PL236718B1 - Sonda natężeniowa wraz z układem korekcji - Google Patents

Abstract

Sonda natężeniowa z układem korekcji składająca się z trzech par mikrofonów, umieszczonych na płytkach drukowanych tworzących sześcian charakteryzuje się tym, że właściwa sonda natężeniowa (1), jest połączona za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego (2), z płytką (3) (DSP), której pierwszym blokiem jest blok wybierania trybu pracy, którego jedno z wyjść jest połączone z układem programowalnych środków filtracji (PSF), którego wejściem jest blok korekcji amplitudy (4), połączony z układem pamięci (5) oraz układem dodatkowego wzmocnienia (6), blok (6) połączony jest z blokiem wyznaczania sumarycznego ciśnienia akustycznego (7), blokiem parametrów dodatkowych (13) oraz blokiem wyznaczania składowych prędkości akustycznej (8), wyjścia bloków (7 i 8) są połączone z blokiem korekcji fazy (9), który połączony jest z układem pamięci (10), wyjście bloku korekcji fazy (9) stanowi jednocześnie wyjście układu (PSF) i jest połączone z blokiem wyznaczania natężenia dźwięku (11), który połączony jest z blokiem pamięci podręcznej (12), blokiem parametrów dodatkowych (13) oraz blokiem wyznaczania kąta azymutu i elewacji (14) oraz blokiem formowania wyniku końcowego (15). Przedmiotem wynalazku jest również sonda natężeniowa z układem kalibracji oraz sposób kalibracji tej sondy.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sonda natężeniowa wraz z układem korekcji.

Natężenie dźwięku jest miarą przepływu energii akustycznej w polu akustycznym. Natężenie dźwięku /jest wielkością wektorową określoną jako uśredniony w czasie przepływ energii akustycznej przez jednostkową powierzchnię w kierunku prostopadłym do tej powierzchni. Natężenie dźwięku w pewnym kierunku to iloczyn ciśnienia akustycznego p(t) i składowej wektora prędkości akustycznej w tym kierunku u(t). Jednostką natężenia dźwięku jest Wat na metr kwadratowy (W/m²).

Znane systemy do pomiarów natężenia dźwięku, z wyjątkiem sond natężeniowych firmy Microflown typu p-u (ciśnienie - prędkość akustyczna), oparte są na zasadzie „dwóch mikrofonów” (ciśnienie - ciśnienie lub „p-p”), która polega na jednoczesnym pomiarze ciśnienia akustycznego w dwóch punktach przestrzeni. Zasada pomiaru natężenia dźwięku metodą p-p polega na wyznaczeniu składników natężenia dźwięku przez pomiar ciśnienia akustycznego w dwóch punktach przestrzeni. Składnik skalamy p(t) jest wyznaczany jako wartość średnia ciśnienia akustycznego (p1+p2)/2, a wartość wektorowa, którą jest prędkość akustyczna, jest wyznaczana jako różnica ciśnienia akustycznego p1-p2. System ten znany jest również z normy IEC 1043, dotyczącej przyrządów do pomiaru natężenia dźwięku, opublikowanej w 1993 r..

Uśredniona czasowo wartość natężenia dźwięku / w jednym kierunku jest określona wzorem 1 /=yp(i)iW' (1) τ

gdzie p(t) jest ciśnieniem akustycznym (wartością skalarną) a u(t) jest składową prędkości akustycznej (wielkością wektorową) w zadanym kierunku, T jest czasem całkowania. Zasada pomiaru dla sondy typu p-p (ciśnienie - ciśnienie) wykorzystuje dwa mikrofony dokonujące pomiaru ciśnienia akustycznego w różnych punktach przestrzeni. Odległość między mikrofonami może wynosić od 6 do 20 [mm]. Czynnik wektorowy - prędkość akustyczna cząstek ośrodka - uzyskiwana jest za pomocą wzoru Eulera, (2):

<²>

gdzie p1 i p2 to sygnały ciśnienia akustycznego rejestrowane za pomocą dwóch mikrofonów, Ar jest odległością rozdzielania mikrofonu, pjest gęstością ośrodka, a rjest zmienną czasową tj. częstością próbkowania wartości ciśnienia akustycznego. Granice całkowania określają przedział czasu, dla którego wyznaczana jest wartość natężenia dźwięku jako sumy iloczynów ciśnienia akustycznego i prędkości akustycznej. Ciśnienie akustyczne w punkcie wyznaczonym przez środek odcinka łączącego dwa mikrofony jest szacowane jako średnia wartość ciśnień zmierzonych przez oba mikrofony. Prędkość akustyczna jest wyznaczana na podstawie wektorowej różnicy ciśnienia akustycznego dla poszczególnych mikrofonów.

Z opisu patentowego CN 201707126 znana jest sonda natężeniowa wykonana z czterech mikrofonów zorientowanych w układzie czworościennym. Sygnały z czterech mikrofonów wykorzystywane są do wyznaczenia składowych wektora natężenia dźwięku w układzie kartezjańskim. Sonda ta jest stosowana w systemie monitorowania hałasu środowiskowego do określania kierunku dobiegania hałasu.

Z opisu patentowego WO2006118047 znany jest system mikrofonów składający się z 6 mikrofonów, tworzących 3 pary mikrofonów umieszczonych naprzeciwko siebie. Dodatkowo, osie mikrofonów tworzących daną parę przecinają się pod kątem prostym. Pomiędzy mikrofonami stosowana jest przekładka.

Znana jest trójwymiarowa sonda GRASS typu p-p składająca się z sześciu mikrofonów oraz zestawu przekładek, które umieszcza się pomiędzy parami mikrofonów. W sondzie zastosowano analogowe mikrofony pomiarowe podłączone do odpowiadających im przedwzmacniaczy. Uchwyt sondy natężeniowej posiada wejścia dla 3 par przedwzmacniaczy oraz umieszczone na jej podstawie, 24-pinowe gniazdo wyjściowe LEMO pozwalające na podłączenie sondy do odpowiedniego modułu zasilającego. Sonda posiada także wyjście do połączenia z portem RS232 w celu kontroli procesu akwizycji danych poprzez komputer. Sonda przeznaczona jest do wektorowego pomiaru natężenia dźwięku, mapowania pola akustycznego, lokacji źródeł akustycznych oraz do badań bliskiego pola. Sonda GRASS nie posiada układu korekcji fazy. Na etapie produkcji dokonuje się pomiaru charakterystyk amplitudowej i fa

PL 236 718 B1 zowej dla każdego mikrofonu niezależnie. Następnie dobiera się mikrofony w pary, które mają najbardziej zgodne charakterystyki fazowe. W ten sposób otrzymuje się pary mikrofonów „sparowanych fazowo”.

