Исследование качества звукопередачи в помещениях
advertisement
МИНИСТЕРСТВО КУЛЬТУРЫ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ___________________________ КИНО И ТЕЛЕВИДЕНИЯ» ____________________________ Факультет аудиовизуальной техники Кафедра акустики Акустика, часть 2 (Акустика помещений) Методические указания к лабораторным работам Санкт-Петербург 2010 УДК 621.396.7 Рецензент: проф., доктор техн. наук В.К.Уваров. Авторы: В.В.Давыдов, Н.А.Смирнова; под ред. В.В.Давыдова. Рекомендованы к изданию кафедрой акустики СПбГУКиТ 02.07.10, протокол №14. С СПбГУКиТ, 2010 ВВЕДЕНИЕ Представленные методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов очного и заочного обучения по специальности 210312 «Аудиовизуальная техника» (ФАВТ) и 051500 «Звукорежиссура» (ФЭИ), изучающих, соответственно, дисциплины «Акустика, Часть2 (Акустика помещений) и «Архитектурная акустика». Причем дисциплина «Акустика» входит в блок специальных дисциплин федерального компонента специальности 210312. При составлении указаний учтено, что студентами уже ранее выполнены лабораторные работы по предшествующим дисциплинам: «Теоретические основы акустики» и «Акустика, Часть 1 (Электроакустическая аппаратура)», а также – ряду других общих и специальных дисциплин. Поэтому предполагается, что студенты достаточно знакомы с основными акустическими процессами в воздухе, преобразователями для приема и возбуждения звуковых колебаний, а также имеют опыт по экспериментальным измерениям и обработке их результатов. Описания каждой работы формализовано по основным разделам и, кроме целевого назначения, схемы установки и т.д., содержит некоторые теоретические предпосылки, являющиеся основой для проведения необходимых измерений и исследований заданной характеристики или параметра. Контрольные вопросы и список дополнительной литературы предназначены для углубленной подготовки к выполнению работ и устному отчету по каждой из них. После такого отчета студенту зачитывается выполнение данной лабораторной работы. Для успешного выполнения очередной работы необходимо предварительная подготовка к ней с использованием данных методических указаний. Проверка такой подготовки проводится преподавателем перед началом работы. Вторым условием допуска к работе является представление полностью оформленного отчета (одного на бригаду студентов) по ранее выполненной работе или зачет по ней. В силу известной специфике часть лабораторных работ проводится на физических моделях помещений. Оценка акустических процессов методами моделирования базируется на данных теории подобия между условиями испытаний на моделях и в натуре, которая показывает, что, если модель геометрически подобна помещению - оригиналу и выполнена в линейном масштабе 1:m, то при соблюдении заданных граничных и начальных условий в воздушном объеме модели акустические процессы будут подобны процессам в помещении, но в другом – временном (t:m) и частотном (f*m) масштабах. Здесь наиболее сложно оперировать с временными зависимостями сигналов с использованием аналоговых измерительных приборов, поэтому в некоторых работах будет предусматриваться запись и обработка на персональных компьютерах. При начале цикла лабораторных работ студенты должны ознакомиться с правилами техники безопасности и, находясь в лаборатории, неукоснительно их соблюдать. Во время лабораторных занятий студенты должны следить за комплектностью, исправностью приборов и всех элементов измерительной установки. При их неисправности или отсутствии немедленно сообщить преподавателю или лаборанту. Результаты измерений по каждой части работы должны быть продуманы студентами и обязательно обсуждены с преподавателем во избежание как частных ошибок, так и неправильных результатов в целом по работе. После выполнения всех циклов измерений и расчетов студенты должны представить черновик отчета преподавателю и получить задание на новую работу, оборудование работы должно быть сдано исправным и в полной комплектности. Авторы выражают искреннюю признательность магистрантам кафедры акустики М.М.Полянской и Л.В.Чигиринской за большую работу по подготовке и правке компьютерного текста указаний к изданию. Работа № 1 Измерение реверберационных параметров помещений 1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения и расчета ряда реверберационных параметров помещений. 2. Общие сведения Под реверберационными параметрами помещений понимаются некоторые промежутки времени, продолжительность которых вносит изменения в переходные процессы в первичном (прямом) звуке источника, отсутствующие в свободном пространстве. Возникающие переходные процессы обусловлены отражениями от поверхностей помещения, которые приходят к слушателю с достаточной интенсивностью и задержкой во времени в виде отзвуков. Кроме того, отзвуки предыдущих речевых или музыкальных импульсов, накладываясь во времени в паузы сигналов, маскируют их, что в целом ухудшает качество звукопередачи как за счет таких мультипликативных помех, так и их аддитивных составляющих при значительных (более 200 мс) запаздываниях отражений. Наиболее известным временным параметром (характеристикой) помещений является время стандартной реверберации T60, которое, исходя из формального удобства, обычно находят по процессу затухания энергии. T60 – это такой промежуток времени после выключения (или в паузах) прямого звука, в течение которого звуковая энергия в помещении уменьшается в 10 6 раз, что по уровню энергии составляет 60 дБ. Несмотря на широкое использование на практике, T60 является величиной среднестатистической, так как его измерение и расчет справедливы лишь при достаточно большом количестве отражений (не менее 150), приходящих в любую точку прямоугольных и соразмерных помещений, и экспоненциальной зависимости затухания (нарастания) энергии, что характерно только для идеализированных диффузных полей. В этом случае отношение энергии E(T60) (в момент t=T60) к энергии в установившемся (стационарном) режиме E0 (при t=0) равно E (T60 ) / E0 e T60 10 6 , c S – показатель затухания помещения с объемом V и площадью S 4V всех поверхностей помещения со средним коэффициентом звукопоглощения , включающим в себя коэффициенты звукопоглощения всех объемных элементов (стулья, зрители и т.п.); с – скорость звука в воздухе. Отсюда получается классическая зависимость Сэбина для диффузного поля в помещении, когда 0.2 [1,2], т.е. где T60 ln[ E (T60 )/ E0 ] ln106 13.8 0.164V S . (1.1) При >0,2 в помещениях диффузное поле в целом не обеспечивается, поэтому более точной является формула, полученная Эйрингом, но также для соразмерных помещений (отношение длины к высоте помещения меньше пяти) [3] T60 0,164V S ln(1 ) (1.2) В общем случае в (1.1) и (1.2) необходимо учитывать влияние поглощения звука в воздухе, что осуществляется путем введения в знаменатели дополнительного слагаемого 4V (где показатель затухания звука в воздухе, 1/м). Тогда, например, в (1.2) будем иметь [4] V T60 4 V0,164 S ln(1 ) (1.3) Необходимо отметить, что на частотах выше 4 кГц расчет и измерение T60 теряют смысл, поскольку слагаемое 4V становится гораздо больше, чем звукопоглощение поверхностей помещений. Для несоразмерных помещений (отношение длины к высоте больше пяти) в формулу для T60 необходимо вводить не среднее, а точное значение длины свободного пробега звуковой волны в данном помещении или использовать нормально-логарифмическое распределение средних коэффициентов затухания по трем координатным осям помещения. Данная нормализация дает следующее выражение T60 (формула Арау) для помещений нормального типа (с тремя парами взаимнопараллельных поверхностей) Y 0.164V 0.164V 0.164V , T60 x S y S z S X Z (1.4) где X, Y и Z – соответственно, отношение сумм площадей двух противоположных поверхностей помещения, обеспечивающих отражения при распространении звуковых волн вдоль осей х, у и z к общей площади; x , y и z соответственно, средние коэффициенты звукопоглощения указанных поверхностей. Физиологическая особенность слуха человека, заключающаяся в том, что ощущения пропорциональны логарифму раздражения, позволяет значительно упростить процедуру аппаратурного моделирования слухового восприятия путем измерения T60 с помощью логарифмического самописца уровней, когда процесс затухания уровня энергии в диффузном поле (e-T) подчиняется линейной зависимости (-Tlge). При этом в ряде случаев нет необходимости регистрировать уменьшение уровня на 60 дБ. Вполне достаточно ограничиться разницей в уровне порядка N=30дБ [3] и найти T60 по измеренному промежутку времени tu , т.е. T6030дБ, а tu N(30)дБ, тогда 60 2l (1.5) Т 60 tu , N где l путь, пройденный регистрирующей бумагой самописца при уменьшении уровня звука на N(30) дБ; скорость движения бумаги. Однако линейность хода затухания уровня энергии, являющаяся своеобразной мерой акустического достоинства помещений, на практике встречается сравнительно редко. Более часто кривые затухания изобилуют пиками и изломами, обусловленными отдельными (не диффузными) отражениями, особенно проявляющимися при близком расположении приемника (слушателя) и источника. Время стандартной реверберации, измеренное по таким аномальным кривым, уже не в полной мере характеризует акустические условия в помещениях. Поэтому для оценки помещений по кривым затухания энергии были предложены и другие временные параметры. Так, исходя из условий лучшей корреляции со слуховым восприятием (по ранним отражениям), используется время раннего спада T10 , или EDT (Early Determination Time) – это время реверберации, определяемое по начальному участку кривой затухания энергии в пределах от 0 до –10 дБ. При расчете T10 наклон начального участка аппроксимируется до –60 дБ. Понятно, что при линейной зависимости до –60 дБ Т10 будет равно T60, что, как правило, требуется для диффузного поля. Таким образом высчитываются и параметры T20 (участок –5 … –25 дБ ), Т30 (–5 ... –35 дБ ) [2]. Расчет данных параметров пока теоретически не обоснован, но некоторое приближение к ним имеет зависимость для времени эквивалентной реверберации, которое определяется с учетом свойств слуха, расстояния r между источником и микрофоном, а также их направленных свойств по формуле 1.2Т 60 , (1.6) Tэк 2 1.2 Т 60 lg(1 r0 М ) где r0=rг/r – нормированный радиус гулкости, учитывающий, кроме r, направленные свойства источника и общее звукопоглощение помещения; м – коэффициент направленности микрофона. В целом большую информацию об акустических свойствах помещений дают так называемые энергетические критерии качества звукопередачи, определяемые (подобно слуху) по процессам нарастания звуковой энергии, но более сложным образом (см. работу №3). 3. Описание установки Структурная схема установки для измерения временных параметров помещения показана на рис.1.1. На входе используется широкополосный генератор ГШ «белого» или «розового» шума. С помощью полосового фильтра ПФ1 из широкополосного шума «вырезаются» 1/1 или 1/3 октавные полосы шума, напряжение которого через усилитель мощности УМ подводится к громкоговорителю ГГ, возбуждающему в испытуемом помещении П звуковые колебания, давление которых регистрируется не менее чем в пяти различных точках для каждой полосы шума с помощью ненаправленного М1 или направленного М2 микрофонов. После преобразования, усиления и соответствующей фильтрации напряжение с выхода микрофона М1 или М2 подается на логарифмический самописец уровня СУ. На движущейся бумажной ленте СУ записывается (в зависимости от времени) процесс нарастания энергии при включении ГГ, а при его выключении - процесс затухания энергии в помещении в заданной частотной полосе. По полученным графикам находятся реверберационные параметры помещения и их частотные зависимости. Рис 1.1. Схема измерительной установки: ГШ - генератор шума; ПФ1 и ПФ2 – полосовые фильтры; УМ – усилитель мощности; П1 и П2 переключатели; ГГ – громкоговоритель; М1 и М2 – микрофоны; МУ – микрофонный усилитель; П – помещение; СУ – самописец уровня напряжения (ПК – персональный компьютер) 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Ознакомиться со схемой измерительной установки и особенностями помещения, микрофонов, громкоговорителя. При необходимости выполнить отмеченные между приборами соединения. Включить питание приборов и дать им прогреться в течение 3-5 мин. 4.2. Для измерения частотной характеристики стандартной реверберации Т60 в диапазоне частот 125 (63)…8000 Гц необходимо проделать следующее: установить на ПФ1 и ПФ2 низкочастотную 1/1 октавную полосу с центральной частотой 125 (63) Гц. Включить громкоговоритель и ненаправленный микрофон М1, размещенный в одной из выбранных точек помещения на расстояниях не менее 1.5 м от источника и боковых стен. Установить такой уровень напряжения на громкоговорителе, который по отклонению пера на СУ превышает более чем на 10...15 дБ уровень шума в помещении. Включить лентопротяжное устройство СУ и через короткий промежуток времени включить ГТ с помощью П1. Условием правильности записи процесса затухания является изменение положения пера от максимального до уровня фиксируемого шума в помещении на движущейся бумажной ленте. После этого выключить лентопротяжное устройство. Не меняя положение микрофона, установить следующую октавную полосу на ПФ1 и ПФ2 также с установкой максимального положения пера. Повторить запись затухающего процесса. Запись процесса затухания и расчет Т60 (1.5) выполнить для всех октавных полос в диапазоне 125 (63)...8000 Гц с соответствующими отметками на бумажной ленте. Перенести микрофон в другую точку помещения и повторить процесс записи кривых затухания и расчет Т60 в той же последовательности и в тех же частотных полосах, что и при размещении микрофона в первой точке. Точки, в которых производятся измерения, выбираются так, чтобы их распределение по площади пола было равномерным, но не близко к громкоговорителю и стенам. Результаты расчета в каждой полосе, точке и среднее по всем точкам записать в табл. 1.1. Таблица 1.1 Т60(fц) Точки измерений Точка 1 Время стандартной реверберации (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц 63 125 8000 Точка 2 … Среднее по точкам По данным табл. 1.1 построить график зависимости Т60 от частоты. 4.3. Для измерения направленной реверберации (по методу Арау) необходимо следующее: подключить к схеме направленный микрофон М2 и выполнить измерения и расчеты подобные п.4.2, но с тем отличием, что количество точек для каждой полосы шума уменьшается до трех, а в каждой точке производится троекратное ориентирование микрофона по координатным осям помещения. Результаты измерений, расчета и усреднения по трем точкам и по всем координатам записать в табл. 1.2. Таблица 1.2 Т60(fц) Точки измерений Точка 1 Точка 2 Точка 3 Среднее, Тx … Среднее, Тy … Среднее, Тz Среднее по осям, T60A , с Время реверберации (по Арау) (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц 63 125 8000 … … … … … … … … … … … … … … … … По полученным результатам построить графики зависимости Tx ( f ), Ty ( f ) , Tz ( f ) , T60A ( f ) . Последний график сравнить с Т60 по п.4.2 и сделать выводы. 4.4. Для измерения времени раннего спада Т10 и расчета эквивалентной реверберации необходимо сделать следующее: установить направленный микрофон М2 на расстояниях по акустической оси громкоговорителя r1 0.5rГ , r2 rГ , выполнить аналогичные п.4.2 измерения в каждой октавной полосе заданного диапазона. Расчеты Т10 по графикам затухания и Тэк по формуле (1.6) с данными табл. 1.1 записать в табл. 1.3. Таблица 1.3 Т60(fц) Точки измерений r1= r2= Т10 Время реверберации (с) в октавных полосах с центральными частотами fц, Гц 63 125 8000 Тэк Т10 Тэк По полученным результатам построить графики зависимости T10 ( f ), Tэк ( f ) для двух расстояний и пояснить результаты. 5. Содержание отчёта В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) графики частотных характеристик временных параметров помещения и ленту с записью процессов нарастания звука; 5) выводы по всем пунктам измерений. 6. Контрольные вопросы 1. Почему для измерения времени реверберации применяют генератор шумовых колебаний? 2. Как результаты измерения реверберации зависят от расстояния между микрофоном и источником? 3. Чем объясняется различие во времени реверберации на различных частотах? 4. С какой целью при измерениях реверберации используют направленный микрофон? 5. Когда в расчетах и измерениях Т60 допустимо среднестатистическое усреднение? Литература 1. Щевьев Ю.П. Физические основы архитектурно-строительной акустики. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2001. 2. Боголепов И.И. Архитектурная акустика: Справочник. - СПб.: Судостроение, 2001. 3. Давыдов В.В. Акустика помещений: Текст лекций. - СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 1994. 4. СНиП 23-03-2003. Защита от шума. - М.: Госстрой России, 2004. Работа № 2 Исследование влияния геометрических параметров помещения на временные и спектральные свойства сигналов 1. Цель работы: ознакомление с особенностями влияния формы помещения на временные и спектральные свойства передаваемого звукового сигнала. 