Первая страница
Наша команда
Контакты
О нас

    Головна сторінка



Вступ актуальність проблеми

Вступ актуальність проблеми




Сторінка1/10
Дата конвертації08.05.2017
Розмір1.08 Mb.
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


ВСТУП
Актуальність проблеми: вимірювання акустичних параметрів приміщень та шумів важливе для вибору і контролю приміщень телевізійних студій, концертних залів тощо. Розроблені програми надаватимуть можливість вимірювати акустичні параметри приміщення та псофометричні шуми за допомогою лише ноутбука із мікрофоном та гучномовцем.

Об’єкт дослідження: процес вимірювання акустичних параметрів приміщень та псофометричних шумів.

Предмет: комп’ютерні методи вимірювання акустичних параметрів і псофометриних шумів приміщень.

Мета і завдання: підвищення точності і розширення діапазону вимірювання акустичних параметрів приміщень та псофометричних шумів приміщень шляхом створення комп’ютерного методу та алгоритму вимірювання. Для цього необхідно дослідити існуючі методи вимірювання параметрів приміщень та шумів, запропонувати метод, що дозволяє комплексно відображати параметри приміщень та шуми та імплементувати його в програмний код.

Методи дослідження: систематизація та вибір оптимальних методів вимірювання з використанням аналітичних, статистичних моделей розповсюдження звукових коливань, а також експериментальні дослідження. Алгоритмічні методи та методів цифрової обробки сигналів.
Статисти́чна моде́ль - абстрактна схема відношень між величинами, що характеризують властивості реального процесу, розробка якої здійснюється неформальним шляхом. Статистична модель являє собою процес генерування даних, часто в значно ідеалізованій формі.
Ме́тод вимі́рювання - сукупність способів використання засобів вимірювальної техніки та принципів вимірювань для створення вимірювальної інформації.
Звук - коливальний рух частинок пружного середовища, що поширюється у вигляді хвиль у газі, рідині чи твердому тілі. У вузькому значенні терміном звук визначають коливання, які сприймаються органами чуття людини.
Цифрова обробка сигналів (ЦОС - англ. digital signal processing, DSP) - перетворення сигналів, представлених у цифровій формі.

Матеріали дослідження утворюють цілісний комплекс, що складається з матеріалів теоретичних досліджень, алгоритмів та програмного забезпечення для вимірювання акустичних параметрів приміщень та псофометричних шумів.

Теорети́чні дослі́дження - висунення і розвиток наукових гіпотез і теорій, формулювання законів та виведення з них логічних наслідків, зіставлення різних гіпотез і теорій.



Наукова та практична цінність роботи:

  • запропоновано метод вимірювання акустичних параметрів приміщень за допомогою полігармонійних сигналів;

  • покращено вимірювання псофометричних шумів за допомогою спектрального аналізу із використанням цифрової фільтрації;

  • досліджено залежність результатів вимірювань від характеристик комп’ютерного апаратного забезпечення;
    Апара́тне забезпе́чення (англ. hardware; сленг. залі́зо) - комплекс технічних засобів, який включає електронний пристрій і, зокрема, ЕОМ: зовнішні пристрої, термінали, абонентські пункти тощо, які необхідні для функціонування тієї чи іншої системи; фізична частина ЕОМ.


  • оптимізовано інтерфейс користувача програми та спосіб графічного представлення результатів вимірювань.

Практичним результатом роботи є комп’ютерні програми для вимірювання акустичних параметрів та псофометричних шумів приміщень. Застосування розробок дає можливість використовувати нові режими роботи аналізатора параметрів звукових трактів АПЗТ-А3.

Апробація результатів дослідження: результати дослідження доповідались на XLIV регіональній науково-технічній конференції професорсько-викладацького складу, співробітників та студентів Вінницького національного технічного університету 2015 року та опубліковані у електронному науковому виданні матеріалів конференції [1-2].
Вíнницький націона́льний технічний університе́т - вищий навчальний заклад четвертого рівня акредитації.

Положення, що їх винесено на захист:



  • метод вимірювання акустичних параметрів приміщень за допомогою полігармонійних сигналів дає можливість одночасного вимірювання часу реверберації на різних частотах;

  • вимірювання псофометричних шумів за допомогою спектрального аналізу із використанням цифрової фільтрації да можливість зімітувати частотну характеристику слуху людини;

  • оптимізований інтерфейс програми та спосіб графічного представлення результатів вимірювань спрощує роботу над вимірюваннями.

Логіка дослідження зумовила наступну структуру роботи: вступ, 4 розділи, висновки, список використаних джерел із 29 найменувань, 7 додатків. Загальний обсяг – 109 сторінок.

1 ОГЛЯД АКУСТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРИМІЩЕНЬ ТА ПСОФОМЕТРИЧНИХ ШУМІВ ТА АНАЛІЗ МЕТОДІВ ЇХ ВИМІРЮВАННЯ

В даному розділі розглядаються властивості звукових коливань та їх параметри.

