Wstęp

W ramach współpracy z Państwowym Instytutem Badawczym im. Józefa Tuliszkowskiego w Józefowie (CNBOP-PIB) w ostatnim czasie zrealizowaliśmy zlecenie dostawy stanowiska badawczego do pomiarów elektroakustycznych central dźwiękowych systemów ostrzegawczych, zgodnych z normą PN-EN 54-16:2011.

Zlecenie miało na celu dostawę kompletnego systemu badawczego wraz z oprogramowaniem oraz wszelkimi akcesoriami pozwalającymi na wykonanie pomiarów akustycznych i elektroakustycznych. W poniższym case study przedstawiamy poszczególne etapy realizacji zlecenia, zwracając uwagę na najważniejsze aspekty towarzyszące konstrukcji takich zestawów.

Wyzwania i wymagania dotyczące systemu pomiarowego

Realizacja gotowych systemów pomiarowych zawsze wymaga indywidualnego podejścia do kwestii związanych z obowiązującymi normami, typem badanych urządzeń oraz liczbą pomiarów wykonywanych w ciągu dnia. W tym przypadku szczególnie ważne było zaprojektowanie systemu umożliwiającego dostosowanie pomiaru do różnic konstrukcyjnych w poszczególnych urządzeniach.W tym rozdziale przedstawię wymagania dotyczące poszczególnych zagadnień związanych z realizacją stacji badawczej.

Dostosowanie systemu pomiarowego do badanych urządzeń

Centrale głośnikowe to zazwyczaj zintegrowane wzmacniacze lub końcówki mocy, do którychsygnał dostarczany jest za pomocą pliku z gotowym komunikatem głosowym lub dedykowanego mikrofonu. Urządzenia te cechuje duża różnorodność zarówno pod kątem konstrukcyjnym, jak i ich parametrów. Przygotowanie systemu, który z jednej strony pozwoli na zautomatyzowanie procesów pomiarowych, jednak z drugiej będzie na tyle elastyczny by dostosować go do dowolnej konstrukcji urządzenia, stanowi spore wyzwanie. Należy przyłożyć tutaj szczególną uwagę na fakt, iż różne konstrukcje posiadają inne złącza połączeniowe, wymagają innej wartości zastępczego obciążenia lub posiadają różną moc wyjściową. Wszystkie te aspekty wymagają elastyczności zarówno pod względem hardwarowym, jak i software'owym.

Procedura pomiarowa oparta o normę

Problematyka badawcza central DSO została określona w PN-EN 54-16:2011. W ramach normy wzmacniacze i końcówki mocy są poddawane następującym pomiarom:

• mocy wyjściowej
• stosunku sygnału do szumu (SNR)
• zniekształceń harmonicznych (THD)
• odpowiedzi częstotliwościowej
  • bez mikrofonu z wykorzystaniem sygnału liniowego
  • z mikrofonem przy użyciu wzorcowego źródła dźwięku (w tym przypadku symulatora ust), mikrofonu referencyjnego i mikrofonu wchodzącego w skład badanej centrali głośnikowej

Aby przeprowadzić badania zgodnie z PN-EN 54-16:2011, system musi poprawnie dostosować sygnał wejściowy tak, by skutkował on otrzymaniem na złączach nominalnej wartości mocy określonej przez producenta. W ten sposób wykonywane są pomiary Mocy wyjściowej, SNR oraz THD. Sygnał użyty podczas pomiarów częstotliwościowych powinien zostać odpowiednio zredukowany, skutkując poziomem o 10 dB niższym.

Pomiary odpowiedzi częstotliwościowej obejmują zarówno pomiar elektroakustyczny, jak i pomiar akustyczny z wykorzystaniem mikrofonu. Z tego powodu należy zadbać o odpowiednie przystosowanie systemu oraz wyposażyć stację badawczą w akcesoria umożliwiające takie pomiary.

Liczba badanych urządzeń podczas dnia

Pomimo że badanie wykonywane przez naszego klienta nie stanowi masowych pomiarów produkcyjnych, to i tak zautomatyzowanie wszystkich procesów stanowiło tutaj kluczową funkcjonalność. Pozwoliło to na skrócenie czasu pomiarowego oraz ułatwiło obsługę stanowiska, umożliwiając łatwiejsze przeszkolenie pracownika odpowiedzialnego za taki pomiar.

Indywidualne wymagania konstrukcyjne

Realizowane zamówienie zgodnie z założeniami klienta powinno być w pełni niezależnym systemem pomiarowym, umożliwiającym również integrację z posiadanymi już systemami, chociażby w kontekście użycia posiadanych już rezystorów lub akcesoriów do pomiarów akustycznych.

Ważny aspekt stanowiło również świadectwo wzorcowania wydane przez akredytowane laboratorium oraz sama jakość urządzenia, minimalizująca niepewność pomiarową.

Jednym z dodatkowych wymagań było przygotowanie scenariusza pomiarowego zgodnego z wcześniej opisaną normą oraz szkolenie produktowe, dotyczące obsługi systemu, jak i dedykowanej stacji.

Stacja badawcza

Opis wyposażenia stacji badawczej

Przygotowany system pomiarowy został wyposażony w:

• Analizator Audio Precision APx525B
• Oprogramowanie sterujące APx500
• Mikrofon pomiary GRAS 246AE
• Zasilacz mikrofony (kondycjoner) GRAS 12BA
• Kalibrator akustyczny GRAS 42AG
• 30 sztuk rezystorów o mocy 1 kW
  • 10 x 10 Ohm
  • 10 x 20 Ohm
  • 10 x 50 Ohm
• System kontroli temperatury i aktywnego chłodzenia
• Niezbędne przewody połączeniowe
  
  

Analizator

Centralną jednostkę zarządzającą procesami pomiarowymi stanowi analizator Audio Precision APx525. Analizator został wyposażony w dwukanałową sekcję generatora i analizatora oraz dodatkowy moduł cyfrowy, których najważniejsze parametry zostały przedstawione poniżej:

Oprogramowanie pomiarowe

APx500 jest oprogramowaniem pomiarowym dedykowanym do wszystkich analizatorów Audio Precision. Platforma pozwala na pełną automatyzację procesów badawczych przy użyciu ponad 60 funkcji pomiarowych, dedykowanych poszczególnym parametrom i sygnałom pomiarowym.

Tryb sekwencyjny, będący jednym z dwóch głównych interfejsów programu, pozwolił na przygotowanie gotowego scenariusza pomiarowego, zawierającego wszystkie pomiary zdefiniowane w normie PN-EN 54-16:2011.

Scenariusze pomiarowe pozwalają na dynamiczne przystosowywanie pomiarów do badanego urządzenia, m.in poprzez wybór odpowiednich złączy, dostosowanie poziomu sygnału generatora lub określenie użytego w czasie badania obciążenia zastępczego.

Dowiedz się więcej o oprogramowaniu APx500

Zastępcze obciążenie

Wykonywane przez CNBOP-BIP pomiary charakteryzują się dużą zmiennością badanych urządzeń. Zgodnie z normą w trakcie pomiarów należy zapewnić wartość zastępczego obciążenia definiowaną przez producenta. Z tego względu system pomiarowy został wyposażony w 30 rezystorów, pozwalających na uzyskanie rezystancji w zakresie 10 Ohm - 800 Ohm.

Wyprowadzenia dla wszystkich rezystorów zostały zlokalizowane na panelu przednim. Jako konektorów użyliśmy odkręcanych złączy bananowych, dzięki czemu w toku badania istnieje możliwość użycia rezystorów dostępnych w ramach innej stacji pomiarowej.

Aktywny system chłodzenia

Oprócz standardowych radiatorów kontrola nad temperaturą została zapewniona przez aktywny system chłodzenia. System ten na podstawie temperatury zarejestrowanej za pomocą rozłożonych w całej szafie czujników dostosowuje prędkość wentylatorów, a w momentach krytycznych odłącza zasilanie.

Akcesoria do pomiarów akustycznych

Oprócz standardowych pomiarów wykonywanych przy użyciu generatora sygnału procedura badawcza zakłada pomiar odpowiedzi częstotliwościowej badanej jednostki, zarejestrowanej przy wykorzystaniu sygnału akustycznego.

Jako wzorcowe źródło dźwięku w projekcie wykorzystano Symulator Ust B&K 4227, dostępny na wyposażeniu instytutu.

Procedura badawcza zakłada pobudzenie mikrofonu, będącego częścią badanego urządzenia, sygnałem akustycznym o wyznaczonym poziomie. W celu uzyskania wskazanego poziomu ciśnienia akustycznego zestaw pomiarowy został wyposażony we wzorcowy mikrofon GRAS 246AE oraz dedykowany kalibrator akustyczny.

GRAS 246AE jest wzorcowym mikrofonem spełniającym wymagania normy IEC 61094  jako mikrofon WS2F oraz przystosowanym do pomiarów w warunkach pola swobodnego. Mikrofon razem z wbudowanym w nim generatorem sygnału i dedykowanym zasilaczem GRAS 12BA (umieszonym za przednim panelem systemu) pozwala na zautomatyzowanie procesu kalibracji przy wykorzystaniu najnowszej technologii SysCheck 2.

Projekt i wykonanie stacji badawczej

Dobór analizatora - Testowe pomiary

Główną jednostkę pomiarową stanowił analizator Audio Precision APx525B z rozszerzeniem generatora AGx52, pozwalającym na otrzymanie maksymalnego poziomu wyjściowego 26,6 V RMS oraz THD+N na poziomie -110 dB. Wybór został oparty na podstawie specyfikacji oraz oprogramowania sterującego, zapewniającego w tym przypadku możliwość automatyzacji przeprowadzenia sekwencji pomiarów, zgodnie z wymaganiami CNBOP-BIP.

Przed realizacją zamówienia zostały przeprowadzone testowe pomiary, mające na celu zaprezentowanie parametrów analizatora, jak i sterującego oprogramowania APx500. Takie pomiary pozwalają nam na zapoznanie klienta z całym środowiskiem pomiarowym i upewnienie się, czy oferowane rozwiązanie będzie dla niego odpowiednie. Szczególnie w przypadku gotowych systemów badawczych należy upewnić się, że oferowane rozwiązanie będzie spełniało wymagania na każdym etapie pomiaru i jego późniejszej analizy.

Po akceptacji przez CNBOP-BIP analizatora Apx525B wraz z dedykowanym oprogramowaniem APx500 przystąpiliśmy do przygotowywania projektu całej stacji badawczej.

Projekt stacji badawczej

Projekt stacji badawczej został przygotowany w ścisłym oparciu o zalecenia CNBOP-BIP. Uwzględnione zostały zarówno założenia normy PN-EN 54-16:2011, jak i wewnętrzne wymagania dotyczące rodzaju badanych urządzeń, ich różnorodności, zakładaną liczbę przeprowadzonych pomiarów w ciągu dnia oraz samą ergonomię pracy. Projekt systemu uwzględniał również zagadnienia związane z chłodzeniem, co wymagało zaprojektowania i rozmieszczenia w odpowiednich miejscach sond i wiatraków.

Konstrukcja stacji pomiarowej

Wszystkie elementy systemu pomiarowego zostały umieszczone w szafie rack o wysokości 29 U z kółkami transportowymi 10 cm. Elementy połączeniowe umieszczono na panelu przednim w poniższej kolejności: 

• Zasilacz mikrofonowy
• Analizator Audio Precision APx525B
• Panel z wyjściami połączeniowymi rezystorów

Pod panelami połączeniowymi została zamontowana wyjeżdżająca półka, przeznaczona na komputer oraz szuflada dedykowana wszystkim akcesoriom takim jak mikrofon, kalibrator akustyczny czy przewody połączeniowe.

Przygotowanie gotowego scenariusza pomiarowego

Równocześnie z hardware’ową częścią systemu przygotowaliśmy dla naszego klienta gotowy plik pomiarowy w oprogramowaniu APx500. Projekt zakładał stworzenie scenariusza, który umożliwiałby automatyzację przeprowadzanych pomiarów. Wszystkie procesy zostały przygotowane z uwzględnieniem wytycznych normy PN-EN 54-16:2011, pozwalając na wykonanie elektroakustycznej części pomiarów, akustycznej części pomiarów oraz obu części jednocześnie.

Automatyczne dopasowanie poziomu sygnału pomiarowego

Scenariusz opiera się na gotowych sekwencjach pomiarowych, w trakcie których możliwe jest dostosowanie projektu do indywidualnych cech badanego urządzenia. Każdy pomiar rozpoczyna się od dopasowania poziomu generowanego sygnału, tak by na wyjściu badanej jednostki uzyskać docelową wartość mocy. Proces ten odbywa się automatycznie po wpisaniu docelowej mocy oraz podaniu wartości używanego podczas pomiaru zastępczego obciążenia. Określany poziom wykorzystywany jest do przeprowadzenia pomiarów oraz jest odpowiednio redukowany w przypadku potrzeby zastosowania innego poziomu.

