Звуковое поле. Параметры звукового поля.

Работа добавлена: 2018-07-04






Билет 8

  1. Звуковое поле. Параметры звукового поля.

Звуковой волной называется процесс распространения продольных деформаций: сжатия и разряжения среды в упругой инерционной среде. Область среды, в которой возбуждены звуковые волны, называется звуковым полем.

Параметры звукового поля:

- звуковое давление р (разность между мгновенным значением полного давления Р и статическим давлением среды Рст). Это скалярная величина.

В каждый момент времени полное давление в рассматриваемой точке равно сумме статического и звукового давлений Р= Рст + р.

- колебательная скорость частиц воздуха ξ. Это векторная величина.

Те или иные особенности звукового поля определяются формой фронта звуковой волны, создающей данное поле. Фронтом волны называется поверхность, во всех точках которой звуковое давление имеет одну и ту же величину и фазу. В физической акустике обычно рассматривают три типа звуковых волн, отличающихся друг от друга формой фронта: плоские (физическая реализация: поршень в трубе), имеющие фронт в виде плоскости, нормальной к направлению распространения, шаровые (физическая реализация: громкоговоритель) – с фронтом в виде сферы и цилиндрические (физическая реализация: проезжающий поезд), форма фронта которых имеет вид боковой поверхности цилиндра.

Интенсивностью звукового поля в данной точке называется энергия, приносимая звуковой волной за 1 сек. через единичную площадку фронта, нормальную к направлению распространения звука.I =Wак/Sфр

В случае шаровой волныSфр=4πR², цилиндрическойSфр=2πRl (l – высота цилиндра). При любом характере фронта волны справедливо равенствоI=p²эф/ρ0c0, где рэф=pm/√2 эффективное значение звукового давления.

Свойства шаровой волны: амплитуда звукового давления изменяется обратно пропорционально расстоянию; колебательная скорость имеет две составляющие – одна из них совпадает по фазе с давлением и называется активной, вторая отстает по фазе от давления на угол π/2 и называется реактивной составляющей.

Характеристика направленности источника звука – диаграмма в полярных координатах, показывающая распределение звукового давления в зависимости от угла склонения θ (угол между осью излучения и направлением на данный приемник).

R(θ) = P(θ)/P(0°)

R(θ) = 0.5(1+cosθ) «кардиоида»

R(θ) =cos θ «восьмерка»

Нелинейные искажения в трактах звукопередачи

Нелинейные искажения представляют собой изменения формы колебаний, проходящих через электрическую цепь (например, через усилитель или трансформатор), вызванные нарушениями пропорциональности между мгновенными значениями напряжения на выходе этой цепи и на ее входе. Это происходит, когда характеристика выходного напряжения нелинейно зависит от входного или, иными словами, коэффициент передачи цепи меняет свою величину в зависимости от уровня сигнала, подаваемого на вход устройства. Нелинейные искажения при малой их величине изменяют тембр звучания, затрудняют раздельное восприятие звуков инструментов и голосов. При более сильных нелинейных искажениях появляются неприятные хрипы и дребезжание.

Рис. слева. Нелинейные искажения: а - сигнал прошел через линейную цепь, б- на выходе нелинейной цепи форма сигнала искажена.

При подаче синусоидального тона на элемент схемы, имеющий нелинейную характеристику, на его выходе появляются отсутствовавшие на входе высшие гармоники, т.е. колебания с частотами, в целое число раз большими, чем частота основного колебания. Эти гармоники складываются с основным тоном, меняют его форму и придают звучанию новый тембр, как видно из рисунка. Рис. Справа. Сложные колебания, полученные в результате нелинейного усиления: а - чистый синусоидальный тон (основное колебание или первая гармоника); б - продукт нелинейной цепи (третья гармоника); в - сложное колебание на выходе цепи (сумма основного колебания и третьей гармоники).

Еще более неприятным следствием нелинейности являются появление комбинационных частот. Они возникают, когда на вход нелинейной системы подается не

одно, а два или несколько синусоидальных колебаний. Тогда на выходе, кроме образующихся гармоник всех проходящих колебаний, появляются комбинационные частоты, равные суммам и разностям всех близких друг к другу частот. Например, если на вход устройства, имеющего нелинейную характеристику передачи, поданы колебания двух частот: f1 = 1000 Гц и f2 = 1100 Гц, то на его выходе можно обнаружить дополнительно: высшие гармоники частот f1 и f2 , т.е. 2f1 = 2000 Гц и 3f1 = 3000 Гц и т.д., а кроме того, 2f2 = 2200 Гц, 3f2 = 3300 Гц и т.д.; простые комбинационные частоты, равные f1 + f2 = 2100 Гц и f1 - f2 = 100 Гц, а также сложные комбинационные частоты, возникшие в результате биения гармоник с основными частотами и друг с другом 2f1 + f2 = 2000 + 1100 = 3100 Гц ; 2f1 - f2 = 2000 - 1100 = 900 Гц и т.п.

Нелинейные искажения оцениваются величиной коэффициента нелинейных искажений. Коэффициентом  нелинейных искажений цепи или устройства называют выраженное в процентах отношение суммарного напряжения всех высших гармоник (или комбинационных частот) на его выходе к напряжению основного колебания. Нелинейные искажения на слух практически мало заметны, если коэффициент гармоник не превышает 2 - 3 % .

Методы  измерения нелинейных искажений в трактах звукопередачи: метод гармоник, разностного тона, модулированного тона, взаимной модуляции (интермодуляции). Для перечисленных методов существуют свои области применения. При этом каждый из них использует специальные сигналы, обеспечивающие наибольшую эффективность обнаружения продуктов искажений.

            Структурная схема измерения и спектральные диаграммы для метода интермодуляции приведены на рис.2. Измерительный сигнал создается генератором белого шума ГБШ, ограниченный с помощью полосового фильтра ПФ полосой частот 3...12 кГц, который и подается на вход объекта измерений ОИ.

Продукты нелинейных искажений ПНИ (интермодуляции) шумового сигнала измеряют вольтметром V после ФНЧ со взвешиванием в полосе частот 30 Гц... 1,2 кГц. Числовой показатель нелинейности - это выраженное в децибелах отношение среднеквадратичного напряжения продуктов искажений (UС) к напряжению опорного сигнала (UВ), вырабатываемого встроенным в прибор генератором с частотой 1 кГц:

    КИШ = 20 lg (UС/UВ). (1)

        Измерения искажений проводятся и методом гармоник с использованием измерительного сигнала в виде третьоктавной полосы шума. Структурная схема и спектральные диаграммы приведены на рис.3.

    Из вырабатываемого генератором ГРШ розового шума блоком полосовых фильтров БПФ для исследования объекта измерений ОИ поочередно выделяют полосы, причем спад уровня 3 дБ на октаву с ростом частоты обеспечивает постоянную мощность измерительного сигнала в любой третьоктавной полосе. Из продуктов искажений напряжения сигнала U1 в расчет принимаются только расположенные в третьоктавных полосах его гармоники U2, U3 со средними частотами nf1, где n = 2, 3...,f1 - средняя частота полосы измерительного сигнала. Измерения проводят анализатором спектра АС, подключенным к выходу объекта измерений. Числовой показатель коэффициента гармоник шумового сигнала определяется по формуле:

Основные показатели цифровых аудиоданных.

В относительно монофонном сигнале между соседними отсчетами существует значительная взаимосвязь (корреляция). Для передачи разности значений соседних отсчетов потребуется значительно меньшее количество битов, чем можно сократить скорость цифрового потока. Именно этот принцип используется в дискретных методах.

Устройство, передающее последовательность разностей между отсчетами, относится к классу преобразователей с памятью, называемыхN-отводными кодерами с предсказанием и коррекцией. Такие устройства должны иметь долговременную и кратковременную память для осуществления операций в реальном времени.

Рис. Структурная схема преобразователя с предсказанием.

xi-последовательность отсчетов, полученных после первичного цифрового преобразования.

