Elektroakustyka. Subkierunek Elektronika, rok III

Transkrypt

1 Elektroakustyka Subkierunek Elektronika, rok III

2 Informacje ogólne Prowadzący: prof. dr hab. Andrzej Dobrucki Konsultacje miejsce : budynek C-5, pok. 608, Konsultacje terminy: wtorek środa Sprawdzian (test) 19.06

3 Wymagania Zaliczenie sprawdzianu: test 5 pytań, aby zaliczyć, trzeba pozytywnie odpowiedzieć na 1 Skala ocen: 13-15: 3.0; 16-17: 3.5; 18-0: 4.0; 1-: 4.5; 3-4: 5.0; 5: 5.5 Warunek konieczny: Zaliczenie sprawdzianu i laboratorium: S,L 3 Możliwe jest dwukrotne powtarzanie sprawdzianu

4 Literatura A. Dobrucki: Przetworniki elektroakustyczne, WNT, Warszawa 007 Z. Żyszkowski: Podstawy elektroakustyki, WNT, Warszawa 1984 B. Urbański: Elektroakustyka w pytaniach i odpowiedziach, WNT, Warszawa 1993 Krzysztof Franek: Intermedium cyfrowa przyszłość filmu i telewizji, WKiŁ, Warszawa 000 B.C.J. Moore: Wprowadzenie do psychologii słyszenia, PWN, Warszawa-Poznań 1999

5 Plan wykładu Drgania mechaniczne i fale akustyczne. Parametry fizyczne charakteryzujące dźwięk Mechanizm słyszenia i wielkości subiektywne odpowiadające fizycznym parametrom dźwięku Pole akustyczne w przestrzeni otwartej i pomieszczeniach zamkniętych Sygnał akustyczny i foniczny. Sygnał foniczny analogowy i cyfrowy. Zakłócenia i zniekształcenia. Tor elektroakustyczny i jego elementy Analogie elektro-mechano-akustyczne Zasady działania przetworników elektroakustycznych Sprawdzian

6 Plan wykładu cz. II Mikrofony Głośniki i słuchawki, urządzenia głośnikowe Inne elementy toru elektroakustycznego Systemy elektroakustyczne Magnetyczna rejestracja sygnałów fonicznych Rejestracja optyczna. Standard CD i DVD Inne systemy rejestracji sygnałów fonicznych Sprawdzian

7 Układ drgający o 1 stopniu swobody k r m F

8 Drgania własne bez tłumienia i z tłumieniem 1 x( t) t 16 x( t) t 8

9 Rezonans wychylenia i prędkości

10 Układ o dwóch stopniach swobody Ka( f) f

11 Fale w strunie

12 Drgania własne struny f n n l T l w n ( x) sin nx l

13 Mody drgań membrany kołowej

14 Mody drgań membrany kołowej f mn mn a Tl S

15 Parametry fizyczne charakteryzujące dźwięk Ciśnienie akustyczne różnica między chwilwą wartością ciśnienia przy przejściu fali akustycznej a cisnieniem atmosferycznym Zgęszczenie względna zmiana gęstości ośrodku przy przejściu fali akustycznej Prędkość akustyczna Charakteryzująca ruch cząstek

16 Potencjał akustyczny v grad p 0 t

17 Równanie falowe i prędkość fali 0 1 z y x t c 0 0 P c T R c

18 Prędkość dźwięku

19 Akustyczna rezystancja właściwa Akustyczna impedancja jednostkowa Z j p v Dla fali płaskiej Z R c j w 0

20 Akustyczna rezystancja właściwa

21 Natężenie dźwięku I 1 T T 0 pvdt I p sk v sk p R sk w v sk R w

22 Poziom dźwięku Poziom natężenia I L I 10 log I 0 =10-1 W/m I 0 Poziom ciśnienia akustycznego L p 0 log p p 0 p 0 = 10-5 Pa Poziom dźwięku Lp L I

23 Poziomy dźwięku

24 Budowa organu słuchu

25 Ucho zewnętrzne Małżowina uszna Kanał słuchowy Błona bębenkowa

26 Funkcje ucha zewnętrznego Lokalizacja źródeł dźwięku Wzmocnienie dźwięku Funkcja ochronna

27 Ucho środkowe jama bębenkowa z błoną bębenkową i kosteczkami słuchowymi trąbka Eustachiusza mięśnie ucha środkowego

28 Błona bębenkowa Powierzchnia ok. 90 mm Grubość 0.1 mm

29 Kosteczki słuchowe

30 Dopasowanie impedancji - Efekt dźwigni - Efekt tłoka

31 Trąbka Eustachiusza

32 Mięśnie ucha środkowego Strzemiączkowy Napinacz błony bębenkowej Przy silnych dźwiękach (powyżej ok. 80 db) usztywniają błonę bębenkową i układ kosteczek zabezpieczając ucho wewnętrzne

