Koncepcja zautomatyzowanego systemu pomiarowego dla

KONCEPCJA ZAUTOMATYZOWANEGO SYSTEMU POMIAROWEGO
DLA AKUSTYKI POMIESZCZEē
BARTŁOMIEJ BORKOWSKI, RYSZARD OLSZEWSKI, MAREK PLUTA
Streszczenie
WłaĞciwoĞci akustyczne pomieszczenia mają duĪy wpływ na jego wartoĞü funkcjonalną, dlatego gdy po ukoĔczeniu pomieszczenia okazują siĊ one niezadowalające, dokonuje siĊ bardzo kosztownej i pracochłonnej korekty błĊdów popełnionych
na etapie projektu lub adaptacji. Korekta jest dokonywana w oparciu o pomiary
akustyczne w istniejącym pomieszczeniu oraz o wyniki otrzymane na podstawie modelu obliczeniowego pomieszczenia po uwzglĊdnieniu poprawek. Wykorzystuje siĊ,
zatem zarówno metodĊ eksperymentalną, jak i symulacyjną, porównując ich wyniki
i na podstawie róĪnic proponując odpowiednią adaptacjĊ. WaĪne jest, wiĊc, aby wyniki z obydwu metod uzyskane dla tego samego pomieszczenia były zgodne.
Procedury pomiarów akustycznych nie zostały dotąd zautomatyzowane. Szczególnie w Ğrednich i duĪych pomieszczeniach wymagają duĪego nakładu pracy i czasu, co wprost przekłada siĊ na wzrost kosztów realizacji pomieszczenia. Ponadto,
stosowane obecnie procedury pomiarowe, polegające na ustawianiu w wybranych
punktach statywu z mikrofonem, dają informacje jedynie o małym wycinku pola akustycznego w badanym pomieszczeniu, na których podstawie trudno jest
w wiarygodny sposób weryfikowaü wyniki modeli obliczeniowych.
DuĪą wartoĞü zarówno praktyczną jak i naukową wniosłoby opracowanie zautomatyzowanego systemu do badania akustyki pomieszczeĔ w całej ich objĊtoĞci.
Projektowany jest system, który ma umoĪliwiü pomiar wybranych parametrów
na dowolnie zadanej trójwymiarowej siatce punktów pomiarowych w całej objĊtoĞci
pomieszczenia. Na podstawie wyników pomiarów szeregu róĪnorodnych pomieszczeĔ
dokonana zostanie weryfikacja stosowanych w akustyce metod symulacyjnych,
co przyczyni siĊ do lepszego poznania zjawisk akustycznych oraz do rozwoju zarówno metod pomiarowych, jak i symulacyjnych w akustyce pomieszczeĔ. Metody eksperymentalne wzbogacą siĊ o nowe narzĊdzie pozwalające na wygodny i dokładny pomiar akustyki duĪych i Ğrednich pomieszczeĔ, natomiast pozytywnie zweryfikowane
narzĊdzia i metody symulacyjne zyskają wiĊkszą wiarygodnoĞü.
Słowa kluczowe: monitoring, akustyka, pomiary, adaptacja
34
Bartłomiej Borkowski, Ryszard Olszewski, Marek Pluta
Koncepcja zautomatyzowanego systemu pomiarowego dla akustyki pomieszczeĔ
1. Wprowadzenie
Właciwoci akustyczne pomieszczenia maj duy wpływ na jego warto funkcjonaln [1,2],
dlatego gdy po ukoczeniu pomieszczenia okazuj si one niezadowalajce, dokonuje si bardzo
kosztownej i pracochłonnej korekty błdów popełnionych na etapie projektu lub adaptacji.
Ma to szczególne znaczenie w przypadku pomieszcze o wikszych gabarytach, takich jak audytoria, hale sportowe, kocioły, czy sale koncertowe. Korekta jest dokonywana w oparciu o pomiary
akustyczne w istniejcym pomieszczeniu oraz o wyniki otrzymane na podstawie modelu obliczeniowego pomieszczenia po uwzgldnieniu poprawek. Wykorzystuje si, zatem zarówno metod
eksperymentaln, jak i symulacyjn, porównujc ich wyniki i na podstawie rónic proponujc odpowiedni adaptacj. Wane jest, wic, aby wyniki z obydwu metod uzyskane dla tego samego
pomieszczenia były zgodne.
