أنبوب صوتي يقارن عينات العزل بمكروفونين: مشاريع تخرج ESP32 في الهندسة الصوتية

قبل وضع مادة في الأنبوب، يجب معرفة إن كان الميكروفونان يتفقان عندما يسمعان المصدر نفسه. هذا شرط جوهري في مشاريع تخرج ESP32 والهندسة الصوتية لأن فرق الحساسية أو الطور قد يبدو كأنه أثر مادة. تنظيم العمل هنا يبدأ بمعايرة القنوات المتزامنة، ثم اختبار الطيف، وبعدها فقط مقارنة عينات ضمن نطاق ترددي محدود.

توصيل القناتين ومزامنة I2S

ركب الميكروفونين في حامل واحد قرب المصدر وعلى بعد متساوٍ أولاً، مع توجيه منافذ الصوت بالطريقة نفسها. اضبط L/R لتكون كل وحدة في slot مختلف على خط I2S المتزامن. سجل إصدار ESP-IDF أو Arduino-ESP32 ومعدل العينة وحجم الكلمة. لا تستبدل قناة اليمين واليسار في البرمجية دون كتابة سجل يربط slot بالميكروفون الفيزيائي.

يوفر ESP-IDF نمط I2S قياسياً بقناتين، لكنه يتطلب إعداد عرض الفتحة وتنسيق Philips أو MSB ومعدل العينة بما يطابق الميكروفونات والبرنامج. اختبر أولاً قناة واحدة، ثم سجّل القناتين معاً وتحقق من تزامنهما بنغمة قصيرة. ثبّت الميكروفونين في ثقوب محكمة بموضع معلوم، وتجنب وضعهما في تجويف جانبي مختلف؛ اختلاف العمق يغير الطور المقاس.

معايرة الفرق بين الميكروفونين

عاير القناتين بمصدر نغمة واحدة في حجرة مشتركة، ثم بدّل موضع الميكروفونين وسجل السعة والطور لكل حالة. من دون معايرة مرجعية لا تقسم القناتين وتعتبر الناتج خاصية للعينة. استخدم ملفات متزامنة بنفس عدد العينات، وافحص تأخر عينة واحدة بين القناتين؛ فرق طور بسيط يغير استنتاج التحليل عند الترددات الأعلى.

اختبارات القبول: ملف الصوت يحتوي عدد عينات متساوياً للقناتين؛ غياب I2S يظهر خطأ لا صفراً؛ تغيير ميكروفون واحد إلى نمط الفتحة الأخرى لا يبدل القناة بصمت؛ وإعادة التشغيل لا تغير معدل العينة. اختبر نغمة اصطناعية برمجية ذات تردد معروف على دالة FFT؛ ينبغي أن تقع القمة في خانة التردد المتوقعة ضمن دقة النافذة. لا تعتبر هذا الاختبار فحصاً للميكروفونات الفعلية.

تسجيل الإشارة والتحقق الطيفي

افحص الإشارة الزمنية عند نغمة ثابتة أولاً، ثم طبق FFT لنافذة وحجم واحدين. تحقق من تردد القمة بملف اصطناعي وبمولد نغمة مرجعي. احسب المركبة المركبة أو السعة والطور بحسب الخطة، ولا تستخدم قمة FFT غير المعيارية لقياس شدة مطلقة. سجل تأثير نافذة Hann مثلاً مقارنة دون نافذة كي يعرف القارئ سبب انتشار القمة.

مثال توضيحي: لو سجلت القناة الأولى عند نغمة 500 هرتز سعة نسبية 0.40 والثانية 0.20، فالنسبة الخام 0.5. بعد وضع العينة قد تصبح 0.35 و0.14 أي 0.4. هذه أعداد اصطناعية تشرح المقارنة؛ لا تعني أن امتصاص المادة 60%، لأن النسبة بين موضعين ليست معامل امتصاص دون نموذج الحقل ومعايرة الطور والسعة.

تحليل نسبة الإشارة بين الموضعين

بعد نجاح المعايرة، ثبت الميكروفونين على مواقع معلومة داخل أنبوب ذي قطر ثابت، وسجل المسافة بينهما والطرف العاكس ومقاس العينة. أجر جلسة الأنبوب الفارغ ثم أعدها بعد تركيب العينة. لا تغير الترددات أو مستوى المصدر أو مواضع الميكروفون بين الجلستين. إذا ظهرت نتيجة مختلفة عند تدوير العينة، وثق الاتجاه ولا تختزلها إلى متوسط.

ضع سماعة صغيرة عند طرف الأنبوب لتوليد نغمة أو sweep منخفض المستوى، وأغلق الطرف الآخر بعينة مثبتة في حامل قابل للتكرار. لا ترفع الصوت إلى مستوى مزعج، ولا تستخدم موجات ضغط عالية أو مكونات قدرة كبيرة. اكتب نوع المادة وسماكتها وقطرها وهل يوجد تسرب حول المحيط، فالتسرب قد يطغى على الاختلاف المراد قياسه.

حدود تحويل النسبة إلى امتصاص

ASTM E1050 يتطلب ترتيباً وتحليلاً مضبوطاً لتقدير معامل امتصاص عند سقوط عمودي؛ ميكروفونات MEMS على لوحة تعليمية لا تثبت تلقائياً المعايرة أو شروط المعيار. اكتب النتيجة على أنها نسبة استجابة نسبية داخل الأنبوب. لا تقارنها بقياس صوت غرفة أو عزل جدار، ولا تخلط انعكاس نهاية الأنبوب بامتصاص العينة.

اختبر احتمال التسرب حول العينة، وضع علامات على عمقها واتجاهها، وكرر التركيب. لا تستنتج أن المادة تمتص أكثر من فرق سعة واحد؛ قد يكون الانعكاس أو طور الموجة أو نمط الأنبوب هو السبب. يعرض الرسم القياسات المتكررة ويكتب حدود تردد الاختبار، ويذكر صراحة أين لم تستقر النتيجة.

توثيق مشروع التخرج

سلم ملفات الصوت الخام للقناتين، رسم مواقعها، قياس معايرة السعة والطور، إعداد I2S، كود FFT، سجل الأنبوب الفارغ والعينات، وحدود نطاق التردد. إذا لم تستقر قناة أو تشبعت، احتفظ بعلامة الفشل ولا تعوضها بقيمة مصطنعة. هذه البيانات تتيح للمشرف مراجعة ما إذا كان فرق المنحنيات من المادة أم من القناتين.

راجع نطاق ASTM E1050-24، ومخطط قناة الميكروفون في ورقة INMP441، وإعدادات I2S الرسمية من Espressif. التصميم تعليمي مقترح ولم تُجرَ عليه قياسات فعلية.

يستطيع فريق مشاريع تخرج ESP32 توثيق إعداد القنوات والقيود في تقرير قابل للمراجعة؛ تخدم خدمة مشاريع التخرج ترتيب السؤال والاختبار، بينما تدعم خدمة Arduino والأجهزة المتصلة تكامل I2S وتحليل الإشارة.