DNMS - Digital Noise Measurement Sensor

O projekcie DNMS

DNMS to projekt Open Source / Open Hardware rozpoczęty przez Helmuta Bittera.

Głównym celem projektu jest zbudowanie urządzenia do pomiaru SPL (Sound Pressure Level - poziomu ciśnienia akustycznego). Na podstawie pomiarów w danym okresie czasu obliczana jest wartość LAeq. Oprócz tego zapisywana jest też minimalna i maksymalna wartość LA występująca w danym okresie czasu.

Jak to działa?

DNMS do pomiarów używa cyfrowego mikrofonu typu MEMS - TDK InvenSense ICS-43434. Dane w postaci cyfrowej przesyłane są za pośrednictwem protokołu I²S (PCM 24-bit 44,1kHz) do mikrokontrolera (Teensy3.6 / Teensy4.0 ). Następnie są filtrowane przez filtr A i obliczana jest wartość RMS. Poziom ciśnienia akustycznego (SPL) obliczany jest w oparciu o czułość mikrofonu. Aby otrzymać LAeq wartości SPL są całkowane w czasie. Na tym etapie zapisywany jest również maksymalny i minimalny poziom (LAmax / LAmin) w okresie pomiarowym.

Wszystkie pomiary zostają następnie przesłane do kolejnego mikrokontrolera za pośrednictwem magistrali I²C. Ze względu na możliwość użycia układu P82B715 (I²C-bus extender) kabel (69/6C - telefoniczny, 6-pinowy) między płytką pomiarową a drugim mikrokontrolerem może mieć nawet kilka-kilkanaście metrów. Czas interwału zbierania pomiarów może wynosić od 1 sekundy do 3600 sekund.

W planach jest też rozbudowanie systemu o dodatkowy filtr C w celu uzyskania pomiarów LCeq, LCmax i LCmin oraz dalsze FFT do analizy częstotliwości.

Źródła

Na Gitbubie projektu (GitHub - hbitter/DNMS: Digital Noise Measurement Sensor) znajdziecie m.in.:

  • Firmware dla Teensy 3.6 oraz Teensy 4.0.
  • Instrukcję w języku niemieckim
  • Projekty płytek PCB

Projekt przystosowany jest do pracy w sieci Sensor.Community i jest cały czas aktywnie rozwijany.

Moja ocena i komentarz

Plusy:

  • projekt aktywnie rozwijany
  • profesjonalne podejście do pomiaru hałasu
  • konstrukcja mikrofonu umożliwiająca badania i kalibrację pistonfonem
  • możliwość współpracy z każdym urządzeniem wyposażonym w I²C

Minusy:

  • wysoki koszt konstrukcji z uwagi na użycie Teensy 3.6 / Teensy 4.0
  • skomplikowany proces przygotowania mikrofonu (obudowa, wypełnienie zalewą, itp)

Komentarz:

W moim odczuciu DNMS to bardzo ciekawy projekt z dobrymi założeniami. Od samego początku projektu widać, że Hemlut Bitter zna się na pomiarach SPL.

Zdaję sobie sprawę, że aby przetwarzać dźwięk i wyliczyć LA potrzebna jest analiza częstotliwościowa, czyli użycie FFT (szybka transformacja Fouriera), które jest dość obciążające obliczeniowo. Jednakże, uważam za zaprzęganie do tego Teensy 4.0 (600MHz) niepotrzebnie podnosi koszt całej konstrukcji i uzależnia jej istnienie od małej dwu-osobowej amerykańskiej firmy PJRC. Moim zdaniem lepsze w tym wypadku byłoby użycie ESP32, które jest kilkukrotnie tańsze a przy dwóch rdzeniach taktowanych zegarem 240MHz przy pewnych uproszczeniach również dałoby radę.

Między wrześniem a grudniem 2020 roku korespondowaliśmy z Helmutem na temat realności wdrożenia systemu do masowej produkcji i tym sposobem ułatwienia dostępu do komponentów dla większej ilości osób. Niestety w tamtym czasie proces technologiczny wymagany do zbudowania zespołu mikrofonu (PCB, kable, obudowa, zalanie żywicą, itp) przerastał nasze możliwości produkcyjne.

Po przeprowadzonej analizie, zaproponowałem za to modyfikację płytki mikrofonu i użycie złącza w standardzie JST SH 1.0mm (BM06B-SRSS-TBT), aby uniknąć konieczności lutowania bardzo cienkich kabli bezpośrednio do płytki mikrofonu. Modularna budowa ze złączem ułatwia też testowanie mikrofonów bez konieczności tworzenia dodatkowych punktów testowych - co na płytce o średnicy niespełna 12mm jest pewnym problemem. Miło jest widzieć, że zmiany te zostały prowadzone do projektu.

Z ciekawostek - standard komunikacji I²S, pozwala na jednoczesne użycie dwóch takich mikrofonów (lewy + prawy) na jeden kanał. Biorąc pod uwagę, że Teensy 4.0 posiada 2 kanały I²S i spory zapas mocy obliczeniowej, można by się pokusić o użycie 4 mikrofonów i określanie kierunku z którego dochodzi dźwięk. Co prawda mikrofony użyte w projekcie mają charakterystykę typowo dookolną, ale występuje w nich pewna kierunkowość na poziomie około 1dB.

2 Likes