Koncept för integrerad högtalare och mikrofon i övervakningskameror

Koncept för integrerad högtalare och

mikrofon i övervakningskameror

Tryggve Folkeson, tryggve@folkeson.com Karl Jansson, jansson.karl@hotmail.com

Handledare: Martin Fisk, Malmö universitet och Roger Jönsson, Axis Communications Examinator: Christina Bjerkén

Examensarbete, 15 högskolepoäng vid Malmö universitet Program: Maskin- och materialteknik, högskoleingenjör 180 hp

Produktutveckling och design, högskoleingenjör 180 hp 2018-03-24

ii

Sammanfattning

Säkerhetsläget i Sverige och Europa är osäkert och ett allmänt behov av övervakning har ökat. Övervakningskameror kan både förhindra brott och lösa redan begångna brott. Axis Communication är världsledande inom nätverkskameror.Syftet med arbetet är att integrera högtalare och mikrofon i övervakningskameror. Målet är att till en ny övervakningskamera kunna lyfta in ett färdigt koncept, en audiomodul, med högtalare och mikrofon som passar givna krav på ljudkvalitet och ljudtryck. Val av koncept, högtalare och mikrofon, har genomomförts genom en noggrann produktutvecklings-process med delar som intern och extern sökning, utvärdering av lösningsvarianter, detaljutveckling och produkttestning. Ett koncept med integrerad högtalare och mikrofon har tagits fram. En högtalare har valts och placerats i väggen i kamerans innerchassi. En Smart Amp används för att högtalaren ska kunna spela så högt som möjligt utan att ljudkvalitén försämras. Mikrofonen placeras på kamerans ytterchassi så långt ifrån högtalare som möjligt och med en ljudisolerande kåpa för att undvika eko från högtalaren till mikrofonen. Arbetet resulterar i ett koncept med högtalare och mikrofon som uppnår på förhand uppställda krav på ljudtryck och ljudkvalité. Konceptet bidrar till en tryggare miljö genom att en snabbare detektion uppnås och bättre ljud leder till att meddelandeutskick blir lättare att höra.

iii

Abstract

The security situation in Sweden and Europe is uncertain and a general need for surveillance has increased. Surveillance cameras can both prevent crimes and resolve already committed crimes. Axis Communication is the world leader in network cameras. The purpose of the work is to integrate loudspeakers and microphones into surveillance cameras. The goal is for a new surveillance camera to lift a ready-made concept, an audio module, with speakers and microphones that meet the requirements for sound quality and sound pressure. Selection of concepts, speaker and microphone has been implemented through a careful product development process with parts such as internal and external search, evaluation of solution variants, detail development and product testing. A concept with integrated speaker and microphone has been developed. A speaker has been selected and placed in the camera's inner chassis. A Smart Amp is used to allow the speaker to play as loud as possible without impairing the sound quality. The microphone is placed on the camera's outer chassis as far away from the speaker as possible and with an acoustic cover to avoid echo from the loudspeaker to the microphone. The work results in a loudspeaker and microphone concept that meets prerequisites for sound pressure and sound quality. The concept contributes to a safer environment by achieving a faster detection and better sound, making public address messaging easier to hear.

iv

Förord

Denna rapport omfattar ett examensarbete på kandidatnivå vid Malmö universitet. Arbetet har genomförts av Tryggve Folkeson, studerande på utbildningen ”Maskin- och materialteknik, ingenjör” samt Karl Jansson, studerande på utbildningen ”Produktutveckling och design, högskole-ingenjör”. Arbetet har genomförts under höstterminen 2017 och har omfattat 15 högskolepoäng vardera.

Vi vill tacka Axis Communications för all den hjälp vi har fått. Alla vi har frågat har tagit sig tid och varit mycket hjälpsamma. Ett särskilt tack till vår handledare på Axis, Roger Jönsson, som med stor kunskap hela tiden har hjälpt oss vidare under arbetets gång. Vi vill även tacka vår kontaktperson på Texas Instrument, Anders Dunkars som varit till stor hjälp vid användandet av deras Smart Amp. Sist men inte minst vill vi tack vår handledare på Malmö högskola, Martin Fisk, för sin tillgänglighet och hjälp vid framförallt rapportskrivandet.

Vissa delar i rapporten är censurerade efter önskemål från Axis. T.ex. står det inte företagsnamnen på leverantörer för högtalare och mikrofon utan de benämns istället som leverantörX, leverantörY o.s.v. Samma gäller för högtalarna och mikrofonerna som testat och istället för modellnamn skrivs de som alt 1, alt 2 o.s.v.

v

Innehållsförteckning

1. Inledning ... 1

2. Ljud – högtalare och mikrofoner ... 2

2.1 Frekvensomfång ... 2 2.2 Känslighet ... 3 2.3 Impedans ... 4 2.4 IP-klasser ... 4 2.5 Förstärkare ... 5 2.6 Mikrofoner ... 5 2.7 Integrera högtalare ... 6 2.8 Integrera mikrofon ... 6 3. Produktutvecklingsprocess ... 7 3.1 Förstudie/avgränsningar ... 7 3.1.1 Identifiera kundbehov ... 7 3.1.2 Behov – egenskapsmatris ... 7 3.2 Konceptgenerering... 7 3.2.1 Söka externt ... 8 3.2.1.1 Benchmarking ... 8 3.2.2 Söka internt ... 8 3.2.2.1 Brainstorming ... 8 3.2.2.2 635-metoden ... 8

3.2.2.3 Förflyttning och provokation ... 9

3.3 Konceptval ... 9

3.3.1 Utvärdering av lösningsvarianter ... 9

3.3.2 Känslighetsanalys ... 9

3.3.3 Testning och vidareutveckling ... 10

3.3.4 Detaljutveckling ... 10

3.4 Dimensionering ... 10

3.4.1 Finita elementmetoden ... 11

4. Konceptframtagning av integrerat audiopaket med högtalare och mikrofon ... 12

4.1 Förstudie och avgränsningar ... 12

4.1.1 Identifiera kundbehov ... 12

4.1.2 Behov – egenskapsmatris ... 12

4.2 Konceptgenerering... 13

vi

4.2.2 Söka internt ... 15

4.2.2.2 Brainstorming ... 15

4.2.2 635-metoden ... 16

4.2.3 Förflyttning och provokation ... 16

4.3 Konceptval ... 17

4.3.1 Utvärdering av lösningsvarianterna ... 17

4.3.2 Känslighetsanalys ... 18

4.3.3 Testning och vidareutveckling ... 18

4.3.4 Detaljutveckling ... 19

5. Val av högtalare ... 20

5.1 Benchmarking ... 20

5.2 Test av högtalare ... 20

5.3 Test av högtalare i vinnande koncept ... 22

6. Val av mikrofon ... 23

6.1 Integrering av mikrofon ... 24

7. Vinnande koncept ... 25

7.1 Hållfasthetsberäkningar ... 26

7.2 Resonans för valt koncept ... 28

8. Diskussion ... 29

9. Slutsats ... 30

10. Referenser ... 31 Bilaga A – Konceptpoängsättning när viktningen förändrats ... A Bilaga B – Sammanställning av utvalda högtalare ... C

1

1. Inledning

Enligt Försvarsmaktens delårsrapport 2017 [1] är säkerhetsläget i Sverige och Europa osäkert. Detta beror framförallt på konflikterna i Syrien och Irak samt att många viktiga val genomförs i Europa. I Sverige har stölder av bildelar, främst rattar/airbags, navigationsenheter och xenonlampor, ökat kraftigt enligt en undersökning som Larmtjänst AB gjort [2]. Enligt rapporten har stölderna ökat med nästan 20 % under perioden januari till oktober 2017 jämfört med året innan. I Skåne har stölderna nästan fördubblats.

Ett osäkert säkerhetsläge ger ett allmänt ökat behov av övervakning. Övervakningskameror hjälper inte bara till att lösa brott utan minskar även antalet begångna brott. T.ex. minskar övervaknings-kameror vid parkeringsplatser brotten med 51 % [3]. Dessutom visar en undersökning gjord av Lunds universitet och Sifo visar att ca 90 % av den tillfrågade gruppen var positiva till användandet av övervakningskameror och drygt 70 % vill se en ökad användning av kameror på gator och torg [4]. För närvarande utreds även en ny kamerabevakningslag som ska göra det enklare att få tillstånd för att använda kamerabevakning vid bekämpande av brott [5].

Det finns många företag som säljer övervakningskameror som används vid t.ex. kollektivtrafik, butiker och fastigheter. Axis Communication, senare benämnt Axis, är ett av dessa företag och de är världsledande på nätverks-kameror och deras kameror används till att förebygga brott men även till att lösa redan begångna brott [6]. Det finns många fördelar med att ha integrerade högtalare och mikrofoner i övervakningskameror. Axis har i ett tidigare projekt integrerat högtalare och mikrofon i en av sina kameror, M3037 [7]. Kameran finns ute för försäljning men ljudet från kamerans högtalare har en del önskvärda förbättringar, speciellt med avseende på ljudkvalité men också med avseende på ljudtryck1_.

För att bidra till en tryggare miljö syftar arbetet till att förbättra ljudkvalité och ljudtryck samt ge en snabbare detektion till framtida övervakningskameror. Med hjälp av mikrofonen kan kameran t.ex. lyssna och detektera pistolskott. Det leder till bättre övervakning. Målet är att till en ny övervakningskamera kunna lyfta in ett färdigt koncept, en audiomodul, med högtalare och mikrofon som passar givna krav på ljudkvalitet och ljudtryck. Kameran med integrerad audiomodul ska anpassas efter två användningsområden, den ska fungera såväl inomhus som utomhus samt kunna spela upp larmutskick med förinspelade meddelanden. Här ställs krav på hög ljudkvalité respektive högt ljudtryck. Kamerorna utomhus ska därutöver vara IP-klassade vilket betyder att de ska vara täta mot fukt, vatten och damm. Syftet med mikrofonen är främst för detektion.

Den nya audiomodulen ska jämföras med en befintlig kamera av modellen Axis M3037 [7]. Kravet på högtalaren i den nya audiomodulen är att den ska låta minst lika bra som M3037, samt ha ett ljudtryck på minst 72 dB vid en meters avstånd. Kraven på mikrofonen är att ett samtal ska vara hörbart även från ett avstånd om 15 meter.

2

2. Ljud – högtalare och mikrofoner

Ljud kan liknas vid en våg som rör sig i luften och när den vågen slår mot trumhinnan i örat uppfattar vi det som ljud. En våg som vibrerar snabbt har en kort våglängd och dessa uppfattar vi som höga toner, t.ex. från en ringklocka. En våg med stor våglängd vibrerar långsamt och dessa toner uppfattas som djupa eller dova, t.ex. från basen på en högtalare. [8]

Högtalare finns i många olika former och storlekar. En högtalare omvandlar elektrisk energi till rörelseenergi i form av ljudenergi. När elektrisk energi skickas in i en konventionell högtalare går det först till en så kallad talspole. I Figur 1 illustreras den vanligaste och dominerande typen av högtalare, en elektrodynamisk. I en elektrodynamisk högtalare sitter talspolen fast i ett membran som rör sig en ett magnetfält. En ström genom talspolen orsakar en mekanisk kraft som flyttar membranet och skapar en ljudvåg. Vibrationer skickas ut från membranet vilket uppfattas som ljud i öronen. Fördelarna med elektrodynamiska högtalare är att de är robusta, enkla och effekttåliga. Nackdelen är att de är förhållandevis stora med avseende på tjockleken som syns Figur 1. Se referenser [9] [10] [11] [12] för mer information.

Figur 1. Principskiss av en elektrodynamisk högtalares komponenter (efter Hi-Fi klubben [13]).

Ett alternativ till elektrodynamisk högtalare är en elektrostatisk högtalare. Den består av en tunn, elektrisk laddad folie som drivs med den elektriska insignalen. Detta medför att folien attraheras mot en eller flera perforerade elektroder. Fördelar är storleksmässigt, en elektrostatisk högtalare är mycket tunn, samt att låg distorsion2 _{erhålls men verkningsgraden blir låg och därmed krävs hög} drivspänning och uteffekten blir begränsad. [14]

2.1 Frekvensomfång

Frekvens är antal svängningar per sekund och mäts i Hertz (Hz). Frekvensomfång kan också kallas för hörbarhetsområde vilket syftar på vid vilka frekvenser olika ljud uppfattas. Frekvensområdet inom ca 20-600 Hz kalls för basregistret och ger ett tungt och djupt ljud. Mellanregistret ligger mellan ca 600-4000 Hz och brukar sägas att det är där som talet befinna sig. Frekvens mellan 4-20 kHz kallas för diskant och är den övre delen av vårt talomfång. Ljud med en frekvens under 20 Hz kallas för infraljud och över 20 kHz för ultraljud. Ljud inom dessa frekvensområden är svåra att uppfatta för oss människor men flera djur klarar av det. Barn och unga människor kan uppfatta ljud inom ett större område,

3

vanligtvis mellan 20-20 000 Hz men när vi blir äldre försämras förmågan att höra de högre tonerna och ofta är det svårt att höra ljud vid en frekvens över 10 kHz. Detta beror på att trumhinnan blir stel och kan inte vibrera lika snabbt. Samma ljudtryck uppfattas som olika högt beroende på vid vilken frekvens det är. T.ex. kan 100 decibel3 _{upplevas väldigt högt vid 1 kHz men inte alls vid 15 kHz. I Figur} 2 redovisas ett schematiskt diagram över hur ljudtrycket kan uppfattas för oss människor vid olika frekvenser. Mellan 2-4 kHz är örat som känsligast och kan därför uppfatta ljud tydligt även vid låga decibel. Notera dipparna i kurvan i Figur 2 vid dessa frekvenser. Enheten fon är en enhet för subjektiv ljudstyrka. Mätning av fon går till så att två olika ljud jämförs. En kontrollsignal på 1 kHz och en ton med en annan frekvens. När båda ljuden upplevs som lika starka mäter man ljudstyrkan i dB på kontrollsignalen och får då ljudstyrkan i fon. [15] [16] [17]

Vid vissa frekvenser kan en förstärkning av svängningarna av ljudvågorna ske, så kallade resonans-frekvenser. Vid resonans så svänger ett element i samma takt som ljudet. Detta utnyttjas t.ex. i gitarrer där vibrationerna från strängarna förs över till lådan och är den av rätt storlek kan ljudet förstärkas. I en högtalarlåda ska inte resonans uppnås eftersom det förvränger ljudet. ”Lådan” brukar därför dämpas med vadderade väggar för att inte ljudet ska studsa lika mycket. [18] [13]

Figur 2. Isofonkurvor med lika hörselintryck vid olika frekvenser som ger samma intryck av ljudstyrka (röd). ISO-standard för 40 Fon (blå). Prickad linje visar beräknat värde. Tröskelvärde är minsta hörbara ljud.

2.2 Känslighet

Känsligheten på en högtalare är ett mått på hur högt ljudtryck som fås vid en given effektnivå. Ju högre känslighet desto högre ljudtryck presterar högtalaren. Verkningsgraden på en typisk högtalare är i regel låg och cirka en procent av den inkommande elektriska signalen omvandlas till akustisk energi, resten omvandlas till värme, främst i talspolen och magneten. Känsligheten varierar med ljud-frekvensen. [12]

3 _{Decibel [dB], ett mått på ljudnivå. Måttet är logaritmiskt vilket innebär att för varje Bell (10 dB) ökar ljudnivån}

4

2.3 Impedans

Impedans är det motståndet som högtalaren ger förstärkaren. Motståndet består av både kapacitiv och induktiv reaktans. Detta motstånd varierar med frekvensen på ljudet som spelas upp. Typiskt är därför att man anger nominellt motstånd på t.ex. 8 Ω. Ett värde på minsta motstånd är också intressant. Här är ett värde som är 30 – 60 % lägre än det nominella typiskt. Ett för lågt värde på impedansen kan skada förstärkaren. Ett för högt värde bidrar till att förstärkaren inte kan leverera hela sin effekt till högtalaren. [19]

2.4 IP-klasser

IP-klassning är ett system för att ange hur tät en produkt är mot vatten och partiklar (smuts). Systemet är uppbyggt av två siffror där den första siffran i IP-klassning anger skyddsnivån som produktens hölje tillhandahåller mot riskfyllda delar (t.ex. elektriska ledare, rörliga delar) och ingrepp av fasta främmande föremål. Se Tabell 1 för mer information. Den andra siffran i IP-klassning anger skydd mot inträngande vatten. Inget vatten får tränga in i en sådan mängd eller på ett sådant ställe att tillfredsställande drift påverkas eller säkerheten äventyras. Se Tabell 2 för mer information. [20] [21]

Tabell 1. IP-klasser första siffran, partikelskydd. [20]

Klassning Beskrivning

IP0X Oskyddat

IP1X Minst 50 mm i diameter

IP2X Minst 12,5 mm i diameter ("Provfinger")

IP3X Minst 2,5 mm i diameter

IP4X Minst 1 mm i diameter

IP5X Dammskyddat

5

Tabell 2. IP-klasser andra siffran, vattenskydd. [20]

Klassning Beskrivning Detaljer

IPX0 Oskyddat -

IPX1 Droppskyddat (endast

vertikala droppar) Test: 10 minuter med vatten som motsvarar 1 mm regn per minut

IPX2 Droppskyddat vid max

15° lutning Test: 10 minuter med vatten som motsvarar 3 mm regn per minut

IPX3 Strilsäkert Test: 5 minuter med vattenvolym på 0,7 liter per minut med

tryck 80–100 kPa

IPX4 Striltätt Test: 5 minuter med vattenvolym på 10 liter per minut med

tryck 80–100 kPa

IPX5 Spolsäkert Test: Minst 15 minuters med vattenvolym på 12,5 liter per

minut med tryck 30 kPa från 3 m

IPX6 Spoltätt Test: Minst 3 minuters med vattenvolym på 100 liter per

minut med tryck 100 kPa från 3 m

IPX7 Vattentålig (nedsänkt i

vatten) Test: 30 minuters nedsänkning till ett djup av 1 m mätt vid botten av anordningen, om anordningen är högre än 85cm, ska det vara minst 15 cm till toppen av anordningen

