28 maj 2024 Pomiary wibroakustyczne
Testowanie parametrów akustycznych mikrofonów wbudowanych w urządzenia smart, urządzenia mobilne oraz elektronikę użytkową staje się istotnym elementem zapewnienia jakości w procesie produkcyjnym. Poniższy artykuł przedstawia podejście do pomiarów, zarówno w kontekście technicznych parametrów mikrofonów - takich jak odpowiedź częstotliwościowa - jak i weryfikacji poprawnego działania systemów opartych na sygnale audio: rozpoznawania mowy, sterowania głosowego, aktywnej redukcji szumu (ANC) oraz zrozumiałości mowy.
Kluczowym elementem tego procesu są kompaktowe referencyjne źródła dźwięku, często nazywane sztucznymi ustami, oraz odpowiednio zaprojektowane komory akustyczne, dostosowane do warunków linii produkcyjnej. Te narzędzia umożliwiają dokładne pomiary i symulację różnych warunków akustycznych, co jest niezbędne do zapewnienia wysokiej jakości mikrofonów i systemów audio w urządzeniach elektronicznych.
Warunki pomiarowe w produkcyjnych testach akustycznych
Środowisko produkcyjne, w którym realizowane są końcowe testy urządzeń, charakteryzuje się wysokim i zmiennym poziomem tła akustycznego. Uniemożliwia to przeprowadzenie wiarygodnych i powtarzalnych pomiarów bez odpowiedniego odizolowania testowanego urządzenia od otoczenia.
Rozwiązaniem są specjalistyczne komory akustyczne, takie jak Crysound CRY7413. Pozwalają one nie tylko na skuteczną izolację akustyczną od hałasu zewnętrznego, ale również na kontrolę warunków akustycznych wewnątrz komory. Wnętrze komory wyłożone jest stożkową pianką akustyczną o grubości 40 mm, której zadaniem jest redukcja fal odbitych i minimalizacja interferencji. Ułożenie pianki w formie piramidek efektywnie zwiększa powierzchnię absorpcji fal, poprawiając tym samym warunki środowiska pomiarowego.
Komory tego typu umożliwiają również dostosowanie do indywidualnych wymagań konkretnej linii produkcyjnej. Można je zintegrować z automatycznymi systemami testowymi, takimi jak ramiona robotyczne czy dedykowane platformy pozycjonujące.
Rys.1 - CRY7413 Komora pomiarowa o wewnętrznej przestrzeni pomiarowej 500x500x500 mm. Metalowa konstrukcja izoluje od dźwięków zewnętrznych, a pianka akustyczna adaptuje wewnętrzną przestrzeń roboczą.
W zakresie pomiarowym komora CRY7413 zapewnia przestrzeń o wymiarach 50x50x50 cm wraz z izolacyjnością od 20 do 40 dB w zależności od zakresu częstotliwościowego. Przy poziomie tła akustycznego hali wynoszącego 80 dBA, komora zapewnia pomiary z hałasem tła nieprzekraczającym 40 dBA.. .
Referencyjne źródła dźwięku
Kompaktowa przestrzeń komory pomiarowej wymusza stosowanie źródeł dźwięku o niewielkich rozmiarach, przy jednoczesnym zachowaniu odpowiednich właściwości akustycznych. Referencyjne generatory dźwięku są kluczowym elementem w tworzeniu sygnałów pomiarowych o wskazanych parametrach i powtarzalności. Umożliwiają one uzyskanie płaskiej i ciągłej odpowiedzi częstotliwościowej generowanego sygnału, co w przypadku pomiarów akustycznych pozwala uzyskać klarowne wyniki.
Rys. 2 - Symulator ust (referencyjne źródło dźwięku) CRY3602 - pozwala na otrzymanie skalibrowanej odpowiedzi częstotliwościowej w zakresie 100 Hz - 10 kHz ( +/- 1 dB) dla poziomu 94 dB SPL.
Symulatory ust stanowią urządzenie dedykowane do pomiarów akustycznych, szczególnie jeśli bodziec pomiarowy powinien posiadać właściwości zbliżone do ludzkiej mowy. Z tego powodu są powszechnie stosowane w pomiarach mikrofonów wbudowanych w takie urządzenia jak słuchawki, laptopy, urządzenia smart, czy aparaty słuchowe.
Niezależnie od przystosowania do generowania sygnału symulującego ludzką mowę, źródła te mogą zostać wykorzystane do szeroko pojętych pomiarów akustycznych, wymagających przetestowania badanego urządzenia pod kątem odpowiedzi na bodziec akustyczny. Pozwalają one nie tylko na pomiar podstawowych parametrów mikrofonów, takich jak pasmo przenoszenia czy czułość, ale również na walidację bardziej złożonych systemów.
