Elektroakustyka Subkierunek Elektronika, rok III
Informacje ogólne Prowadzący: prof. dr hab. Andrzej Dobrucki Konsultacje miejsce : budynek C-5, pok. 608, Konsultacje terminy: wtorek 9.15 11.15 środa 9.15 11.15 Sprawdzian (test) 19.06
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
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
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
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
Układ drgający o 1 stopniu swobody k r m F
Drgania własne bez tłumienia i z tłumieniem 1 x( t) 0 1 0 3.14 6.8 9.4 1.5715.7118.851.995.138.731.434.56 37.7 40.8443.9847.150.7 0 t 16 x( t) 1 0 1 0 1.57 3.14 4.71 6.8 7.85 9.4 11 1.5714.1415.7117.818.850.41.993.565.13 0 t 8
Rezonans wychylenia i prędkości
Układ o dwóch stopniach swobody 1 8 4 Ka( f) 0 4 8 1 0 00 400 600 800 110 3 f
Fale w strunie
Drgania własne struny f n n l T l w n ( x) sin nx l
Mody drgań membrany kołowej 01 0 03 11 1 13 1 3
Mody drgań membrany kołowej f mn mn a Tl S
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
Potencjał akustyczny v grad p 0 t
Równanie falowe i prędkość fali 0 1 z y x t c 0 0 P c T R c
Prędkość dźwięku
Akustyczna rezystancja właściwa Akustyczna impedancja jednostkowa Z j p v Dla fali płaskiej Z R c j w 0
Akustyczna rezystancja właściwa
Natężenie dźwięku I 1 T T 0 pvdt I p sk v sk p R sk w v sk R w
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
Poziomy dźwięku
Budowa organu słuchu
Ucho zewnętrzne Małżowina uszna Kanał słuchowy Błona bębenkowa
Funkcje ucha zewnętrznego Lokalizacja źródeł dźwięku Wzmocnienie dźwięku Funkcja ochronna
Ucho środkowe jama bębenkowa z błoną bębenkową i kosteczkami słuchowymi trąbka Eustachiusza mięśnie ucha środkowego
Błona bębenkowa Powierzchnia ok. 90 mm Grubość 0.1 mm
Kosteczki słuchowe
Dopasowanie impedancji - Efekt dźwigni - Efekt tłoka
Trąbka Eustachiusza
Mięśnie ucha środkowego Strzemiączkowy Napinacz błony bębenkowej Przy silnych dźwiękach (powyżej ok. 80 db) usztywniają błonę bębenkową i układ kosteczek zabezpieczając ucho wewnętrzne
Ucho wewnętrzne Kanały półkoliste (narząd równowagi) Ślimak (narząd słuchu)
Ślimak
Fala w błonie podstawnej
Analiza częstotliwościowa w ślimaku
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).
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. 1800 neuronów eferentnych tj. takich, które przekazują sygnały z mózgu.
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.
Wrażenie głośności dźwięku Głośność cecha wrażeniowa dźwięku odpowiadająca fizycznemu parametrowi dźwięku - natężeniu Poziom głośności odpowiada poziomowi dźwięku
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
Krywe jednakowego poziomu głośności
Oddziaływanie hałasu na człowieka
Krzywa A ważenia częstotliwościowego
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
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
Maskowanie Jest to efekt podwyższenia progu słyszalności danego dźwięku wskutek obecności innego dźwięku (maskera).
Zagłuszanie tonu tonem Ton o danej częstotliwości zagłusza (maskuje) tony o częstotliwościach większych, natomiast niewiele wpływa na progi słyszalności tonów o częstotliwościach mniejszych
Zagłuszanie tonu szumem a) Szum biały b) Szum wąskopasmowy f=00 Hz c) Szum wąskopasmowy f=1 khz d) Szum wąskopasmowy f=3 khz
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.
Szerokość pasm krytycznych 1 słuchanie jednouszne słuchanie dwuuszne
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
Wrażenie wysokości dźwięku Wysokość - cecha wrażeniowa dźwięku umożliwiająca uporządkowanie dźwięków w skali od najniższych do najwyższych Odpowiada ona fizycznemu parametrowi - częstotliwości
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.
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
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
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.
