CALIBRAZIONE PER CONFRONTO DI UN PROTOTIPO LOW-COST DI SONDA PRESSIONE-VELOCITÀ

D. Stanzial, F. Fimiani

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Sommario:

•Introduzione e presentazione delle sonde: Microflown Siht (Sogliano Industrial High-Tech)

•Calibrazione della sonda di riferimento in campo di riferimento: Guida d’onda piana progressiva (Larix) Setup di calibrazione Un po’ di teoria Risultati

•Calibrazione per confronto di una sonda p-v in campo generico: Perché utilizziamo cornette acustiche? Setup di calibrazione Risultati

•Conclusioni

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Sommario:•Introduzione e presentazione delle sonde:

Microflown Siht (Sogliano Industrial High-Tech)

•Calibrazione in campo di riferimento: Guida d’onda piana progressiva (Larix) Setup di calibrazione Un po’ di teoria Risultati

•Calibrazione per confronto in campo generico: Perché utilizziamo cornette acustiche? Setup di calibrazione Risultati

•Conclusioni

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Sonda Microflown di riferimento (match-size)Sonda Microflown di riferimento (match-size)

(MEMS = Micro Electro-Mechanical Systems)

pressione

velocità

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Sonda SIHT n. 3 e sensore velocimetricoSonda SIHT n. 3 e sensore velocimetrico

Struttura sensore velocimetrico acustico CMOS compatibile

Microfono MEMS (Knowles SPU0414) p

Velocimetro termoresistivo (CNR-IEIIT) v

pressione

velocità

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Sommario:•Introduzione e presentazione delle sonde:

Microflown Siht (Sogliano Industrial High-Tech)

•Calibrazione in campo di riferimento: Guida d’onda piana progressiva (Larix) Setup di calibrazione Un po’ di teoria Risultati

•Calibrazione per confronto in campo generico: Perché utilizziamo cornette acustiche? Setup di calibrazione Risultati

•Conclusioni

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Ambiente di Misura Controllato: LarixAmbiente di Misura Controllato: Larix

Guida d’onda per onde piane progressive

La caratteristica della guida d’onda utilizzata è quella di poter creare un fronte d’onda piana progressiva dove il

valore dell’impedenza rimane costante in ogni punto cioè ρc

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Il punto di misura è situato a circa 12 metri dalla sorgente ed è stato adattato per accogliere microfoni da ¼” e sonde microflown di tipo match-size.

Per la misura del livello di pressione nel punto di misura si è usato un microfono B&K type 4939 precedentemente calibrato a 1kHz con B&K type 4231. Tale livello è stato quindi usato per la calibrazione del sensore di pressione della sonda microflwon posta nello stesso punto.

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Setup di calibrazione nel campo di riferimentoSetup di calibrazione nel campo di riferimento

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Poiché il campo di riferimento generato all’interno della guida d’onda è un campo d’onda piana progressiva allora la sua impedenza teorica Z è reale, costante nel tempo, e indipendente dalla posizione di misura. Tale impedenza coincide infatti con l’impedenza caratteristrica del mezzo z0 pari al prodotto ρc della densità dell’aria per la velocità del suono. Ciò permette di scrivere la curva di calibrazione per una sonda p-v nel campo di riferimento di onda piana progressiva come:

Questa stessa formula rimane valida anche in un campo generico. Basta infatti sostituire l’impedenza teorica del campo di riferimento (nel nostro caso z0=ρc) con l’impedenza misurata nel campo generico con la sonda p-v di riferimento precedentemente calibrata in un campo di riferimento:

00 mZ

c

0m

M

Z

Z

Impedenza misurata nel campo di riferimento con la sonda di riferimento da calibrare (in generale complessa: modulo e fase)

0MZ

Impedenza misurata nel campo di riferimento con la sonda p-v (prototipo) da calibrare (in generale ora sia il numeratore che il denominatore sono numeri complessi)

(1)

(2)

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• Verde:Modulo in

dB rel z0

• Grigio: differenza di fase tra p e v

• Rosso: coerenza tra i segnali p e v

Risultati ottenuti per il modulo |Z0m(ω)| misurato con la sonda di

riferimento (microflown) nel campo di riferimento, PRIMAPRIMA della compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ0(ω)|

della curva di correzione (1)

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• Verde:Modulo in

dB rel z0

• Grigio: differenza di fase tra p e v

(si noti che il software usato non permette di compensare la

fase)

• Rosso: coerenza tra i segnali p e v

Risultati ottenuti per il modulo |Z0m(ω)| misurato con la sonda di

riferimento (microflown) nel campo di riferimento, DOPODOPO la compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ0(ω)|

della curva di correzione (1)

