Messung und Analyse von Chirp-Akustiksignalen mit dem Ommatidia Q2 Laser-Doppler-Vibrometer
Ferngesteuerte, berührungslose Messung von akustischen Schwingungen über einen weiten Frequenzbereich
Dieser Test demonstriert die Fähigkeit des Q2 Laser-Doppler-Vibrometers von Ommatidia, breitbandige akustische Chirp-Signale zu erzeugen, aufzuzeichnen und optisch zu messen. Die Ergebnisse bestätigen eine genaue Signalwiedergabe und zuverlässige Schwingungsmessung ohne physischen Kontakt.
Ziel des Tests
Ziel dieses Tests war es, die Fähigkeit des Ommatidia Q2 zu demonstrieren, ein akustisches Signal in einem breiten Frequenzbereich genau zu messen, d. h. als ein Fernerkundungsinstrument für Schall verwendet zu werden. Die erzielten Ergebnisse zeigen, dass Q2 den programmierten Chirp originalgetreu misst, was zeigt, dass das gemessene Signal mit dem während des Tests erzeugten Referenzsignal übereinstimmt.
Verwendete Ausrüstung
Die in diesem Test verwendete Ausrüstung war das Ommatidia LiDAR Q2 Laser-Doppler-Vibrometer, Teil der Q-Serie von Instrumenten, die auf der FMCW-Laser-RADAR-Technologie (Frequency Modulated Continuous Wave) basieren. Das Q2 ist ein hochauflösendes Instrument, das entwickelt wurde, um die Geschwindigkeit oder Verschiebung einer Oberfläche ohne physischen Kontakt zu messen.
Das System verfügt über eine mehrkanalige kohärente Detektionsarchitektur, die aus 65 simultanen Laserstrahlen besteht. Dank seiner photonischen integrierten Schaltkreise (PICs) kann das Q2 mehrere optische Kanäle parallel verarbeiten und so die gleichzeitige Messung von Vibrationen ermöglichen.
In diesem Experiment wurden Daten von einem einzelnen Strahl verwendet, wobei die Fähigkeit des Q2 genutzt wurde, individuelle Strahlmessungen zu extrahieren. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzise Analyse des lokalen Verhaltens des Systems, ohne alle 65 Kanäle verarbeiten zu müssen.
Abbildung 1: Ommatidia Q2 Laser-Doppler-Vibrometer
Experimenteller Aufbau
Der Versuchsaufbau ermöglichte es dem Q2, Signalerzeugung, akustische Anregung und optische Schwingungsmessung gleichzeitig durchzuführen.
Abbildung 2: Versuchsaufbau
Chirp-Erzeugung
Das Q2 wurde so konfiguriert, dass es über seinen Analogausgang einen dreieckigen Chirp von 100–8000 Hz (1600 Hz/s Rampe, 700 mV Amplitude) aussendet. Das Signal wurde gleichzeitig in das Q2 zurückgespeist, wodurch der erzeugte Chirp vom Q2 wieder aufgezeichnet werden konnte. Diese Aufzeichnung entspricht dem in Abbildung 3 gezeigten Spektrogramm. Neben dem Hauptsignal (1) sind weitere geringfügige Merkmale zu erkennen:
- zweite (2) und dritte (3) Harmonische des Chirps
- Breitbandrauschen am Ende der ersten Frequenzrampe
- konstantes Signal bei 1 kHz und einige Harmonische
Abbildung 3: Spektrogramm des vom Q2 erzeugten Chirps
Abbildung 4: Interne RGB-Kamera während der Messung
Akustische Wiedergabe über Lautsprecher
Das erzeugte Signal wurde in einen Lautsprecher eingespeist. Die Lautsprechermembran vibrierte entsprechend dem Frequenzdurchlauf und zeigte Resonanzen, Nichtlinearitäten und Artefakte, die für akustische Wandler charakteristisch sind. Der Q2-Laserstrahl wurde auf die Membran gerichtet, um ihre tatsächliche Schwingung während der Anregung zu messen.
Optische Messung mit dem Q2-Laser
Das Q2 Laser-Doppler-Vibrometer maß die Schwingung der Membran des Lautsprechers. In Abbildung 4 sehen wir das vom Q2 aufgenommene Bild. Die gepunktete Linie ist eine virtuelle Darstellung der Messpunkte, obwohl in diesem Experiment nur ein Laserstrahl verwendet wurde.
Ergebnisse
Der Q2 erfasste die Geschwindigkeit v(t) der Membran mittels Doppler-Interferometrie. Dieses Signal wurde zur späteren Verarbeitung in der HDF5-Datei gespeichert. Anhand von v(t) (Abbildung 5) wurde die Kurzzeit-Fourier-Transformation berechnet, um das gemessene Spektrogramm zu erhalten (Abbildung 6), das Verzerrungen zeigt, die während der physischen Wiedergabe entstanden sind.
Das an der Lautsprechermembran gemessene Geschwindigkeitssignal (Abbildung 5) zeigt Amplitudenvariationen und Rauschen, die typisch für die Reaktion mechanischer Wandler sind. Aus diesem Signal wurde das rekonstruierte Spektrogramm (Abbildung 6) gewonnen, in dem der Chirp seine allgemeine Form beibehält, aber aufgrund von weißem Rauschen (vertikale Linien in Abbildung 6), Resonanzen und Nichtlinearitäten, die dem Lautsprecher innewohnen, verzerrter und weniger scharf erscheint.
Abbildung 5: Optisch mit dem Q2 gemessenes Geschwindigkeitssignal v(t)
Abbildung 6: Aus v(t) rekonstruiertes Spektrogramm
Fazit
Der Test bestätigt, dass der Q2 dazu in der Lage ist,
Der Vergleich zwischen den idealen und gemessenen Signalen deutet darauf hin, dass die beobachteten Abweichungen hauptsächlich auf das mechanische Verhalten des Lautsprechers zurückzuführen sind und nicht auf den Q2-Generator, dessen Leistung robust und genau ist.