System pomiarowy PULSE

LABORATORIUM

POMIARÓW W TECHNICE STUDYJNEJ

Ćwiczenie nr 6:

KOMPUTEROWY SYSTEM POMIAROWY PULSE

Opracowanie: dr inż. Grzegorz Szwoch aktualizacja: 10.12.2018

1. WPROWADZENIE

Komputerowy system pomiarowy PULSE firmy Brüel & Kjær to zaawansowana platforma do pomiarów dźwięku i drgań w czasie rzeczywistym. Składa się ona z dwóch części. Pierwsza, sprzętowa, to kaseta pomiarowa (front end), zawierająca układy generatorów i analizatorów, umożliwiająca podłączenie mierzonego sprzętu do systemu. Druga część to oprogramowanie

Lab Shop, sterujące procesem pomiarowym, zbierające wyniki pomiarów, umożliwiające

obrazowanie i dalszą analizę tych wyników. System PULSE umożliwia wielokanałowy pomiar dźwięku i drgań. Przykładowo, możliwy jest pomiar rozkładu pola akustycznego w pomieszczeniu za pomocą wielu (np. ośmiu) mikrofonów. Sygnał doprowadzony do głośnika jest odbierany i jednocześnie analizowany przez każdy z mikrofonów, podłączonych do kasety pomiarowej.

Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z filozofią pracy z systemem PULSE. Ze względu na ograniczony czas przeznaczony na wykonanie ćwiczenia, wykonamy jedynie proces umożliwiający skonfigurowanie systemu PULSE od podstaw i wykonanie prostego pomiaru charakterystyki częstotliwościowej i kierunkowej zestawu głośnikowego. Wykorzystamy zatem jedynie małą część możliwości systemu PULSE. System pozwala np. na automatyczne przetwarzanie wyników pomiaru i wykreślanie np. charakterystyki kierunkowej głośnika. Wymaga to jednak napisania odpowiedniego programu w wewnętrznym języku programowania systemu. Z tego powodu skupimy się na przygotowaniu i uruchomieniu projektu pomiarowego, zaś same wyniki pomiarów będziemy notować i analizować „ręcznie”.

2. ZADANIA I OPRACOWANIE

Ćwiczenie będzie przeprowadzane w dwóch pomieszczeniach. W pomieszczeniu pomiarowym (w komorze bezechowej) będzie się znajdował mierzony głośnik oraz mikrofon pomiarowy. W pomieszczeniu kontrolnym znajduje się kaseta pomiarowa, komputer z oprogramowaniem oraz układ sterujący obracaniem stolika z głośnikiem. Pomiędzy tymi pomieszczeniami przeprowadzone są dwa kable sygnałowe oraz kabel sterujący do stolika obrotowego.

Przed przystąpieniem do wykonywania pomiarów należy podłączyć wszystkie przyrządy. Jeżeli prowadzący zrobił to już przed ćwiczeniem, proszę o skontrolowanie poprawności połączeń.

Pomieszczenie pomiarowe:

 Ustawić stolik obrotowy, podłączyć do niego przewód.

 Na stoliku umieścić mierzony głośnik.

 Ustawić mikrofon tak aby celował on w środek głośnika.

 Podłączyć jeden kabel do wejścia wzmacniacza pomiarowego. Ustawić wstępnie na

wzmacniaczu jednostkowe wzmocnienie (0 dB).

 Wyjście wzmacniacza podłączyć do głośnika.

 Do mikrofonu pomiarowego podłączyć drugi kabel pomiarowy.

Pomieszczenie kontrolne:

 Podłączyć kabel połączony ze wzmacniaczem do wyjścia (Output) kasety pomiarowej.

 Podłączyć kabel połączony z mikrofonem pomiarowym do wybranego wejścia kasety, np.

 do wejścia nr 3.

 Zweryfikować czy możliwe jest obracanie stolikiem z głośnikiem. Przywrócić ustawienie

stolika na zerowy kąt.

Po wykonaniu tych czynności można przystąpić do pomiarów.

3. ZADANIA I OPRACOWANIE

Zadanie 1. Przygotowanie projektu pomiarowego

 Podłączyć sprzęt pomiarowy jak opisano w pkt. 2.

 Uruchomić na komputerze program PULSE Lab Shop. Wybrać opcję Blank project.

UWAGA: pamiętać o okresowym zapisywaniu projektu.

 Wybrać z menu View opcję Taskbar. Kliknąć na okienku Task list po lewej stronie okna

programu prawym klawiszem myszy (PKM), wybrać Add Task (można nadać nazwę, np. Setup). Zaznaczyć w menu Task opcję Auto save task layout.

 Z menu Organiser wybrać Configuration. Otworzy się okno Configuration Organiser (CO).