Sonda natężeniowa z układem korekcji składająca się z trzech par mikrofonów, umieszczonych na płytkach drukowanych tworzących sześcian charakteryzuje się według wynalazku tym, że właściwa sonda natężeniowa jest połączona za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego, korzystnie interfejsu Inter-IC Sound, z płytką DSP z procesorem sygnałowym. Pierwszym blokiem płytki DSP jest blok wybierania trybu pracy, którego jedno z wyjść jest połączone z układem programowalnych środków filtracji, którego wejściem jest blok korekcji amplitudy. Blok korekcji amplitudy połączony jest z pierwszym układem pamięci oraz układem dodatkowego wzmocnienia. Układ dodatkowego wzmocnienia połączony jest z blokiem wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego, blokiem parametrów dodatkowych oraz blokiem wyznaczania składowych prędkości akustycznej. Jednocześnie wyjście bloku wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego oraz wyjście bloku wyznaczania składowych prędkości akustycznych połączone są z blokiem korekcji fazy, który połączony jest z drugim układem pamięci. Wyjście bloku korekcji fazy stanowi jednocześnie wyjście układu programowalnych środków filtracji i jest połączone z blokiem wyznaczania natężenia dźwięku. Blok wyznaczania natężenia dźwięku połączony jest z pierwszym blokiem pamięci podręcznej, blokiem parametrów dodatkowych oraz blokiem wyznaczania kąta azymutu i elewacji oraz blokiem formowania wyniku końcowego. Natomiast wyjście bloku wyznaczania kąta azymutu i elewacji jest połączone dodatkowo z blokiem formowania wyniku końcowego, wyjście którego jest połączone z blokiem pamięci nieulotnej, który dostępny jest na płytce DSP z procesorem sygnałowym, korzystnie karcie pamięci typu flash oraz z blokiem obsługującym drugi interfejs komunikacyjny (16), korzystnie Universal Serial Bus w wersji co najmniej 2.0 High Speed, który stanowi wyjście płytki DSP, przez które dołączona jest do urządzenia komputerowego. Drugie wyjście układu wybierania trybu pracy jest połączone bezpośrednio z drugim blokiem pamięci podręcznej, który połączony jest z drugim interfejsem komunikacyjnym. We współpracującym urządzeniu komputerowym zaimplementowane są aplikacje programowe do ustawienia bloku trybu pracy, wpisywania danych do pierwszego bloku pamięci oraz drugiego bloku pamięci i bloku parametrów dodatkowych oraz odczytu wyników końcowych z bloku formowania wyniku końcowego, a także odczytu danych z bloku pamięci podręcznej oraz odczytu danych z bloku pamięci nieulotnej.

Wykorzystanie wynalazku pozwala na uzyskanie poprawnych wyników wyznaczenia składowych wektora natężenia dźwięku, także w przypadku zastosowania mikrofonów o różnych charakterystykach amplitudowych i fazowych.

Wynalazek objaśniony jest bliżej w przykładzie wykonania i na rysunku na którym fig. 1 przedstawia układ mikrofonów w natężeniowej sondzie akustycznej, fig. 2 budowa układu sondy natężeniowej wraz z układem korekcji amplitudy i fazy.

P r z y k ł a d

Na fig. 1 pokazano przestrzenny rozkład poszczególnych mikrofonów MEMS, tworzących sondę natężeniową do wyznaczania rozkładu wektora natężenia dźwięku w trójwymiarowym, prostokątnym układzie współrzędnych.

Mikrofony są pogrupowane w pary. Wybrane dwa mikrofony ułożone są na danej osi układu współrzędnych kartezjańskich. Wyróżniono następujące pary mikrofonów.

Para 1: tworzą ją mikrofony: m1 i m2, oznaczone dalej jako: x1, x2 (znak x odnosi się do osiOX).

Para 2: tworzą ją mikrofony: m3 i m4, oznaczone dalej jako: y1, y2 (znak y odnosi się do osiOY).

Para 3: tworzą ją mikrofony: m5 i m6, oznaczone dalej jako: z1, z2 (znak z odnosi się do osiOZ).

Wszystkie osie: OX, OY, OZ, są do siebie wzajemnie prostopadłe.

Sygnały z właściwej sondy natężeniowej 1, składającej się z sześciu mikrofonów MEMS, umieszczonych na płytkach drukowanych tworzących sześcian, przy czym jeden mikrofon umieszczony jest w centralnej części pojedynczej płytki za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego 2, umożliwiającego przewodowe połączenie mikrofonów MEMS z płytką DSP zawierającą procesor sygnałowy 3 i inne elementy układu, oraz elektryczne przesłanie danych. Interfejs komunikacyjny 2 Inter-IC Sound umożliwia również synchronizację czasową danych akustycznych odczytywanych z właściwej sondy natężeniowej 1, które podawane są do płytki DSP z procesorem sygnałowym 3. Sygnały pochodzące z właściwej sondy natężeniowej przesłane przez interfejs komunikacyjny 2, do płytki DSP są podawane na blok zawierający programowalne środki filtracji PSF, początkowo na blok trybu pracy T. Możliwe są dwa tryby

PL 236 718 B1 pracy: tryb korekcji, który jest normalnym trybem pracy, warunkiem jego włączenia jest posiadanie właściwych odpowiedzi impulsowych filtrów korygujących, ustalanych w trakcie procesu kalibracji, a następnie zapisanych w pierwszym układzie pamięci 5 i drugim układzie pamięci 10.

