Distributed acoustic acquisition with low-cost embedded systems

Abstract

Under visse omstendigheter er akustiske målinger bemerkelsesverdig utfordrende fordi det ikke finnes en praktisk måte for et målesystem å utføre reproduksjon og anskaffelse samtidig (for eksempel når du måler overføringstapet mellom to rom). En løsning på dette problemet er bruk av distribuert akustisk innsamling, der flere noder kommuniserer trådløst og påtar seg enten avspillings- eller anskaffelsesoppgaver.

Den følgende rapporten beskriver en prototype av et slikt målesystem, som er avhengig av en Raspberry Pi som prosesseringsenhet, LoRa-mottakere for trådløs synkronisering, en lydkodek av høy kvalitet for konvertering mellom de analoge og digitale domenene, og et tilpasset trykt kretskort for å gi en analog front-end for mikrofonpolarisering og signalforsterkning. Prototypen fokuserte på måling av impulsresponser ved hjelp av "swept-sine"-teknikken, som gjør det mulig å måle impulsresponser med en høy SNR, mens den ikke krever en tett synkronisering mellom klokkene involvert i avspilling og anskaffelse.

Til en lavere pris og redusert størrelse viste den implementerte prototypen lydkvalitet som kan sammenlignes med den for et målesystem bestående av et kommersielt USB-lydkort og en bærbar datamaskin. Nodesynkronisering viste seg å være begrenset, ettersom mangelen på presisjon begrenset bruken av prototypen til målescenarier der prøve-nøyaktig tilegnelse, ikke er et krav. Totalt sett tilbyr prototypen en baseplattform som kan forbedres ytterligere, og som åpner døren for implementering av et bredt utvalg av akustiske målinger ved å bruke en rimelig, men kapabel plattform.

Under certain circumstances, acoustic measurements are remarkably challenging because there isn't a practical way for a measurement system to perform reproduction and acquisition simultaneously (for example, when measuring the transmission loss between two rooms). A solution to this problem is the use of distributed acoustic acquisition, in which several nodes communicate wirelessly and assume either playback or acquisition tasks.

The following report describes a prototype of such a measurement system, which relies on a Raspberry Pi as processing unit, LoRa transceivers for wireless synchronization, a high-quality audio codec for conversion between the analog and the digital domains, and a custom printed circuit board to provide an analog front-end for microphone polarization and signal amplification. The prototype focused on the measurement of impulse responses using the swept-sine technique, which allows the measurement of impulse responses with a high SNR while not requiring a tight synchronization between the clocks involved in playback and acquisition.

At a lower cost and reduced size, the implemented prototype showed audio quality comparable to that of a measurement system composed of a commercial USB sound card and a laptop computer. Node synchronization proved to be limited, as the lack of precision restricted the use of the prototype to measurement scenarios in which sample-accurate acquisition is not a requirement. Overall, the prototype offers a base platform that can be further improved, and that opens the door for the implementation of a wide variety of acoustic measurements using a low-cost but capable platform.