Produkcyjne pomiary audio urządzeń smart

Wstęp


Poniższy artykuł porusza zagadnienia związane z produkcyjnymi pomiarami urządzeń smart, szczególnie tymi wyposażonymi w komponenty akustyczne takie jak mikrofony i głośniki. Przedstawione poniżej sekwencje pomiarowe, mają na celu przedstawienie samego konceptu pomiarów, w tym akwizycji sygnału, dostosowania stanowiska pomiarowego oraz szeregu automatyzacji pozwalającej na zoptymalizowanie czasu pomiarowego.


Ze względu na na ciągły rozwój segmentu smart, ich weryfikacja pod kątem komponentów akustycznych nie obejmuje już jedynie inteligentnych głośników lub innych urządzeń stricte dedykowanych odtwarzaniu muzyki. Weryfikacja akustyczna pokrywa coraz to szerszy zakres urządzeń od smart zegarków i telewizorów, kończąc na kamerach, czy domofonach. Potrzebę tą zwiększa coraz popularniejsza technologia sterowania głosowego, która wymaga zastosowania nowych procedur w masowej weryfikacji urządzeń.


W kolejnych rozdziałach przedstawione zostaną konkretne rozwiązania oferowane przez analizatory Audio Precision i inne akcesoria dedykowane testom produkcyjnym. Pomimo skupienia się na testach produkcyjnych, wiele z poruszonych procedur lub systemów, może zostać wykorzystana w mniej masowych pomiarach projektowych, które z natury nie wymagają aż takich form automatyzacji. Połączenie obu środowisk zapewnia jedną platformę pokrywającą etap projektowy i produkcyjny, znacznie ułatwiając dostosowanie wymogów i limitów dla końcowych urządzeń.

Urządzenia smart - komponenty audio


Segment smart stanowi szeroką grupę urządzeń, mocno zróżnicowanych w rejestracji i generowaniu sygnałów. Pod względem pomiarowym wymaga to dostosowania sposobu transmisji i akwizycji sygnałów, funkcji pomiarowych obliczających wskazane parametry oraz akcesoriów umożliwiających zapewnienie odpowiednich warunków i sterowania badanym urządzeniem.

Asystent głosowy


Sterowanie głosowe wykorzystuje zazwyczaj macierz kilku do kilkunastu mikronów, które wraz ze specjalnymi algorytmami pozwalają na detekcję komend w niekorzystnych warunkach akustycznych. Testowanie mikrofonów odbywa się poprzez analizę plików WAV z zapisanym sygnałem pomiarowym. Kluczowa jest tutaj synchronizacja sygnału, która pozwala zarówno na wybudzenie badanego urządzenia oraz określenie odpowiedzi częstotliwościowej mikrofonów lub koherencji sygnału nadanego do zarejestrowanego.

Algorytmy procesujące dźwięk


Urządzenia smart używają szeregu algorytmów pozwalających na poprawę ich parametrów m.in. poprzez zwiększenie rozpoznawalność mowy, redukcję hałas w systemach ANC, eliminację echa czy equalizacja sygnału audio.

Wbudowane głośniki


System dedykowany pomiarom głośników w dużej mierze będzie zależał od sposobu dostarczania sygnału. W przypadku fizycznych połączeń sygnał podawany jest poprzez generator i analizowany za pomocą mikrofonu pomiarowego. W przypadku głośników sieciowych, wykorzystywana jest otwarta pętla pomiarowa, w której analizator w sposób zależny od pomiaru wykrywa sygnał testowy. Najczęściej analizowany parametrami jest tutaj odpowiedź częstotliwościowa oraz zniekształcenia harmoniczne THD lub THD+N. 

Przewodowe i bezprzewodowe połączenia


Ważnym aspektem jest również forma przesyłania sygnału. W przypadku połączeń bezprzewodowych, np. streamingu, ważnym aspektem będzie możliwość zsynchronizowania oprogramowania sterującego urządzeniem z oprogramowaniem pomiarowym. Testy z wykorzystaniem fizycznego złącza sygnałowego są łatwiejsze w konfiguracji wymagając jedynie dostarczenia odpowiedniego złącza lub w przypadku sygnału cyfrowych odpowiedniego protokołu. 

Dobór systemu pomiarowego


Urządzenia smart składają się z wielu komponentów i systemów, które przyczyniają się do ogólnej wydajności produktów. Mnogość komponentów hardwarowych takich jak głośniki, mikrofony, przetworniki A/D i D/A rozszerzone o zarządzający nimi software, stwarza potrzeby przetestowania zarówno poszczególnych elementów jak i finalnego urządzenia. 


Różne konteksty pomiarowe, wymagać będą od urządzenia innych właściwości. Pod kątem systemu pomiarowego testy R&D będą skupiać się na możliwości weryfikacji poszczególnych komponentów i ich relacji, z większym naciskiem na możliwości obserwacji i analizy wyników, a mniejszym na czasie trwania pojedynczego pomiaru. Z drugiej strony testy produkcyjne, obejmujące poszczególne komponenty lub gotowe urządzenia, redukować będą liczbę badań ograniczając się do tych krytycznych, zmniejszając tym samym czas potrzebny na pomiar jednego urządzenia.

Analizator audio


Dobór analizatora audio definiuje zazwyczaj sposób i środowisko w jakim będziemy wykonywać pomiary audio. Audio Precision oferuje szeroki zakres analizatorów dostosowanych pod kątem złączy połączeniowych, liczby kanałów pomiarowych, dostępnych modułów do pomiarów cyfrowych, czy ogólnych parametrów technicznych.

Rys. 1 - Analizatory Audio Precision od góry APx515B, APx517B, APx525B 

Platforma pomiarowa


Analizatory Audio Precision są zarządzane za pomocą oprogramowania APx500. Platforma ta pozwala na użycie szeregu gotowych funkcji pomiarowych pozwalających w ciągu kilku sekund na rejestrację wskazanych parametrów z zachowaniem określonych warunków pomiarowych. Dodatkowo poszczególne tryby pozwalają na dostosowanie pracy do zautomatyzowanych warunków produkcyjnych lub bardziej wnikliwych testów projektowych. 


Oprogramowanie zapewnia pełną kompatybilność z zewnętrznymi środowiskami produkcyjnymi, oferując komunikację poprzez API. Audio Precision zapewnia szeroką bibliotekę komendy i gotowych skryptów, pozwalając na szybką integrację oprogramowania w istniejące środowisko.   

Rys. 2 - Oprogramowanie Audio Precision APx500

Akcesoria pomiarowe


Dostosowanie środowiska pomiarowego do testowanego urządzenia, wymaga wykorzystania odpowiednich akcesoriów, w tym m.in.:

Mikrofony pomiarowe


W warunkach pomiarowych najczęściej wykorzystywane są mikrofony pola swobodnego lub mikrofony pola ciśnieniowego, w zależności od miejsca usytuowania mikrofonu (tutaj więcej o doborze mikrofonu względem pola akustycznego).


W przypadku testów produkcyjnych, często wykorzystuje się również tańsze konstrukcje dedykowane testom produkcyjnym, w których płaską odpowiedź częstotliwościową uzyskuje się poprzez equalizację.

Rys. 3 - Mikrofon pomiarowy dedykowany pomiarom produkcyjnym GRAS 40PM

Przełączniki/Switchery audio


Dzięki automatyzacjom dostępnym w programie APx500, przełączniki z SWR pozwalają na rozszerzenie liczby kanałów pomiarowych analizatora, dostosowując go do urządzeń z większą liczbą kanałów lub pomiarów kilku urządzeń jednocześnie.

Komory pomiarowe


Wykonanie testów akustycznych wymaga zapewnienia odpowiednich warunków. Idealne warunki pola swobodnego dostępne są jedynie komorach bezechowych (tylko w określonym zakresie częstotliwości), których wdrożenie nie jest możliwe w warunkach produkcyjnych.


Z tego powodu, głównym aspektem będzie odizolowanie się od hałasów zewnętrznych, a same odbicia będa standaryzowane lub niwelowane za pomocą oprogramowania pomiarowego.

Rys. 4 - Komora pomiarowa GRAS AL0030

Pomiary akustyczne


W tym rozdziale poruszone zostaną praktyczne aspekty związane z pomiarami akustycznych komponentów, głównie mikrofonów i głośników wbudowanych w urządzeniach smart oraz algorytmów przetwarzających sygnał. 

Pobudzenie badanego urządzenia do pomiarów


Automatyzacja pomiarów wymaga zarówno sekwencyjnej pracy systemu pomiarowego ale również ciągłej komunikacji z badanym urządzeniem, przygotowując je do konkretnych działań. Oprogramowanie Audio Precision umożliwia wiele sposobów na “wybudzenie” badanego urządzenia przygotowania go do akwizycji lub generacji sygnału.


Jednym z możliwości jest integracja środowiska Audio Precision z innym środowiskiem pomiarowym poprzez API. W takim przypadku program APx500 zarządzany jest z pozycji komend stając się częścią większego scenariusza pomiarowego.


Kiedy taka integracja nie jest wymagana program APx500 pozwala na użycie funkcji “Program” odpowiedzialnej za uruchomienie wskazanego skryptu i wykonującego wskazane funkcje. Po zakończeniu zewnętrznej sekwencji, która np. przygotowywała głośnik do akwizycji sygnału, oprogramowanie APx500 rozpoczyna kolejny etap sekwencji przechodząc do pomiarów.

Rys. 5 - Opcja Program umożliwia wywołanie zewnętrznego wykonującego określone komendy

W przypadku asystentów głosowych, ustawienie danego głośnika w tryb pomiaru, może wymagać komendy głosowej. Audio Precision umożliwia pracę w otwartej pętli pomiarowej pozwalając na brak bezpośredniego połączenia wyjścia i wejścia analizatora. W takiej sytuacji pomiary wykonywane są przy pomocy nagranych plików WAV. W przypadku pobudzenia głosowego, komendę umieszcza się przed konkretnym plikiem pomiarowym.

Rys. 6 - Prezentacja komendy wzbudzającej badane urządzenia poprzedzającej sygnał pomiarowy

Ścieżka wejściowa - pomiar
​mikrofonów wbudowanych
w urządzenia smart


Ogólne założenia

Takie testy mają na celu weryfikację mikrofonów umieszczonych w badanym urządzeniu oraz ocenę poprawności działania algorytmów odpowiedzialnych za przetwarzanie rejestrowanego sygnału w tym mowy m.in. w systemach asystenta głosowego. Koncepcja polega na podaniu określonego bodźca akustycznego wygenerowanego przez głośnik oraz późniejsze przeanalizowanie i porównanie sygnału zarejestrowanego z badanego urządzenia z mikrofonem referencyjnym.

Rys. 7 - Koncepcja konfiguracji pomiarów mikrofonów wbudowanych w urządzenie smart przy wykorzystaniu głośnika podłączonego do analizatora Audio Precision

Przykład 1 - wykorzystanie funkcji Transfer Function

Ten przykład ilustruje test ścieżki wejściowej inteligentnego głośnika za pomocą funkcji pomiarowej Transfer Function z użyciem szerokopasmowego sygnału pobudzającego będącego mową. Sygnał obejmuje nagranie wielu osób mówiących jednocześnie, co czyni go w zasadzie szumem szerokopasmowym. Jak pokazano na Rysunku 6, do fali pobudzającej została dodana komenda wybudzająca badane urządzenie. 


Sekwencja ta obejmuje użycie komendy głosowej do ustawienia głośnika w tryb akwizycji sygnału i zapisania go w formie pliku WAV. Następnie program APx500 odczytuje plik z wskazanego miejsca i poddaje go analizie. Poniżej przedstawiona została odpowiedź częstotliwościowa uzyskana poprzez analizę dwóch plików WAV, będących odpowiednio bodźcem pobudzającym i sygnałem zarejestrowanym przez mikrofony wbudowane w urządzeniu.

Rys. 8 - Odpowiedź częstotliwościowa uzyskana za pomocą funkcji pomiarowej  Transfer Function

Przykład 2 - wykorzystanie funkcji Frequency Response

Poniższy pomiar zakłada rejestrację odpowiedzi częstotliwościowej mikrofonu z wykorzystaniem przemiatanego sygnału sinusoidalnego “chirp”, poprzedzonego komendą wzbudzającą badane urządzenie oraz tonem pilotowym.


W tym przypadku analizator Audio Precision został ustawiony tak by ignorować komendę wzbudzającą (i każdy inny sygnał) do czasu zarejestrowania określonego tonu pobudzającego. Ton pilotowy służy tutaj również do zniwelowania niewielkich błędów wynikających z drobnych różnic w częstotliwości próbkowania między badanym urządzeniem o analizatorem.    

Rys. 9 - Przedstawienie sygnału składającego się z komendy wzbudzającej badane urządzenie, tonu pilotażowego suchronizującego je z analizatorem oraz bodźca pomiarowego Chirp

Poniżej przedstawiona została odpowiedź częstotliwościowa z sygnałem chirp o różnym czasie trwania. Jak widać wydłużenie bodźca nie wpłynęło na rejestrowaną odpowiedź częstotliwościową.

Rys. 10 - Odpowiedź częstotliwościowa zarejestrowana przy różnej długości trwania sygnału pomiarowego Chirp

Ścieżka wyjściowa - pomiar głośników wbudowanych w urządzenia smart


Ogólne założenia 

Takie testy mają na celu weryfikację głośnika lub systemów głośników umieszczonych w badanym urządzeniu. Koncepcja polega na wygenerowaniu z niego określonego bodźca pobudzającego, który zarejestrowany zostanie przez mikrofon pomiarowy podłączony do analizatora. W przypadku jeżeli sygnał pobudzający podawany jest na głośnik poprzez fizyczne złącze (cyfrowe lub analogowe) lub Bluetooth® wykorzystywana będzie sekcja generatora sygnału wbudowana w analizator Audio Precision. W przypadku głośników sieciowych, niezbędną będzie wykorzystanie otwartej pętli pomiarowej wykorzystującej różne techniki do synchronizacji pomiarów.

Rys. 11 - Koncepcja konfiguracji pomiarów głośnika wbudowanych w urządzenie smart przy wykorzystaniu mikrofonu pomiarowego podłączonego do analizatora Audio Precision

Przykład 1 - wykorzystanie funkcji Acoustic Response

Funkcja Acoustic Response umożliwia wykonanie pomiarów przy użyciu dwóch rodzajów bodźca. pierwszym z nich jest klasyczny chirp, będący sygnałem sinusoidalny który przemiatany jest w określonym zakresie czestotliwościowym. Pozwala on na uzyskanie ciągłej odpowiedzi częstotliwościowej z dużą liczbą punktów. Drugim bodźcem pomiarowym jest wprowadzony przez Audio Precision “Fast sweep”, będący połączeniem klasycznego sygnału krokowego, z określoną liczbą punktów pomiarowych oraz krókiego czasu trwania sygnału przemiatanego. Fast Sweep ze względu na to że jest sygnałem krokowym pozwala na rejestrację parametrów niedostępnym dla sygnału Chir, np THD+N, oraz redukcję liczby punktów pomiarowych, która w środowisku produkcyjnym korzystnie wpływa na czas trwania pomiaru i późniejszą analizę wyników.


Poniższy przykłąd objemuje pomiar odpowiedzi częstotliwościowej głośnik, przy użyciu sygnału typu chirp, w zakresie 50Hz-20kHz. Sygnał pomiarowy poprzedzony został tonem pilotażowym, pozwalającym na synchronizację analizatora z badanym urządzeniem. Ton pilotażowy pełni również funkcje korekcji różnicy w częstotliwości próbkowania między badanym urządzeniem, a analizatorem.

Rys. 12 - Porównanie przebiegu czasowego sygnału pobudzającego (górny) oraz rejestracji tego sygnału wygenerowanego przez głośnik badanego urządzenia 

Poniżej przedstawiona została odpowiedź częstotliwościowa zarejestrowana przez mikrofon pomiarowy podłączony do analizatora Audio Precision.