W akustyce pomieszcze wyrónia si trzy postacie pola akustycznego, które determinuj wybór metody modelowania. S to:
• pole akustyczne w pomieszczeniu falowo małym,
• pole akustyczne w pomieszczeniu falowo duym o uporzdkowanej strukturze frontów fal,
• pole akustyczne w pomieszczeniu falowo duym o nieuporzdkowanej strukturze frontów fal.
Dla modelowania wymienionych typów pomieszcze stosuje si odpowiednio nastpujce metody [4], [5], [6]:
• metod falow, metod elementów skoczonych i metod elementów brzegowych,
• metody geometryczne (promieniow, ródeł pozornych, metod stoków),
• metod statystyczn.
Pomiary parametrów akustycznych pomieszcze dokonywane s przede wszystkim [3], [6], [7],[8]:
• metod pomiaru odpowiedzi impulsowej, z wymuszeniem sygnałem MLS (ang. Maximum
Length Sequence), sygnałem sine-sweep (fal sinusoidaln przestrajan przez zadany zakres
czstotliwoci), szumem, albo rzeczywistym impulsem (np. wystrzałem),
• metod pomiaru rozkładu pola akustycznego przy wymuszeniu sygnałem cigłym.
W przypadku obydwu metod pomiary s dokonywane w ograniczonej i ustalonej arbitralnie
liczbie punktów pomiarowych. Procedury pomiarów akustycznych dotd nie zostały zautomatyzowane, dlatego szczególnie w rednich i duych pomieszczeniach wymagaj duego nakładu pracy
i czasu. W stosowanych obecnie procedurach pomiarowych w wybranych punktach pomieszczenia
umieszcza si statyw z mikrofonem. Liczba takich punktów jest ograniczona koniecznoci przenoszenia statywu. Zastosowanie w tym celu np. pojazdu jest zwykle niemoliwe ze wzgldu
na typowe wyposaenie takich pomieszcze w fotele dla widzów lub słuchaczy. Ponadto, wszystkie
punkty znajduj si w przyblieniu na tej samej wysokoci wzgldem podłogi. W ten sposób zebrane wyniki daj informacje jedynie o małym wycinku pola akustycznego w badanym pomieszczeniu, wic na ich podstawie trudno jest w wiarygodny sposób weryfikowa wyniki modeli obliczeniowych. Du warto zarówno praktyczn jak i naukow wniosłoby opracowanie zautomatyzowanego systemu do badania akustyki pomieszcze w całej ich objtoci. Projektowany jest system, który ma umoliwi pomiar wybranych parametrów w dowolnie zdefiniowanym zbiorze punktów pomiarowych w całej objtoci pomieszczenia. Na podstawie wyników pomiarów szeregu rónorodnych pomieszcze dokonana zostanie weryfikacja stosowanych w akustyce metod symula-
35
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 45, 2011
cyjnych, co przyczyni si do lepszego poznania zjawisk akustycznych oraz do rozwoju zarówno
metod pomiarowych, jak i symulacyjnych w akustyce pomieszcze.
2. ZałoĪenia systemu
Pole akustyczne w pomieszczeniu mona opisa albo na podstawie bada eksperymentalnych,
albo w oparciu o szereg istniejcych metod obliczeniowych, stosowanych na etapie projektowania
budynków, gdy badane pomieszczenie jeszcze nie istnieje. Metody obliczeniowe maj róny zakres stosowalnoci, a wyniki otrzymywane za ich pomoc s zwykle obarczone duym błdem,
poniewa w obliczeniach jedynie przybliany, a niekiedy nawet pomijany jest szereg geometrycznych i materiałowych właciwoci pomieszczenia.
