Audiomittalaitteen prototyypin toteutus teollisuuden testerikäyttöön

Abstract

Opinnäytetyön perustana oli Sasken Finland Oy:n tuotekehityshanke kompaktista ja siirreltävästä audiomittalaitteesta. Kehityshankkeen tavoitteena oli luoda edullinen, siirreltävä ja valmiisiin testijärjestelmiin helposti integroitava laite äänen mittaamiseen ja analysointiin.

Potentiaalisiksi käyttökohteiksi eriteltiin tuotantoympäristöissä laitteille suoritettavat toiminnanvarmistustestaukset, joissa laitteeseen ulko- tai sisäpuolelta kohdistuva rasitus aiheuttaa tietynlaista ääntä. Audion analysoinnin yhdistäminen laitetestaukseen saattaisi antaa ainutlaatuista tietoa testattavan laitteen eheydestä sekä helpottaa vikojen paikallistamista. Lisäksi olisi mahdollista määrittää laitteiden käyntiäänistä ihmiskorvaan häiritsevältä kuulostavia taajuuksia. Yhdistämällä audiomittalaite osaksi muuta testauslogiikkaa mahdollistettaisiin myös testauksen keskeyttäminen fataalista viasta indikoivan äänen havainnointihetkellä.

Opinnäytetyö rajattiin kehityshankkeen prototyyppiversion toteutukseen, johon kuului audioanalyysiohjelmiston toteutus omana sulautettuna järjestelmänään. Prototyypin laitteistoksi valittiin Raspberry Pi -pientietokone sekä siihen kytkettävät kaksi digitaalimikrofonia. Tavoitteena oli, että mikrofonien näytteistämä audiosignaali käsitellään Raspberry Pillä ohjelmallisesti reaaliaikaisena.

Prototyypin toteutus aloitettiin laitteiston käyttöönotolla, missä varmistettiin audiosignaalin kulkeminen mikrofoneilta Raspberry Pille. Suurin työ oli ohjelmistossa, joka toteutettiin Python-ohjelmointikielellä. Ohjelmiston ydinvaatimuksina olivat reaaliaikainen taajuusanalyysi sekä oleellisen mittausdatan kerääminen ja tallentaminen. Lisäksi ohjelman käyttäjällä täytyi olla mahdollisuus konfiguroida tiettyjä mittauksen tarkkuuteen ja tulosten tallentamiseen liittyviä parametreja.

Projektin luonne vaati muun muassa signaalinkäsittelyyn ja äänen teoriaan perehtymistä. Taajuusanalyysin toteuttamiseksi Fourier-muunnosten periaatteiden ymmärtäminen nousi keskeiseksi edellytykseksi onnistumiselle. Prototyypin kehitysvaiheen lopuksi laite kalibroitiin ja sen toiminnallisuus verifioitiin. Laitteen raportoimia tuloksia verrattiin Sasken Finland Oy:n audiolaboratorion mittalaitteiden tuloksiin, jotka osoittivat prototyypin toimivan odotetulla tavalla ja tarkkuudella.

The thesis was based on Sasken Finland Oy's product development project for a compact and portable audio measurement instrument. The aim of the project was to create a low-cost and portable device for sound measurement and analysis that can be easily integrated into ready-made test systems.

Potential use of such an audio instrument included device testing in production environments, where certain types of sounds are generated by external or internal stress on the device. Combining audio analysis with device testing could provide unique insight into the integrity of the device under test and even facilitate fault locating. In addition, it would be possible to identify frequencies that are unsettling to the human ear. By integrating the audio measurement instrument into existing test logic, it could also be possible to halt testing at the moment of detecting a sound that is indicating a fatal flaw.

The thesis was limited to the implementation of a prototype version of the development project. This included the creation of an audio analysis software as part of an embedded system. The hardware chosen for the prototype was a Raspberry Pi minicomputer and two digital microphones connected to it. The aim was to have the audio signal sampled by microphones to be processed by the software in real time.

The realization of the prototype began with ensuring audio signal flow from the microphones to Raspberry Pi. The main work was on the software, which was implemented in the Python programming language. The main requirements of the software were real-time frequency analysis and the collection and storage of relevant measurement data. In addition, the user of the software had to be able to configure certain parameters related to the accuracy of the measurement and the recording of the results.

The nature of the project required a moderate understanding of signal processing and sound theory. Understanding the principles of Fourier transforms was a key prerequisite for the successful implementation of frequency analysis. At the end of the prototype development phase, the device was calibrated, and its functionality was verified. The results reported by the device were compared with those of the Sasken Finland Oy audio laboratory instrumentation, which showed that the prototype performed as intended and with the expected accuracy.