DE10131823A1

DE10131823A1 - Miniaturanordnung zur Messung der akustischen Impedanz

Info

Publication number: DE10131823A1
Application number: DE2001131823
Authority: DE
Inventors: Malte Kob
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-06-30
Filing date: 2001-06-30
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Messung der akustischen Impedanz wird üblicherweise durch eine zweikanalige Messung des Schalldrucks in zwei Punkten in einem Kundtschen Rohr bestimmt, wobei der nutzbare Frequenzbereich durch Wahl des Rohrdurchmessers nach oben und durch den Mikrofonabstand nach unten eingeschränkt wird. Außerdem kann bei Messobjekten mit grober Oberflächenstruktur nur ein Mittelwert der Impedanz bestimmt werden. Alternativ kann ein Aufbau mit einer Schnellequelle und nur einem Mikrofon Verwendung finden, wobei Frequenz- und Amplitudenkonstanz der anregenden Schnelle vorausgesetzt werden. Die Methode hat jedoch den Nachteil, dass die Konstanz der Schnelle bei Messobjekten mit starken Resonanzen bei hoher Messdynamik nicht möglich ist. Damit eine Impedanzmessung außerhalb des Labors anwendbar ist, muss sowohl eine entsprechende Vorrichtung klein als auch die erzielte Messgenauigkeit ausreichend hoch sein. DOLLAR A Um eine möglichst punktgenaue akustische Impedanzmessung zu ermöglichen, wird ein Aufbau mit einem Mikrofon und einem Schnellesensor sowie einer speziellen Anordnung der Sensoren am Ende des Rohres mit exponentiell abnehmendem Querschnitt verwendet. Die Anregung des Messobjekts mit vorverzerrtem Sweeps sowie die anschließende Signalverarbeitung mit Fensterung stellt ein außergewöhnlich gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis sicher. Eine weitere Besonderheit ist die kompakte Bauform des Gerätes, die bei Messungen der Resonanzeigenschaften des Ansatzrohres ein Tragen des Messkopfes mit ...

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Damit eine Impedanzmessung außerhalb des Labors anwendbar ist, muss sowohl eine entsprechende Vorrichtung klein als auch die erzielte Messgenauigkeit ausreichend hoch sein.

Die Messung der akustischen Impedanz wird üblicherweise durch eine zweikanalige Messung des Schalldrucks an zwei Punkten in einem Kundt'schen Rohr bestimmt, wobei der nutzbare Frequenzbereich durch Wahl des Rohrdurchmesser nach oben und durch den Mikrophonabstand nach unten eingeschränkt wird. Außerdem kann bei Messobjekten mit grober Oberflächenstruktur nur ein Mittelwert der Impedanz bestimmt werden. Alternativ kann ein Aufbau mit einer Schnellequelle und nur einem Mikrophon Verwendung finden, wobei Frequenz- und Amplitudenkonstanz der anregenden Schnelle vorausgesetzt werden. Die Methode hat jedoch den Nachteil, dass die Konstanz der Schnelle bei Messobjekten mit starken Resonanzen bei hoher Messdynamik nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist, eine Verbesserung zur möglichst punktgenauen akustischen Impedanzmessung bereitzustellen. Insbesondere soll eine einfache und genaue Messung der Impedanz des Vokaltraktes am Mund ermöglicht werden.

Das Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Neu an der Erfindung ist die Verwendung des Microflown-Sensors als Schnellesensor sowie die spezielle Anordnung der Sensoren am Ende eines Rohres mit exponentiell abnehmendem Querschnitt. Weiterhin stellt die neuartige Anregung des Messobjektes mit vorverzerrten Sweeps sowie die anschließende Signalverarbeitung mit Fensterung ein außergewöhnlich gutes Signal-zu-Rausch-Verhältnis sicher. Eine weitere Besonderheit ist die kompakte Bauform des Gerätes, die ein Tragen des Messkopfes mit Verstärker um den Hals ermöglicht.

Allgemeine Beschreibung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben.
Es zeigen
Fig. 1 eine schematische Skizze des Messaufbaus; und
Fig. 2 eine maßstabsgetreue Aufsicht des Gerätes; und
Fig. 3 eine maßstabsgetreue Skizze des Messkopfes; und
Fig. 4 den Signalfluss bei der Messung eines Kanals.
Das entwickelte Gerät dient zur Messung der komplexen akustischen Impedanz an einem beliebigen Punkt im Raum bis zu einer Frequenz von 5 kHz. Es besteht aus einem gekapselten Lautsprecher 1, einem Rohr 2 mit exponentiell abnehmendem Radius, das mit Watte gefüllt ist, einem am Rohrausgang angebrachten Miniaturmikrophon 3, einem Miniatur- Schnellesensor 4, einem Gehäuse 5 mit einer elektronischen Schaltung zur Verstärkung und Stromversorgung der Druck- und Schnellewandler, einem handelsüblichen PC mit Duplex- Soundkarte sowie einem Programm zur Erzeugung des Anregungssignals und zur Auswertung der gemessenen Signale.
Eine nicht maßstabsgetreue Prinzipskizze des Messaufbaus für eine Messung der Vokaltrakt- Impedanz ist in Fig. 1 gegeben. Eine ähnliche Anordnung kann für die Messung der Nasaltrakt-Impedanz verwendet werden.
In Fig. 2 ist die Messvorrichtung maßstabsgetreu dargestellt. Der Lautsprecher 1 kann auf dem Gehäuse 5 verschoben werden, um einen optimalen Abstand zwischen Messobjekt und Öffnung des Rohres zu gewährleisten.
Eine Skizze des Messkopfes ist in Fig. 3 gegeben. Im Inneren der Rohröffnung ist der Schnellesensor zu sehen, der auf einem schmalen Platinenstreifen angebracht ist. Der Messkopf wird mit einem Schraubgewinde an dem Lautsprecher befestigt.

