HERZLICH WILLKOMMEN

1. HERZLICH WILLKOMMEN FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche DIPLOMKOLLOQUIUM CLEMENS HUMMEL 01.12.2004 Clemens Hummel 1

2. Aufgabenstellung FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Akustische Untersuchung verschiedener Komponenten aus dem Audio-Bereich •SONY MiniDisc Recorder MZ-N 510 •Notebook DELL C810 •verschiedene Elektretmikrofone Aufbau eines miniaturisierten Leckortungsmessstandes •Fortsetzung der Projektarbeiten zu diesem Thema Clemens Hummel 2

3. Motivation } - Hardware-Analysator Aufzeichungs / Analysegeräte - PAK - System FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche •ist professionelle Analysetechnik / Messhardware durch konventionelle Technik ersetzbar? - professionelle Technik bedeutet hier: - Erfassungsgeräte: Messmikrofone - konventionelle Technik bedeutet hier: - Erfassungsgeräte: preiswerte Elektretmikrofone - Aufzeichnungsgeräte: MiniDisc Recorder und Soundkarte - Analysegeräte: Soundkarte und Software •Leckortung: fester, transportabler Demonstrationsversuch Clemens Hummel 3

4. Fragestellungen FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Übertragungseigenschaften der eingesetzten, preiswerten Mikrofone - Einfluss auf die Qualität der Aufzeichnung • MiniDisc Recorder arbeitet mit Datenkomprimierung - Einfluss auf die Qualität der aufgezeichneten Messdaten • Qualität der fest eingebauten Laptop - Soundkarte - Einfluss auf die Qualität der aufgezeichneten und übertragenen Signale Clemens Hummel 4

5. Software FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Vorwiegender Einsatz von DASYLab und MATLAB DASYLab + anwenderfreundlich durch modulare Bedienung + geringer Zeitaufwand für einfache Analysen und Modifikationen - mathematische Operationen nicht immer ersichtlich MATLAB + durch zeilenorientierte Programmierung transparente Operationen + vielfältige Visualisierungs- und Speichermöglichkeiten - Kenntnisse in theoretischer Signalverarbeitung und Programmierung erforderlich Hardware-Analysatoren + einfache Bedienung - kein Einfluss auf programmierte Analyseroutinen möglich  Speicherung und Auswertung mit MATLAB Clemens Hummel 5

6. digitale Signalverarbeitung FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Computer rechnen ausschließlich mit Zahlen • Umwandlung analoger Informationen in wertdiskrete notwendig: • Abtasten, Fenstern • Fehlermöglichkeiten durch digitale Messdatenverarbeitung u.a.: Aliasing, Leckeffekt Aliasing durch Signalfrequenzen, die höher als halbe Abtastfrequenz liegen: Nyqvist-Theorem Leckeffekt durch Sprünge im Signal bei Fensterung Clemens Hummel 6

7. Datenkomprimierung FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Anwendung bei begrenzter Übertragungs- und Speicherkapazität - Bild- oder Toninformation • Unterscheidung: verlustfrei - verlustbehaftet Verlustfrei: Information muss vollständig wiederherstellbar sein Bsp.: Text Verlustbehaftet: Information darf unvollständig wiederherstellbar sein, Konsument nimmt Verlust nicht / wenig wahr Bsp.: Bild, Audio • Hier: verlustbehaftete Datenkomprimierung des ATRAC - Algorithmus Clemens Hummel 7

8. Psychoakustik Kurven gleicher Lautstärke (Robinson / Dadson, 1956) Frequenzgruppen • Aufgetragen: Tonheit z über f • Anzahl der Frequenzgruppen FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Psychoakustik als Teilgebiet der Psychophysik - Versuch der Quantifizierung von Empfindungen, hier speziell Geräuschen Erkenntnisse über Relevanz von akustischen Ereignissen wichtig für Komprimierungsverfahren Clemens Hummel 8

9. Verdeckung Signal und Störgeräusch dauern an Signal und Störgeräusch haben kurze Dauer / sind impulsartig Beispiel: Verdeckung durch Sinuston 1 kHz Beispiel: Verdeckung durch Rauschen Beispiel: Verdeckung durch Klang f0=200 Hz FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Signal wird von einem anderen unhörbar gemacht - Verdeckung im Frequenzbereich: - Verdeckung im Zeitbereich Clemens Hummel 9

10. Mikrofone FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • 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 Mikrofone berücksichtigen! • Al - Druckkammer bis 4,5 kHz geeignet, • Ms - Druckkammer bis 10 kHz Clemens Hummel 10