2. Общие сведения К геометрическим параметрам помещения, как известно, относятся его форма и линейные размеры: длина, ширина, высота, определяющие объем и площадь в целом, а также площадь отдельных ограничивающих поверхностей. В статистическом приближении звукопередача в помещениях базируется в основном на средних параметрах: длине ср , времени свободного пробега волн ср и коэффициенте звукопоглощения ср с величинами в пределах допустимых значений. А такие важные параметры, как форма помещения и его поверхностей, а также порядок размещения звукопоглощающих материалов практически не учитываются. Детальный анализ пространственных и временных факторов, влияющих на звукопередачу и слуховое восприятие, осуществляется посредством дополнения к статистической – геометрической теории. Расчет звуковых полей в помещениях методами геометрической (лучевой) акустики дает удовлетворительные результаты в области средних и высоких звуковых частот, т.е. при сравнительно малых длинах волн излучаемых колебаний, когда звуковая энергия (точнее, интенсивность – I ) источника концентрируется и отражается в определенных направлениях («лепестках») с незначительными телесными («лучевыми») углами. Здесь в отличие от «геометрической» оптики «зеркальные» отражения обеспечиваются достаточно массивными 2 (поверхностная масса mП 20кг / м ) обычно плоскими ограждениями и локальными коэффициентами звукопоглощения i 0.2 и не «мгновенно», а в пределах запаздывания 0 t 2 ср , т.е. в начальных стадиях переходных акустических процессов. Для таких процессов, недоступных статистической обработке, но важных для слухового восприятия, характерно наличие сравнительно небольшого количества (5..6 первых и 25..30 вторых) ранних дискретных отражений, приходящих в любую точку с локальными ti относительно прямого звука. Эти отражения (как «близкие» копии), несут (дополняют) наиболее точную слуховую информацию о прямом звуке, расположении X И его источника и слушателя X С относительно ближайших отражающих поверхностей и в целом о размерах и обработке помещений, благодаря, в первую очередь, интегральным свойствам слуха в течение предельного времени запаздывания (ПВЗ) [1]. Расчет t i осуществляется методами геометрической (лучевой) акустики путем сравнения путей распространения (длин лучей) обходной (падающей пр , т.е. отр ) и прямой энергии пад и отраженной t i l / c (l пад lотр l пр ) / с, (2.1) где с – скорость звука в воздухе. Одновременно такие отражения, как сравнительно «близкие» копии прямого звука, дополняют слуховую информацию о расположении источника «по глубине» и в целом, о размерах и акустической обработке поверхностей помещений, благодаря суммарной оценке потерь энергий, точнее, интенсивностей прямого звука Iпр и сопутствующих ранних отражений I отр , действующих под наклоном в начальных стадиях переходных процессов звукопередачи в помещениях. Эти потери вызваны геометрическим расширением фронта сферических волн (закон обратных квадратов) на расстояниях пад отр и поглощением i соответствующих поверхностей относительно потерь прямого звука на с учетом корреляционной пр (интерференционной) поправки [2] l пр I (2.2) N i 10 lg i 20 lg 10 lg[ 2 i 2 1 i cos(t i )], I пр l пад lот р где i - локальный коэффициент звукопоглощения для плоской отражающей поверхности; 2 f - угловая частота возбуждаемых колебаний. Из (2.2) видно, что именно ранние отражения дают дополнительную информацию о связи источника с локальными зонами помещения по передаточной функции с переменными , ti и l c t i . Причем конструктивная (гомофазная: cos(ti ) 1) корреляция проявляется при совпадении направлений распространения прямого и отраженного звуков и в совокупности с менее коррелированными (энергетическими) ранними отражениями ( ti ПВЗ ) способствует локализации источника, повышению разборчивости речи (примерно 3-4% на одно интенсивное отражение) и прозрачности звучания музыки. Деструктивная ( cos(ti ) 1 ) корреляция с отражениями, приходящими с противоположной стороны, наоборот вызывает значительное ухудшение звукопередачи в помещениях. При ti >ПВЗ связь теряет фазовые различия и становится пренебрежимо малой ( cos(ti ) 0 ) и в (2.2) выполняется простой закон энергетического суммирования [3]. В целом, можно показать, что на структуру ранних отражений главным образом влияют те поверхности помещения, которые находятся вблизи от источника звука, а точнее в пределах 1\3 объема помещения. Здесь форма потолка и боковых стен приобретает особое значение, в то время как остальная часть помещения влияет в основном на завершающую стадию переходных процессов, т.е. время реверберации. Музыка, разговорная речь и фоновые шумы (натуральные звучания) представляют собой звуки или сочетания звуков, которые быстро меняются произвольным образом во времени по высоте, тембру и громкости. Объективно такие изменения сложных колебаний, в состав которых входит ряд гармонических составляющих (обертонов), характеризуются изменением основной частоты, спектра гармоник и уровня звукового давления. Так, звуковые колебания, возникающие при речеобразовании, представляют сигналы сложной формы, зависящие от строения голосового аппарата, эмоционального состояния говорящего и индивидуальных особенностей. Основным элементом словообразования являются голосовые связки, которые, регулируя поток воздуха из лёгких, в голосовой щели создают импульсы с формой, близкой к треугольной или пилообразной. Импульсы могут считаться периодическими с частотой основного тона. Среднее значение частоты основного тона для мужского голоса составляет около 140 Гц, а для женского – 230 Гц. Однако на выходе голосового аппарата возникают колебания, существенно отличающиеся по форме и спектру от колебаний голосовой щели, поскольку поступающие из неё импульсы воздуха возбуждают в полости горла некоторую суперпозицию большого числа затухающих гармонических колебаний подобно параметрическому контуру ударного возбуждения. Здесь характер сигнала можно также интерпретировать как импульсный, но с амплитудно- или частотно-модулированным наполнением неравносторонней треугольной, экспоненциальной или (в идеале) прямоугольной огибающей. Длительность периодов несущих колебаний при этом оказывается в 4…5 раз меньше периода исходных колебаний, а частота, соответственно, выше. Это способствует большей концентрации звука при излучении, в то время как непосредственная звукопередача исходных низкочастотных составляющих потребовала бы источников большой мощности и значительных размеров. Амплитудная или частотная модуляция характерна и для большинства музыкальных сигналов, особенно воспроизводимых инструментами двойного воздействия (духовые, струнные и др.). Следовательно, и здесь, с одной стороны, задается темп (ритм) и огибающая звуков, а с другой – высокочастотное наполнение. По сравнению с нормальной речью музыка имеет большую разницу в длительностях импульсов от 0,06 до 4 с и более широкий диапазон частот. Причем большая длительность музыкальных «импульсов» в соответствии с теоремой о ширине спектра: t f 1 приводит к уменьшению ширины боковых полос и количества составляющих в спектре модулированного колебания. При этом имеется возможность на слух определить в звуке отдельные тональные составляющие, которые имеют наибольшие амплитуды. Для речи, как правило, это сделать не удается из-за меньшей длительности импульсов, приводящей к расширению боковых полос и увеличению количества составляющих. Определенное приближение, например, к речевому сигналу имеют импульсно- или амплитудно-модулированные звуковые колебания в диапазоне 100…8000 Гц с инфразвуковой гармонической модуляцией как аналога скорости артикуляции (темпа речи) в диапазоне дискретных значений 0,63…12,5 Гц. Последний вариант используется в акустическом комплекте 3361 (фирмы Брюль и Къер, Дания) для объективных измерений разборчивости речи по методу RASTI (коэффициента качества передачи быстрой речи), учитывающему последовательно влияние реверберации и фоновых шумов [4]. Для сокращения объема и времени электронных вычислений в методе часто используются лишь две октавные полосы 500 и 2000 Гц «розового шума», соответственно, с четырьмя ( 1,2,4,8Гц ) и пятью ( 0,7;1,4;2,8;5,6;11,2Гц ) частотами инфразвуковой модуляции. Частым случаем амплитудно-модулированных колебаний могут служить одиночные или периодические импульсы различной формы с высокочастотным заполнением (радиоимпульсы) с более «крутыми» фронтами. Именно такие сигналы используются в НИИСФ (г. Москва) при исследовании влияния ранних отражений на качество передачи речи как в реальных помещениях, так и в их масштабных копиях [5]. Для этой цели применяются типовые анализаторы спектра колебаний последовательного типа с переключаемыми полосовыми 1/3 или 1/1 октавными фильтрами с центральными частотами f ц ц / 2 и соответствующими полосами пропускания f 0 . На вход выбираемого фильтра подаются обычные (видео) импульсы прямоугольной формы с переменными основными характеристиками: амплитудой U m , длительностью и в периоде Т, скважностью q T / и и, соответственно, частотой следования (повторения) импульсов 2 F . Аналитическая зависимость последовательности прямоугольных электрических видеоимпульсов с напряжением u (t ) на входе фильтра имеет вид u(t ) U m при 0 t и ; u (t ) 0 при и t T . Типовое разложение в ряд Фурье такой четной функции, не содержащей четных гармоник, дает значения постоянной составляющей U 0 U m / 2 и всех амплитуд составляющих U n ( ) 2U m n u 2U m nu sin sin n 2 n T (2.4) где n=1,2,3… номера гармонических составляющих. Из (2.3) следует, что спектр разложения подчиняется зависимости sin x / x , где основная энергия последовательности видеоимпульсов находится в полосе F 3F . С повышением n и Т амплитуды гармоник уменьшаются. А увеличение длительности паузы между импульсами при прежнем и приводит к уменьшению ( F ) и заметному изменению спектра как по составу, так и энергии. Воздействие видеоимпульсов на фильтр (как контур «ударного» возбуждения) приводит с некоторой задержкой к возникновению на его выходе радиоимпульсов с амплитудной модуляцией, определяемой формой, длительностью и амплитудой видеоимпульсов. При этом оказывается, что спектр последовательности радиоимпульсов при f ц F повторяет (в двойном «размере») спектр видеоимпульсов, но при наличии частоты 0 2f ц ,справа и слева от которой располагаются симметрично гармоники i с интервалами, равными F, затем 3F,5F и т.д. Эта связь спектров описывается простым выражением U n ( ) U n () [(0 n1 ) (0 n1 )] . 2 (2.4) Таким образом, каждой частоте F гармонической составляющей видеоимпульса с амплитудой U () или U ( F ) U1 соответствуют уже две «боковые» составляющие спектра радиоимпульса с частотами 0 1 и 0 1 . Эти составляющие имеют одинаковые величины амплитуд спектра, в точности равные 1/2 соответствующей амплитуды спектра видеоимпульса. То же самое относится и к гармоникам более высоких порядков, а постоянной составляющей видеоимпульса соответствует гармоническая составляющая радиоимпульса «несущей» частоты 0 с амплитудой U1 (0 ) U 0 / 2 . Однако активная ширина спектра 2 f радиоимпульса оказывается в 2 раза больше активной ширины спектра видеоимпульса F 3F . 3. Описание установки Рис. 2.1. Структурная схема измерительной установки: ГИ – генератор импульсов; ПФ – полосовые фильтры; УМ – усилитель мощности; В1, В2 – вольтметры; МП – макет помещения; ОК – отражающий козырек; Гр – громкоговоритель; О – осциллограф; АС – анализатор спектра; ГТ – головные телефоны В установке для исследования влияния отражений на амплитудные спектры измерительного сигнала используется макет помещения (МП) – зрительного зала к/т «Рекорд» в Санкт-Петербурге, выполненный в масштабе 1:100. Макет изготовлен из оргстекла толщиной 5 мм, размерами 0,58×0,29×0,19 м, частично его поверхности обработаны звукопоглощающими материалами. В передней части макета, вблизи расположения источника (громкоговорителя Гр), установлены поворотные пластины как на боковых стенках, так и на потолке, позволяющие в определенных пределах изменять конфигурацию поверхностей и менять тем самым направления и углы отраженных лучей. Для возбуждения звуковых колебаний в макете помещения, кроме громкоговорителя, используется усилитель мощности УМ, на вход которого подается периодическая последовательность импульсов с заданной частотой следования F (от генератора импульсов ГИ), модулирующих амплитуду собственных колебаний с частотой 0 полосового фильтра ПФ. Для приема в основном прямого звука используется «ближний» микрофон М1, а для суммарного звука (прямого и отраженного) – «дальний» микрофон М2. Усиление и контроль колебания на выходах микрофонов осуществляется микрофонными усилителями МУ1 и МУ2, в качестве которых используются высокочувствительные вольтметры. Анализ амплитудных спектров, наблюдение за формой колебаний в различных частях электроакустического тракта осуществляется с помощью анализатора спектра АС и двулучевого осциллографа О. Субъективная оценка колебаний на слух производится с помощью головных телефонов ГТ. Коммутация сигналов и приборов выполняется посредством переключателя П или входных разъемов. 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Анализ амплитудного спектра исходного сигнала: 1) Ознакомиться со схемой измерительной установки и конструкцией модели помещения. Установить отражающие козырьки в макете параллельно плоскостям боковых стенок и потолка. 2) Выбрав частоту следования и длительность прямоугольных импульсов для имитации звукопередачи речевого сигнала с нормальным темпом при равенстве, например, средних длительностей импульсов и пауз (скважность q 2 ) можно найти частоту их следования для заданного темпа речи. При среднем темпе русской речи 5 сл/с частота следования составит 5 Гц, а при замедленном и ускоренном темпах, соответственно – 1 и 11 Гц, но для соблюдения правил подобия при моделировании процессов необходимо проводить исследования при частотах, увеличенных в m раз (масштаб), а соответственно, временные параметры должны быть уменьшены в это же число раз. 3) Выполнить расчет частот и амплитуд (включая пятую гармонику) гармонических составляющих для выбранного колебания (2.3) и записать их значения в табл. 2.1, принимая амплитуду первой гармоники на выходе генератора за единицу (0 дБ). 4) Включить необходимые измерительные приборы без блока полосовых фильтров, установить на генераторе импульсов частоту следования и длительность импульсов для выбранного колебания и провести анализ его составляющих с помощью анализатора спектра. Результаты измерений с учетом полос пропускания фильтров АС записать в табл. 2.1 и построить зависимость N n ( F ), дБ . Зарисовать в масштабе с экрана осциллографа форму колебаний на выходе генератора для одного-двух периодов. Частота развертки осциллографа должна быть синхронизирована с частотой генератора. Таблица 2.1 Амплитудный спектр исходного электрического сигнала: частота следования F=… Гц; период следования Т=…с; длительность импульсов u ...c ; скважность q 2 Форма Уровень напряжения гармоник на выходе колебания, в/и генератора, дБ Расчет N p ,дБ Измерение N и , дБ Частота, Гц N1 0 n=1, F= … n=2, … … … … … … n=5 … … 5) Повторить расчет измерения по п. 4.1 при q 5 с исходным и . Записать сравнительные выводы. В Н И М А Н И Е!!! При установках напряжения на генераторе и усилителе мощности обязательно избегать перегрузки громкоговорителя во избежание выхода его из строя! 4.2. Анализ временной и спектральной структуры модулированных электрического и звукового [ p( ) ] сигналов: 1) Включить в схему блок полосовых фильтров и подобрать так центральную частоту следования импульсов F(в пределах ± 5%), чтобы в паузе модулированного сигнала (по осциллограмме на выходе УМ) были переходные процессы. 2) Выполнить расчет амплитуд и частот, составляющих модулированного колебания по (2.4) и записать их значения в табл. 2.2, принимая амплитуду несущей частоты 0 за единицу (0дБ). Оценить их соответствие уровням гармоник импульса. 3) Измерить составляющие спектра с помощью АС на выходах УМ, МУ1 (ближний микрофон) и МУ2 (дальний микрофон). Записать результаты в табл. 2.2 и зарисовать соответствующие временные зависимости с экрана осциллографа. Форма Колебания, р/и Частота, Гц Таблица 2.2 Уровень напряжения (давления) составляющих АМ сигнала, дБ Расчет , дБ f 0 5 F ... Измерение на выходах, дБ УМ МУ1 МУ2 … … … … 0 0 0 0 … … … … f 0 3F ... f 0 F ... f 0 ... f 0 F ... f 0 3F ... f 0 5 F ... 4) Повторить расчет и измерения по п. 4.2. (1,2,3) для АМ колебания, имитирующего произвольный музыкальный сигнал при 2...4c , но с учетом масштаба моделирования! Результаты сравнить с предыдущим случаем. 5) Подобрать положения и углы наклона Θ отражающих козырьков на потолке и боковых стенах модели так, чтобы получить на выходе МУ2 максимум амплитуд составляющих спектра АМ сигнала. Для каждого случая отметить расположение и углы наклона козырьков. 6) Регулируя положения потолочного козырька, оценить максимальный интерференционный эффект в точке М2 за счет разности хода обходного (lпад+lотр) и lпр звуков. Приращение амплитуд будет максимальным, если разность хода ( с ) будет пропорциональна целому числу k длин (λ) волн звука, т.е. когда (2.5) с отр. пр. k k , а соответствующее время запаздывания пропорционально целому периоду, который определяется временными параметрами сигналов. Здесь следует выполнить сравнительную оценку на слух звуковых колебаний в различных частях схемы, путем подключения головных телефонов. Целесообразно проводить прослушивание, когда один из головных телефонов, например, в правом ухе, подключается на выход МУ1, а другой, на левом ухе – на выход МУ2. 5. Содержание отчета В отчет необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) виды временных зависимостей и спектров для всех режимов; 5) выводы по разделам измерений и результатам прослушивания. 