Akustische Prüfung von Alarmtönen in hergestellten Geräten

Während eine Schallpegelmessung für einfache Sirenensignale in der Regel ausreicht, benötigen Sie für ‚sprechende‘ Geräte, wie z. B. intelligente Lautsprecher, möglicherweise ein ausgefeilteres Testsystem (im Folgenden beschrieben).

In diesem Artikel konzentrieren wir uns hauptsächlich auf den am häufigsten verwendeten Gerätetyp, d. h. die Überprüfung standardisierter Tonfolgen oder Melodien. Insbesondere betrachten wir die Alarmtöne von medizinischen Geräten, wie sie in der Norm IEC 60601-1-8 für Beatmungsgeräte beschrieben sind.

Die folgende Tabelle zeigt einige dieser Tonfolgen, die sich je nach Zustand des Patienten auf die aktuelle medizinische Indikation oder deren Dringlichkeit beziehen.

Alarmtöne für medizinische Geräte

Die gleichzeitige Messung von Frequenz und Pegel ist in der Regel einfach zu erreichen. Dabei müssen auch die Steilheit der ansteigenden oder abfallenden Flanken und die Dauer der einzelnen Töne bestimmt werden.

Die größte Herausforderung bei dieser Messung besteht darin, den Analysator zu Beginn jedes eingehenden Impulses zu triggern, d. h. den Beginn des Tons korrekt zu erkennen und die verschiedenen Messungen zu den entsprechenden Zeiten auszulösen.

Die geordnete Tonfolge muss verifiziert werden. Das Messgerät muss also nicht nur die einzelnen Töne erkennen und ihre Parameter messen, sondern auch die Richtigkeit der Reihenfolge überprüfen.

All diese Aufgaben können mit einem programmierbaren Messgerät mit einem PC oder einer SPS als Sequenzsteuerung erledigt werden. Für die praktische Umsetzung betrachten wir nun zwei verschiedene Arten von Messgeräten:

1. Ein Laborgerät (FX100)
2. Ein tragbarer Akustik-Analysator (XL2)

A) Labormessgerät

Moderne Labormessgeräte, wie der FX100, verfügen über eine breite Palette von Funktionen, die die oben genannten Anforderungen erfüllen und sowohl die Frequenz und den Pegel messen als auch die Impulsflanken erkennen. Diese Messungen werden über eine Datenschnittstelle (z. B. USB) an den steuernden Computer übertragen, der dann die gewünschten Ergebnisse berechnet.

Der folgende Testaufbau zeigt ein solches Messgerät zusammen mit dem notwendigen Zubehör

FX100 mit M2010 Mikrofon

Es gibt drei Messmethoden:

1. Getaktete Messungen (z. B. alle 100 ms) von Amplitude und Frequenz.
2. Kontinuierliche Messung des Zeitsignals im Oszilloskop-Modus.
3. Messung des Signalspektrums über die Zeit.

In allen drei Fällen korreliert das Messsystem dann die empfangenen Daten mit einer Zielkurve und trifft auf der Grundlage des Ergebnisses eine Gut-/Schlecht-Entscheidung. Die Frage, welche der drei oben genannten Messmethoden für die jeweilige Anwendung am besten geeignet ist oder welche Software den Ablauf steuern soll, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Um hier eine korrekte Beurteilung und Bewertung vornehmen zu können, sind fundierte Kenntnisse des Messsystems und Erfahrung in der Implementierung industrieller Testmethoden erforderlich. Es ist daher ratsam, in enger Zusammenarbeit mit dem Anbieter des Testsystems nach einer geeigneten Lösung zu suchen und diese zu implementieren.

Beispiel

Die folgende Grafik zeigt den Frequenz-Zeit-Plot eines „Escape“-Alarmtons nach DIN 33404 und KTA 3901, der mit Hilfe eines FX100 Audio Analysators verifiziert wird.

Für den Testaufbau müssen Sie den Eingang des FX100 Audio Analysators mit dem Verstärkerausgang des Alarmtongenerators verbinden. Das Testgerät wird im Modus „Continuous Meter“ betrieben und von einem speziellen Softwarepaket gesteuert (siehe Screenshot unten).

Korrelation von idealem Signal (grün) und gemessenem Signal (rot)

Das Messfeld zeigt ein Diagramm der Frequenz über die Zeit mit einem idealen Escape-Alarmsignal (grüne Punkte) und den erfassten Ergebnissen einer Messung (rote Punkte).

Die Übereinstimmung zwischen den idealen Daten und den Messergebnissen wird durch einen speziellen Algorithmus, die so genannte „Euklidische Distanz“, berechnet, die durch eine einzige Zahl ausgedrückt wird. Dieser Abstand wird schließlich mit einer oberen Grenze verglichen, wodurch sich das Gesamtergebnis PASS/FAIL ergibt.

B) Tragbarer Akustik-Analysator

Im Gegensatz zu Tischgeräten verfügen die meisten tragbaren Akustik-Analysatoren über einen weniger umfangreichen Satz von Messfunktionen. Dennoch sind einige dieser Geräte, z. B. der XL2, mehr als geeignet für die Prüfung von Alarmtönen. Insbesondere kann das Messgerät verwendet werden, um den Alarmton aufzuzeichnen und als WAV-Datei zu speichern. Diese Datei kann wiederum auf einen PC übertragen und mit geeigneter Software weiter analysiert werden. Der Vorteil dieses Aufbaus ist die präzise Bestimmung des Signalpegels mit Hilfe eines kalibrierten Schallpegelmessgeräts.

Siehe auch:

Nachrüstung einer komplexen, sicherheitskritischen PA-Anlage für periodische Tests

Das Papier beschreibt Überlegungen und die Implementierung der Nachrüstung einer vollautomatischen Prozedur zum Testen einer Beschallungsanlage in einer sicherheitskritischen Umgebung (ein Kernkraftwerk). Es gibt über 4000 Lautsprecher, etwa 200 Verstärker sowie verschiedene Alarmsignalgeneratoren, die täglich innerhalb weniger Minuten getestet werden müssen. Zusätzlich werden alle Kommandoraummikrofone mit einer halbautomatischen Prozedur überprüft. Die Prozeduren wurden so konzipiert und konfiguriert, dass sie nicht nur zuverlässig einzelne defekte Komponenten erkennen, sondern auch keine Fehlalarme auslösen.

Autoren: Schmidle, Gregor; Schwizer, Philipp; Häns, Winfried
AES Paper Number 9117