CZ2014123A3

CZ2014123A3 - Přenosné zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti v terénu

Info

Publication number: CZ2014123A3
Application number: CZ2014-123A
Authority: CZ
Inventors: Jan Holub
Original assignee: České Vysoké Učení Technické V Praze Univerzitní Centrum Energeticky Efektivních Budov
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2014-02-27
Publication date: 2015-05-27
Also published as: EP2913644A3; CZ305173B6; EP2913644A2

Abstract

Přenosné zařízení je tvořeno standardním smartphonem (1) opatřeným displejem (1.8) s procesorem (1.7) displeje a sestávajícím z procesorové jednotky (1.1) propojené se zvukovým rozhraním (1.2), jehož výstup je přes koncový zesilovač (1.3) propojen s reproduktorem (1.4) a jehož vstup je propojen přes mikrofonní předzesilovač (1.5) s výstupem mikrofonu (1.6). Smartphone (1) je doplněn řídící jednotkou (2) tvořenou generátorem (2.1) pseudonáhodného signálu a generátorem (2.2) sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi propojenými s blokem (2.3) časování měřicího procesu, který je obousměrně propojen s procesorovou jednotkou (1.1). Výstup procesorové jednotky (1.1) je přes blok (2.4) distribuce časových záznamů propojen jednak s blokem (2.5) výpočtu vzdálenosti mikrofonu od překážky a celkové odrazivosti překážky, a jednak s blokem (2.6) časového zarovnání záznamů. První výstup bloku (2.5) orientačního výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky je přes blok (2.6) časového zarovnání záznamů a přes blok (2.8) výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence propojen s prvním vstupem procesoru (1.7) displeje (1.8). Na druhý vstup procesoru (1.7) displeje (1.8) je připojen druhý výstup bloku (2.5) výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky.

Description

Předkládané řešení se týká přenosného zařízení umožňujícího měřit koeficient akustické odrazivosti od různých povrchů v terénu, a to zejména ve stavebnictví.

Stávající stav techniky

V současné době je měření odrazivosti povrchu prováděno v souladu s platnými standardy několika způsoby. Tato měření lze je rozdělit do tří skupin.

První skupinou jsou měření prováděná v laboratoři na zvláštním upraveném vzorku měřeného materiálu, vsunutého do tzv. Kundtovy trubice. Tato měření upravují následující standardy:

ASTM Standard C384-04, 2003, Standard Test Method for Impedance and Absorption of Acoustical Materials by the Impedance Tube Method, ASTM International, 2003, DOI : 10.1520/C0384-04R11.

ASTM Standard E1050, 2012, Standard Test Method for Impedance and Absorption of Acoustical Materials Using a Tube, Two Microphones, and a Digital Frequency Analysis Systém, ASTM International, York, PA USA, 2012, DOI: 10.1520/E1050-12.

ISO 10534, Determination of sound absorption coefficient and impedance in impedance tubes, International Organisation for Standardization, Čase postale 56, CH-1211 Genéve 20, (1998).

Druhou skupinu tvoří laboratorní měření prováděná v bezodrazové či odrazové měřicí komoře, což upravuje norma ASTM Standard C423, 2009a, Standard Test Method for Sound Absorption and Sound Absorption Coefficients by the Reverberation Room Method, ASTM International, York, PA USA, 2009, DOI: 10.1520/C0423-09A

Třetí skupinu tvoří provozní měření, prováděná pomocí měřicí aparatury v terénu, například dle ISO 13472-1, Acoustics - Measurement of sound absorption properties of road surfaces in šitu - Part 1: Extended surface method, 2002, CS: 17.140.30; 93.080.20, TC/SC: ISO/TC 43/SC 1. Toto měření vyžaduje měřicí reproduktor - takzvaný talkbox, a nahrávací zařízení, tedy audiorekordér s měřicím mikrofonem. Talkbox je krabice osazená reproduktory a napájená výkonovým zesilovačem, který zesiluje měřicí signál, generovaný např. z CD přehrávače. Nahrávací zařízení je např. zvuková karta v přenosném PC nebo dedikovaný audiorekordér, tedy záznamník. Nahrané signály se potom zpracovávají pomocí vhodného SW, kdy se porovnává vypočtená energie dopadající a odražené vlny.