IPX8 Tryckvattentätt

(nedsänkt i vatten) Test: Nedsänkning i vattendjup som anges av tillverkaren, i allmänhet är största djup 3 m

IPX9K Skydd mot

högtryckstvättning Test: Vatten som spolas med högt tryck runt hela objektet får inte ha skadlig inverkan

2.5 Förstärkare

En förstärkare används till högtalare för att öka avståndet mellan nolläget och toppen i en svängningsrörelse. Förstärkarens uppgift blir därmed att höja en svag signal så att den kan driva en högtalare. Förstärkare brukar delas in i fem olika klasser: klass A, klass B, klass AB, klass C och klass D. De olika klasserna fungerar annorlunda och har olika verkningsgrad. Efterfrågas en hög verkningsgrad är klass D att rekommendera. I en klass D-förstärkare omvandlas utsignalen så att den är så lik insignalen som möjligt. Detta gör den med så kallad switchteknik där transistorerna som sitter i försäkraren slås på och av med hög frekvens. En fördel med klass D-förstärkare är deras höga verkningsgrad vilket ger låg värmeutveckling. Inbyggda system i små apparater, t.ex. mobiltelefoner, är ofta känsliga mot värmehöjning. Detta undviks med klass D-förstärkare. [16]

2.6 Mikrofoner

En mikrofon används för ljudupptagning. Mikrofonen är en sensor som omvandlar ljudvågor till elektriska signaler. Det finns olika typer av mikrofoner där huvudtyperna är dynamiska mikrofoner och kondensatormikrofoner. En dynamisk mikrofon fungerar genom att ett membran med en elektrisk spole rör sig i ett fast magnetfält. Denna rörelse omvandlas till elektriska signaler. Den har på grund av sina rörliga delar en hög vikt. Den är dock tålig och klarar höga ljudtryck. En kondensatormikrofon är uppbyggd av två elektriska ledande kondensatorplattor. Den ena är rörlig och där byggs ett magnetfält upp med pålagd spänning. Det rörliga membranet vibrerar i takt med ljudvågorna. Avståndet mellan plattorna ändras precis som kapacitansen. Dessa skillnader i kapacitans omvandlas till en elektrisk signal. Fördelen är att mikrofonen kan bli mycket liten och lätt. Signalen blir av hög kvalitet. Den är dock mindre tålig. [22]

6

2.7 Integrera högtalare

Genom att integrera en högtalare i en högtalarlåda erhålls högre ljudtryck. Dessutom kan man välja vilken frekvens som ska förstärkas mest genom resonans. Huvudsyftet med att bygga in högtalar-elementet i en låda är att hindra ljudvågor genererade från baksidan av högtalarhögtalar-elementet att interagera med ljudvågor genererade från framsidan. Eftersom de framåtriktade och bakåtriktade ljudvågorna inte är i fas med varandra så kan interaktion medföra förvrängning av ljudvågorna för lyssnaren. Den volym som denna låda har kallas bakvolym. [23]

För att räkna ut storleken på lådan används Thile/Small parameters (T/S) [24]. I detta arbete väljs att bygga in högtalarelementen i en stängd låda. Alternativet hade varit en basreflexlåda, men då vi primärt kommer använda högtalaren för talmeddelanden finns inte behovet av att förstärka de lågfrekventa basljuden.

Ljudet måste kunna lämna kamerans yttre hölje. Här kan man välja att placera ett membran riktat framåt, mot åhöraren, eller att låta ljudet passera ut genom kamerans baksida. I så fall kommer dock en dämpning av ljudet att ske. Dessutom kommer ljudet att förändras beroende på vilket material som finns bakom kameran. Det är viktigt att membranet inte påverkar kamerans IP-klassning.

2.8 Integrera mikrofon

För mikrofonen är den största utmaningen att fånga upp inkommande ljud med så liten dämpning som möjligt. Dessutom ska inte utgående ljud från högtalaren störa mikrofonen för mycket. Mikrofonen behöver ett membran där ljudet kan gå in genom kameran.

7

3. Produktutvecklingsprocess

Syftet med en systematisk och noggrann produktutvecklingsprocess är kvalitetssäkring, koordination, planering och förbättringar av produkten. I detta arbete delas processen upp i tre olika faser: förstudie/avgränsningar, konceptgenerering och konceptval.

3.1 Förstudie/avgränsningar

I förstudie/avgränsningar är målet att ta fram både önskvärda och nödvändiga behov och egenskaper som produkten ska uppnå. Detta används senare i konceptgenereringen som underlag för att i konceptgenereringen ta fram olika lösningsförslag som följer målmarknaden. I denna del är det även lämpligt att göra en uppdragsbeskrivning som t.ex. ska ge produktfördelar, nyckelaffärsmål och antaganden samt begränsningar. Metoder för att identifiera behov är t.ex. att identifiera kundbehov och att sammanställa en behovs – egenskapsmatris. [25]

3.1.1 Identifiera kundbehov

För ett lyckat projekt eller en produktutveckling är det viktigt att identifiera kundbehovet [26]. Det huvudsakliga målet är att få fram ett informationsflöde mellan de kunder som produkten riktar sig till samt produktutvecklarna. Med en noga identifiering av kundbehovet kan t.ex. produktutvecklarna få en gemensam förståelse för kundbehovet och kritiska kundbehov undviks att förbises. Karl Ulrich och Steven Eppinger [25] listar fem steg i boken ”Produktutveckling – konstruktion och design” för en metod för att identifiera kundbehoven:

1. Samla in rådata från kunder 2. Tolka rådata till kundbehov

3. Organisera behoven hierarkiskt i primära, sekundära och eventuellt tertiära behov 4. Fastställa behovens relativa betydelse

5. Reflektera över resultaten och processen

3.1.2 Behov – egenskapsmatris

Syftet med en egenskapsmatris är att visa vilka egenskaper som kan uppfylla de olika behoven [25]. Samtliga behov ställs upp i rader och egenskaperna i kolumner. Därefter markeras de områden där ett visst behov är beroende av en egenskap, flera egenskaper kan passa in på ett behov och vice versa. Egenskapsmatrisen ska inte visa hur behoven ska uppfyllas men den ska visa vad som är målet. Ett annat alternativ är att ställa upp en numrerad lista över behoven och en annan lista med egenskaper. I idealfallet ska varje behov representeras av endast en egenskap som uppfyller behovet. I verkligheten behövs emellertid ofta flera egenskaper för att täcka in ett behov. Även en betydelse-faktor läggs till vilket visar hur viktig egenskapen antas vara för kunden. [25]

3.2 Konceptgenerering

Målet med en konceptgenerering är att ta fram olika lösningsförslag som uppfyller krav-specifikationen. Finns det ett bra koncept men som följs av ett mindre bra fortsatt arbete går det ändå att förbättra konceptet. Ett dåligt koncept blir emellertid sällan bra oavsett hur mycket det vidare-utvecklas. Vanligtvis brukar konceptgenerering ge mellan 10-20 olika konceptlösningar vilka kan beskrivs med en skiss och en beskrivande text. En metod för konceptgenerering kan sammanfattas till fem olika delar [25]:

8

• Klargöra problemet • _{Söka externt} • Söka internt

• Utforska systematiskt

• Reflektera över lösningarna och processen

Några aktiviteter inom dessa delar är t.ex. benchmarking, brainstorming, 635-metoden och förflyttning och provokation.

