wersja mobilna
Online: 394 Wtorek, 2016.09.27

Technika

Hyundai wykorzystuje przenośną kamerę akustyczną zaprojektowaną w oparciu na LabVIEW i układy FPGA do analizy hałasu

czwartek, 18 grudnia 2014 13:00

Stworzenie przenośnego systemu do wizualizacji i identyfikacji źródeł hałasów typu BSR (od Buzz, Squeak, Rattle) w samochodach firmy Hyundai. Opracowanie podręcznej kamery akustycznej przeznaczonej do identyfikacji oraz lokalizacji źródeł hałasu w czasie rzeczywistym, z użyciem oprogramowania NI LabVIEW oraz mikrosystemów (MEMS) i technologii FPGA, w celu uzyskania większej szybkości odświeżania obrazu oraz zmniejszenia całkowitej wagi urządzenia.

Fot. 1. Kamera akustyczna SeeSV używana do wychwycenia oddziaływania osłony silnika w Hyundai Genesis

Klienci oczekują, że w ich autach nie będzie słychać żadnych hałasów strukturalnych. Według badań, takich jak J.D. Power Initial Quality Study (IQD), w którym wiele pojazdów firmy Hyundai zdobyło najwyższe oceny, dźwięki te wpływają na poziom zadowolenia klientów. Przyczyną ich powstawania są zderzenia i tarcie pomiędzy ruchomymi częściami.

Mogą one charakteryzować się dużą zawartością składowych o wysokich częstotliwościach, kiedy na styku metalu z metalem, lub metalu z gumą pojawia się tarcie. Niepożądane dźwięki o niższych częstotliwościach słyszymy, gdy samochód porusza się lub kiedy w stojącym pojeździe włączony jest silnik. Mogą one być wytworzone także przez głośniki generujące dźwięki o niskiej częstotliwości i wysokim natężeniu. Niezależnie od źródła, pierwszym krokiem w kierunku eliminacji niepożądanych dźwięków jest identyfikacja ich źródła.

Kształtowanie wiązek akustycznych wymaga zmapowania źródeł dźwięku z wykorzystaniem specjalnej macierzy przetworników elektroakustycznych. Identyfikuje ona kierunek, z którego pochodzi dźwięk, dzięki opóźnieniom następującym podczas przechodzenia dźwięku przez układ mikrofonów, taki jak na przykład kamera akustyczna.

Rys. 1. Dźwięki typu BSR występują w zakresie częstotliwości wyższych niż zwykły hałas silnika

Kamera ta wizualizuje dźwięk jako kolorowe kontury, w podobny sposób, jak kamera termowizyjna wizualizuje temperaturę. Macierz mikrofonów, która implementuje metodę kształtowania wiązek, lokalizuje wizualnie źródło hałasu, co czyni ją jednym z najlepszych urządzeń do wykrywania hałasów strukturalnych. Wiele komercyjnych urządzeń tego typu dodatkowo zawiera zintegrowane kamery wideo.

Dzięki temu można nałożyć kontury pozyskane z macierzy na obraz optyczny, a to upraszcza lokalizację źródła hałasu. Często możemy zbierać nawet kilka obrazów na sekundę, dzięki czemu możliwe jest uzyskanie nagrania wideo. Zazwyczaj jakość obrazu, dźwięku i nagrań jest lepsza w wyższych zakresach częstotliwości, gdyż wydajność systemu jest odwrotnie proporcjonalna do długości fali dźwiękowej.

Wykorzystując sprzęt i oprogramowanie NI, opracowaliśmy przenośną kamerę akustyczną o wiele wcześniej niż nasza konkurencja. Wierzę, że pomoże nam to dostarczać klientom lepsze pojazdy.

Kang-Duck Ih
Hyundai Motor Group

Identyfikacja źródeł hałasu stawia pewne wymagania przed urządzeniami, które chcemy w tym celu zastosować. Po pierwsze, muszą one mieć krótkie czasy odpowiedzi, aby móc zarejestrować dźwięki pojawiające się chwilowo. Większość hałasów BSR występuje nieregularnie i krótko - mogą się pojawiać tylko na kilka milisekund.

Fot. 2. Źródła dźwięków wykrywane są w drzwiach i oknach samochodu

Po drugie, do tego zastosowania potrzebowaliśmy przenośnego urządzenia o odpowiednio małej wadze i rozmiarach, które może być używane wewnątrz pojazdu pasażerskiego. Jako że wielkość układu jest proporcjonalna do rozdzielczości obrazu, szczególnie w zakresach niskich częstotliwości, spełnienie tego warunku nie było łatwe. Nasze urządzenie zostało zoptymalizowane do pracy w zakresie od 300 Hz do 8 kHz.

Pierwsze systemy do identyfikacji źródeł niepożądanych dźwięków, które opracowaliśmy, wykorzystywały spiralne macierze mikrofonów analogowych mające od 30 do 48 kanałów i o średnicy do 85 cm. Za akwizycję sygnałów w wersji 30-kanałowej odpowiedzialny był moduł DSA (Dynamic Signal Acquisition) NI 9234 będący częścią systemu NI CompactDAQ, natomiast w wersji 48-kanałowej to samo zadanie spełniał moduł DSA PXIe-4497.

