Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische...

Clemens Hummel

FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche

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DIPLOMKOLLOQUIUM CLEMENS HUMMEL

HERZLICH WILLKOMMEN

01.12.2004

Clemens Hummel


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Akustische Untersuchung verschiedener Komponenten aus dem Audio-Bereich

• SONY MiniDisc Recorder MZ-N 510

• Notebook DELL C810

• verschiedene Elektretmikrofone

Aufgabenstellung

Aufbau eines miniaturisierten Leckortungsmessstandes

• Fortsetzung der Projektarbeiten zu diesem Thema

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• ist professionelle Analysetechnik / Messhardware durch konventionelle Technik ersetzbar?

Motivation

- professionelle Technik bedeutet hier:

- Erfassungsgeräte: Messmikrofone

- konventionelle Technik bedeutet hier:

- Aufzeichnungsgeräte: MiniDisc Recorder und Soundkarte

- Erfassungsgeräte: preiswerte Elektretmikrofone

• Leckortung: fester, transportabler Demonstrationsversuch

- Analysegeräte: Soundkarte und Software

- Hardware-Analysator

- PAK - SystemAufzeichungs / Analysegeräte}

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• MiniDisc Recorder arbeitet mit Datenkomprimierung

Fragestellungen

• Qualität der fest eingebauten Laptop - Soundkarte

- Einfluss auf die Qualität der aufgezeichneten und übertragenen Signale

- Einfluss auf die Qualität der aufgezeichneten Messdaten

• Übertragungseigenschaften der eingesetzten, preiswerten Mikrofone

- Einfluss auf die Qualität der Aufzeichnung

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Software

+ anwenderfreundlich durch modulare Bedienung

• Vorwiegender Einsatz von DASYLab und MATLAB

DASYLab

- mathematische Operationen nicht immer ersichtlich

MATLAB

+ durch zeilenorientierte Programmierung transparente Operationen

- Kenntnisse in theoretischer Signalverarbeitung und Programmierung erforderlich

+ geringer Zeitaufwand für einfache Analysen und Modifikationen

+ vielfältige Visualisierungs- und Speichermöglichkeiten

Hardware-Analysatoren

+ einfache Bedienung

- kein Einfluss auf programmierte Analyseroutinen möglich

Speicherung und Auswertung mit MATLAB

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digitale Signalverarbeitung

• Computer rechnen ausschließlich mit Zahlen

- Umwandlung analoger Informationen in wertdiskrete notwendig:

- Fehlermöglichkeiten durch digitale Messdatenverarbeitung u.a.: Aliasing, Leckeffekt

- Abtasten, Fenstern

Aliasing durch Signalfrequenzen, die höher als halbe Abtastfrequenz liegen:Nyqvist-Theorem

Leckeffekt durch Sprünge im Signal bei Fensterung

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• Hier: verlustbehaftete Datenkomprimierung des ATRAC - Algorithmus

Datenkomprimierung

• Anwendung bei begrenzter Übertragungs- und Speicherkapazität

- Bild- oder Toninformation

• Unterscheidung: verlustfrei - verlustbehaftet

Verlustfrei:

Information muss vollständig wiederherstellbar seinBsp.: Text

Verlustbehaftet:

Information darf unvollständig wiederherstellbar sein, Konsument nimmt Verlust nicht / wenig wahrBsp.: Bild, Audio

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Erkenntnisse über Relevanz von akustischen Ereignissen wichtig für Komprimierungsverfahren

Psychoakustik

• Psychoakustik als Teilgebiet der Psychophysik

- Versuch der Quantifizierung von Empfindungen, hier speziell Geräuschen

Kurven gleicher Lautstärke (Robinson / Dadson, 1956) Frequenzgruppen

-Aufgetragen: Tonheit z über f Anzahl der Frequenzgruppen

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Verdeckung

- Verdeckung im Frequenzbereich:

• Signal wird von einem anderen unhörbar gemacht

- Verdeckung im Zeitbereich

Signal und Störgeräusch dauern an

Beispiel: Verdeckung durch Sinuston 1 kHz

Beispiel: Verdeckung durch Klang f0=200 Hz

Signal und Störgeräusch haben kurze Dauer / sind impulsartig

Beispiel: Verdeckung durch Rauschen

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Mikrofone

• Untersuchung von 4 Miniatur – Elektret - Kondensatormikrofonen

- Bestimmung der Übertragungseigenschaften mit Hilfe einer Druckkammer: Kopplung der Prüflinge an Referenz und Schallquelle mit Luftvolumen

Übertragungsfunktion Druckkammer

Eigenschaften der Druckkammer bei Beurteilung der Mikrofoneberücksichtigen!