3.2.1 Söka externt

Syftet med att söka externt är framförallt för att finna tidigare lösningar. Ofta är det tidskrävande och kostsamt att utveckla nya lösningar och det är bättre att utforska befintliga lösningar istället. I konceptgenereringssteget är att söka externt också ett effektivt sätt att ta in kunskap som teamet själva inte har. Fem exempel på sätt för att samla in information från externa källor är:

• Intervjua spetsanvändare • Konsultera experter • Söka patent

• Söka publicerad litteratur

• Genomföra benchmarking på relaterade produkter [25]

3.2.1.1 Benchmarking

Vid framtagning av en ny produkt är det viktigt att i ett tidigt skede undersöka vad som redan finns på marknaden för att inte ödsla resurser på idéer som redan existerar. I metoden benchmarking jämförs produkter, tjänster etc. som redan finns på marknaden inom det tilltänkta området. Det är även användbart för att komma på nya idéer till den produkten som utvecklas och hur den kan förändras för att bättre anpassa kundbehoven. [27]

3.2.2 Söka internt

Ett sätt att generera idéer är att söka sig inom gruppen och utnyttja tidigare erfarenheter och personlig kunskap. Några metoder för att söka internt är brainstorming, 635-metoden och förflyttning och provokation. Vid intern sökning är det viktigt att vara kreativ förutsättningslös för att kunna generera så många olika idéer som möjligt. [25]

3.2.2.1 Brainstorming

Att göra en så kallad tankekarta är en metod för att komma ifrån en inrutad tankebana och ökar sannolikheten för att komma på nya idéer. Metoden utgår ifrån huvudfunktionen eller huvudsyftet. Sedan sitter gruppen i förslagsvis fem minuter och säger allt som man tänker på när man hör det ordet. Tanken är att inga idéer ska vara för dumma eller fåniga utan att om man tänker så brett som möjligt ökar chanserna för att man ska se på problemet på ett nytt sätt och samtidigt få inspiration till att komma på lösningar som ingen har tänkt på tidigare. När kartan är färdig kan man sedan stryka de ord som inte passar in på grund av kravspecifikationen och även välja ut vissa delar man vill jobba vidare på. [25]

3.2.2.2 635-metoden

635-metoden går ut på att få fram idéer med hjälp av att deltagarna inspirerar varandra. Sex deltagare ska skriva ner tre olika problemlösningar var inom fem minuter för att sedan skicka vidare problem-lösningarna. När varje deltagare fått en annan lösning skall tre nya lösningar skrivas ner på detta

9

papper och tanken är att de tre lösningar som redan står där ska inspirera. Detta fortsätter i en halvtimme och efter det finns det sammanlagt 108 problemlösningar med sex deltagare. [28]

3.2.2.3 Förflyttning och provokation

Förflyttning och provokation går ut på att tänja på gränserna och tänka utanför lådan. Förslag som låter dåliga och orealistiska ska reflekteras för att få fram nya idéer. Det finns olika tillvägagångsätt för att använda denna metod [29]:

• Negation: Detta betyder att funderingar kring att något inte finns längre och hur det fungerar utan detta, exempelvis en dator som saknar en mus.

• Inversion: Att något gör motsatsen mot vad det annars gör, exempelvis en högtalare som fångar upp ljud.

• Extremfall: Förändrar dimensioner (t.ex. vikt, storlek, antal) på vissa delar på en konstruktion så de blir väldigt stora eller väldigt små.

• Störningar: Den vanliga placeringen mellan två delar ändras för att se om det skapar nya lösningar. • Önsketänkande: Metoden går ut på att man tänker i banor som ”det vore trevligt om…” Här ska man fantisera om idéer som man inte tror kan bli möjliga.

• Fokusera på en princip: Metoden går ut på att man fokuserar på en princip och skapar produkten utifrån den.

• Fokusera på skillnader: På vilket sätt skiljer sig den provocerade idén från ursprungsidén? Kan man utveckla skillnaderna till ett användbart förslag?

• Positiva aspekter: Fokuserar på de uppenbart positiva aspekterna och ignorera övriga. Försök bygga upp ett förslag baserat på endast dessa.

3.3 Konceptval

Konceptval genomförs för att jämföra styrkor och svagheter hos produkten och att utvärdera koncepten i förhållande till kundbehoven. Målet är att välja ett eller flera koncept som sedan kan undersökas och utvecklas. [25]

3.3.1 Utvärdering av lösningsvarianter

För att utvärdera lösningsvarianterna kan en så kallad konceptpoängsättning genomföras. Vid en konceptpoängsättning rangordnas utvalda lösningsvarianter genom att betyg sätts på dem utifrån olika kriterier. Kriterierna är olika från projekt till projekt och tas fram tillsammans med de personer som varit med och tagit fram de olika lösningsvarianterna. Kriterierna skall vara relevanta till aktuellt projekt. Betygssättningen kan väljas fritt men ett exempel är att varje gruppmedlem sätter ett betyg från ett till fem för att sedan räkna samman och få fram ett medeltal som används som betyg. Kriterierna har en specifik viktning för hur mycket den ska påverka slutresultatet. Summan av alla viktningar ska bli ett, så varje kriterium får en viktning mellan noll och ett. Betyget multipliceras med viktningen för samma kriterium för att få fram ett slutgiltigt värde och tyngd. Värdet används för att bestämma vilken lösning som är bäst lämpad för att lösa uppgiften utifrån de bestämda kriterierna och viktningen. [25] [27]

3.3.2 Känslighetsanalys

En känslighetsanalys används för att kontrollera hur känsligt ett framtaget resultat är. Utifrån utvärderingen av lösningsvarianterna ändras en viktning eller ett betyg i taget för att se om resultatet

10

blir annorlunda. Om resultatet får ett annat utfall efter ändringarna bör det ursprungliga resultatet utvärderas och analyseras, eftersom det inte är säkert att den första lösningsvarianten med högst betyg är den som löser uppgiften bäst. [30]

3.3.3 Testning och vidareutveckling

Efter konceptgenerering och vidare sållning finns det ofta två eller flera koncept att välja på. Koncepttestning genomförs ofta sent i produktutvecklingen och förhoppningsvis kan en slutgiltig vinnare utses. Ibland finns det redan ett valt koncept och då kan testning genomföras för att se hur produkten fungerar i praktiken och för att upptäcka eventuella brister och problem. I dessa fall är det lämpligt att göra testning och vidareutveckling av den tekniska designen parallellt. [31]

Ibland är det mer lönsamt att inte testa produkten innan lansering då t.ex. lanseringskostnaderna är relativt låga i förhållande till kostnaderna för testning. Oftast är det motiverat att genomföra någon form av testning och i vissa fall absolut nödvändigt som vid t.ex. tillverkning av en ny bil. Karl Ulrich och Steven Eppinger [25] listar sju steg i boken ”Produktutveckling – konstruktion och design” över en metod för hur test av produktkonceptet kan gå till:

1. Definiera syftet med koncepttestet

2. Välj en undersökningspopulation för testet 3. Välj ett angreppssätt för testet

4. Kommunicera konceptet 5. Mäta kundresponsen 6. Tolka resultaten

7. Reflektera över resultaten och processen

CAD(Computer-aided design)-verktyg kan användas till vidareutveckling och förbättring av de eller det framtagna konceptet. I den studie gjord av Brett Robertson och David Radcliffe [32] beskrivs fyra mekanismer vilka genom CAD-verktyg kan förbättra den kreativa konceptutvecklingen:

• Förbättrad visualisering och kommunikation • Undvikande av att fastna i ett tidigt designtänk

• _{Mer medveten om omständigheter angående produkten} • Avgränsad idégenerering där fokusområdet kan smalnas av [32]

3.3.4 Detaljutveckling

I den här fasen upprättas en fullständig specifikation av geometrin, material och toleranser för produktens ingående delar, och komponenter som ska köpas från leverantörer identifieras. En produktionsberedning fastställs. Här är det viktigt att man jobbar med de ingående delarna parallellt för att inte tappa tid på att vänta på t.ex. svar från leverantör. [33] Output för denna fas är produktens kontrolldokumentation, dvs. ritningar eller CAD-datafiler som beskriver komponenternas geometri och specifikationerna för de inköpta produkterna och monteringen av den färdiga produkten. Tre viktiga aspekter är materialval, produktionskostnader och robusta egenskaper. [25]

3.4 Dimensionering

Hållfasthetsberäkningar görs för att kontrollera förmågan att utstå laster men även för att verifiera att valda dimensioner räcker för att motstå plastisk deformation. Detta är nödvändigt för att identifiera behov av justeringar av konstruktionen. Ett exempel på en metod för denna typ av beräkningar är finita elementmetoden.

11

3.4.1 Finita elementmetoden

FEM (finita elementmetoden) är en numerisk metod för att lösa partiella differentialekvationer. Målet med metoden är att skapa en ekvation som ger ett närmevärde för en partiell differentialekvation men som samtidigt är numerisk stabil. Det finns flera sätt att göra detta på men på komplexa ytor är system ett bra verktyg. Spänningar som uppstår i konstruktionen beräknas genom att en CAD-modells geometri delas upp i små element, även kallat meshing, varefter elementtyp väljs. Inom varje element används formfunktioner för att linjärisera den partiella differentialekvationen. Efter det definieras material, laster och randvillkor. Laterna delas upp i delområden med noder som är områdets hörn. Randvillkor definierar hur en yta är låst mot andra ytor. I Figur 3 visas ett rektangulärt element med nodpunkter. Beräkningsresultatet, det vill säga de spänningar som uppstår i konstruktionen, kan t.ex. presenteras i form av spänningsplottar med nivåkurvor i färg och deformationsfigurer. Om den högsta effektivspänningen överskrider materialets sträckgräns så leder det till plastisk deformation. Genom en simulering kan sådana effektivspänningar identifieras. För ytterligare information se referenser [34] [35] [36].

12

4. Konceptframtagning av integrerat audiopaket med högtalare

och mikrofon

Det är viktigt med en väldefinierad utvecklingsprocess för att slutprodukten ska vara kvalitetssäkrad. Men en noggrann process och dokumentation hjälper även vid identifiering av möjligheter vid fortsatt vidareutveckling av koncept. Innan val av koncept för vidareutveckling och testning måste först behoven identifieras. Sedan genomförs en konceptgenerering för att hitta många olika lösningar på projektet. Det bästa konceptet väljs sedan ut för testning och vidareutveckling.

