1. Wprowadzenie Temat ćwiczenia: Głośnik dynamiczny promieniowanie Pomiary w komorze bezechowej Przedmiotem ćwiczenia jest badanie własności akustycznych kolumny głośnikowej i jej poszczególnych głośników w warunkach pola swobodnego (w komorze bezechowej). Ćwiczenie to pokazuje, między innymi, celowość stosowania drogiej komory bezechowej do badania parametrów akustycznych głośników i mikrofonów. Opis teoretyczny zjawisk i parametrów związanych z promieniowaniem przez głośnik fali akustycznej znajduje się w skrypcie do laboratorium. 2. Metoda pomiaru Brak odbić w komorze bezechowej daje możliwość prowadzenia badań na, dowolnie długich sygnałach jak np. harmoniczny, szumowy itp. Jej zastosowanie poprawia dokładność uzyskanych wyników oraz usuwa konieczność stosowania rozbudowanych systemów pomiarowych likwidujących odbicia (skrypt). Ponieważ pomiary mogą być prowadzone na fali ciągłej (jak dla warunków pola swobodnego) zatem można znacznie uprościć system pomiarowy i skrócić czas pomiaru. System pomiarowy stosowany w ćwiczeniu bazuje na prostym zestawie pomiarowym typu PC-Lab 2000 Velleman. Składa się on z oscyloskopu i generatora funkcji sprzężonych poprzez USB z komputerem. Jego oprogramowanie umożliwia realizowanie różnych funkcji jak podgląd oscyloskopowy, generowanie różnych przebiegów, pomiar w funkcji częstotliwości na fali pseudo ciągłej. Obsługa programu jest bardzo czytelna toteż w instrukcji nie zamieszczono jej opisu. W ramach ćwiczenia dokonuje się dwa rodzaje badań: 1) akustycznych własności komory oraz 2) własności kolumny głośnikowej. W pierwszym przypadku generuje się cyklicznie krótkie impulsy składające się z kilku okresów sinusoidalnego sygnału o częstotliwości akustycznej np. 1kHz. Jego generację dokonuje się za pomocą programu matlab skryptem impuls. Sygnał ten z wyjścia Lin Out komputera z jednego kanału (wyjście stereofoniczne) wchodzi na akustyczny wzmacniacz mocy i dalej na głośnik, a z drugiego kanału na oscyloskop dla jego synchronizacji impulsem nadawanym. Parametry impulsów ustawia się wprost poprzez odpowiednie zmiany zapisów w skrypcie impuls. Po czasie propagacji wypromieniowanej przez głośnik fali akustycznej na drodze kolumna mikrofon obserwuje się sygnał odebrany oraz występujące za nim odbicia (wyjście AC z miernika poziomu). Na podstawie obrazu odbieranego sygnału z odbiciami można wstępnie ocenić własności komory bezechowej. O jakości komory bezechowej świadczy poziom odbić sygnału akustycznego od jej ścian. Jeżeli odbicia są dostatecznie niskie (np. poniżej 30dB) to można uważać, iż spełnione są warunki pola swobodnego. W drugiej części ćwiczenia bada się pasma przenoszenia kolumny oraz jej poszczególnych głośników za pomocą fali ciągłej. W ćwiczeniu bada się kolumnę głośnikową wyposażoną w system kluczy umożliwiających wybieranie pojedynczych głośników i współpracujących z nimi zwrotnic - filtrów sygnałów elektrycznych. Szczegółowy schemat kluczy przełączających głośniki i zwrotnice umieszczony jest na tylnej ścianie kolumny. PE_1_komora_bezechowa.doc 1/6 2016-10-18
