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

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1 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 1 DIPLOMKOLLOQUIUM CLEMENS HUMMEL HERZLICH WILLKOMMEN

2 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 2 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

3 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 3 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 - System Aufzeichungs / Analysegeräte }

4 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 4 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

5 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 5 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

6 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 6 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

7 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 7 Hier: verlustbehaftete Datenkomprimierung des ATRAC - Algorithmus Datenkomprimierung 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

8 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 8 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

9 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 9 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 f 0 =200 Hz Signal und Störgeräusch haben kurze Dauer / sind impulsartig Beispiel: Verdeckung durch Rauschen

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

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

12 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 12 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

13 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 13 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

14 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 14 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

15 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 15 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

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

17 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 17 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

18 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 18 Übertragungseigenschaften Frequenzgang und Übertragungsfunktion FrequenzgangÜbertragungsfunktion - 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

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

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

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

22 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 22 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: - ( )1 ist das Vorzeichen aus sign-Funktion: Ermittlung des weiter entfernten Mikrofons durch Pegelvergleich - größte Genauigkeit festgelegt durch Abtastrate daraus

23 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 23 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

24 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 24 Messungen am Leckortungsmessstand Betrieb mit Druckluft Betrieb mit Rauschsignal Betrieb mit HandpumpeRuhe

25 Clemens Hummel FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 25 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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