4.1 Förstudie och avgränsningar

I denna process tas grunden till projektet fram och en uppdragsbeskrivning har sammanställts för att ha som utgångspunkt för den fortsatta konceptframtagningen, se Tabell 3. Efter att uppdrags-beskrivning slutförts bokas ett möte med produktchefen på berörd avdelning på Axis för att bestämma kravspecifikationer gällande högtalarens ljudtryck och ljudkvalité. Det bestäms att kravet på hög-talaren i den nya audiomodulen ska låta minst lika bra som den tidigare modellen M3037, samt med ett ljudtryck av minst 72 dB vid 1 meters avstånd. Kravet för mikrofonen är att ett samtal ska vara hörbart från ett avstånd av 15 meter.

Tabell 3. Uppdragsbeskrivning som används till grund för fortsatt konceptutveckling.

Uppdragsbeskrivning

Begränsningar Ta så liten plats som möjligt för lättare integrering i nya kameror.

Budget US-dollar 10 för materialkostnad för modul med högtalare och mikrofon

Tid för projekt ca 2 månader effektiv tid

Mål Integrera högtalare och mikrofon i framtida övervakningskameror som passar givna krav på ljudtryck och ljudkvalité

Marknad Framförallt för detaljhandel

4.1.1 Identifiera kundbehov

I detta arbete har inte någon kundundersökning utförts utan de behoven som tas fram kommer från samtal med projektledare och andra anställda på Axis. De har emellertid god kunskap och uppfattning om vilka behov och egenskaper kunderna söker hos deras produkter. Varför ingen extra identifiering av kundbehov har genomförts beror på att konceptet i sig inte är något som kunden specifikt har eftersökt utan det är ansvariga på Axis som har framställt begäran om ett koncept på högtalare och mikrofon i deras övervakningskameror.

4.1.2 Behov – egenskapsmatris

Behov som konstruktionen behöver diskuteras och sammanställs i en matris tillsammans med en egenskap som uppfyller behoven, se Tabell 4. Behoven tilldelas även en betydelsefaktor för att avgöra hur stor vikt som bör läggas på behovet vid produktutvecklingsfasen. Betydelsefaktor bedöms med skalan 1-5 där 1 är liten betydelse och 5 mycket stor betydelse. De behov som har valts är antingen önskvärda eller nödvändiga för konstruktionen. Vid framtagande av behoven och egenskaperna har hänsyn tagits till hela konstruktionen, alltså även hur den implementeras i kameran. Den estetiska aspekten är t.ex. inte viktigt när det gäller modulen då denna byggs in i kameran men om ljudutgångsmembranet i kameran blir synlig, t.ex. om den hamnar på framsidan av kåpan finns det ett estetiskt värde. Vissa behovs betydelsefaktor varierar om kameran kommer användas för inomhus- eller utomhusbruk vilket kan ses i tabellen. Resultatet från behov – egenskapsmatrisen används som underlag till vidare konceptgenerering.

13

Tabell 4. Konstruktionens behov och egenskaper med dess betydelsefaktor som bedöms med skala 1-5.

Nr. Behov Betydelsefaktor Mätbar egenskap Enhet

1 Billig 4 Tillverkningskostnad

per enhet SEK

2 Högt ljudtryck 4 Maximalt

uppspelningsljud dB

3 Bra ljudkvalité 4 Klart ljud, bra

återgivning Subj.

4 Ta liten plats 5 Kompakt mmᶟ

5 Hållbar 4 Lång livslängd Månader

vid

användning

6 Lätt 2 Låg vikt kg

7 Vattentålig 5,1 (ute,inne) IP-klassad IP-klass

8 Dammtålig 4,3 (ute,inne) IP-klassad IP-klass

9 Värmetålig 4 Temperatur °C

10 Energisnål 3 Strömförbrukning Ampere

11 Nominell effekt 5 Effektiv effekt Watt

12 Miljövänlig 2 Andel återvinningsbar %

13 Estetiskt tilltalande 3 Estetiskt tilltalande Subj.

14 Enkel konstruktion 3 Tillverkningstid Sekunder

15 God ljudupptagningsförmåga 5 Brus, mikrofon dB

16 Hörbarhet vid olika ljudtyper 4 Frekvensområde Hz

4.2 Konceptgenerering

Med uppdragsbeskrivningen och behov – egenskapsmatrisen som underlag genereras ett flertal olika konceptlösningar. Lösningarna tas fram genom både extern och intern sökning.

Även om syftet med projektet är att integrera högtalare och mikrofon i kamerorna har ändå t.ex. undersökning gjorts på högtalare som används utanför kameror för att ställa upp för och nackdelar och inte låsa sig vid vissa idéer.

4.2.1 Söka externt

För att få ett bra resultat i arbetet är det viktigt att effektivisera arbetsprocessen, speciellt då tiden varit begränsad. Det har därför varit extra viktigt att ta in extern kunskap för att snabbare komma fram till möjliga lösningar på problemet. Tidigt i konceptgenereringen bokades därför ett möte med personer på Axis som har god kunskap om audio. Resultatet från mötet sammanfattas nedan:

• Nödvändigt att använda en smart förstärkare, så kallad Smart Amp, för att få ut så mycket från högtalarna som möjligt.

• För kameror som ska placeras inomhus är ljudkvalitén viktigast och för kameror utomhus är ljudtrycket viktigast.

• I den kameran som redan har ljud inbyggd hos Axis används en 40 mm högtalare från företaget leverantörX.

Efter vidare extern sökning med framförallt personer på Axis uppkom några olika alternativ för att integrera högtalare i kamera, dessa sammanfattas i Tabell 5. Förslag på mikrofonintegrering diskuteras

14

senare i konceptutvecklingsprocessen på grund av prioritering på högtalare vilket redogjorts tidigare i rapporten.

Tabell 5. Beskrivning av lösningsvarianter.

Lösningsnummer Lösningsvariant Beskrivning av lösningsvariant

L.1 Inbyggd modul med

låda Högtalare byggs in tillsammans med en resonanslåda i en modul som placeras inuti kameran. L.2 Inbyggd modul Högtalare byggs i en modul som placeras inuti kameran

och modulen fungerar som resonanslåda.

L.3 Glaskupol som

membran Högtalaren fästes fritt i kameran med ljudutgång mot kupol i kameran och kupolen fungerar som membran och sprider ljudet.

L.4 Högtalardocka Högtalare byggs in i en modul med eller utan

resonanslåda som blir som en docka som sedan placeras på baksidan av kameran.

L.5 Boxhögtalare i

kamera utan modul Högtalaren fästet fritt i kameran med resonanslåda.

L.6 Högtalare i kamera

utan modul Högtalaren fästs utan resonanslåda in i väggen i kamerans innerchassi. Kamerachassit fungerar som resonanslåda.

För att högtalarna ska kunna spela högt men med fortsatt bra ljudkvalité är det nödvändigt med en smart förstärkare. Texas Instrument har tillverkar en Klass D-förstärkare som är lämplig att använda med mindre högtalare. Förstärkaren kallas TAS2557 och innehåller Smart Amp vilken använder avancerade algoritmer för att bättre identifiera högtalaren och på så sätt förutsäga situationer där högtalaren kan förstöras och vidta åtgärder så att den befinner sig inom ett säkert område hela tiden. Detta tillåter högtalarna att spela ett högre ljud men ger även ett mer robust ljud utan att högtalarna riskerar att skadas av värme eller för stora membranrörelser. Figur 4 visar skillnaden mellan vanliga vedertagna förstärkare och Texas Smart Amp. [37]

Figur 4. Till vänster visas hur konventionella förstärkare ofta kapar eller klipper bort det området som ligger inom riskzonen medan den högra bilden visar hur Smart Amp istället skyddar högtalaren och högre effekt kan användas. Bildkälla: Texas Instruments.

TAS2557 med Smart Amp är endast ett litet chip med måtten 3,47×3,23×0,6 mm, se Figur 5. För att kunna kalibrera Smart Amp behövs ett så kallat Learnings Bord som kan kopplas in i datorn. Med hjälp av programmet PurePath Console 3 [38] kan högtalarna utvärderas och karakteriseras. För att karakteriseringen ska bli så exakt som möjligt är det väldigt viktigt att rätt parametrar gällande högtalaren skrivs in. Det är t.ex. parametrar som dimensioner, frekvensomfång och värmetålighet som programmet PurePath är beroende av. I vissa fall har tillverkaren själva alla de parametrarna som

15

behövs men i andra fall behövs de mätas upp på högtalaren med hjälp av en laser. När alla parametrar är inlästa karakteriserar programmet högtalaren. Genom att sedan göra ändringar i programmets funktioner som t.ex. tonkontroll, bashöjning och dynamisk komprimering kan det ljudet som eftersträvas fås ut. Inställningarna läggs sedan över till själva förstärkaren (chipet) och vilken kan användas till alla högtalare med samma modell. [37]

Figur 5. Förstärkare tillverkat av Texas Instruments med modellnamn TAS 2557. Foto: Tryggve Folkeson.