3. Zestaw aparatury - głośnik kolumna, - mikrofon pojemnościowy, - wzmacniacz mikrofonowy, - komputer, - akustyczny wzmacniacz mocy. - zestaw pomiarowy velleman PC-Lab 2000. Na rys. 3.1 i 3.2 pokazane są schematy blokowe zestawów do badania własności komory bezechowej i pasma przenoszenia głośników. Line Out i i WM Głośnik Mikrofon ze wzmacniaczem PC BNC BNC USB Pc-Lab Osc. Rys.3.1 Schemat blokowy do badania własności komory bezechowej WM Głośnik Mikrofon ze wzmacniaczem PC USB USB Pc-Lab 2000 Gen. Pc-Lab 2000 Osc. Wyj. Gen. Ch2 Ch1 Rys.3.2 Schemat blokowy do badania pasm przenoszenia głośników w komorze bezechowej WM - wzmacniacz mocy, Pc-Lab 2000 zestaw oscyloskop generator Velleman, PC - komputer. PE_1_komora_bezechowa.doc 2/6 2016-10-18
4. Zadania 4.1 Ustawić w komorze bezechowej kolumnę i mikrofon na wspólnej osi akustycznej rozstawionych co najmniej o 1m i dokonać podłączeń wg schematu blokowego jak na rys. 3.1. 4.2 Ustawić minimalne wzmocnienie wzmocnienia akustycznego mocy i włączyć zestaw pomiarowy do badania własności komory bezechowej. To jest: podać sygnał z komputera z wyjścia line lub w przypadku jego braku słuchawkowego przez rozgałęźnik kanałów Jack stereo 2xRCA (chinche) na odpowiednie wejście wzmacniacza mocy (LINE prawe lub lewe odpowiednio do podłączonego głośnika). Drugi kanał z rozgałęźnika podłączyć do drugiego kanału oscyloskopu. Na pierwszy kanał oscyloskopu podać sygnał z mikrofonu (miernika poziomu wyjście AC jack mono - zastosować odpowiednie przejściówki). UWAGA wzmacniacz mikrofonu po 20 minutach automatycznie się wyłącza. Aby tego uniknąć, należy przed jego włączeniem nacisnąć i przytrzymać przycisk MAXHLD. Po prawidłowym włączeniu na ekranie powinna pojawić się litera n. 4.3 Uruchomić program Matlab 6.5 a następnie poleceniem impuls spowodować generowanie impulsów akustycznych. 4.4 Włączyć wszystkie głośniki (przyciski na kolumnie głośnikowej) i ustawić wzmocnienie wzmacniacza akustycznego mocy na poziomie umożliwiającym poprawną jego rejestrację przez mikrofon. Należy zwrócić uwagę na fakt, by nie występowało przesterowanie głośnika, dokonać ewentualnej korekcji wzmocnienia wzmacniacza mocy oraz jeśli zachodzi potrzeba - korekty wzmocnienia wzmacniacza mikrofonowego. 4.5 Uruchomić oscyloskop ikona PC_Lab2000se W menu USB Devices zadeklarować wyłącznie oscyloskop. Dobrać podstawę czasu oscyloskopu i wzmocnienie oscyloskopu tak by widoczny był sygnał nadawany, odbierany oraz istotne odbicia. Zarejestrować na oscyloskopie sygnały odbierane przez mikrofon dla minimum czterech częstotliwości np. 500Hz, 1kHz, 2kHz oraz 6kHz. 4.6 Dokonać oceny poziomu odbić w stosunku do pierwszego impulsu odebranego (bez odbić). Jeżeli są obserwowane odbicia to ocenić czasy ich występowania (należy uwzględnić odbicia których amplituda nie spada poniżej 20dB w stosunku do pierwszego sygnału odbieranego). Wyniki rejestracji zapamiętać w komputerze i udokumentować je obrazami z ekranu. Zredukować wzmocnienie wzmacniacza mocy do zera i ponownie uruchomić PC_Lab2000se z zadeklarowanym oscyloskopem i generatorem. Włączyć Function generator i ustawić wzmocnienie sygnału wyjściowego zredukowane o 40dB (zaznaczyć górne okienko dla -40dB) 4.7 Uruchomić zestaw do badania pasma przenoszenia rys.3.2 (wybrać w menu lab Oscilloscope PCSU100 opcję Circuit Analyzer). Poleceniem Clear All skasować wcześniej zapisane obrazy. W polu Frequency Range zaznaczyć zakres pomiaru (górną częstotliwość) oraz w polu Frequency Start początek pomiary (dolną częstotliwość). PE_1_komora_bezechowa.doc 3/6 2016-10-18
