article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
2(98)/2014
Krzysztof Bogdziński1, Marcin Jasiński2, Jędrzej Mączak3, Krzysztof Szczurowski4
PROJEKT NISKO-KOSZTOWEJ MACIERZY MIKROFONÓW
POMIAROWYCH
1. Wstęp
Macierze mikrofonowe są niezwykle przydatnym i wygodnym narzędziem w
procesach tworzenia i modyfikacji produktów pod kątem redukcji poziomu
emitowanego hałasu. Mnogość dostępnych rozwiązań i algorytmów pomiarowych,
takich jak Near field Acoustic Holography [1, 2] lub Beamforming, [3] pozwalają na
wykorzystanie w pomiarach wszelakich urządzeń (od maszyn biurowych, poprzez
pojazdy osobowe i ciężarowe, do turbin wiatrowych) oraz dowolnym środowisku
(komory bezechowe, tunele aerodynamiczne, wolna przestrzeń).
W artykule przedstawiono koncepcję macierzy mikrofonów pomiarowych wraz z
oprogramowaniem przeznaczonej do rejestracji i wizualizacji pomiarów ciśnienia
akustycznego dla celów lokalizacji źródeł dźwięku. Głównym przeznaczeniem macierzy
jest proces nauczania.
2. Stanowisko pomiarowe
Zaproponowane stanowisko pomiarowe opracowano w oparciu o system
modułowych profili aluminiowych MB firmy Item Polska Sp. z o.o.
Stanowisko składa się z dwóch głównych elementów – podstawy i ramy
mikrofonowej (Rys. 1). Sposób montażu ramy mikrofonowej do podstawy pozwala na
regulację kąta jej pochylenia względem podstawy oraz zmianę położenia punktu obrotu
ramy poprzez zmianę punktu mocowania kątownika regulowanego wzdłuż kolumny
podstawy jak i ramy (Rys. 2a). Dzięki temu możliwe jest ustawienie ramy zarówno w
pionie jak i w poziomie, ponad badanym obiektem.
Rama mikrofonowa charakteryzuje się wewnętrznymi wymiarami 1,5 m x 1,5 m, co
daje szerokie możliwości aranżacji mikrofonów. Mikrofony, mocowane są na wcisk w
gniazdach aluminiowych kostek znajdujących się na prętach za pośrednictwem pianki
wygłuszającej. Zmiana położenia mikrofonów w kierunku poziomym odbywa się
poprzez przesunięcie prętów wzdłuż prowadnic ramy, w kierunku pionowym natomiast
poprzez indywidualne przesuwanie mocowań mikrofonów wzdłuż prętów. Ten sposób
mocowania mikrofonów pozwala na zmianę ich liczby, rozstawu oraz sposobu ułożenia,
co z kolei umożliwia kształtowanie układu macierzy w zależności od potrzeb, np. w
układzie prostokątnym lub kołowym (Rys. 3).
inż. Krzysztof Bogdziński, student, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska
dr inż. Marcin Jasiński, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
3
dr inż. Jędrzej Mączak, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
4
dr inż. Krzysztof Szczurowski, adiunkt, Instytut Pojazdów, Politechnika Warszawska
1
2
27
Rys. 1. Widok ogólny stanowiska
Rys. 2. Zakres regulacji stanowiska
28
Rys. 3. Przykładowe możliwości ustawienia mikrofonów:
a) układ prostokątny (25 mikrofonów), b) układ kołowy (13 mikrofonów)
Podstawa wyposażona jest w skrętne kółka z możliwością blokowania. Maksymalna
wysokość montażu ramy to 1,5 m. W przypadku ustawienia ramy w pozycji bliskiej
niestateczności konstrukcji, np. przy maksymalnej wysokości montażu i poziomym
ustawieniem ramy z maksymalnym przesunięciem w przód, zalecane jest użycie
wsporników dla ochrony regulowanych kątowników, mocujących ramę do podstawy,
przed przeciążeniem. Zalecany jest także montaż przeciwwagi adekwatnej do masy
zainstalowanego oprzyrządowania (Rys. 2b).