Nevýhodou dosud známých zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti u prvních dvou metod je, že se jedná o metody laboratorní, a tudíž nepoužitelné pro měření v terénu, například pro měření pevně osazených protihlukových bariér či zdí. Třetí jmenovaná skupina metod je navržena pro měření v terénu, avšak vyžaduje dedikované použití měřicí aparatury. Potřebná měřicí sada je jen s obtížemi přenosná, aparatura typicky vyžaduje převoz automobilem. Rovněž tak její pořizovací náklady jsou vysoké.

Podstata vynálezu

Výše uvedené nevýhody odstraňuje přenosné zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti v terénu podle předkládaného vynálezu. Jeho podstatou je, že je tvořeno standardním smartphonem s displejem a procesorem displeje a dále obsahuje procesorovou jednotku propojenou se zvukovým rozhraním s reproduktorem se zvukovým zesilovačem a s mikrofonem s mikrofonním předzesilovačem. Smartphone je doplněn řídící jednotkou. Tato řídící jednotka je tvořená generátorem pseudonáhodného signálu a generátorem sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi, například v rozsahu 125Hz-8kHz, kde tyto generátory jsou propojené s blokem časování měřicího procesu. Blok časování měřicího procesu je obousměrně propojen s procesorovou jednotkou. Její výstup je přes blok distribuce časových záznamů propojen jednak s blokem orientačního výpočtu vzdálenosti mikrofonu od překážky a celkové odrazivosti překážky, a jednak s blokem časového zarovnání záznamů. První výstup bloku výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky je přes blok časového zarovnání záznamů propojen se vstupem bloku výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence.

« * *

Výstup tohoto bloku výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence je propojen s prvním vstupem procesoru displeje. Na druhý vstup procesoru displeje je připojen druhý výstup bloku výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky.

Pokud jsou reproduktor i mikrofon součásti smartphone, pak je výstup bloku časového zarovnání záznamů propojen se vstupem bloku výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence přes blok odečteni časových záznamů.

Kromě toho, že mikrofon a reproduktor jsou součástí smartphone, je možné i provedení, kdy bude reproduktor nebo mikrofon umístěn vně smartphonu. Tato druhá možnost je však uvedená spíše jen jako možnost, neboť pro tuto realizaci by bylo nutné mikrofon speciálně vyrobit. V případě externího reproduktoru tento problém není, protože na trhu se běžně vyskytují reproduktory s kabelem pro vnější připojení ke smartphone do zdířek pro sluchátka.

Výhodou navrhovaného řešení je jeho finanční a prostorová nenáročnost a vysoká mobilita řešení. Obsluha zařízení je jednoduchá, takže měření může provádět i laik po rychlém zaškolení.

Objasnění výkresů

Přenosné zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti v terénu podle navrhovaného řešení je schematicky uvedeno na přiloženém výkrese.

Příklady uskutečnění vynálezu

Příklad provedení přenosného zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti bude dále popsán pomocí schéma na přiloženém výkrese.

Zařízení pro měření akustické odrazivosti povrchu je tvořeno tak zvaným chytrým telefonem, dále smartphone 1_, ve kterém jsou využity bloky procesorová jednotka 1.1, zvukové rozhraní 1.2 smartphone, koncový zesilovač 1.3 reproduktoru 1.4 a mikrofonní předzesilovač 1.5 pro mikrofon 1.6.

Tento standardní smartphone 1 je dále doplněn řídicí jednotkou 2. Řídicí jednotka 2 je tvořená generátorem 2.1 pseudonáhodného signálu a generátorem 2.2 sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi propojenými s blokem 2.3 časování měřicího procesu, který je obousměrně propojen s procesorovou jednotkou 11 Výstup procesorové jednotky 1.1 je přes blok 2.4 distribuce časových záznamů propojen jednak s blokem 2.5 orientačního výpočtu vzdálenosti mikrofonu od překážky a celkové odrazivosti překážky, a jednak s blokem 2.6 časového zarovnání záznamů. První výstup bloku 2.5 výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky, který je výstupem pro výpočet vzdálenosti je přes blok 2.6 časového zarovnání záznamů propojen v uvedeném příkladu se vstupem bloku 2.7 odečtení časových záznamů. Výstup bloku 2,7 odečtení časových záznamů je pak přes blok 2.8 výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence propojen s prvním vstupem procesoru 1.7 displeje 18, kde tento první vstup je vstupem předběžného výsledku. Na druhý vstup procesoru 1,7 displeje 18, který je vstupem finálního výsledku, je připojen druhý výstup bloku 2.5 výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky, který je výstupem pro zobrazení výsledku.

