лекции_элаизв

Лекции по дисциплине

Электроакустика и звуковое вещание

ВВЕДЕНИЕ. ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ. ВЕЩАТЕЛЬНЫЙ СИГНАЛ

Схема системы звукового вещания

Звуковое поле

Под звуковым полем понимают пространство упругой среды, обычно воздушной, в которой распространяются звуковые волны (колебания). Скорость распространения звуковых волн Сзв =340 м/с. В неограниченном пространстве звук распространяется в виде бегущей волны.

λ = Сзв/ F = СзвТ.

Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых человеком, принят равным от 20 Гц до 20 кГц

Скорость колебательного движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны называется колебательной скоростью v.

Звуковое давление рЗВ измеряется в паскалях (1 Па = 1 Н/м² ). Диапазон изменения звукового давления 10¯ ... 20 Па.

1

Интенсивность

плоской волны

Плотность звуковой энергии

Для звуковых полей важно, что все процессы при распространению звуковых волн, являются линейными. Это позволяет пользоваться при их анализе принципами суперпозиции

Сложное звуковое колебание можно рассматривать как сумму гармонических колебаний, представляемых рядом Фурье:

Порог слышимости и уровень сигнала

В области звуковых давлений, превышающих стандартный поpoг слышимости, действует закон психофизики Фехнера:

A = q lg (рзв/рзво).

Звуковое давление и интенсивность звука оценивают в логарифмических единицах по отношению к стандартному порогу слышимости:

Na = 20 lg (рЗВ/рЗВО) = 10 Ig (Iзв/l зво) - абсолютный акустический уровень.

Вещательный сигнал как случайный процесс

Сигналом звукового вещания (СЗВ) называется колебание, соответствующее речи, музыке или их сочетанию. СЗВ считают случайным процессом. Акустические и электрические величины характеризуется законом распределения мгновенных значений, заданным плотностью вероятности W(х) или функцией распределения F(х). Время наблюдения Т0, дальнейшее увеличение которого не приводит к изменению распределения называется интервалом стационарности. Для речи Т0 = 2…3 мин, а для музыки – от 5 мин до нескольких часов.

2

Распределение плотности вероятности мгновенных значений речевого и музыкального СЗВ

Кривые аппроксимируются выражением

где х - мгновенное значение сигнала (например, напряжения); σ1, σ2 - среднеквадратические отклонения;

А и В - параметры распределения, причем А+В=I. Параметры А, В, σ1, σ2 зависят от характера исполняемого произведения.

Для программ типа хора с оркестром, эстрадных композиций, джазовой музыки (см. рис. кривая 2) наблюдается приближение к гayccoвскому закону распределения:

По результатам экспериментальных исследований обобщенный закон распределения во времени мгновенных значений музыкальных сигналов можно представить в виде

q - параметр, определяющий степень экспоненты (q = 1 для камерной и симфонической музыки; q = 2 для легкой, эстрад-

ной и джазовой музыки); = [Г(3/q): Г(1/q)]1/2 - коэффициент; Г - гамма-функция.

Если представить реальный сигнал звукового вещания z(t) = x(t) + ∑Asin (ώt + φ)

То в рассматриваемом случае

Функция распределения вероятности уровней:

3

при T0 =25 мс её вид будет:

Функция плотности вероятности распределения выбросов

Динамический диапазон уровней сигналов

С учетом введенных определений динамический диапазон акустического вещательного сигнала

Динамический диапазон сигнала звукового вещания

Разность между квазимаксимальным (Nкв макс) и усредненным (Nсp) за длительный промежуток времени уровнями называют пик-фактором:

П = Nкв.мaкс‒ Nср. Пик-фактор показывает, насколько ниже средний уровень по сравнению с eгo квазимаксимальным значением. Для музыкальных сигналов он может достигать 20 дБ и более (звучание симфонического оркестра), а для речевого сигнала в среднем ‒ 12 дБ.

Динамический диапазон канала передачи DK

ΔN1 ‒ уровень перекрытия помех и шумов, дБ (обычно около 20 дБ); ΔN2 ‒ допуск на перегрузку (обычно 3...6 дБ).

