Elimination of the Phase Mismatch Error in PP Probe Using Synchronous Measurement Technique

Raczyński, Michał

doi:10.14313/PAR_244/35

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Elimination of the Phase Mismatch Error in PP Probe Using Synchronous Measurement Technique

Autorzy

Raczyński Michał

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

DOI

10.14313/PAR_244/35

Warianty tytułu

Wykorzystanie synchronicznego pomiaru do eliminacji błędu fazowego w sondzie typu PP

Języki publikacji

Abstrakty

The paper presents a modification of the pressure-pressure (PP) sound intensity measurement method. In the proposed solution simultaneous measurement with a pair of microphones (used in the classical PP probe) is replaced by a sequence of measurements taken with a single microphone placed in successive positions. This approach requires an additional (reference) microphone to synchronize the successive measurements. Although, in the process of calculating the sound intensity only the signal from the measurement microphone is used. Thanks of this the errors associated with differences in the frequency responses of the measurement microphones (especially phase mismatch error) that occurs in the classical PP method are eliminated. This approach simultaneously increases the random error and limits the measurements to periodic signals only. The article presents the principle of operation of the classical PP probe and the currently used methods of phase mismatch error elimination based on pre-calibration of the probe. Next, the theoretical basis of the proposed measurement method is described. To verify the effectiveness of phase mismatch error elimination in the proposed method, an experiment was conducted. It consisted in estimation the angle of incidence of an acoustic wave under controlled conditions in an anechoic chamber. The measurement was carried out with the classical PP probe and with the modified method. Measurements were made for different sound sources (a loudspeaker set and a small electrical device). In the final part of the paper, the results are discussed, both methods (classical and modified) are compared and potential applications of the proposed method are indicated.

W artykule zaprezentowano modyfikację metody pomiaru natężenia dźwięku z wykorzystaniem sondy PP (ang. pressure-pressure). W zaproponowanym rozwiązaniu jednoczesny pomiar ciśnienia akustycznego za pomocą dwóch mikrofonów pomiarowych (używanych w klasycznej sondzie PP) został zastąpiony sekwencją pomiarów dokonywanych jednym mikrofonem pomiarowym umieszczanym w kolejnych pozycjach. Zaproponowana metoda pozwala na eliminację błędu związanego z niejednakowymi odpowiedziami częstotliwościowymi (głównie fazowymi) mikrofonów użytych w klasycznej sondzie PP. Jej zastosowanie jest ograniczone do pomiaru sygnałów okresowych. Jednocześnie wzrasta błąd przypadkowy, który można jednak wyeliminować metodami statystycznymi. Pomimo, że zaproponowane podejście wymaga zastosowania mechanizmu synchronizacji pomiarów i użycia w tym celu dodatkowego mikrofonu pomocniczego, to w samym procesie wyznaczania natężenia dźwięku bierze udział jedynie sygnał z mikrofonu pomiarowego. W artykule zaprezentowano zasady pomiaru natężenia dźwięku za pomocą klasycznej sondy PP oraz obecnie stosowane metody eliminacji błędów związanych z niedopasowaniem charakterystyk częstotliwościowych mikrofonów, bazujące na wstępnej kalibracji sondy. Następnie przedstawione są teoretyczne podstawy zaproponowanej metody pomiarowej. Aby zweryfikować jej skuteczność przeprowadzono eksperyment pomiarowy polegający na pomiarze kąta padania fali akustycznej w ściśle określonych warunkach w komorze bezechowej. Eksperyment przeprowadzono z wykorzystaniem klasycznej metody PP oraz z wykorzystaniem zaproponowanej metody zmodyfikowanej. Dokonano pomiarów dla różnych źródeł dźwięku (zestawu głośnikowego oraz małego urządzenia elektrycznego). W końcowej części artykułu wyniki porównawcze są poddane dyskusji w celu wskazania potencjalnych zastosowań zaproponowanej metody.