Beschreibung der Komponenten

Anordnung

Eine Besonderheit dieses Verfahrens liegt in der simultanen Messung beider für die Impedanzbestimmung nötigen Schallfeldgrößen auf kleinem Raum, die durch die neuartige Verwendung des Schnellesensors Microflown möglich ist. Andere Impedanzmessverfahren setzen eine frequenz- und amplitudenkonstante (Volumen-) Schnellequelle voraus [1] und benötigen nur ein Mikrophon. Bei dieser Erfindung ist durch die gleichzeitige Messung von Schnelle und Druck diese Voraussetzung nicht mehr nötig. Hierdurch wird der Aufbau deutlich vereinfacht, da das Rohr kürzer als in [1] beschrieben sein kann und keinen hohen akustischen Widerstand benötigt wie in [1]. Außerdem werden durch die direkte Bestimmung der Impedanz aus beiden Schallfeldgrößen Messfehler verringert, da die bei Resonanzen des Messobjektes auftretenden Schwankungen im Frequenzgang der Schnelle kompensiert werden können.
Die Zuleitung der Signale von und zu dem PC sowie die Stromversorgung geschieht über Kabel, die an dem Gehäuse der Verstärkereinheit 5 angebracht werden.

Schnelle-Sensor

Der Schnellesensor 4, ein Microflown [2], ist wegen seiner kleinen Bauform geeignet, für miniaturisierte Messanordnungen zur Bestimmung der Schallschnelle eingesetzt zu werden, die Länge des Sensors beträgt nur 1 mm. Der nutzbare Frequenzbereich erstreckt sich bis ca. 5 kHz und ist somit für eine Messung der Formanten bei der Artikulation ausreichend. Alternativ zu dem Microflown könnte auch ein Hitzdraht-Schnellesensor Verwendung finden. Nachteil eines Hitzdrahtsensors ist jedoch die Temperaturabhängigkeit des gemessenen Schnellesignals. Die Funktion des Microflown beruht auf einem Wärmetransfer von einem erhitzten Draht auf einen im Abstand von nur wenigen µm benachbarten Draht und ist daher unempfindlich gegenüber einer globalen Temperaturänderung, die bei einer Messung der Impedanz eines Vokaltraktes auftritt.

Signalverarbeitung

Eine weitere Besonderheit ist die Verwendung von Sinus-Sweeps zur akustischen Anregung, deren zeitlicher Amplituden- und Frequenzverlauf einerseits und deren Verarbeitung nach der Aufnahme andererseits in Abhängigkeit vom Messaufbau optimiert werden können [3]. Der Signalfluss der Messung eines Kanals (Druck oder Schnelle) ist in Fig. 4 dargestellt.

Vorverarbeitung

Das Anregungssignal wird so vorverarbeitet, dass es nur im auszuwertenden Frequenzbereich Energie in das zu messende System einleitet (Bandbegrenzung). Weiterhin kann durch Anpassung der Zeit- oder Amplitudencharakteristik des Sweeps die Energie so verteilt werden, dass Unzulänglichkeiten ausgeglichen werden können, die durch den Messaufbau hervorgerufen werden, wie z. B. Einbrüche im Frequenzgang des Lautsprechers [3]. Dadurch lässt sich ein gutes Signal- zu Rauschverhältnis erreichen, das auch Messungen unter akustisch widrigen Umständen erlaubt, wie z. B. bei simultaner Phonation eines untersuchten Vokaltraktes.

