Федеральное агентство связи ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Федеральное агентство связи
ФГОБУ ВПО «Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики»
Уральский технический институт связи и информатики (филиал)
М.Ю. Путилов
Электроакустика и звуковое вещание
Методические указания по выполнению
лаборторных работ
для студентов очной формы обучения
на базе среднего (полного) общего образования,
обучающихся по направлению подготовки бакалавра
210700 «Инфокоммуникационные технологии и
системы связи» (профиль «Цифровое
телерадиовещание»),в соответствии с требованиями
ФГОС ВПО 3 поколения
Екатеринбург
2012
УДК 621.396.7
ББК 32.884.8
Составитель: преподаватель кафедры «ММС» М.Ю.Путилов
Рецензент: к.т.н., доцент кафедры «ММС» Логинов В.В.
Путилов М.Ю.
Электроакустика и звуковое вещание. Методические указания к выполнению
лабораторных работ №1-6 /М.Ю. Путилов. – Екатеринбург: УрТИСИ ФГОБУ ВПО
«СибГУТИ», 2012 - 32 с.
Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Электроакустика и звуковое вещание» предназначены для студентов очной формы
обучения, обучающихся по направлениям 210400 «Радиотехника» и 210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи».
Методические указания содержат задания для выполнения лабраторных работ в
соответствии с рабочей программой дисциплины, перечень контрольных вопросов,
список рекомендуемых источников.
Рекомендовано НМС УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ» в качестве
методических указаний по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Электроакустика и звуковое вещание» для студентов очной формы обучения,
обучающихся
по
направлениям
210400
«Радиотехника»
и
210700
«Инфокоммуникационные технологии и системы связи», в соответствии с
требованиями ФГОС ВПО 3 поколения
.
УДК 621.396.7
ББК 32.884.8
© Кафедра мультимедиа и мобильных систем
© УрТИСИ ФГОБУ ВПО «СибГУТИ», 2012
2
CОДЕРЖАНИЕ
Пояснительная записка
Лабораторная работа №1 «Исследование свойств слуха человека»
Лабораторная работа №2 «Исследование характеристик речевого сигнала»
Лабораторная работа №3 «Измерение времени реверберации»
Лабораторная работа №4 «Измерение характеристик микрофонов»
Лабораторная работа №5 «Измерение характеристик громкоговорителей»
Лабораторная работа №6 «Анализ результатов работы авторегуляторов уровня»
Список использованных источников
3
4
5
11
13
16
19
23
27
ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА
Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине
«Электроакустика и звуковое вещание» предназначены для студентов очной формы
обучения на базе среднего (полного) общего образования, обучающихся по
специальности 210405.65 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение».
Перед выполнением лабораторных работ студенты должны повторить материал
лекций, а также изучить теоретический материал по теме лабораторной работы,
изложенной в рекомендуемой учебной литературе по курсу.
Выполнение работ следует производить с необходимыми пояснениями и
выводами.
Каждая лабораторная работа заканчивается отчетом, все отчеты оформляются в
отдельной тетради для лабораторных работ.
Защита лабораторной работы проводиться индивидуально - в устной форме или с
помощью тестовой программы по лабораторной работе.
Вопросы для защиты представлены в содержании каждой лабораторной работы.
По результатам защиты выставляется зачет.
На проведение лабораторных работ в соответствии с программой отводится: 12
часов.
Количество часов на выполнение каждой работы, а также ее тема, указаны в
таблице
№
1
2
3
4
5
6
Итого
Перечень лабораторных работ
Исследование свойств слуха человека
Исследование характеристик речевого сигнала
Измерение времени реверберации
Измерение характеристик микрофонов
Измерение характеристик громкоговорителей
Анализ результатов работы авторегуляторов уровня
4
Количество
часов
2
2
4
4
4
2
18
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1
«Исследование свойств слуха человека»
1.
Цель работы: Экспериментально исследовать частотную зависимость
порога слышимости человеческого уха без внешних помех и при наличии
низкочастотной и высокочастотной узкополосной помехи.
2.
Оборудование и программное обеспечение: Персональный компьютер,
головные телефоны, два генератора звуковой частоты, два милливольтметра,
программа SpectraLAB. Структура лабораторного стенда показана на рис.1.
Звуковой
генератор -1
V
милливольтметр
Микшерное
устройство
Головные
телефоны
Звуковой
генератор -2
V
милливольтметр
Рис. 1. Структура лабораторной установки для исследования свойств слуха человека:
звуковой генератор, милливольтметр градуированный в паскалях или децибелах, микшерное
устройство, головные телефоны.
Методические указания по выполнению работы
Особенности строения и свойства слуха человека имеют большое значение для
рационального проектирования и эксплуатации звукозаписывающей и
звуковоспроизводящей аппаратуры. Соответствие технических средств
звукопередачи и субъективных характеристик восприятия помогает достигнуть
нужной информационной достоверности передаваемых сигналов, получить в
процессе прослушивания семантическое и эмоциональное соответствие между
первичными и воспринимаемыми звуковыми образами.
Ухо человека обладает свойствами частотного анализа, дискретного
восприятия по частотному и динамическому диапазонам. Таким образом,
аналоговый звуковой сигнал представляется последовательностью
электрических импульсов, вырабатываемых нервными окончаниями волокон
основной мембраны уха.
Ушная раковина в области наружного уха направляет акустические колебания
в слуховой проход, заканчивающийся барабанной перепонкой. В слуховом
проходе, как в звуковом резонаторе, настроенном на частоту 3 кГц, происходит
3.
