Приложение к лабораторной работе №5 Компьютерный анализ

Приложение к лабораторной работе №5
Компьютерный анализ влияния волновых процессов в
помещениях на электроакустическую характеристику
помещения
1.
Цель работы: ознакомление с методикой измерения собственных
колебаний замкнутого объёма воздуха на макете помещения и их оценкой
влияния на электро-акустическую характеристику звукопередачи при
помощи компьютерного программно-аппаратного комплекса.
2.
Общие сведения
На сегодняшний день, в связи с бурным развитием отрасли
персональных компьютеров, становится все более и более актуальным метод
анализа физических процессов с помощью обычных неспециализированных
персональных
компьютеров.
Данный
метод
имеет
своим
главным
преимуществом унифицированность требуемой для проведения анализа
аппаратуры. Все что требуется для проведения измерений это ПК, звуковая
карта, измерительный микрофон, а также специализированное программное
обеспечение.
Так
как
производителей
всех
входящих
в
состав
измерительного тракта оборудования на сегодняшний день огромное
количество, то данный метод анализа доступен каждому почти что в
домашних или полевых условиях. Последнее достоинство открывает перед
инженерами
и
исследователями
возможность
проведения
быстрых
оценочных измерений в любых необходимых помещениях. В частности
метод имеет большую популярность в среде звукорежиссеров, так как
позволяет довольно легко определить особенности конкретного помещения,
а также вычислить необходимую частотную коррекцию для подстройки
тракта звуковоспроизведения с целью получить наилучшую электроакустическую характеристику звукопередачи.
Однако при использовании компьютерного анализа не следует забывать,
что точность измерений с помощью данного метода является лишь
оценочной и не может служить эталоном. На конечную точность измерения
влияет целый ряд факторов, таких как качество АЦП в звуковой карте,
разрядность
и
частота
дискретизации
при
аналого-цифровом
преобразовании, амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристика
используемого измерительного микрофона, а также используемые в
программной среде спекторанализатора математические алгоритмы работы.
Наиболее точные измерения с помощью компьютерного метода удается
получить в области средних и высоких частот.
3. Описание установки
Структурная схема измерительной установки показана на рисунке 5.1,
где отмечены все её основные элементы. Основным элементом установки
является макет (модель) кинотеатра “Титан”, выполненного из оргстекла в
масштабе 1:50.
При измерении собственных частот макета напряжение звуковой
частоты подаётся с выхода звуковой карты компьютера после усиления (УМ)
на излучатель (ГГ), установленный в торцевой стенке макета помещения
(МП). В противоположном конце по оси макета находится микрофон МД-63.
Поскольку длина макета помещения существенно больше двух других
размеров, то в начальной части спектра собственных частот будут
проявляться, в основном, осевые волны. При совпадении частоты сигнала
генератора с собственной частотой объёма микрофон будет находиться в
пучности звукового давления.
Перемещая микрофон вдоль оси макета, можно измерять звуковое
давление в различных его точках, установив, таким образом, закономерность
распределения звукового давления на той или иной моде колебаний. Измерив
некоторое количество собственных частот помещения, можно определить
среднюю плотность спектра для заданного диапазона, а также зависимость
плотности спектра от частоты.
Если вместо генератора синусоидальных колебаний в программе
включить генератор «разового» шума, то программа позволит получить
частотную характеристику звукопередачи в макете. Перемещая микрофон
вдоль оси макета, можно для каждой фиксированной точки его расположения
определить ЭАЧХ.
Звуковая карта ПК
Выход
Микрофонный вход
ГГ
М
МП
УМ
Рисунок 5.1. Структурная схема измерительной установки
Измерения проводятся в программе SpectraLab 4.32.17. Измерение ЧХ
громкоговорителя и спектра свободных колебаний осуществляется при
помощи микрофона МД–63. SpectraLab обладает способностью учёта
компенсационных характеристик микрофонов. Файл компенсационной
характеристики микрофона имеет расширение miс, и располагается в папке
spectralab\miccomp. Он представляют собой таблицу в текстовом формате,
состоящую в двух колонок чисел. В левой колонке частота в Гц, в правой
относительные значения уровня компенсационной кривой в децибелах. Для
активизации КХ микрофона необходимо выбрать соответствующий файл и
воспользоваться командой Enable Compensation в меню Options > Scaling
control.
Измерение ЧХ громкоговорителя в условиях открытого пространства
(при полностью открытой крышки макета) следует проводить в рабочем
диапазоне громкоговорителя (в диапазоне частот от 200 до 1000 Гц), при
синусоидальном сигнале с напряжением на его зажимах не более 1.5 В,
считая, что в этом режиме влияние собственных частот проявляется
незначительно. Микрофон устанавли-вается вблизи громкоговорителя на
расстоянии около 10 см.
Подавая синусоидальный сигнал на вход громкоговорителя, мы
снимаем показания с экрана компьютера. Программа обладает способностью
сохранения максимальных уровней частотных составляющих (функция Peak
Hold), что существенно облегчает работу. В этом режиме анализатор
работает как самописец. Для повышения точности измерения следует с
повышенной дискретизации (количество отсчётов FFT – 16384, что
соответствует разрешению спектральной линии – 2.692 Гц). Для этого нужно
зайти в меню Options > Settings > Frequency Range and Resolution. Также
необходимо выбрать узкополосный диапазон измерения (Narrowband
Frequency Axis) – в меню Options > Scaling.
4. Методика проведения работы и обработка результатов
Для определения собственных частот замкнутого объёма макета помещения
необходимо:
1. Ознакомиться со схемой измерительной установки, включить питание
приборов и дать прогреться, включить компьютер.
2. Рассчитать по (5.5) и (5.6) граничные частоты низкочастотного
диапазона зрительного зала к/т “Титан” с размерами 40х10х10м, где из-за
влияния собственных колебаний могут проявляться частотные (тембральные)
искажения. С учётом масштаба моделирования 1:50 определить эти частоты
для макета помещения.
3. Запустить программу SpectraLab. В меню Options/Settings установить
размер семпла (FFT size) равным 16382, что соответствует разрешению
спектраль-ной линии – 2.7 Гц. В меню Options/Scaling: установить линейный
(linear) частот-ный диапазон (Frequency Axis), установить галочку напротив
надписи Enable compensation, и кнопкой select выбрать МД-63 – файл,
содержащий данные о компенсационной характеристики микрофона.
Открыть окно спектра (View/ Spectrum). С помощью лупы
выделить
участок от 200 до 1000 Гц. Запустить анализатор кнопкой RUN.
4. Открыть полностью верхнюю крышку макета и в диапазоне частот от
200 до 1000 измерить ЧХ громкоговорителя при сигнале воющего тона,
считая, что в этом режиме влияние собственных частот проявляется
незначительно. Микрофон устанавливается вблизи громкоговорителя на
расстоянии около 10 см. Результаты измерений необходимо сохранить с
помощью клавиши «Print Screen» в виде картинки. Измерения проводятся в
режиме peak hold (удержание пиковых значений частотных составляющих), и
при нажатой кнопке
прорисовывается
. При медленном изменении частоты ЗГ на экране
частотная
характеристика
громкоговорителя.
Это
необходимо провести с использованием виртуального генератора воющего
тона, для этого: в меню Utilities выбрать Signal generator (F11); в списке
сигналов выбрать Frequency Sweep и ввести соответствующие параметры
(граничные частоты и время цикла (не меньше минуты)); запустить кнопку
Run. Пересчитать уровень звукового давления относительно его значения на
пиковой частоте.
6. Повторить измерение ЧХ громкоговорителя при шумовом сигнале,
подключив на вход схемы генератор розового шума (также можно
использовать виртуальный генератор – pink noise). Результаты измерения
также сохранить с помощью клавиши «Print Screen» в виде картинки.
