Development of a multi microphone impedance tube for acoustic material characterization

Abstract

Das Impedanzrohr ist ein weit verbreitetes Instrument für die Bestimmung akustischer Materialparameter im unidirektionalen Schallfeld. Da für diese Messungen hochgenaue Hardware benötigt wird und diese nur von wenigen Herstellern angeboten wird, sind diese Messsysteme meist sehr teuer. Durch die Verwendung von herkömmlichen Bauteilen, soll in dieser Arbeit ein zugänglicheres Messystem entwickelt werden.Um den damit einhergehenden Fehler zu kompensieren, werden zusätzliche Mikrofone verbaut. Folglich müssen auch die klassischen Algorithmen wie die Zwei- und die Vier-Mikrofon-Methode erweitert werden. In diesem Fall wird dazu die Methode der kleinsten Quadrate verwendet, aber auch ein Ansatz, bei dem die unterschiedlichen Mikrofonpaarungen über ihren validen Frequenzbereich gemittelt werden.Es wurde gezeigt, dass die zusätzlichen Mikrofone bei hohen Frequenzen keinen signifikanten Unterschied machen. Bei niedrigen Frequenzen und Knotenpunkten der stehenden Wellen konnten die auftretenden starken Messfehler gut kompensiert werden. Die Ergebnisse wurden nicht nur graphisch mit den Referenzmessungen verglichen, sondern auch mit einem aus der Norm adaptierten Maß, dass den Leistungsfehler von Reflexions- und Transmissionskoeffizienten bestimmt.Die vielen Versuche haben gezeigt, dass die Kleinsignalauflösung der Mikrofone essenziell für gute Messergebnisse ist. Fehler in diesem Bereich konnten aber teilweise gut von den zusätzlichen Mikrofonen abgefangen werden. Außerdem werden mehrere Verbesserungsvorschläge für das vorgestellte Messsystem aufgeworfen, um sie noch etwas näher an ihr volles Potential zu bringen.

For measurements inside the unidirectional wave field, used to characterize acoustic material properties, impedance tube measurements are widely used. However, due to expensive hardware and proprietary systems, they typically come with a substantial price tag. This thesis tries to improve accessibility to these kind of systems by utilizing consumer grade hardware considerably reducing the financial commitment. To compensate the emerging error and achieve similar results the incorporation of multiple microphones is investigated. Therefore, the classical two- and four microphone formulations are extended by two different methods utilizing a least squares fit and a multiple pair approach with windowed averaging.It is shown that for higher frequencies there is no substantial difference between professional and consumer grade hardware. The multi microphone approaches shine at lower frequencies and node positions reducing severe deviations of the individual pairs to notably closer values to the baseline measurement. This is not only evaluated visually, but also by utilizing a modified error measure, defined by power, to quantify the deviations in reflection- and transmission coefficients.The many tests proved, that the accurate microphones and calibration is essential for good measurement results, but can be partially compensated by multi microphone algorithms. Additionally, several ideas to further improve the performance of the examined algorithms are posed pushing them closer to their full potential.