5
примерно 3-х кратное усиление звукового давления, действующего далее на
барабанную перепонку. Барабанная перепонка образует границу с областью
среднего уха и соединена с костно-мышечным механизмом в виде молоточка и
наковаленки. Мышечная ткань ножки наковаленки опирается на входной
элемент внутреннего уха - мембрану овального окна внутреннего уха. Рычажная
система молоток-наковаленка играет роль акустического трансформатора
колебаний барабанной перепонки, повышая звуковое давление на мембране
овального окна для наибольшей отдачи энергии из воздушной среды среднего
уха, сообщающегося с носоглоткой через проход, в область внутреннего уха,
заполненную несжимаемой жидкостью - лимфой. Структура внутреннего уха
представляет собой сужающуюся к вершине трубку, свернутую в 2,5 витка в
виде улитки, к которой примыкают каналы вестибулярного аппарата в виде трех
колец. Весь лабиринт ограничен костной перегородкой. По всей длине улитки
располагается основная мембрана - анализатор акустического сигнала. Она
представляет собой узкую ленту из гибких связок, расширяющуюся к вершине
улитки.
При колебаниях мембраны овального окна внутреннего уха в жидкости
внутреннего уха возникают упругие колебания, перемещающиеся вдоль
основной мембраны от основания к вершине. Структура основной мембраны
аналогична системе акустических резонаторов с изменяющейся резонансной
частотой. На рис.2 показана развертка основной мембраны со шкалой
резонансных частот соответствующих участков.
Развертка основной
мембраны
0
5
10
15
20
L, мм
25
f, Гц
Рис.2. Положение резонансных зон на развертке основной мембраны
16000
8000
4000
1000
500
250
60
Участки основной мембраны, расположенные вблизи основания улитки,
резонируют на высокочастотные составляющие спектра звукового сигнала,
заставляя их колебаться. Средняя часть реагирует на средние частоты звукового
диапазона. Участки, расположенные вблизи вершины, возбуждаются низкими
частотами.
Нервные клетки расположены в основной мембране в несколько слоев и
образуют орган Корти. Резонансные явления в основной мембране возбуждают
окончания нервных клеток. Всего таких окончаний насчитывается около 25
тысяч. Электрический сигнал от нервных окончаний поступает в головной мозг
и человек воспринимает звуковое колебание соответствующей частоты.
6
Пространственный разнос резонаторов основной мембраны позволяет
одновременно воспринимать несколько частот.
Гармоническое колебание определенной звуковой частоты в восприятии
характеризуется понятием тон. Разрешающая способность различения слухом
соседних частот неодинакова. На низких частотах (ниже 500 Гц) человек
начинает ощущать разницу тона при 1%-ном изменении частоты, в области
высоких частот - около 0,5%. Самая высокая разрешающая способность
человеческого уха (0,2-0,3%) имеет место на средних частотах. Эта
разрешающая способность наблюдается при сравнении двух поочередно
воспроизводимых звуков. Если же изменение частоты происходит медленно, то
разрешающая способность человеческого уха составляет 2-4%. Таким образом,
можно считать, что весь слышимый диапазон частот человеческое ухо
дискретизирует на 2-3 сотни градаций.
Силу звука человек ощущает в очень широком диапазоне звуковых давлений.
Пока волокно основной мембраны при своих колебаниях не доходит до
нервных окончаний - человек звук не слышит. При превышении уровня
звукового давления некоторой пороговой величины человек начинает
воспринимать соответствующий звук. Снизу динамический диапазон
воспринимаемого звука ограничен стандартным порогом слышимости. Под ним
условились понимать эффективное значение звукового давления, создаваемого
гармоническим звуковым колебанием частоты 1000 Гц, едва слышимое
человеком со средней чувствительностью слуха. Стандартный порог
слышимости составляет 2.10-5 Па. Верхний предел слышимости, при котором
возникает болевое ощущение, определяется звуковым давлением 20 Па. Таким
образом, весь динамический диапазон на частоте 1000 Гц составляет 106 раз
N, дБ
120 фон
120
100
100
80
80
60
60
40
40
20
20
Абсолютный порог
слышимости
0
0
-20
16
31
63
125
250
500 Гц
или 5
1
2
4
8
16 Fc кГц
FFF
Место для формулы.
7
Рис.3. Кривые равной громкости (изофоны) человеческого уха
120 дБ. Порог слышимости различен на разных частотах. Он уменьшается в
области низких и высоких частот (рис.3).
Порог различимости силы звука вблизи порога слышимости составляет 2-3 дБ,
а в области средних уровней громкости - около 0,4 дБ. Таким образом
осуществляется принцип квантования ощущения уровня звука. Общая
дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде звукового сигнала
составляет около 22000 элементарных градаций в диапазоне уровней от порога
слышимости до болевого ощущения в диапазоне частот от 20 Гц до 20кГц.
Введем понятие абсолютный акустический уровень
𝑁𝑎 = 20 lg(𝑃зв /𝑃зв0 )
где 𝑃зв - звуковое давление, воздействующее на ухо человека, 𝑃зв0 = 2 ∙ 10−5 –
порог слышимости.
Уровень громкости имеет размерность фон. На рис.3 показаны кривые равной
громкости - изофоны. Самая нижняя кривая, соответствующая порогу
слышимости, определяется величиной 0 фон.
Наличие постороннего источника звука или шума изменяет ход зависимости,
показанной на рис.3. Наблюдается эффект маскировки полезного сигнала, т.е.
вблизи частоты мешающего источника звука существенно повышается порог
слышимости. Уровень маскировки может быть определен по формуле
∆𝑁м = 𝑁а.ш. − 𝑁а
где 𝑁а.ш. - уровень порога слышимости при наличии шума, 𝑁а - уровень
порога слышимости в тишине.
При существенном уровне помехи полезный сигнал может быть совсем не
слышен. Явление маскировки проявляется по-разному для различных уровней
мешающего сигнала и его спектральных характеристик. Резонансные
характеристики слухового резонатора несимметричны (рис.4). Со стороны
высоких частот спад резонансной кривой более пологий.
