-
Основы акустики
Акустика – наука о звуке (звуковых колебаниях), часть физики, которая занимается исследованием в диапазоне от 0 до 250 кГц.
Направления акустики:
-
Акустическое общение (управление) человека с компьютером
-
Акустическое загрязнение среды
-
Медицинское исследование и проникновение акустических колебаний, диагностика
-
Дефектоскопия металлов и пластмасс
-
Защита окружающей среды от различного рода шумов
-
Системы вибро- и шумо-изоляции в различных помещениях
-
Акустика зрелищных предприятий (усилители, звуковоспроизведение, приемники, громкоговорители)
-
Музыкальная акустика
-
Измерения сигналов и акустических шумов (шумомеры, интенсимеры)
-
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.
Pзв == 1 Па (2.2.1)
Pст = 105 Па
Рис. 2.2.2
Уровень звукового давления в относительных единицах:
Np =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: NI=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), f1,2… – обертона. Они определяют искажения.
Кf = (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:
-
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
-
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.
-
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= fв - fн (2.2.8)
-
Входное сопротивление Zвх (Ом)
-
Коэффициент нелинейных искажений Кf 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 Uш – 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 Wэн , паспортная Wп – это фактически мощность усилителя, с которым работает данный громкоговоритель, акустическая Wa , предельно допустимая (пиковая) Wmax
-
Диапазон Δf определяется диаметром диафрагмы. Чем она больше, тем ниже частота.
-
Zвх = 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 Zвх
-
Кf – 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:
-
Определить и построить амплитудно-частотную характеристику громкоговорителя (АЧХ)
-
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:
Uвх= (2.3.1)
P= [ = Па] (2.3.2)
Np =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 ΔFэф= 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:
-
Исследовать АЧХ полосового фильтра
-
Определить резонансную частоту
-
Определить полосы пропускания на ΔF0,5 (6дБ), ΔF0,7 (3дБ)
Схема установки:
Рис.2.4.1
ГЗЧ – генератор звуковой частоты, Rс – согласующее (балластное) сопротивление, ЭВ – электронный вольтметр, Сф – емкость фильтра, Lф – индуктивность фильтра.
Формулы для расчетов:
Δf = fв – fн [Гц] (2.4.1)
Полоса пропускания ΔF0,5 , ΔF0,7 .
Добротность: Q = [ед. добротности Q] (2.4.2)
Таблица измеренных значений:
f, Гц |
U,дБ |
450 |
4 |
500 |
4,4 |
600 |
5,4 |
700 |
6,2 |
800 |
7,5 |
900 |
8,6 |
1000 |
9,8 |
1100 |
10 |
1200 |
9,3 |
1300 |
8,7 |
1400 |
8,1 |
1500 |
7,5 |
1600 |
7,0 |
1700 |
6,6 |
1800 |
6,1 |
1900 |
5,7 |
2000 |
5,4 |
2100 |
5,1 |
2200 |
4,8 |
2300 |
4,6 |
2400 |
4,5 |
2500 |
4,3 |
2600 |
4,1 |
2700 |
4 |
ΔF0,5 = 1530Гц
ΔF0,7 = 820Гц
Δf = fв – fн = 1530-820 = 710Гц
Fрез =1100Гц
Добротность рассчитали по формуле 2.4.2: Q0,5 = 0,71 ед.
Q0,7 = 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:
-
Провести градуировку микрофона методом сравнения с эталоном
-
Построить АЧХ двух микрофонов
Схема установки:
ГЗЧ – генератор звуковой частоты, МЗЗК – малая звукомерная заглушенная камера («эхобокс»), ГМ – эталонный микрофон, МУ – микрофонный усилитель, ЭВ – электронный вольтметр.
Формулы для расчетов:
Np =20 lg , где P=P0=2∙10-5Па (2.5.1)
-
Рзв = Р0 ∙ 10 () = 0,2 Па
Sэ = [] (2.5.2)
Sи = Sэ ∙ [] (2.5.3)
Таблица измеренных значений:
F, Па |
125 |
250 |
500 |
1000 |
2000 |
4000 |
8000 |
U, мВ |
4000 |
5500 |
4000 |
900 |
450 |
1700 |
2100 |
Uизм, мВ |
0,4 |
3,4 |
3,1 |
3,4 |
0,3 |
0,3 |
2 |
Uобр, мВ |
6,4 |
7,2 |
8,6 |
3,8 |
1,9 |
3 |
0,9 |
Sизм, |
0,2 |
1,7 |
1,5 |
1,7 |
0,1 |
0,1 |
1 |
Sобр, |
3,2 |
3,6 |
4,3 |
1,9 |
0,9 |
1,5 |
0,4 |
Вывод: Построили частотные характеристики и исследовали чувствительность эталонного микрофона и исследуемого микрофона в диапазоне частот от 125Гц до 8000Гц.