Słowa kluczowe

PP-probe sound intensity phase mismatch error

sonda natężeniowa typu PP błąd niedopasowania fazy pomiar natężenia dźwięku

Wydawca

Sieć Badawcza Łukasiewicz - Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP

Czasopismo

Pomiary Automatyka Robotyka

Rocznik

2022

Tom

R. 26, nr 2

Strony

35--46

Opis fizyczny

Bibliogr. 36 poz., rys., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Raczyński Michał

michal.raczynski@zut.edu.pl

West Pomeranian University of Technology, Faculty of Electrical Engineering, al. Piastów 17, 70-310 Szczecin

https://orcid.org/0000-0002-4106-6802

Bibliografia

1. de Bree H.-E., The Microflown: An acoustic particle velocity sensor, “Acoustics Australia”, Vol. 31, 2003, 91-94.
2. Cao J., Liu J., Wang J., Lai X., Acoustic vector sensor: reviews and future perspectives, “IET Signal Processing”, Vol. 11, No. 1, 2017, 1-9, DOI: 10.1049/iet-spr.2016.0111.
3. Chung J.Y., Cross-spectral Method of Measuring Acoustic Intensity, Research Publication, General Motors Research Laboratory, GMR-2617, Warren, Michigan, 1977.
4. Duan W., Kirby R., Prisutova J., Horoshenkov K., Measurement of complex acoustic intensity in an acoustic waveguide, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 134, No. 5, 2013, 3674-3685, DOI: 10.1121/1.4821214.
5. Fahy F.J., Measurement of acoustic intensity using the cross-spectral density of two microphone signals, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 62, No. 4, 1977, 1057-1059, DOI: 10.1121/1.381601.
6. Fahy F.J., Sound Intensity, 2nd edition London, England: E&FN Spon, 1995.
7. Farina A., Torelli A., Measurement of the Sound Absorption Coeffcient of Materials with a New Sound Intensity Technique, “Journal of The Audio Engineering Society”, 1997.
8. Gundre K., Comparative Study and Design of Economical Sound Intensity Probe, Open Access Master’s Report, Michigan Technological University, 2019.
9. Jacobsen F., A simple and effective correction for phase mismatch in intensity probes, “Applied Acoustics”, Vol. 33, No. 3, 1991, 165-180, DOI: 10.1016/0003-682X(91)90056-K.
10. Jacobsen F., Handbook of Signal Processing in Acoustics. Intensity Techniques, Springer: New York, NY, USA, 2008, 1109-1127.
11. Jacobsen F., de Bree H-E., A comparison of two different sound intensity measurement principles, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 118, No. 3, 2005, 1510-1517, DOI: 10.1121/1.1984860.
12. Kotus J., Czyżewski A., Kostek B., 3D Acoustic Field Intensity Probe Design and Measurements, “Archives of Acoustics”, Vol. 41, No. 4, 2016, 701-711, 2016, DOI: 10.1515/aoa-2016-0067.
13. Kotus J., Szwoch G., Calibration of acoustic vector sensor based on MEMS microphones for DOA estimation, “Applied Acoustics”, Vol. 141, 2018, 307-321, DOI: 10.1016/j.apacoust.2018.07.025.
14. Krishnappa G., Cross-spectral method of measuring acoustic intensity by correcting phase and gain mismatch errors by microphone calibration, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 69, No. 1, 1981, DOI: 10.1121/1.385314.
15. Lanoye R., Vermeir G., Lauriks W., Kruse R., Mellert V., Measuring the free field acoustic impedance and absorption coeffcient of sound absorbing materials with a combined particle velocity-pressure sensor, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 119, No. 5, 2006, DOI: 10.1121/1.2188821.
16. Mickiewicz W., Jabłoński M.J., Pyła M., Calculation of spatial sound intensity distribution based on synchronised measurement of acoustic pressure, [In:] Proceedings of the 18th International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR), Międzyzdroje, Poland, August 2013, DOI: 10.1109/MMAR.2013.6669996.