4.2.2 Söka internt

Vid den interna sökningen har metoderna brainstorming, 635-metoden och förflyttning och provokation används.

4.2.2.2 Brainstorming

Syftet med brainstormingen är att komma på fler lösningar som inte tidigare hade uppkommit och lösningar som kanske inte var lika självklara för projektet. För att lättare strukturera upp brain-stormingsdelen gjordes en så kallad tankekarta. Tankekartan utgick från ordet ”integrerad högtalare” vilket sedan associeras kring det. Metoden gav 15 olika ord, se Figur 6.

16

4.2.2 635-metoden

Metoden används inte i detta arbete då den visade sig vara mer användarbar vid större projektgrupper samt att antal lösningsvarianter vid detta skede i konceptgenereringen antas tillräckligt.

4.2.3 Förflyttning och provokation

För att komma på nya idéer och att tänka i nya banor användes metoden förflyttning och provokation. Den första ändringen var att använda en större och kraftigare högtalare och sedan bygga på kameran utifrån den istället för tvärtom. Ett alternativ med att sätta in flera högtalare i samma kamera diskuterades även. Lösningen går ut på att i en modul använda flera högtalare så att ljudet förstärkts. Ett tredje alternativ togs fram där kopplingen mellan kameran och högtalare delvis togs bort. Detta ska ske med hjälp av Bluetooth eller annan trådlös koppling mellan högtalare och kamera och högtalaren kan därmed placeras en bit ifrån kameran utan sladd.

De olika nya lösningsvarianterna diskuteras där det första alternativet tas bort då den anses vara en orimlig lösning i just detta arbete och anses inte uppfylla syftet då högtalaren ska vara så liten som möjligt. De två andra tas emellertid med och en ny tabell sammanställs, se Tabell 6.

Tabell 6. Uppdaterad sammanställning av lösningsvarianter.

Lösningsnummer Lösningsvariant Beskrivning av lösningsvariant

L.1 Inbyggd modul

med låda Högtalare byggs in tillsammans med en resonanslåda i en modul som placeras inuti kameran. L.2 Inbyggd modul Högtalare byggs i en modul som placeras inuti kameran och

modulen fungerar som resonanslåda.

L.3 Glaskupol som

membran Högtalaren fästes fritt i kameran med ljudutgång mot kupol i kameran och kupolen fungerar som membran och sprider ljudet.

L.4 Högtalardocka Högtalare byggs in i en modul med eller utan resonanslåda som blir som en docka som sedan placeras på baksidan av kameran.

L.5 Boxhögtalare i

kamera utan modul

Högtalaren fästet fritt i kameran med resonanslåda.

L.6 Högtalare i

kamera utan modul

Högtalaren fästs utan resonanslåda in i väggen i kamerans innerchassi. Kamerachassit fungerar som resonanslåda.

L.7 Flera högtalare i

kamera med modul

Två eller fler högtalare byggs in i samma modul med eller utan resonanslåda.

L.8 Trådlös kopplad

17

4.3 Konceptval

Konceptval utförs med hjälp av metoderna utvärdering, känslighetsanalys, detaljutveckling och slutligen testning och vidareutveckling. Utifrån metoden ska en lösning väljas som motsvarar behoven och kravspecifikationerna bäst.

4.3.1 Utvärdering av lösningsvarianterna

För att kunna bedöma lösningsvarianterna och rangordna dem utförs en konceptpoängsättning. Först bestäms kriterierna: storlek, lättkonstruerad, pris, förväntat ljudtryck, förväntad ljudkvalité, estetisk och tillförlitlighet. Betyg sätts från 1 till 5 gällande dessa olika urvalskriterier, där fem är bäst och ett är sämst. Betyget sätts utefter hur väl lösningen tycks uppfylla kriterierna. Med ett högt betyg anses lösningen uppfylla det jämförande kriteriet och ett lågt betyg att kriteriet inte uppfylls tillfredställande. I Tabell 7 redovisas de sammanlagda resultaten från betygsättningen.

Varje kriterium viktas sedan för att bestämma hur stor inverkan de ska ha på slutresultatet. Kriterierna storlek och förväntat ljudtryck viktas t.ex. högt för att de anses vara viktiga för hur högtalaren fungerar. Estetik viktas lägre eftersom de anses vara av mindre vikt när det gäller att uppfylla målet och kravspecifikationerna. Att kriteriet pris viktas lågt beror på att priset för alla lösningarna är relativt låga i förhållandena till resterande komponenter på kameran och spelar mindre roll. Att så många lösningar får resultatet 5 på estetik beror på att dem lösningarna där högtalaren inte syns anses ge ett högt värde för estetiken och ger kameran ett ”renare” utseende. I Tabell 8 redovisas de sammanlagda resultaten från betygsättningen med viktningen.

Resultat från konceptpoängsättningen där viktningen räknas med gav att lösning nummer 6 blev det vinnande konceptet vilket är när högtalaren fästs utan resonanslåda in i väggen i kamerans innerchassi. Efter lösning 6 var det väldigt jämnt förutom lösning 3 och 4 som fick relativt låga poäng jämfört med de andra. Dessa lösningar var ”glaskupol som membran” och ”högtalardocka”.

Tabell 7. Betyg för de olika lösningsvarianterna.

Kriterium L.1 L.2 L.3 L.4 L.5 L.6 L.7 L.8 Storlek 3 4 5 2 3 5 2 4 Lättkonstruerad 3 3 2 4 4 4 2 2 Pris 4 4 5 3 4 5 3 2 Förväntat ljudtryck 3 3 2 3 3 4 5 5 Förväntad ljudkvalité 4 3 2 3 4 3 4 5 Estetik 5 5 5 3 5 5 5 1 Tillförlitlighet 4 4 2 4 4 4 4 5

18

Tabell 8. Resultat när betygen och viktningen sätts samman. B står för bedömt betyg och V är viktningen av de kriterierna.

L.1 L.2 L.3 L.4 L.5 L.6 L.7 L.8 Kriterium V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. B. B.*V. Storlek 0,2 3 0,6 4 0,8 5 1 2 0,4 3 0,6 5 1 1 0,2 2 0,4 Lätt-konstruerad 0,1 3 0,3 3 0,3 2 0,2 4 0,4 4 0,4 4 0,4 2 0,2 1 0,1 Pris 0,05 4 0,2 4 0,2 5 0,25 3 0,15 4 0,2 5 0,25 3 0,15 2 0,1 Förväntat ljudtryck 0,25 3 0,75 3 0,75 2 0,5 3 0,75 3 0,75 4 1 5 1,25 5 1,25 Förväntad ljudkvalité 0,2 4 0,8 3 0,6 2 0,4 3 0,6 4 0,8 3 0,6 4 0,8 5 1 Estetik 0,05 5 0,25 5 0,25 5 0,25 3 0,15 5 0,25 5 0,25 5 0,25 1 0,05 Tillförlitlig-het 0,15 4 0,6 4 0,6 2 0,3 4 0,6 4 0,6 4 0,6 4 0,6 3 0,45 Total 3,5 3,5 2,9 3,05 3,6 4,1 3,45 3,35

4.3.2 Känslighetsanalys

En känslighetsanalys görs för att utvärdera hur stabilt resultatet och rangordningen är och det görs genom att ändra viktningen mellan olika kriterier. De första variationerna som prövas är att ändra på viktningen för ”förväntat ljudtryck” och ”förväntad ljudkvalité”. Kameror som används inomhus ställs krav på bra ljudkvalité och för kameror utomhus är det istället viktigare med högt ljudtryck. Därför ändras först viktningen för ”förväntat ljudtryck” till 0,35 och ” förväntad ljudkvalité” till 0,1. Trots ändringen blev lösning 6 fortfarande vinnande koncept med ungefär lika stor marginal men lösning 2 blev det koncept som fick det klart lägsta poäng. Därefter ändras ”förväntad ljudkvalité” till 0,35 och ”förväntat ljudtryck till 0,1. Lösning 6 är fortfarande det vinnande konceptet men inte med lika stor marginal. Slutligen provats även att ta bort kriterierna ”pris” och ”estetik” och öka viktningen på ”storlek” till 0,3. Lösning 6 fick fortfarande hög poäng med det vinnande konceptet blev istället lösning 7. I övrigt förändrades inte resultatet nämnvärt. I bilaga A presenteras resultatet från alla dessa ändrade viktningar. Känslighetsanalysen visar att resultatet för lösning 6 är stabil men att flera av de andra lösningsalternativen ligger för nära varandra för att inte påverkas när viktningen ändrats.

4.3.3 Testning och vidareutveckling

I lösning 6 fästes högtalare in i kamerans innerchassi utan resonanslåda och är det vinnande konceptet. Lösning 5 är när högtalaren placeras i kameran med låda men utan modul är det konceptet som placerades tvåa i utvärdering av lösningsvarianterna och som även placerades högt vid ändrade kriterier under känslighetsanalysen. Båda dessa koncept väljs ut för att undersökas noggrannare och genomgå testning för att slutligen välja ut ett koncept.

