Замер звука своими руками

Измерение уровня звука (шума) в децибелах с помощью Arduino и микрофона

Так называемое шумовое загрязнение становится все более актуальной проблемой в современном обществе в связи со все возрастающей плотностью населения. Обычное человеческое ухо способно воспринимать звуки с уровнем от 0 до 140 дБ. Громкость (уровень) звука обычно измеряют в децибелах (дБ). Современной промышленостью изготавливаются разнообразные измерители громкости звука, но они в большинстве случаев достаточно дороги. Поэтому в данной статье мы рассмотрим создание простого измерителя уровня звука (шума) на основе платы Arduino и обычного электретного конденсаторного микрофона. Измеряемый уровень звука мы будем показывать в децибелах (дБ).

В схеме нашего измерителя уровня звука мы также будем использовать усилитель, с выхода которого усиленный сигнал будет подаваться в плату Arduino, в которой мы будем использовать регрессионный метод для расчета уровня звука в децибелах. Чтобы проверить корректность работы нашего измерителя звука мы будем использовать android приложение, которое называется “Sound Meter”. Отметим, что целью нашего проекта не является абсолютно точное измерение громкости звука (мы ведь используем самые дешевые компоненты в нашем проекте), а получение значений, максимально близких к истинным.

Необходимые компоненты

1. Плата Arduino Uno (купить на AliExpress).
2. Конденсаторный микрофон (купить на AliExpress).
3. Микросхема LM386 (купить на AliExpress).
4. Резисторы (купить на AliExpress) и конденсаторы.

Схема проекта

Схема измерителя уровня звука на основе платы Arduino и микрофона представлена на следующем рисунке.

В схеме мы используем усилитель звуковых сигналов на основе микросхемы LM386 чтобы усиливать сигнал с выхода конденсаторного микрофона. С выхода усилителя мы подаем сигнал на аналоговый контакт платы Arduino.

Коэффициент усиления используемого нами операционного усилителя LM386 может составлять от 20 до 200 в зависимости от номинала конденсатора или резистора, подключенного к его контактам 1 и 8. Если их не использовать совсем, то коэффициент усиления будет составлять минимальную величину – 20. Мы в нашем проекте использовали максимальный коэффициент усиления данного усилителя, поэтому мы включили конденсатор емкостью 10 мкФ между контактами 1 и 8 – учтите, что эти контакты чувствительны к полярности, поэтому отрицательный вывод конденсатора должен быть подключен к контакту 8 усилителя. Вся схема усилителя запитывается от контакта 5V платы Arduino.

Конденсатор C2 используется для фильтрации шумов, поступающих с микрофона. Когда микрофон улавливает какие либо звуки, на его выходе появляется сигнал переменного тока. Но в составе этого сигнала переменного тока может присутствовать шум с некоторым постоянным уровнем (постоянная составляющая сигнала), этот шум и отфильтровывается с помощью данного конденсатора. Аналогично этому конденсатор C3 на выходе усилителя используется для фильтрации постоянного уровня шумов, которые могли появиться в процесс усиления сигнала (добавиться к нему в процессе усиления).

Внешний вид собранной конструкции проекта показан на следующем рисунке.

Использование регрессионного метода для расчета уровня звука в децибелах

Когда аппаратная часть нашего проекта будет готова, мы можем подключить плату Arduino к компьютеру и загрузить в нее код примера “Analog Read Serial” из Arduino IDE чтобы проверить действительно ли мы получаем корректные значения АЦП (аналого-цифрового преобразования) с нашего микрофона. Но нам эти значения необходимо преобразовать в децибелы (дБ).

В отличие, к примеру, от задач измерения температуры и влажности, измерение уровня звука в децибелах не является линейной задачей поскольку значения уровня звука в децибелах имеют нелинейную зависимость от имеющихся у нас значений АЦП с выхода аналогового контакта Arduino. Существует несколько способов решения данной задачи, но мы выбрали один из самых простых.

Поскольку мы не преследуем цели получения максимальной точности результатов мы решили использовать метод непосредственной калибровки значений АЦП с помощью значений децибелов. Для этого в идеале необходимо иметь профессиональный измеритель уровня шума (SPL meter), но вряд ли у кого из начинающих радиолюбителей он есть, поэтому мы будем использовать для этой цели обычное android приложение под названием “ Sound meter ”, которое можно бесплатно скачать из play store. Существует множество других аналогичных приложений – вы можете использовать любое из них. Все эти приложения имеют примерно одинаковый принцип действия – они используют встроенный в смартфон микрофон для измерения уровня шума, который они затем отображают на экране смартфона. Они не отличаются высоким уровнем точности, но для решения нашей задачи они вполне подойдут.

Скачайте приложение “Sound meter”, после его установки и запуска вы на экране смартфона увидите примерно следующую картину:

Как мы уже говорили, зависимость между имеющимися у нас значениями с выхода АЦП и требуемыми значениями уровня звука в децибелах нелинейная, поэтому нам необходимо сравнить эти значения на различных интервалах. Запишите несколько значений с выхода АЦП и соответствующие им значения в децибелах с вашего смартфона. Мы для примера взяли/сравнили 10 значений и у нас получились цифры, приведенные в следующей таблице (у вас могут получиться немного другие цифры).

Откроем страницу Excel и запишем туда эти значения. В Excel нам необходимо найти значения коэффициентов регрессии для записанных значений. Для облегчения этой задачи давайте сначала построим графики этих значений.

Как вы можете видеть из представленных графиков, значения в дБ не имеют линейной зависимости от значений АЦП. Это означает что вы не можете использовать простой коэффициент, чтобы с его помощью пересчитать значения АЦП в значения в дБ. В этом случае мы должны использовать метод линейной регрессии. Вкратце суть этого метода состоит в том, чтобы аппроксимировать синюю линию на приведенном графике максимально близкой к ней прямой линией и получить уравнение этой прямой линии. Это позволит нам достаточно просто находить для каждого значения АЦП эквивалентное ему значение в децибелах.

В Excel у нас есть плагин для анализа данных, который может автоматически рассчитать нам необходимое уравнение регрессии. Если вы не знаете как это делать, то вы легко можете найти эту информацию в сети интернет – это нецелесообразно включать в текст данной статьи поскольку этой информации в сети и так слишком много. Когда вы рассчитаете уравнение регрессии, Excel нам выдаст ряд данных, показанных на следующих рисунках. Нас будут интересовать данные, обведенные красной линией на представленных рисунках.

На основании этих чисел мы можем записать следующее уравнение:

ADC = (11.003* dB) – 83.2073

В этом уравнении ADC обозначает данные АЦП.

Из этого уравнения мы можем получить нужное нам выражение для расчета децибел на основании данных АЦП:

dB = (ADC+83.2073) / 11.003

У вас уравнение может немного отличаться от нашего если вы будете использовать другие калибровочные данные, отличные от наших. Но общий принцип нахождения уравнения регрессии останется неизменным.

Объяснение программы для Arduino

Полный код программы приведен в конце статьи, здесь же мы кратко рассмотрим его основные фрагменты.

В программе мы будем считывать значения АЦП с контакта A0 и преобразовывать их в децибелы с помощью уравнения, которое мы получили в предыдущем пункте статьи. Это значение децибел, как мы уже говорили, не будет абсолютно точным, но оно будет достаточно близким к своему истинному значению.

Источник

Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео

ЗВУКОМАНИЯ

Hi-Fi и High-End техника или энциклопедия звука и видео

Измерение акустики, динамиков самому с помощью RMAA и микрофона

Измерение акустики, динамиков самому с помощью RMAA и микрофона

Независимо от того, имеет ли увлеченный человек золотые уши или менее развитые чувства, он рано или поздно столкнется с проблемами создания акустики с помощью самодельных инструментов. Как «новичок» в сборке звуковых ящиков, разве вы не потратили бы часы, пытаясь добиться лучшего звука из только что купленных динамиков, меняя детали и пытаясь не разочароваться в кроссовере, разработанном программой (возможно, используя данные из заводской таблицы данных)?

И каков результат? Много-много потраченных часов, бесчисленное количество переключений, звук лучше и хуже, меньшие приросты, пот и мучения … И, в конце концов, опять что-то не так. Или, по крайней мере, мы не уверены, действительно ли результат хорош, потому что, по словам моего друга это не очень… и т.д.