Fala kulista
Impedancja fali kulistej
Impedancja promieniowania fali kulistej
Dipol akustyczny
Dipol charakterystyka kierunkowości
Kula drgająca impedancja promieniowania
Porównanie kula pulsująca i drgająca
Tłok kołowy w nieskończonej odgrodzie
Pole bliskie tłoka
Tłok charakterystyka kierunkowości
Tłok impedancja promieniowania
Porównanie kula pulsująca i tłok
Wzajemna impedancja promieniowania
Falowód akustyczny
Impedancja falowodu Zj( kl) Zj( kl) 5 4 3 1 0 1 3 4 5 0 4 6 8 10 5 4 3 1 0 1 3 4 5 0 4 6 8 10 kl kl Falowód zamknięty Z ap =-jz af ctgkl Falowód otwarty Z ap =jz af tgkl
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
Rezonatory akustyczne
Rezonator prostopadłościenny
Tuba
Impedancja tuby wykładniczej
Pole akustyczne w pomieszczeniu
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
Narastanie i zanik dźwięku w pomieszczeniu
Czas pogłosu
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)
Pochłanianie wg Eyringa i Sabine a 5 4 Ey() efektywny współczynnik pochłaniania wg Eyringa Ey( a) 3 a 1 0 0 0. 0.4 0.6 0.8 1 a
Zalecany czas pogłosu
Materiały dźwiękochłonne a) Pianka o strukturze porowatej (pory małe) b) Pianka o strukturze porowatej (pory duże) c) Wata szklana d) Wełna mineralna
Współczynnik pochłaniania materiałów porowatych
Współczynnik pochłaniania rezonatora Helmholtza
Rezonanse pomieszczenia wg teorii falowej (pok. 607 C-5)
Teoria geometryczna
Projektowanie dużych pomieszczeń
Echogram
Sygnały Sygnał akustyczny Jest to sygnał transmitowany za pomocą fal dźwiękowych Sygnał foniczny Jest o sygnał elektryczny, przetworzony z sygnału akustycznego
Sygnały akustyczne i foniczne Sygnały deterministyczne dające się opisać wzorem x( t) 1 0 1 0 3.14 6.8 9.4 1.5715.7118.851.995.138.731.434.56 37.7 40.8443.9847.150.7 0 t 16 x t Asin t x( t) 1 0 1 0 1.57 3.14 4.71 6.8 7.85 9.4 11 1.5714.1415.7117.818.850.41.993.565.13 0 t 8 x t Ae t sin t
Sygnały losowe stacjonarne 3 1 1 1 0.5 x t 0 w k 0 1 0.5 3 0 00 400 600 800 110 3 t 1 1 00 400 600 800 1000 1 k 103 a) szum gaussowski biały b) MLS c) MLS (fragment) w k 1.01 1 0.5 0 0.5 1 1 400 405 410 415 40 400 k 40
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
Krzywa Gaussa p x xm 1 e m - wartość średnia, m=0 odchylenie standardowe (wartość skuteczna)
Sygnały akustyczne i foniczne niestacjonarne (sygnały mowy i muzyki)
Sygnał analogowy i cyfrowy Sygnał analogowy Sygnał spróbkowany i skwantowany 16 poziomów kwantyzacji = 4 słowo kodowe = 4 bity
Szum kwantyzacji 0.1 0.05 z( t) 0 0.05 0.1 0 510 4 110 3 1.510 3 10 3.510 310 3.5 3 10 3 410 3 4.510 3 510 3 t SNR=6 n db (n liczba bitów kwantyzacji)
Zakłócenia Są to niepożądane sygnały obce, dodające się do transmitowanego sygnału użytecznego szumy przydźwięk trzaski pogłos i echo
Zniekształcenia Są to deformacje sygnału spowodowane niedoskonałościami toru transmisyjnego zniekształcenia liniowe zniekształcenia nieliniowe
Zniekształcenia liniowe zniekształenia amplitudowe zniekształcenia fazowe
Zniekształcenia amplitudowe A f 1 f f 3 f
Transmisja sygnału sinusoidalnego f 1 Układ f Układ f 3 Układ
Transmisja sygnału złożonego f 1 +f +f 3 Układ Układ
Widmo amplitudy i opóźnienia A wejście A wyjście t t f 1 f f 3 f 1 f f 3
Zniekształcenia nieliniowe harmoniczne intermodulacyjne szumowe
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
Widmo zniekształceń harmonicznych Sygnał wejściowy f Sygnał wyjściowy 0 f f 3f
Zniekształcenia harmoniczne Układ Układ
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
Widmo instrumentu muzycznego (trąbka) [db] WinPomi System exp1widm.wmf M od uł wi dm a [ re 1m V] 40.0 0.0 0.00-0.0 0.100 0.00 0.500 1.00.00 5.00 Częstotliwość [khz]
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 1 1 1 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 1 13 1 1 sin 3 t 1 sin t 1 B 3 sin 3 t
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
Współczynnik zniekształceń intermodulacyjnych...... int 1 1 1 1 1 1 1 1 p p p p p p p p p h
Zniekształcenia wielotonowe h 1 K MTND p k K k 1 K h MTNDE p k k 1
Zniekształcenia szumowe Sygnał wejściowy Sygnał wyjściowy Zniekształcenia
Metoda Wolfa DEVICE UNDER TEST
Metoda Wolfa - sygnały Sygnał wejściowy Sygnał na wyjściu filtru BS Sygnał wyjściowy
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
Koniec cz. I