MATLAB je silný výpočtový, ale aj analytický nástroj. Obsahuje aj metódy a funkcie, ktoré môžu byť nápomocné pri zvukovej analýze. Zvuk je možné čerpať priamo zo zdroja, napr. audio súboru, ale môže byť priamo extrahovaný aj z videa. Práve video budeme dnes analyzovať. 

Zameriame sa na zvukovú analýzu videonahrávok benžínového motora z identickej blízkosti. Je ich celkom 6, z toho 3 nahrávky sú pre motor bežiaci na 101 oktánové palivo (Natural 101 Plus) a 3 pre motor bežiaci na 95 oktánové palivo (Natural 95 Plus). Palivo je v oboch prípadoch z čerpacej stanice TAM Autohof. Motor bol vždy ohriaty na prevádzkovú teplotu po jazde minimálne 20 km a meranie bolo vykonané vždy pri voľnobežných otáčkach (prikázaná hodnota 790 +- 20 otáčok jitter podľa OBD diagnostiky).

Išlo o motor F16D4 (LDE) - GM, čo je analóg opláckeho motora A16XER. Ide o nepriamovstrekový motor s objemom 1,6 litra s DOHC rozvodom, variabilným časovaním oboch vačiek. Nájazd motora 204 XXX km, výkonová verzia 91 kW, alebo ak chcete 124 koní. Jednotlivé vzory videí boli realizované pri rôznej vonkajšej teplote a tiež je nutné zarátať aj chybu merania, centimetrové nepresnosti vo vzdialenosti od motora, iné (externé) ruchy a podobne.

RMS v audiu
Root Mean Square určuje efektívnu hodnotu signálu, kvadratický priemer. V tomto prípade to môžeme zjednodušene vyjadriť ako priemernú hlučnosť motora. To je ale dvojsečná zbraň. Nízka hlučnosť môže byť dobrá pre ucho. Na druhú stranu vyššia hlučnosť môže indikovať lepšie (silnejšie) spaľovanie s kratším zapálením zmesi, ktoré je ráznejšie. Aby sme mohli kvalitne zanalyzovať zvukovú stopu, použili sme vzorkovaciu frekvenciu 48000 Hz (48 kHz), čo prevyšuje aj CD kvalitu, ktorej vzorkovacia frekvencia je 44,1 kHz.

Dosiahnuté výsledky RMS:

Palivo	RMS
101 - Video 1	0.022235
101 - Video 2	0.023348
101 - Video 3	0.028645
95 - Video 1	0.023269
95 - Video 2	0.022180
95 - Video 3	0.017614
101 - Priemer	0.024743
95 - Priemer	0.021021

Ako môžeme vidieť, pri 101 oktánovom palive a videách 1 a 2 máme hodnoty takmer identické s hodnotami 95 oktánového paliva pre videá 1 a 2. Priemerovo nám to rozchvádzajú najmä ostatné videá, ktoré z priemeru vytŕčajú a tak veľmi tesne vyhráva 95 oktán v prípade porovnania dvoch videí. Zvukovo rozdiel s vynechaním sekcií, ktoré utekajú je v realite niečo cez 1 dB, čo je zanedbateľný rozdiel a prakticky nepočuteľný pri bežnom počúvaní.

Crest Factor
Metóda pre určenie dynamického rozsahu signálu. V našom prípade metódu použijeme pre skúmanie, ako veľmi sa špičkové rázy líšia od priemernej hlasitosti motora (RMS). Aby sme dosiahli konzistentnosť, použijeme 99 percentil, ktorým odfiltrujeme 1 percento najvyšších špičiek, čo môžu byť náhodné ruchy, záznam vetra v mikrofóne a podobne. Výsledkom je desatinné číslo. Nižšie číslo = lepšie, nakoľko to indikuje menej vysokofrekvenčných zvukov (cvakanie, kovové zvuky a pod).