Измерение акустики у себя дома с помощью RMAA

В чем сложность конструкции динамиков и акустики? Начнем с имеющихся у нас данных! В хорошем случае у нас есть заводской паспорт , но мы должны знать, что, несмотря на лучшие намерения производителя, он не подходит для этой цели…

Скорее всего, это не было сделано для этой цели. Это связано с тем, что в заводском техническом паспорте указаны условия измерения, которые часто даже не указываются, и в редких случаях соответствуют условиям, указанным при фактическом использовании. Многие производители (например, Peerless, VIFA, Scan-Speak) измеряют свои данные передачи, встроенные в стену измерительной комнаты, что означает совершенно другие условия, чем при использовании в коробе. И это только один аспект проблемы среди многих других (например, дифракция, кажущиеся нюансами ошибки, которые могут вызвать до 3-6 поломок и т.д.), Но это не тема данной статьи.

Следующая проблема — заданная и реальная чувствительность динамиков, акустики. Насколько мы можем доверять заявлениям производителя? Тщательное планирование напрасно, если несоответствие с самого начала снижает эффективность. И, наконец, оставаться с самыми важными …

Самое главное — это наши уши… хотя и тонкий «инструмент», но нас легко обмануть. На это есть несколько причин. Первый и самый важный — это сильная эмоциональная привязанность к тембру, который мы так часто слышим в тестах динамиков и акустики. (например, «теплый», «мягкий» и т. д.) Это также работает и в обратном направлении: слушая один и тот же трек — в зависимости от нашего душевного состояния, нашего отдыха — мы можем сформировать совершенно другое мнение.

Другая проблема, которую многим трудно признать, заключается в том, что, будучи новичком, очень немногие любители развили способность правильно судить о местонахождении и характере ошибки, когда они слышат конкретную ошибку в коробе. Так часто бывает с опытными конструкторами: наши уши — не частотомеры. Например, кто бы подумал искать причину неточной глубокой передачи на средних частотах? Ну да, конечно опытный конструктор акустики. Но что бы Он делал без измерения?

Ищем ли мы решение какой-либо проблемы, ответ очевиден: нам нужна безопасная точка, независимая от всех этих трудностей. Это инструмент для измерения. Когда он делает первые успешные самооценки, это важное событие в жизни любого любителя, поскольку это касается независимости. Независимость от поиска заводских данных, их неточности и т.д … Да и вообще … кто бы не хотел иметь возможность надежно проверить и измерить любой динамик и акустику в своих руках?

Я хотел бы помочь им и — я надеюсь — следующим поколениям российских производителей акустики своими руками и в домашних условиях.

Программа RMAA 5.5, а лучше найти RightMark Audio Analyzer 6.4.5

Прежде чем всё дойдёт до вас, позвольте мне рассказать вам о моем личном опыте использования этой очень полезной и, к тому же, бесплатно загружаемой программы. С помощью этой утилиты мы получаем бесплатно «тестовую лабораторию», которая ограничена только возможностями нашей звуковой карты. (Вам не нужно думать о больших вещах, она делает это в 99% случаев, и точно для измерения звуковых коробов!) Конечно, многие знают, что с годами эта программа превратилась из индивидуальной инициативы в квазиотраслевой стандарт тестирования звуковых карт, ЦАП и т.д.. С этой программой RMAA 5.5 тестируют свои звуковые карты, ЦАПы многие известные производители, в том числе Creative.

RMAA 6.4.5

Как работает RMAA или RightMark Audio Analyzer 6.4.5? Довольно просто: из линейного выхода тестовый сигнал должен быть направлен на линейный входной разъем карты, чтобы измерить возможности ЦАП карты в системе с обратной связью (передача частоты, искажения, отношение сигнал / шум, IMD, перекрестные помехи между каналами и т. д.).

Что наиболее важно, он может компенсировать измеренный результат данными из предыдущего результата. На практике это означает, что если мы измеряем свойства карты, используя метод, упомянутый выше, а затем вставляем любое устройство (усилитель, деку и т. д.) В замкнутый контур , используя функцию компенсации, система может точно соответствовать возможностям устройства.