33 Ucho wewnętrzne Kanały półkoliste (narząd równowagi) Ślimak (narząd słuchu)

34 Ślimak

35 Fala w błonie podstawnej

36 Analiza częstotliwościowa w ślimaku

37 Organ Cortiego W błonie podstawnej ślimaka znajduje tunel Cortiego a w nim 1 rząd komórek rzęskowych wewnętrznych (około 3500) i 3 (do 5) rzędów komórek zewnętrznych (po około 5000 lub mniej komórek w każdym rzędzie).

38 Organ Cortiego Każda z komórek wewnętrznych ma około 40 rzęsek. Do każdej z tych komórek dochodzi ok. 0 neuronów aferentnych, przekazujących impulsy elektryczne ze ślimaka na wyższe piętra drogi słuchowej i dalej do mózgu. Zewnętrzne komórki rzęskowe uporządkowane są w pięciu rzędach. Jest nich około 5000 a każda ma ok. 140 rzęsek Do komórek tych dochodzi ok neuronów eferentnych tj. takich, które przekazują sygnały z mózgu.

39 Wytwarzanie sygnałów elektrycznych Przeginanie rzęsków powoduje otwieranie i zamykanie kanałów rzęskowych, przez które dodatnie jony potasu z endolimfy mogą wnikać do wewnętrznych i zewnętrznych komórek rzęskowych. Komórki rzęskowe wewnętrzne i zewnętrzne mają ujemne potencjały spoczynkowe równe odpowiednie - 45 i 75mV i wnikające do ich wnętrza dodatnie jony potasu wywołują chwilową depolaryzację tych komórek. Ta chwilowa depolaryzacja jest czynnikiem wyzwalającym impulsy w neuronach, których synapsy przylegają do komórek rzęskowych.

40 Wrażenie głośności dźwięku Głośność cecha wrażeniowa dźwięku odpowiadająca fizycznemu parametrowi dźwięku - natężeniu Poziom głośności odpowiada poziomowi dźwięku

41 Poziom głośności Wprowadzono jednostkę pomiarową nazwaną fonem. Poziom głośności wynosi n fonów jeżeli przeciętny, otologicznie zdrowy słuchacz oceni go jako jednakowo głośny z tonem odniesienia o częstotliwości 1000 Hz, którego poziom wynosi n decybeli względem poziomu odniesienia 0 Pa

42 Krywe jednakowego poziomu głośności

43 Oddziaływanie hałasu na człowieka

44 Krzywa A ważenia częstotliwościowego

45 Głośność Poziom dźwięku nie jest miarą addytywną ani multiplikatywną i to stworzyło konieczność wprowadzenia takiej skali głośności która by nie miała tych niedogodności Powstała więc skala oparta na metodzie frakcjonowania, czyli dzielenia lub zwielokrotnienia odczucia głośności

46 Sony Utworzona w ten sposób skala głośności przyjmuje, że dźwięk 1000Hz o poziomie 40dB ma wartość głośności jednego sona. W zakresie od 40 do 10 fonów dźwięk jest odbierany jako dwa razy głośniejszy, gdy jego poziom głośności jest o 10 fonów większy S = (P-40)/10

47 Maskowanie Jest to efekt podwyższenia progu słyszalności danego dźwięku wskutek obecności innego dźwięku (maskera).

48 Zagłuszanie tonu tonem Ton o danej częstotliwości zagłusza (maskuje) tony o częstotliwościach większych, natomiast niewiele wpływa na progi słyszalności tonów o częstotliwościach mniejszych

49 Zagłuszanie tonu szumem a) Szum biały b) Szum wąskopasmowy f=00 Hz c) Szum wąskopasmowy f=1 khz d) Szum wąskopasmowy f=3 khz

50 Pasma krytyczne Dźwięk prosty (ton sinusoidalny) jest zagłuszany (maskowany) jedynie przez szumy o widmie leżącym w wąskim paśmie wokół częstotliwości tego tonu, a wszystkie szumy poza tym pasmem nie odgrywają żadnej roli w zagłuszaniu tonu. Prowadzi to do pojęcia PASM KRYTYCZNYCH których szerokość jest zależna od częstotliwości tonu zagłuszanego i zmienia się od 30 Hz przy małych częstotliwościach do kilkuset Hz przy częstotliwościach dużych.