Uvedený příklad počítá s možností využití jak vestavěného reproduktoru 14, tak mikrofonu 16. V tomto případě je nutné využít v algoritmu metodu odečítání referenčního a odraženého signálu ve volitelném bloku 2.7 odečtení časových záznamů. Existuje ale možnost, kdy smartphone 1 je pomocí vestavěného konektoru, obvykle 3.5mm „jack“, připojen k externímu reproduktoru 1.4 a využívá vlastní vestavěný mikrofon 1.6 nebo může být připojen k externímu mikrofonu 1,6 a využívat vlastní reproduktor 1.5.

Při vlastním měření vyšle blok 2.3 časování měřicího procesu signál z generátoru 2.1 pseudonáhodného signálu, tak zvaného MLS. přes zvukové rozhraní 1.2 smartphone 1 a koncový zesilovač 1.3 do reproduktoru 14, kde je převeden na akustický signál. Jeho přímá i od měřeného rozhraní odražená verze je zachycena mikrofonem 16. Ty jsou po zesílení mikrofonním předzesilovačem 1.5 ve zvukovém rozhraní 12 smartphone 1_ převedeny na číslicový signál, který je přes procesorovou jednotku 11 a blok 2.4 distribuce časových záznamů přiveden na blok 2.5 orientačního výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti povrchu. V bloku 2.5 orientačního výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti povrchu je vypočítána autokorelační funkce časového záznamu a časová souřadnice jejího druhého * « « ♦

J. » r « * « * í t · % maxima je předána do bloku 2.6 časové zarovnání záznamů pro budoucí využití. Dále je zde vypočítán podíl velikostí druhého a prvního maxima autokorelační funkce a tato hodnota je přivedena na procesor 1,7 displeje, který ji zobrazí na displeji 18 smartphone 1 jako první, orientační, výsledek.

V druhém kroku vyšle blok 2.3 časování měřicího procesu signál z generátoru 2.2 sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi sled harmonických pulsů přes zvukové rozhraní 1.2 smartphone £ a koncový zesilovač 1.3 do reproduktoru 14, kde je převeden na akustický signál. Jeho přímá i od měřeného rozhraní odražená verze je zachycena mikrofonem 16. Obě tyto verze jsou po zesílení mikrofonním předzesilovačem 1.5 ve zvukovém rozhraní 12 smartphone £ převedeny na číslicový signál, který je přes procesorovou jednotku 1.1 a blok 2.4 distribuce časových záznamů přiveden na blok 2.6 časového zarovnání záznamu, kde jsou identifikovány počáteční resp. koncové časy jednotlivých harmonických značek s využitím předchozího orientačního měření vzdálenosti od překážky pomocí druhého maxima autokorelační funkce pseudonáhodného odraženého signálu, viz předchozí odstavec. Časové zarovnané záznamy jsou dále přivedeny do bloku 2.7 odečtení záznamů, kde může být od odraženého signálu odečten přímý signál pro zvýšení výsledné přesnosti. Tento blok je povinný v případě, že se využívá ve smartphone vestavěný reproduktor i mikrofon. Z bloku 2.7 odečtení záznamů je signál přiveden do bloku 2.8 výpočtu koeficientů odrazivosti pro jednotlivé frekvence, kde jsou tyto koeficienty vypočítány jako podíl výkonů odražených a přímo dopadajících harmonických pulsů včetně jejich nejistoty měření. Výsledné hodnoty těchto koeficientů a jejich nejistot měření jsou odeslány do procesoru 17 displeje, který zajistí jejich zobrazení, číselné případně grafické, na displeji 18 smartphone 1

Samotný měřicí proces pak v případě externího reproduktoru 14 probíhá v těchto krocích.