Однако, учитывая среднее качество современных звуковых карт, могу сказать, что использование функции компенсации тоже не очень важно, так как +/- 0.5-1 действительно значительный.

Намного важнее получить качественную электретную капсулу и соответствующий ей «бокс».

Измерительный микрофон

Душа нашей измерительной системы. Это та часть, которая существенно влияет на точность и чувствительность всей системы. Так что не стоит экономить при покупке микрофона, так как хорошо подобранный — а затем тщательно изготовленный — измерительный микрофон защитит нас от множества неприятностей и, что не менее важно, он может быть самым надежным устройством в нашей системе. (Не говоря уже о критерии немалой точности.)

Какой выбрать? К сожалению, как и во многих областях, здесь мы столкнемся с трудностями из-за внутренних условий. «Традиционные», широко распространенные виды не для всех «пряностей» доступны в домашних условиях. При поиске следует иметь в виду два типа — я уверен, что ни один из них не знаком тем, кто занимается этим предметом: модели Panasonic WM-61A (AT, AY, AX), типы Panasonic WM-60A, или тот же Monacor MCE-2000 (или Panasonic WM-60AY).

Приобрести для дома два продукта Panasonic сложно, но решить эту проблему можно. Модель Monacor MCE-2000 снята с производства, но их довольно много бу в рознице, о есть много других еще более лучших. Так что посмотреть стоит!

Упомянутые выше типы отлично подходят для домашних измерений, поскольку они сделаны с небольшим производственным стандартным отклонением, довольно чувствительны (так что их можно даже использовать, подключив их к микрофону, если звуковая карта обеспечивает фантомное питание — и большинство из них это дает), и, что наиболее важно: файлы калибровки легко найти, что позволяет проводить точные измерения.

Если вы не можете найти ни один из вышеперечисленных типов,тогда можно выбрать другие электреты, так как большинство этих капсул достаточно линейны до 8-10 кГц. Это, конечно, может значительно снизить точность наших измерений в зависимости от качества микрофона. Поэтому стоит осмотреться и запросить / загрузить заводские спецификации. (Что, к сожалению, часто приближает истину на расстоянии.)

При создании измерительного микрофона в первую очередь следует помнить о том, чтобы установить капсулу так, чтобы ее «передняя часть» была достаточно свободной и рядом с ней не было потенциально отражающей поверхности. (Так что НЕ погружайте капсулу ни во что!)

Пластиковая трубка, которая точно соответствует диаметру капсулы, может быть хорошим решением.

Вклеивая в него электрод, мы получаем «бокс», отвечающий всем требованиям, так как капсула остается точной, а механической устойчивости бокса также достаточно для фиксации во время измерения. Важно удалить пространство за капсулой в тюбике., поскольку эти устройства являются всенаправленными, возможно, резонансный «свист» за ними отрицательно сказывается на точности наших измерений.

Другое решение , которое гораздо проще реализовать, — прикрепить капсюль к проводу (верхний микрофон), просто нагревая его термоусадочной трубкой после того, как провода будут припаяны. Это очень хорошее решение с точки зрения точности, но оно может доставить массу неудобств при измерениях.

Разводка микрофона бесконечно проста: подключите «корпус» электрета (извините за простоту, жертвую точностью на алтаре пластичности) к точке заземления «маленького гнезда», а другой полюс электрета подсоедините к «концу» гнезда, то есть левой стороне.

Те, кто имеет предусилитель, должны, конечно, работать по входам усилителя. Конечно, низкочастотную передачу можно улучшить, но в конструкции преобразователя эта область не является проблемой.

Теперь, когда мы успешно создали датчик-микрофон, давайте посмотрим, как его можно использовать с RMAA 5.5, а лучше RMAA 6.4.5

Программа RMAA 6 как акустическая измерительная система

Вроде все готово для измерений. Все, что нам нужно сделать, это подробно рассмотреть, как подключить нашу систему, настроить нашу программу для получения хороших результатов.

Первым шагом, конечно же, является сама установка RMAA 6.4.5. Как только мы это сделаем, нам нужно решить правильную разводку «оборудования».

RMAA 6.4.5

На изображении выше вы можете увидеть «более простую» конфигурацию, которую стоит использовать для измерения — она может работать без использования предварительного усилителя. Изображение довольно четкое, но давайте рассмотрим его подробнее. Левая часть линейного выхода звуковой карты(Нам нужно подключить штекер маленького разъема к усилителю, желательно хорошего качества. Подключите его к усилителю, к динамику, акустике, которой нужно измерить.

Используя микрофоны, описанные выше, вы можете подключиться напрямую к звуковой карте без использования предусилителя, используя микрофонный вход. Конечно, вы также можете использовать предусилитель, но в этом случае, конечно, мы используем линейный вход! Если проводка, подключена правильно, вам может потребоваться настроить программное обеспечение.

настройки записи

Запускаем настройку программного обеспечения , нажав на маленький динамик на панели задач на микшере! Установите регуляторы «общая громкость» в максимальное положение, приглушив остальные. Это очень важно, при небольшой невнимательности мы можем доставить себе массу неудобств и получить неточные измерения!

Когда вы закончите, нажмите «Свойства» в меню «Настройки». Здесь выберите переключатель «для записи» и выберите все для отображения! Полученный микшер будет использоваться в наших измерениях. Выберите микрофонный вход для использования и выберите усиление микрофона как одну из специальных опций!

настройка RMAA 6

Начнем RMAA 6! Щелкните кнопку параметров теста. В появившемся здесь меню нам нужно изменить вкладку тела акустики , оставив остальное без изменений. И здесь наша задача находится на расстоянии одного клика: установите флажок Включить режим тестирования акустики ! Затем программа указывает, что вы установили сигнал калибровки на 1000 Гц. Важно, что как бы соблазнительно это ни выглядело, НЕ ставьте отметку в поле с надписью « корпус сабвуфера» !

Это настраивает основы измерения. А теперь измерение . Да, мы можем быть счастливы … хотя пока не будем этого делать, у нас может быть гораздо больше проблем.

В окне RMAA 6.4.5 ( после закрытия параметров тестирования ) нажмите нижнюю левую кнопку, которая похожа на магнит. После этого вы увидите следующее окно:

Тест акустики и тест динамиков

Не бойтесь, если дисплей не зеленый. Нам нужно отрегулировать уровень микрофонного входа на микшере и громкость усилителя, чтобы они были примерно -1 от записанного уровня . Затем программа сообщит, что все готово к измерениям. Нажмите кнопку запуска теста.

После этого давайте помолчим, потому что акустические измерения уже идут! Когда измерение будет завершено, выберите слот для результата , затем посмотрите на график, нажав кнопку, отмеченную красным кружком на рисунке ниже! Я надеюсь, что все будут счастливы, увидев первое (настоящее) настоящее акустическое измерение в своей жизни!

rmaa_тест

ИТОГИ. Многие скажут, но как насчет отражений в помещении? Ну, я тоже долго сомневался в подлинности измерения RMAA 6.4.5. Пока я не получил одну из лидирующих на рынке систем. Сравнивая его измерения с RMAA, я могу сказать то же самое: нам не о чем беспокоиться! Я не знаю, как именно вы это делаете (здесь используется какая-то синхронизация между выходом и входом), но я уверен, что ваше измерение далеко не без аномалий, вызванных измерительной комнатой .

Конечно, в крайнем случае или ниже 500 Гц эти проблемы хорошо видны, но пока мы обязательно устанавливаем систему в центре хорошо обставленной комнаты — и желательно на полу с подушкой между микрофоном и динамиком — до тех пор мы можем быть полностью уверены в том, что система может измерить.

Я думаю, ничто не доказывает это больше, чем тот факт, что вместо — гораздо более дорогой и деликатной — промышленной измерительной системы я также использую ее для измерений во время настройки динамика.

Я искренне надеюсь, что сейчас могу оказать большую помощь всем тем, кто давно хотел создать свою акустику, но не решался из-за отсутствия измерительной системы, или тем, кто часами не мог бороться с минусами корпуса и некоторыми проблемами кроссовера.

Позже мы также поговорим о характеристиках передачи микрофонов, правильных методах измерения и методах измерения для каждого типа динамика и акустики в целом.

Источник