Nа, дБ
80
Fc = 0,25; 1; 4 кГц
60
40
20
Nа.ш.= 60 дБ
0
-20
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1
2
5
1
0
F, кГц
FFF
Рис.4. Частотная зависимость порога слышимости при наличии узкополосной
помехи
Место
для на
формулы
частоте 250 Гц, 1 и 4 кГц (уровень помехи 60 дБ)
8
Следует отметить, что при совпадении частот полезного сигнала и помехи
порог чувствительности человеческого уха примерно на 4-5 дБ меньше, чем
уровень помехи. Полезный сигнал слышен даже при некотором превышении
его помехой.
Нелинейные свойства слуха проявляются в том, что при достаточно большом
уровне одночастотного тона ухо человека начинает воспринимать его вторую,
третью и т.д. гармонику. При прослушивании двух тонов человек слышит
суммарную и разностную частоты.
Порядок выполнения работы
4.1. Исследование порога слышимости
Исследование слуха человека начинается с определения частотной
зависимости порога чувствительности. Для этого включается генератор
звуковой частоты ЗГ1. Выходное напряжение устанавливается равным нулю,
т.е. звуковой сигнал полностью отсутствует. Устанавливается начальная частота
80 Гц. Исследователь надевает головные телефоны и для чистоты эксперимента
отворачивается от лабораторного стенда. Второй исследователь медленно
увеличивает уровень выходного сигнала, контролируя выходное напряжение с
помощью вольтметра. При появлении первых признаков слышимости звукового
сигнала первый исследователь останавливает увеличение выходной мощности,
и уровень выходного сигнала записывается в протокол испытаний. Затем
выходная мощность вновь обнуляется. Это необходимо делать каждый раз, т.к.
человеческое ухо обладает эффектом запоминания и адаптации к звуку.
Устанавливается новая частота 125 Гц на генераторе ЗГ1. Вновь второй
исследователь медленно увеличивает выходную мощность до момента
слышимости. Эксперимент выполняется на частотах 80, 125, 250, 500 Гц, 1, 2, 4,
8 и 16 кГц.
Далее первый экспериментатор меняется местами со вторым. Снимается
аналогичная зависимость. Число частотных зависимостей порога слышимости
соответствует числу членов бригады, выполняющей данную лабораторную
работу. Результаты строятся в виде частотного графика в логарифмическом
масштабе. За 0 дБ считать уровень выходного напряжения генератора на
частоте 1000 Гц порога слышимости, полученный для одного из членов бригады
(по выбору). Остальные зависимости строятся относительно этого уровня.
Отметить величину снижения порога слышимости на частотах 80, 250, 8000 и
16000 Гц для каждого из участников эксперимента.
4.
4.2. Исследование эффекта маскировки
При исследовании эффекта маскировки используются два генератора звуковой
частоты, соединенные через суммирующее устройство. Эксперимент
9
проводится для одного из членов бригады. Эффект маскировки последовательно
исследуется на частотах узкополосной помехи, устанавливаемой на генераторе
звуковой частоты ЗГ2, 250 Гц и 4 кГц. Для этого на частоте 250 Гц
устанавливается выходное напряжение ЗГ2, превышающее порог слышимости
данного студента на 20 дБ. Затем по методике пункта 4.1 в тех же частотных 9
точках снимается частотная зависимость порога слышимости. Вблизи частоты
помехи шаг по частоте следует выбрать более мелким (в диапазоне частот от
100 до 1000 Гц шаг 100 Гц), чтобы выявить несимметричность резонансной
кривой. Увеличить уровень помехи еще на 20 дБ. Повторить измерения.
Аналогично с превышением на 20 и 40 дБ выполняются измерения для
высокочастотной узкополосной помехи 4 кГц. Шаг по частоте в диапазоне от 1
до 10 кГц должен быть 1 кГц. Таким образом, строятся 4 частотных графика
порога слышимости в дБ при наличии помех. Здесь же приводится график из
пункта 4.1 для данного экспериментатора. Отметить, на сколько порог
слышимости на частотах помех отличается от уровня самой помехи.
5.
Содержание отчета: В отчете должны быть написаны цель настоящей
лабораторной работы, приведены схемы измерения порога чувствительности и
эффекта маскировки с указанием типа использованных приборов, построены
частотные зависимости порога чувствительности для каждого члена бригады и
зависимости порога чувствительности при наличии узкополосной помехи для
одного из членов бригады. Привести значения выходного напряжения генератора
звуковой частоты на частоте 1000 Гц при измерении порога слышимости без
помех для каждого из участников эксперимента, а также значения выходного
напряжения на частотах 250 и 4000 Гц в эксперименте по маскировке
узкополосной помехой, для случая отсутствия помехи и при ее превышении
полученного значения на 20 и 40 дБ. Построить соответствующий график. Все
графики строить в логарифмическом масштабе.
Ответьте на контрольные вопросы:
6.1. Дайте определения понятий "звуковое давление", "звуковое поле" и
"звуковая волна".
6.2. Как устроен слуховой аппарат человека?
6.3. Назовите основные субъективные характеристики звука.
6.4. Назовите основные объективные характеристики звука.
6.5. Дайте определения абсолютного и относительного порогов слышимости.
6.6. Как определяется динамический диапазон слуха человека?
6.7. Как можно измерить порог слышимости человека?
6.
10
6.8. Что означает маскировка сигнала? Как она влияет на восприятие звуков?
11
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2
«Исследование речевого сигнала»
1. Цель работы: Изучить возможности программы SpectraLAB по исследованию
звуковых и речевых сигналов. Определить основные характеристики речевого
сигнала. Приобрести практические навыки работы с программой.