Sekwencja pomiarowa oprogramowania APx500 pozwala na dokładne dopasowanie czasu trwania tonu pilotażowego oraz sygnału pobudzającego.

Rys. 13 - Ustawienia tonu pilotażowego i sygnału pomiarowego w oprogramowaniu APx500

Poniżej przedstawiona została odpowiedź częstotliwościowa zarejestrowana przez mikrofon pomiarowy podłączony do analizatora Audio Precision.

Rys. 14 - Zarejestrowana odpowiedź częstotliwością z wykorzystaniem funkcji Acoustic Response

Przykład 2 - wykorzystanie funkcji Transfer Function

Transfer Function pozwala na wyznaczenie szeregu parametrów bazując na dowolnym sygnale szerokopasmowym. W kontekście pomiarów odpowiedzi częstotliwościowej, pozwala on na wykorzystanie dowolnego sygnału typu WAV, dostosowując test do faktycznego użycia badanego produktu, szczególnie w przypadku urządzeń smart nie nastawionych na odtwarzanie muzyki a np. komunikację. 


Poniżej przedstawione zostało kilka sekund sygnału pobudzającego będącego nagraną ścieżką dźwiękową. Całkowita długość nagrania wynosiła 20 sekund, na podstawie której obliczony został odpowiedź częstotliwościową głośnika.

Rys. 15 - Czasowy przebieg sygnału szerokopasmowego sygnału pobudzającego, wykorzystanego w pomiarach funkcją Transfer Function

Poniższy wykres prezentuje odpowiedź częstotliwościową głośnika. Porównując ją z ostatnim wykresem uzyskany przy użyciu sygnału chirp, widać mocną koherencję, oraz małe odchyły spowodowane zapewne inną reakcją urządzenia na szerokopasmowy sygnał muzyczny i sygnał typu chirp. 

Rys. 16  - Zarejestrowana odpowiedź częstotliwością z wykorzystaniem funkcji Transfer Function

Podsumowanie


Zróżnicowanie urządzeń smart wymaga odpowiedniego dopasowania systemu pomiarowego. Analizatory Audio Precision razem z platformą pomiarową Apx500 oferują kompletne rozwiązanie, z szeroką możliwościa integracji ze środowiskiem produkcyjnym, gotowymi funkcjami pomiarowymi oraz szybkim wdrożeniem w masowe pomiary. 


Dostęp do szerokiej biblioteki gotowych skryptów API wspierających wiele środowisk m.in C#, Matlab, Python razem z możliwością pomiarów w otwartej pętli, w pełni synchronizują testy z badanymi produktami, niwelując możliwość błędów pomiarowych. 


Dodatkowe akcesoria wraz z możliwością doboru funkcji pomiarowych umożliwia stworzenie systemu sprecyzowanego na badanie konkretnego urządzenia, zapewniając również łatwy sposób wdrożenia w nowy rodzaj pomiarów połączonych z innym projektem lub wprowadzonym na rynek urządzeniem.    

APx500 FLEX - Konfiguracja interfejsów audio
Poprzednie

APx500 FLEX - Konfiguracja interfejsów audio

Nowy analizator Audio Precision - APx516B
Dalej

Nowy analizator Audio Precision - APx516B

Ostatnio dodane

[Page Title]

Nowy analizator Audio Precision - APx516B

Produkcyjne pomiary audio urządzeń smart

Produkcyjne pomiary audio urządzeń smart

APx500 FLEX - Konfiguracja interfejsów audio

APx500 FLEX - Konfiguracja interfejsów audio

Program Trade-In 2024 -nawet 25% rabatu!

Program Trade-In 2024 -nawet 25% rabatu!

Social media

SKONSULTUJ SWÓJ WYBÓR

ZE SPECJALISTĄ

Jeśli potrzebujesz pomocy w wyborze odpowiedniej aparatury do pomiarów akustycznych - umów się na darmową konsultację. 

Postaramy się wybrać dla Ciebie odpowiednie rozwiązania.

Imię
E-mail *
Telefon
Temat zapytania *

Zgadzam się na przetwarzanie danych w celu przesłania oferty oraz kontaktu w jej sprawie.