Hangkamera automotív fejlesztésekhez

A Hyundai LabVIEW- és FPGA-alapú hordozható hangkamerával tanulmányozza a zúgást, nyikorgást és zörgést

„Az NI moduljainak és szoftvereinek használatával versenytársainkat jóval megelőzve fejlesztettünk ki egy ténylegesen hordozható hangkamerát. Meggyőződésem, hogy segítségével jobb járműveket tudunk gyártani ügyfeleinknek.” – Kang-Duck Ih, Hyundai Motor Group

A probléma

Hordozható rendszer létrehozása a zúgó, nyikorgó és zörgő hangforrások megjelenítésére és azonosítására a Hyundai járműveiben.

A megoldás

Kézi hangkamera, amelyet a képfrissítési frekvencia növelése és az eszköz összsúlyának csökkentése érdekében mikro-elektromechanikai rendszeren (MEMS) és FPGA-technológián alapuló, NI LabVIEW rendszertervező szoftverrel fejlesztettünk ki. Az eszköz valós időben azonosítja és jeleníti meg a hangforrásokat.

1. ábra SeeSV hangkamera méri a Hyundai Genesis motorházfedelének hatását

Ügyfeleink elvárják, hogy járműveik a hallható tranziens zajoktól, azaz zúgástól, nyikorgástól és zörgéstől mentesek legyenek. Ezek a zajok kihatnak az elégedettségi felmérésekre, például a J.D. Power Initial Quality Study (IQS) felmérésére is, amelyben a Hyundai több járműve maximális eredményt ért el. A problémát okozó zajokat a mozgó alkatrészek ütközése és súrlódása okozza. A zúgás rövid, ütés okozta zaj, amely a rezonancia miatt erős nagyfrekvenciás összetevőket is tartalmaz. Sok nyikorgó hang lép fel, amikor két érintkező fémalkatrész egyikére lineáris mozgatóerő hat, vagy amikor gumi végez kényszermozgást egy csigán. Zörgés akkor léphet fel, amikor a jármű mozgásban van, vagy amikor jár az álló jármű motorja. Nagy intenzitású, kisfrekvenciás hangok kibocsátásakor a hangszórók is okozhatnak zörgést. A probléma kiküszöbölésének első lépéseként meg kell határozni a zaj forrását, bár ez néha nem könnyű.

2. ábra A zúgás, nyikorgás és zörgés magasabb frekvenciasávban van, mint a szokásos motorhang

Az akusztikus nyalábformálás során a hangforrásokat egy akusztikus rácsra képezzük le. A hangforrás iránya abból az időkésleltetésből határozható meg, amelyet a hang elszenved, miközben áthalad egy mikrofonrács – például egy hangkamera – felett. A hangkamera a hangot színes kontúrokként ábrázolja, hasonlóan ahhoz, ahogyan a hőkamera megjeleníti a hőmérsékletet. A mikrofonrács, amely egy nyalábformáló módszert valósít meg, vizuálisan mutatja a zajforrások helyét, ezért a zúgás, nyikorgás és zörgés észlelésének egyik legjobb eszköze. Több nyalábformáló eszköz kapható kereskedelmi forgalomban, amely a mikrofonrács jeleit hangintenzitás-vonalakká alakítja át. Ezek az eszközök kamerákat is tartalmaznak, amelyek a vonalakat optikai képekre vetítik rá, megkönnyítve a zajforrás behatárolását. A másodpercenként több zajképet felvevő eszközök zajvideókat készítenek. Általában a zajkép és a zajvideó a magasabb frekvenciatartományokban jobb minőségű, mert a mikrofonrács jellemzői a zaj hullámhosszával fordítottan arányosak.
A zajforrások meghatározása egyes eszközöknél nehézséget okoz. Először is a tranziens zajok rögzítése miatt fontos, hogy az eszközök válaszideje gyors legyen. A zúgás, nyikorgás és zörgés többnyire rendszertelenül és gyorsan történik. Néha a zajok csak néhány ezredmásodpercig hallhatók, majd megszűnnek. Másodszor, ehhez a felhasználáshoz olyan kis súlyú eszközre volt szükségünk, amely elég kicsi az utasszállító jármű belsejében történő használathoz, ahol a legtöbb ilyen vizsgált zaj keletkezik vagy észlelhető. Mivel a rács mérete arányos a képfelbontással, különösen a kisfrekvenciás tartományokban, ezért nem volt könnyű kisméretű nyalábformáló eszközöket készíteni. A kis, hordozható nyalábformálót a többnyire 300 Hz és 8 kHz között fellépő zúgásra, nyikorgásra és zörgésre optimalizáltuk; a magasabb frekvenciatartományokban – az eszköz hordozhatósága érdekében – egy kisebb rácsot használtunk.

3. ábra: Zajforrások észlelése egy jármű ajtaján és ablakán

A zajforrás-azonosításra kifejlesztett első rendszereinkben analóg mikrofonokat rendeztünk 30…48 csatornás spirálokba. A legnagyobb ilyen rendszer átmérője 85 cm volt. Az adatokat az NI 9234 dinamikus jelgyűjtő (DSA) modullal NI CompactDAQ-rendszerben gyűjtöttük, a 30 csatornás változatnál egy NI PXIe-4497 DSA-modullal pedig a 48 csatornás esetében. Az NI Sound and Vibration Measurement Suite segítségével LabVIEW-ban kifejlesztettünk egy hangkamerát kezelő szoftvert, amely hangminőség-méréseket végzett a valós idejű megjelenítéshez. A nagy rácsméret alkalmassá tette a hangkamerát mind a zúgó, nyikorgó, zörgő zajforrások (BSR) behatárolására, mind a zaj, rezgés és keménység (NVH) meghatározására, egészen 50 Hz-ig terjedően. A hangkamerát számos különböző célra használtuk, többek között az elhaladó kerék vagy az ajtólapok hangszórói okozta zaj megjelenítésére.

4. ábra A zajt, rezgést és keménységet nagyobb mikrofonráccsal mérik, mint a zúgást, nyikorgást és zörgést

Mivel a jelfeldolgozó eszközök gyors ütemben fejlődnek, MEMS-mikrofonok és FGPA-technológia alkalmazásával átterveztük nyalábformáló rendszerünket annak érdekében, hogy a Hyundai igényeinek megfelelően a BSR-zajokat szűk helyeken is észlelni lehessen. A MEMS-mikrofonok alkalmazását az is indokolta, hogy fogyasztói elektronikai termékekben, például mobiltelefonokban is használják. Ezek ma már rendkívül megbízhatóak és megfizethető árúak, frekvenciamenetük egyenletes a 300 Hz…8 kHz-es tartományában, amelyek nemcsak a beszédértés, hanem a zúgás, nyikorgás és zörgés elsődleges frekvenciái is. A digitális MEMS-mikrofon egy akusztikus jelátalakítót, egy előerősítőt és egy delta/szigma-konvertert tartalmaz egyetlen lapkán. Ez az integrált áramkör az analóg jelet digitális impulzussorozattá alakítja át, ezért a műszerek bemeneti jelkondicionáló és digitalizáló áramköreit kiküszöbölhettük, és a kiváló műszaki jellemzőket megőrizve csökkenteni tudtuk a rendszer méretét és súlyát.

5. ábra: Az ergonomikus kialakítású tartófülek megkönnyítik a használatot

A számításigényes nyalábformáló algoritmus gyorsítása érdekében az alkalmazást a LabVIEW FPGA-moduljával valósítottuk meg egy NI Single-Board RIO FPGA-n. Ezzel egyrészt még kisebb, olcsóbb és könnyebben hordozható lett az eszköz, másrészt lehetővé vált, hogy egyetlen lapkára integráljuk a jelalak-formálást, az adatgyűjtést, a szűrést és a nyalábformálást. A jelgyűjtő áramkört közvetlenül csatlakoztathattuk az FPGA-technológiájú feldolgozóegységre, ami minimalizálta a késleltetési időket. Az FPGA ciklusonként több száz műveletet képes végrehajtani, és ezzel a lényegében párhuzamos működéssel túlszárnyalta a számítógépek számítási teljesítményét.
A rendszer 2 kg-nál kisebb tömege következtében könnyebben hordozható és masszívabb lett. A mikrofonrácshoz és a kamerához egyetlen szilárd befogót terveztünk, amelynek hátoldali három fogófüle lehetővé tette a stabil kezelést akár egy, akár két kézzel. Az összes érzékelőt és a kábelezést a tartó testébe szereltük, ami a méretet 60%-kal, a súlyt pedig 70%-kal csökkentette az előző rendszerhez képest.

6. ábra: A rendszer súlya 2 kg alatt van

Ezzel a kisméretű és könnyű rendszerrel még szűk helyeken is közvetlenül vizsgálhatók a jármű belsejének és külsejének különböző zajforrásai. Az integrált konstrukció jelentősen csökkenti a beállítási időt. A nagy képfrissítési frekvenciájú rendszer rendkívül hatékonynak bizonyult a tranziens zajok rögzítésében, illetve megjelenítésében, és jelenleg több új luxusmodell, például a Hyundai Genesis vizsgálatánál használják, ahol a zúgás, nyikorgás és zörgés elfogadhatatlan.

Kang-Duck Ih – Hyundai Motor Group, Youngkey K. Kim   – SM Instruments Co., Ltd.

National Instruments Hungary Kft.
1117 Budapest, Neumann János utca 1/E. 2. emelet
Telefon: 06 1 481 1400, 06 80 204 704
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
hungary.ni.com