Testerna genomförs genom att en befintlig kamera används, en Axis P3215 där de olika koncepten sätts in. Testerna är enkla utförda och är inte standardiserade men anses tillräckliga för att kunna jämföra de olika koncepten. I Test L.6 undersöks lösning 6 och i Test L.5 undersöks lösning 5. En högtalare från leverantörX används, modell alt 1 i båda testerna och i Test L.5 är högtalaren inbyggd i en låda som leverantörY tillverkat, se Figur 7. Ljudnivån mäts på en meters avstånd och resterande kriterier så som bas, diskant, burkighet och brus bedöms subjektivt av författarna och en audioexpert

19

på Axis. Sammanställning från testerna redovisas i Tabell 9. Förutom ljudnivån sätts betyg för kriterierna från ett till fem där ett är mycket otillfredsställande och fem är mycket tillfredsställande.

Figur 7 LeverantörY alt 1 i en 1 kvadratcentimeter stor låda av gummi. Foto: Tryggve Folkeson.

Tabell 9. Sammanställning av tester gjorda på lösningsvariant 6 och 5.

Test L.6 Test L.5 Ljudtryck 70 dB 70 dB Bas 4 5 Diskant 3 3 Burkighet 4 4 Brus 5 5

Resultatet från testerna framhöll att skillnaderna mellan lösning 6 och 5 är små. Samma ljudtryck uppnås vid båda lösningarna och det enda om skiljer är att basen upplevs något djupare med lösning 5 än vid lösning 6. Med testerna och konceptpoängssättning som underlag väljs lösning 6 som slutgiltigt valt koncept eftersom den fick högst betyg i den viktade poängsättningen, stabil vid känslighetsanalys samt bra ljudtryck och ljudkvalité jämfört med lösning 5.

4.3.4 Detaljutveckling

Under detaljutveckling undersöks framförallt hur ljudet ska komma ut från kamerachassit och hur designen kring det ska se ut. Efter några tester visar det sig att ljudet från chassit relativt enkelt tar sig ut från baksidan av kameran. En extra utgång genom t.ex. hål i chassit medför ingen större förändring i ljudtryck och ljudkvalité. Det har emellertid ett estetiskt värde att skära ut liknande ett högtalargaller i chassit eftersom det då går att se att kameran innehåller en högtalare.

Högtalaren fästes i ett hål mellan insidan och utsidan av den skyddande metallen, se Figur 11. Detta område är akustiskt tätt. Det är även gränsen för IP-klassat område. Högtalaren sätts fast i en bygel i aluminium som i sin tur skruvas fast i kamerans chassi. Högtalaren trycks på den elastiska delen på baksidan av högtalaren. Mellan högtalaren och aluminiumchassit sitter en tätning mot vatten.

20

5. Val av högtalare

Vid val av högtalare som ska användas i konceptet görs inte en lika grundlig konceptframtagning med exempelvis betygsättning och känslighetsanalys. Detta eftersom bedömningen var att resultatet inte skulle påverkas nämnvärt i förhållande till den tid det skulle ta. För att välja mest lämpade högtalaren utförs först en benchmarking för att välja ut högtalare för testning. Efter test av samtliga högtalare sätts utvalda högtalare in i valt koncept för att kunna välja ut en högtalare som ska användas i slutprodukten.

5.1 Benchmarking

För att välja ut högtalare som skulle klara krav på ljudnivå men även vara av den storleken att de skulle få plats i kamerorna sammanställs en lista, se Bilaga B med olika högtalarna som undersökts och med dess relevanta utvalda egenskaper. Alla högtalare i listan anses kunna fungera i arbetet även om vissa är på gränsen till för stora och andra med för lågt ljudtryck. Vid tidigare projekt har Axis framförallt använt två företag som leverantörer vid högtalarinköp och även i detta arbete har dessa företagens högtalare till största delen undersökts.

5.2 Test av högtalare

Varuprov av samtliga högtalare som valts ut beställs för att testning ska genomföras. Högtalarna testas i ett ljudisolerat rum och två olika ljudslingor spelas, vardera ca 30 sekunder långa. Ena ljudslingan spelar en del av en låt, ”Hello” av artisten Adele. Denna låt valdes eftersom den innehåller både låga och höga toner samt mycket sång. I andra ljudslingan hörs tre olika personer prata, två män och en kvinna. Dessa ljudslingor valdes för att avgöra hur högtalarna låter vid tal. En decibelmätare som placerats 1 meter från högtalaren används för att avgöra vid vilken ljudnivå ljudet upplevs som för skarpt. I övrigt bedöms högtalarna subjektivt och en ny lista sammanställs, se Tabell 10. Denna gång endast med de kriterierna som anses viktigast för att kunna välja ut några favoriter. Kommentarer från testningen läggs även in i denna lista. Pris för respektive högtalare hade kunnat vara relevant men eftersom alla högtalare är mycket billiga i förhållande till övriga komponenter i kameran skrivs de inte in i listan.

Två olika högtalare från leverantörY har valts, alt 1, se Figur 8 och alt 7, se Figur 9. Data för dessa högtalare sammanfattas i Tabell 11. Alternativ 1 valdes på grund av dess goda ljudkvalité och att den skulle vara lätt att integrera i kameran eftersom den är så liten i förhållande till andra högtalare som undersökts. Val av alternativ 7 gjordes främst för dess höga ljudtryck trots förhållandevis liten storlek på högtalaren jämfört med andra högtalare med liknande ljudtryck.

21

Tabell 10. Lista för utvalda högtalare med kommentarer från testningen.

Tillverkare Modell Dimension (mm) Ljudnivå (dB) Kommentar

LeverantörY alt 1 11x15x3 73,5 Okej ljud upp till 70 dB

LeverantörX alt 2 ø40 83 Skarpt ljud, låg bas, bra vid tal

LeverantörX alt 3 ø28 75 Låg bas, okej vid tal

LeverantörX alt 4 ø50 85 Skarpt ljud, låg bas

LeverantörX alt 5 ø16 71 Dåligt ljud över 60 dB

LeverantörX alt 6 ø23 79 Låg bas, okej vid tal

LeverantörY alt 7 ø28 86,5 Bra ljud även vid höga dB

LeverantörY alt 8 ø50 84 Bra ljud, speciellt vid musik

LeverantörY alt 9 ø40 84 Bra ljud upp till 77 dB

LeverantörZ alt 10 ø15 Mycket lågt ljud, ca 55 dB

LeverantörY alt 11 11x15x3,5 72 Mycket bra ljud i förhållande till dess

storlek

LeverantörX alt 12 ø57 87 Bra ljud även vid höga dB, skarp diskant

LeverantörX alt 13 51x51x18,5 83 Bra ljud

LeverantörX alt 14 ø45 79 Okej ljud, hög bas

LeverantörX alt 15 40x20x8 79 Sådär ljudkvalité

LeverantörX alt 16 40x28x12 79 Sådär ljudkvalité

Figur 8. LeverantörY alternativ 1. Foto: Tryggve Folkeson.

22

Tabell 11. Högtalardata.

Modell Alt 1 Alt 7

Dimensioner 11 x 15 x 3.5 mm Ø28 x 6 mm Impedans 6.0 Ω 8.0 Ω Nom./Max. effekt 0.7/1.2 W 0.5 / 1 W SPL@ 1kHz 72 dB 86.5 dB Frekvensomfång 900 – 5k Hz 450 – 8k Hz Känslighet 72dB @ 1W/1m 86.5dB @ 1W/1m

IP-klass IPx7 IPx7

Vikt 1.55g 4.9g

5.3 Test av högtalare i vinnande koncept

För att välja ut endast en högtalare placeras de två olika högtalarna i en befintlig kamera, Axis P3215. Ljudet från testen jämförs sedan med en annan kamera med integrerad högtalare, Axis M3037 [7]. Kravet var att få minst lika bra ljudkvalité och ljudtryck som den.

Resultatet från testet blev att båda högtalarna överträffade referensljudet gällande ljudkvalité. Alt 1 kunde emellertid inte uppnå samma ljudtryck som referenskameran. Antagligen stängde kameran in en del av ljudet och endast ett ljudtryck på drygt 65 dB uppnåddes. Alt 7 klarade att spela minst lika högt ljudtryck som referenskameran. Här noterades att materialet i kamerans chassi spelar stor roll. Axis P3215 finns med chassi gjort av både aluminium och plast. I våra tester är det endast chassit av aluminium som ger högtalaren tillräckligt önskvärda akustiska egenskaper. Placeras alt 7 i en kamera med chassit av plast är det hörbara resultatet jämförbart med att placera högtalaren fritt i kameran utan modul enligt lösningsnummer L.6.

23

6. Val av mikrofon

För att välja en mikrofon har det sökts på i publicerad litteratur på mikrofoner som kan fånga upp ljud med så liten dämpning som möjligt samt ta liten plats vid integreringen. I en studie gjord av Johan Sunnanväder vid Lunds universitet undersöktes en analog mikrofon som sedan väljs ut för att på bästa sätt fånga in inkommande akustiska signaler [39].

Valet av mikrofonX, se Figur 10, har gjorts på grund av dess mycket låga nivåer av buller i kombination med hög känslighet. Denna mikrofon är en uppföljare till mikrofonY som rekommenderas av Johan Sunnanväder [39]. Mikrofonen har ännu högre känslighet men lite större dimensioner, se Tabell 12. Den är dock så pass liten att den utan problem kan integreras. Mikrofonen har en differentierad analog utgång. Mikrofonen är av Micro-Electro-Mechanical System (MEMS)-typ. Det är en variant av kondensator-mikrofon. Ett tryckkänsligt membran som fångar upp ljudvågor sitter direkt på en silikon-kiselplatta. Det använder MEMS processteknik för att omvandla ljudvågorna till elektriska signaler. Mikrofonen har en inbyggd förstärkare.

Två tester av mikrofonen utfördes. I första testet spelades ett samtal på 15 meters avstånd in. Resultatet blev att i inspelningen var samtalet klart hörbart men med en del bakgrundsbrus. Andra testet var att spela in musik, samma låt som i högtalartesten användes. Här var mikrofonen mycket nära ljudkällan. Resultatet blev att det knappt går att höra skillnad på inspelningen och originalet.

Tabell 12 Mikrofondata.

Modell MikrofonX MikrofonY

Signal-brusförhållande (SNR) 74 dBA 70 dBA

Differensierad känslighet −32 dBV −32 dBV

Känslighetstolerans ±2 dB ±2 dB

Dimmensioner 4,72 mm × 3,76 mm × 3,50 mm 4 mm × 3 mm × 1,2 mm

Impedans 750 Ω 750 Ω

frekvensomfång 25 Hz - 20 kHz 75 Hz - 20 kHz

strömförbrukning 285 μA 285 μA

24

Figur 10. MikrofonX. Foto: Tryggve Folkeson.

6.1 Integrering av mikrofon

Mikrofonen integreras strax innanför yttre plastkåpa. Detta är utanför IP-klassat område. Valet av placering gjordes med hänsyn till högtalarens plats. Mikrofonen skall vara placerad så långt ifrån högtalaren som möjligt för att undvika eko från högtalaren till mikrofonen. Den måste i vår lösning dessutom sitta utanför den ljudisolerande kåpan (gul i Figur 11) där högtalarens bakvolym sitter. Därför sätts den innanför plastkåpan enligt Figur 12. En resonansfrekvens innanför hörbart område önskas ej. Därför görs uträkning av resonansfrekvensen för en stängd tub enligt formel (1). Här sätts 𝑣𝑣 till ljudhastigheten i luft och 𝑓𝑓 till lägst hörbara frekvens.

𝑙𝑙20𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 =𝜆𝜆20𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘₄ =_4𝑓𝑓𝑣𝑣 =346,1 𝑚𝑚/𝑠𝑠_{4∙20 𝑘𝑘𝑘𝑘} ≈ 4,33 𝑚𝑚𝑚𝑚 (1)

Placeringen måste således vara max 4,3 mm från kanten. Ett kortare avstånd innebär resonans-frekvens över 20kHz. Godstjockleken på aktuell plastkåpa är 3 mm.

25

7. Vinnande koncept

CAD-modell av Axis P3215 med stora högtalaren alt 7, Smart Amp och visas i Figur 11. CAD-modell av Axis P3215 med mikrofonX visas i Figur 12. Högtalaren fästes i innerchassit i ett hål på kameran med en fästanordning i metall som skruvas i chassit. Mikrofonen fästes på andra sidan mittemot högtalaren med en ljudskyddande kåpa.

Figur 11. Axis P3215 (gul) med högtalare (lila) förstärkare (grön) och fäste (röd).

26

7.1 Hållfasthetsberäkningar

Hållfasthetsberäkningar görs i modulen Simulate i Creo Parametric 3D [40]. IP-klassningen utgår från ett vattentryck på en meter varför ett tryck på 0,1 bar väljs som träffar hela högtalarmembranet utifrån enligt Figur 13. Detta är en del av testet för IP-klassning där en vattenstråle träffar kameran. Randvillkoren ställs in enligt följande; chassit, högtalaren och bygeln sitter fast mot varandra och kan inte rotera eller förflytta sig relativt varandra, se Figur 14. En modell med 42 766 tre- och fyrnodselement. Denna elementindelning syns i Figur 15. Chassit och bygeln är tillverkad av aluminium och högtalaren av polykarbonat. Resultaten av hållfasthetsberäkningarna visar en maximal effektivspänning på 12,3 MPa. Eftersom sträckgränsen för polykarbonat är 50 MPa leder detta till att kameran håller fortsatt IP-klassning med säkerhetsfaktorn 4 mot plastisk deformation. För visuellt resultat, se Figur 16.

27

Figur 14 Randvilkor. Här visas låsningar mellan elementen med svarta trianglar.

28

Figur 16. Visuellt resultat av FEM-analys, effektivspänning visas.

7.2 Resonans för valt koncept

Inga beräkningar görs på valt koncept för att undersöka om resonans kan uppstå. Detta eftersom bakvolymen blir väldigt stor när högtalaren placeras fritt i kameran i förhållande till högtalarens storlek. Resonans kan då uppstå vid mycket låga frekvenser och för att undvika detta kapas alla frekvenser under 20 Hz med hjälp av Smart Amp.

29

8. Diskussion

Resultatet beskriver ett koncept med integrerad högtalare och mikrofon i framtida övervaknings-kameror. Innerchassit i kameran fungerar som bakvolym till högtalaren där högtalare fästes utan extern låda i kameran vilket innebär integreringen blir lättare och mindre utrymmeskrävande. Mikrofonen fästes på andra sidan mittemot högtalaren med en ljudskyddande kåpa eftersom mycket ljud kommer från högtalaren. Konceptet har tagits fram genom en välarbetad produktutvecklings-process med metoder för kvalitetssäkring.

Ett av kraven för det nya konceptet är att ljudtrycket ska vara minst lika bra som i Axis tidigare modell med integrerad högtalare, M3037 och att ljudkvalité ska vara bättre. Vid en jämförelse bedöms båda kriterierna vara uppnådda. Trots att en mindre högtalare används är ljudtrycket ungefär detsamma som i M3037 om inte något högre. Ljudkvalitén upplevs bättre än i M3037 vilket innebär att målet anses vara uppnått. Att bättre resultat åstadkommes vid detta koncept förmodas framförallt bero på att högtalaren till skillnad från referenskameran har en resonanslåda, men även på att Smart Amp används. Placeringen av högtalaren är bättre och ljudet kan lättare ta sig ut till åhöraren och högre ljudtryck kan uppnås trots en mindre integrerad högtalare.

När högtalare skulle väljas till konceptet gjordes en noggrann utvecklingsprocess med grundlig benchmarking och testning. Vid val av mikrofon gjordes en mycket enklare utvecklingsprocess för att spara tid. Resultatet anses emellertid inte påverkas av detta då en liknande studie hade gjorts endast för att välja ut en så bra mikrofon som möjligt [39].

Angående materialval är det för de akustiska egenskaperna på högtalaren viktigt att kamerans chassi är i metall. Vid tester med chassit i plast försämrades de akustiska egenskaperna avsevärt. För hållfasthetsberäkningens skull spelar det mindre roll vilket material som väljs då det var stor marginal på FEM-analysen.

I mycket av den testning som genomförts bedöms resultaten subjektivt. Med subjektiva värden är det svårt att jämföra olika resultat. Det finns även en risk att en person ur utvecklingsteamet upplever ett bättre resultat än vad det egentligen är på grund att denna har haft konceptet eller högtalaren som tidigare favoriter. Många av de kriterier som undersöktes vid testningen var emellertid svåra att bedöma på något annat sätt än via subjektiva värden. Ett sätt för att bättre säkerställa resultatens trovärdighet är att ta in fler personer än oss två vid testningen som är med och granskar. Ett annat sätt är att bedöma koncepten eller högtalarna namnlöst. Att det som testas skrivs ner som test 1, test 2 o.s.v. utan att utvecklingsteamet vet vilket test som motsvarar vilket koncept eller högtalare. En begränsning i arbetet är att det främst är högtalare från två olika högtalartillverkare som har används. Att undersöka lämpliga högtalare hos fler företag hade kunnat ge ett bättre resultat om en bättre högtalare hade hittats. Det är emellertid fördelaktigt för ett stort företag som Axis att endast använda några få återförsäljare då det är lättare att hålla en bra kontakt och för att hålla ner priserna. Arbetet resulterar i ett koncept med högtalare och mikrofon som uppnår på förhand uppställda krav på ljudtryck och ljudkvalité. Konceptet kan antas bidra till en tryggare miljö genom att en snabbare detektion uppnås och bättre ljud leder till att meddelandeutskick blir lättare att höra. Detta i sin tur kan leda till minskade stölder och andra brott.