2. Оборудование и программное обеспечение: персональный компьютеры,
головные телефоны, микрофоны, программа SpectraLAB.
3. Подготовка к работе:
3.1. Знать основные характеристики речевого сигнала.
3.2. Изучить спектральные и временные характеристики звуковыхсигналов.
3.3. Изучить возможности и порядок использования программы SpectraLAB.
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Войдите в интерфейс программы SpectraLAB.
4.2. Настройте программу используя сигнал 1 кГц в качестве испытуемого с
уровнем в 90 дБ:
— установите Режим – Регистратор (Mode-Recorder);
— Вид – Спектр, Vien –Spectrum;
— откройте файл 1KHZ;
— установите Plot Top 0, Plot Range 90;
— запустите программу нажавPlay;
— оцените полученный спектр сигнала;
— при необходимости настройте установки процесса щелкнув двойным
щелчком левой кнопкой мыши по панели инструментов программы (размер FFT:
512 или 1024, прореживание 1, окно сглаживания Hamming, усреднение 1);
— также выполните удобное Вам масштабирование.
4.3. Перейдите в режим Вид – Спектрограмма, Vien –Spectrogram:
—оцените спектрограмму сигнала во времени, щелкнув кнопку перемотки;
— запишите в отчет характеристики сигнала.
4.4. Перейдите в режим Вид – Трехмерная поверхность, Vien –3D Surface:
— оцените спектрограмму сигнала во времени, щелкнув кнопку перемотки;
— запишите в отчет характеристики сигнала.
4.5. Исследуйте подобным образом любой из сигналов предлагаемых для тестов.
4.6. Перейдите в Режим – Постобработки (Mode-Post Process);
4.7. Исследуйте те же файлы в данном режиме.
4.8. Сделайте вывод об использовании режимов.
4.9. В Режиме – Регистратор (Mode-Recorder);
— произведите запись Вашего голоса, нажав на кнопку запись;
12
— сохраните данный файл на жестком диске компьютера.
— обработайте полученный файл по методике 5.2
4.10.
Постройте область отображаемого спектра по амплитуде и частоте,
сравните результат с теоретическими данными.
4.11.
Сделайте вывод о полученных результатах.
5. Ответьте на контрольные вопросы:
5.1. Дайте определения понятий "звуковое давление", "звуковое поле" и "звуковая
волна".
5.2. Как устроен слуховой аппарат человека?
5.3. Назовите основные субъективные характеристики звука.
5.4. Назовите основные объективные характеристики звука.
5.5. Дайте определения абсолютного и относительного порогов слышимости.
5.6. Как определяется динамический диапазон слуха человека?
5.7. Как можно измерить порог слышимости человека?
5.8. Что означает маскировка сигнала? Как она влияет на восприятие звуков?
6. Содержание отчета:
6.1. Наименование и цель работы.
6.2. Описание порядка выполнения работы.
6.3. Ответы на контрольные вопросы.
6.4. Выводы по работе
13
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3
Измерение времени реверберации.
1. Цель работы: Экспериментально измерить характеристики микрофонов.
Определить чувствительность и диаграмму направленности микрофонов.
2. Оборудование и программное обеспечение: Персональный компьютер,
громкоговоритель, генератора звуковой частоты, микрофон, программа SpectraLAB
и Sound Forge 8.0. Структура лабораторного стенда показана на рис.1.
4
1 - Звуковой
генератор
2 - фильтр
5
3 - усилитель
6 - усилитель
7 - фильтр
8 - самописец
уровней
Рис. 1. Структура лабораторной установки для измерение времени реверберации.
1 – источник измерительного сигнала; 2,7 – полосовые фильтры; 3,6 – усилители; 4 –
громкоговоритель; 5 – измерительный микрофон; 8 – самописец уровней.
3. Измерение времени реверберации:
3.1. Время реверберации является одним из основных, легко поддающимся
измерению параметром, определяющим акустику помещения. Так как для
оптимальных акустических условий требуется обеспечить вполне
определенную, зависящую от функционального назначения помещения
частотную характеристику времени реверберации, то и ее измерение
производится в различных полосах спектра звуковых частот.
Учитывая, что звуковое поле в помещении не всегда является диффузным
(правильнее сказать – никогда не является полностью диффузным), для
измерения нельзя использовать чисты тона. При измерении на чистых тонах в
помещении могут возникнуть стоячи волны, и результаты измерений будут
существенно отличаться от реальных. Поэтому оптимальным является
шумоподобный сигнал по возможности с более широким спектром. Для
возбуждения звукового поля можно также использовать звуковой генератор с
частотно-модулированным сигналом (генератор «воющего тона»). Иногда в
качестве измерительных используются короткие импульсные сигналы (как
известно, имеющие широкий спектр) – выстрелы из ружья или стартового
пистолета. При помощи фильтров из принятого микрофоном сигнала выделяют
желаемую полосу частот.
Для измерения частотной характеристики времени реверберации перед
усилителем необходимо устанавливать полосовые фильтры с шириной не более
14
октавы. При построении характеристик результаты измерений относят к
среднегеометрической частоте фильтра. Среднегеометрические частоты
октавных полос стандартизованы и равны 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и
8000 Гц.
В качестве излучателей применяют громкоговорители по возможности не
обладающие направленными свойствами. Создаваемые в помещении уровни
звукового давления должны быть около 100…120 дБ, чтобы обеспечить
регистрируемый перепад звукового давления в идеале на 60 дБ (но не менее 40
дБ).
Приемный тракт состоит из одного или нескольких микрофонов, усилителя и
фильтров. Микрофон приемного тракта не должен обладать направленными
свойствами. Расстояние микрофона от стен должно быть не менее одного метра,
расстояние от источника звука должно быть по крайне мере в два раза больше,
чем теоретический предельный радиус, вычисленный по формуле 𝑟 =
0,056√𝑉/𝑇з м, где V – объем помещения, м3; Tр – предполагаемое время
реверберации.