ВN-отводном предсказателе (гдеN – число считываемых предыдущих отсчетов) осуществляется некая функция аппроксимации и формируется предсказанное поN предыдущим отсчетам значенияx(i)˜. В кодере и декодере должны использоваться одинаковые модели аппроксимации предсказания. Эти модели учитывают корреляционные характеристики звукового сигнала. В устройстве сравнения (УС) определяется разность между действительным значением отсчетов и его предсказанным значениемx(i)˜.

d(i)=x(i) -x(i)˜ - ошибка предсказания.

Сигналd(i) поступает на квантователь, на выходе которого получается квантованная версия ошибки предсказания. Нижний контур введен для компенсации ошибок выполнения операций и повышения помехоустойчивости. В деквантователе восстанавливается исходной значение ошибки предсказанияd(i). Сумматор С выполняет функцию накопителя поступающих на него значений, формируя сигналx(i)˜ - скорректированная величина входного отсчета.

Наиболее часто используется линейное предсказание. ВN-отводном устройстве оптимально учитывать все предыдущие отсчеты, т.е.N→ ∞.

Разновидности дифференциальных методов:

  1. Дифференциальная импульсно-кодовая модуляция (ДИКМ).

Каждый отсчет сигнала кодируется отдельно и соответственно каждое кодовое слово несет информацию об одном отсчете сигнала. Корреляционные связи, имеющиеся в сигнале,  никак не влияют на процесс кодирования, и требуемое число уровней квантования определяется только диапазоном изменения входного сигнала и выбранным шагом квантования. Особенностью является отсутствие ограничения, т.к. результат процесса кодирования не зависит от абсолютного значения входного сигнала. Зато могут появиться искажения называемые искажения по крутизне, когда приращение сигнала за тактовый интервал выходит за пределы шкалы квантования.

  1. Дельта-модуляция.

Простое преобразование, однако позволяет получить более лучшее отношение сигнал/шум квантования.

Основные показатели цифровых аудиоданных:

Динамический диапазон преобразования ДДпр=20(m-1)lg2≈6(m-1) [дБ],

гдеm – размерность квантованного отсчета.

Отношение сигнал/шум квантования С/Шкв=6m-20lgK+4.8 [дБ], где К – значение пик-фактора.

Скорость звукового потока СЦП=m*fд*Nк [кбит/с],

гдеm – разрядность,fд– частота дискретизации,Nк – число каналов.

Объем памяти ОП = СЦП*Д [кбит], где Д – длительность звучания.

4. Законы фотоэффекта.Фотоэффект — это испусканиеэлектронов веществом под действиемсвета. В конденсированныхвеществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы внешнего фотоэффекта:

1. Закон Столетова. Фототок в цепи фотоэлементаiф пропорционален интенсивности вызывающего его светового потока, т.е.iф=SФ, где Ф [лм] – световой поток,S [мкА/лм] – коэффициент пропорциональности (чувствительность фотокатода).

2.Безынерционность фотоэлектронной эмиссии. Фототок следует за изменением светового потока практически без запаздывания с частотой 100 МГц.

3. Закон Эйнштейна. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона прямо пропорциональна частоте падающего на фотокатод светового потока и не зависит от его интенсивности.

We=0, где0– работа выхода,h – постоянная Планка,We=mV²max/2

Классификация ФЭП

Внешний фотоэффект

Внутренний фотоэффект

безынерционный

инерционный

- Фотоэлемент

- Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)

- Передающие ТВ трубки без накопления (диссектор)

- фоторезисторы

- фотодиоды

- фототранзисторы

- ТВ передающая ЭЛТ с накоплением (иконоскоп, видикон и их разновидности)

- твердотельные полупроводниковые ТВ ФЭП (ПЗС, КМОП-матрицы)

Основные характеристики ФЭП: чувствительность, разрешающая способность, световая и спектральная характеристики, инерционность.

Чувствительность передающей трубки – величина, обратная освещенности фоточувствительной поверхности преобразователя, необходимой для получения ТВ сигнала с заданным соотношением сигнал/шум.

