Jste zde

Přenosná zvuková kamera na bázi LabVIEW a FPGA pro studie nežádoucího hluku

Článek přibližuje vývoj ruční zvukové kamery s pomocí softwaru pro návrh systémů NI LabVIEW, která dokáže identifikovat a zobrazovat zdroje hluku v reálném čase. Jsou využity mikroelektromechanické systémy (MEMS) a technologie FPGA pro zvýšení snímkovací frekvence a snížení hmotnosti zařízení.

 

Zadání:

Vytvořit přenosný systém pro vizualizaci a identifikaci rušivých přechodných zvuků z kategorie bzukot, skřípání a klepání (BSR) v automobilech Hyundai.

Řešení:

Vývoj ruční zvukové kamery s pomocí softwaru pro návrh systémů NI LabVIEW, která dokáže identifikovat a zobrazovat zdroje hluku v reálném čase. Jsou využity mikroelektromechanické systémy (MEMS) a technologie FPGA pro zvýšení snímkovací frekvence a snížení hmotnosti zařízení.

Obr. 1: Zvuková kamera SeeSV se používá pro identifikaci vlivu krytu motoru ve voze Hyundai Genesis

Spotřebitelé očekávají, že se v jejich automobilech nebudou vyskytovat nežádoucí zvuky, souhrnně označované jako bzukot, skřípání a klepání (buzz, squeak and rattle – BSR). Tyto zvuky ovlivňují výsledky studií zákaznické spokojenosti, jako je například studie Initial Quality Study (IQS) od společnosti J.D. Power, ve které získalo několik automobilů značky Hyundai nejvyšší hodnocení. Tyto zvuky jsou způsobeny nárazy a třením pohyblivých částí. Bzukot je krátký zvuk způsobený nárazem s vysokofrekvenční složkou způsobenou rezonancí. Mnoho skřípavých zvuků vzniká při lineárním pohybu kovu po jiném kovovém povrchu, případně při tření gumy po kovové řemenici. Klepání se může projevit při pohybu vozu nebo při běhu motoru v zastaveném voze. Klepání může být také způsobeno reproduktory, které generují zvuky s nízkou frekvencí a vysokou intenzitou. Prvním krokem při nápravě je identifikace zdroje hluku, ta ale může být složitá.

Obr. 2: Hluk typu BSR se projevuje ve vyšším frekvenčním spektru než běžný hluk od motoru

Akustický beamforming zahrnuje mapování zdrojů hluku s použitím akustického pole. Metoda dokáže určit směr, ze kterého zvuk přichází, na základě zpoždění, ke kterému dochází při průchodu zvuku přes pole mikrofonů, například na zvukové kameře. Zvuková kamera vizualizuje zvuk pomocí barevných map, podobně jako termokamera vizualizuje teplotu. Pole mikrofonů, které implementuje metodu beamforming, lokalizuje zdroje zvuku vizuálně. Proto jde o jedno z nejvhodnějších zařízení pro detekci nežádoucího BSR hluku v automobilech. Několik komerčně dostupných beamforming zařízení převádí signály z pole na mapy intenzity hluku. Tato zařízení mají integrovanou kameru, aby bylo možné zobrazit mapu hluku společně s optickým záznamem, což usnadňuje lokalizaci zdroje hluku. Tato zařízení dokážou snímat několik zvukových snímků za sekundu a vytvářet tak hluková videa. Obvykle se kvalita hlukových map a videozáznamů zvyšuje s rostoucí frekvencí, neboť prostorové rozlišení je nepřímo úměrné vlnové délce zvuku.

Identifikace zdroje hluku představuje pro některá zařízení problém. Zařízení musejí mít krátkou reakční dobu, aby zachytila přechodové hluky. Většina zvuků z kategorie BSR se projevuje nepravidelně a rychle. Někdy se tyto zvuky projeví v řádu několika milisekund a potom zmizí. Dále pro tuto aplikaci potřebujeme lehké zařízení, které je dostatečně malé a přenosné pro použití v interiéru osobního vozidla, kde se většina zvuků BSR projevuje. Jelikož je velikost pole mikrofonů přímo úměrná rozlišení obrazu, a to především pro nízkofrekvenční pásma, není jednoduché stavět malá zařízení pro beamforming. Optimalizovali jsme náš přenosný beamformer pro zvuky typu BSR, které spadají většinou do pásma 300 Hz až 8 kHz, přičemž vyšší frekvenční pásma umožnila použít pole s menším rozměrem a učinit tak zařízení vhodným pro mobilní použití.