При измерении частотной характеристики времени реверберации в приемном
тракте также должны использоваться (как правило, октавные) фильтры.
При измерении времени реверберации очень часто возникает проблема
обеспечения требуемого превышения (60 дБ) максимального сигнала над
шумом. Особенно сложно сделать это в шумных производственных
помещениях. В этих случаях приходится уровнеграмму экстраполировать до
размаха 60 дБ. Скразанное поясняет рис. 2.
𝑣
0
-10
-20
-30
Шум
-40
-50
-60
𝑙
Рис. 2. К определению времени реверберации по уровнеграмме
Кривая спада плотности звуковой энергии аппроксимируется прямой, наклон
которой (скорость спада) определяется уровнеграммой. На рис. 2 𝑙 - путь,
который прошла бы лента самописца, если бы уровень плотности звуковой
энергии спадал бы до -60 дБ. Так как скорость ленты известна, то 𝑇р = 𝑙/𝑣 где 𝑣
– скорость протяжки ленты. \
15
Число точек измерения должно составлять не менее 6-8 для больших
помещений и 2-3 для небольших, причем в каждой из этих точек должно быть
произведено не менее трех измерений в каждой полосе частот. Вначале
определяется среднеарифметическое значение для каждой точки, а затем для
всего помещения с усреднением по всем точкам измерения.
Практика измерений показывает, что зачастую наблюдается быстрое затухание
звука в начале процесса, за которым следует затухание более медленное,
особенно в больших залах. Иногда наблюдается различные случайные
колебания – внезапный подъем или последовательность всплесков. При
измерении времени реверберации надо пренебречь флуктуациями кривой и
установить только средний ее наклон. В любом случае при наличии флуктуаций
и выбросов для получения достоверных результатов необходимо увеличить
число точек измерения.
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Подготовить оборудование и программное обеспечение для проведения
лабораторной работы.
4.2. На компьютере со звуковой системой подготовить звуковой файл с заранее
сгенерированным «белым шумом», на компьютере с измерительным
микрофоном запустить программу Sound Forge и приготовить ее для записи.
4.3. Запустить звуковой файл с «белым шумом», одновременно запустить запись в
программе Sound Forge.
4.4. Остановить звуковой файл с «белым шумом», запись продолжать до
установления полной тишины.
4.5. По результатам записанного файла определить время реверберации.
4.6. Используя фильтры (Process – EQ – Graphic) определить время реверберации
для следующих частот 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000 и 8000 Гц.
5. Содержание отчета: В отчете должны быть написаны цель настоящей
лабораторной работы, приведен расчет теоретической реверберации помещения и
результаты полученные экспериментально. Провести сравнение теоретических
расчетов и экспериментальных. Написать вывод.
6. Ответьте на контрольные вопросы:
6.1.Чем определяется длительность процесса реверберации в студии?
6.2.Определите понятия: стандартное время реверберации, акустическое
отношение, время эквивалентной реверберации, разборчивость, а также
четкость, диффузность звукового поля, индекс диффузности?
6.3.Что называется временем оптимальной реверберации? Как зависит эта
величина от объема помещения, жанра программы, частоты?
16
17
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4
Измерение характеристик микрофонов.
1. Цель работы: Экспериментально измерить характеристики микрофонов.
Определить чувствительность и диаграмму направленности микрофонов.
2. Оборудование и программное обеспечение: Персональный компьютер,
громкоговоритель, генератора звуковой частоты, два микрофона и
милливольтметра, программа SpectraLAB. Структура лабораторного стенда
4 - заглушенная камера
6
V
5
1 - Звуковой
генератор
2 - фильтр
3 - усилитель
8 - милливольтметр
7
V
9 - милливольтметр,
градуированный в
паскалях или
децибелах
показана на рис.1.
Рис. 1. Структура лабораторной установки для измерение характеристик микрофонов.
1 – генератор тональный или белого шума; 2 – фильтр третьоктавный; 3 – мощный усилитель; 4 –
заглушенная камера; 5 – громкоговоритель; 6 – испытуемый микрофон; 7 – измерительный
микрофон; 8 – милливольтметр; 9 – милливольтметр, градуированный в паскалях или децибелах.
3. Методические указания по выполнению работы:
3.1. Общие замечания по измерениям.
Все частотные характеристики снимают (или соответствующие параметры
измеряют) при плавном изменении частоты или на дискретных частотах
предпочтительного ряда.
Во всех случаях измерений на дискретных частотах необходимо отмечать также
места максимумов и минимумов и на них измерять значения параметров. Все
характеристики направленности измеряют или при плавном изменении углов
расположения осей испытуемой аппаратуры, или для углов, кратных 15° на
частотах до 5000 Гц и кратных 5° выше этой частоты.
3.2. Измерение характеристик микрофона в заглушенной камере.
Для измерения чувствительности микрофона в свободном поле следовало бы
вначале измерить звуковое давление в точке, куда будет помещен испытуемый
микрофон, а потом уже помещать его в эту точку. Но так как в заглушенной
камере практически отсутствует интерференция звуковых волн и расстояние
микрофона от громкоговорителя берут равным 1 … 1,5 м при диаметре
18
излучателя не более 25 см, то измерительный микрофон 7 (рис. 1) можно
располагать поблизости от испытуемого микрофона. Устанавливая по
измерителю звуковое давление 7 необходимое давление 𝑝зв , измеряют
напряжение 𝑈м , развиваемое испытуемым микрофоном, и определяют его
осевую чувствительность 𝐸ос = 𝑈м /𝑝зв . Чувствительность определяют во всем
номинальном диапазоне частот. По полученной частотной характеристики
определяют ее неравномерность в номинальном и рабочем диапазонах частот.