7. Рассчитать несколько первых собственных частот макета по формуле
5.1 для известных размеров макета. Результаты расчётов занести в таблицу
5.1.
8. Плотно закрыть верхнюю крышку макета помещения. Сгенерировать с
помощью программы SpectraLab частоту, близкую к первой собственной
частоте, полученную расчетным способом. Для этого в меню Utilities\ Signal
Generator (F11) выбрать пункт Multiple Tone, и в открывшемся окошке Tone
Settings в графе Frequency установить нужное значение. Затем изменяя
генерируемую частоту, добиться максимума показаний вблизи первой
рассчитанной частоты. Записать значение частоты, при которой наблюдался
максимум, в графу fизм. Изменяя частоту генератора дальше по максимумам
показаний анализатора, определить все остальные значения собственных
частот и соответствующих им уровням в диапазоне 200 … 1000 и также
записать их в таблицу 5.1. Ввести дополнительное звукопоглощение на
торцевую стенку макета и повторить измерение напряжений при найденных
частотах. Результаты записать в соответствующие графы таблицы.
Таблица 5.1 Собственные частоты макета помещения
lx = 0.8 м ;
nx
ny
1
0
nz
0
0
1
0
2
0
0
fрасч , Гц
ly = 0.2 м ;
fизм , Гц
lz = 0.2 м ;
N, дБ без доп.
N, дБ с доп.
поглощения
поглощением
9.
По результатам измерений найти среднюю плотность спектра в
исследуемом диапазоне и зависимость плотности спектра от частоты.
Сравнить полученные результаты с рассчитанными по формулам 5.3 и 5.4.
10.Приблизить максимально микрофон к громкоговорителю и, перемещая
микрофон вдоль оси помещения, измерить напряжения на его выходе в
различных
точках
на
первых
трёх
осевых
модах
помещения
без
дополнительного звукопоглощения. Для этого в меню View открыть вкладку
Time Series и с помощью курсора измерить напряжение по графику
временной зависимости сигнала. Результаты измерений занести в таблицу
5.2.
Таблица 5.2 Характер осевых мод собственных колебаний макета
помещения.
Расстояние между
источником и
0
lx/4
lx/2
3lx/4
lx
приёмником
без ЗПМ
Мода 1
с ЗПМ
и т.д.
11.Вновь ввести дополнительный звукопоглощающий материал (ЗМП) на
торцевую стенку макета помещения (или убрать отражающую перегородку)
и повторить измерения по п.10. Результаты измерений занести в таблицу 5.2
и построить кривые зависимости давления от расстояния для разных мод.
12. Для
определения
электроакустическую
влияния
собственных
характеристику (ЭАХ)
колебаний
звукопередачи
в
на
макете
помещения с помощью Signal Generator подать на вход громкоговорителя
розовый шум, для этого выбрать Pink Noise. Записать значения уровней на
выходе микрофона при его центральном расположении в номинальном
диапазоне
воспроизведения
громкоговорителя.
Полученные
величины
занести в таблицу5.3.
Таблица 5.3 Электроакустическая характеристика звукопередачи
Номер
полосы
Точка I
Точка II
N, дБ
N, дБ
. . .
Nср, дБ
1
2
3
…
n
14.Повторить измерения по п.12 при двух других положениях микрофона
и результаты также занести в таблицу 5.4
15.По данным таблицы 5.4 рассчитать усреднённую электроакустическую
характеристику для всей зоны измерений и вписать её в стандартную
характеристику, измеренную в тех же частотных полосах (рис. 5.2).
Содержание отчёта
В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему
установки; 3) Файл Microsoft Word, содержащий таблицы измеренных и
вычисленных величин, графики ЧХ громкоговорителя при шумовом и
гармоническом сигналах, ЧХ звукопередачи и распределения давления на
различных модах.