W trybie korekcji sygnały akustyczne są podawane na blok korekcji amplitudy 4. Dane niezbędne do przeprowadzenia korekcji amplitudy są ustalane w drodze kalibracji i są zapisywane w pierwszym układzie pamięci 5 składającym się z sześciu tablic zawierających odpowiedzi impulsowe sześciu filtrów, każdy filtr jest przypisany do odpowiadającego mu mikrofonu, a proces korekcji polega na dokonaniu splotu pomiędzy sygnałem dla danego mikrofonu a odpowiedzią impulsową odpowiadającego filtru, zbór skorygowanych sygnałów wygląda następująco:

ka_pm1 = splot(pm1,prt_wsp_c_m1), ka_pm2 = splot(pm2,prt_wsp_c_m2), ka_pm3 = splot(pm3,prt_wsp_c_m3), ka_pm4 = splot(pm4,prt_wsp_c_m4), ka_pm5 = splot(pm5,prt_wsp_c_m5), ka_pm6 = splot(pm6,prt_wsp_c_m6), gdzie: pm1 to sygnał ciśnienia akustycznego odczytany z mikrofonu m1, pm2 to sygnał ciśnienia akustycznego odczytany z mikrofonu m2, itd., odpowiedzi impulsowe: prt_wsp_c_m1, ... prt_wsp_c_m6 ustalane są w procesie kalibracji, splot - operacja splotu realizowana jedną ze znanych metod, funkcja przyjmuje dwa argumenty - sygnały które są ze sobą splatane, w podanym przykładzie jest to sygnał pochodzący z mikrofonu i odpowiadająca temu mikrofonowi odpowiedź impulsowa funkcji korygującej.

Wyjście bloku korekcji amplitudy 4 jest połączone z wejściem układu dodatkowego wzmocnienia 6, który umożliwia kompensację poziomu sygnału po wyjściu z układu korekcji amplitudy 4. Wartość wzmocnienia jest stała dla wszystkich skorygowanych sygnałów i jest odczytywana z bloku parametrów dodatkowych 13. Celem układu dodatkowego wzmocnienia 6 jest wykorzystanie pełnej dynamiki przetwarzania i optymalizacja obliczeń na procesorach stałoprzecinkowych. Proces wzmocnienia jest realizowany przez przemnożenie skorygowanego amplitudowo sygnału ciśnienia akustycznego danego mikrofonu przez zadaną wartość wzmocnienia, która jest odczytana z bloku parametrów dodatkowych 13 oznaczona jako skaler:

wka_pm1 = ka_pm1*skaler, wka_pm2 = ka_pm2*skaler, wka_pm3 = ka_pm3* skaler, wka_pm4 = ka_pm4*skaler, wka_pm5 = ka_pm5*skaler, wka_pm6 = ka_pm6*skaler.

Wyjście bloku dodatkowego wzmocnienia 6 jest połączone z blokiem wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego 7, w którym wyznaczenie średniego ciśnienia akustycznego jest realizowane przez wyznaczenie średniej wartości ciśnienia akustycznego na podstawie sześciu wartości ciśnienia akustycznego pochodzących z poszczególnych mikrofonów tworzących właściwą sondę natężeniową 1. Następnie wyznaczany jest sygnał średniego ciśnienia akustycznego dla całej sondy, jako średnia wartość ciśnień dla poszczególnych mikrofonów:

p_sr = (wka_pm1 + ....+ wka_pm6)/6)

Blok wyznaczania składowych prędkości akustycznej 8, w którym prędkość akustyczna jest wyznaczana w obrębie danej pary mikrofonów, jako różnica ciśnienia akustycznego pomiędzy sygnałami ciśnienia akustycznego odczytanego przez poszczególne mikrofony tworzącą daną parę mikrofonów: aux = wka_pm1 - wka_pm2, auy = wka_pm3 - wka_pm4, auz = wka_pm5 - wka_pm6).

