DE10131823A1

DE10131823A1 - Field device for measuring acoustic impedance, especially for measuring the acoustic impedance of the vocal tract, has an acoustic excitation system and pressure and sound speed sensors

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

Device for measuring the acoustic impedance in which in a small space an acoustic system is excited and a simultaneous measurement of pressure and sound speed made.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Damit eine Impedanzmessung außerhalb des Labors anwendbar ist, muss sowohl eine entsprechende Vorrichtung klein als auch die erzielte Messgenauigkeit ausreichend hoch sein. So that an impedance measurement can be used outside the laboratory, both corresponding device is small and the measurement accuracy achieved is sufficiently high.

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. The measurement of the acoustic impedance is usually carried out by a two-channel measurement the sound pressure at two points in a Kundt tube, the usable Frequency range by choosing the tube diameter upwards and through the Microphone distance is limited down. In addition, with measuring objects coarse surface structure only an average of the impedance can be determined. Alternatively, a setup with a quick source and only one microphone can be used find, provided frequency and amplitude constancy of the stimulating speed become. However, the method has the disadvantage that the consistency of the fast Objects with strong resonances with high measurement dynamics is not possible.

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. The object of the invention is to improve the acoustic as precisely as possible To provide impedance measurement. In particular, a simple and accurate measurement of the Impedance of the vocal tract on the mouth are made possible.

Das Problem wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The problem is solved by a device with the features of claim 1.

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. What is new about the invention is the use of the microflown sensor as a fast sensor and the special arrangement of the sensors at the end of a tube with exponentially decreasing Cross-section. Furthermore, the novel excitation of the measurement object with predistorted Sweeps as well as the subsequent signal processing with fenestration are exceptional good signal-to-noise ratio for sure. Another special feature is the compact Design of the device, which allows the measuring head with amplifier to be carried around the neck.

general description

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Embodiments of the invention are shown in the drawings and are in following described in more detail.

Es zeigen Show it

Fig. 1 eine schematische Skizze des Messaufbaus; und Fig. 1 shows a schematic sketch of the measurement setup; and

Fig. 2 eine maßstabsgetreue Aufsicht des Gerätes; und Figure 2 is a scale view of the device. and

Fig. 3 eine maßstabsgetreue Skizze des Messkopfes; und Fig. 3 is an isometric sketch of the measuring head; and

Fig. 4 den Signalfluss bei der Messung eines Kanals. Fig. 4 shows the signal flow when measuring a channel.

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. The developed device is used to measure the complex acoustic impedance at any point in space up to a frequency of 5 kHz. It consists of an encapsulated loudspeaker 1 , a tube 2 with an exponentially decreasing radius, which is filled with cotton wool, a miniature microphone 3 attached to the tube outlet, a miniature quick sensor 4 , a housing 5 with an electronic circuit for amplifying and supplying the pressure and High-speed converter, a commercially available PC with duplex sound card and a program for generating the excitation signal and for evaluating the measured signals.

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. A schematic diagram, not to scale, of the measurement setup for a measurement of the vocal tract impedance is given in FIG. 1. A similar arrangement can be used for measuring nasal tract impedance.

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. In FIG. 2, the measuring device is shown to scale. The loudspeaker 1 can be moved on the housing 5 in order to ensure an optimal distance between the measurement object and the opening of the tube.

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. A sketch of the measuring head is given in Fig. 3. Inside the tube opening you can see the fast sensor, which is attached to a narrow strip of circuit boards. The measuring head is attached to the loudspeaker with a screw thread.

Description of the components arrangement

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. A special feature of this method is the simultaneous measurement of both for the Impedance determination necessary sound field sizes in a small space by the new Use of the microflown fast sensor is possible. Other impedance measurement methods require a frequency and amplitude constant (volume) rapid source [1] and just need a microphone. In this invention, by measuring simultaneously Quick and printing this requirement is no longer necessary. This will set up significantly simplified, since the tube can be shorter than described in [1] and not a high one acoustic resistance required as in [1]. In addition, through direct determination the impedance from both sound field sizes reduces measurement errors, since the resonance of the Variations occurring in the frequency response of the rapid compensated can be.

Die Zuleitung der Signale von und zu dem PC sowie die Stromversorgung geschieht über Kabel, die an dem Gehäuse der Verstärkereinheit 5 angebracht werden. The supply of the signals from and to the PC as well as the power supply takes place via cables which are attached to the housing of the amplifier unit 5 .

Fast 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. The fast sensor 4 , a microflown [2], is suitable due to its small design, to be used for miniaturized measuring arrangements for determining the sound speed, the length of the sensor is only 1 mm. The usable frequency range extends up to approx. 5 kHz and is therefore sufficient for measuring the formants during articulation. As an alternative to the microflown, a hot wire fast sensor could also be used. The disadvantage of a hot wire sensor is the temperature dependence of the measured fast signal. The function of the microflown is based on a heat transfer from a heated wire to a wire that is only a few µm apart and is therefore insensitive to a global temperature change that occurs when measuring the impedance of a vocal tract.

signal processing

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. Another special feature is the use of sine sweeps for acoustic excitation, whose temporal amplitude and frequency curve on the one hand and their processing after recording on the other hand can be optimized depending on the measurement setup [3]. The signal flow of the measurement of a channel (pressure or rapid) is shown in FIG. 4.

preprocessing

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. The excitation signal is preprocessed so that it is only in the frequency range to be evaluated Introduces energy into the system to be measured (band limitation). Furthermore, by Adjusting the time or amplitude characteristics of the sweep distributes the energy in this way that shortcomings can be compensated for by the measurement setup are caused, such as. B. Losses in the frequency response of the speaker [3]. Thereby a good signal-to-noise ratio can be achieved, which also includes measurements under acoustically adverse circumstances allowed, such. B. with simultaneous phonation of one examined Vocal tract.

postprocessing

Die Messung der Impedanz kann entweder absolut (d. h. mit kalibrierten Sensoren) oder relativ zur Freifeldimpedanz vorgenommen werden. Impedance measurement can be either absolute (i.e. with calibrated sensors) or relative to the free field impedance.

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. In the first case, the sensitivity of the sensors must be taken into account when amplifying the received signals. The signal chain shown in FIG. 4 is run through once for each sensor.

Im zweiten (in der Praxis oft ausreichenden) Fall wird die Signalkette je Sensor zweimal durchlaufen: je einmal ohne und mit Messobjekt. In the second case (which is often sufficient in practice), the signal chain per sensor is changed twice run through: once each with and without measurement object.

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.

The signals from the pressure and fast sensor are processed after receipt according to FIG. 4:

- The Fourier transform (FFT) of both measured signals gives the uncompensated spectra of pressure and speed.
- The impulse response is determined from the measured sound signals by carrying out a reference measurement without sensors prior to the actual measurement of the impedance (switch position "A"), the partial result of which is stored as a reference spectrum. This measurement is only necessary once to calibrate the measurement setup (without sensors).
- The measurement with sensors is then carried out in switch position "B" and delivers the second partial result. The division of the spectra of the two partial results gives the compensated spectrum.
- The measured spectra are multiplied by the previously measured, amplitude-inverted reference spectra.
- The inverse Fourier transformation (IFFT) gives the impulse responses of the measured system for pressure or rapid excitation.
- The windowing of the impulse responses with a Hanning window symmetrical about the respective impulse maximum removes non-linear artifacts and noise.
- The Fourier transform (FFT) of the windowed impulse responses gives the optimized spectra.

Die Division des gemessenen Spektrums durch das Spektrum einer ohne Messobjekt durchgeführten Messung ergibt die auf die Freifeldimpedanz bezogene Impedanz. The division of the measured spectrum by the spectrum of one without a measurement object performed measurement gives the impedance related to the free field impedance.

application

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. The device enables the measurement of acoustic impedance in a small space. It is both possible to determine the impedance of surfaces and the impedance z. B. from to determine coupled resonator systems. Two application examples are listed below.

Vocal tract impedance

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. One application of the device is the determination of the acoustic impedance at the mouth, i.e. H. in into the human vocal tract. Such a measurement is used to determine the Frequencies as well as the qualities and relative amplitudes of the formants for different Phonation configurations (e.g. vowels or consonants). By the described Signal processing can filter out voice signals that do not respond to the measured system belong to the excitation signal, but for the one to be examined Vocal tract configuration is necessary, such as B. the phonation of the subject during the Measurement.

wall impedance

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). Another application of the device is the in-situ determination of the complex wall impedance for building and room acoustic applications. For this, the device can be held comfortably in front of the wall to be examined due to its small design. Disturbing reflections from neighboring walls or other bodies in the room can be hidden by selecting the appropriate parameters for the window. Literature 1: J. Epps, JR Smith and Joe Wolfe: A novel instrument to measure acoustic resonances of the vocal tract during phonation. Meas. Sci. Technol. 8, pp. 1112-1121 (1997).
2: HE. 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 and P. Massarani: Transfer Function Measurement with Sweeps. J. Audio Eng. Soc. 47 (2001) (in press).

Claims

1. A device for measuring the acoustic impedance, characterized in that an acoustic system is excited in a small space and a simultaneous measurement of pressure and fast is made.

2. Device according to claim 1, characterized in that pressure sensor ( 3 ) and fast sensor ( 4 ) are attached to a small space at the end of a tube.

3. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a tube ( 2 ) is used exponentially decreasing cross-section that is filled with acoustically damping material.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that sound source ( 1 ), tube ( 2 ) and sensors ( 3 + 4 ) are attached to the amplifier unit ( 5 ) in such a way that a relative displacement and change in angle of the measuring position is possible.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a holding device ( 6 ) allows the attachment of the measuring head and amplifier ( 1-5 ) on the neck.

6. The device according to claim 1, characterized in that the sound excitation with pre-distorted sine sweeps is made.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the stimulating sine sweep in time Frequency curve is adapted to the measuring system.

8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the impulse response by dividing the measured Spectrum through the reference spectrum and subsequent inverse Fourier transform is determined.

9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the impulse responses after the recording by the Sensors are windowed.

10. Device according to one of the preceding claims, characterized by either an absolute impedance or one on the Free field impedance related impedance can be measured.

11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the impedance signal is based on a reference measurement becomes.