Metody eksperymentalne, np. oparte o pomiar odpowiedzi impulsowej, s z kolei bardzo pracochłonne, szczególnie w wikszych pomieszczeniach, wymagaj, bowiem przemieszczania aparatury pomiarowej – mikrofonu na statywie – w kolejne punkty pomiarowe. Z tego wzgldu badania
takie ogranicza si zwykle do kilku lub kilkunastu punktów znajdujcych si na wysokoci głów
słuchaczy, a ich wyniki obejmuj jedynie mały wycinek pola akustycznego w całym pomieszczeniu. O ile w czci zastosowa praktycznych jest to wystarczajce, o tyle weryfikacja metod numerycznych na podstawie tak niepełnych danych – zebranych w zasadzie wyłcznie w dwóch wymiarach, na jednej wysokoci – wydaje si mało wiarygodna.
Nasuwa si, wic pytanie, czy w dobie mocno rozwinitej techniki nie da si stworzy automatycznego systemu do pomiarów akustycznych w pomieszczeniach tak, aby moliwe było wykonanie pomiarów na dowolnej siatce punktów pomiarowych w trzech wymiarach przestrzennych? Narzdzie takie z jednej strony umoliwiłoby szczegółow weryfikacj modeli obliczeniowych,
a z drugiej znaczco ułatwiłoby pomiary w pomieszczeniach o duych gabarytach oraz w takich,
których wyposaenie wewntrzne (np. siedzenia widowni) utrudniaj przenoszenie aparatury pomiarowej. Podstawowym zastosowaniem projektowanego systemu bdzie automatyzacja bada
akustyki pomieszcze w trzech wymiarach przestrzennych oraz wykorzystanie tak otrzymanych
wyników do dowiadczalnej weryfikacji:
• wiarygodnoci modeli obliczeniowych stosowanych w akustyce pomieszcze,
• poprawnoci powszechnie stosowanych przyblie.
36
Bartłomiej Borkowski, Ryszard Olszewski, Marek Pluta
Koncepcja zautomatyzowanego systemu pomiarowego dla akustyki pomieszczeĔ
3. Koncepcja i elementy systemu
3.1. Elementy systemu
Projektowany system bdzie automatyzował zarówno sam cykl pomiarowy w pojedynczym
punkcie pomiarowym, jak i przemieszczanie aparatury pomidzy punktami pomiarowymi.
Dla osignicia tego celu konieczne jest wydzielenie dwóch czci: stacjonarnej i mobilnej (rys. 1).
Cz stacjonarna, poza elementami stosowanymi w pomiarach akustyki pomieszcze, obejmie take elementy odpowiedzialne za sterowanie. W jej skład wejd wic:
• ródło wszechkierunkowe,
• wzmacniacz mocy,
• interfejs audio,
• komputer przenony o podwyszonej odpornoci na warunki zewntrzne wraz z dedykowanym oprogramowaniem,
• cz stacjonarna radiowego lub wizyjnego systemu pozycjonowania,
• cz stacjonarna systemu transmisji danych,
• układy autonomicznego zasilania.
Rysunek 1. Ogólny schemat działania systemu
ródło: Opracowanie własne.
W jednej z rozwaanych koncepcji, jako podstawa czci mobilnej przewidywany był pojazd
z teleskopowym masztem, jednak jego poruszanie si po podłodze np. sali koncertowej, wyposaonej w fotele, czy dostanie si na balkony w operze, byłoby niemoliwe. Cze mobilna musi
mie moliwo swobodnego przemieszczania si w przestrzeni, dlatego planowane jest wykorzystanie sterowca. Układy odpowiedzialne za jego przemieszczanie i pozycjonowanie zostan zaprojektowane w taki sposób, aby na czas pojedynczego pomiaru mógł on przebywa bez ruchu w jednym punkcie przestrzeni. Na czas pomiaru układ wznoszenia i sterowania moe zosta wyłczany
37
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 45, 2011
w celu ograniczenia liczby niepodanych ródeł dwiku. Cz mobilna obejmie wic:
• sterowiec sterowany zdalnie, drog radiow,
• moduł pomiarowy (bezprzewodowy mikrofon, przedwzmacniacz, przetwornik A/C),
• cz mobiln radiowego lub wizyjnego systemu pozycjonowania,
• cz mobiln systemu transmisji danych,
• akumulatory.
W zalenoci od udwigu, typowy sterowiec wypełniony helem, który mógłby zosta zastosowany jako baza czci mobilnej, ma objto:
• od l,l m3 (przy udwigu 150g),
• do 3,3 m3, (przy udwigu 500g).
Zastosowanie elementów elektronicznych najnowszej generacji, o obnionym zapotrzebowaniu na energi elektryczn, w połczeniu z ogniwami litowo-polimerowymi, a take przeniesienie
do czci stacjonarnej wszystkich zbdnych w czci mobilnej elementów systemu powinno pozwoli na redukcj masy układów montowanych na sterowcu, a tym samym na zastosowanie sterowca o mniejszej objtoci.
Wypełniony helem sterowiec umieszczony w punkcie pomiarowym lub jego pobliu nie pozostanie bez wpływu na wynik pomiaru. Dlatego planowane s badania w komorze bezechowej i pogłosowej nad wpływem jego kształtu i objtoci a take zastosowanego materiału i wypełniajcego
go gazu na wynik pomiaru. Jeeli okae si to konieczne, w oparciu o te wyniki wyznaczona bdzie poprawka korygujca zaburzenie wprowadzane przez sterowiec do pola akustycznego.
3.2. Działanie systemu
Funkcj czci stacjonarnej systemu bdzie:
sterowanie czci mobiln (sterowcem z wyposaeniem),
generowanie sygnału wymuszajcego odpowied pomieszczenia (np. MLS, „sweep", itp.),
gromadzenie danych pomiarowych,
synchronizacja sesji pomiarowej, tj. równoczesne pozycjonowanie modułu pomiarowego
wzbudzenie ródła wszechkierunkowego i wysłanie sygnału rozpoczcia rejestracja pomiaru
do czci mobilnej.
Funkcj czci mobilnej bdzie:
• przemieszczanie elementów rejestrujcych dane pomiarowe midzy wybranymi punktami
pomieszczenia,
• rejestracja danych, po otrzymaniu sygnału od czci stacjonarnej.
System bdzie pracował w oparciu o dane wprowadzane przed sesj pomiarow, obejmujce
geometri pomieszczenia i siatk pomiarow. Poza regularnymi siatkami punktów pomiarowych
moliwe bdzie wprowadzenie, jako punktów pomiarowych dowolnego zbioru punktów przestrzeni trójwymiarowej (siatek „nieregularnych”). Zastosowanie odpowiednich metod statystycznych
i właciwie dobranych zbiorów punktów pozwoli uzyska wyniki o załoonej niepewnoci przy
mniejszej liczbie punktów, skracajc procedur pomiaru. Droga sterowca bdzie automatycznie
obliczana i planowana przez cz stacjonarn z uwzgldnieniem wybranych kryteriów, takich jak:
• czas pomiaru,
• zuycie energii,
•
•
•
•
38
Bartłomiej Borkowski, Ryszard Olszewski, Marek Pluta
Koncepcja zautomatyzowanego systemu pomiarowego dla akustyki pomieszczeĔ
osignicie załoonej niepewnoci wyników.
Jednym z istotnych problemów wymagajcych rozwizania jest w omawianym systemie pozycjonowanie czci mobilnej. Metodyka okrelania połoenia urzdzenia mobilnego jest czstym
obiektem prac badawczych [9], [10], [11], [12]. Metody pozycjonowania mona podzieli na: pozycjonowanie wzgldne i bezwzgldne, jednak w rozwaanym przypadku moliwe jest zastosowanie wyłcznie metod bezwzgldnych. W metodach wzgldnych po pewnym czasie nastpuje kumulacja błdów, co prowadziłoby do duych niedokładnoci przy dłuszym pomiarze i duym pomieszczeniu, a włanie w takich warunkach system ma pracowa. Moliwe do zastosowania metody bezwzgldne to systemy pozycjonowania oparte na sieciach bezprzewodowych typu mesh, wykorzystujcych ZigBee (rys. 2), systemy wizyjne, systemy satelitarne (GPS) i pozycjonowanie
za pomoc ultradwików.