6. Контрольные вопросы 1. В чем состоит принцип имитации речевого сигнала при акустическом моделировании? 2. Какую роль при прослушивании в помещениях звука играют первые отражения? 3. Перечислите основные причины использования в помещениях отражающих козырьков. 4. Какие основные преимущества при звукопередаче имеет амплитудномодулированный сигнал? 5. При какой скважности видеоимпульсов в модулируемых радиоимпульсах наиболее заметны тональные составляющие? Литература 1. Анерт В., Стеффен Ф. Техника звукоусиления. Теория и практика. - М.: «ПКФ Леруша», 2003. 2. Давыдов В.В. Акустика помещений. Текст лекций. – СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 1995. 3. Акустика: Учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. проф. Ю.А. Ковалгина. - М.: Горячая линия – Телеком, 2009. 4. Стандарт USA. ANSI.S.3.2 – 1999. 5. Щиржецкий Х.А. О возможности использования импульсных откликов полосовых фильтров при акустических измерениях: Сб. трудов НИИСФ. – М.: 1981. – С. 22-29. Работа № 3 Исследование качества звукопередачи в помещениях 1. Цель работы: ознакомление с методиками субъективной и объективной оценки качества звукопередачи речи (музыки) в гулком помещении. 2. Общие сведения Качество звукопередачи в помещении определяется рядом объективных и субъективных критериев. К числу последних следует, прежде всего, отнести понятность речи, которая оценивается соответствующим количественным критерием – разборчивостью S. Под этим термином чаще всего понимают слоговую разборчивость, которая определяется отношением правильно понятых слогов к общему числу произнесённых, выраженную в процентах[1]: Sсл = mпп / mпр • 100 %, (3.1) где mпп – число правильно понятых слогов; mпр – число произнесённых слогов. Слог представляет собой характерную совокупность фонем (звуковых единиц), обладающую вполне определёнными параметрами и информативностью в результате последовательного сочетания процесса нарастания амплитуды звука, затем некоторого промежутка времени существования её и, наконец, затухания амплитуды. Здесь согласные и гласные звуки неразрывно связаны друг с другом, но гласные звуки, формируемые импульсом воздуха голосовой щели, более продолжительны по времени, обладают большим давлением и могут самостоятельно формировать слоги. Для русской речи гласные звуки под ударением имеют в среднем длительность около 0,2 с, а неударные – 0,1 с, с амплитудой давления на близких расстояниях (8...10см) ото рта до 0,1 Па[2]. Согласные же звуки, образуемые шумами при продувании воздуха в полости рта, имеют меньшую продолжительность и амплитуду давления, участвуя в слоге только в сочетании с гласными звуками. Длительность согласных изменяется в диапазоне от 0,02 до 0,15 с при среднем значении около 0,1 с. Их амплитуды также изменяются в более широких пределах со средним значением порядка 0,01 Па, определяя тем самым динамический диапазон речевых сигналов. Таким образом, если представить речевой сигнал в виде амплитудно- или частотно-модулированных тональных импульсов, то влияние помещения будет проявляться в изменениях временных, частотных, амплитудных и даже пространственных характеристик первичного сигнала. Особенно заметно это сказывается на временных зависимостях, когда изменяется продолжительность процессов нарастания и затухания амплитуд. Причём в начальные промежутки времени, особенно заметные на слух, в суммарном сигнале будут учитываться, кроме энергетических, когерентные интерференционные добавки за счёт ранних отражений, а в стадии, близкой к установившейся только энергетические составляющие за счёт отражений с большим запаздыванием. Следовательно, информация, передаваемая импульсным сигналом с малой скважностью, будет значительно искажена. Степень влияния отражений на первичный сигнал характеризуется так называемым предельным временем запаздывания (ПВЗ), вызывающим ощущение эха между сигналом и его запаздывающим повторением. За пороговое значение ПВЗ для речевых сигналов принимается промежуток времени, не достигающий 40 мс. Здесь наблюдается качественное “слияние” сигнала и его повторения: не заметны на слух временной разрыв между ними и изменение тембра. При интервалах в пределах от 40 ... 60 и даже 85 мс замечается изменение тембра реверберационного характера. Однако при разнице в их уровнях порядка 10 дБ изменение тембра не воспринимается. Для интервалов запаздывания примерно 80 ... 85 мс наблюдается отрыв последующего звука от предыдущего, приходящего к слушателю в одном направлении, т.е. эхо. При этом разборчивость с увеличением интервала запаздывания непрерывно падает, достигая наименьшего значения ≈ 80 % при запаздывании около 200 мс для ораторской речи с нормальным темпом и 350 мс для замедленной повествовательной речи. Однако для интервалов времени, больших 200...350мс, разборчивость вновь увеличивается. Этот факт свидетельствует о том, что малозапаздывающие отражения, имеющие наибольшую корреляционную (мультипликативную) связь с сигналом, оказывают наибольшее влияние на разборчивость. А отражения с большим временем запаздывания, которые приобретают ненаправленный диффузный характер, в меньшей степени влияют на разборчивость речи и воспринимаются на слух как некоторая аддитивная помеха, характеризующая больше помещение, чем источник сигнала. Следует отметить, что именно слоговая разборчивость является одним из немногих субъективных критериев качества передачи речи в помещениях, который получил вполне хорошее объективное подтверждение [3]. Так, в зависимости от архитектурно–акустических данных разборчивость находится из соотношения: Sсл(%) = 96 Kнч · Kвч · KN · KТ. (3.2) Здесь коэффициент 96 учитывает предельное восприятие в идеальных условиях. Коэффициенты Kнч и Kвч, соответственно, учитывают имеющееся или необходимое ограничение полосы частот на низких и высоких частотах в тракте звукопередачи. Коэффициент KN зависит от соотношения сигнал/шум в помещении, а KТ по импульсной реакции выражает зависимость разборчивости от ранних отражений и времени реверберации. Зависимость коэффициентов в (3.2) от соответствующих факторов, определённая опытным путём, показана на рис. 3.1 … 3.3. Существенное значение для временных параметров речи имеет частота следования модулированных импульсов (слогов), или темп речи, влияние которого на разборчивость любой речи в помещениях рассматривалось в своё время В.А. Кнудсеном. Рис.3.1 Рис.3.2 Рис.3.3 Действительно, общий темп речи, определяемый отношением числа лингвистических единиц (слов, слогов), содержащихся в сообщении, ко времени высказывания, для русской речи колеблется от 120 до 400 слогов в минуту (2...7сл/с) при среднем значении порядка 290 слогов в минуту (5сл/c). Установлено, что оптимальным является режим, когда темп предъявления речевой информации равен собственному темпу речи слушающего на родном языке. При медленном темпе усложняется синтетическое обобщение впечатлений, а быстрый темп мешает аналитическому рассмотрению речевого потока. Семантические и эстетические характеристики речи, а также качество любых музыкальных звуков оценивается с помощью значительного количества различных критериев, среди которых можно выделить основные: чёткость, прозрачность, пространственное впечатление и др. Перечисленные критерии являются энергетическими, поскольку определяются соотношением энергий начального и завершающего участков реверберационного процесса помещения. Каждый из критериев может быть определён количественно с помощью соответствующих коэффициентов или индексов, выраженных в децибелах [3]. Так например, индекс чёткости, характеризующий качество звукопередачи речи 50 мс С50 10 lg p 2 (t ) dt p 2 (t ) dt 10 lg[ (r02 1 e 0,7 Т 60 ) e 0,7 Т 60 ] ; (3.3) 50 мс 0 индекс прозрачности, характеризующий качество передачи музыки 80 мс С80 10 lg p 0 2 (t ) dt p 80 мс 2 (t ) dt 10 lg[ (r02 1 e 1,1 Т 60 ) e 1,1 Т 60 ] ; (3.4) индекс пространственного помещения R 10 lg (t ) dt p (t ) dt 25 м с 25 м с 2 о 0 характеризующий гулкость p 2 о впечатления, p 2 п p 2 п (t ) dt 25 м с 80 м с (t ) dt 0,9e 0,35 T60 0,1e 1,1 T60 10 lg 2 r0 1 0,9e 0,35 T60 0,1e 1,1 T60 ’ (3.5) 25 м с где T60 – время стандартной реверберации помещения; r0=rг /r – нормированный, по заданному расстоянию r, радиус гулкости; po – значение звукового давления в данной точке помещения, измеренное микрофоном с круговой характеристикой направленности; pп – значение звукового давления в данной точке, измеренное направленным микрофоном. В последнее время для исследования субъективных характеристик звука в помещении часто используют установку “искусственная голова” (ИГ), с помощью которой можно смоделировать бинауральный приём звуковых сигналов и установить более точно закономерности такого приёма. Поскольку последние основываются на субъективном различении прямого и отражённого звуков, при измерениях необходимо учитывать направление прихода звука. Экспериментально установлено, что боковые отражения вносят наибольший вклад в формирование слухового восприятия, поэтому данный метод предполагает измерять степень взаимной корреляции сигналов на ушах искусственной головы. Приведённые формулы для определения качества звукопередачи в помещении предполагают измерения мгновенных величин звуковых давлений, что требует достаточно сложной аппаратуры. Однако, если использовать гулкое помещение (например, реверберационную камеру), можно применить статистическое приближение (полагая, что переходные процессы подчиняются экспоненциальной зависимости) и численные значения коэффициентов (и индексов) качества звука можно определить расчётным путём с помощью таких характеристик помещения, как время стандартной реверберации T60 и радиус гулкости rг. Значения T60 и rг , соответственно, рассчитываются по формулам: T60 = 0.164 V / αS , (3.6) где V – объём гулкого помещения; А=αS – суммарное поглощение всех поверхностей помещения, rг AФ 4T , (3.7) где Ф – фактор направленности громкоговорителя; Ωт – телесный угол излучения громкоговорителя. Определив T60 и rг, можно рассчитать значения С50, С80 и R по приближенным формулам (3.3)…(3.5). В настоящей работе предлагается провести артикуляционные измерения разборчивости речи по давлению (через коммутируемые от микрофонов ИГ головные телефоны) и в диффузном поле реверберационной камеры при изменении положения слушателей. 3. Описание установки Рис.3.4. Структурная схема установки для оценки качества звукопередачи c помощью макета «искусственная голова»: РК – реверберационная камера (объем V=210м3); В1, В2 – вольтметры – предварительные усилители микрофонов «искусственной головы»; УМ –усилители мощности; Т1, Т2 – стереотелефоны; Г – громкоговоритель; ИМ – измерительный магнитофон, С – слушатель; КУ – коммутационное устройство; ИГ – «искусственная голова». Рис.3.5. Схема коммутации микрофонов: М1,М2 – микрофоны; ПК – переключатель на три положения: СФ – синфазное, ПФ – противофазное, СТ – стерео. 4. Методика проведения работы и обработка результатов 1. Включить приборы измерительной установки и дать им прогреться в течение 3-5 мин. 2. Воспроизвести запись одной артикуляционной таблицы с магнитофона и прослушать её при трёх положениях переключателя ПК. Уровень сигналов в головных телефонах одного-двух слушателей установить с помощью регуляторов УМ примерно одинаковым. Такой же уровень должен быть установлен от ГГ в РК. 3. Перемотать пленку с записью в обратном направлении и вновь прослушать ее, через головные телефоны (один-два студента) и непосредственно в реверберационной камере при фронтальном расположении остальных слушателей. Воспроизводимые слоги записываются в таблицу. При этом переключатель ПК должен быть установлен в положение – СТ , а макет «искусственная голова» и слушатели размещены на расстоянии r= rг, 0,25rг, 4rг от громкоговорителя. При расчете величины rг по формуле (3.6) можно принять Ф=1, а Ωг=4π, 2π, π/2, в зависимости от того, где располагается источник звука, соответственно: в середине (в центре) помещения, на полу, в одной из боковых стен или в углу. Значение А=αS определяется по формуле (3.5) для соответствующих величин Т60, приведенных в табл. 3.1. Таблица 3.1 f, Гц 63 125 250 500 1000 2000 4000 Т60, с 5 6.5 7 7 6 5 3 . Для артикуляционных исследований значения А рассчитываются для частоты 500 Гц, так как на эту частоту приходится максимум усредненной спектральной плотности речевого сигнала [3]. 4. Рассчитать процент артикуляции для каждого слушателя по формуле (3.1) путем сравнения с текстами стандартных таблиц, прослушиваемых через головные телефоны, прилагаемых к работе ( в режиме стерео), и при фронтальном прослушивании в реверберационной камере. Результаты расчетов занести в табл. 3.2 и табл. 3.2а. Таблица 3.2. Результаты прослушивания по давлению (ч/з ГТ) № таблицы Режим стерео Средний процент Полянская Иванов Кадина Расстояние артикуляции 1 (rг) … … … 2 (rг) … … - … 3 (0,25rг) - … … … 4 (0,25rг) … … … 5 (4rг) - … … 6 (4rг) … … … … - Режим моно (СФ) 7,8,…(0,25rг...4rг) … - … - Режим моно (ПФ) 13,14,…(0,25rг...4rг) - ... … - … … Таблица 3.2а. № таблицы Расстояние 1 (rг) Результаты прослушивания в поле РК Фронтальное прослушивание Средний процент Шатов Колесник Павлович артикуляции … … … 2 (rг) … … - … 3 (0,25rг) - … … … 4 (0,25rг) … - … … 5 (4rг) … … - … 6 (4rг) - … … … 7…18(0,25rг...4rг) Боковое прослушивание … … - … 5. Выполнить аналогичные прослушивания при r= rг, 0,25rг, 4rг но уже для других групп слогов, и расчеты при монофоническом синфазном (СФ) и противофазном (ПФ) включениях микрофонов М1 и М2 в макете, при боковом (относительно ГГ) положении слушателей в РК. 6. По результатам расчетов построить график зависимости артикуляции (разборчивости) речевого сигнала от расстояния при разных режимах включения микрофонов в ИГ. 7. Прослушать через головные телефоны запись музыкального сигнала и определить на слух его качество при трех положениях переключателя. Макет ИГ на расстоянии r=rг от громкоговорителя. Уровни сигналов в обоих телефонах одинаковы. Записать в выводах приблизительную оценку качества прослушивания. 8. Рассчитать по формулам 3.3, 3.4, 3.5 и построить частотные зависимости индексов четкости, прозрачности и пространственного впечатления. Для частоты f=500Гц индексы четкости определить также для расстояний 0.25rг, rг, 4rг между излучателем и ИГ. Графики этих зависимостей сравнить с ранее полученными графиками артикуляции в зависимости от расстояния. 5. Содержание отчёта В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы рассчитанных процентов артикуляции; 4) расчетные значения индексов четкости, прозрачности, пространственного впечатления; 5) графики зависимости артикуляции для трех положений ПК микрофонов ИГ от расстояния. Аналогичные графики зависимости артикуляции от расстояния в поле РК при фронтальном и боковом положении слушателей; 6)частные и общие выводы по всем пунктам измерений. 6. Контрольные вопросы 1. Какими субъективными критериями оценивается качество воспроизведения речи и музыки? 2. Что такое процент артикуляции и как он зависит от расстояния между источником звука и приёмником (слушателем)? 3. Почему объективные критерии качества речевых и музыкальных сигналов называются энергетическими? Объясните временные интервалы, входящие в выражения для их вычисления. 4. Каковы оптимальные значения индексов чёткости, прозрачности, пространственного впечатления? Каковы при этом соотношения энергий? 5. Объясните зависимость процента артикуляции от режимов включения головных телефонов. Литература 1. ГОСТ 25902-83.Зрительные залы. Метод определения разборчивости речи. – М.: Изд. Стандартов, 1984. 2. Акустика: Учебник для вузов/Ш.Я Вахитов и др. Под ред. проф. Ю.А. Ковалгина.- М.: Горячая линия – Телеком, 2009. 3. Аннерт В., Стеффен Ф. Техника звукоусиления. Теория и практика.- М.: ПКФ «Леруша», 2003. Работа № 4 Определение акустических свойств заглушённой комнаты 1. Цель работы: ознакомление с одним из способов определения акустических свойств заглушённых помещений. 2. Общие сведения Условия неискажённой звукопередачи должны соответствовать условиям неограниченного пространства, к которым стремятся при объективных и субъективных испытаниях электроакустической аппаратуры и ряде других акустических измерений. В этом случае акустическое “свободное” (от отражений и помех) поле имеет очень простую структуру: от источника в любую точку поля приходит только одна прямая энергия, величина которой определяется свойствами источника и расстоянием до рассматриваемой точки. В естественных условиях такие поля, как правило, не встречаются из-за наличия одной, как минимум, отражающей поверхности (земли, пола …) и высокого уровня помех. Значительное ослабление аддитивных (и мультипликативных) помех достигается в специальных помещениях с высокой степенью звукоизоляции. А условия, близкие к условиям свободного поля, более или менее обеспечиваются в так называемых заглушённых (безэховых) камерах. Все отражающие поверхности камер обрабатываются эффективным звукопоглощающим материалом так, что его энергетический коэффициент звукопоглощения , равный отношению интенсивности (энергии) поглощённого звука Iпог к интенсивности (энергии) падающего звука, т.