Założeniami przyjętymi podczas opracowywania stanowiska były: możliwość
ustawienia macierzy równolegle do bocznych krawędzi badanego obiektu oraz nad nim,
duża powierzchnia pomiarowa i minimalne ograniczenia możliwości montażu
dowolnych czujników. Zaproponowana konstrukcja spełnia te założenia umożliwiając
pomiary np. nad komorą silnika pojazdu. Możliwa jest także dowolna aranżacja
dowolnej liczby mikrofonów, co nie jest spotykane w rozwiązaniach komercyjnych.
Dzięki temu możliwe jest przystosowanie stanowiska do badań z wykorzystaniem
algorytmu NAH, wymagającego ustawienia mikrofonów w prostokątną siatkę [1], lub
Beamformingu, gdzie bardziej optymalne są kołowe i spiralne układy mikrofonów [3].
Możliwość montażu dowolnego osprzętu pozwala na ograniczenie kosztów budowy
macierzy przy wykorzystaniu bazy już posiadanych mikrofonów i kart pomiarowych
oraz powoduje, że stanowisko ma uniwersalny charakter i może być wykorzystane także
w projektach nie związanych z pomiarami dźwięku.
Domyślnie w skład osprzętu macierzy wchodzą:
• 25 mikrofonów Bruel&Kjaer Type 4958 o średnicy 1/4”,
• urządzenie pomiarowe National Instrument cDAQ 9178 wyposażone w moduły
9234
• komputer klasy PC z zainstalowanym oprogramowaniem LabVIEW.
3. Oprogramowanie
Oprogramowanie macierzy, pracujące na komputerze klasy PC, zostało napisane w
środowisku LabVIEW. Aplikacja wykorzystuje architekturę wielowątkową, co zapewnia
przejrzystość programu, umożliwia nadawanie priorytetów poszczególnym wątkom oraz
upraszcza modyfikację procedur w nich zawartych.
29
3.1 Architektura programu
Program składa się z czterech wątków działających równolegle i spełniających
następujące funkcje:
• Akwizycja - obsługa kart pomiarowych umieszczonych w korpusie
CompactDAQ: tworzenie zadania pomiarowego, rejestrację sygnałów oraz
przesłanie ich za pomocą kolejki do wątku Analizy, zapis i odczyt plików
pomiarowych
• Analiza - przetworzenie danych otrzymanych z Akwizycji za pomocą funkcji z
biblioteki Sound&Vibration [4]: nałożenie wybranej krzywej korekcji (A, B, C
lub bez korekcji), obliczenie poziomu dźwięku w decybelach oraz
przeprowadzenie analizy tercjowej. Otrzymane wyniki przekazywane są do
wątku Panel w celu wyświetlenia.
• Panel - obsługa panelu czołowego programu: interakcja z użytkownikiem,
prezentacja wyników, tworzenie raportów.
• Dispatcher - nadzór nad działaniem programu i przekazywanie komunikatów
pomiędzy poszczególnymi wątkami.
Przepływ danych w programie obrazuje diagram (Rys. 4).
Rys. 4. Diagram przepływu danych
Dispatcher jest wątkiem odpowiedzialnym za wymianę informacji między
pozostałymi wątkami, np. przekazanie informacji o rozpoczęciu lub zatrzymaniu
pomiaru przez użytkownika, uruchomienie odpowiednich procedur w przypadku
wystąpienia błędu, itp. Wymiana informacji następuje poprzez funkcje zawarte w
bibliotece Asynchronous Message Communication (w skrócie AMC) [5]. Zastosowanie
30
AMC umożliwia łatwe przystosowanie programu do zdalnej kontroli za pośrednictwem
sieci komputerowej.
3.2 Interfejs użytkownika
Program w czasie rzeczywistym przedstawia wartości zarejestrowanych poziomów
dźwięku w postaci kolorowej, półprzezroczystej mapy intensywności naniesionej na
obraz badanego obiektu (Rys. 5, ①). Wskazanie źródła dźwięku następuje poprzez
wizualizację różnic między najwyższym a najniższym zarejestrowanym poziomem
dźwięku. Obszary charakteryzujące się wysokim poziomem przedstawiane są w
kolorach czerwonym i żółtym, natomiast obszary niskiego poziomu, w kolorach
zielonym i ciemnoniebieskim. Dodatkowo wartości poziomów w poszczególnych
mikrofonach użyte do wygenerowania mapy przedstawione są tabelarycznie ②.
