ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 2(98)/2014 Krzysztof Bogdziński 1, Marcin Jasiński 2, Jędrzej Mączak 3, Krzysztof Szczurowski 4 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). 1 inż. Krzysztof Bogdziński, student, Wydział SiMR, Politechnika Warszawska 2 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 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