222 forquality · 222 ★ ใช ค นหาการเกิดป ญหา bsr (buzz, squeak,...
TRANSCRIPT
March-April 2017 Vol.23 No.222 Magazine for Executive Management
QualityForQualityFor
Management
www.tpaemagazine.com
การรวมทนระหวาง “Tencent” กบ “Tesla”
เทคโนโลยพลกธรกจ...ชชะตาโลก
Generation C ปรากฎการณใหมเจนใหม จบอนไซตคนคอนเนค
การออกแบบการทดลอง (Design of Experiment)
คณอจฉรา 08-1372-0180
คณสทธกนต 086-577-7577สนใจตดตอ
222
★ ใชคนหาการเกดปญหา BSR (Buzz, Squeak,
Rattle) ในอตสาหกรรมยานยนต
★ ระบตำแหนงกำเนดเสยงรบกวน (Noise Source
Identification - NSI) ในหองโดยสารรถยนต
และอากาศยาน
PULSE Reflex Acoustic Camera
กลองถายภาพเสยงใชระบแหลงกำเนดเสยงรบกวนมการ
ประมวลผลแบบ Real-Time ประกอบดวยไมโครโฟน
รบเสยงและกลองถายภาพ ใชงานงาย สามารถแสดงผล
ในรปแบบแผนทเสยงรบกวน (noise mapping)
★ ตรวจคนหาการเลดลอดของเสยงรบกวนผานชอง
หรอรอยรวตางๆ
PULSE Reflex Acoustic Camera
กลองถายภาพเสยงกลองถายภาพเสยง
www.measuretronix.com
/bruel-and-kjaer
for Quality
Cover Story
5for Quality Vol.24 No.222
July-August 2017
บรษท เมเชอรโทรนกซ จ�ำกด
www.measuretronix.com
www.measuretronix.com/bruel-and-kjaer
สอบถำมเพมเตมตดตอ :
คณอจฉรำ 081-372-0180
คณสทธกนต 086-577-7577
Brüel & Kjaer Type 9712
PULSE Reflex Acoustic Camera
กลองถายภาพเสยง
กลองถำยภำพเสยงใชระบแหลงก�ำเนดเสยงรบกวน มกำรประมวลผลแบบ
Real-Time ประกอบดวยไมโครโฟนรบเสยงและกลองถำยภำพ ใชงำนงำย
สำมำรถแสดงผลในรปแบบแผนทเสยงรบกวน (noise mapping)
Brüel & Kjaer Type 9712
PULSE Reflex Acoustic Camera
ชดเครองมอและแผงไมโครโฟนขนาดมอถอ ส�าหรบคนหาจดก�าเนดเสยงรบกวน โดยการสรางแผนภาพของเสยงในแบบ Real-Time ตลอดยานความถกวาง ตวแผงไมโครโฟนสามารถตดตงคอมพวเตอรขนาด Tablet ส�าหรบแสดงแผนภาพของเสยงในพนททเลงชไปในเวลาจรง อบรมการใชงานเพยงเลกนอยกสามารถท�าการคนหาแหลงก�าเนดเสยง ถายภาพ และบนทกวดโอ ของเหตการณทนาสนใจและพนทมปญหา เพอการวเคราะหตอไป สามารถยอนดภาพทบนทกไดทนทเพอดความถกตอง ในขณะทก�าลงปรบตงคาใชงาน เชน ก�าหนดชวงความถ
การใชงาน
● ใชคนหาการเกดปญหา BSR (Buzz, Squeak, Rattle) ในอตสาหกรรมยานยนต
● ระบต�าแหนงก�าเนดเสยงรบกวน (Noise Source Identification: NSI) ในหองโดยสารรถยนตและอากาศยาน
● ตรวจคนหาการเลดลอดของเสยงรบกวนผานชอง หรอรอยรวตาง ๆ
ผเรยบเรยง เขมพฒน ตนตวฒนกล
หองปฏบตการวศวกรรมเสยงและการสนสะเทอน
ภาควชาวศวกรรมเครองกลและการบน-อวกาศ
มหาวทยาลยพระจอมเกลาพระนครเหนอ
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
6
คณลกษณะ
ในชดเครองมอประกอบดวยแผงไมโครโฟนเฉพาะ 30 ตว มแผนปดดานหลงถอดไดเพอการวดเสยงแบบ Near Field และ Far Field โดยใชไดทงแบบ Beamforming และ Holography มขนาดเลกพอเหมาะ สะดวกใชในพนทจ�ากด มกลองวดโอในตวเพอดภาพ Real-Time และบนทกพรอมกบแผนภาพเสยง ในชดยงมเครองเกบบนทกขอมลรน LAN-XI ท�างานดวยแบตเตอรไดตอเนอง 2.5 ชวโมง พรอมกลองเกบเครองมอกนน�า
ความสามารถ
● วดความถตลอดยานกวางโดยใช Beamforming และ SONAH
● แสดงแผนภาพเสยงรบกวนซอนบนภาพวดโอหรอภาพถาย● สามารถแสดง Spectrogram เพอชวยในการระบและ
วเคราะหเหตการณ ซงเกดขนในชวงเวลาสน ๆ● เปดเครองพรอมใชงานใน 20 วนาท● วดคาพรอมบนทกเสยงและวดโอแตละเหตการณ