Текущая, среднеминутная и долговременная мощности сигналов звукового вещания

Выражение текущей мощности

4

Закон распределения значений текущей мощности во времени для речи

Вводится понятие относительной средней мощности

Спектральные характеристики СЗВ

Спектральные характеристики ЗВС представляются в виде его энергетического спектра – усредненной на интервале времени τ спектральной плотности мощности S2, отнесенной к полосе пропускания фильтра ΔF, Гц

(В2 / Гц):

Спектральная плотность мощности русской речи

Спектральная плотность мощности

Спектральная плотность мощности мужской и женской речи

5

Смысловая и эмоциональная информация.

При передаче информативного сигнала интерес представляет определить смысловую (семантическую) и эмоциональную (эстетическую) составляющие, которые складываются в сообщение:

смысловая информация - это логическая информация, связанная со структурой сообщения, поддающаяся точной формулировке, переводимая, вызывающая определенные действия (например, мужская речь); эмоциональная - информация непереводимая, вызывающая определенные состояния (например, музыка).

Распределение относительного количества звуковой информации на единицу полосы

ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИЕ АНАЛОГИИ

Электроакустическими преобразователями называют устройства, служащие для преобразования акустических колебаний среды в электрические сигналы, и устройства обратного назначения, преобразующие электрические сигналы в акустические колебания.

Первые из них - это микрофоны, вторые – громкоговорители. Благодаря линейности процессов электроакустического преобразования микрофоны и громкоговорители удобно представлять в виде четырехполюсников.

Для представления процессов, протекающих в преобразователях, пользуются методом электромеханических aнaлогий, состоящий в том, что параметры колебательных механических систем сравниваются с параметрами электрических колебательных контуров по их функциональной роли в колебательном процессе.

Порядок преобразования.

6

Отыскиваются общие формальные закономерности между математическим описанием колебательных процессов механических преобразователей и электрических колебательных контуров, а также взаимного соответствия соединения и сопоставления эквивалентных схем; находятся коэффициенты связи между механическими выходными (входными) и электрическими входными (выходными) величинами четырехполюсника - преобразователя.

Подход к составлению электромеханических аналогий поясняется рис.

Подход к составлению электромеханических аналогий

К колебательному контуру, содержащему элементы L, С и R, приложено переменное напряжение. Он сопоставляется с механической колебательной системой, совершающей вынужденные колебания с элементами: дискретной массы m, гибкого элемента - сМ, скрепленным одним концом с массой, а другим - с неподвижным основанием присоединенного к этим же точкам схемы, элемента трения rM - активного сопротивления трения массы при ее смещениях.

Полному сопротивлению электрической цепи ZЭ будет соответствовать полное механическое сопротивление ZM, а соотношению ZM=F/v - закон Ома.

Пример электромеханических аналогий.

В резонаторе Гельмгольца (рис. в) замкнутый объем V, заполненный воздухом, соединяется через узкую трубку длиной l с внешней средой, во входное отверстие трубки поступает звуковая волна. В этом случае в канале l возникнут колебания частиц воздуха. Воздух, сконцентрированный в объеме V, выполняет роль упругого элемента - пружины, способствуя концентрации частиц среды в трубке l и образуя тем самым элемент - массу. Так же проявляется и механическое сопротивление в виде трения частиц воздуха о стенки трубки. Вследствие периодического воздействия внешней силы от звуковой волны в такой системе возникают механические колебания среды.

Математическое описание колебательных процессов.

Логика сопоставления электрических и механических колебаний опирается и на сходство между известным уравнением, описывающим колебательный процесс в последовательном электрическом контуре (рис. а) под воздействием приложенного синусоидального напряжения

7

и уравнением для механической колебательной системы

Сравнивая между собой почленно уравнения, нeтрудно установить аналогии:

Аналог механической колебательной системы

Механическая колебательная система с последовательным соединением элементов (а) и аналог ее - параллельный колебательный контур (6)

В противоположность соединению в узел механическая колебательная система с последовательно соединенными m, СМ, RM «цепочкой», рис. 3.2,а) может быть сопоставлена с параллельным контуром L, С, R (рис. б).

