28 maj 2024
Pomiary wibroakustyczne
Kamera akustyczna CRY8500 Series SonoCam Pi to zaawansowana matryca mikrofonowa, oferująca obrazowanie akustyczne w polu bliskim i dalekim. Analizuję ona dobiegający sygnał w oparciu o dwa modele, holografii i beamformingu, pozwalajac na zastosowania w warunkach pola bliskiego i dalekiego.
Kamera wyposażona została w 8 calowy ekran, i modułowe matryce mikrofonowe, pozwalające na rozszerzenie liczby czujników z 128 do 208. Modułowa konstrukcja, pozwala również dostosować kamerę do typów pomiarów, gdzie przy zredukowanej matrycy oferuje mobilność i wygodę w rejestracji terenowej, a przy rozszerzonej matrycy, niezwykle dokładne i szerokie pomiary laboratoryjne.
W poniższym artykule przedstawiamy dokładniejszy opis dwóch algorytmów odpowiadających za detekcję i analizę fal dźwiękowych. Ich zastosowanie pozwala w sposób hybrydowy pokryć pomiary w polu bliskim i dalekim z pasmem rejestracji 20-20k Hz.
Takie pasm, odpowiada wymaganiom z wielu branż projektowych w tym automotive, przemysł zbrojeniowy, czy lotniczy otaz klasycznym pomiarom hałasu w środowisku, czy budownictwie.
Holografia bliskiego pola (NAH) – precyzja na wyciągnięcie ręki
Holografia akustyczna bliskiego pola (ang. Near-field Acoustic Holography) to zaawansowana technika obrazowania, stworzona do lokalizacji, identyfikacji oraz wizualizacji pól akustycznych w bezpośrednim sąsiedztwie źródła dźwięku. W odróżnieniu od klasycznej rejestracji hałasu, kamera w tym trybie analizuje zarówno amplitudę, jak i fazę ciśnienia akustycznego w odległościach mniejszych niż długość badanej fali.
Wykorzystując zaawansowane algorytmy matematyczne takie jak przestrzenna transformata Fouriera oraz metoda źródła ekwiwalentnego, system oddziela fale bezpośrednie od fal odbitych. Kluczowym mechanizmem jest tu operator transferu propagacji wstecznej. Pozwala on "uchwycić" tzw. fale zanikające na płaszczyźnie mikrofonów i matematycznie zrekonstruować pierwotne pole drgań bezpośrednio na powierzchni źródła. Aby zachować maksymalną dokładność z rozstawionych mikrofonów, urządzenie stosuje metody optymalizacji statystycznej, przekształcając fizyczną matrycę w wirtualną, równomiernie próbkowania siatkę wysokiej rozdzielczości.
W praktyce NAH oferuje milimetrową rozdzielczość przestrzenną, działa całkowicie bezdotykowo i doskonale radzi sobie z niskimi częstotliwościami. Co więcej, poprzez przemiatanie fazy w zakresie od 0° do 360°, pozwala tworzyć "filmy akustyczne", wizualizujące dokładne ścieżki rozchodzenia się dźwięku na obiekcie.
Przykład zastosowania:
- W branży elektroniki użytkowej system pozwala na bezdotykową inspekcję gęsto upakowanych płytek PCB i błyskawiczną lokalizację pojedynczych, piszczących kondensatorów.
- Inżynierowie automotive wykorzystują tę technologię do precyzyjnego mapowania wibracji uszczelek i elementów kokpitu, co pozwala eliminować niepożądane szumy w kabinie pasażerskiej.
- W przemyśle maszynowym holografia umożliwia diagnozowanie wczesnych stadiów zużycia podzespołów poprzez dokładną analizę akustyczną mikrowibracji bezpośrednio na obudowach pracujących silników.
- Projektanci aparatury medycznej używają tego rozwiązania do wykrywania rezonujących elementów wewnętrznych, co pozwala znacząco wyciszyć sprzęt diagnostyczny i poprawić komfort pacjentów.
Beamforming – akustyczny teleobiektyw dla pola dalekiego
Podczas gdy holografia jest niezastąpiona do analizy detali w skali mikro, pomiary na dużych halach produkcyjnych czy w otwartym terenie wymagają odmiennego podejścia. Tutaj zastosowanie znajduje drugi tryb pracy kamery: Beamforming, czyli kształtowanie wiązki.
Beamforming służy do analizy w polu dalekim i działa jak precyzyjny filtr kierunkowy. Wykorzystując minimalne przesunięcia czasowe i fazowe, z jakimi dźwięk dociera do poszczególnych ze 208 mikrofonów na matrycy, system potrafi cyfrowo zogniskować nasłuch na konkretnym punkcie w przestrzeni. Wzmacnia on pożądany sygnał, a jednocześnie skutecznie tłumi hałas dochodzący z innych kierunków i odbicia od ścian.
Posiadanie obu tych technologii w jednej kamerze czyni system CRY8500 kompletnym. Inżynier zyskuje pełne pokrycie potrzeb pomiarowych: Beamforming świetnie sprawdza się w wyższych pasmach od 200 Hz do 20 kHz przy diagnozowaniu na odległość np. wibrującej rury pod sufitem hali, natomiast NAH od 20 Hz do 20 kHz przejmuje inicjatywę w laboratorium, przy analizie bliskich źródeł i precyzyjnych detalach. Przejście z analizy środowiskowej do punktowej inspekcji wymaga jedynie wyboru odpowiedniego trybu.
Otwarte API i praca na surowych danych
Kamera SonoCam oprócz dwóch trybów analizy, pozwla an azastosowanie własnych algorytmów obliczeniowych lub szkolenie przyszłych rozwiązań mapujących dźwięk. W tym zakresie oprócz klasycznej wizualizacji źródeł hałasu na ekranie, kamera udostępnia pełny stream surowych danych rejestrowanych z przetworników.
Urządzenie udostępnia rozbudowane API, które pozwala w czasie rzeczywistym wyprowadzać zsynchronizowany obraz wideo oraz surowe dane w postaci niezależnych sygnałów falowych z każdego z 208 kanałów mikrofonowych jednocześnie.