Geri Dön

Calibration of mobile device microphones and their use for sound source identification

Mobil cihaz mikrofonlarının kalibrasyonu ve ses kaynağı tespiti için kullanılması

PDF İndir

  1. Tez No: 633433
  2. Yazar: GÜNER BERKER RAHTUVAN
  3. Danışmanlar: DR. OSMAN TAHA ŞEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Otomotiv Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 123

Özet

Mobil cihaz teknolojilerinin hızlı ilerleyişinin de etkisiyle son yıllarda pek çok çalışmanın odak noktası, bu cihazlarda bulunan sensörlerin performansını arttırmak ve profesyonel amaçla kullanımını araştırmak üzerine olmuştur. Sensör teknolojisindeki kritik gelişmeler, tüm insanların en yakınında bulunan mobil cihazların artık yalnızca bir iletişim aracı değil, profesyonel bir ölçüm aleti olarak da kullanılabilmesine olanak sağlamıştır. Bu tez çalışmasında, mobil cihazlardaki gömülü mikrofonların performansı irdelenmiş ve harici referans bir mikrofon ile kıyaslama metodu kullanılarak mobil cihaz mikrofonlarının kalibrasyonu incelenmiştir. Mobil cihaz mikrofonlarının performansı yarı yankısız oda ve farklı araç kabinleri olmak üzere çeşitli ölçüm ortamlarında ve cihazlarla test edilmiş, ölçüm yapılan ortamın mobil cihaz mikrofonlarının performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Kalibre edilen mobil cihaz mikrofonlarının profesyonel akustik uygulamalarda kullanımına dair öngörü edinilmesi amacıyla, ses kaynağının tespit edilmesine yönelik mobil bir uygulama geliştirilmiş ve Ford Transit üzerinde test edilmiştir. İlk bölümde, mikrofon kalibrasyonu, mobil cihazların ses ölçüm aletleri olarak kullanımı ve ses kaynaklarının tespitini kapsayan geniş bir literatür araştırması yapılmış, mevcut metotlar incelenmiştir. Süreç içerisinde mobil cihazların mikrofon kalibrasyonu amacıyla geliştirilmiş endüstriyel bir cihazın henüz tasarlanmadığı gözlemlenmiş ve mobil cihaz kalibrasyonlarının Android veya IOS sistemlerinde tasarlanmış ses ölçüm uygulamaları üzerinde yapıldığı görülmüştür. Mobil uygulamaların ardında çalışan kodlarla birlikte cihazdan cihaza değişen mikrofon yapısı, işlemci ve filtrelerin etkisiyle alınan ses ölçümlerinde büyük farklılıklar olduğu bulunmuştur. Teknolojinin gelişimi ile birlikte mobil cihaz mikrofonlarında da iyileşme gözlemlenmesine rağmen bazı modellerde hala MEMS mikrofonların yetersiz kaldığı ve mobil cihazlar ile araç içinde ses kaynağı tespitine yönelik herhangi bir çalışma olmadığı belirlenmiştir. Bölüm 2'de, mobil cihazlar üzerine bu çalışma kapsamında yapılan araştırmaların ardındaki teorik altyapı sunulmuştur. Temel düzeyde ses fiziğinden bahsedilmiş, günümüzde kullanılan mikrofon çeşitleri ve çalışma mekanizmaları üzerinde durulmuştur. Özellikle MEMS ve electret mikrofonlar günümüz mobil cihazlarında sıkça kullanıldığından, bu mikrofonların çalışma prensipleri yüksek önem arz etmektedir. Bu temellerin yanında, mikrofonların ve ses ölçüm cihazlarının kalibrasyonu üzerinde durulmuş ve mevcut metotlar üzerinden mobil cihaz mikrofonlarının kalibrasyonu bağlamında geliştirilebilecek yöntemler incelenmiştir. Tez süresince geliştirilen ve ses kaynağı tespiti amacıyla kullanılabilen mobil uygulamanın temellerini oluşturan veri toplama ve işlemenin özündeki noktalar kısaca belirtilmiş ve mevcut ses kaynağı tespit metotları listelenmiştir. Bölüm 3'te, mobil mikrofon kalibrasyonu için öncelikli olarak yarı yankısız odada ve Transit kabinlerinde kurulmuş test düzeneklerinin detayları verilmiştir. Mikrofon kalibrasyonu, hassas bir işlem olduğundan her ekipmanın ve düzenek kritik önem teşkil etmektedir. Bu sebeple test düzeneğinin yarı yankısız odada ve Transit kabininde kurulumu tüm ayrıntılarıyla anlatılmıştır. Deneysel çalışmalarda Brüel & Kjær markasının tip 4189 kondenser mikrofon modeli referans mikrofon olarak kullanılmıştır. Test edilen tüm ortamlarda, ses ölçümü öncesi ve sonrasında Brüel & Kjær tip 4231 mikrofon kalibratörü yardımıyla mikrofonun kalibrasyonu LMS uygulaması üzerinden her seferinde dikkatli bir şekilde yapılmıştır. Mikrofon kablolarının ve diyaframının güvenilirliği, ana ölçümlerden önce yapılan referans sinyal ölçüm sonuçları incelenerek kontrol edilmiştir. Mobil cihazların mikrofonlarının yönselliği yüksek olduğu için, test aracı kabininde ve yarı yankısız odada yapılan ölçümlerde sonuçlar referans mikrofon değerleri ile kıyaslanırken mikrofonların hepsi yerden aynı yüksekliğe ayarlanmış, ses kaynağına yönelimleri tripodlar yardımıyla birebir düzenlenmiş ve ses kaynağına uzaklıkları uzak alan şartını sağlayacak şekilde ölçülerek tüm mikrofonlar kaynaktan aynı uzaklıkta olacak şekilde sistem hazırlanmıştır. Mobil cihaz mikrofonları ve referans kondenser mikrofon ile ölçülen değerlerde kıyaslamanın doğru yapılabilmesi ve olası aliasing problemlerinin önüne geçmek amacıyla referans mikrofon ve mobil cihaz mikrofonlarının örnekleme frekansı aynı değere ayarlanmıştır. Sinyallerde herhangi bir kirlilik olmaması için ses ölçümlerinde kullanılan sinyaller MATLAB ortamında yaratılmış ve doğrulukları Artemis programı üzerinde kontrol edildikten sonra sesler kaydedilmiştir. Referans sinyallerin yayılması esnasında bozunmaların önüne geçebilmek için, kalibre edilmiş harici bir hoparlör kullanılmış ve ses basınç düzeylerindeki artışlar bilgisayarın ses kartı üzerinde yapılmıştır. Deneysel çalışmaların ilki yarı yankısız odada referans ses basınç düzeyi değerlerinin belirlenmesi amacıyla belirtilen deney düzeneğinde yapılmıştır. Ölçümler sonucunda, mobil cihazlarda ölçülen değerlerinde cihaz bazlı kritik değişimleri gözlemlenmiştir. Bununla birlikte, mobil cihazların frekans yanıt karakteristikleri arasında büyük farklılıklar olduğu belirlenmiş ve bu durumun alınan ölçüm sonuçları üzerindeki etkileri irdelenmiştir. Yarı yankısız oda sonucunda alınan ölçümlerde kullanılan mobil cihaz mikrofon performansının referans kondenser mikrofon performansına yakınsayabildiği görülmüş ve mobil mikrofonlar için kalibrasyon değerleri hesaplanmıştır. Bununla birlikte, kullanılan mobil cihazlardan bir tanesinin akustik aşırı yüklenme noktasının, yarı yankısız odada test edilen değerlere yakın olduğu ve bu sebeple yüksek ses basınç düzeylerinde hatalı ölçüm yaptığı tespit edilmiştir. Yarı yankısız odada kontrollü ortamda yapılan deneysel çalışmaların ikinci parçası Ford Transit kabininde yapılmıştır. Buradaki ölçümlerde, gerçek dünyaya tekabül eden ve yansımaların mevcut olduğu bir ortamda mikrofon performansları kıyaslanmış ve test edilen ortamın ölçüm sonuçları üzerindeki etkisi incelenerek kalibrasyon değerleri belirlenmiştir. Bu aşamada kullanılacak araç kabini, kompleks yapı oluşturulması açısından Bus modeli olarak seçilmiştir. Kabin içinde alınan ölçümler sonucunda, mikrofon performanslarının genel itibariyle yarı yankısız oda ile benzerlik gösterdiği, ancak kabin içindeki yansımalar sebebiyle ölçülen değerlerde yükselmeler olduğu gözlemlenmiştir. Bununla beraber, kabin içinde alınan ölçümlerde yalnızca belli bir frekansta çalınan sinyallerdeki tutarsızlığın yarı yankısız odaya kıyasla, araç içindeki kompleks yapıdan ötürü biraz daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Yarı yankısız odada ve test aracı kabininde alınan ölçümler sonucunda ulaşılan kalibrasyon değerleri, mobil cihazda ses kaynağı tespiti için kullanılan uygulama içerisine işlendikten sonra araç hareket halindeyken güç aktarma organı kaynaklı bir sorunun tespiti üzerindeki performansı irdelenmiştir. Aynı durumlar altında araç hızı kademeli olarak azaltılırken üç farklı kez ölçüm alınmış ve sorun kaynağı mobil uygulama yardımıyla tespit edilmeye çalışılmıştır. Alınan testler sonucunda, üç manevranın iki tanesinde ölçülen değerler, aracın sorunlu parçasına işaret eden tölerans bandı içinde kalırken, bir ölçümde mobil cihazın herhangi bir sorun tespit edemediği gözlemlenmiştir. Farklı bir Transit aracında aynı ölçümler tekrarlanmış ve elde edilen değerler incelenmiştir. İkinci araçtaki sorun daha belirgin olduğundan, mobil uygulamanın hata tespiti konusunda daha başarılı olduğu görülmüştür. Alınan ölçümler sonucunda, özellikle 1000 Hz ve altındaki frekanslardaki belirgin tepe noktalarının mobil cihazlar tarafından başarılı bir şekilde tespit edilebildiği sonucuna ulaşılmıştır. Ancak, kullanılan mobil cihazın frekans yanıt karakteristiğine istinaden daha yüksek frekanslarda bozunmalarla karşılaşılabileceği de belirtilmiştir. Deneysel çalışmalar kapsamında son testler Ford Kuga kabini içerisinde farklı mobil cihazlar ile araç ses sistemi kullanılarak yapılmıştır. Bu testlerin yapılmasındaki amaç, farklı mobil cihaz modellerinin ölçtüğü ses basınç düzeyi değerleri arasındaki farklılıkların gözlemlenebilmesidir. Testler sonucunda, mobil cihaz değişimi kaynaklı ölçülen değerlerde büyük farklılıklar olduğu görülmüştür. Yarı yankısız odada ve Transit kabininde belirlenen referans kalibrasyon değerlerinin, bu sebeplerden ötürü tüm cihazlar için ayrı ayrı belirlenmesi gerektiği ve ortak bir değer kullanılamayacağı sonucuna ulaşılmıştır. Sonuç olarak, mobil cihazlarda MEMS mikrofonlar kullanılmasına rağmen bu cihazların bazılarının, cihaz bazlı mikrofon kalibrasyonu sonrasında profesyonel ses ölçüm uygulamalarında yüksek kesinlik ve doğruluk ile kullanılabileceği belirlenmiş ve araç içinde mobil cihazlarla ses kaynağı tespitine yönelik örnek çalışmalarda başarıyla test edilerek önerinin doğruluğu ispatlanmıştır.