- Al - Druckkammer bis 4,5 kHz geeignet,- Ms - Druckkammer bis 10 kHz

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Messungen

- SONY ECM-T145

- AV-Jefe TCM 110

- PHILIPS ME670

- McCrypt GH-183

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Soundkarte

• fest eingebaut, Ersatz ausschließlich per PCMCIA möglich (Laptop)

+ von DASYLab S unterstützt

+ preiswert

- beschränkter Frequenzbereich:

Obergrenze: 20 kHz

Untergrenze: 20 Hz durch Koppelkondensatoren / RC - Glieder

Gleichspannungen nicht messbar

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Dynamik

• 16 bit-Gerät, also rechnerische Dynamik: 96 dB

Dynamikbereich

• gemessen mit 1 kHz Sinuston

• erreicht werden ca. 85 dB

• Übersprechen auf rechten Kanal durch Klinkenverbindungskabel

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Übertragungseigenschaften

• Übertragungseigenschaften sind durch Frequenzgang und Übertragungsfunktion gegeben

Frequenzgang Übertragungsfunktion

- Abweichungen kleiner 3 dB bis 20 kHz

- 3 dB - Grenze bei über 20 kHz- großer Phasenfehler: linear abfallend bis 105° bei 20 kHz

- Überprüfung mit MATLAB und WAVE-Datei

- dargestellt für Aufnahme

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MD Recorder MZ-N510

• MiniDisc arbeitet nach einem magneto-optischen Prinzip

- Laser erhitzt eine Kunststoffschicht mit eingebetteten reflektierenden Partikeln- Partikel werden durch Magnetfeld in definierte Reflexionsrichtung gedreht- wird, nach Abkühlen, beim Lesen wie CD vom Laser abgetastet

+ kleine, robuste Datenträger

+ wiederbeschreibbar

- Audiogeräte nicht datenfähig / digital lesbar wegen Kopierschutz

+ Kapazität ca. 80 min bei höchster Aufnahmequalität

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ATRAC - Codec

- basiert u.a. auf den psychoakustischen Prinzipien

- nutzt ferner Eigenschaften digitaler Daten, z.B. Redundanzen

- weitere akustische Eigenschaften: tonale / nichttonale Komponenten

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Dynamik

• gemessen mit 1 kHz Sinuston

- Eigenrauschen nahe Testton erhöht: Dynamik ca. 85 dB (Rauschgrenze rot)

- Eigenrauschen oberhalb 2,5 kHz: Dynamik ca. 96 dB (Rauschgrenze grün) entspricht rechnerischem Wert für 16 bit

Dynamikbereich

Rauschgrenze

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Übertragungseigenschaften

• Frequenzgang und Übertragungsfunktion

Frequenzgang Übertragungsfunktion

- Abweichungen kleiner 0,75 dB bis 18,5 kHz

- 3 dB - Grenze bei ca. 19,5 kHz

- Phasenabweichungen kleiner 2° bis 20 kHz

- Amplitudenfehler Links - Rechts ca. 0,3 dB

Vorverdeckung: Signal mit ca. 3,5 ms Vorlaufzeit

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Messungen Verdeckung I

• Testsignale für MD-Recorder aus Verdeckungsbeispielen erstellt:

- zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT

MiniDisc - Wiedergabe

- Nachverdeckung analog

Simultanverdeckung: Signal mit 300 ms Dauer

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Messungen Verdeckung II



- Hieraus wird das Spektrum gebildet

Simultanverdeckung: Signal mit 10 ms Dauer

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Messungen Verdeckung III



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Leckortung

- Maximum der Korrelationskoeffizienten der Kreuzkorrelation liefert blockbezogen t

• Leckortung ist eine Anwendung der Korrelationsmesstechnik

- Bestimmung der Position eines Lecks durch Laufzeitunterschied des Schalls

- daraus:

2

at)1(

2

LLA

- ()1 ist das Vorzeichen aus sign-Funktion: Ermittlung des weiter entfernten Mikrofons durch Pegelvergleich

i

2)i(

i

2)i(

)i(i

)i(

)Y,X()YY()XX(

)YY()XX(Corr

- größte Genauigkeit festgelegt durch Abtastrate

ms0208,0s100208,048000

s

SR

1t 3

min

daraus

mm21,7s

m346ms100208,0atL 3

minmin

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Leckortung Aufbau

• Weiterführung der durchgeführten Projekte: Aufbau eines Messstandes

• wichtigstes Merkmal: verschiebbare Mikrofone simulieren unterschiedliche Leckpositionen

- Abstände zum Leck jeweils ca. 15 bis 500 mm

Problem: Ausströmgeräusch bei Druckluftbetrieb nicht eindeutig identifizierbar

Ausströmgeräusch mit Lautsprecher simuliert

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Messungen am Leckortungsmessstand

Betrieb mit Druckluft Betrieb mit Rauschsignal

Betrieb mit HandpumpeRuhe

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• Laptop bis auf Phasenfehler geeignet zur digitalen Messdatenerfassung

Fazit

• Miniaturmikrofone von Conrad geeignet, teurere nicht so linear

• Der MiniDisc Recorder kann zur Datenaufzeichnung verwendet werden.

- Einschränkungen in der Handhabung: Beleuchtung, Aussteuerung

- keine Möglichkeit der digitalen Datenübertragung

+ kleine Abmessungen, geringes Gewicht

+ Datenkomprimierung mindert Qualität der Messdaten nicht wesentlich

• Leckortung geeignet als Demonstrationsversuch

- reproduzierbare Ergebnisse nur mit künstlichem Rauschen, weitere Untersuchungen notwendig

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