•
Rysunek 2. Rozkład czĊstotliwoĞci i kanałów uĪywanych przez ZigBee
ródło: Inynierska praca dyplomowa (autor Dawid Baran).
Najdokładniejsz, lecz zarazem najdrosz metod ustalania pozycji s systemy wizyjne,
ich dokładno waha si w granicach kilku milimetrów. W skład systemów pozycjonowania wizyjnego wchodz urzdzenia rejestrujce otoczenie (kamery), urzdzenia do przetwarzania danych,
procesory analizujce zebrane dane oraz elementy owietlajce – tzw. owietlacze. W obrazie wyszukiwane s markery (specjalnie w tym celu umieszczone w pomieszczeniu symbole, ale te np.
lampy, rys. 3), na podstawie których obliczana jest pozycja przemieszczanego obiektu (np. sterowca). Pozostałe metody s tasze lecz ich dokładno jest mniejsza i wynosi około 25cm dla sieci
bezprzewodowych, 1m dla ultradwików i powyej 4m dla GPS.
Jako alternatywa dla planowanego pierwotnie radiowego systemu pozycjonowania rozwaany
jest odmiana systemu pozycjonowania wizyjnego, w oparciu o projektor siatki i kamer stereoskopow. Rozwizanie to podniesie mas elektroniki podwieszonej na sterowcu i zwikszy złoono
oblicze koniecznych do wykonania w czasie rzeczywistym podczas przemieszczania sterowca,
ale zlikwiduje konieczno rozstawiania w pomieszczeniu elementów systemu orientacji i pozycjonowania, skracajc procedur bada. Moliwe jest tutaj zastosowanie przetestowanych rozwiza,
stosowanych obecnie w przemyle gier komputerowych – kontrolerów uywanych w konsolach
do gier siódmej generacji.
39
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 45, 2011
System bdzie zawierał cały szereg narzdzi programowych, których główn rol bdzie sterowanie procedur pomiaru, kontrola połoenia i przemieszczania czci mobilnej, a take czciowa obróbka danych. Bd to m.in.:
• aplikacja do definiowania badanej przestrzeni i siatki pomiarów,
• aplikacja do planowania drogi sterowca z optymalizacj wzgldem zadanych kryteriów,
• aplikacja do synchronizacji wszystkich elementów systemu podczas pojedynczego pomiaru,
• aplikacja kontrolujca rejestracj i transmisj danych,
• system gromadzenia i wstpnego przetwarzania danych pomiarowych.
Rysunek 3. Związek pomiĊdzy współrzĊdnymi kamery a pojedynczej lamp.
ródło: Inynierska praca dyplomowa (autor Dawid Baran).
40
Bartłomiej Borkowski, Ryszard Olszewski, Marek Pluta
Koncepcja zautomatyzowanego systemu pomiarowego dla akustyki pomieszczeĔ
4. Podsumowanie
Zalet opisywanego systemu jest moliwo prowadzenia bada z jednego miejsca przez jedn
osob i uzyskiwanie w relatywnie krótkim czasie wyników z duej liczby punktów pomiarowych
o dokładnie znanych połoeniach. Wyniki mog by zapisywane w formacie pozwalajcym na ich
łatwy import do narzdzi obliczeniowych. Same narzdzia obliczeniowe mog by czci wyposaenia systemu, podajc cz wyników ju w trakcie przeprowadzania pomiarów.
System jest zaplanowany, jako rozwizanie otwarte, bdzie wic sukcesywnie rozbudowywany
i ulepszany w oparciu o zdobyte z nim dowiadczenia. Posłuy on do bada w rónorodnych pomieszczeniach, celem zwikszania bazy wyników eksperymentalnych i tym samym umoliwienia
testowania modeli obliczeniowych w bardziej rónorodnych warunkach architektonicznych.