● แสดงกราฟ Sound Pressure, Sound Intensity และ Sound Power
● ควบคมการท�างานแบบรโมทผาน Tablet● จบภาพหนาจอบน Tablet เพอบนทก● ซอฟตแวร PULSE Reflex Array Analysis จดท�า เกบบนทก
ขอมล และตรวจสอบบน PC
เนองจากท�างานแบบ Real-Time กลองถายภาพเสยงจง เหมาะส�าหรบใชสรางแผนภาพเสยงรบกวนของวตถเคลอนท และเหตการณชนดเกดเปนหวง ๆ ได คณสามารถเดนถอแผงไมโครโฟนเพอบนทกวดโอ หรอยดแผงไมโครโฟนกบขาตงกลองอยกบทกได กลองถายภาพเสยงตรวจวดเสยงความถยานกวางโดยใชเทคโนโลย Acoustic Beamforming และ Statistically Optimized Near-Field Holography (SONAH)
กลองถายภาพเสยง:
อปกรณระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยง
การควบคมเสยงรบกวน เปนโจทยทมความทาทายสงส�าหรบวศวกรและนกวจย เปนทรกนดวาการควบคมการเกดเสยงรบกวนทมประสทธภาพสงสดนนสามารถท�าไดโดยด�าเนนการแกไขปญหา ทแหลงก�าเนดเสยงโดยตรง ถงแมวาความร ดานวทยาศาสตรจะ ชวยใหวศวกรสามารถพยากรณการเกดเสยงไดแมนย�าในระดบหนง อยางไรกตาม การเกดเสยงรบกวนซงเกดจากความไมสมบรณแบบของผลตภณฑกสามารถกอใหเกดเสยงรบกวนได ซงปญหาในลกษณะนมความยากทจะคาดเดาไดวาเสยงรบกวนดงกลาวนนเกดขนจาก ชนสวนใด ดวยเหตนจงมการคดคนอปกรณเพอใชระบแหลงก�าเนดเสยงขน อปกรณดงกลาวเรยกวาไมโครโฟนอาเรย (microphone array) บทความนจะกลาวถงหลกการท�างานของไมโครโฟนอาเรย รวมถงเทคนคตาง ๆ ทใชในการระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงซงถกเรยกอยางกวาง ๆ วา เทคนค Noise Source Identification: NSI โดยมการแสดงผลในรปของแผนทเสยงรบกวนดงแสดงในรปท 1
รปท 1 การระบต�าแหนงการเกดเสยงรบกวน (NSI)
ไมโครโฟนอาเรยถกเรยกอยางหนงวา เสาอากาศเสยง (acoustic antenna) สบเนองมาจากหลกการทใชในการระบแหลงก�าเนดเสยงนนมพนฐานเดยวกนกบการออกแบบเสาอากาศเพอ รบคลนวทย ไมโครโฟนอาเรยระบบหนงจะประกอบไปดวยเซนเซอร
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
7
(sensor) ซงกคอ ไมโครโฟนส�าหรบตรวจจบสญญาณเสยง โครงสรางของอาเรยซงใชยดจบเซนเซอรใหอยในต�าแหนงทเหมาะสม ชดสมเกบสญญาณและสวนประมวลผล เทคโนโลยไมโครโฟนอาเรยนถกคดคนขนมาในชวงทศวรรตท 1980s ไมโครโฟนอาเรยระบบแรกนนถก สรางขนในป ค.ศ.1975 โดย J.Billingsly และ R.Kinns (ดรปท 2) และไดรบชอเรยกวา กลองมองเสยงระยะไกล (acoustic telescope) ในยคแรกของการพฒนานนไมโครโฟนอาเรยถกใชเพอการตรวจจบเสยงและวเคราะหการเกดเสยงรบกวนของเครองบนและรถไฟเปนหลก
รปท 2 ระบบไมโครโฟนอาเรย The Acoustic Telescope [1]
ตอมาในป ค.ศ.1999 บรษท GFaI Tech Gmbh ไดท�าการ รวมกลองถายภาพเขากบไมโครโฟนอาเรยและน�าเสนอผลตภณฑ ดงกลาวขนครงแรกในงานแสดงสนคาเมองฮานโอเวอร โดยใชชอ ผลงานวา กลองถายภาพเสยง (acoustic camera) ดงแสดงใน รปท 3 อยางไรกตาม กลองถายภาพเสยงของ GFaI เวอรชนแรกนม ขอบกพรองอยมาก และถกแกไขใหมประสทธภาพในการท�างาน อยางสงสดแลวในเวอรชนปจจบน
หลกการท�างาน