е. [1] ( f н ... f в ) I пог / I пад 1 , (4.1) близок к единице в заданном диапазоне от низких f н до высоких f в частот звуковых колебаний. Выполнение равенства (4.1) оказывается достаточно сложным, особенно на низких частотах, когда волновые процессы приобретают в основном мнимый характер и преобладает реактивная интерференция из-за высокой степени когерентности падающих и отражённых волн, особенно для гармонических сигналов. Это наиболее заметно при распространении звука в камере в виде параллелепипеда (трубы), где источник размещается в одной из торцевых стенок. Можно показать, что здесь модуль результирующего давления p c в точке на расстоянии x от источника, нормированное относительно давления p1 в прямой (падающей волне), будет характеризоваться зависимостью [2] pc 2 2 1 cos[ 2k ( L x)] , (4.2) p1 где L – длина камеры; k / c – волновое (фазовое) число (отношение угловой частоты к скорости звука c ). Как видно, результирующее давление из-за интерференции зависит от частоты, положения точки наблюдения, коэффициента звукопоглощения и в общем случае - направленности излучателей и приёмников. Интерференция в большей степени проявляется на низких частотах и на расстояниях, кратных / 2 ( – длина волны звука) от той или иной стенки. Действительно, при 2k ( L x) , результирующее давление принимает максимальное значение: pc 1 1 , (4.3) p1 max а при 2k ( L x) (2n 1) – минимальное значение pc 1 1 , p1 min (4.4) где n = 0, 1, 2, … - числа натурального ряда. В случае использования режима распространения (и источника) шаровых волн, когда амплитуда давления будет зависеть от расстояния r между источником и приёмником, значения максимумов и минимумов результирующего давления будут pc pc r r 1 1 и 1 1 . (4.5) p1 max 2L r p1 min 2L r Следовательно, зависимость давления от координаты усугубляется частотной зависимостью, которая характеризуется набором пиков и провалов, где разница в значениях давления будет исключительно определяться величиной . И только в идеальном случае при 1 влияние интерференционных свойств помещения будет исключено. Кроме амплитудного ослабления за счёт , на результат интерференционного взаимодействия может оказать величина фазового угла используемых звукопоглощающих материалов. Последний, как обычно, определяется отношением реактивной и активной составляющих входного акустического сопротивления материала или конструкции. Независимость фазового угла от частоты обеспечивается выполнением звукопоглощающих материалов в виде клиновидных, конусных, треугольных и др. конструкций, когда приращение площади поперечного сечения, например, клина на единицу его длины является постоянной величиной. В практике строительства заглушённых камер в нашей стране получили распространение клиновидные конструкции из стекловолокна на фенольной связке типа КЗК. Испытания заглушённых камер (комнат) сводятся к оценке звукового давления в результате существующего неполного поглощения звуковых волн поверхностями, ограничивающими данное помещение. Наиболее просто такую оценку можно получить методом перемещающегося микрофона [2]. В этом случае в качестве источника звука используется малогабаритный громкоговоритель (относительно длины излучаемых волн). Тогда можно сказать, что он излучает сферические волны, при которых звуковое давление убывает обратно пропорционально расстоянию r от источника звука, т.е. F ( ) Pa k p , (4.6) r Т где Pа , F(θ) и Ωк – соответственно акустическая мощность, характеристика направленности и коэффициент осевой концентрации громкоговорителя; ΩТ – телесный угол излучения. При размещении микрофона на акустической оси громкоговорителя F(θ)=1, а ΩТ зависит от положения громкоговорителя в помещении и принимает значения ΩТ = 4π до ΩТ = π/2 (для одного из трёхгранных углов помещения). Зависимость (4.6) проверяется путём измерения синусоидального звукового давления с помощью измерительного микрофона, относительный уровень которого N уменьшается на 6 дБ при каждом удвоении расстояния r , т.е. N 2 N1 20 lg( r1 / r2 ) , (4.7) где N 2 – уровень звука на расстоянии r2 ; N1 – уровень звука на расстоянии r1 . Отклонение от закона обратных квадратов (4.7), по существу, определяет качество заглушённой комнаты вследствие возникновения отражений от поверхности помещения при 1 для заданной частоты колебаний, а также видом (фронтом) излучаемых громкоговорителем волн. Последнее проявляется на высоких частотах, когда коэффициент осевой концентрации, приближённо рассчитываемый по формуле Саваде [3], (4.8) к 5.8l м f становится больше единицы. В (4.8) l м – максимальный линейный размер источника в метрах, а f – подставляется в килогерцах. Нарушение отмеченного закона наблюдается и на низких частотах при использовании направленного излучателя или диполя, когда в результате акустического короткого замыкания нарушается сферичность волнового фронта излучения. Дипольный эффект будет ослабляться с повышением частоты до тех пор, пока половина длины волны излучаемого звука не станет меньше расстояния между взаимодействующими элементами диполя. 3. Описание установки Измерение звукового давления в точках на различных расстояниях по акустической оси громкоговорителя выполняется с помощью установки, состоящей из генератора синусоидальных колебаний с блоком мощности, громкоговорителя, микрофона со своим усилителем и милливольтметром. При измерениях громкоговоритель и микрофон размещаются в испытуемой заглушённой камере с соблюдением следующих требований: во-первых, не следует устанавливать микрофон вблизи поверхностей и углов комнаты из-за возможной концентрации звуковой энергии на этих элементах; во-вторых, напряжение на зажимах громкоговорителя выбирать таким, чтобы создаваемое им звуковое давление в самой удалённой точке от громкоговорителя было в 2 – 3 раза больше давления помех. Большое напряжение может вывести громкоговоритель из строя; в-третьих, необходимо изменять положение микрофона при установке на громкоговорителе напряжения заданной частоты. В противном случае, когда изменяются частоты для одной и той же точки установки микрофона, возникают значительные погрешности в показаниях милливольтметра из-за возможных интерференционных явлений между прямой и отражённой энергиями при гармонических возбуждениях. 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Ознакомиться со схемой измерительной установки и особенностями заглушённой комнаты, громкоговорителя и микрофона. Включить приборы и дать им прогреться в течение 3…5 мин. Рис.4.1. Структурная схема установки. ЗГ – генератор звуковых колебаний; ГГ – громкоговоритель; ПЗК – полузаглушенная камера; М – микрофон; В – милливольтметр. 4.2. Установить на генераторе такую частоту колебаний fр, которая соответствует полуволновому резонансу для максимального линейного размера L комнаты. Микрофон устанавливается на самом дальнем расстоянии от громкоговорителя из ряда 10, 20, 30, 40, 50, 100, 150, 200см. Напряжение на зажимах громкоговорителя должно соответствовать п.3. Измерить напряжение на выходе микрофона, учитывая, что оно прямо пропорционально величине звукового давления при данном положении микрофона. Последовательно изменяя положение микрофона, измерить напряжение на его выходе при всех других расстояниях от громкоговорителя. Результаты измерений напряжения занести в табл. 4.1. f,Гц fр = 2fр = Искомые величины Таблица 4.1 Измеренные и вычисленные значения на расстоянии r =…см 10 20 200 . . . . . . . . . . U, мв P, Па N, дБ Nнорм, дБ U, мв P, Па N, дБ Nнорм, дБ … Для этой же таблицы рассчитать: 1) величину звукового давления на каждом расстоянии, используя значения чувствительности микрофона; 2) уровень давления относительно давления на пороге слышимости; 3) уровень давления (нормированный) относительно величины давления на расстоянии r = 10 см: Nнорм = 20 lg (pi / p(r=10см)) или Nнорм = Ni - N(r=10см). По данным таблицы построить график Nнорм в зависимости от расстояния для данной частоты. 4.3. Повторить измерения и расчёты по п.4.2 при частотах 2fр, 3fр, 1000 и 5000 Гц. Результаты записать в табл. 4.1, построить необходимые графики и сделать выводы по причинам расхождения измеренных и вычисленных величин, а также по качеству заглушённой комнаты при заданных частотах. 4.4. Изменить характер излучения громкоговорителя на низких частотах путём снятия его задней крышки. Повторить измерения и расчёты по п.4.2 и п.4.3. Результаты занести в таблицу, подобную 4.1. Сравнить построенные графики Nнорм(r) с подобными для монопольного источника и сделать необходимые выводы. 4.5. Вновь закрыть заднюю крышку громкоговорителя и провести измерения, аналогичные предыдущим, с упрощённым расчётом при подаче на громкоговоритель напряжения с частотами 80, 100, и 135 Гц для каждого положения микрофона, найти среднеарифметическое из напряжений, измеренных при трёх частотах. Вычислить для всех точек уровень среднего напряжения с микрофоном, установленным на r = 10 см. Таким же образом вычислить относительный уровень напряжения в различных точках, но только для одной частоты 100 Гц. Данные измерения и расчёта записать в табл. 4.2. Построить на графиках зависимости N100 и Nср от r и сравнить их между собой. Результаты сравнения записать в виде выводов. Таблица 4.2 f,Гц Искомые величины Измеренные и вычисленные значения на расстоянии r = см 10 f=80 f=100 f=135 20 . . . . . . 200 U, мв Nнорм, дБ U, мв Nнорм, дБ U, мв Nнорм, дБ Uср, мв Nср, дБ 4. Содержание отчёта В отчёт следует включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин с соответствующими графиками и выводами к ним. 5. Контрольные вопросы 1) Каково назначение заглушённых комнат (камер) и какие основные требования предъявляются к ним? 2) Чем будут отличаться частотные характеристики чувствительности одного и того же громкоговорителя, снятые в заглушённой и реверберационной камере? 3) Как по зависимости звукового давления (или по его уровню) определяют качество заглушённой комнаты? 4) Как влияет на оценку качества заглушённой комнаты направленность излучателя? 5) Какая существует связь между направленностью излучателя и отражённой энергии от поверхности помещения? 6) С какой целью поверхности заглушённых комнат обрабатывают звукопоглощающими материалами в виде клиньев? Литература 1. ОСТ 4.275.008-79. Камеры звукомерные, заглушенные. Общие технические условия.- Л.: НИИРПА, 1980. 2. Акустика: Учебник для вузов/Ш.Я Вахитов и др. Под ред. проф. Ю.А. Ковалгина.- М.: Горячая линия – Телеком, 2009. 3. Аннерт В., Стеффен Ф. Техника звукоусиления. Теория и практика.- М.: ПКФ «Леруша», 2003. Работа № 5 Исследование влияния волновых процессов в помещениях на электроакустическую характеристику звукопередачи 1. Цель работы: состоит в ознакомлении с методикой определения собственных колебаний замкнутого объема воздуха на макете помещения и оценка их влияния на электроакустическую характеристику звукопередачи. 2. Общие сведения Согласно волновой теории архитектурной акустики замкнутый объем воздуха в помещении представляет собой трехмерную колебательную систему с распределенными параметрами. Такая система обладает определенным спектром собственных частот, на которых она может совершать колебания с соответствующими постоянными затухания. При воздействии звукового сигнала от источника в помещении возникают колебания на собственных частотах и на частотах вынуждающего звука. По прошествии некоторого времени собственные колебания затухают каждое со своей скоростью, и мы слышим сигнал, воспроизводимый источником звука. После отключения источника или в паузах сигнала наступает свободный режим, и вся система колеблется на собственных модах и соответствующих им собственных частотах. Это значит, что в свободном режиме (режиме реверберации) слушатель воспринимает не тот сигнал, который воспроизводится излучателем, а колебательный процесс, происходящий на собственных частотах помещения. Поскольку каждое собственное колебание затухает со своей скоростью, то вместе они образуют интерференционную картину постепенно затухающего отзвука, или реверберацию. Реакция воздушного объема на возбуждение может привести к существенному изменению характера звукопередачи, если частотный спектр собственных колебаний помещения заметно разрежен, а его составляющие по амплитуде и частоте отличаются от спектральных составляющих сигнала. Данное обстоятельство приводит к появлению на сквозной амплитудночастотной характеристике тракта (электроакустической характеристике) ряда пиков и провалов, особенно заметных при малом звукопоглощении и больших интервалах между собственными частотами, что особенно характерно для области низких частот. Такая характеристика позволяет, в первом приближении, судить о тембральных искажениях, вносимых помещением в первичный сигнал. Возникающие собственные колебания представляют собой стоячие волны, имеющие на границах помещения ( в предположении их абсолютной жесткости) пучности звукового давления и узлы колебательной скорости частиц воздуха. Эти граничные условия предполагают существование в данном объеме только таких собственных колебаний (или мод), при которых на каждом из размеров помещения укладывается целое число полуволн. Если звуковые волны распространяются вдоль одного из размеров помещения, а количество полуволн по двум другим размерам равно нулю, то такие волны называются осевыми. Если волны распространяются в плоскости, параллельной одной из граней прямоугольного помещения, то количество полуволн по третьему размеру равно нулю. Такие волны называются касательными. Волны, распространяющиеся в произвольном направлении и имеющие отличные от нуля количества полуволн по всем трем размерам помещения, называются косыми. Собственные частоты помещения, имеющего форму прямоугольного параллелепипеда, для любых типов волн можно определить по следующей формуле [1]: 2 nx n y nz . (5.1) lx l y lz Здесь nx , ny, nz - целые числа от 0 до ∞, соответствующие количеству полуволн на каждом из размеров помещения; lx, ly, lz – соответственно длина, ширина и высота помещения, м ; c – скорость звука в воздухе. Из формулы (5.1) видно, что каждую из собственных частот прямоугольного помещения можно формально рассматривать как вектор с компонентами nx c n y c nz c , , . (5.2) 2l x 2l y 2l z Общее количество собственных частот n(f) для всех типов волн определяется равенством: 3 2 4Vf n Sfn Lf n( f ) n q, (5.3) 3 2 c fn 2 2 3c 4c 2 8c где V, S, L – соответственно объем, площадь всех поверхностей и длина всех ребер помещения; fn - граничная частота, до которой определяется значение n(f); q – добавочный член (меньший единицы), обеспечивающий целочисленность n(f). Следует отметить, что выражение (5.3) носит приближенный характер для помещений, имеющих кратное соотношение сторон и, особенно, кубических. В этих случаях одни и те же собственные частоты могут соответствовать различным комбинациям nx, ny и nz для косых, касательных и осевых волн, что приводит к так называемому вырождению собственных частот, то есть уменьшению их фактического количества по сравнению с расчетным. Уменьшение количества собственных частот в одном частотном интервале и увеличение в другом приводит к существенным искажениям звукопередачи. Для исключения этого явления необходимо стремиться к тому, чтобы помещение для записи или воспроизведения звукового сигнала имело не кратные и, тем более, не равные размеры. Важность оптимального выбора соотношений сторон прямоугольных помещений для записи и воспроизведения звука подчеркивается и в ряде международных стандартов и рекомендаций (ISO, OIRT и др.) [2]. Не менее информативной характеристикой помещения с точки зрения волновой теории является средняя плотность спектра собственных частот Δn (или количество собственных частот, приходящихся на заданный частотный интервал Δf), которая получается путем дифференцирования выражения (5.3) по fn: 4Vf n 2 Sf n L 4Vf n 2 f n f 2 3 . (5.4) c 2c 8c c3 Как видно из выражения (5.4), в области высоких частот, и, особенно для косых мод, в больших помещениях наблюдается высокая плотность спектра, что означает слабую избирательность передачи к высокочастотным составляющим звукового сигнала источника. В то же время на низких частотах преобладают осевые и касательные волны, с большой энергией, но с незначительной плотностью спектра. Это явление особенно сильно проявляется в малых помещениях. Известно, что малые помещения существенно искажают тембр звуковых сигналов, особенно низкочастотных. Средний интервал между соседними составляющими спектра в низкочастотной области приблизительно равен 8с/L. Поэтому для небольших помещений он может составлять 10 и более герц. По данным различных исследований, если плотность спектра в частотном интервале Δf=1Гц составляет 3 и более, то помещение практически не дает тембрального «окрашивания» звука. При такой плотности спектра пики передаточной функции помещения (электроакустической характеристики) даже значительного уровня (до 20 дБ) на слух не воспринимаются. Таким образом, наиболее критичным к возможности возникновения тембральных искажений звукового сигнала оказывается тот участок частотного диапазона амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) помещения, где плотность спектра собственных частот менее трех. При этом нижнюю граничную частоту fнн этого участка можно найти из (5.4), если принять условие возникновения первого волнового резонанса для волн косого типа как Δn = 1 при Δf = fn (здесь fn соответствует моде nx = 1, ny = 1, nz = 1). Тогда получим для косых и, более строго, осевых мод. с с f нн 3 , f нн . (5.5) 2l x 4V Соотношения (5.5) характеризуют необходимый, но не достаточный частотный предел ограничения тембральных искажений и допустимости использования статистической теории архитектурной акустики, поскольку здесь плотность спектра гораздо меньше трех. Если же положить в (5.4) Δn=3, а Δf=1Гц, то получим величину fнв, задающую верхнюю предельную частоту низкочастотного диапазона, начиная с которой к звуковому полю в помещении допустимо применение положений статистической теории архитектурной акустики. Эта частота определится как 3,15 10 3 f нв . (5.6) V Из сопоставления (5.5) и (5.6) легко определить тот участок частотной характеристики звукопередачи в помещении (около 4-х октав), в пределах которого без принятия соответствующих мер возможно возникновение тембральных искажений звука. Общая же характеристика передачи помещения, как в стационарном, так и переходных режимах зависит также от характеристик излучателей и приемников, их взаимного расположения, и, кроме того, от характеристик согласующей и усилительной аппаратуры [3]. Для количественной оценки качества звуковоспроизведения в помещении введено понятие его электроакустической характеристики [4]. Электроакустическая характеристика конечной цепи представляет собой частотную зависимость уровня звукового давления, выраженного в децибелах относительно произвольного опорного давления, измеренного в заданном диапазоне частот в определенной точке зоны прослушивания при подаче «розового» шума постоянной электродвижущей силы на вход основного регулятора громкости, предшествующего усилителю мощности. Для получения этой характеристики в заданном помещении необходимо провести измерения и усреднить среднеквадратические значения звуковых давлений не менее, чем в пяти различных точках звукового поля помещения. 