Ампліту́дно-часто́тна характери́стика (АЧХ) - графік залежності амплітуди вихідного сигналу передавача від частоти вхідного сигналу сталої амплітуди.
Аку́стика (від грец. ακουστικός - чутний, такий, що сприймається на слух), у вузькому значенні слова - вчення про звук, тобто про пружні коливання та хвилі у газах, рідинах і твердих тілах, чутних людським вухом (частоти таких коливань знаходяться у межах від 16 Гц до 20 кГц); у широкому сенсі - область фізики, що досліджує властивості пружних коливань та хвиль від найнижчих частот (умовно від 0 Гц) до гранично високих частот 1012 - 1013 Гц, їхньої взаємодії з речовиною і застосування одержаних знань для вирішення широкого кола інженерних проблем. Терміном акустика зараз також часто характеризують систему звуковідтворюючої апаратури.
Проводиться огляд і аналіз властивостей звукових коливань в приміщеннях різного типу та можливості їх комп’ютерного вимірювання. Визначаються основні параметри приміщень, а також можливості вимірювань звукових параметрів приміщень за допомогою комп’ютерних засобів.


1.1 Систематизація акустичних параметрів приміщень
У закритих приміщеннях більш-менш великого розміру слухач сприймає, крім прямого звуку, ще й ряд його запізнілих повторень, обумовлених відображеннями від обмежуючих поверхонь і швидко наступаючих один за одним. Під час відбиття звуку, його енергія поглинається, кожні наступні повтори стають більш слабшими. За умов вимкнення джерела звуку, кількість відображеної енергії буде затухати до моменту її повного зникнення. Процес поступового затухання звуку називається реверберація [3]. Тривалість реверберації є найважливішим чинником, що визначає акустичну якість залів. При надмірно повільному згасанні звучання мови і музики виявляється недостатньо чітким, при короткій реверберації мова звучить занадто глухо, а музичні звучання втрачають злитість і виразність. Навіть при оптимальному значенні часу реверберації акустичні властивості зали можуть дуже відрізнятися на різних направленнях через відмінність в шляхах, котрі проходять відображення від джерела звуку до слухача. Найбільш сприятливі умови різні не тільки для мови і музики, а й для музичних творів різного характеру (камерна, естрадна, симфонічна музика).
Му́зика (від грец. μουσική - мистецтво муз) - мистецтво організації музичних звуків, передусім у часовій (ритмічній), звуковисотній і тембровій шкалі. Музичним може бути практично будь-який звук з певними акустичними характеристиками, які відповідають естетиці тої чи іншої епохи, та може бути відтвореним при виконанні музики.
Тому акустичне проектування концертних залів (вибір форми, розміщення слухачів, обробка обмежуючих поверхонь розсіюючими і поглинаючими конструкціями, застосування підвісних відбивачів і т.д.) нерідко вимагає компромісних рішень. У залах великої місткості умови чутності можуть бути поліпшені застосуванням електроакустичних систем.

Коли звукова хвиля падає на перешкоду, одна частина звукової енергії поглинається перешкодою, інша – відбивається від перешкоди і третя – перевипромінюється перешкодою.

Раніше до складу архітектурної акустики включали питання ізоляції приміщень від проникаючих ззовні звуків;

Архітекту́рна аку́стика (англ. Architectural acoustics)- це розділ акустики, що вивчає поширення звукових хвиль в приміщенні, віддзеркалення і поглинання їх поверхнями, вплив відбитих хвиль на чутність і розбірливість мови і музики.
тепер ці проблеми виділилися в самостійну область - будівельну акустику. Методами архітектурної акустики користуються також в техніці боротьби з шумом в приміщеннях [4]. При експериментальному дослідженні акустичних властивостей приміщень часто використовують імпульсний сигнал як джерело звуку. При цьому фіксують послідовність прийнятих прямого та відбитіх від поверхонь сигналів.

В архітектурній акустиці розрізняють більш сувору хвильову теорію і менш сувору, але більш зручну для технічних розрахунків геометричну, в якій напрям поширення і межі основної частини потоку звукової енергії, яку переносять падаючими на перешкоду або відбитими звуковими хвилями, зображують прямими променями. Геометричні уявлення тим більше правомірні, чим менше довжина звукової хвилі в порівнянні з розмірами перешкоди. У загальному випадку, ранні відбиття містять більше енергії, ніж ревербераційні відображення. Крім того, ранні відбиття безпосередньо залежать від геометричних форм приміщення і є унікальними для кожної конкретної точки приміщення. Таким чином, акустичні параметри кожної точки приміщення визначаються поєднанням прямого звуку і ранніх віддзеркалень, що приходять в цю точку [5].