เสยง คอ คลนกลซงเดนทางผานตวกลางคออากาศ โดยมจดเรมตนทแหลงก�าเนดเสยงและแพรกระจายออกไป การเดนทางของคลนนนเปนการสงผานพลงงานจากแหลงก�าเนดออกไปตามระยะทางทเพมขน การสงผานพลงงานดงกลาวนนกอใหเกดการเปลยนแปลงความดนอากาศกลบไปกลบมา เพอใหเขาใจไดงาย ใหผอานพจารณาวามแหลงแบบขวเดยว (monopole source) ก�าลงก�าเนดคลนซงมความถใด ๆ ความถหนงขน ณ จดอางองหนง การแพรหรอการเดนทางของคลนจากแหลงก�าเนดแบบขวเดยวบนระนาบนนสามารถแสดงไดดงรปท 3 พนผวในภาพนนแสดงความดนของอากาศทเปลยนแปลงไปตามต�าแหนงตาง ๆ ณ เวลาชวขณะทท�าการพจารณา ในทางเทคนคแลว ความดนอากาศทกลาวถงไปนนหากถกตรวจจบ ณ ต�าแหนงใดต�าแหนงหนงจะถกเรยกวา ความดนเสยง (sound pressure) และหากพจารณาความดนเสยงตลอดทวพนทของการแพรของเสยงในชวขณะเดยวกนแลวพนผวของความดนดงกลาวจะถกเรยกวา สนามเสยง (sound field) ดงแสดงในรปท 4
รปท 3 กลองถายภาพเสยงโดยบรษท GFaI [2]
รปท 4 การแพรของเสยงจากแหลงก�าเนดแบบขวเดยว และการตรวจจบ
สนามเสยงโดยไมโครโฟนอาเรย โดยสของพนผวคอความดนเสยง
ณ ต�าแหนงตาง ๆ
การตรวจจบสนามเสยงนนสามารถท�าไดโดยการใชไมโครโฟนจ�านวนมากกวา 1 ตว วางเรยงกนในรปแบบทมความเหมาะสมกบความถของสนามเสยง จดสด�าซงเรยงเปนระนาบในรปท 4 นน คอไมโครโฟนอาเรยในขณะทท�าการตรวจจบสนามเสยง สญญาณเสยงทถกตรวจจบไดโดยไมโครโฟนทกตวจะถกน�ามาประมวลผลรวมกน และผลของการประมวลผลนน จะน�าไปสการระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงได ส�าหรบเทคนคการประมวลผลสญญาณส�าหรบไมโครโฟน อาเรยนน สามารถจ�าแนกไดเปน 2 กลมใหญ ๆ อนไดแก เทคนคการ สรางบมเพอรบเสยง (acoustic beamforming) และการสรางโฮโลแกรมของเสยง (acoustic holography) ซงจะกลาวถงในรายละเอยดในหวขอถดไปของบทความน
ความหลากหลายของไมโครโฟนอาเรย
ไมโครโฟนอาเรยทมจ�าหนายอยในปจจบนนมอยหลายรปแบบ คอ ตงแตขนาดเลกไปจนถงขนาดใหญ มการจดเรยงไมโครโฟนเปนเสนตรง จดเรยงเปนกรดสเหลยมบนระนาบ และเปนวงกลมบนระนาบ ไปจนถงมไมโครโฟนตดตงบนทรงกลม เมอมหลากหลายเชนน ค�าถามคอเราจะมการเลอกใชอยางไรใหเหมาะสมกบการใชงาน ? สวนนของบทความมค�าตอบ
ในดานสณฐานของอาเรยนน พารามเตอรทส�าคญของ ไมโครโฟนอาเรยมอย 2 พารามเตอร คอ ขนาดของอาเรย และ ระยะหางระหวางเซนเซอร (ไมโครโฟน) เนองจากไมโครโฟนอาเรยถกใชในการตรวจจบสนามเสยง ดงนน พารามเตอรดงกลาวจะตองมความ
สนามเสยง
ไมโครโฟนอาเรย
แหลงก�าเนดเสยง
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
8
เหมาะสมกบสนามเสยงทจะท�าการตรวจจบ ในทางทฤษฎนนไมโคร-โฟนอาเรยจะสามารถตรวจจบสนามเสยงทมความถสงทสดไดเมอความยาวคลนของสนามเสยงมขนาดใหญกวาระยะหางระหวางไมโครโฟนและไมใหญเกนกวาขนาดของอาเรย (ความยาวคลนของสนามเสยงสามารถค�านวณไดจาก c0 = f l โดย l คอ ความยาวคลนของสนามเสยง c0 คอ ความเรวของเสยงในอากาศซงมคาประมาณ 343 เมตรตอวนาท และ f คอ ความถของแหลงก�าเนดเสยง) นนหมายความวา ขนาดและระยะหางระหวางไมโครโฟนของอาเรยนน เปนตวก�าหนดชวงความถทอาเรยสามารถใชงานไดนนเอง หากน�า อาเรยไปใชงานเกนชวงความถทกลาวไวขางตน จะกอใหเกดปรากฏ-การณทเรยกวา สเปเชยลเอเลยสซง (spatial alasing) อนจะสงผลใหไมสามารถรบรองความถกตองของการแปลผลจากการประมวลผลสญญาณได [3]
รปท 5 แสดงการใชไมโครโฟนอาเรยเพอระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงรบกวนซงเกดจากกงหนลม ดวยขนาดเสนผานศนย-กลางทใหญถง 3.5 เมตร ท�าใหไมโครโฟนอาเรยดงกลาวสามารถตรวจจบสนามเสยงซงมความถอยในชวง 100 ถง 5,000 Hz [4] รปท 6 แสดงการใชไมโครโฟนอาเรยซงตดตงอยบนพนททเครองบนบนผานเพอ ระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงรบกวนจากการบนผานของเครองบน ซงชวยใหการแกไขปญหาเสยงรบกวนสามารถท�าไดตรงจดและมประสทธภาพ [5]