Rys. 5. Widok czołowego interfejsu użytkownika programu
Użytkownik steruje wyświetlanym obrazem za pomocą narzędzi umieszczonych z
lewej strony ekranu. Sekcja Ustawienia obrazu ③umożliwia zmianę dolnego i górnego
zakresu wyświetlanych poziomów. Możliwy jest także automatyczny dobór zakresu
poprzez wciśnięcie przycisku AUTO zakres. Pokrętło Balans obrazu zmienia stopień
przezroczystości mapy intensywności. Sekcja Ustawienia zakresu częstotliwości ④
pozwala na wybór jednego z trzech trybów doboru analizowanych częstotliwości. Total
wyświetla całkowite poziomy dźwięku dla pełnego zakresu częstotliwości (20 Hz 20 kHz), Total z zakresu pozwala na wybór pasma analizowanych częstotliwości, Tercja
umożliwia podgląd poziomów dźwięku w pojedynczej tercji.
W dolnej części panelu głównego znajduje się wykres widma tercjowego ⑤,
przydatny przy analizie charakteru dźwięku emitowanego przez badany obiekt jak i
doborze właściwych ustawień zakresu częstotliwości. Możliwe jest wyświetlenie
przebiegu uśrednionego widma tercjowego ze wszystkich kanałów (Su) jak i każdego
kanału z osobna (0, 1, itd.). Wybór wyświetlanych widm następuje poprzez zaznaczenie
odpowiednich pól u dołu okna wykresu.
W prawej części panelu znajdują się tabele z podglądem wartości poziomów w
poszczególnych tercjach widma uśrednionego, poziomów w poszczególnych tercjach dla
31
konkretnego kanału oraz wartości poziomów we wszystkich kanałach dla danej tercji.
Wartości przedstawiane w tych tabelach są niezależne od ustawień zakresu poziomów i
częstotliwości ⑥.
W dolnym prawym rogu panelu czołowego znajduje się zestaw przycisków oraz
tekstowe okno informacyjne ⑦. Przyciski Start i Stop odpowiadają odpowiednio za
rozpoczęcie i zatrzymanie pomiaru. Przycisk Koniec wyłącza program.
Przycisk Ustawienia wywołuje okno ustawień, w którym możliwa jest zmiana
parametrów toru pomiarowego, m. in. czułości każdego z mikrofonów macierzy,
częstotliwości próbkowania i liczby próbek w bloku danych, zastosowanej krzywej
korekcji, stałej uśredniania i katalogu zapisu plików pomiarowych. Ponadto możliwy
jest wybór między pomiarem ciągłym i czasowym. Dostępne są także opcje zapisu i
wczytania pliku ustawień oraz wczytania i edycji obrazu używanego jako tło
wizualizacji.
Program oferuje możliwość zapisu rejestrowanych danych do pliku (po wciśnięciu
przycisku Zapis do pliku) oraz odczytu plików pomiarowych (przycisk Wczytaj pomiar z
pliku). Przewidziano także możliwość szybkiego tworzenia raportów poprzez wciśnięcie
przycisku RAPORT ⑧. Są one generowane są za pomocą funkcji z biblioteki Raport
Generation na podstawie aktualnych wartości kontrolek programu. Raportem może być,
w zależności od potrzeb, obraz panelu głównego lub plik MS Word zawierający wartości
ze wszystkich kontrolek programu. Pliki raportów zapisywane są w katalogu zapisu
zdefiniowanym w menu Ustawienia.
4. Zastosowanie
Przedstawiony program wykorzystuje zarejestrowane przez mikrofony wartości
poziomu ciśnienia akustycznego do utworzenia interpolowanej mapy intensywności na
obrazie badanego obiektu. Metoda ta może być użyta tylko w pomiarach na bliskie
odległości i charakteryzuje się dość niską dokładnością w porównaniu do metod
zaawansowanych, np. algorytmu Near field Acoustic Holography.
Opracowane stanowisko i oprogramowanie stanowiły podstawę do przeprowadzenia
ćwiczenia laboratoryjnego Pomiar hałasu silnika za pomocą macierzy mikrofonów w
ramach przedmiotu Akustyka Pojazdów na kierunku Mechatronika Pojazdów Wydziału
SiMR PW [6].