51 Szerokość pasm krytycznych 1 słuchanie jednouszne słuchanie dwuuszne

52 Sumowanie głośności Dla dźwięków o widmie położonym wewnątrz jednego pasma krytycznego sumują się ciśnienia akustyczne Dla dźwięków o widmie położonym w różnych pasmach krytycznych sumują się głośności

53 Wrażenie wysokości dźwięku Wysokość - cecha wrażeniowa dźwięku umożliwiająca uporządkowanie dźwięków w skali od najniższych do najwyższych Odpowiada ona fizycznemu parametrowi - częstotliwości

54 Skala melowa Jest to skala wysokości oparta na podwajaniu wrażenia wysokości dźwięków prostych Dźwiękowi o częstotliwości 1000 Hz (i poziomie głośności 40 fonów) przyporządkowano wysokość 1000 meli Skalę melową uzyskano robiąc pomiary w taki sposób, że obserwator słuchał na przemian dwóch tonów i miał za zadanie regulować częstotliwość jednego z nich tak, aby słuchając go powstawało wrażenie dwukrotnie większej wysokości niż dla tonu drugiego.

55 Skala melowa Poniżej częstotliwości 500Hz podwojenie częstotliwości daje dwukrotny wzrost liczby meli Powyżej 500 Hz dwukrotny przyrost liczby meli odpowiada interwałom częstotliwości większym niż oktawa, dochodząc nawet do interwału równego trzem i pół oktawom harmonicznym

56 Skala barkowa Jest to skala wywiedziona ze zjawiska maskowania dźwięku i oparta na pasmach krytycznych Całe pasmo słyszalne podzielone jest na 4 pasma krytyczne. Szerokość jednego pasma krytycznego odpowiada pobudzeniu odcinka o długości ok. 1 mm na błonie podstawnej

57 Wrażenie barwy dźwięku Wrażenie barwy dźwięku związane jest ze strukturą widmową dźwięku. Dla dźwięków o strukturze harmonicznej częstotliwość podstawowa decyduje o wysokości dźwięku, zaś zawartość przytonów (harmonicznych) o barwie. Szum szerokopasmowy nie ma określonej barwy.

58 Fala kulista

59 Impedancja fali kulistej

60 Impedancja promieniowania fali kulistej

61 Dipol akustyczny

62 Dipol charakterystyka kierunkowości

63 Kula drgająca impedancja promieniowania

64 Porównanie kula pulsująca i drgająca

65 Tłok kołowy w nieskończonej odgrodzie

66 Pole bliskie tłoka

67 Tłok charakterystyka kierunkowości

68 Tłok impedancja promieniowania

69 Porównanie kula pulsująca i tłok

70 Wzajemna impedancja promieniowania

71 Falowód akustyczny

72 Impedancja falowodu Zj( kl) Zj( kl) kl kl Falowód zamknięty Z ap =-jz af ctgkl Falowód otwarty Z ap =jz af tgkl

73 Rezonator Helmholtza p 0l' M a S a l' l V C a c 0 f r c S l' V M a, R a C a f r M Q R a a

74 Rezonatory akustyczne

75 Rezonator prostopadłościenny

76 Tuba

77 Impedancja tuby wykładniczej

78 Pole akustyczne w pomieszczeniu

79 Zakresy częstotliwości Podział na skali częstotliwości Obszar X Obszar A Teoria falowa Obszar B Teoria statystyczna Obszar C Teoria geometryczna T p c f k 000 L V 4 f k Częstotliwość

80 Narastanie i zanik dźwięku w pomieszczeniu

81 Czas pogłosu

82 0. Wzory na czas pogłosu (teoria statystyczna) V. 161 A A S T p 0 Wzór Sabine a 0. T p 0.161V S ln 1 Wzór Eyringa T p 4mV 0.161V S ln 1 Wzór Knudsena (uwzględnia pochłanianie w powietrzu)

83 Pochłanianie wg Eyringa i Sabine a 5 4 Ey() efektywny współczynnik pochłaniania wg Eyringa Ey( a) 3 a a

84 Zalecany czas pogłosu

85 Materiały dźwiękochłonne a) Pianka o strukturze porowatej (pory małe) b) Pianka o strukturze porowatej (pory duże) c) Wata szklana d) Wełna mineralna