รปท 5 เสยงรบกวนซงเกดจากกงหนลมนนมแหลงก�าเนดอยทบรเวณปลาย
ใบกงหนและบรเวณฮบ
รปท 6 การใชไมโครโฟนอาเรยชวยใหทราบต�าแหนงการเกดเสยงรบกวน
ของเครองบนทเฉพาะเจาะจงได
นอกเหนอจากดานสณฐานแลว มตของไมโครโฟนเปนปจจยส�าคญซงสงผลโดยตรงตอความสามารถในการระบต�าแหนงของอาเรยเชนกน การจ�าแนกไมโครโฟนอาเรยตามมตของการจดเรยงไมโครโฟนมดงน 1) ไมโครโฟนอาเรยแบบ 1 มต หรออาเรยเชงเสน (linear array) 2) ไมโครโฟนอาเรยแบบ 2 มต หรออาเรยเชงระนาบ (planar array) และ 3) ไมโครโฟนอาเรยแบบ 3 มต ซงมรปรางเปนทรงกลม (spherical array) จ�านวนมตของอาเรยทมากขนจะท�าใหสามารถจ�าแนกทศทางของแหลงก�าเนดเสยงไดมากขนตามไปดวย ยกตวอยางเชน อาเรย 1 มต จะมความสามารถในการระบทศทางบนระนาบในชวง 0-180 องศา ซงเปนมมเปดอางองดานกวางของอาเรย (ดรปท 7) และไมสามารถระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงซงอยสง หรอต�ากวาระนาบทอาเรยตดตงอย ส�าหรบอาเรย 2 มตนนจะมความสามารถในการจ�าแนกแหลงก�าเนดเสยงบนระนาบ ในชวง 0-360 องศา (รอบทศทางของอาเรยบนระนาบ) แตกยงมขอจ�ากด คอ ยงไมสามารถระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงซงอยสงหรอต�ากวาระนาบทอาเรย ตดตงได ส�าหรบอาเรย 3 มตนนจะมความสามารถใชระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงไดในทกทศทาง
รปท 7 ไมโครโฟนอาเรยแบบระนาบ (2D) และทรงกลม (3D)
รปท 8 บมรบเสยงทสรางขนจากอาเรยแบบระนาบ (บน) และทรงกลม
(ลาง) เพอใชระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยง
การสรางบมและการสรางโฮโลแกรม
การสรางบมเพอรบเสยง (acoustic beamforming) และการสรางโฮโลแกรมของสนามเสยงหรอโฮโลกราฟ (Nearfield Acoustic Holography: NAH) เปนการจดกลมเทคนคการประมวลผลสญญาณอยางกวาง ๆ โดยมวตถประสงคเพอการระบต�าแหนงของแหลงก�าเนด
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
9
เสยง ทง 2 เทคนคนมหลกการท�างานทแตกตางกนโดยสนเชง ดงทจะกลาวถงตอไปน
เทคนค Beamforming มแนวคดพนฐานดงน คอ โดยปกตไมโครโฟนจะรบเสยงจากทกทศทาง ซงท�าใหไมสามารถจ�าแนกไดวา เสยงทถกตรวจจบดวยไมโครโฟนนนเกดขนจากแหลงก�าเนดซงอย ทศใดของไมโครโฟน การใชเทคนค Beamforming จะเปนการจ�ากดทศทางการรบเสยงของไมโครโฟนใหอยในมมตามตองการผลพลอยไดกคอ ท�าใหเราสามารถทราบไดวาแหลงก�าเนดเสยงอยทางทศใดของไมโครโฟน การจ�ากดทศทางบมทเกดขนดวยเทคนค Beamforming นถกเรยกวา การหมนบมดวยอเลกทรอนกส (electronic steering beam)
ส�าหรบเทคนค NAH นนจะเปนการประมาณคาของแหลงก�าเนดเสยงผานการค�านวณทางคณตศาสตรซงมแบบจ�าลองการแพรของเสยงรวมอยในการค�านวณดงกลาว นอกจากนนแลวความแตกตางทส�าคญระหวางเทคนค NAH กบ Beamforming คอ Beamforming จะใชขอมลจากการตรวจจบสนามเสยงไกล (farfield) ในขณะทส�าหรบเทคนค NAH นนใชขอมลจากการตรวจจบสนามเสยงใกล (nearfield) ในการประมวลผล
รปท 9 แสดงการจ�าแนกสนามเสยง โดยสนามเสยงใกลนนจะมความแปรปรวนของระดบความดนเสยงมากกวาชวงสนามเสยงไกล ในการใชเทคนค Beamforming นน อาเรยจะตองถกวางในต�าแหนงสามารถพจารณาไดวาเปนชวง Free Field และในท�านองเดยวกน อาเรยจะตองถกตดตงอยในชวง Near Field จงจะสามารถใชเทคนค NAH ไดอยางเหมาะสม รปท 10 แสดงภาพรวมของไมโครโฟนอาเรยรนตาง ๆ ซงถกออกแบบมาใหใชงานในชวงความถทตางกน ในหวขอถดไปจะเปนการอธบายหลกการเบองตนของทงสองเทคนคทกลาวมา