Obr. 3: Detekce zdrojů hluku na dveřích a oknech vozu

První systémy, které jsme vyvinuli pro identifikaci zdroje hluku, pracovaly s analogovými mikrofony ve spirálních polích s 30 až 48 kanály a s průměrem až 85 cm. Ve verzi s 30 kanály jsme použili modul NI 9234 pro sběr dynamických signálů (DSA) v systému NI CompactDAQ. Pro verzi se 48 kanály jsme použili DSA modul NI PXIe-4497. V LabVIEW jsme vyvinuli aplikaci pro zvukovou kameru s pomocí sady nástrojů NI Sound and Vibration Measurement Suite, která zahrnuje kvalitativní měření zvuku se zobrazením v reálném čase. Větší rozměr pole učinil kameru vhodnou jak pro identifikaci zdrojů zvuků BSR, tak pro identifikaci zvuků z kategorie NVH (noise, vibration, harshness) s frekvencemi od 50 Hz. Zvuková kamera se používá v mnoha různých aplikacích, včetně vizualizace hluku od pneumatik či hluku od panelu ve dveřích, který způsobují reproduktory.

Obr. 4: Pro aplikace typu NVH se používá větší pole mikrofonů než pro aplikace typu BSR

Protože se zařízení pro zpracování signálů neustále vylepšují, přepracovali jsme svůj beamforming systém tak, aby byl dostatečně lehký pro detekci zvuků ve stísněných prostorech a splnil tak požadavky Hyundai. Dosáhli jsme toho tak, že jsme použili mikrofony s technologií MEMS a obvody FPGA. Výkon mikrofonů typu MEMS značně pokročil díky jejich využití ve spotřební elektronice, především v mobilních telefonech. Jsou nyní široce dostupné a levné a nabízejí plochou charakteristiku ve frekvenčním rozsahu lidského hlasu od 300 Hz do 8 kHz, což je primární frekvenční pásmo pro měření zvuků typu BSR. Digitální mikrofon MEMS zahrnuje akustický převodník, předzesilovač a sigma-delta převodník na jediném čipu. Jelikož čip převádí analogový signál na sérii digitálních pulzů, odstranili jsme většinu přístrojů a zmenšili tak rozměry i hmotnost celého systému, ale zároveň jsme zachovali vysoký výkon.

Obr. 5: Ergonomické úchyty usnadňují používání

Aplikaci jsme portovali s použitím LabVIEW FPGA Module a výpočetně náročné algoritmy pro beamforming jsme tak přenesli na obvod FPGA v NI Single-Board RIO, což také přispělo k omezení rozměrů a ceny a k lepší přenosnosti. Umožnilo to také integrovat úpravu signálu, sběr dat, filtraci a beamforming do jediného čipu a připojit hardware pro sběr dat přímo k jednotce provádějící zpracování v FPGA, což minimalizovalo latenci. Obvod FPGA může v každém cyklu provádět stovky operací a značně překonává výkon PC díky masivnímu využití paralelních operací.

Celý systém váží méně než 2 kg a nabízí tak dobrou přenosnost a odolnost. Navrhli jsme pevnou konstrukci pro pole mikrofonů a kameru se třemi úchyty v zadní části pro usnadnění ovládání s pomocí jedné nebo i dvou rukou. Všechny senzory jsme umístili na hlavní konstrukci s integrovanou kabeláží, což zmenšilo rozměry o 60 procent a snížilo hmotnost o 70 procent ve srovnání s předchozím systémem.

Obr. 6: Systém váží méně než 2 kg

Uživatelé mohou využít malých rozměrů a nízké hmotnosti systému a interaktivně zkoumat různé zdroje hluku nacházející se uvnitř i vně vozidla, dokonce i ve stísněných prostorech. Integrovaná podoba značně zkracuje čas potřebný k nastavení systému. Se svou velkou snímkovací frekvencí je systém velice efektivní při snímání a zobrazování přechodných zvukových jevů a používá se při testování několika nových luxusních modelů, jako je Hyundai Genesis, ve kterých zvuky typu BSR nejsou akceptovatelné.

Test palubní desky:

Test motoru:

Informace o autorech:

YoungkeyK. Kim
SM Instruments Co., Ltd. 
Kang-Duck Ih
Hyundai Motor Group

 

National Instruments (Czech Republic), s.r.o.

Sokolovská 136D
186 00 Praha 8
Česká republika
Tel: +420 224 235 774
Fax: +420 224 235 749
E-mail: ni.czech@ni.com
http://czech.ni.com
CZ: 800 267 267
SK: 00 800 182 362

Hodnocení článku: