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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Aufgabenstellung 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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Fragestellungen • 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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Software • 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

digitale Signalverarbeitung FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche digitale Signalverarbeitung • 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

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 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 Clemens Hummel 10

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

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

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

Übertragungseigenschaften FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Übertragungseigenschaften • Übertragungseigenschaften sind durch Frequenzgang und Übertragungsfunktion gegeben - dargestellt für Aufnahme 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 Clemens Hummel 14

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 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 + Kapazität ca. 80 min bei höchster Aufnahmequalität - Audiogeräte nicht datenfähig / digital lesbar wegen Kopierschutz Clemens Hummel 15

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Dynamik • gemessen mit 1 kHz Sinuston Rauschgrenze 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

Übertragungseigenschaften FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche 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 Clemens Hummel 18

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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Leckortung • 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

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

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

FH D Fachhochschule Düsseldorf Vergleich akustischer Messketten für technische Geräusche Fazit • 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