bipolere semantiese differensiaaltoets. Die beoordelaarstoetse is gebruik om 'n rangorde vir die prototipiese modelle te bepaal, deur 'n relatiewe maatstaf van waargenome voorkeur te gee, asook 'n beskrywing van die geraas, soos deur die beoordelaars ervaar. Statistiese ontledingsmetodes is daarna gebruik om 'n eenvoudige, goed gede niëerde regressiemodel op die data toe te pas, en die model is gebruik om meer te wete te kom oor die wisselwerking tussen lemparameters, psigo-akoestiese maatstawwe en die subjektiewe reaksie van beoordelaars. Die sensitiwiteit vir modelle is bepaal en 'n model, wat met behulp van lemparameters, voorspellings oor beoordelaarsvoorkeur kon maak, is geselekteer en geoptimaliseer vir 'n stel lemparameters wat na verwagting die beste prestasie sou gee. 'n Finale model met lemparameters wat uit die optimalisering voortgespruit het, is 3D gedruk en as 'n valideringstel gebruik om die model te evalueer. In die finale, gedwonge paargewys-vergelykende toets, waarin 20 beoordelaars gevra is om aan die toets deel te neem, is die optimeerde model derde geplaas. Die werk wat hier aangebied word, het die verband bepaal tussen lemparameters, psigoakoestiese maatstawwe en data, wat uit subjektiewe beoordelaarstoetse verkry is, om te bepaal hoe haalbaar dit is om beoordelaarsvoorkeur op grond van die parameters van 'n waaierlem alleenlik, te bepaal.
AFRIKAANSE OPSOMMING: Die geraas wat 'n rekenaar se waaier genereer, is 'n faktor wat ongemak in die werkplek kan veroorsaak. En hoe harder die waaier werk, hoe groter is die ongewenste geraasvlakke dikwels ook. Aërodinamiese geraas, wat deur waaierlemme veroorsaak word, is geïdentifiseer as 'n belangrike faktor wat grootliks bydra tot die geraas wat 'n waaier vrystel. Die waaierparameters wat in die ontwerp van waaierlemme gebruik word, is bekend daarvoor dat dit 'n beduidende invloed het op die vlak van geraas wat gemaak word. Dit is bekend dat die oorwegings vir waaiergeraas, op die neem van ongeweegde en A-geweegde klankdruklesings berus, met waaiers wat dikwels ontwerp word om klankdrukvlakke te beperk. Die ontleding wat van die ongeweegde en Ageweegde klankdrukvlak gemaak word, in die tydelike en frekwensie-domein alleen, is bekend daarvoor dat dit op voldoende wyse objektiewe maatstawwe vir waaiergeraas omskryf. 'n Vraag van belang is egter of die subjektiewe evaluering van geraas deur 'n persoon wat dit beoordeel, ook verantwoord kan word. Die werk wat hier aangebied word, fokus daarop om te bepaal hoe haalbaar dit is om die verband tussen die parameters van waaierlemme en die subjektiewe respons van beoordelaars te karteer, deur middel van psigo-akoestiese analise as tussenstap te gebruik om voorspellings te maak oor die irritasievlak wat 'n waaier se geraas na verwagting sal veroorsaak. Vir die ondersoek is drie parameters van 'n waaierlem geselekteer: naamlik die koord, die hoek en die swiep van die lem, wat geïdentifiseer is as elemente wat 'n aansienlike invloed het op die geraas wat waaierlemme maak. Vyftien prototipiese modelle, met verskillende lemparameters, is geskep om die effek te ondersoek wat lemparameters het op die subjektiewe evaluering van geraasuitset, soos waargeneem deur die beoordelaars. Die prototipiese modelle is geskep deur 3D-skandering en die herskepping van 'n kommersiële waaier as verwysing deur sy lemparameters, deur middel van sogenaamde mesh morphing-tegnieke te verander. Tweeledige beoordelaarsevalueringstoetse is gebruik om data te versamel oor die werklik waargenome ergernis weens waaiergeraas: naamlik, 'n gedwonge paargewys-vergelykende toets en 'n bipolere semantiese differensiaaltoets. Die beoordelaarstoetse is gebruik om 'n rangorde vir die prototipiese modelle te bepaal, deur 'n relatiewe maatstaf van waargenome voorkeur te gee, asook 'n beskrywing van die geraas, soos deur die beoordelaars ervaar. Statistiese ontledingsmetodes is daarna gebruik om 'n eenvoudige, goed gede niëerde regressiemodel op die data toe te pas, en die model is gebruik om meer te wete te kom oor die wisselwerking tussen lemparameters, psigo-akoestiese maatstawwe en die subjektiewe reaksie van beoordelaars. Die sensitiwiteit vir modelle is bepaal en 'n model, wat met behulp van lemparameters, voorspellings oor beoordelaarsvoorkeur kon maak, is geselekteer en geoptimaliseer vir 'n stel lemparameters wat na verwagting die beste prestasie sou gee. 'n Finale model met lemparameters wat uit die optimalisering voortgespruit het, is 3D gedruk en as 'n valideringstel gebruik om die model te evalueer. In die finale, gedwonge paargewys-vergelykende toets, waarin 20 beoordelaars gevra is om aan die toets deel te neem, is die optimeerde model derde geplaas. Die werk wat hier aangebied word, het die verband bepaal tussen lemparameters, psigoakoestiese maatstawwe en data, wat uit subjektiewe beoordelaarstoetse verkry is, om te bepaal hoe haalbaar dit is om beoordelaarsvoorkeur op grond van die parameters van 'n waaierlem alleenlik, te bepaal.
Description
Thesis (MEng)--Stellenbosch University, 2020.
Keywords
Fans (Machinery) -- Noise, Psychoacoustics, 3D Geometry morphing, Acoustics, Blades -- Specifications, Blades -- Noise, Sound pressure -- Evaluation, Morphing (Computer animation), UCTD