%LEOLRJUDILD
[1] Engel Z., Engel J., Kosała K, Sadówski J.: Podstawy akustyki obiektów sakralnych. Instytut
Technologii Eksploatacji – PIB, 2007.
[2] Beranek L.: Concert and Opera Halls. How they sound, American Institute of Physics for
Acoust. Soc. ofAm., 1996.
[3] Kuttruff H.: Room Acoustics (Fifth Edition). Spon Press, London & New York, 2009.
[4] Fahy F.: Foundation of engineering acoustics, Academic Press, San Diego 2000.
[5] Kulowski A.: Numeryczne modele pola akustycznego w pomieszczeniu, Przegld Techniki,
Radia i Telewizji, z. 62, s.47–55, 1987.
[6] Kulowski A.: Akustyka sal. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, 2007.
[7] Wróblewska D., Kulowski A.: Czynnik akustyki w architektonicznym projektowaniu kociołów. Wydawnictwo Politechniki Gdaskiej, 2007.
[8] Cremer L., Muller H. A.: Principles and application ofroom acoustics, Vol. 1, Vol. 2, Applied Science Publishers, London 1982.
[9] Boernstein J., Everett H. R., Feng L.: Wehe D., Mobile Robot Positioning – Sensors and
Techniques, Journal of Robotic Systems, Special Issue on Mobile Robots. Vol. 14 No. 4,
pp. 231 – 249.
[10] Esko O. D.: Indoor Ultrasonic Position Estimation Using a Single Base Station, Eindhoven:
Technische Universiteit Eindhoven, 2004.
[11] Hanafiah Y.: Robot Localization and Map Building, ISBN: 978-953-7619-83-1, InTech,
Marzec 2010.
[12] Kuk Ch., JinOK S., Min-Sung K., WoongHee S., Sangdeok P.: Indoor Flying Robot Control and 3D Indoor Localization System, Mat. Konferencyjne 11th WSEAS International
Conference on Automatic Control, Modeling and Simulation, Istanbul, Turcja, Maj 30–1
Czerwiec, 2009.
41
Studies & Proceedings of Polish Association for Knowledge Management
Nr 45, 2011
AN IDEA OF AUTOMATED MEASURING SYSTEM FOR ROOM ACOUSTICS
Summary
Acoustic properties of a room greatly influence its functionality and usability.
That is why, when the acoustic properties of a finished room turn out unsatisfactory,
a highly expensive and labour-intensive adjustments have to be made in order
to correct design or adaptation flaws. The correction is based on acoustic measurements of the existing room, as well as on the results obtained from the computational
model of the room in question with all proposed adjustments included. Both, the experimental, as well as the simulation methods are used, their results are compared,
and basing on this comparison the appropriate adaptation is proposed. Therefore,
it is vital for both methods to produce consistent results when applied for the same
room. Acoustic measurements procedures have not been automated yet. For this reason they tend to be very labour-intensive and time-consuming, especially in mediumsized and large rooms. It directly rises costs of the final room realisation. Moreover,
current measurement procedures, in which a stand with a microphone is positioned
in a number of selected places, provide an information concerning only a fraction
of the acoustic field in the room in question. Basing on such incomplete measurements it is difficult to reliably verify results of computational models.
An automated system for room acoustics capable of taking measurements in the
whole volume of the room would be highly valuable as a practical appliance and as
a scientific enterprise. The goal of the system is to be capable of measuring selected
parameters in a freely defined three-dimensional mesh of measurement points chosen from within the whole volume of the room. Basing on measurements taken
in a number of different rooms, current simulation methods used in room acoustics
will be verified, giving a better understanding of various acoustical phenomena, and
leading to progress in acoustical measurements as well as in acoustical simulations.
Keywords: monitoring, acoustic, measurements, adaptation
Bartłomiej Borkowski
Marek Pluta
Ryszard Olszewski
Katedra Mechaniki i Wibroakustyki
Wydział Inynierii Mechanicznej i Robotyki
Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie
al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków
e-mail: [email protected]
[email protected]
[email protected]