1 UVOD
Področje akustike in ultrazvoka ima dolgo tradicijo in
široko področje uporabe. Študentom najbližje tematike
so s področij zabavne elektronike: ozvočenja, sistemi za
snemanje in reprodukcijo zvoka, prenosni predvajalniki,
izgubno in brezizgubno stiskanje posnetkov, domači
kinosistemi, računalniške igre itd. Pomembna področja,
kot npr. zaščita pred hrupom, uporaba zvoka in
ultrazvoka v medicini, industriji, pri raziskavah,
implementacija zakonodaje v Evropski uniji na področju
varnosti, zagotavljanje kakovosti, merilne metode in dr.
pa so zastopana v manjši meri.
Področje akustike in ultrazvoka se je v zadnjih letih
pomembno spremenilo in posledično zahteva
spremembo vsebine in prilagojene moderne didaktične
postopke. Iz tega sledi, da z zabavno elektroniko
povezana znanja prehajajo na tista področja akustike in
ultrazvoka, ki nastajajo na področjih v povezavi s
podporo znanstveni metodologiji, aplikacijam na
področju zdravstva, tehnični diagnostiki,
komunikacijskim sistemom in posredno ali neposredno
v povezavi z evropsko tehniško zakonodajo in
varnostjo. Teoretična znanja akustike in ultrazvoka
vključujejo fizikalno akustiko, akustiko sluha, merjenje
zvoka, hrup in merjenje hrupa, elektro-akustične
pretvornike, digitalno obdelavo akustičnih signalov,
Prejet 20. april, 2013
Odobren 6. maj, 2013
28  BEGUŠ
uporabo ultrazvoka pri testiranju, diagnostiki;  praktične
vaje pa s pristopom hands-on povežejo uporabnost
teoretičnih znanj s praktičnimi problemi, npr. uporaba
hitre Fourierjeve transformacije pri digitalni obdelavi
signalov, principe delovanja akustičnih pretvornikov,
delovanje fonometra, principe delovanja in
karakteristike analogno-digitalnih in digitalno-analognih
pretvornikov, merjenja frekvenčnih karakteristik
mikrofonov, zvočnikov, nelinearnega popačenja, načine
preoblikovanja zvoka (šifriranje, maskiranje govora)
idr.
V nadaljevanju bodo predstavljena štiri grafična
programska okolja, ki omogočajo praktične
demonstracije naštetih znanj s področja akustike in
ultrazvoka in ki so bila uspešno uporabljena pri
laboratorijskih vajah. Osnovni sklopi in programi, ki jih
uporabljajo programska okolja, so že pripravljeni, tako
da študenti programska okolja lahko uporabljajo tako
rekoč brez predznanja. Nekaj laboratorijskih vaj je
demonstracijskih zaradi specifične opreme, ki se
uporablja, ali so zaradi načina dela omejene na eno
delovno mesto. Te vaje izvaja asistent. Druge
laboratorijske vaje študenti izvajajo v skupinah po dva
študenta.
2 PROGRAMSKA OKOLJA
Na laboratorijskih vajah so uporabljena štiri programska
okolja: Spectrum Lab [1], PurePath Studio [2], Labview
[3] in Matlab Simulink [4]. Njihove glavne značilnosti
bodo predstavljene v nadaljevanju.
Spectrum Lab [1] je avdiospektralni analizator s
procesiranjem v realnem času. Program je prosto
dostopen na spletnem naslovu [1], kjer avtor redno
izdaja posodobljene različice. Program je zasnovan kot
avdiospektralni analizator signalov različnih virov
(zvočna kartica, analogno/digitalni pretvorniki,
UDP/TCP,…) in prikazom spektra v obliki grafa ali
spektrograma. Poleg tega ima orodja za digitalno
obdelavo signalov v realnem času (filtriranje,
avtomatsko nastavljanje amplitude, računanje s signali,
shranjevanje v različnih formatih). Vgrajen ima
generator standardnih testnih signalov z možnostjo
moduliranja in generiranja poljubnih signalov. Program
omogoča merjenje frekvence, amplitude in procesiranje
signalov v frekvenčnem prostoru.