11. Messungen - AV-Jefe TCM 110 - McCrypt GH-183 - PHILIPS ME670 - SONY ECM-T145 FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Clemens Hummel 11

12. Soundkarte Obergrenze: 20 kHz Untergrenze: 20 Hz durch Koppelkondensatoren / RC - Glieder FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • fest eingebaut, Ersatz ausschließlich per PCMCIA möglich (Laptop) + von DASYLab S unterstützt + preiswert - beschränkter Frequenzbereich:  Gleichspannungen nicht messbar Clemens Hummel 12

13. Dynamik Dynamikbereich FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • gemessen mit 1 kHz Sinuston • 16 bit-Gerät, also rechnerische Dynamik: 96 dB • erreicht werden ca. 85 dB • Übersprechen auf rechten Kanal durch Klinkenverbindungskabel Clemens Hummel 13

14. Übertragungseigenschaften Übertragungsfunktion Frequenzgang - Abweichungen kleiner 3 dB bis 20 kHz - 3 dB - Grenze bei über 20 kHz FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Übertragungseigenschaften sind durch Frequenzgang und Übertragungsfunktion gegeben - dargestellt für Aufnahme - großer Phasenfehler: linear abfallend bis 105° bei 20 kHz - Überprüfung mit MATLAB und WAVE-Datei Clemens Hummel 14

15. MD Recorder MZ-N510 FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • 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 + Kapazität ca. 80 min bei höchster Aufnahmequalität - Audiogeräte nicht datenfähig / digital lesbar wegen Kopierschutz Clemens Hummel 15

16. ATRAC - Codec FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche - basiert u.a. auf den psychoakustischen Prinzipien - weitere akustische Eigenschaften: tonale / nichttonale Komponenten - nutzt ferner Eigenschaften digitaler Daten, z.B. Redundanzen Clemens Hummel 16

17. Dynamik Rauschgrenze FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • gemessen mit 1 kHz Sinuston Dynamikbereich - 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 Clemens Hummel 17

18. Übertragungseigenschaften Frequenzgang Übertragungsfunktion - Abweichungen kleiner  0,75 dB bis 18,5 kHz - Phasenabweichungen kleiner  2° bis 20 kHz - 3 dB - Grenze bei ca. 19,5 kHz - Amplitudenfehler Links - Rechts ca. 0,3 dB FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Frequenzgang und Übertragungsfunktion Clemens Hummel 18

19. Messungen Verdeckung I Vorverdeckung: Signal mit ca. 3,5 ms Vorlaufzeit FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Testsignale für MD-Recorder aus Verdeckungsbeispielen erstellt: - zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT MiniDisc - Wiedergabe - Nachverdeckung analog Clemens Hummel 19

20. Messungen Verdeckung II FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche - zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT Simultanverdeckung: Signal mit 300 ms Dauer MiniDisc - Wiedergabe - Hieraus wird das Spektrum gebildet Clemens Hummel 20

21. Messungen Verdeckung III FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche - zehnmalige Aufnahme für Mittelungen, Zuschnitt mit COOL EDIT Simultanverdeckung: Signal mit 10 ms Dauer MiniDisc - Wiedergabe Clemens Hummel 21

22. Leckortung FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Leckortung ist eine Anwendung der Korrelationsmesstechnik - Bestimmung der Position eines Lecks durch Laufzeitunterschied des Schalls - Maximum der Korrelationskoeffizienten der Kreuzkorrelation liefert blockbezogen Dt • daraus: - ()1 ist das Vorzeichen aus sign-Funktion: Ermittlung des weiter entfernten Mikrofons durch Pegelvergleich - größte Genauigkeit festgelegt durch Abtastrate daraus Clemens Hummel 22

23. Leckortung Aufbau FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • 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 Clemens Hummel 23

24. Messungen am Leckortungsmessstand Ruhe Betrieb mit Handpumpe Betrieb mit Rauschsignal Betrieb mit Druckluft FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Clemens Hummel 24

25. Fazit FH DFachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche • Der MiniDisc Recorder kann zur Datenaufzeichnung verwendet werden. + Datenkomprimierung mindert Qualität der Messdaten nicht wesentlich + kleine Abmessungen, geringes Gewicht - keine Möglichkeit der digitalen Datenübertragung - Einschränkungen in der Handhabung: Beleuchtung, Aussteuerung • Laptop bis auf Phasenfehler geeignet zur digitalen Messdatenerfassung • Miniaturmikrofone von Conrad geeignet, teurere nicht so linear • Leckortung geeignet als Demonstrationsversuch - reproduzierbare Ergebnisse nur mit künstlichem Rauschen, weitere Untersuchungen notwendig Clemens Hummel 25