Aktuální vydání

celé číslo

12

2021

Automatizace v chemickém a petrochemickém průmyslu

Průtokoměry a regulační ventily

celé číslo

Použití akustického beamformingu pro lokalizaci zdroje hluku vyzařovaného projíždějícími vozidly

Článek popisuje metodu známou jako beamforming, která se používá k lokalizaci zdroje hluku produkovaného projíždějícími vozidly. Beamforming s sebou nese několik technických problémů, jako jsou současné vzorkování velkého pole senzorů, pokročilé zpracování signálů, ukládání extrémně velkých objemů dat a vliv prostředí. Tento článek navíc popisuje doporučené postupy beamformingu a rozebírá celý systém od testovacího prostředí, přes senzory až po výpočty, analýzu a ukládání dat s cílem naučit čtenáře tuto metodu používat v praxi.

 

Úvod do akustického beamformingu

Tradiční testy vyzařovaného hluku jsou užitečné pro určení hladiny hluku z různých zdrojů na vozidle během provozu. Tato měření jsou obvykle prováděna pro prokázání souladu s místními zákony a předpisy, které upravují přijatelnou hladinu hluku vytvářeného vozidlem, kdy cílem je minimalizovat celkový hluk způsobený dopravou. Identifikace zdroje vyzařovaného hluku jde ještě o krok dále, neboť díky lokalizaci jednotlivých zdrojů mohou inženýři jemně upravovat jednotlivé části vozidla a snížit tak hluk vozidla na minimum.
 
Pro identifikaci zdroje hluku je možné použít několik analytických metod, jako jsou akustická holografie v blízkém poli či beamforming, což je metoda prostorové filtrace. Metoda akustické holografie funguje v tzv. blízkém poli zvuku, na vzdálenost jedné či dvou vlnových délek od zdroje, kde se zvukové vlny chovají jako kruhové vlny vycházející ze zdroje. Naproti tomu je beamforming více vhodný pro pole ve větší vzdálenosti, nacházející se zhruba sedm vlnových délek od zdroje hluku, kde se zvukové vlny chovají jako rovinné [1]. Jako zdroj hluku je možné si představit kámen padající do vody, přičemž zvuk vycházející ze zdroje je podobný vlnám vycházejícím z místa dopadu kamene. Když se pozorovatel nachází blízko místa dopadu, pohybují se vlny zřetelně v kruzích se středem v místě dopadu. Avšak když stojí ve větší vzdálenosti na břehu, nevypadají už vlny jako kružnice, ale spíše jako rovné čáry pohybující se směrem k pozorovateli. Zvukové vlny se chovají stejně (obr. 1). Jelikož měřicí senzory obvykle nemohou být umístěny v dostatečné blízkosti projíždějících vozidel, aby se nacházely v blízkém poli a bylo možné použít metodu akustické holografie, je v takových případech preferovanou metodou pro lokalizaci hluku spíše beamforming.
 
Beamforming s sebou nese několik technických problémů, jako je současné měření s velkým počtem mikrofonů, přenos a ukládání velkého objemu změřených hodnot a jejich rychlé zpracování pro vizualizaci výsledků v reálném čase. Tento článek prezentuje ty nejlepší postupy beamformingu u pohybujících se objektů, přičemž cílem je, aby konečným výsledkem byla přesná analýza lokalizace a úrovně hluku produkovaného vozidly.
 
Při tvorbě tohoto článku použil autor pro měření hardware NI cDAQ-9178 a NI 9234 řady C a pro zpracování signálu a pro grafickou prezentaci software NI LabVIEW s doplňkem NI Sound and Vibration Measurement Suite.
 

Normy pro měření hluku vyzařovaného jedoucími vozidly

Cíl měření určuje, kterou z mnoha mezinárodních norem popisujících metody měření je vhodné použít. Například norma ISO 362 Měření hluku vyzařovaného jedoucími silničními vozidly – Technická metoda definuje metodu pro měření hluku vyzařovaného projíždějícím vozidlem. Ačkoliv zde popisovaná metoda beamformingu má s metodami v normě ISO 362 mnoho společného, jsou mezi nimi důležité rozdíly, především v otázce měřicích senzorů. Například podle normy ISO 362 se k určení hladiny hluku používá jeden mikrofon, zatímco beamforming vyžaduje pro identifikaci zdroje pole mikrofonů. Kromě normy ISO 362 se hlukem způsobovaným vozidly zabývají ještě normy ISO 13325 Coast-by methods for measurement of tyre-to-road sound emission (hluk vyzařovaný pneumatikami) nebo ISO 5130 Acoustics – Measurements of sound pressure level emitted by stationary road vehicles (zvuk od výfuku).
 