รปท 9 แสดงการเกดสนามเสยงใกลและไกล
รปท 10 อาเรยชนดตาง ๆ และสนามเสยงทเหมาะกบการใชงาน
Beamforming
การระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงโดยเทคนค Beamform-ing นนสามารถอธบายไดดงน รปท 11 แสดงความพยายามทจะใชไมโครโฟนอาเรยเพอระบต�าแหนงเสยงรบกวนซงเกดขนในบรเวณชวงลางของรถยนต ในการนมการวางเซนเซเซอร (ไมโครโฟน) จ�านวนหนงเรยงกนเปนเสนตรงบนระนาบอางอง (พน) เพอตรวจจบสนามเสยงซงอาจมแหลงก�าเนดมาจากยางรถยนต ทอไอเสย และเครองยนต เปนตน ในกรณศกษานสมมตใหมก�าเนดเสยงอยหางออกไปจากอาเรยโดยท�ามม q อางองตามแนวยาวของอาเรย รปท 12 แสดงเหตการณขณะทคลนเสยงเคลอนทมาถงอาเรยซงจะสามารถอนมานไดวาไมโครโฟน ตวดานขวาสดจะตรวจจบคลนเสยงไดกอนตวถดไปทางดานซาย หรอในอกนยหนงสญญาณเสยงซงเซนเซอรถดไปทางดานซายตรวจจบไดนนเปนสญญาณเสยงทมลกษณะเหมอนกบทถกตรวจจบไดโดยไมโครโฟนตวดานขวาสดหากแตมการหนวงเวลาใหชาไป (delay) ซงการหนวงเวลานนจะขนอยกบระยะหางระหวางไมโครโฟนแตละตวเทยบกบตวดานขวาสด
รปท 11 แสดงการเกดสนามเสยงใกลและไกล
การเลอนของสญญาณคลนทกลาวไวขางตนนนสามารถพจารณาไดเปนการเลอนของมมเฟสของคลน ดวยหลกการทวาการรวมกนของคลนทมมมเฟสตรงกนจะใหผลลพธ คอ คลนทมขนาด แอมปลจดสง นนหมายความวาหากมการชดเชยการเลอนของคลนใหมมมเฟสตรง ซงคาการเลอนดงกลาวสามารถค�านวณไดจากมม q กนดวยวธการทางอเลกทรอนกสแลวจะท�าใหเกดขนาดของการรวมกนสงทสด โดยคาชดเชยดงกลาวสามารถค�านวณลวงหนาและจะใชเปนดชนในการระบทศทางของแหลงก�าเนดคลน เทคนคทกลาวมานรจกกนด ในชอ Delay-and-Sum Beamforming หรอ DS Beamforming รปท 13
รปท 12 สญญาณเสยงทถกตรวจบไดโดยไมโครโฟนแตละตว
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
10
รปท 13 การรวมกนของคลนความถเดยวกนและมมมเฟสตรงกนจะเปนการ
เสรมกน (บน) และจะหกลางกนอยางสมบรณเมอเฟสตางกน 180
องศา (ลาง)
Near-Field Acoustic Holography: NAH
เทคนค NAH จะมความซบซอนในเชงทฤษฎมากกวาเทคนค Beamforming แนวคดพนฐานของเทคนคน คอ การใชขอมลสนามเสยง (ใกล) ทตรวจจบไดโดยไมโครโฟนอาเรยในการประมาณคาแบบยอนกลบผานกระบวนการทางคณตศาสตรทเรยกวา ปญหาผกผนของการเคลอนทของคลน (inverse radiation problem) ซงเทคนคหนงทใชในการแกปญหาผกผนคอเทคนคทเรยกวา Equivalent Source Method: ESM [6] สมมตฐานทถกก�าหนดขนในเทคนค ESM มดงน คอ สมมตใหแหลงก�าเนดเสยงทเราสนใจนนประกอบไปดวยแหลงก�าเนดเสยงสมมต เรยงรายอยเปนแถวดงแสดงดวยจดสแดงในรปท 14 โดยระยะหางของอาเรย (array plane) ไปจนถงแหลงก�าเนด (source plane) จะถกก�าหนดในซอรฟแวรโดยผใชงานอาเรย
รปท 14 สญญาณเสยงทถกตรวจบไดโดยไมโครโฟนแตละตว
จากรปท 14 ตวแปร pm หมายถง ความดนเสยงทถกตรวจจบไดโดยไมโครโฟนตวท m และตวแปร qn คอ ความแกรงของแหลงก�าเนด (source strength) ตวท n ตามล�าดบ โดยสมมตใหมจ�านวนของก�าเนดเสยงจ�านวนมากไดตามขอแนะน�าของเทคนคในการค�านวณ ความแกรงถกนยามไวอยางหละหลวม ซงในบทความนหมายถงความเรงเชงปรมาตร (volume acceleration) มหนวยเปน (เมตรตอวนาท)-2 เมอแกปญหาทางคณตศาสตรของเทคนค ESM แลวผลลพธทไดจะสามารถน�ามาแปลผลเพอแสดงอยในรปโฮโลแกรมของความ