Чувствительность микрофона вне акустической оси определяется его
характеристикой направленности.
Среднею чувствительность определяют в мВ/Па по формуле
𝑛
1
𝐸ср = √ ∑ 𝐸𝑘2
𝑛
𝑘=1
где 𝐸𝑘 - чувствительность, определенная на фиксированных частотах, входящих
в номинальный диапазон частот, или в третьоктавных полосах шума; n – число
точек отсчета. При неравномерности менее 12 дБ допускается определить
среднеарифметическое значение чувствительности.
Уровень чувствительности и средний чувствительности в децибелах вычисляют
по формуле
𝐸𝑀 ∙ 10−3
𝑁𝑀 = 20 lg
𝐸0
где 𝐸𝑀 – чувствительность, мВ/Па; 𝐸0 – чувствительность, равная 1 мВ/Па.
Стандартный уровень чувствительности (в децибелах) определяют по формуле
𝑈0 (𝑝зв = 1 Па)
𝐸ос
𝑁0 = 20 lg
= 20𝑙𝑔
√𝑅ном 10−3
√𝑅ном 10−3
где 𝑈0 - напряжение, В, развиваемое микрофоном на номинальном
сопротивлении нагрузки 𝑅ном , Ом, при звуковом давлении 1 Па.
Характеристику направленности микрофона снимают в одной плоскости,
проходящей через рабочую ось микрофона, если он представляет собой тело
вращения вокруг своей оси. Для других форм микрофона характеристику
снимают для заданных плоскостей, проходящих через рабочую ось. Угол
поворота отсчитывают между рабочей осью и направлением на источник звука.
Нормируют характеристику направленности относительно осевой
чувствительности.
Перепад чувствительности фронт-тыл определяют как разность уровней
чувствительности под углом 0 и 180° между рабочей осью микрофона и
направлением на источник звука. Этот перепад определяют для ряда частот
номинального диапазона или для заданной полосы частот. По измеренным
данным находят средний перепад чувствительности как отношение средних
чувствительностей, измеренных для углов 0 и 180°.
19
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Подготовить оборудование и программное обеспечение для проведения
лабораторной работы.
4.2. Подготовить звуковой генератор и акустическую систему.
4.3. На компьютере, с подключенным к нему микрофоном, запустить программу
Sound Forge и приготовить ее к записи аудио (моно) файла.
4.4. Запустить звуковой генератор и одновременно запустить запись на компьютере.
4.5. Постепенно изменяя частоту (от 20 до 20000 Гц), произвести запись или
замерить уровень сигнала в контрольных точках.
4.6. По полученной записи построить частотную характеристику испытуемого
микрофона.
4.7. Используя сигнал широкого спектра (белый шум), измерить диаграмму
направленности микрофона:
4.7.1. Установить испытуемый микрофон напротив акустической системы,
постепенно поворачивая микрофон (в горизонтальной плоскости), замерить
угол поворота и уровень сигнала.
4.7.2. По результатам измерений построить диаграмму направленности.
5. Содержание отчета: В отчете должны быть написаны цель настоящей
лабораторной работы, приведена частотная характеристика чувствительности
(определить неравномерность АЧХ) и диаграмма направленности микрофона.
6. Ответьте на контрольные вопросы:
6.1. Поясните, по каким признакам могут быть классифицированы микрофоны?
6.2. Каковы основные технические характеристики микрофонов?
6.3. Объясните принцип действия микрофонов – приемников давления и
приемников градиента давления?
6.4. Поясните принцип работы микрофонов классифицированных по способу
преобразования механических колебаний в электрические?
6.5. Выведите общую формулу чувствительности микрофона и поясните ее
практическое использование.
6.6. Почему частотная характеристика чувствительности микрофона – приемника
давления имеет спады на нижних и верхних звуковых частотах?
20
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 5
Измерение характеристик громкоговорителей.
1. Цель работы: Экспериментально измерить характеристики громкоговорителя.
Определить звуковое давление, среднее стандартное звуковое давление,
характеристическую чувствительность, диапазон частот громкоговорителя и
диаграмму направленности.
2. Оборудование и программное обеспечение: Персональный компьютер,
громкоговоритель, генератора звуковой частоты, микрофон и милливольтметра,
программа SpectraLAB.
Структура лабораторного стенда показана на рис.1.
5 - заглушенная камера
6
1 - Звуковой
генератор
2 - фильтр
3 - усилитель
7
V
8 - милливольтметр
V
4 - вольтметр
Рис. 1. Структура лабораторной установки для измерение чувствительности громкоговорителя.
1 – генератор тональный или белого шума; 2 – третьоктавный фильтр (применяют при измерении
с шумом); 3 – мощный усилитель; 4 – вольтметр; 5 - заглушенная камера; 6 – испытуемый
громкоговоритель; 7 – измерительный микрофон; 8 – милливольтметр, градуированный в
паскалях или децибелах.
3. Методические указания по выполнению работы:
Для снятия характеристик громкоговорителя измерительный микрофон
устанавливают на расстоянии 𝑟 = (2 … 4)𝑑 от него, где 𝑑 - средний размер
излучателя. Напряжение, подводимое к громкоговорителю, устанавливают
соответственно по формуле 𝑈 = √0,1𝑃ном 𝑅ном где 𝑃ном - номинальная мощность
громкоговорителя; 𝑅ном – его номинальное входное сопротивление (заданное в
технических условиях активное сопротивление, которым замещают
сопротивление громкоговорителя при расчете подводимой к нему
электрической мощности). При испытаниях на номинальную мощность
синусоидальное напряжение берут равным номинальному, а шумовое – равным
0,707 номинального.
21
Измерителем звукового давления регистрируют звуковое давление, развиваемое
громкоговорителем в зависимости от частоты или средней частоты
третьоктавного фильтра (при возбуждении его от генератора белого шума). Это
давление вычисляют по формуле 𝑝зв = 𝑈0 /𝐸ос где 𝑈0 – напряжение, развиваемое
измерительным микрофоном, мВ; 𝐸ос – осевая чувствительность
измерительного микрофона, мВ/Па, на заданной частоте. Измерения ведутся с
регистрацией пиков и провалов частотной характеристики не уже 1/9 октавы
(для шумового возбуждения этого не требуется). Более предпочтительно
измерение с плавным изменением частоты генератора и регистрацией
характеристики на бланке (для этого диск генератора и валик с бланком должны
вращаться синхронно).
Среднее звуковое давление по данным частотной характеристики
вычисляются по формуле
𝑛
𝑝зв.ср
1
2
= √ ∑ 𝑝зв.𝑘
𝑛
𝑘=1
где 𝑝зв.𝑘 - звуковое давление, развиваемое громкоговорителем на частоте 𝐹𝑘 (или
средней частоте k-го третьоктавного фильтра); n – число точек измерения (оно
не должно быть менее 10). При неравномерности частотной характеристики
менее 12 дБ можно вычислять среднее арифметическое значение.
Среднее стандартное звуковое давление вычисляют по формуле
𝑝зв.ср ст = 𝑝зв.ср
𝑙 𝑃0
√
𝑙0 𝑃
где 𝑝зв.ср – среднее звуковое давление, развиваемое громкоговорителем в
номинальном диапазоне частот, Па; 𝑙 - расстояние от рабочего центра
громкоговорителя до измерительного микрофона, м; 𝑃 - электрическая
мощность, Вт; 𝑃0 = 0,1 Вт; 𝑙0 = 1 м.
Характеристическую чувствительность громкоговорителя, Па/Вт, на рабочей
оси вычисляют по формуле 𝐸𝑥 = 𝑝зв.ср 𝑙/𝑙0 √𝑃 где 𝑝зв.ср - среднее звуковое
давление в номинальном диапазоне частот, Па; 𝑃 - электрическая мощность,
подводимая к громкоговорителю, Вт; 𝑙 - расстояние от рабочего центра
громкоговорителя до измерительного микрофона, м; 𝑙0 = 1 м.
Эффективно воспроизводимый диапазон частот находят по частотной
характеристике громкоговорителя путем определения частот, соответствующих
точкам пересечения прямой, параллельной оси частот, с частотной
характеристикой громкоговорителя. Прямую линию проводят на 10 дБ ниже
22
уровня среднего звукового давления в октавной полосе частот,
соответствующей максимальной чувствительности громкоговорителя. Этот
уровень вычисляют по формуле 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 20𝑙𝑔(𝑝зв.ср окт /𝑝зв0 ), где 𝑝зв.ср окт среднее звуковое давление; 𝑝зв0 = 2 ∙ 10−5 Па. Неравномерность частотной
характеристики громкоговорителя определяется в номинальном диапазоне
частот.
Диаграмму (характеристику) направленности громкоговорителя снимают в
заглушенной камере с поворотом громкоговорителя вокруг оси, проходящей
через его рабочий центр перпендикулярно его рабочей оси. Громкоговоритель
вращают или вручную, или автоматически, синхронно с поворотом столика, на
котором закреплен бланк диаграммы направленности. Для громкоговорителей с
разными размерами продольной и поперечной осей излучателя снимают две
диаграммы направленности в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Диаграммы направленности снимают или для ряда частот, или для основной
части диапазона. В последнем случае к громкоговорителю подается шумовое
напряжение через полосовой фильтр, имеющий полосу, равной основной.
4. Порядок выполнения работы:
4.1. Подготовить оборудование и программное обеспечение для проведения
лабораторной работы.
4.2. Подготовить звуковой генератор и испытуемый громкоговоритель.
4.3. На компьютере, с подключенным к нему измерительным микрофоном,
запустить программу Sound Forge и приготовить ее к записи аудио (моно)
файла.
4.4. Запустить звуковой генератор и одновременно запустить запись на компьютере.
4.5. Измерить звуковое давление в зависимости от частоты или средней частоты
третьоктавного фильтра.
4.6. По результатам измерений определить частотную характеристику
громкоговорителя.
4.7. Поворачивая громкоговоритель вокруг оси, проходящей через его рабочий
центр перпендикулярно его рабочей оси, замерить угол поворота и уровень
сигнала.
4.8. По результатам измерений построить диаграмму направленности.
5. Содержание отчета: В отчете должны быть написаны цель настоящей
лабораторной работы, приведена частотная характеристика громкоговорителя
(эффективно воспроизводимый диапазон частот). Вычислить значения звукового
давления и среднее стандартное звуковое давление, развиваемые
громкоговорителем на частоте F. Диаграмму направленности.
23
24
6. Ответьте на контрольные вопросы:
6.1. Привести определение терминов «громкоговоритель», «акустическая система»,
«головка громкоговорителя».
6.2. Дать классификацию акустических систем по областям применения.
6.3. Объяснить состав и назначение основных элементов АС.
6.4. Привести основные виды электродинамических громкоговорителей, объяснить
их принцип действия. Показать основные элементы и их назначение.
6.5. Объяснить основы устройства электростатических и пьезокерамических
громкоговорителей.
25
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 6
Анализ результатов работы авторегуляторов уровня.
1. Цель работы: Экспериментально измерить влияние АРУР на речевой сигнал.
Определить средний и максимальный RMS, до и после обработки сигнала. Уметь
сформировать программную модель АРУР. На практике, научится определять
искажения, вносимые АРУР в речевой сигнал.
2. Оборудование и программное обеспечение: Персональный компьютер, головные
телефоны, программа Cool Edit 2000.