Rozwinąć drzewko 5/1 Channel I/O, wybrać wejście, do którego podłączono mikrofon (np. Input 3). Kliknąć PKM, wybrać Select Transducer. Kliknąć Find, znaleźć podłączony mikrofon według typu i numeru seryjnego (są podane na karcie w pudełku z mikrofonem). Zatwierdzić wybór – teraz mamy skonfigurowane wejście systemu.

 Z menu Organiser wybrać Measurement. Pojawi się okno Measurement Organiser (MO).

Kliknąć PKM na Working, wybrać Get Configuration – spowoduje to pobranie konfiguracji ustawionej w CO.

 Kliknąć PKM na Groups, wybrać New group. Pojawi się Signal group 1 (można zmienić jej

nazwę). Kliknąć PKM na niej, wybrać Insert signal, wybrać sygnał z wejścia, do którego podłączono mikrofon, np. Signal 3. Każdy sygnał pomiarowy poddawany analizie musi być przypisany do grupy (która może zawierać więcej niż jeden sygnał).

 Kliknąć PKM na Setup, wybrać Insert, FFT analyser. Kliknąć na nim PKM, wybrać Insert

group, podać utworzoną wcześniej grupę sygnałów. Dodaliśmy przykładowy analizator mierzonego sygnału. Po wybraniu Properties z jego menu podręcznego można ustawić parametry analizy.

 Z menu Organiser wybrać Function. Otworzy się okno Function Organiser (FO). Okno to

zawiera wszystkie analizy sygnału.

 Z menu Measurement wybrać Activate template, lub wcisnąć klawisz F2. UWAGA:

 W MO kliknąć PKM na Input, wybrać Update function organiser. Powinno to spowodować wypełnienie okna FO dostępnymi analizami.

 W okienku Task list (lewa strona) dodać nowe zadanie. Można je nazwać np. Results albo

Wyniki. W nowym okienku wybrać z menu Organiser opcję Display. Pojawi się okno Display Organiser (DO), które grupuje wykresy wyników analizy.

Zadanie 2. Kalibracja systemu pomiarowego

 Przed przystąpieniem do pomiarów należy zawsze skalibrować mikrofony pomiarowe.

 Umieścić kalibrator na mikrofonie pomiarowym. Włączyć domyślny poziom kalibracji

94 dB SPL.

 W MO kliknąć PKM na Working, wybrać Activate calibration. Zignorować komunikat

o błędzie, dotyczący braku kalibratora wibracji.

 Wybrać z listy Microphone calibration.

 Uruchomić kalibrację (Start). Jeżeli wszystko zostało wykonane poprawnie, po chwili

powinien pojawić się komunikat na zielonym tle. Wcisnąć Stop – kalibracja zakończona. Jeżeli wystąpi błąd, sprawdzić poprawność połączeń i powtórzyć kalibrację.

 W okienku z DO wybrać z menu View opcję Toolbars, Measurement bar. Znaleźć ikony

Start i Stop. Uruchomić pomiar (ikona Start, lub klawisz F5).

 Otworzyć okno wyników analizy FFT przez dwukrotne kliknięcie na odpowiedniej opcji

w DO (jeżeli nie ma w nim wykresu, należy najpierw otworzyć ten sam wykres w FO). Zmierzyć kursorem poziom sygnału na częstotliwości 1 kHz – sprawdzić czy jest zgodny z poziomem kalibracyjnym (pewne niedokładności mogą wynikać z ustawień analizatora FFT).

 Wyłączyć pomiar (ikona Stop lub klawisz F6).

 Wyłączyć kalibrator i zdjąć go z mikrofonu.

Zadanie 3. Pomiar charakterystyki częstotliwościowej głośnika

 Upewnić się że głośnik i mikrofon znajdują się na jednej osi.

 W MO kliknąć PKM na Setup. Dodać (Insert) Generator. Ustawić w jego właściwościach

(Properties) sygnał sinus 1 kHz, o amplitudzie 2,83 Vrms (zakładając że głośnik ma impedancję 8 ohm, a wzmacniacz ma wzmocnienie jednostkowe, powinno to dać moc 1 W na głośniku).

 Pamiętać o uaktualnieniu szablonu (Activate template, F2).

 Uruchomić pomiar. Zweryfikować poprawność połączeń. Odczytać poziom SPL sygnału na

analizatorze. Jeżeli jest zbyt mały (dużo poniżej 80 dB), należy zwiększyć wzmocnienie na wzmacniaczu pomiarowym, ew. również zmniejszyć poziom na generatorze (w takim przypadku lepiej podać poziom 1 V). Zanotować poziom sygnału wejściowego.

 Zmieniając ręcznie częstotliwość na generatorze pomierzyć charakterystykę

częstotliwościową głośnika, mierząc ją kursorem na wykresie FFT (nie trzeba zatrzymywać pomiaru, można zmieniać parametry generatora „w locie”).

się uzyskać stabilnego odczytu poziomu dźwięku, podać dla jakich częstotliwości wystąpił taki przypadek i wytłumaczyć czym jest spowodowany.