ดนเสยง (sound pressure) ความเรวอนภาค (particle velocity) ความเขมเสยง (sound intensity) และก�าลงเสยง (sound power) อยางไรกไดตามตองการ จะเหนไดวาเทคนค NAH นนสามารถใหพารามเตอรการตรวจวดทหลากหลายมากกวา Beamforming ซงจ�ากดอยท ความดนเสยง รปท 15 แสดงการตรวจวดความเขมเสยงโดยใชไมโครโฟนอาเรยชนดระนาบ
รปท 15 การใชไมโครโฟนอาเรยตรวจวด Sound Intensity ดวยเทคนค NAH
แผนทเสยงรบกวน (noise mapping)
ผลลพธจากการประมวลผลสญญาณโดยใชเทคนค Beam-forming และ NAH นนจะถกน�าเสนอในรปแบบของแผนทเสยงรบกวน ซงคอการน�าพารามเตอรทางเสยงซงไดจากการค�านวณ เชน ระดบความดนเสยง และระดบความเขมเสยง มาท�าการซอนทบลงบนภาพถายของบรเวณทสนใจซงถกถายมาอยางมสอดคลองกนกบการตรวจจบสนามเสยง รปท 16 แสดงแผนทเสยงซงไดการใชไมโครโฟนอาเรยชนดทรงกลม แกนนอนของภาพแสดงมมตามแนวระนาบ (azi-muth angle) และแกนตงของภาพแสดงมมยก (elevation angle) โดยมมทงสองนนอางองจากจดศนยกลางของอาเรย ทางดานขวาของภาพแสดงแถบส ไลเรยงจากสน�าเงนเขมไลไปยงสแดงเขม ซงใชแสดงระดบความดนเสยงในชวง 74.9 dB ถง 80.9 dB เมอพจารณาสในภาพจะพบวาสวนใหญแสดงในโทนสน�าเงน ซงหมายถงวาระดบเสยงภายในพนหองโดยสารสวนมากอยทระดบ 74.9 dB – 76.0 dB โดยประมาณ ยกเวนบรเวณดานลางของขอบประตหลงซงแสดงเปนสแดงเขม การแสดงผลดงกลาวชใหเหนวา บรเวณดงกลาวนนมระดบความดนเสยงสงกวาบรเวณอน และจากแผนทเสยงนสามารถระบไดวาบรเวณดานลางของประตหลงมโอกาสสงทจะเปนแหลงก�าเนดเสยงรบกวน
รปท 16 แผนทเสยงจาก Spherical Array
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
11
ถงแมวาแผนทเสยงรบกวนจะสามารถชวยใหวศวกรสามารถคนหาทมาของเสยงได การแปลผลขอมลและการตงคาตาง ๆ เพอใหการใชกลองถายภาพเสยงรบกวนอยางมประสทธภาพนนอาจไมใชเรองทตรงไปตรงมามากนก ผใชงานควรมความเขาใจและใชเวลาในการสรางประสบการณ
Brüel & Kjaer Type 9712
Type 9712 หรอ PULSE Reflex Acoustic Camera (รปท 17) เปนกลองถายภาพเสยงซงออกแบบโดยบรษท Bruel & Kjaer มลกษณะเปนอาเรยแบบระนาบวงกลม เสนผานศนยกลาง 35 เซนตเมตร และประกอบไปดวยไมโครโฟนจ�านวน 30 ตว ส�าหรบตรวจจบสนามเสยง [7] Type 9712 ถกออกแบบมาใหใชงานไดกบเทคนค Beamforming และ NAH โดยยานความถใชงานคอ 1 kHz ถง 12 kHz เมอใชรวมกบเทคนค Beamforming และ 140 Hz ถง 3 kHz เมอใชรวมกบเทคนค NAH
Type 9712 มาพรอมกบโปรแกรมประมวลผล Pulse Reflex Array Analysis ซงท�าหนาทประมวลและแสดงผลการค�านวณ โดยสามารถเลอกแสดงผลเปนระดบแรงดนเสยง (Sound Pressure Levek: SPL) ระดบความเขมเสยง (Sound Intensity Level: SIL) หรอก�าลงเสยง (sound power) ไดตามตองการ
รปท 17 Type 9712 Pulse Reflex Acoustic Camera
Brüel & Kjaer Type 8606
Type 8606 (รปท 18) เปนไมโครโฟนอาเรยแบบทรงกลม มความสามารถในการระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยงแบบ 3 มต Type 8606 ประกอบไปดวยไมโครโฟนจ�านวน 36 ตว กระจายอยาง
สม�าเสมออยทวพนผวของทรงกลมขนาดเสนผานศนยกลาง 195 มลลเมตร พรอมดวยกลองถายภาพ จ�านวน 12 ตว ท�าการถายภาพ รอบทศทางดวยมมมองแบบทรงกลมอาเรยถกออกแบบมาใหม ขนาดพอเหมาะทจะใชตรวจจบแหลงก�าเนดเสยงภายในหองโดยสารรถยนต [8]
รปท 18 Type 8606 Spherical Microphone Array และการใชงานในการระบ
แหลงก�าเนดเสยงในหองโดยสารรถยนต
