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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
FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche
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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
- zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT
MiniDisc - Wiedergabe
- Hieraus wird das Spektrum gebildet
Simultanverdeckung: Signal mit 10 ms Dauer
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Messungen Verdeckung III
- zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT
MiniDisc - Wiedergabe
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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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