PurePath™ Studio [2] je grafično programsko okolje,
namenjeno razvoju programske opreme za
avdiopretvornike z vgrajenim MiniDSP digitalnim
procesorjem proizvajalca Texas Instruments.
Programsko okolje vsebuje gradnike, ki jih grafično
povezujemo med seboj z »žicami« glede na želeno pot
avdiosignala. Okolje prevede grafično shemo v kodo, ki
jo izvaja MiniDSP. Knjižnica gradnikov vsebuje
generatorje signalov, filtre, standardne in matematične
funkcije za digitalno obdelavo signalov, algoritme za
dinamično obdelavo signalov (avtomatsko prilagajanje
amplitude), mešalnike ter vmesnike za komunikacijo z
vodilom I
2
S (Integrated Interchip Sound). MiniDSP
lahko izvede do 1152 ukazov na vsak zajet avdiovzorec
(kodek TLV320AIC3254) pri frekvenci vzorčenja 48
kHz.
Programsko okolje se potem, ko dostop odobri Texas
Instruments, lahko prenese z njihove zunanje spletne
strani. Redno so na voljo posodobljene različice.
Labview (Laboratory Virtual Instrumentation
Engineering Workbench) [3] je grafični programski
jezik podjetja National Instruments, ki se uporablja
predvsem pri aplikacijah za preizkušanje, merjenje in
krmiljenje. Deluje z različnimi operacijskimi sistemi in
podpira široko paleto strojne opreme. Izvajanje
programa je določeno s strukturo grafičnega blokovnega
diagrama, kjer se povežejo posamezni gradniki iz že
pripravljenih knjižnic.
Matlab (Matrix Laboratory) [4] je programsko okolje
za numerično računanje, predvsem za računanje z
matrikami podjetja MathWorks. Simulink je grafično
okolje, integrirano v Matlab, za simulacijo, modeliranje
in analizo dinamičnih sistemov. Uporablja se pri teoriji
vodenja sistemov, za simulacije in digitalno obdelavo
signalov.
3 LABORATORIJSKE VAJE
V nadaljevanju so opisane zmogljivosti programskih
okolij, s poudarkom na praktični implementaciji
njihovih zmožnosti pri laboratorijskih vajah za študente
drugih in tretjih letnikov pri predmetu Avdio inženiring
na študijski smeri Multimedijske komunikacije,
Fakultete za elektrotehniko Univerze v Ljubljani.
3.1 Spectrum Lab
S programom Spectrum Lab je predstavljena praktična
uporaba hitre Fourierjeve transformacije za opazovanje
spektra in spektrograma pri filtriranju in obdelavi
signalov v frekvenčnem prostoru. Hkrati z opazovanjem
spektra signala lahko program prikazuje tudi signal v
časovnem prostoru in v načinu "XY", podobno kot z
osciloskopom. Program omogoča merjenje amplitude
vhodnih avdiosignalov, frekvence, avtomatsko merjenje
frekvenčne karakteristike sistemov, generiranje testnih
signalov (sinusni, poljubne oblike, šum).
SpectrumLab omogoča shranjevanje nastavitev v
datoteko, tako da je za začetek oziroma zagon treba le
prebrati nastavitve iz datoteke, kar tudi zelo poenostavi
delo s programom, še posebno če študent programa ne
pozna.
Spectrum Lab lahko z ustreznimi nastavitvami
deluje kot fonometer s prikazom amplitude električnega
signala, nivojem zvočnega tlaka brez frekvenčne
utežitve in z "A" frekvenčno utežitvijo. Vse izračunane
vrednosti so prikazane hkrati in v realnem času. Primer
meritve je prikazan na sliki 1.
MODERNI PRISTOPI K POUČEVANJU AKUSTIKE IN ULTRAZVOKA 29
Slika 1: Fonometer z zvočno kartico in mikrofonom,
SpectrumLab program. Izmerjena napetost in izračunan nivo
zvočnega tlaka brez frekvenčne utežitve in z "A" frekvenčno
utežitvijo so prikazani na programirljivih tipkah na levi strani
slike.
Študenti lahko tu spoznajo delovanje in zgradbo
fonometra, enostavne meritve pa z ustreznim
mikrofonom lahko izvedejo tudi doma.