Выражения для модуля полного сопротивления IZI и eгo механического аналога IZMI вытекают из решения уравнений:

МИКРОФОНЫ

Микрофоны - преобразователи акустических колебаний в электрические сигналы.

Преобразование звука в электрический сигнал производится с высокой информационной точностью при обеспечении высокой разборчивости и узнаваемости речевого сигнала, избежание появления различных искажений и помех в пределах динамических диапазонов, достигающих при музыкальных программах 90...100 дБ в частотной полосе до 15 кГц и более.

Микрофоны стараются сделать обтекаемой формы и малых размеров. Основные технические параметры микрофонов:

8

1. Чувствительность - отношение напряжения U в вольтах на выходе микрофона к звуковому давлению рЗВ в паскалях, воздействующему на eгo вход при RHOM.:

Стандартным уровнем осевой чувствительности No.м называется выраженное в децибелах отношение мощности Р, развиваемой микрофоном на номинальной нагрузке RHOМ (при действующем на микрофон звуковом давлении рзв= 1 Па), к мощности 1 мВт:

2.Направленность и характеристика направленности, выраженная через отношение чувствительности микрофона, измеряемой под различными углами оси симметрии микрофона к её величине на нулевом направлении азимутальной плоскости. Диаграмма направленности (графическое отображение характеристики направленности) симметрична относительно акустической оси микрофона, однако может иметь различную форму при различных частотах.

Направленный микрофон может обладать разной чувствительностью с фронтальной стороны, обращенной к источнику звука, и с тыловой.

3.Частотная характеристика - это зависимость осевой чувствительности или ее уровня от частоты. Ее отклонения от горизонтальной линии в номинальном диапазоне для данного типа микрофона определяют частотные искажения.

4.Уровень собственного шума микрофона, выраженный обычно через

уровень эквивалентного ему звукового давления рш, отнесенный к значению порогового восприятия po = 2∙10 Па.

Типы микрофонов и их свойства

Микрофоны классифицируют как по признаку приема звуковых колебаний входным звеном - механической колебательной

системой, так и по способам преобразования механических колебаний в электрический сигнал.

По признаку приема различают: - приемники звукового давления,

- приемники градиента звукового давления - комбинированные.

По способу преобразования механических колебаний в электрический сигнал вещательные микрофоны подразделяют на электродинамические в двух вариантах: катушечные и ленточные, и электростатические: конденсаторные и электретные. Каждый из них обладает определенными достоинствами

Микрофон-приемник звукового давления

Особенностью микрофона является то, что eгo входной элементмембрана 2 (или диафрагма) –подвергается воздействию звукового давления только с фронтального направления, другая ее сторона от прямого

9

воздействия звука экранируется корпусом. Переменное звуковое давление, создаваемое в звуковом поле акустическими колебаниями, будет воздействовать на мембрану микрофона в одинаковых фазах в пределах всей площади S.

Схема приема акустических волн микрофоном-приемником звукового давления

Приемник градиента звукового давления В приемнике градиента давления акустические колебания

воздействуют на обе стороны диафрагмы, На противоположных сторонах диафрагмы образуется разность звуковых давлений с взаимным фазовым сдвигом Δϕ (рис.).

Волна с тыловой стороны, проходит дополнительный путь х =d cos ϴ. Справедливо соотношение

Δϕ /2π = х /λ, тогда Δϕ =2πd cos ϴ/ λ.

Так как F =рзвS, где S - площадь диафрагмы, то на диафрагму действует результирующая сила

F =рзвS Δϕ =2πSрзв (d cos ϴ) /λ.

Схема приема гpaдиента звукового давления

Характеристики направленности микрофона-приемника градиента звуковoгo давления

При симметричном доступе волн к передней и тыловой стороне диафрагмы направленность микрофона имеет симметричный характер с косинусоидальным распределением чувствительности (рис.). Подобные микрофоны называют двунаправленными. Сила F уменьшается с увеличением длины волны, значит к низким частотам звукового диапазона чувствительность микрофона снижается. Но удлинение пути х для волн, поступающих на внутреннюю сторону диафрагмы, компенсирует указанный частотный спад.

10