Oprogramowanie może stanowić bazę do dalszego rozwoju poprzez zastosowanie
zaawansowanych algorytmów lokalizacji dźwięku, takich jak Near field Acoustic
Holography lub Beamforming. Ponadto, po niewielkich modyfikacjach, program może
zostać wykorzystany do pomiarów z wyświetlaniem wyników w środowisku
trójwymiarowym, poprzez naniesienie odczytu z czujników na model 3D. Umożliwiłoby
to trójwymiarową lokalizację źródeł dźwięku (np. za pomocą mikronów tworzących
sferę wokół badanego obiektu) lub prezentację przyspieszeń drgań obiektu badanego za
pomocą wielu akcelerometrów jednocześnie. Dodatkowo, program może zostać
rozbudowany o funkcję autokalibracji mikrofonów, co znacznie przyspieszy proces
przygotowania macierzy do pomiarów, oraz możliwość podłączenia i kalibracji kamery
internetowej, dzięki czemu macierz będzie mogła zostać wykorzystana do badań
obiektów w wielu płaszczyznach bez konieczności przygotowywania zestawu zdjęć
obiektu lub w badaniach na obiektach dynamicznych [7].
Zaproponowana konstrukcja stanowiska umożliwia jego wykorzystanie również w
przedsięwzięciach niezwiązanych z pomiarami akustycznymi, np. w wieloczujnikowych
pomiarach pola magnetycznego.
32
Bibliografia:
[1]
Hald J., STSF - a unique technique for scan-based Near-field Acoustic
Holography without restrictions on coherence, Brüel & Kjær Technical Review,
1989, nr 1
[2]
LMS, Acoustic Holography,
{Dostęp - grudzień 2013: http://www.lmsintl.com/acoustic-holography },
[3]
Christensen J.J., Hald J., Beamforming, Brüel & Kjær Technical Review, 2004,
nr 1,
[4]
National Instruments, LabVIEW Sound and Vibration Toolkit User Manual,
{Dostęp - grudzień 2013: http://www.ni.com/pdf/manuals/322194c.pdf }
[5]
Asynchronous Message Communication (AMC) Library, 27 września 2013,
{Dostęp - grudzień 2013: http://www.ni.com/example/31091/en/}
[6]
Bogdziński K., Jasiński M., Laboratorium - Akustyka pojazdów. Pomiar hałasu
silnika za pomocą macierzy mikrofonów, Politechnika Warszawska 2013
[7]
K. Bogdziński, Macierz mikrofonów pomiarowych, praca inżynierska na
wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych, Warszawa 2014
Streszczenie
W ramach pracy opracowano i zrealizowano w praktyce koncepcję stanowiska
macierzy mikrofonów charakteryzującą się dużymi możliwościami konfiguracyjnymi
zarówno w zakresie pozycjonowania jak i doboru osprzętu. W tym celu zaprojektowano
ramę umożliwiającą mocowanie mikrofonów w różnych konfiguracjach pomiarowych
oraz stworzono program do obsługi tego stanowiska. Opracowany program pozwala na
lokalizację źródeł dźwięku na podstawie porównania wartości poziomów dźwięku
zarejestrowanych przez mikrofony pomiarowe z możliwością zmiany zakresu badanych
częstotliwości. Oprogramowanie zostało napisane w środowisku LabVIEW i
wykorzystuje platformę National Instruments cDAQ do akwizycji danych.
Słowa kluczowe: macierz mikrofonów, lokalizacja źródeł dźwięku, holografia
akustyczna
CONCEPT OF LOW-COST MICROPHONE ARRAY MEASUREMENT
STATION
Abstract
During the course of project a concept of microphone array measurement station
was designed and created. The microphone array is characterised by wide configuration
possibilities for microphone placement and hardware. To achieve this, a frame allowing
various microphone mounting points was designed and control software was written.
The developed software allows sound source localisation by comparing sound pressure
levels registered by the microphones in desired frequency range. The software was
written in LabVIEW and utilizes National Instruments cDAQ platform for data
acquisition.
Keywords: microphone array, sound source localisation, acoustic holography
33