Nachverarbeitung

Die Messung der Impedanz kann entweder absolut (d. h. mit kalibrierten Sensoren) oder relativ zur Freifeldimpedanz vorgenommen werden.
Im ersten Fall müssen die Empfindlichkeiten der Sensoren bei der Verstärkung der empfangenen Signale berücksichtigt werden. Die in Fig. 4 dargestellte Signalkette wird je Sensor einmal durchlaufen.
Im zweiten (in der Praxis oft ausreichenden) Fall wird die Signalkette je Sensor zweimal durchlaufen: je einmal ohne und mit Messobjekt.
Die Signale von Druck- und Schnellesensor werden nach dem Empfang gemäß Fig. 4 verarbeitet:

- Die Fouriertransformation (FFT) beider gemessenen Signale ergibt die unkompensierten Spektren von Druck und Schnelle.
- Die Bestimmung der Impulsantwort aus den gemessenen Schallsignalen geschieht dadurch, dass vor der eigentlichen Messung der Impedanz eine Referenzmessung ohne Sensoren durchgeführt wird (Schalterstellung "A"), deren Teilergebnis als Referenzspektrum abgespeichert wird. Diese Messung ist nur einmal zur Kalibrierung des Messaufbaus (ohne Sensoren) notwendig.
- Die Messung mit Sensoren wird nachfolgend in Schalterstellung "B" durchgeführt und liefert das zweite Teilergebnis. Die Division der Spektren der beiden Teilergebnisse ergibt das kompensierte Spektrum.
- Die gemessenen Spektren werden mit den zuvor gemessenen, amplitudeninvertierten Referenzspektren multipliziert.
- Die inverse Fouriertransformation (IFFT) ergibt die Impulsantworten des gemessenen Systems für Druck- bzw. Schnelleanregung.
- Die Fensterung der Impulsantworten mit einem um das jeweilige Impulsmaximum symmetrischen Hanning-Fenster entfernt nicht-lineare Artefakte und Rauschen.
- Die Fouriertransformation (FFT) der gefensterten Impulsantworten ergibt die optimierten Spektren.

Die Division des gemessenen Spektrums durch das Spektrum einer ohne Messobjekt durchgeführten Messung ergibt die auf die Freifeldimpedanz bezogene Impedanz.

Anwendung

Das Gerät ermöglicht die Messung der akustischen Impedanz auf kleinem Raum. Es ist sowohl möglich, die Impedanz von Oberflächen zu ermitteln als auch die Impedanz z. B. von angekoppelten Resonatorsystemen zu bestimmen. Zwei Anwendungsbeispiele sind nachfolgend aufgeführt.

Vokaltrakt-Impedanz

Eine Anwendung des Gerätes ist die Bestimmung der akustischen Impedanz am Mund, d. h. in den menschlichen Vokaltrakt hinein. Eine solche Messung dient zur Bestimmung der Frequenzen sowie der Güten und relativen Amplituden der Formanten für verschiedene Phonationskonfigurationen (z. B. Vokale oder Konsonanten). Durch die beschriebene Signalverarbeitung können Stimmsignale herausgefiltert werden, die nicht zur Antwort des gemessenen Systems auf das Anregungssignal gehören, aber für die zu untersuchende Vokaltraktkonfiguration nötig sind, wie z. B. die Phonation des Probanden während der Messung.

Wandimpedanz

Eine weitere Anwendung des Gerätes ist die in-situ-Bestimmung der komplexen Wandimpedanz für bau- und raumakustische Anwendungen. Hierzu kann das Gerät wegen der kleinen Bauform bequem vor die zu untersuchende Wand gehalten werden. Störende Reflexionen benachbarter Wände oder anderer Körper im Raum können durch entsprechende Wahl der Parameter bei der Fensterung ausgeblendet werden. Literatur 1: J. Epps, J. R. Smith und Joe Wolfe: A novel instrument to measure acoustic resonances of the vocal tract during phonation. Meas. Sci. Technol. 8, S. 1112-1121 (1997).
2: H-E. de Bree, Lammerink, Elwenspoek, Fluitman: Use of a fluid flow-measuring device as a microphone and system comprising such a microphone, Patent PCT/NL95/00220, (1995)
3: S. Müller und P. Massarani: Transfer Function Measurement with Sweeps. J. Audio Eng. Soc. 47 (2001) (im Druck).

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der akustischen Impedanz, dadurch gekennzeichnet, dass auf kleinem Raum ein akustisches System angeregt und eine simultane Messung von Druck und Schnelle gemacht wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Drucksensor (3) und Schnellesensor (4) auf kleinem Raum am Ende eines Rohres befestigt sind.

3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohr (2) exponentiell abnehmenden Querschnitts verwendet wird, dass mit akustisch dämpfenden Material gefüllt ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schallquelle (1), Rohr (2) und Sensoren (3+4) so auf der Verstärkereinheit (5) befestigt sind, dass eine relative Verschiebung und Winkeländerung der Messposition möglich ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Haltevorrichtung (6) die Anbringung von Messkopf und Verstärker (1-5) am Hals ermöglicht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallanregung mit vorverzerrten Sinus-Sweeps vorgenommen wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der anregende Sinus-Sweep im zeitlichen Frequenzverlauf an das Messsystem angepasst ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsantwort durch Division des gemessenen Spektrums durch das Referenzspektrum und anschließende inverse Fouriertransformation ermittelt wird.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsantworten nach der Aufnahme durch die Sensoren gefenstert werden.

10. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, entweder eine absolute Impedanz oder eine auf die Freifeldimpedanz bezogene Impedanz gemessen werden kann.

11. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Impedanzsignal auf eine Referenzmessung bezogen wird.