MERJENJE ZVOKA Z MOBILNIMI NAPRAVAMI - CELESTINA, METOD (2020)
Prekomeren 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. Excessive noise exposure poses a problem for public health and causes numerous health issues for overexposed people, such as hearing impairment, cardiovascular diseases, hypertension, sleep disturbance and other psychological and sociological problems. Noise measurement in the workplace and living environment is regulated, requiring the use of sound level meters that comply with international standards. Specialized sound level meters are accessible only to professional users, are expensive and often require licensed software to access and analyze data. In recent years, many projects have used mobile phones to measure sound as an affordable and more accessible alternative to sound level meters. The computing power of modern smartphones is comparable to the computing power of personal computers from a few of years ago, so they are capable of advanced signal processing, such as calculating sound parameters in real time. Several studies have found a good match between sound level measurements performed with smartphones and professional sound level meters. The main shortcoming of these studies is the use of unstandardized ad-hoc calibration methods and acceptability criteria. The aim of the presented research was to perform the calibration of a mobile device–based sound level meter using widely accepted methods and criteria for periodic testing of sound level meters required by the international standard IEC 61672, and for periodic testing of octave analyzers required by the international standard IEC 61260. If the calibration is limited to an external microphone, all tests can be performed in compliance with these two standards, as the external microphone can be removed and replaced with electrical excitation. The basis for the research work was a sound measuring mobile app developed inhouse, which was designed to comply with the requirements of IEC 61672 and IEC 61260 as much as possible. The key parts of the app were designed to be cross-platform. A lot of effort was put into ensuring the app performed efficiently and calculated correctly. The correctness of calculation was verified with unit testing already at the design stage. The app enables remote control via Wi-Fi connection, which allowed the automation of part of the test. The calibration of the mobile app–based sound level meter was performed in fully automated mode with a professional calibration system Brüel & Kjær in an accredited calibration laboratory. The calibration system was upgraded with a software plug-in to enable remote control of the app. This system was used to conduct a calibration that is required by IEC 61672 for periodic testing of sound level meters. The system we designed for the octave analysis tests consisted of a GBIP-controlled low-distortion sine generator and a Python script, which was used to automate the test by setting the generator and retrieving the measured sound levels from the mobile app. For the directional response measurements, we used a Brüel & Kjær type 3923 rotating microphone boom, which was modified to enable controlled step-by-step rotation. A mobile phone mount was placed on the boom with the oration axis aligned through the microphone. The measurement system consisted of a sine generator, loudspeaker with a built-in amplifier, rotating microphone boom and a boom controller. The boom controller was plugged into the computer via USB. The measurement was was performed with a Python script, which was used to set the generator frequency, retrieve the measured sound levels from the mobile app and controlling the rotation. To test the technical limitations, the app was modified to log its own CPU load, calculation time and battery level. This enabled us to determine the app operation time and the required computing power. The maximum sound levels that can be measured by a mobile device, were determined with an electrical signal for the external microphone and with acoustical excitation in an anechoic chamber for the built-in microphone. The results of calibration on a professional calibration system showed that a sound level meter consisting of a smartphone, specialized app and external microphone meets all Class 2 periodic testing requirements from IEC 61672. The largest deviation in frequency weighting tests was observed at low and high frequencies due to the frequency response of the microphone input. The octave analysis in the app was designed to cover the frequency range from 20 Hz to 20 kHz. Our tests showed that the analysis meets all Class 1 octave analyzer requirements from IEC 61260. The deviation of the transfer function was higher than expected for the lowest and the highest octave and one-third octave bands. This is caused by the frequency response of the microphone input at low frequencies and by the low sampling frequency at high frequencies. Additional results, such as directional response, are also presented in this thesis. The horizontal plane directional response of the smartphone-based sound level meter meets the Class 2 requirements both when using an external or the built-in microphone. The test of technical limitations showed that mobile devices have sufficient computing power to perform sound analysis. Operation time exceeded 8 hours on all tested devices. The linear frequency range is from 100 Hz to 10 kHz for the microphone input and from 100 Hz to 5 kHz for the build-in microphone.