W przypadku sterowania głosowego możliwe jest symulowanie komend w różnych warunkach akustycznych, co pozwala na ocenę skuteczności działania rozpoznawania mowy również w sztucznie zaszumionych warunkach. Analogicznie, weryfikacja działania systemów aktywnej redukcji hałasu wymaga kontrolowanych i powtarzalnych warunków, które mogą być zapewnione jedynie przez precyzyjnie skalibrowane źródła referencyjne.
Przykładowe pomiary
Pomiary urządzeń smart i innej elektroniki użytkowej w kontekście rejestracji sygnału akustycznego obejmują różne procedury pomiarowe. Możemy w tym zakresie wyróżnić kilka przykładowych scenariuszy:
Pomiary parametrów technicznych mikrofonów
Ważną częścią prac projektowych jest weryfikacja parametrów konkretnych podzespołów i modułów. W tym zakresie symulator ust pozwala wygenerować niezbędne bodźce pomiarowe. W zakresie parametrów technicznych testy wykonywane są zazwyczaj przy użyciu bodźców tonalnych oraz przemiatanych w dziedzinie wskazanego zakresu częstotliwości.
Użycie bodźców przemiatanych sygnałem ciągłym lub krokowym pozwala na zautomatyzowane wyliczenia wielu parametrów w tym:
- odpowiedzi częstotliwościowej
- zniekształceń m.in Szum, THD lub IMD
- liniowości systemu
Ważną częścią zapewnienia stabilnego łańcucha pomiarowego jest referencyjny mikrofon pomiarowy. Pozwala on każdorazowo zapewnić powtarzalne warunki generowanego bodźca, upewniając się, że pomiary wykonywane są zgodnie z założoną procedurą.
Rys. 3 - CRY3501 - Mikrofon pomiary dedykowany do ciśnieniowego pola akustycznego. Mikrofon pozwali na zastosowanie w małej przestrzeni komory pomiarowej jako przetwornik referencyjny.
Pomiary oceniające działanie systemów głosowych
Wiele urządzeń smart wyposażonych jest w funkcję sterowania głosowego. Analiza modułu odpowiadającego za przetwarzanie zarejestrowanych komend wymaga dokładnej kontroli zarówno w korzystnych warunkach laboratoryjnych, jak i symulowanym hałasie lub pogłosie.
W tym zakresie możliwa jest test poprawnej reakcji na konkretne komendy, weryfikacja wybudzenia urządzenia po komendzie start oraz sprawdzenie wpływu niekorzystnych warunków akustycznych (hałas zewnętrzny, pogłos) na akwizycję sygnału.
Symulatory ust są używane również w dłuższych łańcuchach weryfikacyjnych, na przykład w urządzeniach smart. W takich pomiarach można wykorzystać komendę wzbudzającą, a następnie zweryfikować parametry techniczne wbudowanego mikrofonu lub głośnika. Takie pomiary wymagają synchronizacji oferowanej przez "otwarte pętle pomiarowe".
Dowiedz się więcej o analizatorach audio z funkcją open-loop.
Poprawność działania systemów aktywnej redukcji hałasu (ANC)
Systemy ANC stają się coraz bardziej zaawansowane, wymagając bardziej złożonych systemów pomiarowych. W tym zakresie rejestrowane i oceniane są zarówno techniczne parametry mikrofonów, jak i systemy przetwarzania sygnału. To szczególnie te drugie wymagają zaprojektowania bardziej zaawansowanego scenariusza pomiarowego, używając referencyjnych generatorów dźwięku.
Rys. 4 - Źródło dźwięku CRY3603 przeznaczone do pomiarów w wyższym zakresie częstotliwości, sięgający 50 kHz.
Dostępne rozwiązania
Firmy Crysound oferuje 3 modele sztucznych ust, dostosowane do konkretnych warunków pomiarowych:
- CRY3602 - wbudowany wzmacniacz pozwala na wykorzystanie źródła ze standardowym generatorem liniowym
- CRY3605 - posiada niespotykanie niskie zniekształcenia THD, kiedy testy wymagają sygnału akustycznej o najwyższych parametrach
- CRY3603 - przystosowany do pomiarów w zakresie wysokich częstotliwości, posiadając zakresie do 50 kHz.
Sztuczne usta oferowane przez Crysound objęte są 10 letnią gwarancją.
Symulatory ust stanowią akustyczne źródło dźwięku, znajdujące swoje zastosowanie w wielu typach pomiarów.
Rozpoczynając od testów produkcyjnych, w których referencyjne źródło umieszczone jest w małej komorze, po pomiary projektowe weryfikujące poprawność działania systemów analizujących sygnały mowy.
W połączeniu z referencyjnym mikrofonem pomiarowym, analizatorem audio i komorą pomiarową, źródła dźwięku pozwalają na stworzenie kompleksowego systemu testowego.