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Sommario:•Introduzione e presentazione delle sonde:

Microflown Siht (Sogliano Industrial High-Tech)

•Calibrazione in campo di riferimento: Guida d’onda piana progressiva (Larix) Setup di calibrazione Un po’ di teoria Risultati

•Calibrazione per confronto in campo generico: Perché utilizziamo cornette acustiche? Setup di calibrazione Risultati

•Conclusioni

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Utilizzo di cornette acustiche come condizione al contorno ricevente ideale per minimizzare le differenze geometriche-

costruttive tra i prototipi e le sonde di riferimento

IN BASSO: sonda Microflown “vestita” con trombetta

IN ALTO: prototipo di sonda SIHT “vestita” con trombetta

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• amplificazione segnale velocimetrico

• fattore di amplificazione maggiore di 20dB

• facilmente applicabile ad ogni tipo di sonda p-v • in grado di determinare condizioni di ricezione

equivalenti in campi generici

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Segnale di pressione amplificato solo per fres

Segnale di velocità amplificato fino a 20dB

Toni puriTerze di ottavaOttave

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Setup di calibrazione per confronto in campo genericoSetup di calibrazione per confronto in campo generico

Sonda di riferimento

Sonda da calibrare

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Il campo generico utilizzato per testare la bontà del procedimento di calibrazione è stato generato all’interno di una cabina silente. Ciò tuttavia non è necessario come abbiamo potuto verificare in condizioni operative diverse ad esempio nelle misure di assorbimento. La calibrazione per confronto di sonde p-v è invece estremamente sensibile al punto di misura e all’orientamento delle sonde. Per questo è stato necessario alternare le sonde sul supporto ricreando chiaramente le stesse condizioni di campo stazionario generato con rumore bianco.Peraltro il protocollo seguito è strettamente analogo a quello definito per la calibrazione in campo di riferimento con l’unica variante dovuta alla diversa formula per la determinazione della curva di correzione (2):

dove ora l’impedenza teorica del campo di riferimento è sostituita dall’impedenza sperimentale misurata con la sonda di riferimento pre-calibrata.

0m

M

Z

Z

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• Verde:Modulo

impedenza in dB rel z0

• Giallo: Modulo

ammettenza in dB rel 1/z0

• Rosso: coerenza tra i segnali p e v

Risultati ottenuti per i moduli |Zm(ω)| e |Ym(ω)| misurati in campo generico con la sonda prototipo SIHT,

PRIMAPRIMA della compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ(ω)| della curva di correzione (2)

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Risultati ottenuti per i moduli |Z0M(ω)| e |Zm(ω)| misurati in campo

generico rispettivamente con la sonda di riferimento (microflown) e SIHT DOPODOPO la compensazione calcolata a partire dal modulo |Γ(ω)|

della curva di correzione (2)

Confronto diretto degli spettri del modulo dell’impedenza misurata con la sonda Microflown di riferimento (in giallo ocra) e la sonda SIHT calibrata (in verde). Le curve sono quasi sovrapposte per cui viene mostrata la loro differenza (intorno allo zero) in giallo pallido.

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

ConclusioniConclusioni

A causa di limitazioni del software utilizzato, la procedura può essere attualmente implementata in tempo reale soltanto per la misura del modulo dell’impedenza / ammettenza. La procedura può tuttavia essere implementata in post-processing con l’uso di software di programmazione numerica come Matlab, Labview, etc.

È stato dettagliato un protocollo per la calibrazione per confronto di sonde p-v con l’uso di comuni analizzatori di spettro bicanale. Il protocollo consiste in due fasi distinte: 1.calibrazione della sonda p-v di riferimento in un campo di riferimento2.calibrazione per confronto in campo generico della sonda p-v con quella di riferimento

La procedura di calibrazione è stata applicata con successo per la calibrazione di sonde p-v low-cost CMOS compatibili rendendole così idonee all’esecuzione di misure di assorbimento (asfalti) e all’analisi del rumore soprattutto per il condition monitoring di sorgenti complesse

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Calibrazione per confronto di un prototipo low-cost di sonda pressione-velocità – Domenico Stanzial

Sensore di velocità delle

particelle acustiche(APVS)

Sensore di velocità delle

particelle acustiche(APVS)

Interfaccia elettronica per

amplificazione e filtraggio

Interfaccia elettronica per

amplificazione e filtraggio

Elettronica stabilizzazione

dell’alimentazione

Elettronica stabilizzazione

dell’alimentazione

MicrofonoMicrofono

Assemblaggio della sonda SIHT e struttura di

uno dei primi prototipi sviluppati

Assemblaggio