ส�าหรบเทคนคการประมวลผลสญญาณทใชกบ Type 8606 นน คอ เทคนค Beamforming ทเรยกวา Filter and Sum: FAS และ Shperical Beamforming (SHARP) ซงทงสองเทคนค ท�างานไดดในยานความถ 200 Hz ถง 6,400 Hz เมอไมนานมานเทคนคการ ประมวลผล NAH ส�าหรบอาเรยทรงกลมนไดถกพฒนาขนและไดม การทดลองใชระบต�าแหนงรวซมของเสยงรบกวนบนหองโดยสารของเครองบน หากแตยงไมไดถกพฒนาออกมาใชงานในรปแบบเชงพาณช
สวนตอไปของบทความนจะเปนการน�ากรณศกษาทนาสนใจจ�านวน 2 กรณ มาเลาสกนฟงเพอผอานไดเหนแนวทางในการใชงานไมโครโฟนอาเรยในการแกไขปญหาเรองเสยงรบกวน
กรณศกษาท 1 การสบหาสาเหตการเกดเสยง Squeal ของจานเบรก
บรษท Meneta Advanced Shims Technology [9]
เสยง Squeal เปนเสยงทเกดขนจากการเสยดสระหวางผาเบรกและจานเบรก และเปนสาเหตหลกสาเหตหนงของการสงคนผลตภณฑ แนนอนวา Squeal Noise นเปนหวขอวจยทไดรบความสนใจอยางยงจากบรษทผลตผาเบรกทวโลก
บรษท Meneta ไดท�าการใชเทคนค NAH ในการตรวจวด รปรางการสนซงเปนสาเหตของการเกด Squeal ของผลตภณฑ โดยมการใชไมโครโฟนอาเรยแบบระนาบ ประกอบดวยไมโครโฟนจ�านวน 100 ตว รวมกบการใชกลองถายภาพความเรวสงซงมความสามารถ
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
12
ในการบนทกภาพถง 16,000 เฟรมตอวนาทในการเกบขอมลภาพสญญาณเสยงทตรวจจบไดนนถกน�ามาผานการค�านวณดวยเทคนค Spatial Transform of SoundField: STSF เพอสรางโฮโลแกรม และน�าไปสการค�านวณความเรวของการสนสะเทอนทผวของจานเบรก รวมถงความเขมเสยงทเกดขน และท�าใหทราบถงรปรางการสนของ จานเบรกเปนผลลพธสดทาย
รปท 19 ไมโครโฟนอาเรยแบบแผงทใชในการวจยดงกลาว (ซาย) และภาพถาย
ส�าหรบใชสรางแผนทเสยงรบกวน
รปท 20 รปรางการสนของจานเบรกทความถ 1,856 Hz ค�านวณจากสนามเสยง
ซงตรวจจบไดโดยไมโครโฟนอาเรย
จดเดนของการใชเทคนคโฮโลกราฟในกรณศกษาน คอ ความสามารถในการประมาณความเรวของการสนสะเทอนทผวของจานเบรกในสภาวะทมการเปลยนแปลงความเรว (transient) ซงเครองมอวด การสนสะเทอนชนดเลเซอรไมสามารถท�าได ขอมลรปรางการสนของจานเบรกถกใชเปนขอมลในการพฒนาผลตภณฑของบรษท Meneta ตอไป
กรณศกษาท 2 การลดเสยงรบกวนบนทองถนน
บรษท Nippon Expressway Research Institute Company
Limited (NEXCO RI) [10]
บรษท NEXCO RI เปนบรษททปรกษางานกอสรางทางดวนและทางยกระดบชนน�าของประเทศยปน มเปาหมายทจะลดเสยงรบกวนซงเกดจากการจราจร (traffic noise) ใหเปนไปตามขอก�าหนดดานสงแวดลอม โดยทวไปแลวการลดเสยงรบกวนจากการจราจรนนท�าไดโดยการใชผนงกนเสยง (sound insulation wall) และการปพนดวยแผนปพนซงมรพรนท�าจากวสดแอสฟล (porous asphalt pave-ment)
รปท 21 การลดเสยงรบกวนโดยแผนปพน Asphault แบบมรพรน (บน) และ
สาเหตการเกดเสยงรบกวนจากการจราจร (ลาง)
ดวยความหนาแนนของการจราจรทเพมขนในปจจบนสงผลใหระดบเสยงรบกวนเพมขนตามไปดวย เพอคนหาจดทเปนสาเหตหลกของการเกดเสยงรบกวน เพอด�าเนนการแกไขอยางมประสทธภาพทางบรษท NEXCO RI ไดใชไมโครโฟนอาเรย ขนาด 3 เมตร ประกอบดวยไมโครโฟนจ�านวน 42 ตว ในการระบต�าแหนงของแหลงก�าเนดเสยง 21 ไมโครโฟนอาเรยถกตดตงเปนระยะหาง 100 เมตร จากบรเวณทมเสยงดงและถกตงสมมตฐานวาเปนแหลงก�าเนดเสยงรบกวน
รปท 22 ไมโครโฟนอาเรยซงบรษท NEXCO RI เปนเจาของ
ผลจากการตรวจวดชใหเหนวา มการรวไหลของเสยงรบกวนจากบรเวณชองวางระหวางทางยกระดบทงสองดาน ทางบรษทจงด�าเนนการตดตงผนงกนเสยงเขาทบรเวณพนทเปดโลงระหวางทาง ยกระดบทงสอง รปท 23 แสดงใหเหนถงการลดลงของเสยงรบกวนอยางมนยส�าคญเมอเทยบกบกอนท�าการปดชองวางดงกลาว บรษท NEXCO RI ไดใชไมโครโฟนอาเรยในการชวยใหขอมลเพอแกไขปญหาเสยงรบกวนจากการจราจรมากกวา 10 กรณตอป
