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 , времени свободного пробега волн и коэффициенте звукопоглощения 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 (поверхностная масса ) обычно плоскими ограждениями и локальными коэффициентами звукопоглощения и не «мгновенно», а в пределах запаздывания , 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 относительно прямого звука. Эти отражения (как «близкие» копии), несут (дополняют) наиболее точную слуховую информацию о прямом звуке, расположении его источника и слушателя 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 осуществляется методами геометрической (лучевой) акустики путем сравнения путей распространения (длин лучей) обходной (падающей и отраженной ) и прямой энергии , т.е.

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 I_пр и сопутствующих ранних отражений , действующих под наклоном в начальных стадиях переходных процессов звукопередачи в помещениях. Эти потери вызваны геометрическим расширением фронта сферических волн (закон обратных квадратов) на расстояниях и поглощением соответствующих поверхностей относительно потерь прямого звука на с учетом корреляционной (интерференционной) поправки [2]

(2.2)

где - локальный коэффициент звукопоглощения для плоской отражающей поверхности; - 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 и . Причем конструктивная (гомофазная: ) корреляция проявляется при совпадении направлений распространения прямого и отраженного звуков и в совокупности с менее коррелированными (энергетическими) ранними отражениями ( ) способствует локализации источника, повышению разборчивости речи (примерно 3-4% на одно интенсивное отражение) и прозрачности звучания музыки. Деструктивная ( ) корреляция с отражениями, приходящими с противоположной стороны, наоборот вызывает значительное ухудшение звукопередачи в помещениях. При >ПВЗ связь теряет фазовые различия и становится пренебрежимо малой ( ) 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: 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 ( ) и пятью ( ) 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 и соответствующими полосами пропускания . На вход выбираемого фильтра подаются обычные (видео) импульсы прямоугольной формы с переменными основными характеристиками: амплитудой , длительностью в периоде Т, скважностью и, соответственно, частотой следования (повторения) импульсов .

Аналитическая зависимость последовательности прямоугольных электрических видеоимпульсов с напряжением на входе фильтра имеет вид при при .

Типовое разложение в ряд Фурье такой четной функции, не содержащей четных гармоник, дает значения постоянной составляющей и всех амплитуд составляющих

(2.4)

где n=1,2,3… номера гармонических составляющих.

Из (2.3) следует, что спектр разложения подчиняется зависимости , где основная энергия последовательности видеоимпульсов находится в полосе . С повышением n и Т амплитуды гармоник уменьшаются. А увеличение длительности паузы между импульсами при прежнем приводит к уменьшению 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 повторяет (в двойном «размере») спектр видеоимпульсов, но при наличии частоты ,справа и слева от которой располагаются симметрично гармоники с интервалами, равными F, затем 3F,5F и т.д. Эта связь спектров описывается простым выражением

. (2.4)

Таким образом, каждой частоте F гармонической составляющей видеоимпульса с амплитудой или соответствуют уже две «боковые» составляющие спектра радиоимпульса с частотами и . 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 с амплитудой . Однако активная ширина спектра радиоимпульса оказывается в 2 раза больше активной ширины спектра видеоимпульса .

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 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 ) 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 . 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 ; скважность

Форма колебания, в/и   Частота, Гц	Уровень напряжения гармоник на выходе генератора, дБ
Расчет	Измерение
n=1, F=		…
n=2, …	…	…
…	…	…
n=5	…	…

5) Повторить расчет измерения по п. 4.1 при с исходным . 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 [ ] 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 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.

Таблица 2.2

Форма Колебания, р/и   Частота, Гц	Уровень напряжения (давления) составляющих АМ сигнала, дБ
Расчет, дБ	Измерение на выходах, дБ
УМ	МУ1	МУ2
	…	…	…	…
	…	…	…	…

 

4) Повторить расчет и измерения по п. 4.2. (1,2,3) для АМ колебания, имитирующего произвольный музыкальный сигнал при , 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 (l_пад+l_отр)и l_пр звуков.

Приращение амплитуд будет максимальным, если разность хода ( ) будет пропорциональна целому числу k длин (λ) волн звука, т.е. когда

(2.5)

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 амплитудно-модулированный 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.

Работа № 3

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: