MERJENJE ZVOKA Z MOBILNIMI NAPRAVAMICELESTINA, METOD (Avtor) Trost, Andrej (Mentor) mobilna napravaaplikacijamerjenje zvokakalibracijaPrekomeren hrup predstavlja problem za javno zdravje in pri prekomerno izpostavljenih osebah povzroča številne zdravstvene težave, kot so okvara sluha, kardiovaskularne bolezni, povišan krvni tlak, motnje spanja in drugi psihološki in sociološki problemi. Meritve hrupa v okolju in na delovnih mestih so urejene z zakonodajo in zahtevajo uporabo merilnikov zvoka, ki so skladni z mednarodnimi standardi. Medtem ko so namenski merilniki zvoka dostopni le profesionalnim uporabnikom, so dragi in pogosto zahtevajo lastniški program za obdelavo podatkov, je bilo v zadnjih letih izvedenih več projektov merjenja hrupa v okolju in na delovnih mestih, kjer je bil za meritve hrupa uporabljen mobilni telefon kot cenejša in dostopnejša alternativa namenskemu merilniku zvoka. Računska moč sodobnih mobilnih telefonov je primerljiva z računsko močjo osebnih računalnikov izpred nekaj let, zato so ti sposobni tudi zahtevnejše obdelave signalov, kot je računanje parametrov zvoka v realnem času. Številne raziskave so pokazale, da je v večini primerov meritev zvoka z mobilnim telefonom primerljiva meritvam s profesionalnim merilnikom zvoka. Glavna pomanjkljivost omenjenih raziskav je bila, da so uporabljale nestandardizirane ad hoc metode kalibracije in kriterije ustreznosti. Namen raziskovalnega dela, ki je predstavljeno v tej doktorski disertaciji, je bil izvesti kalibracijo merilnika zvoka, ki je temeljil na mobilnem telefonu, po uveljavljenih postopkih in kriterijih, ki jih za periodično preverjanje predpisujeta mednarodna standarda IEC 61672 za merilnike zvoka in IEC 61260 za oktavne analizatorje. Če se pri kalibraciji omejimo na uporabo zunanjega mikrofona, lahko izvedemo teste skladno s tema standardoma, saj lahko mikrofon odstranimo in nadomestimo z električnim vzbujanjem. Osnova za raziskovalno delo je bila lastna mobilna aplikacija za merjenje zvoka, ki je bila zasnovana tako, da zagotavlja čim večjo skladnost z zahtevami za merilnike zvoka in oktavne analizatorje. Ključni deli aplikacije so bili zasnovani tako, da so prenosljivi med različnimi mobilnimi platformami. Velika pozornost je bila namenjena tudi računski učinkovitosti aplikacije in pravilnemu računanju, ki je skladno s standardom. Pravilno delovanje je bilo preverjano že v času načrtovanja s testiranjem enot. Aplikacija omogoča upravljanje preko brezžične povezave Wi-Fi, kar je omogočalo avtomatizacijo velikega dela testov. Kalibracija merilnika zvoka, osnovanega na mobilni aplikaciji, je bila izvedena popolnoma avtomatsko, na profesionalnem kalibracijskem sistemu Brüel & Kjær v akreditiranem laboratoriju za kalibracije. Kalibracijski sistem smo s pomočjo programskega vtičnika nadgradili tako, da je lahko upravljal mobilno aplikacijo. Na tem sistemu smo izvedli kalibracijo, ki jo standard IEC 61672 predpisuje za periodično testiranje merilnikov. Test oktavne analize v mobilni aplikaciji je bil izveden na sistemu, ki smo ga zasnovali sami in je bil sestavljen iz sinusnega generatorja z nizkim harmonskim popačenjem, ki je omogočal upravljanje preko vodila GPIB, in pripadajoče skripte v programskem jeziku Python, ki je nastavljala generator in prenašala izmerjene vrednosti zvočnih ravni iz mobilne aplikacije ter tako omogočala avtomatsko izvajanje testov. Pri testiranju smernega odziva smo uporabili vrtljivi nosilec mikrofona Brüel & Kjær tipa 3923, ki smo ga prilagodili tako, da je omogočal nadzorovano vrtenje po korakih. Na os nosilca smo pritrdili nosilec mobilnega telefona, ki je bil zasnovan tako, da je os vrtenja potekala skozi mikrofon. Sistem za testiranje smernega odziva je bil sestavljen iz sinusnega generatorja, zvočnika z vgrajenim ojačevalnikom in vrtljivega mikrofonskega nosilca s pripadajočim vmesnikom za upravljanje, ki je bil na osebni računalnik povezan preko povezave USB. Merilni postopek je bil izveden s pomočjo skripte v programskem jeziku Python, ki je skrbela za nastavljanje frekvence generatorja, branje izmerjenih zvočnih ravni iz mobilne aplikacije in upravljanje vrtenja. Za meritev tehničnih omejitev mobilnih naprav smo aplikacijo dodatno prilagodili tako, da je med delovanjem beležila obremenitev centralne procesne enote z lastnim delovanjem, čas, potreben za obdelavo signala, in stanje baterije, s čimer smo lahko določili čas delovanja in potrebno računsko moč. Maksimalne ravni, ki jih je mogoče izmeriti z mobilno napravo, smo za zunanji mikrofon določili z električnim signalom, za vgrajeni mikrofon pa z akustičnim vzbujanjem v gluhi komori. Rezultati kalibracije na profesionalnem kalibracijskem sistemu so pokazali, da merilnik zvoka, sestavljen iz mobilnega telefona, namenske aplikacije in zunanjega mikrofona, zadosti zahtevam razreda 2, ki jih za periodično preverjanje merilnikov predpisuje mednarodni standard IEC 61672. Test frekvenčnih uteženj je pokazal največja odstopanja od pričakovanih ravni uteženj pri nizkih in visokih frekvencah, kar je posledica frekvenčnega odziva mikrofonskega vhoda. Oktavna analiza v aplikaciji je bila zasnovana tako, da je bilo z njo pokrito frekvenčno območje od 20 Hz do 20 kHz. Testi so pokazali, da analiza popolnoma zadosti celo zahtevam razreda 1, ki jih za oktavne analizatorje predpisuje mednarodni standard IEC 61260, tako pri oktavni kot tudi terčni analizi. Večje odstopanje prevajalne funkcije od pričakovanega poteka se je pokazalo pri najvišjem in najnižjem oktavnem in terčnem pasu. Pri nizkih frekvencah na potek prevajalne funkcije vpliva mikrofonski vhod, pri visokih pa prenizka vzorčna frekvenca. V disertaciji so predstavljeni tudi rezultati testiranja smernega odziva, ki niso del periodičnega preverjanja merilnikov. Smerni odziv mobilnega telefona je v vodoravni ravnini skladen z zahtevami standarda IEC 61672 za razred 2 tako pri uporabi vgrajenega kot tudi zunanjega mikrofona. Test tehničnih omejitev naprav je pokazal, da imajo mobilne naprave dovolj računske moči za izvajanje analize zvoka, čas delovanja pa je na vseh napravah presegel 8 ur. Frekvenčno območje, kjer je odziv linearen, je pri mikrofonskem vhodu med 100 Hz in 10 kHz, pri vgrajenem mikrofonu pa med 100 Hz in 5 kHz.20202020-12-21 18:00:01Doktorsko delo/naloga124038sl