Przykład: norma PN-EN 54-16:2011 zakłada, by poziom użyty podczas pomiarów odpowiedzi częstotliwościowej był o 10 dB niższy niż ten użyty podczas testów mocy wyjściowej, THD i SNR, w których powinno uzyskać się znamionową wartość mocy wzmacniacza. Obniżenie poziomu odbywa się automatycznie bez potrzeby ponownego obliczania sygnału wejściowego.

Rodzaje bodźców wykorzystanych w pomiarach

Oprogramowanie APx500 posiada gotowe funkcje pomiarowe przystosowane do poszczególnych rodzajów badań. Wśród nich znajdują się pomiary wykorzystujące konkretną wartość bodźca, takie jak pomiar mocy, THD i SNR oraz bodźce przemiatające. Wśród takich bodźców możliwe jest ustawienie zmiany częstotliwości lub amplitudy, obserwując zmiany poszczególnych parametrów w funkcji częstotliwości lub poziomu.

Przykład: norma PN-EN 54-16:2011 wymaga zmierzenia wartości odpowiedzi częstotliwościowej w ściśle określonych punktach - zakres: 125 Hz - 20 kHz, krok ⅓ oktawy. Wykorzystana funkcja Stepped Frequency Sweep pozwoliła zarówno na zarejestrowanie odpowiedzi we wskazanych punktach, jak i na ustawienie limitów określonych w normie. Dzięki zastosowaniu limitów program automatycznie poinformuje o ich przekroczeniu i wynikającym z tego faktu niespełnieniu wymagań przez badane urządzenie.

Monitoring parametrów w określonym przedziale czasu

Dodatkowa funkcja Recorder pozwala na rejestrację wskazanych parametrów badanego urządzenia w określonym czasie.

Przykład: Norma PN-EN 54-16:2011 wymaga, by badane urządzenie zostało poddane minutowemu narażeniu podczas generacji znamionowej wartości mocy. W trakcie narażenia wartość THD generowana przez urządzenie nie powinna przekroczyć wartości 10%. W tym miejscu również wykorzystaliśmy wcześniej wspomnianą opcję limitów, ustawiając jej wartość na 10%. W przypadku wystąpienia przekroczenia program automatycznie poinformuje o tym.

Ze względu na fakt, że dużą część pomiarów wykonywanych przez CNBOP-BIP stanowią pomiary akredytowane, w ich przypadku mikrofon wzorcowy musi zostać wykalibrowany za pomocą kalibratora akustycznego z ważnym świadectwem wzorcowania. Przygotowany przez nas scenariusz pomiarowy pozwala na wykonanie kalibracji mikrofonu w trakcie trwania sekwencji bez potrzeby jej ponownego uruchomienia. Proces kalibracji tworzy tutaj integralną część scenariusza pomiarowego, która w zależności od przypadku może zostać zastąpiona automatyczną kalibracją SysCheck2 lub zostać całkowicie pominięta.

Szkolenie produktowe i support posprzedażowy

W przypadku gotowych systemów pomiarowych kluczowym jest przeszkolenie osób odpowiedzialnych za jego późniejsze użytkowanie. Z tego względu w ramach naszych projektów razem z dostarczeniem sprzętu oferujemy:

• Podłączenie i skonfigurowanie systemu pomiarowego w siedzibie klienta 
• Pełne szkolenie produktowe, obejmujące zarówno obsługę systemu, jak i dedykowanego oprogramowania.
• Spersonalizowaną instrukcję obsługi, dotyczącą całego stanowiska 
• Pełny posprzedażowy support w przypadku pytań powstałych w trakcie obsługi urządzenia

W ramach szkolenia przeprowadzonego dla CNBOP-BIP przeprowadzone zostało 8-godzinne spotkanie obejmujące:

• Prezentację wszystkich elementów systemu
• Przedstawienie oprogramowania APx500 wraz z omówieniem ustawień pomiarowych
• Zaprezentowanie dedykowanej sekwencji pomiarowej wraz z omówieniem wszystkich poszczególnych etapów
• Przeprowadzenie próbnego pomiaru z opisaniem poszczególnych kroków wymaganych do poprawnego przeprowadzenia pomiarów  
• Omówienie poszczególnych czynników mogących mieć wpływ na błędy pomiarowe