Smartphone £ se umístí zhruba ijm od svislého měřeného povrchu a k němu připojený reproduktor 1.4 se umístí zhruba do vzdálenosti 1.5j^n od měřeného povrchu za smartphone 1 Spuštěním měření se z reproduktoru 1.4 vyšle krátký pseudonáhodný šum, tzv. MLS - Maximum Length Sequence, o délce trvání například 4 ms a nahraje se jeho přímý a odražený záznam. Výpočtem, aplikací autokorelační funkci na nahrávku, se určí přesná vzdálenost mikrofonu 1.6 od měřeného povrchu. Z poměru výšek dvou prvních maxim autokorelační funkce se určí průměrný širokopásmový činitel odrazu. Poté se z reproduktoru 1,4 vyšle sekvence krátkých, opět například 4 ms trvajících, harmonických pulsů v měřeném iz' frekvenčním rozsahu, například 125*8000 Hz, generovaných generátorem 2.2 sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi. Výpočtem v bloku 2.8 výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence se určí poměr energií přímé a odražené vlny pro jednotlivé frekvence a tím frekvenční závislost koeficientu odrazivosti měřeného povrchu.

V případě použití externího mikrofonu 1.6 se tento mikrofon 1,6 umístí zhruba 1 m od svislého měřeného povrchu a smartphone 1_, ke kterému je tento mikrofon 1,6 připojen, se umístí zhruba do vzdálenosti 1.5 m od měřeného povrchu za mikrofon 1Ό.

Odrazům měřeného signálu od dalších povrchů, například od podlahy či od stropu, je zamezeno polohou mikrofonu 1.6 tak, aby vzdálenost těchto parazitních odrazivých ploch od mikrofonu 1.6 byla větší, než je vzdálenost od měřeného povrchu. Porovnáním změřené frekvenční závislosti koeficientu odrazivosti s tabulkovými, případně modelovými, hodnotami lze potom usuzovat na strukturu měřeného povrchu, například na tloušťku tepelné izolace na obvodové zdi.

Průmyslová využitelnost

Základní oblast aplikací spočívá ve stavební akustice při měření akustických vlastností stavebních materiálů jako jsou zdi, omítky, obklady, a izolačních materiálů, například izolačních obkladů, zábran, bariér materiálů. Odvozené aplikace jsou přehledová měření při návrhu ozvučení respektive odhlučnění místností, nepřímá hygienická měření, například měření hlukových bariér, či forenzní měření jako je například nedestruktivní analýza složení izolačních vrstev pod omítkou.

Claims

1. Přenosné zařízení pro měření koeficientu akustické odrazivosti v terénu^ vyznačující stím, že je tvořeno standardním smartphonem (1) opatřeným displejem (1.8) s procesorem (1.7) displeje a sestávajícím z procesorové jednotky (1.1) propojené se zvukovým rozhraním (1.2), jehož výstup je přes koncový zesilovač (1.3) propojen s reproduktorem (1.4) a jehož vstup je propojen přes mikrofonní předzesilovač (1.5) s výstupem mikrofonu (1.6), kde tento smartphone (1) je doplněn řídící jednotkou (2) tvořenou generátorem (2.1) pseudonáhodného signálu a generátorem (2.2) sledu harmonických pulsů s proměnnými frekvencemi propojenými s blokem (2.3) časování měřicího procesu, který je obousměrně propojen s procesorovou jednotkou (1.1) , jejíž výstup je přes blok (2.4) distribuce časových záznamů propojen jednak s blokem (2.5) výpočtu vzdálenosti mikrofonu od překážky a celkové odrazivosti překážky, a jednak s blokem (2.6) časového zarovnání záznamů, kde první výstup bloku (2.5) orientačního výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky je přes blok (2.6) časového zarovnání záznamů a přes blok (2.8) výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence propojen s prvním vstupem procesoru (1.7) displeje (1.8), na jehož druhý vstup je připojen druhý výstup bloku (2.5) výpočtu vzdálenosti od překážky a celkové odrazivosti překážky.

2. Přenosné zařízení podle nároku 1_;vyznačující se tím, že reproduktor (1.4) i mikrofon (1.6) jsou součásti smartphone a výstup bloku (2.6) časového zarovnání záznamů je propojen se vstupem bloku (2.8) výpočtu koeficientu odrazivosti pro jednotlivé frekvence přes blok (2.7) odečtení časových záznamů.

3. Přenosné zařízení podle nároku ^vyznačující se tím, že reproduktor (1.4) je umístěn vně smartphonu (1).

4. Přenosné zařízení podle nároku ^vyznačující se tím, že mikrofon (1.6) je umístěn vně smartphonu (1).