Optymalizacja parametrów systemu przetwarzania sygnałów pomiarowych, dla najlepszej identyfikacji charakterystyk czasowych i częstotliwościowych obiektów elektroakustycznych

mgr inż. Daniel Król

Promotor: prof. dr hab. inż. Witold Byrski
Dyscyplina: Automatyka i Robotyka


W pracy przedstawiono aparat matematyczny, służący do analizy i syntezy dynamiki liniowych modeli nieparametrycznych, takich jak odpowiedzi impulsowe (impulsowe funkcje przejścia) i charakterystyki częstotliwościowe dla wybranych rzeczywistych obiektów elektromechanicznych (elektroakustycznych). Zaproponowano oryginalną metodologię aktywnej identyfikacji takich obiektów w obecności mocnych zakłóceń, a dla celów wykorzystania tej metodologii zaprojektowano specjalizowany cyfrowy układ pomiarowy dla celów identyfikacji całej klasy takich obiektów. Optymalizacja parametryczna tego układu pozwoliła na otrzymanie wysokiej jakości modeli (charakterystyk), pomimo obecności zakłóceń procesu pomiarowego. Efekty modelowania i identyfikacji porównano z wzorcowymi charakterystykami, jakie mogły być otrzymane tylko z wykorzystaniem drogiej profesjonalnej aparatury i pracującej dodatkowo w środowisku bezzakłóceniowym. Uzyskano porównywalną z modelami wzorcowymi, jakość zaprojektowanego układu pomiarowego.

W niniejszej pracy zaproponowano i przebadano nową metodologię pomiarową, polegającą na połączeniu metod MLS (Maximum Length Sequence) oraz wielokanałowego kształtowania wiązki (Beamforming). Dzięki kształtowaniu wiązki możliwe jest tłumienie sygnałów docierających z kierunków innych niż pożądany. Poprzez stłumienie odbić pomieszczenia możliwe było znaczne wydłużenie okna czasowego. Co za tym idzie, rozszerzono pasmo w kierunku niskich częstotliwości. Ponieważ generowany sygnał pomiarowy jest deterministyczny, wyniki uzyskane z serii pomiarów w różnych punktach przestrzeni, mogą być traktowane jak sygnał z macierzy wielomikrofonowej. W związku z tym wielokanałową macierz mikrofonową zastąpiono pojedynczym mikrofonem, zmieniającym swoją pozycję w przestrzeni za pomocą komputerowo sterowanej prowadnicy liniowej. Wyniki uzyskane proponowaną metodą są zbliżone do referencyjnych, uzyskanych w komorze bezechowej znacznie bardziej niż z wykorzystaniem metod standardowych. Proponowana metoda nie wymaga ręcznego łączenia charakterystyk przez operatora. Przedstawiona metoda umożliwia estymację odpowiedzi impulsowej długości 100 ms (lub dłuższej), na podstawie której możliwe jest obliczenie pełnopasmowych charakterystyk amplitudowych, fazowych oraz wygaszania sygnału CSD (Cumulative Spectral Decay).

Ponadto tor pomiarowy zoptymalizowano pod kątem przetwarzania sygnału MLS przez zastosowanie równoległego przetwornika A/C, pracującego w technice SAR (Successive Approximation Register) oraz całkowitej eliminacji przetwornika C/A. Taka modyfikacja części sprzętowej systemu znacząco poprawiła dokładność pomiaru metodą MLS. Interfejs pomiarowy, zoptymalizowany pod kątem metody MLS umożliwia określanie charakterystyk czasowych oraz częstotliwościowych dowolnych obiektów elektroakustycznych.

• prof. dr hab. inż. Ryszard Makowski, PWr Recenzja nr 1
  
• prof. dr hab. inż. Marek Gorgoń Recenzja nr 2
  

1. A. Lorenc, R. Święcinski, D. Król, Assessment of Sound Laterality with the Use of a Multi-Channel Recorder, 18th International Congress of Phonetic Sciences ICPhS2015, 10-15 August 2015, Glasgow, Scotland.
2. D. Król, A. Lorenc, R. Święcinski, Detecting Laterality and Nasality in Speech with the Use of a Multi-Channel recorder, 40th IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) 2015 19th - 24th April 2015, Brisbane, Australia.
3. D. Król, Quasi-Anechoic Measurement of Loudspeakers Using Adaptive Beamforming Method, International Conference on Signals and Electronic Systems, ICSES'14, 11-13 September 2014, Poznań, Poland.
4. D. Król, A. Lorenc, Rozkład pola akustycznego w badaniach artykulacji nosowych i bocznych, Prace Filologiczne, Tom LXVI (2015), str. 133.
5. D. Król, Macierze mikrofonowe i głośnikowe, w: T.P. Zieliński, P. Korohoda, R. Rumian. Cyfrowe przetwarzanie sygnałów w telekomunikacji: Podstawy, multimedia, transmisja, Wydawnictwo Naukowe PWN, 2014, str. 665-695, ISBN: 978-83-01-17445-3.
6. D. Król, R. Wielgat, Quasi-Anechoic Measurement of Loudspeakers Using Beamforming Method, Electronics - Constructions, Technologies, Applications, Vol. 54, No. 2/2013.
7. D. Król, R. Wielgat, Enhancement of Loudspeaker Impulse Response Measurement Using Beamforming Methods, International Conference on Signals and Electronic Systems, ICSES'12, 18-21 September 2012, Wrocław, Poland.
8. D. Król, R. Wielgat, T. Potempa, P. Świętojański, Analysis of Ultrasonic Components in Voices of Chosen Bird Species, Forum Acusticum 2011, 26 June - 1 July 2011, Aalborg, Denmark.
9. D. Król, R. Wielgat, A. Lisowska-Lis, P. Kozioł, T. Potempa, P. Świętojański, Recording equipment in the automatic acoustical bird monitoring system, 6th International Conference in Interdisciplinary Education ICIE'11, 14-16 April 2011, Karabuk/Safranbolu, Turkey.
10. D. Król, R. Wielgat, T. Potempa, A. Lisowska-Lis, Acoustical Bird Monitoring System - Electronic Equipment, 5th International Conference on Interdisciplinarity in Education, ICIE'10, 17-19 June 2010, Tallinn, Esthonia.
11. D. Król, On superiority of Successive Approximation Register over Sigma Delta AD converter in standard audio measurements using Maximum Length Sequences, International Conference on Signals and Electronic Systems, ICSES'08, 14-17 September 2008, Kraków, Poland.
12. R. Wielgat, T. P. Zieliński, T. Woźniak, S. Grabias, D. Król, Automatic Recognition of Pathological Phoneme Pronunciation, Folia Phoniatrica et Logopaedica, Vol. 60, No. 6/08.
13. D. Król, Generowanie i akwizycja sygnałów testowych w metodach pomiarowych elementów toru audio, Miesięcznik naukowo-techniczny „Pomiary Automatyka Kontrola”, nr 9'bis 2007, str. 209.
14. D. Król, Choice of analog-to-digital converters for audio measurements using MLS algorithm, 15th European Signal Processing Conference, EUSIPCO 2007, 3-7 September 2007, Poznań, Poland.