17. Mickiewicz W., Raczyński M., Mechatronic 3D sound intensity probe and its application to DOA, [In:] Proceedings of the 23rd International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR), Międzyzdroje, Poland, August 2018, DOI: 10.1109/MMAR.2018.8486005.
18. Mickiewicz W., Raczyński M., Mechatronic Sound Intensity 2D probe, [In:] Proceedings of the 22nd International Conference on Methods & Models in Automation & Robotics (MMAR), Międzyzdroje, Poland, August 2017, DOI: 10.1109/MMAR.2017.8046947.
19. Mickiewicz W., Raczyński M., Modified pressure-pressure sound intensity measurement method and its application to loudspeaker set directivity assessment. “Metrology and Measurement Systems”, Vol. 27, No. 1, 2020, DOI: 10.24425/mms.2020.131720.
20. Mickiewicz W., Raczyński M., Parus A., Performance Analysis of Cost-Effective Miniature Microphone Sound Intensity 2D Probe, “Sensors”, Vol. 20, No. 1, 2020, DOI: 10.3390/s20010271.
21. Nagata S., Furihata K., Wada T., Asano D.K., Yanagisawa T., A three-dimensional sound intensity measurement system for sound source identification and sound power determination by ln models, “The Journal of the Acoustical Society of America”, Vol. 118, No. 6, 2005, DOI: 10.1121/1.2126929.
22. Oswald L.J., Identifying the noise mechanism of single element of a tire tread pattern, [In:] Proceedings of Inter-Noise 81, ed. Royster L.H., Hunt D., Stewart N.D., Noise Control Foundation, 1981, 53-56.
23. Prascevic R., Milosevic A., Cvetkovic S., Determination of absorption characteristic of materials on basis of sound intensity measurement, “Journal de Physique IV Colloque”, Vol. 4 (C5), 1994, C5-159-C5-162.
24. Reinhart T.E., Crocker M.J., Source identification of a diesel engine using acoustic intensity measurements, “Noise Control Engineering”, Vol. 18, No. 3, 1982, 84-92, DOI: 10.3397/1.2832203.
25. Sani M.S.M., Rahman M.M., Baharom M.Z., Zaman I., Sound intensity mapping of an engine dynamometer, “International Journal of Automotive and Mechanical Engineering”, Vol. 12, 2015, 2820-2828, DOI: 10.15282/ijame.12.2015.2.0237.
26. Tervo S., Direction Estimation Based on Sound Intensity Vectors, [In:] Proceedings of the 17th European Signal Processing Conference, 2009.
27. Zhang Y., Fu J., Li G., A Novel Self-Calibration Method for Acoustic Vector Sensor, “Mathematical Problems in Engineering”, 2018, DOI: 10.1155/2018/1219670.
28. ISO 9614-1:1993 Acoustics - Determination of sound power levels of noise sources using sound intensity - Part 1: Measurement at discrete points; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 1993.
29. ISO 9614-2:1996 Acoustics - Determination of sound power levels of noise sources using sound intensity - Part 2: Measurement by scanning; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 1996.
30. ISO 9614-3:2002 Acoustics - Determination of sound power levels of noise sources using sound intensity - Part 3: Precision method for measurement by scanning; International Organization for Standardization: Geneva, Switzerland, 2002
31. International Standard. IEC Standard 1043: Instruments for measurement of sound intensity; International Electrotechnical Commission Geneva, Switzerland, 1993
32. Sonion. [www.sonion.com/hearing/microphones/8000-electret] (01.02.2021).
33. Genelec. [www.genelec.com/8040b] (01.02.2021).
34. National Instruments. [www.ni.com/pdf/manuals/374455c.pdf] (01.02.2021).
35. National Instruments. [www.ni.com/pl-pl/support/model.pxie-1082.html] (01.02.2021).
36. Sound Intensity Probe Kit Type 3599, Product Data, Brüel & Kjær Sound & Vibration Measurement A/S DK-2850 Nærum, Denmark, 2020

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-e0df2694-d6a0-4b4e-bb9c-b5173e80e3c2