3. Порядок выполнения работы:
3.1. Рассмотрим изменения вещательного сигнала при его обработке с помощью
АРУР на примере речевого сигнала. Длительность исследуемого отрезка
должны быть больше интервала стационарности (для речи это около 120 с). В
используемом нами примере длительность отрезка около 2 мин, что позволяет
получить достаточно гладкие оценки спектра и распределения плотности
вероятности мгновенных значений; частота дискретизации выбирается равной
44 кГц, разрядности кодирования 16 – разрядов/отсчетов. Для возможности
последующего сравнения исходного и обработанного сигналов нормируйте
сигнал, например на 90% (опции Transform – Amplitude – Normalize).
3.2. Проведите статистический и спектральный анализ сигнала до обработки (Analyze - Statistics). При сборе статистики время, на котором оценивается RMS
(аналог относительной средней мощности ОСМ) возьмите 200 мс, что
приблизительно равно времени интеграции слуха по громкости. В результатах
анализа наиболее информативны максимальная и средняя RMS, которые
определяют громкости сигнала.
3.3. В разделе «гистограммы» ознакомьтесь с распределением мгновенных значений
сигнала.
Разрешающая способность БПФ (быстрое преобразование Фурье) анализа
определяется числом точек в выборе (взять не менее 4000). Удобней
пользоваться логарифмической шкалой частот, которая в большей степени
соответствует особенностям слухового восприятия. Не имеет смысла выбирать
затухание больше 70 дБ, поскольку слуховой анализатор не воспринимает
спектральные составляющие, которые меньше максимальных на 50…60 дБ.
26
Рис.1. Результат статистического анализа исходного сигнала до обработки: распределение
мгновенных значений.
Рис. 2. Результат спектрального анализа исходного сигнала до обработки.
3.4. Теперь следует сформировать программную модель АРУР. Для этого в опции
Transform – Amplitude – Dynamic Range Processing сформируйте желаемую
амплитудную характеристику АРУР с временными параметрами,
стандартизованными для речевых АРУР: время срабатывания 1 мс.
восстановления около 200 мс. (вкладка Attack/Release). Это самая простая
характеристика, которая, тем не менее, используется в речевых студиях для
выравнивая громкости сигнала от нескольких дикторов и повышения ОСМ.
Обработайте сигнал с использованием этой характеристики. Результаты
обработки приведены на рис. 3. Там же показана характеристика мгновенного
ограничителя, который всегда размещается после АРУР для устранения
выбросов в момент срабатывания. Для формирования необходимой
амплитудной характеристики ограничителя воспользуйтесь последовательно
опциями Transform – Special – Distortion.
27
Рис. 3. Формирование амплитудной характеристики АРУР.
Рис. 4. Результаты обработки АРУР и амплитудная характеристика ограничителя.
Далее для сравнения исходного и обработанного сигналов необходимо
выровнять их по амплитуде (опции Transform – Amplitude – Normalize).
Для удобства сравнения свойств сигнала до и после обработки, перепишите его
в виде двухканального (стерео) сигнала, когда исходный сигнал передается по
одному каналу, обработанный по другому. Создайте стерео файл (File – New), в
один из каналов скопируйте (Edit – Mix Paste) обработанный сигнал, в другой
исходный. Проведите спектральный анализ этих сигналов. Можно заметить, что
в обработанном сигнале подняты ВЧ составляющие и несколько выше общий
уровень сигнала.
Проведя статистический анализ сигналов, обнаружим, что вырос средний и
максимальный уровень RMS. Это свидетельствует о повышении мощности, а
следовательно, и громкости обработанного сигнала при неизменном пиковом
электрическом уровне.
Гистограммы сигналов свидетельствуют о том, что повысилась вероятность
появления высоких уровней сигнала, но одновременно обострилась сама
функция. Уменьшения основания распределения соответствует сокращению
динамического диапазона, а обострение – большими перепадами громкости
28
между отдельными звучаниями и повышению крутизны фронтов (резкости
звучания), что негативно воспринимается слушателями.
3.5. Теперь входной и выходной сигналы АРУР сравните на небольшом временном
интервале. Обратите внимание на то, как изменился характер огибающей
обработанного сигнала. Вместо плавного спада после достижения максимума,
что соответствует обычному времени реверберации студии, более длительное
пребывание на максимальном уровне и быстрый спад. Такое развитие
огибающей воспринимается как увеличение гулкости помещения и приводит к
снижению разборчивости. Обратите также внимание на возрастание сигнала
придыхания (самое начало записи). Однако диктор в этом не виноват – это мы
его сделали астматиком!
В заключение анализа результатов работы АРУР проведите контрольное
прослушивание и убедитесь, что ваши объективные предсказания об
изменениях в сигнале совподают с реальностью.
4. Содержание отчета: В отчете должны быть написаны цель настоящей
лабораторной работы, приведены данные до и после обработки сигнала:
статистического анализа (средний и максимальный RMS), спектрального анализа и
гистограммы. Написать вывод.
5. Ответьте на контрольные вопросы:
5.1. Какова основная задача обработки звукового вещательного сигнала?
5.2. Опишите амплитудные характеристики компрессора и экспандера?
5.3. Каково влияние АРУР на относительную среднюю мощность сигнала?
5.4. Каково влияние компрессоров на разборчивость речи?
29
Список использованных источников
1. Электроакустика и звуковое вещание. Учебное пособие для вузов/ И.А. Алдошина,
Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов и др.: Под ред. Ю.А. Ковалгина. — М.: Горячая линия
—Телеком, Радио и связь, 2007. — 872 с
2. Компьютерный практикум по цифровой обработке аудиосигналов. Учебное
пособие для вузов / О.Б.Попов. — М.: Горячая линия —Телеком, 2010. — 176 с.
30
31