처프(Chirp) 음향 신호의 측정 및 분석
Ommatidia Q2 레이저 도플러 진동계(Laser Doppler Vibrometer)를 사용한 광범위한 주파수 대역의 원격 비접촉 음향 진동 측정.
본 테스트는 Ommatidia Q2 레이저 도플러 진동계가 광대역 음향 처프 신호를 생성, 기록 및 광학적으로 측정하는 기능을 시연합니다. 결과는 정확한 신호 재현과 물리적 접촉 없는 신뢰할 수 있는 진동 측정을 확인합니다.
테스트 목적
본 테스트의 목적은 Ommatidia Q2가 넓은 주파수 범위에서 음향 신호를 정확하게 측정하는 능력, 즉 원격 음향 감지 장비로 사용될 수 있음을 시연하는 것이었습니다. 얻어진 결과는 Q2가 프로그래밍된 처프를 충실하게 측정하며, 측정된 신호가 테스트 중 생성된 기준 신호와 일치함을 보여줍니다.
사용 장비
테스트에 사용된 장비는 FMCW 레이저 레이더(주파수 변조 연속파) 기술을 기반으로 하는 Q 시리즈 장비 중 하나인 Ommatidia Q2 레이저 도플러 진동계입니다. Q2는 물리적 접촉 없이 표면의 속도나 변위를 측정하도록 설계된 고해상도 정밀 기기입니다.
이 시스템은 65개의 동시 레이저 빔으로 구성된 다채널 코히어런트 감지 아키텍처를 통합합니다. 광 집적 회로(PIC) 덕분에 Q2는 여러 광 채널을 병렬로 처리하여 진동을 동시에 측정할 수 있습니다.
이 실험에서는 Q2의 개별 빔 측정 추출 기능을 활용하여 단일 빔의 데이터를 사용했습니다. 이 접근 방식은 65개 채널 전체를 처리하지 않고도 시스템의 국부적인 동작을 정밀하게 분석할 수 있도록 합니다.
그림 1: 오마티디아 Q2 레이저 도플러 진동계
실험 설정
실험 설정은 Q2가 신호 생성, 음향 여기 및 광학 진동 측정을 동시에 수행할 수 있도록 하였습니다.
그림 2: 실험 설정
처프 생성
Q2는 아날로그 출력을 통해 100–8000 Hz 삼각 처프(1600Hz/s 램프, 700mV 진폭)를 방출하도록 구성되었습니다. 신호는 동시에 Q2로 재주입되어 생성된 처프가 Q2에 의해 다시 기록될 수 있도록 했습니다. 이 기록은 그림 3에 표시된 스펙트로그램에 해당합니다. 주요 신호 (1) 외에도 몇 가지 다른 미세한 특징들을 관찰할 수 있습니다:
- 처프의 2차 (2) 및 3차 (3) 고조파
- 첫 번째 주파수 램프 상승 끝부분의 광대역 노이즈
- 1KHz의 정전 신호 및 일부 고조파
그림 3: Q2에 의해 생성된 처프의 스펙트로그램
그림 4: 측정 중 내부 RGB 카메라
스피커를 통한 음향 재생
생성된 신호는 확성기로 주입되었습니다. 확성기 멤브레인은 주파수 스윕에 따라 진동하며, 음향 변환기의 특징인 공진, 비선형성 및 아티팩트를 나타냈습니다. Q2 레이저 빔은 여기 중 멤브레인의 실제 진동을 측정하기 위해 멤브레인으로 향했습니다.
Q2 레이저를 이용한 광학 측정
Q2 레이저 도플러 진동계는 확성기 멤브레인의 진동을 측정했습니다. 그림 4에서 Q2가 캡처한 이미지를 볼 수 있습니다. 점선은 측정 지점의 가상 표현이며, 이 실험에서는 단 하나의 레이저 빔만 사용되었습니다.
결과
Q2는 도플러 간섭계를 사용하여 멤브레인의 속도 v(t)를 기록했습니다. 이 신호는 후속 처리를 위해 HDF5 파일에 저장되었습니다. v(t) (그림 5)를 사용하여 단시간 푸리에 변환을 계산하여 측정된 스펙트로그램 (그림 6)을 얻었으며, 이는 물리적 재현 과정에서 발생한 왜곡을 보여줍니다.
라우드스피커 멤브레인에서 측정된 속도 신호 (그림 5)는 기계적 변환기 응답의 전형적인 진폭 변화와 노이즈를 보여줍니다. 이 신호로부터 재구성된 스펙트로그램 (그림 6)을 얻었으며, 여기서 처프는 일반적인 형태를 유지하지만 백색 잡음 (그림 6의 수직선), 공명 및 라우드스피커 고유의 비선형성으로 인해 더 왜곡되고 선명도가 떨어지는 것으로 나타납니다.
그림 5: Q2에 의해 광학적으로 측정된 속도 신호 v(t)
그림 6: v(t)로부터 재구성된 스펙트로그램
결론
이 테스트를 통해 Q2가 다음을 수행할 수 있음이 확인되었습니다:
이상적인 신호와 측정된 신호를 비교한 결과, 관찰된 편차는 성능이 견고하고 정확한 Q2 발생기보다는 주로 스피커의 기계적 특성에서 기인하는 것으로 나타났습니다.