Ustawić wzmocnienie wzmacniacza mocy na poziomie umożliwiający prawidłowy odbiór sygnału na mikrofonie (bez zniekształceń nieliniowych). Pomiary można przeprowadzać w skali liniowej lub logarytmicznej (brak zaznaczenia /zaznaczona skala logarytmiczna- Freq. Scale). Analogicznie dla skoku - Freq. Steps. Należy w polu V Range wybrać poprawny zakres czułości taki by nie następowało w trakcie pomiarów przesterowanie ale poziom był znacznie wyższy od szumów otoczenia i aparatury. Można włączyć opcję autoskalowania się oscyloskopu wówczas oscyloskop automatycznie dobiera wzmocnienie do poziomu sygnału. W tym celu należy w Bode Plotter programu PC_Lab2000Se w Option wybrać Automatic Voltage Scale. W przypadku gdy sygnał z mikrofonu jest za niski (widać duże szumy) można zwiększyć jego wzmocnienie. Reguluje się je przyciskami DOWN (każde przyciśnięcie powoduje wzrost wzmocnienia o 10dB ) i UPPER ( spadek wzmocnienia o 10dB). 4.8 Włączyć pomiar w funkcji częstotliwości w zakresie od 100Hz do 10kHz ze skokiem co 100Hz. Ustawić opcję wielokrotnego zapisu (w Bode Plotter wybrać Options i zaznaczyć Show Multiple Traces). 4.9 Dokonać pomiaru funkcji przenoszenia dla włączonej całej kolumny (odpowiednie na niej przyciski) i oraz dla pojedynczych głośników kolumny: nisko, średnio i wysoko tonowego. Wszystkie wyniki pomiarów muszą być zapisane w pamięci komputera w odpowiednich plikach. Ich nazwy i ścieżki dostępu do nich należy umieścić w sprawozdaniu. 5. Opracowanie 5.1 Sprawozdanie powinno zawierać uzyskane obrazy dokumentujące własności kolumny oraz własności komory bezechowej. 5.2 Jeżeli widoczne są odbicia to podać ich opóźnienie i wartości w skali liniowej oraz w db w stosunku do pierwszego impulsu odbieranego. 5.2. Oszacować 3dB pasma przenoszenia kolumny i poszczególnych głośników. 6. Literatura: [1] M. Słaby i in., Katalog 31-R. Przetworniki Elektroakustyczne, Wyd. Czasop. NOT, Warszawa 1966, s. 147. [2] M. Słaby i P. Kozłowski, Przetworniki Elektroakustyczne, budowa i zastosowanie, Wyd. KiL. Warszawa 1969. s. 86. [3] Z. Żyszkowski, Podstawy Elektroakustyki, Wyd. Nauk. i Techn,. Warszawa 1984. [4] L. Beranek. Acoustic Measurements, J. Wiley & Sons, Inc,. New York, 1949, s. 244. [5] Instrukcje obsługi zestawu Pc-Lab 2000 Velleman. [6] Skrypt do laboratorium (strona Katedry) PE_1_komora_bezechowa.doc 4/6 2016-10-18
Dodatek Program impuls umożliwia wprowadzanie częstotliwości sygnału w impulsie, czas powtarzania 0.5s, czas trwania impulsu 10ms ilość repetycji 3x3x5x5=225. Można modyfikować poszczególne parametry w skrypcie. %Impuls clear fp=44100; fs=input( podaj częstotliwość sygnału f[hz] = ); dt=1./fp; t1=0:dt:0.01; t=0:dt:0.5; x(length(t))=0; x(1:length(t1))=sin(2*pi*fs*t1); x=[x x x]; plot(x) x=[x x x ]; x=[x x x x x]; x=[x x x x x]; sound(x,44100) PE_1_komora_bezechowa.doc 5/6 2016-10-18
SCHEMAT KOLUMNY PE_1_komora_bezechowa.doc 6/6 2016-10-18