Cover Story
Vol.24 N
o.2
22 July
-August 2017
13
บรษท เมเชอรโทรนกซ จ�ำกด
2425/2 ถนนลาดพราว ระหวางซอย 67/2-69 แขวงสะพานสอง เขตวงทองหลาง กรงเทพฯ 10310
โทรศพท 0-2514-1000; 0-2514-1234 โทรสาร 0-2514-0001; 0-2514-0003
Internet: http://www.measuretronix.com E-Mail: [email protected]
สนใจสอบถามรายละเอยดเพมเตม ตดตอไดท: คณอจฉรำ 081-372-0180
คณสทธกนต 086-577-7577
รปท 23 ผลการตรวจวดระดบเสยงรบกวนเปรยบเทยบกอนและหลงท�าการ
ปดชองวางระหวางทางยกระดบ
สรป
บทความนไดใหขอมลเกยวกบพฒนาการของไมโครโฟนอาเรย หลกการท�างานเบองตน และแนวทางการประยกตใช จะเหนไดวาไมโครโฟนอาเรยเปนเครองมอทชวยใหบคลากรในฝายวจยหรอหนวยงานทเกยวของกบปญหาการเกดเสยงรบกวนสามารถวนจฉยและสบหาตนตอของเสยงรบกวนไดอยางมหลกการ อยางไรกตาม การท�างานไมโครโฟนอาเรยนนไมไดตรงไปตรงมามากนกเนองจากเบองหลงการแสดงผลนนมการค�านวณซอนอยมากในระดบหนง ดงนน ผใชงานจงควรท�าความเขาใจกบการท�างานของเครองมอ สรางประสบการณใหกบตวเอง และตงขอสงเกตตอผลทไดรบจากซอฟตแวรประมวลผล จงจะน�าไปสการใชงานไมโครโฟนอาเรยเพอวนจฉยแหลงก�าเนดเสยงรบกวนไดอยางถกตองและแมนย�า
เอกสารอางอง
[1] J. Billingsley and R. Kinns, “The acoustic telescope,” J. Sound
Vib., vol. 48, no. 4, pp. 485-510, Oct. 1976.
[2] U. Michel, “HISTORY OF ACOUSTIC BEAMFORMING,” in 1st
Berlin Beamforming Conference, 2006, pp. 1-17.
[3] F. Fahy and J. Walker, Eds., Advanced Applications in Acous-
tics, Noise & Vibration. London: Taylor & Francis, 2004.
[4] Bruel & Kjaer, “PRODUCT DATA: PULSE TM Array Acoustics
Wind Turbines Moving Source Beamforming BZ-5941.” [Online]. Available:
https://www.bksv.com/-/media/literature/Product-Data/bp2493.ashx. [Ac-
cessed: 15-May-2017].
[5] Bruel & Kjaer, “PRODUCT DATA: PULSE Array Acoustics ,
Flyover Moving Source Beamforming BZ-5940,” 2012. [Online]. Available:
https://www.bksv.com/media/doc/bp2537.pdf. [Accessed: 15-May-2017].
[6] Bruel & Kjaer, “PRODUCT DATA: PULSE Array - based Noise
Source Identification Solutions.” [Online]. Available: https://www.bksv.com/
media/doc/bp2144.pdf. [Accessed: 15-May-2017].
[7] Bruel & Kjaer, “PRODUCT DATA: PULSE Reflex Acoustic
Camera.” [Online]. Available: https://www.bksv.com/-/media/literature/
Product-Data/bp2534.ashx. [Accessed: 15-May-2017].
[8] Bruel & Kjaer, “PRODUCT INFORMATION: Spherical Beam-
forming Systems.” [Online]. Available: https://www.bksv.com/media/doc/
bn0690.pdf. [Accessed: 15-May-2017].
[9] Meneta Advanced Shims Technology A/S, “CASE STUDY:
Brake Squeal Investigations using Acoustic Holography.” [Online]. Available:
https://www.bksv.com/media/doc/ba0618.pdf. [Accessed: 15-May-2017].
[10] Nippon Expressway Research Institute Company Limited,
“CASE STUDY: Reducing Environmental Road Noise, Japan.” [Online].
Available: https://www.bksv.com/media/doc/bn0998.pdf. [Accessed: 15-
May-2017].