86 Współczynnik pochłaniania materiałów porowatych

87 Współczynnik pochłaniania rezonatora Helmholtza

88 Rezonanse pomieszczenia wg teorii falowej (pok. 607 C-5)

89 Teoria geometryczna

90 Projektowanie dużych pomieszczeń

91 Echogram

92 Sygnały Sygnał akustyczny Jest to sygnał transmitowany za pomocą fal dźwiękowych Sygnał foniczny Jest o sygnał elektryczny, przetworzony z sygnału akustycznego

93 Sygnały akustyczne i foniczne Sygnały deterministyczne dające się opisać wzorem x( t) t 16 x t Asin t x( t) t 8 x t Ae t sin t

94 Sygnały losowe stacjonarne x t 0 w k t k 103 a) szum gaussowski biały b) MLS c) MLS (fragment) w k k 40

95 Gęstość prawdopodobieństwa amplitud histogram rozkład graniczny P( x, x x) lim T 1 T t i i p x lim0 x P x, x x x

96 Krzywa Gaussa p x xm 1 e m - wartość średnia, m=0 odchylenie standardowe (wartość skuteczna)

97 Sygnały akustyczne i foniczne niestacjonarne (sygnały mowy i muzyki)

98 Sygnał analogowy i cyfrowy Sygnał analogowy Sygnał spróbkowany i skwantowany 16 poziomów kwantyzacji = 4 słowo kodowe = 4 bity

99 Szum kwantyzacji z( t) t SNR=6 n db (n liczba bitów kwantyzacji)

100 Zakłócenia Są to niepożądane sygnały obce, dodające się do transmitowanego sygnału użytecznego szumy przydźwięk trzaski pogłos i echo

101 Zniekształcenia Są to deformacje sygnału spowodowane niedoskonałościami toru transmisyjnego zniekształcenia liniowe zniekształcenia nieliniowe

102 Zniekształcenia liniowe zniekształenia amplitudowe zniekształcenia fazowe

103 Zniekształcenia amplitudowe A f 1 f f 3 f

104 Transmisja sygnału sinusoidalnego f 1 Układ f Układ f 3 Układ

105 Transmisja sygnału złożonego f 1 +f +f 3 Układ Układ

106 Widmo amplitudy i opóźnienia A wejście A wyjście t t f 1 f f 3 f 1 f f 3

107 Zniekształcenia nieliniowe harmoniczne intermodulacyjne szumowe

108 Zniekształcenia harmoniczne x(t) Układ y(t) 1 ) x t a x 3 y( t) a x( t a t 3 x( t) Asin t y t a A A a 3a3 A 4 3 aa a3a sin t cos t sin 3t 4 1

109 Widmo zniekształceń harmonicznych Sygnał wejściowy f Sygnał wyjściowy 0 f f 3f

110 Zniekształcenia harmoniczne Układ Układ

111 Współczynniki zawartości harmonicznych Całkowity (THD) Cząstkowe rzędu i 3 N i i N i i p p h 1 N i p i p h 1 N i p i p h 1 3 3

112 Widmo instrumentu muzycznego (trąbka) [db] WinPomi System exp1widm.wmf M od uł wi dm a [ re 1m V] Częstotliwość [khz]

113 Zniekształcenia intermodulacyjne 1 ) x t a x 3 y( t) a x( t a t 3 y x ( t) A1 sin 1t A sin t t B B B B sin sin 0 B B B B cos t 1t B sin 1 t t B sin t 1 11 cos t sin t sin 3 t 1 sin t 1 B 3 sin 3 t

114 Widmo zniekształceń intermodulacyjnych Sygnał wejściowy f 1 f Sygnał wyjściowy 0 f 1 f 1 3f 1 f -f 1 f f +f 1 f -f 1 f +f 1

115 Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych int p p p p p p p p p h

116 Zniekształcenia wielotonowe h 1 K MTND p k K k 1 K h MTNDE p k k 1

117 Zniekształcenia szumowe Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy Zniekształcenia

118 Metoda Wolfa DEVICE UNDER TEST

119 Metoda Wolfa - sygnały Sygnał wejściowy Sygnał na wyjściu filtru BS Sygnał wyjściowy

120 Tor elektroakustyczny Źródła dźwięku Pomieszczenie Mikrofony Przedwzmacniacze Przetworniki A/C nie występuje w torze analogowym Mikser Obróbka sygnału (kompresor, ekspander, ogranicznik, bramka szumowa itd.) Rejestrator Odtwarzacz Przetwornik C/A nie występuje w torze analogowym Wzmacniacz mocy Słuchawka lub głośnik Pomieszczenie Słuchacz

121 Koniec cz. I