Aplikację dla kamery akustycznej opracowaliśmy w LabVIEW z dodatkiem NI Sound and Vibration Measurement Suite, który umożliwiał pomiary dźwięku oraz ich wizualizację w czasie rzeczywistym. Większy wariant urządzenia umożliwił zarówno identyfikację źródła hałasu, jak i określenie poziomu czynnika NVH (Noise, Vibration, Harshness) od częstotliwości 50 Hz. Kamera akustyczna była wykorzystywana do różnych zastosowań, między innymi do wizualizacji hałasu toczenia opon i drgań paneli drzwiowych spowodowanych działaniem głośników.

Rys. 2. Porównanie rozmiarów dwóch zaprojektowanych systemów

Ponieważ urządzenia służące do przetwarzania sygnałów są szybko udoskonalane, zmodyfikowaliśmy nasz system, wykorzystując mikrofony MEMS i technologię FPGA. Dzięki temu był on wystarczająco lekki i wygodny, co umożliwiło jego zastosowanie w ciasnych miejscach, a tym samym zaspokoiło wymagania firmy Hyundai.

Wydajność mikrofonów MEMS polepszyła się dzięki ich zastosowaniom w elektronice użytkowej, takim jak telefony komórkowe. Są one teraz wysoce niezawodne i przystępne cenowo, a także mają płaską charakterystykę w zakresie częstotliwości głosu ludzkiego, czyli między 300 Hz a 8 kHz, czyli tym najistotniejszym z perspektywy omawianej analizy.

Cyfrowy mikrofon MEMS integruje w jednym chipie przetwornik akustyczny, przedwzmacniacz i przetwornik sigma-delta. Ponieważ chip konwertuje sygnał analogowy do ciągu pulsów cyfrowych, upraszcza to system, redukując jego rozmiar i wagę, jednocześnie utrzymując wysoki poziom wydajności.

Zmodyfikowaliśmy naszą aplikację, wykorzystując moduł LabVIEW FPGA tak, aby wymagające obliczeniowo algorytmy kształtowania wiązki działały na układzie FPGA kontrolera NI Single-Board RIO, co odniosło pozytywny efekt w kwestiach rozmiaru, kosztu i przenośności. Umożliwiło to także integrację akwizycji danych, kondycjonowania sygnału, jego filtrowania oraz formowania wiązki w jednym układzie FPGA z bezpośrednio podłączonym sprzętem do akwizycji danych, co zminimalizowało opóźnienia. Układ FPGA może wykonywać setki operacji w każdym cyklu, prześcigając wydajność komputera osobistego dzięki równoległemu wykonywaniu różnych zadań.

Fot. 3. Ergonomicznie zaprojektowane uchwyty ułatwiają obsługę

Nowy system ważył poniżej 2 kg, zapewniając zdecydowanie lepszą przenośność i wytrzymałość. Do montażu układu mikrofonów oraz kamery zaprojektowaliśmy pojedynczy statyw z trzema uchwytami z tyłu, umożliwiający stabilną obsługę jedną ręką lub oburącz. Wszystkie czujniki zamontowaliśmy w głównej obudowie ze zintegrowanym okablowaniem, redukując tym samym rozmiar o 60% i wagę o 70% w porównaniu z poprzednim systemem.

Małe rozmiary i waga naszego urządzenia umożliwiają wykorzystywanie go do interaktywnego badania różnych źródeł hałasu wewnątrz i na zewnątrz pojazdu, nawet w ciasnych przestrzeniach. Jego konstrukcja sprawia, że jest on łatwy w ustawieniu i konfiguracji. Dzięki wysokiej częstotliwości generowania obrazów, system okazuje się bardzo efektywny w wychwytywaniu i wizualizacji hałasów i jest używany w testach kilku nowych modeli luksusowych samochodów, takich jak Hyundai Genesis.

Kand-Duck Ih,
Hyundai Motor Group
Youngkey K. Kim,
SM Instruments Co., Ltd.

 

zobacz wszystkie Nowe produkty

Pakiet oprogramowania do symulacji i testów produktów

2016-09-26   | SIEMENS Sp. z o.o.
Pakiet oprogramowania do symulacji i testów produktów

Siemens PLM Software wprowadził do oferty nową rodzinę produktów Simcenter - rozbudowany pakiet rozwiązań programowych do symulacji i testów. Simcenter łączy te ostatnie z inteligentnym raportowaniem i analityką danych, tak aby móc przedstawić produkt na wszystkich etapach jego rozwoju, a także jego przewidywaną wydajność działania.
czytaj więcej

Linkowy czujnik przemieszczenia o zakresie pomiarowym do 10,2 mm

2016-09-26   |
Linkowy czujnik przemieszczenia o zakresie pomiarowym do 10,2 mm

Wachendorff Automation udostępnia nową serię precyzyjnych linkowych czujników przemieszczenia SZG140, których zakres pomiaru zwiększono do 10,2 m. Mogą być one wykorzystywane do pomiaru położenia, szybkości liniowej i odległości np. w dźwigach, cylindrach hydraulicznych i przenośnikach ślimakowych.
czytaj więcej

Nowy numer APA