3. Описание установки Структурная схема измерительной установки показана на рис. 5.1. Основным элементом установки является макет (модель) бывшего СанктПетербургского кинотеатра «Титан», выполненный из оргстекла в масштабе 1:50. При измерении собственных частот макета напряжение звуковой частоты подается от генератора гармонических колебаний (ЗГ) после усиления (УМ) на излучатель (Г), установленный в торцевой стенке макета помещения (МП). В противоположном конце по оси макета находится микрофон. Поскольку длина макета помещения существенно больше двух других его размеров, то в начальной части спектра собственных частот будут проявляться, в основном, осевые волны. При совпадении частоты сигнала генератора с собственной частотой объема микрофон будет находиться в пучности звукового давления. Вольтметр (В), подключенный к нему через полосовой фильтр (ПФ), покажет максимальную величину напряжения. При обработке внутренних поверхностей макета звукопоглощающими или звукоотражающими материалами величина максимума будет меняться в значительных пределах. Рис. 5.1 Структурная схема измерительной установки ЗГ - звуковой генератор; ГШ - генератор шумового сигнала; УМ - усилитель мощности; ПФ - полосовой фильтр; ГГ – излучатель; М – м икрофон; МП – макет помещения; МУ - микрофонный усилитель; В – вольтметр; РУ - регистрирующее устройство (вольтметр, спектроанализатор, самописец и т.п.) Перемещая микрофон вдоль оси макета, можно измерять звуковое давление в различных точках, установив, таким образом закономерность распределения звукового давления на той или иной моде колебаний. Измерив некоторое количество собственных частот помещения, можно определить среднюю плотность спектра для заданного диапазона, а также зависимость плотности спектра от частоты. Если вместо генератора синусоидальных колебаний к громкоговорителю подключить генератор шума (ГШ) через еще один полосовой фильтр (ПФ), то можно измерять частотную характеристику звукопередачи в макете. Перемещая микрофон вдоль оси макета, можно для каждой фиксированной точки его расположения определить звуковое давление в октавных или третьоктавных полосах «розового» шума. По результатам измерений в нескольких точках получают усредненную электроакустическую характеристику ΔN(f) для всех точек приема и сравнивают ее со стандартной, измеренной в октавных или третьоктавных полосах «розового» шума (рис.5.2). Для обычных кинотеатров с одноканальным звуковоспроизведением измеренная характеристика должна укладываться в пределы допусков стандартной. ΔN, Дб 8 6 4 2 0 -2 -4 -6 -8 -10 -12 -14 f, Гц -16 63 100 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 8000 Рис.5.2 Стандартная электроакустическая характеристика тракта обычного кинотеатра с одноканальным аналоговым звуковоспроизведением 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Ознакомиться со схемой измерительной установки, включить питание приборов и дать им прогреться. 4.2. Рассчитать по формулам (5.5) и (5.6) граничные частоты низкочастотного участка спектра собственных частот помещения зрительного зала кинотеатра «Титан» с размерами 40×10×10 м, где из-за влияния собственных колебаний могут проявляться тембральные искажения звука. С учетом масштаба моделирования 1:50 определить эти частоты для макета помещения. 4.3. Открыть полностью верхнюю крышку макета и измерить в диапазоне частот от 0,5fнн до 2fнв частотную характеристику (ЧХ) громкоговорителя при синусоидальном сигнале с напряжением на его зажимах (на выходе УМ) не более 1,5 В. Полагаем, что в этом режиме влияние собственных частот проявляется незначительно. Микрофон устанавливается вблизи громкоговорителя на расстоянии около 10 см. Результаты измерений ЧХ записать в таблицу 5.1, фиксируя по вольтметру (РУ) минимальные и максимальные значения напряжений (отличающиеся между собой не менее, чем в 1,5 раза) и соответствующие им частоты в заданном диапазоне. С учетом ЧХ микрофона пересчитать значения напряжений в звуковые давления р, Па и уровни звуковых давлений N(f)гр, дБ, рассчитанные относительно давления, полученного на частоте fнв. Эти данные также занести в таблицу 5.1. Таблица 5.1 Уровни звуковых давлений громкоговорителя f, Гц 0,5 fнн ………………………………………………… fнв 2 fнв Uм, мВ р, Па N(f)гр, 0 дБ 4.4. Повторить измерение ЧХ громкоговорителя при шумовом сигнале, подключив на вход схемы генератор «розового» шума через октавные или третьоктавные полосовые фильтры. Результаты измерений записать в таблицу, аналогичную 5.1. 4.5. Рассчитать несколько первых собственных частот макета по формуле (5.1) для известных размеров макета (lx=0,8 м; ly=0,2 м, lz=0,2 м). Результаты расчетов занести в таблицу 5.2. Таблица 5.2 nx ny 1 2 3 1 1 … 0 0 0 1 1 … Собственные частоты макета помещения Uм, мВ, nz fрасч, Гц fизм, Гц без ЗПМ 0 0 0 0 1 … и т. д. Uм, мВ, с ЗПМ 4.6. Закрыть плотно верхнюю крышку макета помещения. Подключить вновь на вход генератор синусоидальных колебаний и, изменяя частоту на его шкале, добиться максимума показаний вольтметра вблизи первой рассчитанной частоты. Записать значение частоты, при которой наблюдался максимум, в графу fизм, Гц. Изменяя частоту генератора дальше по максимумам показаний вольтметра, определить остальные значения собственных частот и соответствующих им напряжений в диапазоне от 0,5fнн до 2fнв и также записать их в таблицу 5.2. Ввести дополнительное звукопоглощение на торцевую стенку макета и повторить измерения напряжений при найденных частотах. Результаты записать в соответствующую графу таблицы 5.2. 4.7. Приблизить максимально микрофон к громкоговорителю и, перемещая микрофон вдоль оси помещения, измерить напряжения на его выходе в различных точках на первых трех осевых (х) модах помещения без дополнительного звукопоглощения. Результаты измерений записать в таблицу 5.3. Таблица 5.3 Распределение амплитуд в осевых (х) модах собственных колебаний Расстояние между источником и приемником, м 0 lx / 4 lx / 2 3lx / 4 lx Напряжение на без ЗПМ МОДА 1 выходе микрофона с ЗПМ Uм, мВ Звуковое давление, без ЗПМ р, Па с ЗПМ и т.д. 4.8. Вновь закрепить звукопоглощающий материал (ЗПМ) на торцевой стенке макета и повторить измерения по п. 4.7. Результаты измерений занести в таблицу 5.3 и построить кривые зависимости давления от расстояния для тех же мод. 4.9.Для определения влияния собственных колебаний на электроакустическую характеристику звукопередачи в макете помещения на вход схемы подключить генератор «розового» шума и октавные (третьоктавные) полосовые фильтры. Записать напряжения на выходе микрофона при его центральном положении на разных частотах в пределах номинального диапазона воспроизведения громкоговорителя. По результатам измерений напряжений и известной чувствительности микрофона рассчитать звуковые давления и уровни давлений в различных частотных полосах относительно давления в полосе с fнв. Полученные величины занести в таблицу 5.4. Таблица 5.4 Электроакустическая характеристика звукопередачи Номер Точка 1 Точка 2 1 к N ср 10 lg 10 0.1N полосы Uм, р, Па N1, . . . . . к Uм, р, Па N2, i 1 мВ дБ мВ дБ 1 2 3 4 … n i 4.10. Повторить измерения по п.4.9 при других положениях микрофона, и результаты также занести в таблицу 5.4. 4.11.По данным таблицы 5.4 рассчитать усредненную электроакустическую характеристику для всей «к» точек измерений и вписать ее в пределах частотно-сдвинутой вправо (по масштабу моделирования) «стандартной» характеристики(рис.5.2) для расчетных ΔN(f) относительно Nср(fнв) и Nср(f). 5. Содержание отчета В отчет необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему измерительной установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4)графики частотных характеристик громкоговорителя при шумовом и гармоническом сигналах; 5) усредненную ЭАХ по всем точкам измерений в макете кинотеатра. 6.Контрольные вопросы 1.Чем характеризуется замкнутый объем помещения с точки зрения волновой теории? 2.Какие типы волн существуют в замкнутом объеме и какова сравнительная длительность процесса затухания для каждого из типов волн? 3.Что такое плотность спектра собственных частот помещения и как она зависит от частоты? 4.Что такое явление вырождения собственных частот? Как оно влияет на субъективные характеристики звуковоспроизведения? 5.Что такое электроакустическая характеристика тракта звуковоспроизведения? 6.Как влияют собственные колебания объема помещения на электроакустическую характеристику тракта? 7. Литература 1. Акустика: Учебник для вузов. / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А. Ковалгина. – М.: Горячая линия. Телеком, 2009. 2. Алдошина И.А. и др. Электроакустика и звуковое вещание. Учебное пособие для высших учебных заведений. – М.: Горячая линия – Телеком, 2007. 3. Смирнова Н.А., Уваров В.К. Архитектурная акустика. Учебное пособие для студентов заочного отделения специальности «Звукорежиссура». – С-Пб.: СПбГУКиТ, 2008. 4. РТМ 19-77-94. Руководящий технический материал. Развитие и техническое оснащение киносети. – М.: Госком по кинематографии, 1994. Работа № 6 Измерение коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов 1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов при нормальном и диффузном падении звуковых волн. Общие сведения Звукопоглощающие материалы и конструкции применяются в строительной практике для акустической обработки производственных, общественных и бытовых помещений с целью уменьшения мультипликативных и аддитивных помех. Согласно требованиям [1] звукопоглощающие материалы классифицируются по следующим основным признакам: назначению, форме, жёсткости (величине относительного сжатия), возгораемости и структуре. С точки зрения использования для акустической обработки помещений основной качественной характеристикой материалов и конструкций является энергетический коэффициент звукопоглощения α – КЗП. В соответствии со стандартом материалы и изделия с коэффициентом звукопоглощения α > 0.8 в диапазоне низких частот (63 ... 250 Гц), средних (500 ... 1000 Гц) и высоких (2000 ... 8000) частот относятся к первому классу звукопоглотителей. Для второго класса в тех же частотных областях величина α должна быть в пределах 0.4 ... 0.8, а для третьего – 0.2 ... 0.4. Измерения КЗП в настоящее время производятся с помощью ряда различных методов, из которых наиболее распространёнными являются методы измерения нормального (в поле плоских «стоячих» волн) и реверберационного (в диффузном поле затухающих волн) коэффициентов звукопоглощения. Так достаточно простой метод стоячих волн [2] заключается в применении интерференционной трубы круглого или квадратного сечения, на одном конце которой располагается источник звука, а на другом – цилиндрический образец испытуемого материала. Если стенки трубы достаточно жёсткие, а её диаметр и образца d не превышает длину волны λ возбуждаемого источником синусоидального звука для высшей частоты измерений, т.е. d 0,6 , (6.1) то вдоль трубы распространяется плоская волна и падает на испытуемый материал по нормали. При нормальном падении звука граничные условия для амплитуд пад , отр , пр колебательных скоростей и давлений pпад , pотр , pпр ; в падающей, отражённой и прошедшей через материал волнах, соответственно, имеют вид [3] 2. pпад pотр pпр ; p пад pотр p пр ; или (6.2) p пад / z pотр / z p пр / z a , пад отр пр ; где z a pпр / пр - акустическое (удельное) сопротивление образца материала; z с - акустическое (волновое) сопротивление воздуха (произведение плотности воздуха на скорость звука в воздухе). После несложных преобразований из (6.2) можно найти известное выражение для коэффициента отражения по давлению z z z a c (6.3) p a , z a z z a c а при использовании величины коэффициента отражения по интенсивности I 2 (энергии) I p , можно получить выражение для энергетического коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковых волн z c 2 4 cz a (6.4) 0 1 p2 1 ( a ) . z a c ( c z a ) 2 Непосредственная связь 0 и p со значениями давления в максимуме (пучности) |pмакс| = pпад + pотр и минимуме (узле) |pмин| = pпад - pотр стоячей волны в трубе позволяет легко оценить их по коэффициенту стоячей волны (КСВ) n = pмакс / pмин 4 4n n 1 p , 0 (6.5) 2 1 / n n (n 1) 2 n 1 и, очевидно, измерить (в стоячей волне переноса энергии не происходит) путём регистрации напряжений U на выходе микрофона, помещаемого в пучность (Uмакс) и узел (Uмакс) давлений, которые в пространстве (по длине трубы) разнесены на расстояние, как минимум, равное четверти длины волны λн для низшей частоты измерений. Как видно, при βI = 1 (полное отражение от образца) pмакс = 2 pпад, а pмин = 0 – условие чисто стоячих волн. Если βI < 1, pотр < pпад , pмакс < 2 pпад и pмин > 0, то в трубе возникает так называемая псевдостоячая волна (сумма стоячих и бегущих волн, свидетельствующая о переносе энергии в результате звукопоглощения в материале. При этом из-за возникающей разности фаз между pпад и pотр вся система стоячих волн (её максимумов и минимумов) смещается на некоторое расстояние от образца материала вдоль трубы. Измерение этого расстояния ∆lmin (между образцом и первым минимумом давления), характеризующего сдвиг по фазе 2 (lmin / 4) / (в радианах) между pпад и pотр вследствие поглощения, позволяет вычислить и z c ) нормированные (относительно составляющие комплексного z ан (rн jxн ) / с из акустического сопротивления образца материала соотношений rн 1 I 1 2 I cos I 2 2n ; (n 2 1) (n 2 1) cos n 1 . (n 2 1) (n 2 1) cos (6.6) 2 I xн 2 1 2 I cos I Измерение звуковых давлений должно производиться так, чтобы не было искажений звукового поля внутри трубы. Поэтому для измерений используется малогабаритный микрофон или специальный акустический зонд, в виде длинной трубочки, один конец которой вставляется в трубу, а другой присоединяется к микрофону. Выход микрофона присоединяется к вольтметру через перестраиваемый полосовой фильтр, пропускающий колебания лишь той частоты, на которой производятся измерения. В противном случае результаты измерений (особенно в минимумах давления) могут быть искажены из-за возникновения стоячих волн на высших гармониках излучения источника и проникновения в трубу постороннего шума. Частотный диапазон измерений α0 по этому методу, как отмечалось, ограничен снизу значением частоты, длина λн звуковой волны которой равна длине трубы, а сверху λв – частотой поперечного резонанса (6.1). Поэтому для перекрытия звукового диапазона обычно используется три трубы: 1) для Δf=50...500 Гц: d = 0.25 и l = 7м ; 2) для Δf=125...2000 Гц : d = 0.1 и l = 1м ; 3) для Δf=1600...8000 Гц : d = 0.025 и l = 0.25м. Метод стоячих волн отличается простотой и даёт большую точность, а имеющаяся достаточно определённая связь (рис.1) между нормальным и диффузным КЗП, позволяет его широко использовать в лабораторной и промышленной практике. 2 Д 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 0 Рис.6.1.Примерная взаимосвязь между нормальным 0 и диффузным Д коэффициентами звукопоглощения Более достоверные данные по звукопоглощению тех или иных строительных материалов и конструкций обеспечивает так называемый реверберационный метод, являющийся нормативным по ряду отечественных и международных стандартов, например [2, 3]. В этом методе используется воздействие на испытуемые образцы хаотически падающих звуковых волн, возникающие только в диффузном поле специальных реверберационных камер (РК). При этом предполагается, что волновое давление звука в камере, а также в дальнем поле помещений достаточно большого объёма, имеет эргодический характер, т.