Pri demonstracijski vaji se s programom Spectrum
Lab izmeri frekvenčna odvisnost mikrofona. Program
generira beli šum, ki se predvaja z zvočnikom,
referenčni mikrofon je uporabljen za določitev
frekvenčne odvisnosti zvočnika, avtomatsko frekvenčno
korekcijo pa izvede program sam. Po zamenjavi
referenčnega mikrofona z merjenim mikrofonom
program prikaže njegovo frekvenčno karakteristiko v
območju od 100 Hz (omejitev je nizkofrekvenčni hrup v
gluhi sobi) do 35 kHz (omejitev frekvenčna obseg
zvočnika), slika 2.
Slika 2: Merjenje frekvenčne karakteristike mikrofona,
program SpectrumLab. Zgornja krivulja je frekvenčna
karakteristika mikrofona, spodnja pa zvočnika. Uporabno
frekvenčno območje je od 100 Hz do 35 kHz.
Pri tej vaji je praktično prikazan princip merjenja
frekvenčne karakteristike, pomen referenčnega
mikrofona, kalibracije merilne opreme, zagotavljanja
sledljivosti meritev in omejitve zaradi opreme, okolja,
kjer se izvajajo meritve, in uporabljenih programskih
orodij.
S piezoelektričnim ultrazvočnim pretvornikom se
lahko prikažejo principi delovanja ultrazvočnih
sistemov, lastnosti in razširjanje ultrazvoka v zraku,
Dopplerjev pojav, osnovni principi modulacije signalov
ter pravilna izbira frekvence vzorčenja za ultrazvočne
signale. S programom SpectrumLab se lahko
demodulirajo frekvenčno in amplitudno modulirani
signali. Na sliki 3 sta prikazana spekter sprejetega
(moduliranega) in spekter demoduliranega
ultrazvočnega signala. Kot vir ultrazvočnega signala sta
bila uporabljena signalni generator z analognim
modulacijskim vhodom in zvočnik.
Maskiranje govora v smislu preprečitve identifikacije
oseb se lahko izvede s frekvenčnim premikom spektra
avdiosignala za velikostni razred 100 Hz. S
programskim okoljem SpectrumLab se lahko izvede
frekvenčni premik na podlagi pretvorbe akustičnega
signala v frekvenčni prostor in nazaj v časovni ter s
premikom v frekvenčnem prostoru.
Slika 3: Spekter sprejetega in demoduliranega ultrazvočnega
signala
Prikazane so možnosti procesiranja v frekvenčnem
prostoru, njihove omejitve in prednosti. Kot prednosti
lahko omenimo uporabo množenja namesto
konvolucije, možnosti implementacije dodatnih filtrov
pred frekvenčnim premikom in po njem. Kot slabosti pa
omenimo omejeno ločljivost frekvenčnega premika, ki
je odvisna od števila elementov pri hitri Fourierjevi
transformaciji, in latenco zaradi računsko zahtevne hitre
Fourierjeve transformacije. Primer maskiranja govora s
frekvenčnim premikom spektra je prikazan na sliki 4.
Na levi je prikazan spekter avdiosignala, desno pa
frekvenčno premaknjeni spekter. Nastavitev
frekvenčnega premika je mogoče spreminjati med
delovanjem programa.
Glavna prednost programa SpectrumLab so
dostopnost na spletu, fleksibilnost, široko področje
uporabe  in preprosta uporaba.
30  BEGUŠ
Slika 4: Spekter nemaskiranega in maskiranega avdiosignala
3.2 Texas Instruments PurePath Studio
Maskiranje govora za preprečitev identifikacije oseb se
lahko izvede tudi z metodami za generiranje
enobočnega radiofrekvenčnega signala z zadušenim
nosilnim valom (SSB - Single Side Band oziroma
SSBSC- Single Side Band Supressed Carrier), le da so
frekvence signalov v avdiofrekvenčnem območju,
obdelava signalov pa se lahko izvede z ustreznim
digitalnim signalnim procesorjem. Pri demonstracijski
laboratorijski vaji sta uporabljeni metoda »Weaver«
generiranja signala SSB [5] in frekvenčna konverzija na
želeno frekvenčno območje.
Programska implementacija metode Weaver za
generiranje signala SSB v programskem okolju
PurePath Studio je relativno preprosta (slika 5), saj so
vsi potrebni elementi (kvadraturni sinusni generator,
filtri, množilniki in seštevalniki) na voljo v knjižnici.
Treba je le nastaviti ustrezne parametre filtrov (red
filtra, mejno frekvenco, vrsto). Program se izvaja na
miniDSP v realnem času, tako da je latenca zaradi
procesiranja 1 ms, kar je bistveno manj kot pri
realizaciji s programom SpectrumLab, kjer se giblje od
0.2 s do 1.2 s, to je odvisno od nastavitve ločljivosti
hitre Fourierjeve transformacije.
Slika 5: Grafični programski vmesnik programa PurePath
Studio in diagram poteka za frekvenčni premik signala  s
kodekom TLV320AIC3254
Frekvenčni premik avdiosignalov se lahko uporabi tudi
v raziskovalne namene, npr. pri zoologiji (poslušanje
človeku neslišnih ultrazvočnih signalov npr. netopirjev).
Pri tej laboratorijski vaji so uporabljeni tudi principi
generiranja signalov SSB in frekvenčne konverzije ki se
uporabljajo v telekomunikacijah.
Prednosti grafičnega programiranja in
implementacije na MiniDSP je preprosto programiranje,
izvajanje v realnem času z majhno latenco na strojni
opremi in široka paleta že pripravljenih blokov za
obdelavo avdio- in ultrazvočnih signalov.
3.3 National Instruments LabView
Vpliv kvantizacije in njenih lastnosti na obliko in
spekter rekonstruiranega signala iz digitalnega zapisa se
lahko nazorno prikaže s programom, ki omogoča
nastavljanje bitne globine predvajanja avdioposnetka od
1 do 16 bitov. Pri demonstracijski vaji z grafičnim
programskim okoljem Labview se lahko nastavi
poljubna bitna globina posnetka v realnem času.
Kontrolna plošča je prikazana na sliki 6. Nastavljena
bitna globina je 3 bite, kar ustreza osmim različnim
napetostnim nivojem.
Slika 6: Kontrolna plošča programa Labview za nastavljanje
bitne globine predvajanja avdioposnetka
Grafično okolje LabView ponuja največjo
fleksibilnost, preglednost in nabor knjižnic s funkcijami
izmed vseh uporabljenih programskih okolij ter največji
potencial pri aplikacijah za preizkušanje, merjenje in
krmiljenje.
3.4 Mathworks Matlab Simulink
Tajnost prenosa govornih komunikacij npr. pri mobilnih
komunikacijah, policiji, vojski  itd., se zagotovi s
šifriranjem avdiosignala. Postopki šifriranja se lahko
izvajajo na analognem signalu ali (pogosteje) na
digitaliziranem avdiosignalu. Preprost postopek
šifrirana analognega signala pomeni invertiranje spektra
avdiosignala oz. »zrcaljenje« okrog izbrane frekvence.
MODERNI PRISTOPI K POUČEVANJU AKUSTIKE IN ULTRAZVOKA 31
govor_filtriran.wav
To Wave
File2
govor_dekodiran.wav
To Wave
File1
govor_kodiran.wav
To Wave
File
To Wave
Device
FFT
Spectrum
Scope
DSP
Sine Wave3
DSP
Sine Wave2
DSP
Sine Wave1
DSP
Sine Wave
Product4
Product2
Product1
Product
2
Matrix
Concatenation
Manual Switch1
Manual Switch
2
Gain3
2
Gain2
2
Gain1
2
Gain
From Wave File
govor.wav OutOutOut
From Wave
File
ellip
Digital IIR
Filter Design7
ellip
Digital IIR
Filter Design4
ellip
Digital IIR
Filter Design3
ellip
Digital IIR
Filter Design2
ellip
Digital IIR
Filter Design1
Slika 7: Model Matlab Simulink za šifriranje in dešifriranje govora z invertiranjem spektra
Slika 8: Spekter originalnega (CH1), šifririranega (CH2) in
dešifriranega posnetka (CH3)
Implementacija takšnega algoritma za šifriranje in
dešifriranje govora z modelom Matlab Simulink je
prikazana na sliki 7, spektri osnovnega, šifriranega in
dešifriranega avdiosignala pa na sliki 8. Vsi posnetki se
shranijo v datoteko, med simulacijo se z izborom
želenega signala s stikali lahko avdioposnetek tudi
posluša.
Meritve harmonskega popačenja se uporabljajo pri
meritvah distribucijskega omrežja električne energije,
pri karakterizaciji avdio in ultrazvočnih sistemov,  pri
telekomunikacijskih sistemih, v merilni tehniki itd.
Simulacija harmonskega popačenja z nastavljivo
amplitudo harmonskih komponent v programu Matlab
Simulink  vidimo na sliki 9.
IZH
LIN
dB
(1 ohm)
dB Conversion1
dB
(1 ohm)
dB Conversion
X^3
X^2
Unbuffer3
Unbuffer1
Unbuffer
To Wave
Device
THD, dB
THD L
THD D
Stikalo 3
Stikalo 2
Stikalo 1
FFT
Spekter
DSP
SineWave
Product3
Peak, dB
ValVal
Maximum
2
MatrixConcatt2
2
MatrixConcat14
2
MatrixConcat1
Column
Sum
Matrix
Sum1
Column
Sum
Matrix
Sum
0.5
Gain 5
0
Gain 3
0.678
Gain 2
1
Gain 1
1
u
Function
From Wave File
glasba.wav
(44100Hz/2Ch/16b)
OutOutOut
From Wave File
U Y
CH4
U Y
CH2
U Y
CH1
|u|
Abs2
|u|
Abs1
|u|
Abs
Slika 9: Simulator harmonskega popačenja v okolju Matlab Simulink
32  BEGUŠ
Slika 10: Spekter signala (CH1) in spekter signala zaradi
nelinearnosti (CH2)
Signalu iz avdiodatoteke ali sinusnem signalu se nastavi
amplituda, nato pa se z nelinearnim členom drugega in
tretjega reda generirajo harmonske komponente signala,
ki se prištejejo osnovnemu signalu. Sledita še sistem za
merjenje vršne vrednosti amplitude signala in sistem za
merjenje harmonskega popačenja.
Slika 11: Amplituda vršne vrednosti signala (levo) in
izračunana vrednost harmonskega popačenja (desno)
Na sliki 10 sta prikazana spekter signala in spekter
signala zaradi nelinearnosti, na sliki 11 pa amplituda
vršne vrednosti signala ter izračunana vrednost
harmonskega popačenja.
Postopek dekodiranja kompozitnega signala FM
radijske postaje vključuje regeneracijo nosilca s
frekvenco 38 kHz za demodulacijo DSB signala, ki
vsebuje razliko L in D avdiosignala, DSB demodulator,
seštevalnika za rekonstrukcijo L in D kanala ter
filtriranje z nizkopropustnim filtrom. Celoten sistem se
lahko realizira v okolju Matlab Simulink, slika 12, če
zvočna kartica omogoča vzorčenje s frekvenco 192 kHz.
Z dovolj zmogljivim osebnim računalnikom se lahko
v realnem času poleg dekodiranja opazuje tudi spekter
kompozitnega signala FM, slika 13.
Slika 13: Spekter kompozitnega signala FM
Prostorski zvok se uporablja ne le pri aplikacijah s
področja zabavne elektronike, ampak tudi pri
aplikacijah v navidezni resničnosti [6], kjer se z njim
izboljša občutek realnosti navideznega sveta, podaja
lahko dodatne informacije o navideznem okolju in
objektih v njem.
V nasprotju s preprosto postavitvijo vira zvoka v
navideznem prostoru s spreminjanjem amplitude
predvajanja tega zvoka na različnih zvočnikih pa je pri
poslušanju s slušalkami mogoče ustvariti veliko bolj
realistično sliko z uporabo t. i. HRTF (Head Related
Transfer Functions) oziroma prenosnih funkcij, ki
opisujejo frekvenčno odvisnost človekovega sluha v
odvisnosti od smeri, iz katere prihaja zvok. Pri
poslušanju s slušalkami brez HRTF-filtriranja ima
poslušalec občutek, kot da je vir zvoka v njegovi glavi.