 W sprawozdaniu zamieścić wykres charakterystyki w jednostkach bezwzględnych (dB SPL).

Opisać pomierzoną charakterystykę. Podać w przybliżeniu zakres przenoszonych częstotliwości ( ± 3 dB).

 Skomentować uzyskane wyniki.

Zadanie 4. Pomiar charakterystyki kierunkowej

 W tym pomiarze wykorzystamy możliwość zapisywania wyników pomiaru w buforze

czasowym i trójwymiarowej analizy wyników.

 W MO kliknąć PKM na Setup. Z Properties wybrać Trigger, New, nazwać go np. Time.

Ustawić Trigger type na Time (czas), Repeat ustawić na odstęp czasowy, w jakim pomiary mają być zapisywane w buforze, np. 100 ms.

 W tym samym oknie przejść do zakładki Multi-Buffer 1. Włączyć opcję Enable, ustawić Size

na liczbę pamiętanych danych, np. 250 (w zależności od wartości Repeat i czasu pomiaru), Update condition ustawić na utworzony wcześniej wyzwalacz (np. Time).

 W MO kliknąć PKM na FFT analyzer, wybrać Properties, Spectra, Add to multibuffer,

Multi-Buffer 1. Zaznaczyć w tabelce pole na przecięciu Autospectrum i Signal group (wybrana grupa sygnałów). Teraz wyniki pomiaru FFT będą zapisywane we wskazanym buforze. Przy okazji ustawić w opcjach analizatora FFT: Span 10 kHz, Lines 1600.

 Ustawić w opcjach generatora sygnał Swept sine, amplituda 2,83 Vrms, zakres od 100 Hz

do 10 kHz, sweep logarytmiczny, prędkość (Sweep rate) 0,1 dec/s, Repetition: Finite, Number of repetitions: 1.

 Uaktualnić szablon pomiarowy (F2). Kliknąć PKM na Input w MO, wybrać Update FO.

 Uruchomić pomiar. Zatrzymać go gdy sweep się zakończy. Otworzyć wykres

trójwymiarowy z DO. Jeżeli nie zmieścił się cały zakres do 8 kHz, zwiększyć liczbę próbek w buforze i powtórzyć pomiar. Jeżeli rozdzielczość analizy jest zbyt niska, zwiększyć rozdzielczość analizy FFT i/lub zmniejszyć prędkość sweepa. Skopiować gotowy wykres do sprawozdania.

 Przy aktywnym wykresie widma 3D, z menu Display wybrać Harmonic slices (nazwą slice

określa się dwuwymiarowy przekrój wykresu 3D). Wpisać: Fundamental 250 Hz, Number: 32 (250 * 32 = 8000, więc powinniśmy mieć pomiar do 8 kHz), Slices: All, Type: Peak, odznaczyć Delta total include. Zatwierdzić.

 Nowy wykres (dodany także do DO) przedstawia poziomy „harmonicznych”. Po kliknięciu

myszką na wykresie można odczytać poziom dla aktywnej krzywej (zaznaczonej na czerwono). Klawisze strzałek góra/dół na klawiaturze pozwalają przełączać się pomiędzy różnymi krzywymi. Częstotliwość dla wybranej krzywej jest widoczna w oknie kursora pod nagłówkiem Slice definition.

 Pomierzyć i zanotować poziomy sygnału dla częstotliwości: 250 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 2 kHz,

4 kHz, 8 kHz, ustawiając kursor na maksimum krzywej dla zadanej częstotliwości.

 Pomierzyć charakterystykę kierunkową głośnika, obracając stolik z głośnikiem

i powtarzając poprzedni pomiar w tej samej konfiguracji (czyli obracamy stolik i uruchamiamy pomiar, zatrzymujemy go gdy wykres się wypełni). Wykonać pomiary

z krokiem co 30 stopni. Po obróceniu stolika należy skontrolować czy głośnik nie przesunął się na stoliku oraz czy przewód nie zawija się wokół głośnika.

 W sprawozdaniu wykonać wykresy kierunkowości głośnika w sposób możliwie najbardziej

czytelny (w razie wątpliwości zobaczyć jak wyglądają tego typu wykresy w typowej specyfikacji technicznej głośnika). Omówić uzyskane wyniki.

Zadanie 5. Podsumowanie

 Ocenić dokładność wykorzystanej metody pomiarowej. Wskazać i skomentować możliwe

przyczyny niedokładności. Zaproponować usprawnienia procedury pomiarowej (wykorzystując PULSE), umożliwiające zwiększenie dokładności i ergonomii pomiarów.

Bibliografia

PULSE – Getting Started. An Introduction to PULSE. Bruel & Kjaer, 2003. Bruel & Kjaer PULSE – Instrukcja szkoleniowa. Bruel and Kjaer, 1998. Plik pomocy programu Pulse Lab Shop 12.