е. амплитуды и фазы, налагающихся друг на друга волн, распределены более или менее хаотически, без наличия каких-либо преобладающих направлений колебательного движения и, соответственно, равномерного распределения отражённой энергии. Поэтому в реверберационных камерах с объёмом не менее 150 м³ все отражающие поверхности являются непараллельными и выполняются из материалов с большой плотностью и малым собственным КЗП (не более 0,06) во всём частотном диапазоне измерений. Именно в таких камерах определяют диффузный (точнее – реверберационный) коэффициент Д звукопоглощения материалов и конструкций, представляющий собой отношение звуковой энергии Е П (не давления), поглощённой в материале, к энергии Е Д , диффузно падающей на него. Такое звукопоглощение определяют путем измерения времени реверберации как в пустой камере Т1, так и Т2 при внесенном звукопоглощающем материале, площадью Sм. Тогда можно найти величину диффузного коэффициента звукопоглощения М . Д этого материала, если принять, что М . Д 1 (среднего коэффициента звукопоглощения поверхностей пустой РК), т.е. 0.16V 1 1 М.Д ( ). (6.7) S М Т 2 Т1 Измерения Т1, Т2 проводятся по процессам затухания звуковой энергии после выключения источника (см. раб. №1) от начальных высоких уровней, создаваемых в стационарном (установившемся) режиме до минимальных уровней -60 (-30) дБ. В ряде случаев это приводит к заметным погрешностям измерений из-за проникновения в камеру более интенсивных низкочастотных помех. Особенно такое воздействие наблюдается при использовании моделей РК или камер малого объема с недостаточной звукоизоляцией [4]. Здесь прибегают к методу стационарного режима при сравнении энергии E1 , пропорциональной квадрату звукового давления p1 в пустой камере, с 2 энергией E2 ( p2 ) в камере с образцом звукопоглощающего материала площадью S М при одной и той же акустической мощности источника Pà , т.е. 2 p1 E1 c 2 4Pa c / A1 , p2 E2 c 2 4 Pa c / A2 , (6.8) где A1 1 S - эквивалентное звукопоглощение, вносимое всей поверхностью камеры площадью S и средним коэффициентом звукопоглощения 1 ; 2 2 A2 - эквивалентное звукопоглощение камеры с учетом звукопоглощения AМ М . Д S М образца материала. Понятно, что при внесении в камеру испытуемого материала давление p 2 уменьшится, так как звукопоглощение A2 A1 A0 AМ увеличится за счет поглощения AМ М . Д S М образца материала, а поглощение участка поверхности A0 1 S М , на которой смонтирован образец, обычно мало ( А0 AМ ). Тогда из (6.8) получим p1 / p2 ( A1 A0 AМ ) / A1 , откуда найдем значение искомого коэффициента звукопоглощения испытуемого материала при диффузном падении звуковых волн 2 Ì 2 .Ä 1 S p1 SÌ 1 1 . p 2 2 (6.9) Последнее выражение можно привести к рабочей зависимости, если полагать, что используемый при измерениях приемник давления (микрофон) является линейным преобразователем, тогда Ì где U 1 2 , U2 2 .Ä 1 S U 1 SÌ 1 1 , U 2 2 (6.10) - соответственно, среднеквадратическое значение квадратов n действующих значений напряжений U U i / n на выходе микрофона при 2 2 i 1 его размещении не менее, чем в пяти ( n 5 ) точках камеры без образца ЗПМ и с ним для одной и той же полосы шумовых колебаний. Для того, чтобы внесение материала не снижало степени диффузности поля (за счет неравномерного распределения поглощения), обычно берут три образца, которые размещают на поверхностях, образующих трехгранный угол. Во избежание дифракционных явлений линейные размеры образцов должны быть достаточно велики по сравнению с длиной волны звуковых колебании, на которых производятся измерения. Края испытуемого материала закрывают. В противном случае возможно возникновение так называемого «кромочного эффекта», за счет которого вычисленный коэффициент поглощения может оказаться значительно завышенным. 3. Описание установки Схема измерительной установки показана на рис. 6.2. В этой установке для определения a 0 используется измерительная труба, диаметр которой для образования плоской звуковой волны должен быть мал по сравнению с длиной волны звуковых колебаний, на которых производятся измерения. Сама металлическая труба является распределенной колебательной системой. Если частота звуковых волн, создаваемых в трубе, будет совпадать с одной из собственных частот трубы, то стенки ее начнут интенсивно колебаться, что приведет к искажению формы звукового поля внутри трубы. Для устранения этих искажений прибегают к демпфированию колебания трубы, помещая ее в ящик с песком. Рис. 6.2. Схема установки для измерения коэффициента звукопоглощения при нормальном падении волны (верхняя часть) и в диффузном звуковом поле (нижняя часть рисунка): М1 и М2 – микрофоны; Тр – измерительная труба; С - стальной сердечник; ЗМ – звукопоглощающий материал; П1 и П2 – переключатели; Ф – фильтр; Гр и Т – излучатели; Г – звуковой генератор; УМ – усилитель мощности; З – акустический зонд; МРК – модель реверберационной камеры; ГТ – головные телефоны Так как для определения коэффициента звукопоглощения при нормальном падении звуковых волн нужно, как это вытекает из рассмотренной выше методики, измерить давление в пучности и узле стоячей волны, то, очевидно, длина трубы должна быть больше расстояния от узла до пучности при самой низкой частоте, т.е. lтр макс . 4 В соответствии с рис. 6.2. ряд приборов, применяемых для определения нормального коэффициента поглощения, может быть использован и для измерения коэффициента звукопоглощения в диффузном звуковом поле. Однако измерение его в широком диапазоне частот достаточно сложно и требует наличия дорогостоящей реверберационной камеры большого объема. Поэтому, ограничивая в определенных пределах частотный диапазон измерений снизу с нижней граничной частотой f í c / 2lmin , (6.11) можно обойтись моделью реверберационной камеры в масштабе 1:10 с габаритными размерами 0,7×0,48×0,24 м и объемом 7,8·10 -2 м3. Средний коэффициент звукопоглощения модели с общей площадью S=1,3м2 поверхностей, выполненных из оргстекла, составляет 1 0,03 . Поскольку возбуждение звукового поля чистым тоном непригодно для измерения в реверберационных камерах, так как отражение в этом случае обладает наибольшей когерентностью и в различных точках макета наблюдаются резко выраженные узлы и пучности звукового давления, здесь используется специальный генератор, на выходе которого имеется возможность получить как сложный сигнал («белый» шум), так и обычный синусоидальный. Чтобы обеспечить в камере излучение звука с фронтом, близким к сферическому, в установке используются специальные малогабаритные излучатели, размещенные в углах макета. Приемный тракт состоит из микрофона малых размеров, фильтра, который устраняет возможные побочные колебания, и чувствительного милливольтметра. В макете помещения предусмотрены специальные вырезы с площадью Sм=2,7·10-2 м2, которые достаточно просто и быстро заполняются испытуемыми материалами. Для производства измерений тем или иным методом в схеме (рис. 6.2.) предусмотрены переключатели П1 и П2, которые позволяют коммутировать как сигнал с входа измерительного генератора, так и сигнал, поступающий на вход милливольтметра. 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Измерение коэффициента звукопоглощения материалов при нормальном падении звуковых волн. Для выполнения этой части работы необходимо: 1. Ознакомиться со схемой установки и конструкцией измерительной трубы (верхняя часть рис. 6.2.). Укрепить испытуемый материал так, чтобы его наружная поверхность была заподлицо с краями трубы. Вставить стальной сердечник до засечки, соответствующей толщине звукопоглощающего материала (при измерении звукопоглощения стали сердечник вставляется до упора). Установить переключатели П1 и П2 в положение «1». 2. Передвинуть микрофон с зондом в положение, соответствующее нулевому делению на шкале расстояний и, включив установку, установить на шкале генератора (в режиме синусоидального сигнала) одну из последовательного ряда частот: 125, 180, 250, 360, 500, 1000, 2000 Гц. Выбрать полосу фильтра так, чтобы она соответствовала установленной частоте и установить такое выходное напряжение генератора, чтобы обеспечить напряжение на выходе микрофона в пределах 3 ... 10 мВ. 3. Медленно выдвигая зонд с микрофоном из трубы, добиться минимального показания вольтметра (Uмин), соответствующего давлению в узле стоячей волны. Убедиться, что данные показания вольтметра соответствуют минимальному сигналу, а не помехе путём выключения генератора. Включить вновь генератор и ещё более выдвинуть зонд из трубы, чтобы получить максимальные показания вольтметра (Uмакс) для пучности звукового давления. Записать значения Uмин, Uмакс, отношения n= Uмакс/ Uмин и расстояния lmin до первого минимума давления в таблицу 6.1. Измерения в точках первого (от поверхности материала) минимума и следующего за ним максимума следует проводить для того, чтобы ослабить влияние затухания давления из-за трения о стенки трубы. Для самой низкой (125 Гц) частоты (из-за недостаточной длины трубы) допускается использование значения Uмакс при установке микрофона в нулевое положение. Особого внимания требует измерение напряжения в точке минимума давления (микрофон следует передвигать очень медленно) стоячей волны, поскольку он получается весьма острым. Здесь для повышении точности фиксации минимума давления целесообразно определять его на слух с помощью монофонических головных телефонов (ГТ), подключенных на выход милливольтметра V. По результатам измерений вычислить по указанным формулам значения n, α0, φ, rн, xн, Zа,н для каждой частоты и, кроме xн, записать их в таблицу 6.1. Таблица 6.1 Материал ………………………(без зазора) Частота, Гц Измеренные и вычисленные величины Uмин, мВ Uмакс, мВ n = Umax/Umin ∆lmin α0 φ, рад rн Z а .н 125 … … 2000 Для расчета α0 можно воспользоваться графиками (верхним для n 14 и нижним для n 14 ) зависимости звукопоглощения α0 от отношения n U max /U min , представленными на рис. 6.3. Рис. 6.3. Зависимости коэффициента звукопоглощения α0 от отношения n pmax / pmin 4. Установить между испытуемым материалом и стальным сердечником воздушный зазор путём выдвижения последнего из насадки на величину, указанную преподавателем. Повторить п.п. 1..3 для этого случая, результаты измерений и расчётов записать в таблицу 6.2, аналогичную табл. 6.1. Построить частотные характеристики зависимости α0, rн, Z а .н для заданного материала с воздушным зазором и без него на одном графике. Сравнить построенные частотные графики с предыдущими и сделать соответствующие выводы. 5. Повторить измерения и расчёты по п.п. 1..4 для других материалов, указанных преподавателем. По данным из таблиц построить необходимые частотные графики и написать общие выводы. 4.2. Измерение диффузного коэффициента звукопоглощения в ограниченном диапазоне частот. Для измерения αД следует: 1. Ознакомиться с конструкцией макета реверберационной камеры и закрыть вырезы в ее стенках заглушками без звукопоглощающего материала. При этом измерительный микрофон должен находиться примерно в середине макета. 2. Поставить переключатели П1 и П2 в положение «2» и включить установку. Установить на выходе генератора «белого» шума в режиме постоянства тока (выходное сопротивление 600 Ом) такое напряжение на громкоговорителе, чтобы показания милливольтметра (анализатора спектра) на выходе микрофона в 1/3 октавной полосе 1600 Гц составили не менее 6..8 мВ. При этом микрофон должен быть размещен в ближнем поле (3..5 см) громкоговорителя. Определить в этой точке частотную характеристику громкоговорителя по прямому звуку на всех третьоктавных полосах диапазона от f н (6.11) до 4000 Гц. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 6.3. Таблица 6.3. Напряжение Центральные частоты 1/3 октавных полос, fц, Гц на вых. МК, fн=… 800 … 1600 … 4000 мВ Uвых, мВ … … Uвых, дБ … 0 … Данные из табл. 6.3 использовать для коррекции напряжения на выходе генератора шума, чтобы обеспечить примерное постоянство выходного напряжения U1 ( p1 ) микрофона (6..8 мВ) и в других точках модели РК (удаленных от громкоговорителя и стенок на 8..10 см) для разных частотных полос для использования в расчете М . Д (6.10) при отсутствии ЗПМ. 3. Произвести измерение U2 (при корректированном U1) на выходе микрофона для полос шума с fц=1600 Гц в 3..5 отмеченных точках на полу модели при различном размещении испытуемого ЗПМ, указанным руководителем. По формуле (6.10) вычислить диффузный коэффициент звукопоглощения М . Д для трех вариантов размещения образца ЗПМ. Результаты измерений и вычислений записать в табл. 6.4. Точки измерений при fц=1600 Гц Точка 1 Точка 2 Точка 3 …. СКЗ напряжения по всем точкам Таблица 6.4. Размещение образца ЗПМ на стенках модели РК прямо сверху Сбоку U1, U2, М . Д U1, U2, М . Д U1, U2, М . Д мВ мВ мВ мВ мВ мВ U1 , U2 , U1 , U2 , U1 , U2 , мВ = мВ = мВ = мВ = мВ = мВ = По данным табл.6.4 сделать вывод о влиянии размещения ЗПМ на величину диффузного коэффициента звукопоглощения. 4. Произвести необходимые измерения и вычисления М . Д ( f ) на всех третьоктавных полосах диапазона от fн до 4000 Гц. Для этого, установив на фильтре (анализаторе спектра) соответствующую полосу, измерить напряжение U2 (с коррекцией U1) на выходе микрофона в 3..5 точках его размещения при отсутствии в модели РК звукопоглощающего материала и при его наличии во всех трех вырезах стенок. Измеренные и вычисленные данные записать в табл. 6.5 и выключить установку. Таблица 6.5. Выходное напряжение микрофона в 1/3 октавных полосах с Точки центральными частотами, fц, Гц измереfн=… 800 … 1600 … 4000 ний U1, U2, М . Д U1, U2, М . Д U1, U2, М . Д U1, U2, М . Д мВ мВ мВ мВ мВ мВ мВ мВ т. 1 т. 2 т. 3 …. СКЗ U1 , U 2 , U1 , U 2 , U1 , U 2 , U1 , U 2 , мВ мВ мВ мВ мВ мВ напря- мВ мВ = = = = = = = = жения по всем точкам По результатам табл. 6.5 построить график зависимости М . Д от частоты fц в нормальном масштабе и сделать поясняющий вывод. Необходимые для расчета дополнительные данные получить у руководителя. 5. Содержание отчёта В отчёт необходимо включить следующее: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) частотные характеристики заданных параметров, выполненные отдельно для каждого ЗПМ с соответствующими выводами. 6. Контрольные вопросы 1. Каковы принципиальные особенности метода определения нормального коэффициента звукопоглощение материалов? 2. Как влияют параметры трубы на точность измерения нормального коэффициента звукопоглощения материалов? 3. Почему измерение минимумов давления в стоячей волне труднее, чем максимумов? 4. Для чего в установке нужен узкополосный фильтр? 5. Чем определяются условия измерения диффузного коэффициента звукопоглощение материалов и почему? 6. Почему при измерениях диффузного коэффициента звукопоглощения используют сложный измерительный сигнал? 7. Какая связь существует между коэффициентами звукопоглощения, измеренными двумя рассмотренными методами. 7. Литература 1. ГОСТ 16297-80. Материалы звукоизоляционные и звукопоглощающие. Методы испытаний. – М.: Изд-во стандартов, 1980. 2. МС ИСО 354-85. Акустика. Измерение звукопоглощения в реверберационных камерах. – Женева, 1988. 3. Акустика: Учебник для вузов / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А. Ковалгина – М.: Горячая линия – Телеком, 2009. 4. ГОСТ 26417-85. Материалы звукопоглощающие, строительные. Метод испытаний в малой реверберационной камере. – М.: Госком по делам строительства, 1986. Работа № 7 Измерение звукоизоляции ограждений и уровня шума в помещенияx 1. Цель работы: ознакомление с методикой измерения звукоизоляции помещений и ограждений, а также с расчётом уровня шумов, проникающих в помещения. 2. Общие сведения Звукоизоляция является основным средством ослабления воздушных аддитивных шумов, проникающих в помещения. В качестве источников шума обычно рассматриваются шум промышленный, транспортный и бытовой. Проникновение шума в помещение обусловлено излучением звука через возможные щели и вентиляционные отверстия, а также – посредством ограждающих конструкций (перекрытий, перегородок), колеблющихся под действием падающих звуковых волн. Теоретически звукоизолирующие свойства перегородки от воздушного шума определяются энергетическим коэффициентом звукопроводности (звукопроводимости, звукопроницаемости и т.п.) [1]: 2 pпр2 / pпад , (7.1) где рпр и рпад – соответственно, звуковые давления в прошедшей через перегородку и падающей на неё звуковых волнах. С учетом слухового восприятия аддитивных шумов (помех) звукоизолирующие свойства перегородок оценивают величиной, обратной τ и выражаемой в децибелах ЗИ прг 10 lg( 1/ ) 10 lg( pпад / pпр ) 2 , (7.2) которую называют собственной звукоизоляцией перегородок (преград) от воздушного шума. Однако шум может проникать в помещение не только непосредственно через его ограждения, но и косвенно, по вентиляционным каналам, шахтам, трубопроводам и т.п., а также посредством корпусных вибраций. В этом случае величина звукоизоляции при непосредственной или косвенной передаче шума называется фактической звукоизоляцией помещений. Только фактическая звукоизоляция помещения может быть измерена путём определения разницы в уровнях звукового давления в, например, двух смежных помещениях, первом – с источником шума N1 (или открытом пространстве) и втором - защищаемом (изолируемом) помещении N2 [2]: ЗИ пом, 2 N1 N 2 ЗИ прг 10 lg( S прг / A2 ) . (7.3) Таким образом, ЗИ пом зависит не только от звукоизоляции ЗИпрг и площади Sпрг, разделяющей помещения перегородки, но и от акустической обработки - эквивалентной площади звукопоглощения A2 2 S , где S – площадь, а 2 – средний коэффициент звукопоглощения всех поверхностей (перекрытий и перегородок) защищаемого помещения. При наличии в смежной перегородке отверстий, каналов или других коммуникаций, - определяют приведенную звукоизоляцию защищаемого помещения ЗИ пом.пр N1 N 2 10 lg( A0 / A2 ) , (7.3,а) где A0 - значение стандартного звукопоглощения перегородки, равное 10 кв.