Descrizione della sonda pressione-velocità utilizzata e della procedura per la calibrazione della stessa in ambiente non controllato (laboratorio di acustica)

1. CALIBRAZIONE PER CONFRONTO DI UN PROTOTIPO
LOW-COST DI SONDA PRESSIONE-VELOCITÀ
D. Stanzial, F. Fimiani

2. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sommario:
•Introduzione e presentazione delle sonde:
 Microflown
 Siht (Sogliano Industrial High-Tech)
•Calibrazione della sonda di riferimento in campo di riferimento:
 Guida d’onda piana progressiva (Larix)
 Setup di calibrazione
 Un po’ di teoria
 Risultati
•Calibrazione per confronto di una sonda p-v in campo generico:
 Perché utilizziamo cornette acustiche?
 Setup di calibrazione
 Risultati
•Conclusioni

3. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sommario:
•Introduzione e presentazione delle sonde:
 Microflown
 Siht (Sogliano Industrial High-Tech)
•Calibrazione in campo di riferimento:
 Guida d’onda piana progressiva (Larix)
 Setup di calibrazione
 Un po’ di teoria
 Risultati
•Calibrazione per confronto in campo generico:
 Perché utilizziamo cornette acustiche?
 Setup di calibrazione
 Risultati
•Conclusioni

4. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sonda Microflown di riferimento (match-size)Sonda Microflown di riferimento (match-size)
(MEMS = Micro Electro-Mechanical Systems)
pressione
velocità

5. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sonda SIHT n. 3 e sensore velocimetricoSonda SIHT n. 3 e sensore velocimetrico
Struttura sensore velocimetrico
acustico CMOS compatibile
Microfono MEMS (Knowles SPU0414) p
Velocimetro termoresistivo (CNR-IEIIT) v
pressione
velocità

6. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sommario:
•Introduzione e presentazione delle sonde:
 Microflown
 Siht (Sogliano Industrial High-Tech)
•Calibrazione in campo di riferimento:
 Guida d’onda piana progressiva (Larix)
 Setup di calibrazione
 Un po’ di teoria
 Risultati
•Calibrazione per confronto in campo generico:
 Perché utilizziamo cornette acustiche?
 Setup di calibrazione
 Risultati
•Conclusioni

7. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Ambiente di Misura Controllato: LarixAmbiente di Misura Controllato: Larix
Guida d’onda per
onde piane
progressive
La caratteristica della guida d’onda utilizzata è quella di
poter creare un fronte d’onda piana progressiva dove il
valore dell’impedenza rimane costante in ogni punto cioè
ρc

8. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

9. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Il punto di misura è situato a circa 12 metri dalla
sorgente ed è stato adattato per accogliere microfoni
da ¼” e sonde microflown di tipo match-size.
Per la misura del livello di pressione nel punto di misura si
è usato un microfono B&K type 4939 precedentemente
calibrato a 1kHz con B&K type 4231. Tale livello è stato
quindi usato per la calibrazione del sensore di pressione
della sonda microflwon posta nello stesso punto.

10. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Setup di calibrazione nel campo di riferimentoSetup di calibrazione nel campo di riferimento

11. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Poiché il campo di riferimento generato all’interno della guida d’onda è un campo d’onda
piana progressiva allora la sua impedenza teorica Z è reale, costante nel tempo, e
indipendente dalla posizione di misura. Tale impedenza coincide infatti con l’impedenza
caratteristrica del mezzo z0 pari al prodotto ρc della densità dell’aria per la velocità del
suono.
Ciò permette di scrivere la curva di calibrazione per una sonda p-v nel campo di
riferimento di onda piana progressiva come:
Questa stessa formula rimane valida anche in un campo generico. Basta infatti sostituire
l’impedenza teorica del campo di riferimento (nel nostro caso z0=ρc) con l’impedenza
misurata nel campo generico con la sonda p-v di riferimento precedentemente calibrata
in un campo di riferimento:
( )
( )0
0 mZ
c
ω
ω
ρ
Γ =
( ) 0
m
M
Z
Z
ωΓ =
Impedenza misurata nel campo di
riferimento con la sonda di riferimento
da calibrare (in generale complessa:
modulo e fase)
0
MZ
Impedenza misurata nel campo di riferimento
con la sonda p-v (prototipo) da calibrare (in
generale ora sia il numeratore che il
denominatore sono numeri complessi)
(1)
(2)

12. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
• Verde:
Modulo in
dB rel z0
• Grigio:
differenza di
fase tra p e v
• Rosso:
coerenza tra i
segnali p e v
Risultati ottenuti per il modulo |Z0
m(ω)| misurato con la sonda di
riferimento (microflown) nel campo di riferimento,
PRIMAPRIMA della compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ0
(ω)|
della curva di correzione (1)

13. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
• Verde:
Modulo in
dB rel z0
• Grigio: differenza
di fase tra p e v
(si noti che il
software usato
non permette di
compensare la
fase)
• Rosso:
coerenza tra i
segnali p e v
Risultati ottenuti per il modulo |Z0
m(ω)| misurato con la sonda di
riferimento (microflown) nel campo di riferimento,
DOPODOPO la compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ0
(ω)|
della curva di correzione (1)

14. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sommario:
•Introduzione e presentazione delle sonde:
 Microflown
 Siht (Sogliano Industrial High-Tech)
•Calibrazione in campo di riferimento:
 Guida d’onda piana progressiva (Larix)
 Setup di calibrazione
 Un po’ di teoria
 Risultati
•Calibrazione per confronto in campo generico:
 Perché utilizziamo cornette acustiche?
 Setup di calibrazione
 Risultati
•Conclusioni

15. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Utilizzo di cornette acustiche come condizione al contorno
ricevente ideale per minimizzare le differenze geometriche-
costruttive tra i prototipi e le sonde di riferimento
IN BASSO: sonda Microflown
“vestita” con trombetta
IN ALTO: prototipo di sonda
SIHT “vestita” con trombetta

16. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
• amplificazione segnale
velocimetrico
• fattore di amplificazione
maggiore di 20dB
• facilmente applicabile ad ogni tipo di sonda p-v
• in grado di determinare condizioni di ricezione
equivalenti in campi generici

17. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Segnale di
pressione
amplificato
solo per fres
Segnale di
velocità
amplificato
fino a 20dB
Toni puri
Terze di ottava
Ottave

18. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Setup di calibrazione per confronto in campo genericoSetup di calibrazione per confronto in campo generico
Sonda di riferimento
Sonda da calibrare

19. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Il campo generico utilizzato per testare la bontà del
procedimento di calibrazione è stato generato all’interno di
una cabina silente. Ciò tuttavia non è necessario come
abbiamo potuto verificare in condizioni operative diverse ad
esempio nelle misure di assorbimento. La calibrazione per
confronto di sonde p-v è invece estremamente sensibile al
punto di misura e all’orientamento delle sonde. Per questo è
stato necessario alternare le sonde sul supporto ricreando
chiaramente le stesse condizioni di campo stazionario
generato con rumore bianco.
Peraltro il protocollo seguito è strettamente analogo a quello
definito per la calibrazione in campo di riferimento con l’unica
variante dovuta alla diversa formula per la determinazione
della curva di correzione (2):
dove ora l’impedenza teorica del campo di riferimento è
sostituita dall’impedenza sperimentale misurata con la sonda
di riferimento pre-calibrata.
( ) 0
m
M
Z
Z
ωΓ =

20. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
• Verde:
Modulo
impedenza in
dB rel z0
• Giallo:
Modulo
ammettenza in
dB rel 1/z0
• Rosso:
coerenza tra i
segnali p e v
Risultati ottenuti per i moduli |Zm(ω)| e |Ym(ω)| misurati in campo
generico con la sonda prototipo SIHT,
PRIMAPRIMA della compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ(ω)|
della curva di correzione (2)

21. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Risultati ottenuti per i moduli |Z0
M(ω)| e |Zm(ω)| misurati in campo
generico rispettivamente con la sonda di riferimento (microflown) e SIHT
DOPODOPO la compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ(ω)|
della curva di correzione (2)
Confronto diretto
degli spettri del
modulo
dell’impedenza
misurata con la
sonda Microflown di
riferimento (in giallo
ocra) e la sonda
SIHT calibrata (in
verde). Le curve
sono quasi
sovrapposte per cui
viene mostrata la loro
differenza (intorno
allo zero) in giallo
pallido.

22. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
ConclusioniConclusioni
A causa di limitazioni del software utilizzato, la procedura può essere attualmente
implementata in tempo reale soltanto per la misura del modulo dell’impedenza /
ammettenza. La procedura può tuttavia essere implementata in post-processing con l’uso
di software di programmazione numerica come Matlab, Labview, etc.
È stato dettagliato un protocollo per la calibrazione per confronto di sonde p-v con l’uso di
comuni analizzatori di spettro bicanale. Il protocollo consiste in due fasi distinte:
1.calibrazione della sonda p-v di riferimento in un campo di riferimento
2.calibrazione per confronto in campo generico della sonda p-v con quella di riferimento
La procedura di calibrazione è stata applicata con successo per la calibrazione di sonde
p-v low-cost CMOS compatibili rendendole così idonee all’esecuzione di misure di
assorbimento (asfalti) e all’analisi del rumore soprattutto per il condition monitoring di
sorgenti complesse

23. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

24. Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial
Sensore di
velocità delle
particelle
acustiche
(APVS)
Sensore di
velocità delle
particelle
acustiche
(APVS)
Interfaccia
elettronica per
amplificazione e
filtraggio
Interfaccia
elettronica per
amplificazione e
filtraggio
Elettronica
stabilizzazione
dell’alimentazione
Elettronica
stabilizzazione
dell’alimentazione
MicrofonoMicrofono
Assemblaggio della
sonda SIHT e struttura di
uno dei primi prototipi
sviluppati
Assemblaggio