Filtriranje z ustreznimi HRTF (odvisno od želene
lokacije vira) pa viru zvoka lahko določi navidezno
pozicijo v prostoru.
L+D
L-D
2L
2D
Stereo
L-D
L+D, Mono
19 kHz
38 kHz
38 kHz
L+D
To Wave
Device
Stikalo4
Stikalo3
Stikalo2
Stikalo1
FFT
Spectrum
Scope
Product2
Product1
2
Matrix Concat3
2
Matrix Concat2
2
Matrix Concat
butter
LPF 15 kHz
-K-
Gain3
From Wave File
RAntena_192k.wav
(192000Hz/1Ch/16b)
OutOutOut
From Wave File
From Wave
Device
butter
Digital IIR
Filter 38 kHz
butter
Digital IIR
Filter 19 kHz
U Y
CH1
butter
50 us deemph
Slika 12: Stereo dekoder, realizacija s programom z Matlab Simulink
MODERNI PRISTOPI K POUČEVANJU AKUSTIKE IN ULTRAZVOKA 33
Model Matlab Simulink za simulacijo navidezne
postavitve dveh zvočnih virov v prostor je prikazan na
sliki 14. Model lahko simulira tudi poenostavljen model
premikanja vira zvoka s spreminjanjem amplitude zvoka
med kanaloma D in L in sočasno primerjavo obeh
načinov.
Slika 14: Model Matlab Simulink za simulacijo navidezne
postavitve dveh zvočnih virov v prostor
Z grafičnim vmesnikom (slika 15), modelom Simulink
(slika 16) in programom Matlab se lahko nastavlja
pozicija navideznega vira zvoka v prostoru interaktivno
z miško. Simulacija deluje v realnem času.
Slika 15: Grafični vmesnik za nastavljanje položaja vira zvoka
z miško
Slika 16: Model Simulink za nastavljanje položaja vira zvoka
z miško
Program Matlab Simulink je zasnovan kot orodje za
simulacijo in analizo dinamičnih, mehanskih in
električnih sistemov, poleg tega pa je z bogatimi DSP-
knjižnicami široko uporaben pri procesiranju akustičnih
signalov in ultrazvoka.
4 SKLEP
V prispevku je predstavljen pristop k praktičnemu
poučevanju akustike in ultrazvoka pri laboratorijskih
vajah z uporabo programskih okolij, ki omogočajo
grafično programiranje, tako da se študenti posvečajo
akustičnemu problemu in ne problematiki in spretnostim
programiranja, predvsem pa delo pri laboratorijskih
vajah lahko začnejo tako rekoč brez predznanja o
uporabljenih programskih okoljih. Poudarek torej ni na
podrobnem poučevanju programskih okolij, ampak na
predstavitvi možnosti in konceptov, ki jih ponujajo
posamezna okolja. Praktične naloge s področja akustike
in ultrazvoka se povezujejo tudi na tematike in znanja s
področij meritev, telekomunikacij, zaščite prenosa
podatkov,  senzorjev, pretvornikov, merjenja analognih
signalov, varovanja, zagotavljanja kakovosti itd.
Z uporabo prosto dostopnih programskih okolij lahko
študenti izvajajo preprostejše eksperimente tudi doma, s
čimer jih spodbujamo k nadaljnjemu raziskovanju.
Izkušnje in znanje so bili pridobljeni pri izvajanju
laboratorijskih vaj za študente drugih in tretjih letnikov
pri predmetu Avdio inženiring na študijski smeri
Multimedijske komunikacije, Fakultete za
elektrotehniko Univerze v Ljubljani.
Vaje na FE izvajamo v navadni učilnici. Glede na
naravo dela (poslušanje avdiosignalov) bi bilo bolj
ustrezno izvajati laboratorijske vaje v okolju z manj
hrupa, vendar problem hrupa  učinkovito odpravljamo z
uporabo slušalk.
Poudariti velja, da ob navedenih tematikah,
temelječih na modernih metodah procesiranja in
programskih aplikacijah, nikakor ne smemo prezreti
pomena akustike v domeni široke uporabe v
vsakdanjem življenju, kot tudi interakcije s človekom,
saj sta ti področji tudi prvi stik bodočega študenta z
akustiko in ultrazvokom.