м. Следовательно, в зависимости от акустической обработки защищаемого помещения и размеров рассматриваемой перегородки звукоизоляция защищаемого помещения ЗИпом.2 может быть больше или меньше величины звукоизоляции перегородки. Величина последней, как отмечалось, зависит от коэффициента τ, определяемого из уравнения баланса энергетических коэффициентов передачи перегородки, т.е. 1 1 1 ( zпрг zo ) 2 /( zпрг zo ) 2 , (7.4) где β и α – соответственно энергетические коэффициенты отражения и поглощения звуковой энергии; zпрг - акустическое сопротивление перегородки, а z o c - волновое сопротивление воздуха за ней. Второе приближённое равенство в (7.4) означает, что для обычных строительных перегородок α сравнительно мал, а имеет преобладающее значение коэффициент отражения β. Последний может быть близок к единице, если акустическое сопротивление перегородки значительно больше волнового сопротивления воздуха. Тогда, используя простейшие преобразования и модуль последнего равенства в (7.4), можно получить окончательное выражение для звукоизоляции перегородки ЗИпрг 10 lg( 1 / ) 10 lg 1 ( zпрг / 2c)2 . (7.5) Как видно, звукоизоляция перегородки также, как и её акустическое сопротивление, состоящее из активного, упругого и инерционного членов, имеет, как обычно, резонансную частотную зависимость. В ней можно выделить три характерные области. В первой из них ЗИпрг(f) уменьшается с частотой и достигает минимума во второй области – вблизи частоты резонанса перегородки fo . Эти две области для массивных строительных конструкций не представляют особого интереса, поскольку fo здесь располагается в области низких и инфразвуковых частот. А вот третья область, где в zпрг(f) преобладает инерционная составляющая, имеет первостепенное значение для звукоизоляции ограждений. Действительно, если f >>fo, zпрг≈|ωmп| и величина звукоизоляции будет определяться соотношением m 2 h п п п 10 lg 1 ЗИ прг ( f ) 10 lg 1 2 с 2 с 2 , (7.6) где mп=ρпhп – поверхностная (приведённая к единице площади) масса перегородки как произведение плотности материала перегородки ρп на её толщину hп; 2f - угловая частота звуковых колебаний. Соотношение (7.6) носит название закона жёстких масс, который означает логарифмическую зависимость звукоизоляции перегородки от её массы и частоты. При этом, например, звукоизоляция растет со скоростью 10lg(2)2=6дБ/октаву. Однако на практике звукоизоляция не полностью подчиняется действию закона масс. Основными причинами здесь являются: 1) косое падение звуковых волн на перегородки; 2) жёсткое крепление перегородок по периметру, демпфирующее «поршневые колебания»; 3) явление волнового совпадения длины волны звука в воздухе с длиной волны изгибных колебаний в перегородке; 4) наличие в монолитных перегородках более слабых элементов (окон, дверей) и возможных щелей и отверстий. Данные причины приводят к уменьшению измеренной (по сравнению с расчетной) величины звукоизоляции и изменению её частотной зависимости. Определенное ослабление действия перечисленных факторов обеспечивают: многослойные перегородки, элементы рассеяния падающего звука, рёбра жёсткости и т.п. [1]. Таким образом, вычислив приближённо ЗИпрг(fц) в октавных или 1/3 октавных полосах с центральными частотами fц и зная или используя справочные данные по уровню N1(fц) в смежном помещении (или открытом пространстве) с источником шума, можно рассчитать уровень шума N2(fц), проникающего в защищаемое помещение с известным A2(fц) через данную перегородку площадью Sпрг или стандартным звукопоглощением А0=10м2 N 2 ( f ц ) N1 ( f ц ) ЗИ прг ( f ц ) 10 lg[ S прг / A2 ( f ц )] . (7.7) Фактически в защищаемое помещение шумы могут проникать через все перегородки и перекрытия (пол, потолок, стены), за которыми уровень шума имеет различное значение. Тогда общий уровень шума, проникающего в защищаемое помещение с эквивалентным звукопоглощением A( f ц ) ( f ц ) S , (S – площадь всех поверхностей помещения) в соответствующей полосе будет найден по формуле n 0.1[ N ( f ) ЗИ ( f )] N об .ш ( f ц ) 10 lg Si 10 i ц i ц 10 lg A( f ц ) , (7.8) i где Ni(fц) – уровень шума за i преградой площадью Si и собственной звукоизоляцией ЗИi(fц); n≥6 – число ограждений помещения. Понятно, что при известных или измеренных в полосах – уровнях Ni(fц) или звуковых давлений pi(fц) шума, действующих на различные ограждения с известными или измеренными ЗИi(fц) с учетом А(fц), - по (7.8) можно найти (или лучше – измерить) частотную зависимость Nоб.ш(fц) в нормативном частотном диапазоне 31,5…8000 Гц [3,4] и сравнить ее с допустимой для заданного назначения помещения в дневное и ночное время суток. Следует иметь в виду, что при измерениях звукоизоляции и шумов возникают трудности, обусловленные интерференцией звуковых волн, многократно отражённых поверхностями помещения и распространяющихся в нём в различных направлениях. При этом измерение в какой-либо точке звукового давления, на которое реагируют обычные микрофоны, не будет точно характеризовать общую плотность звуковой энергии в помещении, так как в этой точке может находиться, например, узел или пучность волн звукового давления. Поэтому приходиться производить его измерения в нескольких определенно выбранных точках помещения, количество которых определяется шириной полосы пропускания используемых при частотном анализе фильтров. Так, для октавного анализа число точек должно быть не меньше пяти, а для третьоктавного – не менее девяти. Тогда средний уровень звукового давления, характеризующий плотность энергии для одной и той же полосы частот, определится по среднеквадратичному значению давлений p1, p2, 2 2 ... , pк или их уровней N1 10 lg( p1 / pпс ) , N 2 10 lg( p2 / pпс ) , … N к ... в выбранных точках, т.е. p12 p12 ... pк2 1 к 0.1Ni N ср 10 lg N 10 lg[ 10 ] , ср ; (7.9) к pпс2 к i 1 где к – чиcло точек; pпс – звуковое давление на пороге слышимости в области средних частот. 3. Описание установки Рис. 7.1. Структурная схема измерительной установки Основными акустическими элементами являются камеры высокого (КВУ: длина 3,2 м, ширина 3,0 м, высота 2,9 м) и низкого (КНУ: 3,4×3,3×3,1 м) уровней. Между камерами находится проём (дверь), в который вставляется испытуемая звукоизолирующая конструкция (ИЗК). В КВУ находится источник испытательного сигнала (громкоговоритель), работающий от генератора шума ГШ, и измерительный микрофон М1. В КНУ находится второй микрофон М2, аналогичный М1. Сигналы с микрофонов после переключателя П усиливаются микрофонным усилителем – вольтметром УВ и последовательно подаются на анализатор спектра АС. К работе прилагается карта справочных данных, в которых указаны размеры и обработка КНУ (КВУ), материал испытуемых конструкций, частотная характеристики чувствительности микрофонов и значения уровней шумов за различными перегородками КНУ. 4. Методика проведения работы и обработка результатов 4.1. Ознакомиться со схемой установки, особенностями камер и других элементов для проведения измерений. Включить приборы и дать им прогреться 3...5 минут. 4.2. Разместить в проём между камерами один из ряда образцов звукоизолирующих конструкций, перечень которых установлен преподавателем. Установить на выходе ГШ такое напряжение шумового сигнала для одной из низкочастотных полос (63 или 125 Гц), чтобы выключение громкоговорителя вызывало уменьшение в 1,5…2 раза напряжения на выходе микрофона в КНУ. Это будет свидетельствовать о том, что мощность измерительного сигнала (шума), проникающего в КНУ через смежную перегородку, превышает мощность фоновых шумов. Установленную таким образом величину напряжения на громкоговорителе в дальнейшем не изменять. 4.3. Измерить частотную характеристику напряжения (или его уровня), пропорционального звуковому давлению, на выходе микрофона М1, установленного в одной из точек КВУ, путем последовательного переключения центральных частот 1/1 или 1/3 октавных фильтров АС в диапазоне частот от 63 до 8000 Гц. Повторить измерения при установке микрофона во 2, 3 и т.д. точках КВУ. Результаты записать в таблицу 7.1. здесь же вычислить и записать среднеквадратичное значение напряжения по (7.9) (или его уровень относительно напряжения в полосе fц=63(125)Гц, т.е. N1 ( f ц ) 20 lg[U (63) / U ( f ц )] ) для каждой полосы частот. Точки измерений в КВУ Точка 1 Точка 2 … Uср (N1,ср) Точки измерений в КНУ Точка 1 Точка 2 … Uср (N2,ср) ЗИпом.2, дБ ЗИпрг, дБ Таблица 7.1. Напряжение на выходе М1 КВУ (или уровень, дБ) в полосах с центральными частотами fц, Гц 63 125 … 500 … … … 8000 0 Напряжение на выходе М2 КНУ (или уровень, дБ) в полосах с центральными частотами fц, Гц - - - - - Измерить частотные характеристики напряжения на выходе М2, установленного в различных точках КНУ. Результаты измерений и усреднений записать в таблицу 7.1. По усредненным значениям напряжения или его уровням на выходе микрофонов в КВУ и КНУ в каждой полосе частот вычислить по (7.3.) частотную характеристику звукоизоляции ЗИпом.2 защищаемого (КНУ) помещения для установленной перегородки. Результаты вычислений записать в таблицу 7.1. и построить зависимость ЗИпом.2 на графике с равномерным распределением частотных полос. Из правой части (7.3) с учетом полученных значений ЗИпом.2(fц), а также дополнительных данных [A2(fц), Sпрг или А0], вычислить ЗИпрг данной перегородки для частотных полос с fц=63, 500 и 8000 Гц и записать в отдельные столбцы таблицы 7.1. 4.4. Повторить измерения и расчеты для других звукоизолирующих конструкций. Частотные характеристики (по данным таблиц, аналогичных таблице 7.1.) звукоизоляции помещения с другими ИЗК зарисовать на одном и том же графике. Определить различия величин и частотных тенденций ЗИпрг образцов и сделать по ним обоснованные выводы. 4.5. Рассчитать для трех частотных полос (63, 500, 8000 Гц) по (7.8.) величины общего уровня шумов Nоб.ш(fц), проникающих в КНУ через все перегородки, используя дополнительные данные из таблицы 7.2. для двух наиболее контрастных ИЗК. Таблица 7.2. Уровни шумов Ni, дБ; Звукоизоляции ЗИi, дБ трех ограждений КНУ и средние КЗП в КВУ и КНУ для октавных полос с fц, Гц Ni /ЗИi f1=63 Гц f2=500 Гц f3=8000 Гц Nлев /ЗИлев 60/30 55/40 50/55 Nзд /ЗИзд 70/20 65/32 60/50 Nпр /ЗИпрг 50/35 45/45 40/60 0,20 0,30 0,40 1 2 0,10 0,15 0,20 5. Содержание отчёта В отчёт необходимо включить: 1) изложение цели работы; 2) схему установки; 3) таблицы измеренных и вычисленных величин; 4) частотные характеристики звукоизоляции ЗИпом.2 для заданных ИЗК; 5) значения общего уровня шума в КНУ для двух контрастных ИЗК в трех частотных полосах. 6. Контрольные вопросы 1. Чем отличаются понятия “звукоизоляция помещения” и “звукоизоляция преграды”? 2. От каких особенностей преграды (перегородки) зависит её звукоизолирующее действие? 3. Равна ли звукоизоляция КНУ от КВУ звукоизоляции КВУ от КНУ? 4. Уровень шума, проникающего в помещение через одну преграду, равен 20 дБ, а через другую, в одной и той же частотной полосе, - 40 дБ. Чему равна величина общего уровня шума? 5. Как и почему влияет на различных частотах на величину собственной звукоизоляции перегородки наличие в ней щелей и отверстий? Литература 1. Акустика: Учебник для вузов. / Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Ю.А.Ковалгина.- М.: Горячая линия – Телеком, 2009. 2. ГОСТ 27296-87 (ИУС №8, 1999). Защита от шума в строительстве. Звукоизоляция ограждающих конструкций. Методы измерений. – М.: Госком по делам строительства, 1999. 3. СНИП 23-03-2003. Защита от шума. – М.: Госстрой России, 2004. 4. Пособие к МГСН 2.04-97. Проектирование защиты от транспортного шума и вибраций жилых и общественных зданий. – М.: Москомархитектуры, 1998. Работа № 8 Исследование тонального метода определения разборчивости речи. 1. Цель работы: ознакомление с методикой определения разборчивости речи по тональному сигналу с шумовой маскировкой. 2. Общие сведения Телефонная (и радио) связь между говорящим и слушающим абонентами существенно отличается от прямой (акустической) звукопередачи, в первую очередь, из-за наличия вторичного электроакустического тракта, который существенно нарушает условия как передачи (через микрофон), так и приема (через телефон). Последнее приводит к тому, что вместо пространственного «полевого» звука его прием ограничивается давлением ближнего поля (при непосредственном контакте телефона с ухом слушателя) и, что особенно важно, исключением всех дифракционных и бинауральных эффектов, свойственных естественному слуховому восприятию. Здесь звуковое давление pc , действующее на ухо слушателя, определяется относительной деформацией ΔV/V замкнутого (в норме) объема V воздуха между диафрагмой (мембраной) телефона и барабанной перепонкой при возбуждении используемого электроакустического преобразователя телефона подводимым напряжением. Такие условия прослушивания, уже по давлению («закороченная» звукопередача) существенно изменяют область слухового восприятия человека (рис 8.1, б) как по частотному, так и по динамическому диапазону, особенно при монауральном прослушивании через микротелефонную трубку. а) б) Рис. 8.1 Область кривых равной громкости при прослушивании в свободном поле (а) и по давлению, через головные телефоны (б) Как видно, на рис. 8.1, а[1], где кривые равной громкости были построены по уровню звукового давления (УЗД) тональных сигналов в той точке, в которой до момента измерения находилась голова слушателя, область порога восприятия достигает 0 дБ (фон) на частотах 1000…2000 Гц и даже ниже на частотах 3…4 кГц. При наличии телефона УЗД (рис. 8.1, б), также тональных сигналов, измерялся микрофоном давления у барабанной перепонки слушателя, и область восприятия существенно изменялась («смещение» уровней с понижением чувствительности слуха примерно на 8…10 фон) за счет упругой реакции воздуха в замкнутом объеме (полости). Естественно в этом режиме исключаются волновая зона воздушного пространства вокруг головы и временные, фазовые и интенсивные разницы между ушами (при двух телефонах) для полезного сигнала. А при отсутствии возможности восприятия колебательной скорости пространственная локализация заменяется ограниченной (в голове) интенсивной латерализацией. Комплексная оценка качества звуковых (речевых) трактов и систем осуществляется посредством универсального субъективного критерия – разборчивости речи, учитывающего не только свойства слуха, но и свойства голосового аппарата человека. Впервые этот критерий был использован в 1910 году Кемпбеллом для оценки результатов артикуляционных измерений качества именно телефонных линий связи [2]. Предложенный артикуляционный метод не претерпел принципиальных изменений и до настоящего времени с применением лишь более совершенной контрольноизмерительной аппаратуры и компьютерных технологий служит определенным эталоном (нормой стандартизации) всех звуковых средств информации и коммуникации. Суть артикуляционного метода достаточно известна и применительно к оценке разборчивости речи в каналах проводной- и радиосвязи заключается в передачи специальных таблиц слогов, звукосочетаний и слов, определяемых ГОСТами [3,4] с учетом их встречаемости в русской речи. Измерение разборчивости производится с помощью квалифицированных дикторов (не менее 4) и тренированных слушателей (более 3) в условиях работы линий связи или в условиях, имитирующих виды и уровни помех, акустических шумов и т.д. в соответствии с требованиями, заданными технической документацией (ТД) конкретной аппаратуры. Таким образом, при основных достоинствах как наиболее достоверного субъективного (при передаче и приеме) и естественного воспроизведения реального речевого сигнала (в заданных звуковых полях) артикуляционный метод в «чистом» виде отличается значительными экономическими и временными затратами. По нашему мнению, к принципиальным его недостаткам можно отнести отсутствие абсолютного (физического) контроля (в примерно заданных временных интервалах) громкости и тембра речи дикторов (даже в сравнительно ограниченных динамическом и частотном диапазонах) при передаче и несоответствие естественному (бинауральному) восприятию при приеме (по давлению) с помощью головных телефонов. Более высокая точность измерений и стабильность громкости и «тембра» в передающей части трактов достигается в так называемых (по определению Л. Беранека) полусубъективных методах, основанных на свойствах восприятия слушателями речи по спектральной аддитивности формант. Формантная теория разборчивости речи впервые была предложена И. Коллардом и затем развита в работах отечественных и зарубежных ученых. Форманты звуков речи заполняют весь частотный диапазон от 150 до 7000 Гц. Средняя вероятность появления формант в том или ином участке диапазона для каждого языка вполне определённа. Условились делить весь частотный диапазон на 20 таких полос, так, чтобы в каждой из них вероятность появления формант была одинаковой. Соответствующие полосы назвали полосами равной разборчивости. Они определены для ряда языков, в том числе и для русского. Для последнего границы таких полос со средними частотами (в скобках) показаны в табл. 8.1. Таблица8.1. Границы полос равной разборчивости для русской речи Номер полосы Диапазон,Гц Номер полосы Диапазон,Гц 1 200-330 (265) 11 1800-2020 (1940) 2 330-465 (400) 12 2020-2260 (2140) 3 465-605 (535) 13 2260-2530 (2395) 4 605-750 (680) 14 2530-2840 (2865) 5 750-900 (825) 15 2840-3200 (3020) 6 900-1060 (980) 16 3200-3630 (3415) 7 1060-1230 (1145) 17 3630-4150 (3890) 8 1230-1410 (1320) 18 4150-4790 (4370) 9 1410-1600 (1505) 19 4790-5640 (5215) 10 1600-1800 (1700) 20 5640-7000 (6320) Как выяснилось, в таких полосах при достаточно большом количестве передаваемого материала вероятности появления формант подчиняются правилу аддитивности. Вследствие этого вероятность появления формант в каждой полосе равной разборчивости равна 0,05. Эта вероятность называется коэффициентом разборчивости W, при этом в каждой полосе равной разборчивости вероятность приема формант (разборчивость формант – Аф) будет равна ΔAф=0,05W . Вся энергия звуков речи сосредоточена в формантах, поэтому их уровни практически совпадают с уровнями звуков речи. При этом интегральная вероятность появления уровней речи больше или меньше среднего уровня речи за длительный интервал времени (порядка 30 с) сравнительно мала и совпадает с вероятностью распределения формант, которая практически не зависит от частоты. В целом, при определенных ограничениях формантный является единственным методом, посредством которого рассчитывается субъективный параметр звукопередачи – разборчивость речи. Именно, аддитивность спектральных уровней формант, правда, в ограниченном частотном диапазоне, послужила основой для разработки ряда мировых стандартов по оценке качества трактов звукопередачи, включая каналы связи. Порог слышимости (точнее – порог прослушивания) формант в шумах определяется спектральными уровнями шумов. Для флуктуационных шумов величина порога слышимости почти не зависит от времени. Вследствие этого разность между средним спектральным уровнем речи и спектральным уровнем шумов будет определять вероятность появления формант выше уровня шумов. Но разность между уровнем сигнала и уровнем порога слышимости называют уровнем ощущения. Следовательно, коэффициент разборчивости W определяется уровнем ощущения формант в каждой полосе равной разборчивости Δfр.