2. Основы акустики

Акустика – наука о звуке (звуковых колебаниях), часть физики, которая занимается исследованием в диапазоне от 0 до 250 кГц.

Направления акустики:

1. Акустическое общение (управление) человека с компьютером

2. Акустическое загрязнение среды

3. Медицинское исследование и проникновение акустических колебаний, диагностика

4. Дефектоскопия металлов и пластмасс

5. Защита окружающей среды от различного рода шумов

6. Системы вибро- и шумо-изоляции в различных помещениях

7. Акустика зрелищных предприятий (усилители, звуковоспроизведение, приемники, громкоговорители)

8. Музыкальная акустика

9. Измерения сигналов и акустических шумов (шумомеры, интенсимеры)

10. Гидроакустика (связь под водой, гидропоглещние и гидронавигация, определение расстояния под водой)

Рис. 2.2.1 «Диапазон частот»

Звуковое давление:

Звуковое давление – это сила, действующая на единичную площадку.

P_зв == 1 Па (2.2.1)

P_ст = 10⁵ Па

Рис. 2.2.2

Уровень звукового давления в относительных единицах:

N_p =20 lg , где P=P₀=2∙10^-5Па (2.2.2)

Это силовое свойство звукового давления. Также существует энергетический фактор, это интенсивность. Интенсивность – это энергия звуковой волны, воздействующая на единичную площадку. Интенсивность – это воздействие мощности.

I = = 1 (2.2.3)

Уровень интенсивности: N_I=10 lg , где I₀=1 ∙10^-12 Вт/м² (2.2.4)

И уровень звукового давления, и уровень интенсивности измеряются в децибелах. Может быть померено в акустических шумомерах и интенсимерах. Это объективные параметры. Субъективный параметр – громкость звука, для разных людей он воспринимается по-разному.

Восприятие звуков:

Рис. 2.2.3

От 300Гц до 4кГц – голос человека. Мужские голоса: бас, баритон, тенор, тенор-альтино. Женские: контральто, меццо-сопрано (400-450Гц), сопрано. Дискант – детские голоса.

От 20Гц до 20кГц – музыка. Это диапазон симфонического оркестра. Воспринимается за ориентир в электро-акустической аппаратуре. Но чаще высококачественная аппаратура превышает верхнюю границу в 20кГц, за 40-60кГц.

Музыкальные инструменты:

• Низкие ударные: там-тамы, большой турецкий барабан (20Гц), литавры, конги (25-35Гц); струнные – контрабас, духовые – туба, геликон, фагот, контрфагот.

• Высокие: флейта-пикалло, бубны, треугольники.

Скорость звука:

C = 331 (2.2.5)

С≈340 м/с – для грубых расчетов в воздухе. В воде С = 1500 м/с, в металле С=5000 м/с. Это показывает, что чем плотнее среда, тем больше скорость распространения звука.

Длина волны: λ = , где f – частота, измеряемая в Герцах.

Табл. 2.2.1 «Зависимость длины звуковой волны от частоты»

f, Гц	λ, м	волны
10	34	Метровые (длинные)
100	3,4	дециметровые (средние)
1000	0,34	Сантиметровые (короткие)
10000	0,034	Миллиметровые (ультракороткие)

Короткие и ультракороткие волны обладают свойством дифракции. Дифракция – огибание, интерференция – смещение по фазе. Реверберация – интенсивность отражения.

Спектральный состав сигналов:

Рис.2.2.4

f₀ – основной тон (чистый), f_1,2… – обертона. Они определяют искажения.

К_f = (2.2.6)

Коэффициент гармонических (спектральных) искажений, где U – гармоники.

Электро-акустический тракт:

Рис.2.2.5

ИЗ – источник звука, ПЗ – приемник звука (микрофон), БУЗС – блок управления звуковым сигналом, ИЗ2 – источник звука 2 (громкоговорители, акустические системы).

Акустика занимается приемниками (микрофонами), громкоговорителями, психофизикой слуха.

Микрофоны делятся на виды:

1. Угольный микрофон

Рис.2.2.6

При изменении давления на угольный порошок изменяется площадь контакта между отдельными зернышками угля, и, в результате изменяется сопротивление между металлическими пластинами. Если пропускать между пластинами постоянный ток, напряжение между пластинами будет зависеть от давления на мембрану.

Рис.2.2.7

Другие виды электродинамических микрофонов:

Рис.2.2.8

3. Электростатический (конденсаторный) микрофон.

рис.2.2.9

Конденсаторный микрофон обладает весьма равномерной амплитудно-частотной характеристикой и обеспечивает высококачественное звучание, используется, в том числе в качестве измерительного.

4. Пьезоэлектрический

Рис.2.2.10

Пьезомикрофон основан на явлении прямого пьезоэффекта: при воздействии механических сил (деформирующих) на пластинку на её поверхности образуется заряд (поляризация). Для изготовления пластинки применяется турмалин, сегнетосоли и т.д.

Основные параметры микрофонов:

• Чувствительность

E(S) = [] (2.2.7)

• Диапазон воспроизводимых частот ΔF= f_в - f_н (2.2.8)

• Входное сопротивление Z_вх (Ом)

• Коэффициент нелинейных искажений К_f определяется по формуле 2.2.6

• Направленность:

Однонаправленный:

Двунаправленный: Является приемником градиента давления, в отличие от однонаправленного, который является приемником давления.

Ненаправленный:

• Динамический диапазон ДД= , где U_ш – напряжение шумов

130 – 140 дБ – хорошая характеристика.

Излучатели звука (громкоговорители):

Их виды: электродинамический, электростатический, пьезоэлектрический, электромагнитный.