Norma, která se na beamforming v každém případě vztahuje, je ISO 10844 Akustika – Specifikace zkušebních drah pro měření hluku vyzařovaného silničními vozidly a jejich pneumatikami. Tato norma specifikuje testovací dráhu, na které se měří hluk od projíždějících vozidel (obr. 2). Dráha, na které je vozidlo testováno, ovlivňuje nejen hluk produkovaný vozidlem, ale také způsob, jakým se od něj zvukové vlny šíří. Určením geometrie dráhy a vlastností povrchu norma minimalizuje variace v testech prováděných na různých testovacích stanovištích [2]. Ačkoliv to pro beamforming není vyžadováno žádnou mezinárodní normou, je doporučeno, aby se testy vozidel prováděly na dráze odpovídající normě ISO 10844, neboť jen tak lze získat konzistentní výsledky.
 

Rozlišení měření a dynamický rozsah

Dva nejdůležitější aspekty jakéhokoliv měření zvuku, včetně beamformingu, jsou rozlišení a dynamický rozsah měření. Oba tyto aspekty jsou závislé na hardwaru systému, který je pro měření používán, včetně pole mikrofonů a hardwaru pro sběr dat. V tomto článku čtenáři naleznou doporučení, jak vybrat vhodné komponenty pro systém, aby rozlišení i dynamický rozsah maximalizovali.
 
Když se hovoří o rozlišení při lokalizaci zvuku, je konkrétně myšleno prostorové rozlišení, které označuje schopnost systému rozlišit od sebe dva různé zdroje zvuku. Čím lepší je prostorové rozlišení, tím blíže k sobě zdroje zvuku mohou být, aby je systém stále ještě od sebe rozlišil. Rozlišení systému závisí na vzdálenosti senzorů od zdroje a na velikosti pole mikrofonů:
 
R = λ(L/D)
 
kde
R je prostorové rozlišení,
λ vlnová délka zvuku,
L vzdálenost od zdroje,
D průměr pole senzorů.
 
Dynamický rozsah popisuje schopnost systému rozlišit zvuk od hluku okolního prostředí. Měřicí systém s velkým rozlišením dokáže spíše odlišit slabý zvuk od jakéhokoliv hluku či ruchů v okolí, zatímco systém s malým dynamickým rozsahem dokáže identifikovat pouze zdroje zvuku, které jsou výrazně hlasitější než hluk v okolí. Dynamický rozsah závisí na počtu a na citlivosti mikrofonů v poli a také na kabelech a na hardwaru pro sběr dat, které se používají.
 

Vliv prostředí na testovacích tratích

Hluk vydávaný projíždějícím vozidlem se měří výhradně ve venkovním prostředí, neboť je třeba dostatek prostoru, aby vozidlo kolem mikrofonů projíždělo velkou rychlostí. Teoreticky lze měřit i uvnitř dynamometrem, nicméně náklady na vybudování bezodrazové zvukové komory s plnohodnotným dynamometrem značně převyšují náklady na měření venku. Přestože jsou testy prováděny venku, měl by být testovací systém dostatečně přenosný, aby jej bylo možné uložit uvnitř, mimo měřicí stanoviště.
 
Kromě snadného přenášení je často výhodou možnost provozovat systém ze stejnosměrného zdroje či baterie, což ještě zvyšuje úroveň mobility a snižuje náklady na přivádění napájení k systému. Přenosné systémy pro sběr dat bývají schopny poskytovat buzení pro mikrofony, bez použití externích obvodů, a plně tak eliminovat potřebu střídavého napájení.
 
Kromě požadavků na mobilitu musí testovací systém plnit i určité požadavky z hlediska provozní teploty a vlhkosti. Testovací trať může být uprostřed léta velmi teplým místem s velkou vlhkostí a systém navržený výhradně pro laboratorní podmínky si s nimi nemusí poradit. Výběr robustního systému pro snímání a sběr dat pomůže uživateli zajistit kvalitu měření i v těch nejnáročnějších venkovních podmínkách.
 