Özet (Çeviri)

With the advancement of mobile device technologies, many studies are focused on the improvement of the sensors within these devices thus searching a way to use mobile devices for professional applications. The critical improvements in these sensors allowed these devices to be used as professional measurement tools as well as a communication tool. The main purpose of this thesis is to investigate the performance of built in microphones within the mobile devices and to calibrate the mobile microphone with comparison to a reference condenser microphone. The performance of mobile device microphones are investigated in different mediums to define the effects of these mediums on the measured sound pressure values. Moreover, the sound source identification of a vehicle is also conducted in this thesis with a developed android application on a mobile device after the calibration process is completed. Firstly, a literature review on microphone calibration, use of mobile devices as sound level meters and sound source identification is conducted. It is found that a commercially available calibrator is not designed yet for the calibration of mobile device microphones. The current methods of calibration is also investigated and it is found that the mobile device hardware, software and filters greatly affect the measurement results. The theoretical background on sound, microphones and their calibration, data acquisition and signal processing along with the sound source identification methods is also presented in the thesis briefly since these subjects become the foundation of this thesis. Various experimental setups are prepared in order to test the capabilities of mobile microphones and to investigate the shift in their performance with regards to the measurement medium. The experimental setup is carefully constructed each time before the sound measurements to make sure every equipment is ready and working. A reference condenser microphone is compared to mobile device microphones during the first two experiments for signals that are generated on computer environment and transmitted via calibrated loudspeakers. The experiments are conducted in a hemi anechoic room, a Ford Transit Cabin and a Ford Kuga cabin. The reference values are determined in hemi anechoic room and are the basis of other experiments. Later, the same setup is constructed in a Ford Transit cabin and the same experiment is conducted. The calibration coefficients are defined according to these two experiments. Moreover, the difference in behaviour of various mobile devices after a change in medium and their frequency response is also investigated. Acoustic overload point is found to be existent at lower sound pressure levels for one of the tested mobile devices and the measurement results are found to be wrong in this device for values above this point. After the calibration values are defined, the values are manually entered to the mobile application that is developed for the sound source identification of powertrain based issues in a vehicle. The application and the performance of mobile device is tested for various maneuvers in two different vehicles and issues. It is seen that the mobile application is able to define the root cause of the noise accurately for two of the three measurements conducted. Higher mobile device microphone performance in identifying the more significant noise sources is also identified as a results of these measurements especially for frequencies where the response of the microphone is flat. The final experiment aimed to define the differences in behavior and measured sound pressure values for various mobile devices in a Ford Kuga cabin. As a result, it is found that there are significant differences in measured values for each mobile device. It is also deduced that the calibration values should be identified for each device model specifically as there is no general calibration value that can be applied to all devices. Briefly as a result of this thesis, it is determined that some mobile devices can be used for professional sound measurement applications with high accuracy and precision after the device based calibration even though they are using MEMS microphones. The applicability of the argument and the performance of mobile devices on sound source identification within the vehicle is also proved with exemplary studies on vehicles under operating conditions.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    629707

    Retro-reflektif sensör kullanılarak tasarlanan mobil cihaz ile takograf cihazlarındaki k parametresinin kalibre edilmesi

    Calibration of k paramater in tachograph devices with mobile device designed by using retro-reflective sensor

    BİLAL ERTEKİN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKocaeli Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SARP ERTÜRK

  2. Tez No

    800158

    Ulaşım planlamasında başlangıç – son matrisi tahmininde ilk girdi matrisinin etkisi

    Initial matrix effects on estimation of origin destination matrix in transport planning

    İSMAİL TENGİRŞEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    UlaşımYalova Üniversitesi

    Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ YAVUZ DELİCE

    PROF. DR. HALİT ÖZEN

  3. Tez No

    467231

    Alignment of eye tracker and camera data by using different methods in human computer interaction experiments

    İnsan bilgisayar etkileşim deneylerinde göz izleme cihazı ve kamera verisinin farklı yöntemler ile hizalanması

    LEYLA GARAYLI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik Üniversitesi

    Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ZEHRA ÇATALTEPE

  4. Tez No

    371932

    Markerless augmented reality applications

    İşaretçisiz eklenmiş gerçeklik uygulamaları

    FESİH KESKİN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiAnadolu Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÖMER NEZİH GEREK

  5. Tez No

    529924

    Çamaşır kurutma makinelerinde kurutma performansının iyileştirilmesi

    Improving drying performance of tumble dryer

    SİNAN KAYA

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mekatronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET SELÇUK ARSLAN

Geri Dön