Knowledge base: Warsaw University of Technology

Settings and your account

Back

The use of acoustic waves to determine the speed of the vehicles

Szymon Karol Ptak

Abstract

The presented work constitutes an attempt to verify the hypothesis that sound waves can be used to measure vehicle speed. Two phenomena: Doppler effect and changes in sound wave amplitude while passing by the observer. For this purpose, sound was recorded in various conditions: on single and dual carriageways of various categories (communal, in habituated area, provincial, outside settlements, national). In order to analyze the Doppler effect, the shift in sound source frequency while passing the observer was analyzed. Dedicated algorithm was created in MATLAB environment. In the solution, Fourier transform mathematics apparatus was used. In the second proposed solution, the intensity of sound recorded by the microphone during the observer's evasion by the vehicle was analyzed. Using the spherical wave equation, it is possible to determine the theoretical curve by which the amplitude of the wave generated by the passing vehicle will change. For this purpose, it is necessary to know the actual distance between the observer and the source. In order to carry out the experiment, a device for measuring this parameter was designed, using an ultrasonic sensor controlled by the AVR microcontroller. The measured distance was displayed on the seven-segment display and recorded. The outcomes were analyzed, stating that the designed solutions do not meet expectations. The Doppler effect, well-recognized by the sense of hearing, does not distinguish enough from the background in real samples. In turn, the results of the algorithm using a spherical wave equation are characterized by a high-level systematic error. However, it should be noted that the cause of a systematic character of the error may be caused by the microphone, whose spatial characteristics were not omnidirectional, so that the recorded sound pressure by the capacitive transducer was not the same for every angle between the observer and the sound source. Therefore the nature of the error allows to think that appropriate modifications to the developed prototype would eliminate such problems and positively verify the hypothesis that it is possible to use acoustic waves to measure vehicle speed. Further research should be conducted.
Diploma type
Engineer's / Bachelor of Science
Diploma type
Engineer's thesis
Author
Szymon Karol Ptak (FPAE) Szymon Karol Ptak,, Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Title in Polish
Wykorzystanie fal akustycznych do wyznaczenia prędkości pojazdu
Supervisor
Janusz Gajda (FPAE/IAAM) Janusz Gajda,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Certifying unit
Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Affiliation unit
The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)
Study subject / specialization
, Mechanika i Budowa Maszyn
Language
(pl) Polish
Status
Finished
Defense Date
24-06-2019
Issue date (year)
2019
Pages
66
Internal identifier
MEL; PD-5196 (zastrzeżona)
Reviewers
Robert Głębocki (FPAE/IAAM) Robert Głębocki,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE) Janusz Gajda (FPAE/IAAM) Janusz Gajda,, The Institute of Aeronautics and Applied Mechanics (FPAE/IAAM)Faculty of Power and Aeronautical Engineering (FPAE)
Keywords in Polish
fale akustyczne, przetwarzanie sygnału, pomiar prędkości, zjawisko Dopplera
Keywords in English
acoustic waves, signal processing, speed measurement, Doppler effect
Abstract in Polish
W niniejszej pracy przedstawiono praktyczną weryfikację hipotezy, że możliwe jest wykorzystanie fal akustycznych do pomiaru prędkości pojazdu. Pomiar prędkości miał być przeprowadzony przy wykorzystaniu – niezależnie – dwóch zjawisk: efektu Dopplera oraz zmiany natężenia dźwięku podczas omijania obserwatora. W tym celu dokonano rejestracji próbek dźwięku w różnych warunkach: na drogach jedno- i dwujezdniowych różnej kategorii (gminnych, w terenie zabudowanym, wojewódzkich, poza terenem zabudowanym, krajowych). W celu wykorzystania efektu Dopplera, w środowisku MATLAB zaprojektowano algorytm, którego zadaniem było wyznaczenie zmiany częstotliwości rejestrowanego dźwięku (m.in. dźwięku silnika, tarcia opon o jezdnię itp.) i na tej podstawie określenie prędkości pojazdu omijającego obserwatora. W rozwiązaniu posłużono się aparatem matematycznym zwanym transformacją Fouriera, w celu analizy dźwięku pojazdu zbliżającego się do obserwatora i od niego oddalającego. W drugim proponowanym rozwiązaniu analizowane było natężenie dźwięku rejestrowane przez mikrofon podczas omijania przez pojazd obserwatora. Wykorzystując równanie fali kulistej, możliwe jest określenie teoretycznej krzywej, wg której zmieniać się będzie amplituda fali generowanej przez przejeżdżający pojazd. Do tego celu konieczna jest znajomość rzeczywistej odległości pomiędzy obserwatorem a źródłem. W celu realizacji eksperymentu, zaprojektowano urządzenie do pomiaru tego parametru, wykorzystując czujnik ultradźwiękowy, sterowany przy pomocy mikrokontrolera AVR. Zmierzona odległość wyświetlana była na wyświetlaczu siedmiosegmentowym i odnotowywana. Dokonano analizy wyników badań stwierdzając, że zaprojektowane rozwiązania nie spełniają oczekiwań. Efekt Dopplera, dobrze rozpoznawalny przez zmysł słuchu, w próbkach rzeczywistych niewystarczająco wyróżnia się spośród tła. Z kolei wyniki działania algorytmu wykorzystującego równanie fali kulistej cechuje błąd systematyczny o dużej wartości. Należy jednak stwierdzić, że przyczyną znacznego błędu może być wykorzystany mikrofon, którego charakterystyka przestrzenna nie była wszechkierunkowa, przez co rejestrowane ciśnienie akustyczne przez przetwornik pojemnościowy nie było jednakowe dla każdego kąta pomiędzy obserwatorem i źródłem. Systematyczny charakter błędu pozwala sądzić, że dalsze badania i modyfikacje opracowanego prototypu pozwoliłoby wyeliminować tego typu problemy i pozytywnie zweryfikować postawioną hipotezę, że możliwe jest wykorzystanie fal akustycznych do pomiaru prędkości pojazdu.
File
  • File: 1
    Ptak_S_fale_akustyczne_v1.32_OST.pdf
Request a WCAG compliant version
Local fields
Identyfikator pracy APD: 34718

Uniform Resource Identifier
https://repo.pw.edu.pl/info/bachelor/WUTa9c194c51fc447a1ab166b6dab54e7a1/
URN
urn:pw-repo:WUTa9c194c51fc447a1ab166b6dab54e7a1

Confirmation
Are you sure?
Report incorrect data on this page