р . E ( f ) N p ( f ) N ш ( f ), дБ , (8.1) где Np - средний спектральный уровень речи; Nш - спектральный уровень шумов. Для уровней E(f) в пределах 0…18 дБ коэффициент W(f) может быть определен по приближенной формуле W(f)=[E(f)+6]/30 или по табл. 8.2, а более точно по графику на рис. 8.2. Таблица 8.2. Зависимость коэффициента разборчивости W от уровня ощущения формант E Е,Дб -12 -11 -10 19 -8 -7 -6 -5 W, отн. ед 0,01 0,015 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,075 Е,Дб -4 -3 -2 -1 0 3 6 9 W, отн. ед 0,095 0,11 0,14 0,17 0,20 0,30 0,40 0,50 Е,Дб 12 15 18 19 20 21 22 24 W, отн. ед 0,60 0,70 0,80 0,83 0,85 0,88 0,90 0,93 1 0,9 0,8 0,7 0,6 W 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 Е,Дб Рис.8.2.Зависимость коэффициента разборчивости W от уровня ощущения (восприятия) формант E Таким образом, определив для каждой из i полос Δfр.р=Δfi (табл. 8.1) уровень Ei(Δfi), Wi(Δfi) можно найти по рис. 8.1, который, соответственно, в общем случае будет разным. Поэтому суммарная вероятность приема формант, называемая формантной разборчивостью, будет Aф 1 20 Wi (f i ) 0.05[W1 (f1 ) W2 (f 2 ) ... W20 (f 20 )] . 20 i 1 (8.2) Между формантной и другими видами разборчивости были найдены экспериментальные зависимости. На практике наибольшее распространение получила слоговая разборчивость S, обладающая заметной чувствительностью к различного рода шумам и помехам. Известная зависимость S(Aф) представлена в табл. 8.3. и на рис. 8.3. Таблица 8.3. Зависимость между слоговой и формантной разборчивостью A,% 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 S,% 5 15 26 36 46,2 55 62,5 69 75 80 A,% 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 S,% 81 87,2 90 92,5 95,2 96,2 98 99 99,5 100 100 90 80 70 60 S,% 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 A,% Рис. 8.3. Зависимость слоговой разборчивости от формантной Оценка качества передачи речи в электроакустических трактах и каналах связи на основе формантной теории дала возможность разработать простой, но вместе с тем более точный метод измерения разборчивости речи для всех языков, названный тональным. Здесь вместо модели речевого сигнала в передающем тракте используются гармонические сигналы с частотами, равными средней каждой полосы равной разборчивости. А их амплитуды равны пиковым значениям речи в соответствующей полосе. В свою очередь, в приемном тракте такой сигнал принимается слушателем только по давлению с применением головных телефонов. При этом появляется возможность, кроме монаурального (монофонического) режима, использовать и квазибинауральный режим включения телефонов, благодаря введению электрического фазового сдвига в подводимые напряжения. Пороги прослушивания «чистых» тонов при наличии маскировки внешним шумом оказываются более низкими из-за селекции звуков критическими полосами Δfкр слуха. Так, тональный сигнал может быть услышан, если его уровень равен уровню шума в критической полосе. Более того, при более или менее равномерном спектре шума в диапазоне речевых частот в пределах 100…4000 Гц тональные сигналы обнаруживаются слухом даже, если их уровни на 10…15 дБ ниже уровня шума! При этом общий уровень Nc сигнала определяется уровнем Nт тона и логарифмическим «весом» 10lgΔfкр ширины критической полосы слуха, зависящей от частоты и режима (одно или два уха) прослушивания. Таким образом, чистый тон создает такой уровень возбуждения (ощущения) Е, дБ, какой был бы создан речью в критической полосе слуха со средней частотой fi , равной частоте тона, т.е. E( fi ) Nш ( fi ) Nc ( fi ) . (8.3) Далее, как и в обычном варианте определения разборчивости речи, в тональном методе находятся коэффициенты разборчивости Wi[E(fi)] по табл. 8.2 или рис. 8.2 для каждой из 20 полос равной разборчивости, а затем – суммарная формантная и другие виды разборчивости. Однако, в случае маскировки тонов более или менее равномерным шумом с «гладкой» огибающей спектра, тональный метод позволяет упростить методику определения разборчивости речи путем прослушивания «смеси» тона и шума только в стандартных октавных полосах fс.р. , полагая, что в их пределах коэффициенты разборчивости будут примерно одинаковыми. Так, первой октаве 175…350 Гц частотного диапазона речи из шести (табл. 8.4.) соответствует и первая полоса равной разборчивости 200…330 Гц. Следующая октава 350…700 охватывает три полосы равной разборчивости (330-465 Гц, 465-605 Гц и 605-750 Гц). Октава 700…1400 Гц включает в себя четыре полосы, четвертая – шесть, а пятая – пять полос. Последняя октава 5600…7600 Гц не вполне соответствует стандартному ряду из-за естественного спада спектра речи, но включает в себя 20-ю полосу 5600…7000 Гц равной разборчивости. Таблица 8.4. Частотный диапазон речи в октавных полосах Номер октавы Границы октавы, Гц 1 2 3 4 5 6 175…350 350…700 700…1400 1400…2800 2800…5600 5600…7600 Ширина полосы ∆fо.р., Гц 175 350 700 1400 2800 2000 Средняя частота fо.р., Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 С учетом данного распределения формантную разборчивость речи можно найти по приближенной формуле с весовыми коэффициентами AФ 0.05[W1 ( f1 ) 3W2 ( f 2 ) 4W3 ( f 3 ) 6W4 ( f 4 ) 5W5 ( f 5 ) W6 ( f 6 )], (8.4) где W1…W6 – коэффициенты разборчивости на средних частотах октавных Δfо.р полос. Таким образом, к основным достоинствам тонального метода по определению разборчивости речи по сравнению с артикуляционными измерениями можно отнести: исключение использования специальных таблиц слов, звукосочетаний или слогов; отсутствие зависимости от временных параметров голосов дикторов, а главное - расширение динамического диапазона измерений из-за большей чувствительности как монаурального, так и бинаурального слуха к тональным сигналам при высоких уровнях широкополосных или узкополосных шумов и помех различного временного воздействия. 3. Описание установки Структурная схема измерительной установки для определения разборчивости речи тональным методом показана на рис 8.4. Рис. 8.4. Структурная схема измерительной установки: ГСК – генератор синусоидальных колебаний; К – коммутационное устройство режимов монаурального и квазибинаурального прослушивания с контролем напряжения Uc и фазы тонального сигнала на зажимах телефонов по показаниям милливольтметра V1 и фазометра Ф; ГГ – головные телефоны для 1…3 слушателей; С – слушатель; М – микрофон, на выходе которого посредством микрофонного усилителя с индикатором V2 фиксируется напряжение Uш , пропорциональное уровню шума, создаваемого громкоговорителем ГГ; ГШ - генератор широкополосных «белого» и «розового» шумов. Вся измерительная установка со слушателями располагается в полузаглушенной комнате объемом ≈10 м3 с отражающим полом. 4. Методика проведения работы и обработки результатов 4.1. Ознакомиться со схемой установки и особенностями помещения, телефонов, микрофона, громкоговорителя и измерительных приборов. При необходимости выполнить отмеченные между приборами соединения. Включить питание приборов при выведенных регуляторах уровней напряжения на генераторах и дать им прогреться в течение 3…5 мин. 4.2. Для определения формантной разборчивости при монауральном прослушивании необходимо выполнить следующее. На коммутационном устройстве К включить монауральный режим, когда напряжение ГСК подводится только к одному телефону (оба тумблера вниз). Установить на шкале ГСК среднюю частоту (250 Гц) для первой октавы речевого спектра с напряжением Uc для прослушивания тона в пределах от 3 до 5 мВ по милливольтметру V1, которое затем поддерживается неизменным. При прослушивании тона убедиться, что он звучит нормально и латеризуется (локализуется в голове) в области правого или левого уха. Не изменяя величины Uc, регулятором напряжения ГШ установить такую величину (уровень) звукового давления «розового» шума от громкоговорителя, которая полностью замаскирует (заглушит) слышимость тона. Отметить при этом значение Uш.max напряжения по индикатору V2 измерительного усилителя микрофона. Переключатель частотного диапазона этого усилителя должен быть установлен в положение «А», обеспечивающее частотное «взвешивание» уровня шума по кривой «А» слухового восприятия, близкое к соответствующему уровню громкости. Затем регулируя напряжение ГШ, уменьшить его так, чтобы тон опять был услышан (демаскирован). Отметить соответствующее напряжение Uш.min по V2. Среднеарифметическое значение этих двух напряжений U ш.1 ( f1 ) (U ш. max U ш. min ) / 2 записать в табл. 8.5 и найти средний уровень ощущения данной тональной составляющей в первой октавной полосе [подобно (8.3)] на фоне маскирующего шума, т.е. E ( f1 ) N ш ( f1 ) N c ( f1 ) 20 lg m1U ш ( f1 ) U (f ) 20 lg ш 1 M ( f1 ), m2 N c ( f 1 ) N c ( f1 ) (8.4а) где m1 - коэффициент передачи тонального сигнала, зависящий от чувствительности головных телефонов; m2 - коэффициент передачи маскирующего шума, зависящий от звукоизоляции телефонов и чувствительностей микрофона и громкоговорителя; M ( f ) 20 lg m1 m2 – нормированный коэффициент передачи измерительного тракта (задается параметрами элементов тракта с частотно-зависимым спадом 3 дБ/окт). По уровню ощущения E(f1) находится коэффициент разборчивости W(f1). Результаты расчета E(f1) и W(f1) вносятся в соответствующие графы табл. 8.5. Затем выполняются прослушивание тонов и расчеты для средних частот остальных октавных полос спектра речи и, в целом, общая формантная разборчивость как сумма частотных составляющих W(f). Таблица 8.5 Слушатель: Напряжение Uc=.., подводимое к ГТ Искомые величины Измеренные и вычисленные величины при монауральном прослушивании в октавных полосах fcp, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 Uш, мВ Е, дБ W,отн.ед. 6 Aм 0,05 Wi ( f i ) ... 1 4.3. Повторить измерения и расчеты по п. 4.2, но для квазибинаурального (синфазного) прослушивания, когда уже симметричное напряжение тонов Uc=3..5мВ от ГСК подводится параллельно к двум телефонам с одинаковой фазой (тумблер «0°»), убедиться, что тоны звучат нормально и с большей громкостью не только из-за включения второго телефона, но и за счет повышения избирательности слуха (уменьшение ширины Δfкр). Отметить изменившийся характер локализации (латерализации) звука в голове. Результаты измерений и расчетов внести в соответствующие графы табл. 8.6. Слушатель: Искомые величины Таблица 8.6. Напряжение Uc=.., подводимое к ГТ. Измеренные и вычисленные величины при квазибиноуральном (синфазном)прослушивании в октавных полосах fcp, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 Uш, мВ Е, дБ W,отн.ед. 6 Acф 0,05 Wi ( f i ) ... 1 4.4. Повторить измерения и расчеты по п. 4.2. (4.3), но для квазибинаурального (противофазного) прослушивания, где симметричное напряжение тона Uc=3..5мВ от ГСК подводится к телефонам со сдвигом 180° (включен тумблер «180°» и выключен «0°»). Отметить характер латерализации звука в голове. Результаты внести в графы табл. 8.7. Таблица 8.7. Слушатель: Напряжение Uc=.., подводимое к ГТ. Искомые величины Измеренные и вычисленные величины при квазибинауральном (противофазном) прослушивании в октавных полосах fcp, Гц 250 500 1000 2000 4000 6000 Uш, мВ Е, дБ W,отн.ед 6 Aпф 0,05 Wi ( f i ) ... 1 4.5. Обобщить результаты измерений и расчетов всех студентов, участвующих в выполнении работы. Для этого следует: – Определить среднее значение коэффициентов разборчивости монаурального (Wср.м.) и квазибинауральных (синфазного - Wср.сф. и противофазного - Wср.пф.) режимов прослушивания по результатам Wn отдельных слушателей (по табл. 8.5…8.7) во всех октавных полосах диапазона. К примеру, – для монаурального режима в первой (250Гц) октавной полосе будем иметь n Wср. м. ( f1 ) 1 Wn . m ( f 1 ) , n (8.5) где n – число слушателей; а Wn.м – коэффициенты разборчивости, полученные отдельными слушателями в монорежимах для первой октавы. Подобным же образом вычисляются средние значения Wср.м, для остальных октавных полос, а также для квазибинауральных режимов. По средним значениям Wср.м(f), Wср.сф(f) и Wср.пф.(f) строятся графики зависимости от частоты в заданном диапазоне и делаются соответствующие выводы. – Найти средние значения формантной разборчивости речи для выполненного тонального метода по данным (табл. 8.5…8.7) каждого слушателя в трех режимах прослушивания по формулам, подобной (8.5), т.е. n Aср . м. 1 An.m , n n Aср.сф. 1 An.сф n , n An.пф 1 n Aср.пф. , (8.6) где Aп.м.,Ап.сф. и Ап.пф – значения формантной разборчивости, полученные каждым слушателем. По объективным и субъективным причинам результаты расчета Аn слушателей могут в той или иной степени отличаться от средних Аср. Погрешность результатов определяется по формуле для среднеквадратичной ошибки: 1 n ( Aср An ) 2 . n 1 1 (8.7) При отличии результата An отдельного слушателя от среднего значения Aср на величину, равную 2σ, то этот результат исключается, а расчет Aср повторяется. Если же отдельный результат превышает величину 3σ, то все измерения и расчеты данного варианта выполняются заново. В целом, по уточненным значениям Aср для трех режимов прослушивания по табл. 8.3. или рис. 8.3. находятся, соответственно, значения Sм, Sсф и Sпф слоговой разборчивости. 5. Содержание отчета В отчет по работе следует включить: 1) изложение цели работы, 2) схему измерительной установки, 3) таблицы измерений и расчета формантной, а также слоговой разборчивости, 4) графики частотных зависимостей средних значений коэффициентов разборчивости для трех режимов прослушивания. 6. Контрольные вопросы 1. Перечислите основные достоинства и недостатки артикуляционного метода измерения разборчивости речи. 2. В чем заключаются преимущества тонального метода определения разборчивости речи? 3. В какой области речевого диапазона частот и почему коэффициент разборчивости имеет наибольшие значения? 4. Поясните сущность формантной теории расчета разборчивости речи. 5. Почему величина разборчивости по тональному методу больше при бинауральном прослушивании, чем при монауральном? Литература 1. Акустика: Учебник для вузов/Ш.Я. Вахитов и др. Под ред. Проф. Ю.А.Ковалгина. - М.: Горячая линия - Телеком, 2009. 2. Калинцев Ю.К. Разборчивость речи в цифровых вокодерах. – М.: Радио и связь, 1991. 3. ГОСТ Р 51061-97. Параметры качества речи и методы ее измерения. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1996. 4. ГОСТ Р 508840-95. Передача речи по трактам связи. – М.: ИПК Изд-во стандартов, 1995. 5. ГОСТ 8031-78 (переиздание с изменениями). Аппараты телефонные. Тональный метод измерения разборчивости речи.- М.: ИПК Изд-во стандартов, 1998. Содержание: ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 3 Работа №1 Измерение реверберационных параметров помещений ...................... 5 Работа №2 Исследование влияния геометрических параметров помещения на временные и спектральные свойства сигналов ...................................................... 12 Работа №3 Исследование качества звукопередачи в помещениях ...................... 21 Работа №4 Определение акустических свойств заглушённой комнаты ............. 30 Работа №5 Исследование влияния волновых процессов в помещениях на электроакустическую характеристику звукопередачи .......................................... 37 Работа №6 Измерение коэффициента звукопоглощения и акустического сопротивления материалов ....................................................................................... 46 Работа №7 Измерение звукоизоляции ограждений и уровня шума в помещенияx ..................................................................................................................................... 57 Работа №8 Исследование тонального метода определения разборчивости речи. ..................................................................................................................................... 64