Устройство громкоговорителя:

рис.2.2.11

Громкоговорители преобразуют электрические колебания в механические (звуковые).

Параметры:

• Мощность: электрическая номинальная W_эн , паспортная W_п – это фактически мощность усилителя, с которым работает данный громкоговоритель, акустическая W_a , предельно допустимая (пиковая) W_max

• Диапазон Δf определяется диаметром диафрагмы. Чем она больше, тем ниже частота.

• Z_вх = 4, 8, 16, 25, 50 Ом – для использования с различными усилителями

• Направленность

• Частотная характеристика (АЧХ) – это зависимость амплитуды на выходе громкоговорителя от частоты.

• Характеристическая чувствительность S = (2.2.9)

• Частота основного резонанса, при котором меряется Z_вх

• К_f – так же как в микрофоне

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРВСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

КАФЕДРА АКУСТИКИ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №1

«Исследование частотной характеристики громкоговорителя»

Исполнитель: студентка группы №013

Протопопова Д.А.

Проверил:

Остроухов И.Н.

Санкт-Петербург

2011г.

Цели и задачи:

1. Определить и построить амплитудно-частотную характеристику громкоговорителя (АЧХ)

2. По АЧХ определить эффективный диапазон частот, воспроизводимых громкоговорителем

Схема установки:

Рис.2.3.1 «Структурная схема лабораторной установки»

ГЗЧ – генератор звуковой частоты,

ЗЗК – звукомерная заглушенная камера,

ИГГ – исследуемый громкоговоритель,

ИМ – измерительный микрофон,

МУ – микрофонный усилитель,

ЭВ – электронный вольтметр.

Формулы для расчетов:

U_вх= (2.3.1)

P= [ = Па] (2.3.2)

N_p =20 lg , где P=P₀=2∙10^-5Па (2.3.3)

Таблица измерений и расчета величин:

f, Гц	U, мВ	E ,	P, Па	N , дБ
100	0,05	1,3	0,03	64
125	0,1	1,4	0,07	70
160	0,4	1,4	0,27	82
200	0,8	1,5	0,53	88
250	1,0	1,5	0,66	90
315	1,1	1,5	0,73	91
400	1,9	1,5	1,26	96
500	2,3	1,5	1,53	97
630	2,7	1,5	1,8	99
800	2,0	1,5	1,3	96
1000	1,5	1,5	1,0	94
1250	0,9	1,5	0,58	90
1600	0,3	1,5	0,19	80
2000	2,3	1,4	1,64	98
2500	0,7	1,3	0,54	89
3150	0,4	1,3	0,3	84
4000	0,4	1,4	0,27	82
5000	0,2	1,6	0,12	75
6300	0,6	1,6	0,37	85
8000	0,2	1,5	0,13	76
10000	0,5	1,3	0,38	85
12500	0,2	1,4	0,13	76
16000	0,3	1,3	0,22	81
20000	0	1,2	0	20

Вывод: По результатам измерений ΔF_эф= 5460Гц, а рабочий диапазон громкоговорителя AKAi составил (160…8000)Гц.

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРВСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

КАФЕДРА АКУСТИКИ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №2

«Исследование полосового фильтра»

Исполнитель: студентка группы №013

Протопопова Д.А.

Проверил:

Остроухов И.Н.

Санкт-Петербург

2011г.

Цели и задачи:

1. Исследовать АЧХ полосового фильтра

2. Определить резонансную частоту

3. Определить полосы пропускания на ΔF_0,5 (6дБ), ΔF_0,7 (3дБ)

Схема установки:

Рис.2.4.1

ГЗЧ – генератор звуковой частоты, R_с – согласующее (балластное) сопротивление, ЭВ – электронный вольтметр, С_ф – емкость фильтра, L_ф – индуктивность фильтра.

Формулы для расчетов:

Δf = f_в – f_н [Гц] (2.4.1)

Полоса пропускания ΔF_0,5 , ΔF_0,7 .

Добротность: Q = [ед. добротности Q] (2.4.2)

Таблица измеренных значений:

U,дБ	f, Гц
-6	530
-5	590
-4	660
-3	720
-2	800
-1	880
0	1100
-1	1375
-2	1550
-3	1700
-4	1850
-5	2050
-6	2300

ΔF_0,5 = 1530Гц

ΔF_0,7 = 820Гц

Δf = f_в – f_н = 1530-820 = 710Гц

F_рез =1100Гц

Добротность рассчитали по формуле 2.4.2: Q_0,5 = 0,71 ед.

Q_0,7 = 1,34 ед.

Вывод: Полоса пропускания на уровне 0,5 = 1530Гц, на уровне 0,7 = 820Гц.

МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРВСТЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ

КАФЕДРА АКУСТИКИ

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №3

«Градуировка микрофона методом сравнения»

Исполнитель: студентка группы №013

Протопопова Д.А.

Проверил:

Остроухов И.Н.

Санкт-Петербург

2011г.

Цели и задачи:

1. Провести градуировку микрофона методом сравнения с эталоном

2. Построить АЧХ двух микрофонов

Схема установки:

ГЗЧ – генератор звуковой частоты, МЗЗК – малая звукомерная заглушенная камера («эхобокс»), М_э – эталонный микрофон, М_и – исследуемый микрофон.

Формулы для расчетов:

N_p =20 lg , где P=P₀=2∙10^-5Па (2.5.1)

• Р_зв = Р₀ ∙ 10 ⁽⁾ = 0,2 Па

S_э = [] (2.5.2)

S_и = S_э ∙ [] (2.5.3)

Вывод: Построили частотные характеристики и исследовали чувствительность эталонного микрофона и исследуемого микрофона в диапазоне частот от 100Гц до 12500Гц.

21