Pole mikrofonů pro akustický beamforming

Pole mikrofonů připravená k použití v úlohách pro lokalizaci zdroje hluku nabízí několik firem, které uživateli pomohou i s jejich výběrem. Následující část obsahuje obecné zásady pro výběr pole mikrofonů pro beamforming.
 
Pole mikrofonů pro beamforming jsou vždy kruhová a vyráběna jsou ve třech hlavních konfiguracích: náhodné, spirální a prstencové (obr. 4). Naproti tomu pole mikrofonů pro akustickou holografii v blízkém poli jsou vždy obdélníková. Prstencové pole je nejvhodnější, není-li známa přesná vzdálenost ke zdroji, nicméně postrádá dynamický rozsah. Spirální pole má lepší výsledky, avšak nejlepších výsledků se obecně dosáhne při náhodném rozmístění mikrofonů v poli. Taková konfigurace má nejvyšší hustotu pole mikrofonů a rozmístění pro dosažení největšího dynamického rozsahu při měření [3].
 
Prostorové rozlišení systému je přímo závislé na vzdálenosti od zdroje zvuku. Obecně platí, že čím větší pole je, tím lepšího prostorového rozlišení může měřicí systém dosáhnout.
 
Tradiční kalibrační postupy používané pro mikrofony jsou při práci s poli mikrofonů často nepraktické vzhledem k velkému počtu mikrofonů, které je třeba kalibrovat. Kalibrovat individuálně třicet a více mikrofonů v poli může být nákladné a zdlouhavé. Při lokalizaci zdroje zvuku ale není tak důležitá absolutní přesnost mikrofonů jako spíše detekce změn hladiny zvuku. Toho lze využít pro kalibraci celého pole najednou. Tím, že je generován tón se známou polohou v poli, je možné pro každý mikrofon vytvořit váhové faktory, které povedou ke správné lokalizaci. Studie prokázaly, že tato metoda může poskytnout přesnost systému na úrovní ±0,5 dB při použití mikrofonů s odchylkou větší než ±4 dB [4].
 
Další nevýhodou práce s větším počtem mikrofonů v poli je cena samotných senzorů. Mikrofony určené k měření mohou být velmi nákladné, což může vést k nutkání omezit náklady tím, že se omezí počet mikrofonů v poli (a degradují se tak výsledky měření). Poslední vývoj v oboru mikrofonů však vedl k produkci levných a dostatečně kvalitních mikrofonů, založených na mikroelektromechanických systémech (MEMS). Inženýři z americké agentury NASA se zaměřili na výzkum toho, jak jsou tyto typy mikrofonů vhodné pro beamforming, a zjistili, že jsou při použití v polích dostatečně kvalitní pro detekci zdroje zvuku [5].
(Pokračování v dalších číslech.)
 
Literatura:
[1] KINO, G. S.: Acoustic Waves: Devices, Imaging and Analog Signal Processing. Prentice Hall, 1987.
[2] The Transtec Group: ISO 10844 Noise Test Tracks [on-line]. Dostupné též na <www.tcpsc.com/index.php?q=node/111> [cit. 2. 1. 2013].
[3] LMS International: Acoustic Beamforming. [on-line]. Dostupné též na <www.lmsintl.com/acoustic-beamforming> [cit. 2. 1. 2013].
[4] VEGGEBERG, K.: Architecture of Noise Identification. 2011. [on-line]. Dostupné též na <https://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-8> [cit. 4. 1. 2013].
[5] e. a. HUMPHREYS Jr., W. M.: Application of MEMS Microphone Array Technology to Airfram Noise Measurements. In: 11th AIAA/CES Aeroacoustics Conference, Monterey, USA, 2005.
Doug Farrell, Product Manager,
 
Obr. 1. Zvukové vlny v blízkém poli (vlevo) se pohybují od zdroje jako kružnice, ve vzdáleném poli (vpravo) se pohybují zdánlivě po přímkách
Obr. 2. ISO 10844 specifikuje dráhu pro měření hluku vydávaného vozidlem; tuto normu lze použít i při měření zdroje hluku s použitím beamformingu, aby byly omezeny odrazy a zajištěna opakovatelnost testů
Obr. 3. Kompletní systém pro lokalizaci hluku vydávaného projíždějícím vozidlem
Obr. 4. Mezi tři hlavní konfigurace polí mikrofonů používaných pro akustický beamforming patří (zleva) prstencová, spirální a náhodná