Разрешающая способность фотоэлектрического преобразователя характеризует свойство генерировать ТВ сигнал от мелких деталей изображения.

Световая характеристика – зависимость тока сигнала на выходе преобразователя от освещенности его фоточувствительной поверхности.

Спектральная характеристика преобразователя – зависимость ТВ сигнала от длины волны воздействующего на фоточувствительную поверхность равноинтенсивного излучения.

Инерционность – параметр, характеризующий запаздывание изменения ТВ сигнала на выходе ФЭП относительно изменения освещенности его фоточувствительной поверхности.

ПЗС со строчным переносом.

Для накопления зарядовых пакетов в них используются столбцы обратносмещенных фотодиодов р-типа (Hole-accumulation diode, HAD). В непосредственной близости от каждого столбца фотодиодов находится нечувствительный к свету вертикальный ПЗС-регистр, отделенный от фотодиодов фотозатвором. В первых матрицах ПЗС со сточным переносом роль фотозатвора выполнял отдельный поликремниевый электрод. В настоящее время его роль выполняет часть затвора вертикального ПЗС-регистра, выступающая за край скрытого канала переноса зарядов. В конце вертикальных ПЗС-регистров расположен горизонтальный ПЗС-регистр с выходным устройством (рис. 2.5). Все регистры ПЗС - вертикальные и горизонтальный - выполняются экранированными от падающего света.

Во время накопления зарядовых пакетов в фотодиодах на фотозатвор подается низкий потенциал, обеспечивающий потенциальный барьер между фотодиодами и вертикальным ПЗС-регистром. По окончании накопления на фотозатвор кратковременно подается положительный потенциал, разрешающий перенос зарядовых пакетов из фотодиодов в потенциальные ямы, образованные в вертикальных ПЗС-регистрах. Затем с фотозатвора снимается положительное смещение и накопление зарядовых пакетов в фотодиодах возобновляется.

Зарядовые пакеты из вертикальных ПЗС-регистров построчно переносятся в горизонтальный ПЗС-регистр, из которого поэлементно считываются через выходное устройство. Перенос из светочувстви-тельных фотодиодов в вертикальные регистры осуществляется во время обратного хода по кадру, а перенос зарядовых пакетов из вертикальных регистров в горизонтальный регистр - во время обратного хода по строке. После того как все строки зарядовых пакетов будут считаны, возможен перенос следующего двухмерного массива зарядовых пакетов из фотодиодов.

Достоинством матричных ПЗС со строчным переносом является малый уровень смаза, связанный с тем, что перенос всех зарядовых пакетов в защищенные от света вертикальные ПЗС-регистры происходит в течение короткого промежутка времени. Основной недостаток: неполное использование светового потока вследствие наличия нечувствительных вертикальных регистров.




Возможно эти работы будут Вам интересны.

1. Поле. Примеры полей. Упорядоченное поле. Числовые поля и их св-ва.

2. Работа по перемещению заряда в электростатическое поле. Циркуляция вектора напряженности электростатического поля. Потенциальное поле

3. Магнитное поле в веществе. Намагниченность вещества. Напряжённость магнитного поля. Диа- и парамагнетики

4. Гравитационное поле. Закон всемирного тяготения. Инертная и гравитационная массы. Поле тяготения и его характеристики: напряженность, потенциал. Потенциальная энергия тела в гравитационном поле. Движение в центральном поле тяготения

5. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ Глава 1.Электростатика 1.1 Предмет классической электродинамики. Идея близкодействия. Поле. Электрический заряд и напряжённость электрического поля. Дискретность заряда

6. Электрическое поле в вакууме. Закон сохранения электрического заряда. Закон кулона. Характеристики электрического поля в вакууме. Теорема О-Г и её применение к реш задач по электростатике

7. - звуковое давление р разность между мгновенным значением полного давления Р и статическим давлением среды Р.

8. Логарифмические уровни (уровень интенсивности, уровень звукового давлёния), способы их вычисления в звуковых полях одиночных и групповых излучателей

9. «Дополнительно» позволяет установить параметры шифрования документ

10. 1Потенциальные поля.