Wyjścia bloku wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego 7 i bloku wyznaczania składowych prędkości akustycznej 8 są podawane na blok korekcji fazy 9 jako drugi etap korekcji. Dane do korekcji fazy są ustalane w drodze kalibracji i są zapisywane w drugim układzie pamięci 10, jako trzy tablice

PL 236 718 B1 zawierające odpowiedzi impulsowe filtrów korygujących fazę sygnałów prędkości akustycznej, odpowiednio dla składowej ux, uy, uz, względem sygnału średniego ciśnienia akustycznego, korekcji fazy dokonuje się w dziedzinie czasu dokonując splotu danego sygnału prędkości akustycznej z odpowiedzią impulsową odpowiadającego jej filtru korygującego fazę. Sygnał średniego ciśnienia akustycznego opóźnia się względem sygnałów prędkości akustycznej o liczbę próbek: wprt_wsp_cf_p_sr = rząd_filtru_korygującego fazę 2+1, zbiór skorygowanych sygnałów wygląda następująco:

op_p_sr = opoznienie(p_sr, wprt_wsp_cf_p_sr), sk_aux = splot(aux, wprt_wsp_cf_aux), sk_auy = splot(auy, wprt_wsp_cf_auy), sk_auz = splot(auz, wprt_wsp_cf_auz), gdzie: wprt_wsp_cf_aux, wprt_wsp_cf_auy, wprt_wsp_cf_auz - odpowiedzi impulsowe filtrów korygujących fazę ustalane są w procesie kalibracji, opoznienie - układ realizujący czynność opóźniania sygnału o zadaną wartość czasu jedną ze znanych metod.

Wyjście bloku korekcji fazy 9 jest połączone z blokiem wyznaczania składników natężenia dźwięku 11. Składniki wektora natężenia dźwięku wyznaczane są, w dziedzinie czasu w oparciu o blok podręczna pamięć 12, w którym przechowywane są pomocnicze dane umożliwiające sumowanie energii w zadanym przedziale czasu.

Wyznaczanie składników natężenia dźwięku polega na wyznaczeniu sumy iloczynów średniego ciśnienia akustycznego i prędkości akustycznej dla danego kierunku, sumowanie odbywa się w zadanym przedziale czasu N, proces ten przedstawia się jako:

lx = suma(op_p_sr*sk_aux)/N,

Iy = suma(op_p_sr*sk_auy)/N,

Iz = suma(op_p_sr*sk_auz)/N).

Wyznaczanie składników natężenia dźwięku jest realizowane również przez odczyt w bloku parametrów dodatkowych 13 parametrów takich jak: zakres częstotliwości przetwarzania, przedział czasu sumowania N, nakładkowanie sąsiednich ramek przetwarzania. Blok parametrów dodatkowych 13 jest połączony z blokiem wyznaczania składników natężenia dźwięku 11 i z blokiem dodatkowego wzmocnienia 6. Na wyjściu bloku wyznaczania składników natężenia dźwięku 11 otrzymywane są składniki wektora natężenia dźwięku Ix, Iy, Iz, które przekazywane są do bloku wyznaczania kąta azymutu i elewacji 14, umożliwiającego wyznaczenie wartości kąta azymutu i elewacji za pomocą znanych przekształceń współrzędnych w układzie kartezjańskim do współrzędnych wyrażonych w układzie sferycznym, wskazujących pozycję źródła dźwięku względem pozycji właściwej sondy natężeniowej 1. Wartości wyznaczone w bloku wyznaczania składników natężenia dźwięku 11 oraz bloku wyznaczania kąta azymutu i elewacji 14 są dodatkowo przechowywane w bloku formowania wyniku końcowego 15, który przechowuje informacje o: składnikach natężenia dźwięku, wartości kąta azymutu i elewacji oraz informację o punkcie czasu, dla którego wyznaczono powyższe wartości. Dane zawierające wynik końcowy w bloku formowania wyniku końcowego 15 są następnie przesyłane za pomocą drugiego interfejsu komunikacyjnego 16 uniwersalnej magistrali szeregowej USB w wersji co najmniej 2.0 High Speed, do urządzenia komputerowego 17. Dane zawierające wynik końcowy mogą być również zapisane w bloku pamięci nieulotnej 23, dostępnej na płytce DSP z procesorem sygnałowym 3 w karcie pamięci typu flash.