Dosiahnuté výsledky Crest Factor:

Palivo	Crest Factor
101 - Video 1	2.577
101 - Video 2	2.553
101 - Video 3	2.579
95 - Video 1	2.561
95 - Video 2	2.680
95 - Video 3	2.569
101 - Priemer	2.570
95 - Priemer	2.603

Rozptyl medzi nameranými hodnotami 101 oktánového paliva je len 0,029, čo indikuje stabilný beh motora. V prípade 95 oktanu je rozptyl väčší a to 0,119, avšak po spriemeraní jednotlivých palív vidíme veľmi podobné výsledky. V oboch prípadoch môžeme povedať, že motor beží kultivovane a zvukovo sme nezaznamenali rázy, ktoré by jednoznačne preukázali, že motor beží lepšie na jedno, alebo druhé palivo.

Kurtosis
Ide o koeficient špicatosti. Ide o štatistický ukazovateľ, ktorý v tomto prípade poukazuje na rozdiel signálu voči ustalenému. V tomto prípade touto metódou meriame kultivovanosť behu motora. Ideálne je, ak je Kurtosis blízka číslu 3, čo je symetrické (Gaussovo) rozdelenie. Čím bude hodnota bližšie k číslu 3, tým motor beží čistejšie. Ak by mohol bežal na 3 valce, videli by sme extrémne hodnoty.

Dosiahnuté výsledky Kurtosis:

Palivo	Kurtosis
101 - Video 1	3.116
101 - Video 2	3.084
101 - Video 3	3.064
95 - Video 1	3.158
95 - Video 2	3.271
95 - Video 3	3.113
101 - Priemer	3.088
95 - Priemer	3.181

Z nameraných výsledkov môžeme vidieť, že u 95 oktánového paliva dostávame koeficient Kurtosis cca o 0,1 väčší. Indikuje to "pichľavejší" beh motora v porovnaní so 101-oktánovým palivom, vyskytuje sa tam viac akustických špičiek. Na základe RMS má ale aj tak motor bežiaci na 95 oktánové palivo nižšiu hlasitosť ako na 101-oktánové palivo. Počuteľne uchom by sme tento rozdiel ale aj tak nepočuli, nakoľko by ľudské ucho zachytilo Kurtosis až pre vyšší rozdiel. Z fyzikálneho hľadiska je ale spaľovanie u 101 oktánového paliva čistejšie, bez akustických špičiek v porovnaní s 95 oktánom.

Spektrálna analýza – PSD
Využijeme Welchovu metódu pre odhad PSD - spektrálnej hustoty výkonu. Welchova metóda spočíva v rozdelení signálu na viacero čiastkových segmentov - okien, ktoré sa čiastočne prekrývajú v rovnakých priebehoch signálu. Na každý segment sa aplikuje váhové okno, v tomto prípade Hammingovo, ktoré potláča nežiaduci vplyv okrajov segmentu. Následne sa pre každý segment vypočíta rýchla Fourierova transformácia (FFT) a získané spektrá sa spriemerujú.

Takýto postup redukuje náhodný šum a zvýrazňuje dominantné frekvenčné zložky signálu. Nakoľko motor bežal na voľnobežných otáčkach, pravidelné zložky zvuku sa opakujú a teda sa v týchto oknách objavia s potlačeným rušením. Výsledkom je hladká krivka spektrálnej hustoty výkonu, ktorá umožňuje prehľadnejšie porovnať frekvenčné charakteristiky zvuku motora pri rôznych palivách a identifikovať rozdiely v stabilite a opakovateľnosti spaľovacieho procesu.

Dosiahnuté výsledky PSD:

Palivo	PSD (dB)
101 - Video 1	-61.33, -71.41, -85.60
101 - Video 2	-60.14, -75.45, -89.22
101 - Video 3	-58.69, -71.68, -82.22
95 - Video 1	-60.42, -74.03, -84.17
95 - Video 2	-61.25, -72.46, -82.78
95 - Video 3	-63.14, -74.24, -88.17
101 - Priemer	-59.92, -72.50, -84.79
95 - Priemer	-61.46, -73.50, -84.51

PSD v grafe vyjadruje hodnoty pre rôzne frekvencie a to: Nízke (0 až 500 Hz), Stredné (500 až 2000 Hz), Vysoké (2000 až 5000 Hz). Nízke frekvencie súvisia priamo s behom motora, ktorý točí cca 790 otáčok, avšak vačkové hriadele a teda aj ventily vyžadujú 2 otáčky kľukovej hriadele na celý cyklus, inými slovami, točia sa polovičnou rýchlosťou. Zameral som sa aj priamo na frekvenciu behu motora + odchýlku voľnobehu a priemerné hodnoty 101 oktánu pre frekvenciu 770 až 810 Hz boli -72.92 dB, pre 95 oktán -72.95 dB.

Na základe nameraných výsledkov môžeme povedať, že v nižších frekvenciách je výkon vyšší u 101 oktánového paliva a s nárastom frekvencie sa do popredia dostáva 95 oktánové palivo. Rozdiely sú ale veľmi malé, priemerovo do 1 až 1,5 dB, čo je opäť zanedbateľné.

Entropia
Spektrálna entropia nám ukáže čistotu tónu pri analýze zvukovej stopy. Hodnota vyjadruje komplexnosť vo frekvenčnej doméne. Využijeme mnoho spoločného z PSD vyššie, keďže PSD je nevyhnuté pre výpočet entropie. Využívame zhodné časti a to FFT pre transformáciu signálu do frekvenčnej oblasti, výpočet PSD, ktorý sa následne normalizuje a cez Shanonnov vzorec vyráta entropia. V samotnom programe sa toto všetko deje zavolaním funkcie pentropy. Pri nízkej entropii je energia sústredená do jasných frekvencií, teda máme menej šumu. Pri vysokej entropii máme okolo biely šum.

Dosiahnuté výsledky - Entropia:

Palivo	Entropia
101 - Video 1	10.457
101 - Video 2	9.491
101 - Video 3	9.685
95 - Video 1	10.625
95 - Video 2	11.378
95 - Video 3	9.800
101 - Priemer	9.878
95 - Priemer	10.601

Entropia u 101 oktánového paliva je nižšia, než u 95 oktanového. 95 oktánová palivo ani v jednom prípade nebolo zrovnateľné, či menšie ako u 101 oktánu. Toto indikuje, že spaľovanie 101 oktánového benzínu je predvídateľnejšie. Motor beží harmonickejšie a usporiadane. Tiež to môže indikovať menší rozptyl otáčok motora na voľnobehu. Teda, otáčky sa držia blízko 790 ot/min a neskáču +- 30 ale menej, čo udáva tempo a pravidelný tón.

Tón môže byť ovplyvnení aj ďalšími parametrami ako dĺžka spalovania (explózie), ktorá môže byť vo variabilnom čase, keďže môžu byť aj vačkové hriadele časované variabilne (predstih), záleží od riadiacej jednotky, do ktorej regulačných limitov nevidíme. Ak aj v tomto prípade použijeme 99 percentil ako u Crest factoru pre elimináciu 1% najvyšších frekvencií, získavame priemer 101 oktánového paliva 8.878 a 9.601 pre 95 oktánové palivo. Rozdiel ostal stále totožný, cca 0,8 v prospech 101 oktanu.

Záverečné zhodnotenie
Rozdiely sú veľmi malé a v praxi zanedbateľné. Na základe dát môžeme s minimálnymi rozdielmi povedať, že motor na 101 oktánové palivo je hlasnejší, no zároveň sa javí ako kultivovanejší, čistejší bez šumov a akustických špičiek.

Prístupov 50

Kvalita článku