Urządzenie komputerowe 17 stanowi również źródło zasilania elektrycznego za pomocą napięcia stałego dla płytki DSP procesora sygnałowego 3. Na urządzeniu komputerowym 17 jest uruchomiana aplikacja programowa 18, która umożliwia w bloku formowania wyniku końcowego 15 odczyt wyników za pośrednictwem drugiego interfejsu 16 i zapis ich do pierwszego bloku pamięci nieulotnej 19 oraz zaprezentowanie wyniku za pomocą monitora ekranowego 20. Aplikacja programowa 18 umożliwia również ustalenie trybu pracy płytki DSP, wpisanie współczynników filtrów do pierwszego bloku pamięci 5 i drugiego bloku pamięci 10 oraz ustalenie parametrów dodatkowych, zapisanych w bloku pamięci 13. Możliwe jest również dalsze przesłanie wyników analizy za pomocą trzeciego interfejsu komunikacyjnego 21 w postaci interfejsu sieciowego Ethernet, lub w sposób bezprzewodowy, przez sieć WiFi, bluetooth lub sieć GSM do odbiorcy odległego 22.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Sonda natężeniowa z układem korekcji składająca się z trzech par mikrofonów, umieszczonych na płytkach drukowanych tworzących sześcian, znamienna tym, że właściwa sonda natężeniowa (1), jest połączona za pośrednictwem interfejsu komunikacyjnego (2), z płytką (DSP) zawierającą procesor sygnałowy (3), której pierwszym blokiem jest blok wybierania trybu pracy (T), którego jedno z wyjść jest połączone z układem programowalnych środków filtracji (PSF), którego wejściem jest blok korekcji amplitudy (4), który połączony jest z pierwszym układem pamięci (5) oraz układem dodatkowego wzmocnienia (6), który połączony jest z blokiem wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego (7), blokiem pamięci parametrów dodatkowych (13) oraz blokiem wyznaczania składowych prędkości akustycznej (8), przy czym wyjście bloku wyznaczania średniego ciśnienia akustycznego (7) oraz wyjście bloku wyznaczania składowych prędkości akustycznych (8) połączone są z blokiem korekcji fazy (9), który połączony jest z drugim układem pamięci (10), przy czym wyjście bloku korekcji fazy (9) stanowi jednocześnie wyjście układu programowalnych środków filtracji (PSF) i jest połączone z blokiem wyznaczania natężenia dźwięku (11), który połączony jest z pierwszym blokiem pamięci podręcznej (12), blokiem pamięci parametrów dodatkowych (13) oraz blokiem wyznaczania kąta azymutu i elewacji (14) oraz blokiem formowania wyniku końcowego (15), natomiast wyjście bloku wyznaczania kąta azymutu i elewacji (14) jest połączone dodatkowo z blokiem formowania wyniku końcowego (15), wyjście którego jest połączone z blokiem pamięci nieulotnej (23), który dostępny jest na płytce (DSP), oraz z blokiem obsługującym drugi interfejs komunikacyjny (16), który stanowi wyjście płytki (DSP), przez które dołączona jest do urządzenia komputerowego (17), zaś drugie wyjście układu wybierania trybu pracy (T) jest połączone bezpośrednio z drugim blokiem pamięci podręcznej (24), który połączony jest z drugim interfejsem komunikacyjnym (16), zaś w urządzeniu komputerowym (17) zaimplementowane są aplikacje programowe (18) do ustawienia bloku trybu pracy (T), wpisywania danych do pierwszego bloku pamięci (5) oraz drugiego bloku pamięci (10) i bloku pamięci parametrów dodatkowych (13) oraz bloku formowania wyniku końcowego (15), a także odczytu danych z bloku pamięci podręcznej (24) oraz odczytu danych z bloku pamięci nieulotnej (23).