1.2 Типи приміщень за акустичною характеристикою
Об'єктивні параметри, отримані за допомогою хвильової, статистичної або геометричної теорії, такі як час реверберації, структура резонансних частот, час і напрямки приходу ранніх віддзеркалень і ін.
Геоме́трія (від дав.-гр. γη - Земля і μετρέω - вимірюю; землеміряння) - розділ математики, наука про просторові форми, відносини і їхні узагальнення.
, є основою для оцінки акустичних властивостей різних приміщень (концертних залів, студій, театральних залів, аудиторій та ін.). Однак оскільки проблему розшифровки процесу формування просторового слухового образу на основі отриманої інформації про об'єктивні параметрах не можна вважати остаточно вирішеною, то в оцінці якості звучання музики й мови в різних залах істотну роль відіграють суб'єктивні оцінки. Значні зусилля були докладені за останні роки різними дослідниками до встановлення зв'язку між об'єктивно вимірюваними параметрами звукового поля в приміщеннях і суб'єктивною оцінкою якості звучання музичних і мовних програм в них [6]. З цих питань в літературі опубліковані численні (іноді суперечливі) результати. Найбільш детальні дослідження були виконані Л. Беранек [7] і М. Шредером.

Суб'єктивна оцінка акустики приміщень для музичних і мовних програм представляє значні труднощі, оскільки вимагає вирішення наступних проблем: вибір методу оцінки; вибір критеріїв оцінки; встановлення їх зв'язків з об'єктивними параметрами та ін. Вибір методу оцінки: всі використовувані методи являють собою спеціально організовані тести на прослуховування, які проводяться одним з таких способів:

– в штучно створених умовах, наприклад в синтезованому звуковому полі, створюваному в заглушеній камері розподіленої системою гучномовців;

– за допомогою стереофонічних записів, зроблених у випробовуваних залі на «штучної голові» для подальшого прослуховування через головні телефони;

– шляхом безпосереднього прослуховування оркестру чи виконавців у випробовуваних залах досвідченими експертами з подальшою статистичною обробкою їх оцінок [8].

У будь-якому випадку результати суб'єктивних оцінок акустики приміщень істотно залежать від вибору експертів: їх загальної та музичної культури, досвіду прослуховування, смаків, професії тощо. Д. Вибір критеріїв оцінки: одна з перших спроб скласти «словник» критеріїв суб'єктивної оцінки акустики музичних залів була зроблена саме Л. Беранек [7]. На основі особистого досвіду, а також бесід з відомими диригентами, музикантами, досвідченими слухачами він вибрав з численних суб'єктивних оцінок різних залів (теплий, холодний, порожній, глухий і ін.) Вісімнадцять найбільш вживаних суб'єктивних критеріїв, а з них запропонував десять найбільш значущих і незалежних. Хоча ця методика викликала ряд заперечень фахівців, вона послужила поштовхом до численним дослідженням. В даний час деякі з результатів цих досліджень введені в стандарти. До найбільш поширених суб'єктивними критеріями оцінки акустичної якості приміщень належать: життєвість (liveness), повнота звуку (fullness), различимость, або ясність (definition, clarity), інтимність (intimacy), теплота (warmth), просторовість (spaciousness), гучність (loudness), баланс (balance), ансамбль (ensemble), тембр (timbre), а також негативні чинники - відлуння, пурхають луна, що заважають шуми. У ряді робіт пропонуються додатково і інші параметри, наприклад однорідність (uniformity), атака (attack), текстура (texture).

Перш ніж приступити до встановлення зв'язків суб'єктивних оцінок якості звучання і об'єктивних параметрів, була виконана загальна класифікація всесвітньо відомих концертних залів за якістю звучання в них різних музичних творів на основі анкетних опитувань музикантів, музичних критиків, опитаних слухачів і т. д.

Музична критика - галузь музикознавства, що займається аналізом і оцінкою явищ музичної практики минулого і сучасності з певних естетичних позицій, виступаючи посередником між автором, виконавцем і слухачем.
В результаті всі розглянуті зали (більше п'ятдесяти в різних країнах світу) були об'єднані в три групи - А, В, С - відповідно до якості звучання виконуваних в них творів. Відповідно в цих залах були проведені вимірювання об'єктивних параметрів ревербераційного процесу [9].

Проте дослідження по суб'єктивній оцінці якості звучання в різних приміщеннях змусили ввести цілий ряд додаткових параметрів, більш тонко характеризують ревербераційний процес. Ось деякі з них:

– «ранній звук» визначається як прямий звук і віддзеркалення, що надійшли в перші 80 мс після приходу прямого звуку. Причому істотне значення має напрямок приходу цих ранніх звуків. Так, наприклад, звуки, що прийшли від бічних стін в перші 80 мс, створюють відчуття просторового розширення джерела звуку, що покращує якість сприйняття музики;

– «гучність ранніх звуків» визначається енергією прямого звуку і енергією відображених звуків, що прийшли в перші 80 мс;

– «гучність реверберуючого звуку» визначається загальною звуковий енергією, яка досягає слухача після 80 мс;

– «ранній час реверберації» - час загасання звуку після вимкнення джерела, коли рівень звукового тиску зменшується на 10 дБ. Крім того, для зіставлення з суб'єктивними оцінками використовується також час реверберації (ВР) при спаді звукового тиску від -5 до -35 дБ при заповнених залах;

– «коефіцієнт внутрішньослухової крос-кореляції» (КВСКК) визначається як коефіцієнт кореляції сигналів, що надійшли на два вуха (зазвичай використовується час інтеграції від 0 до 80 мс в трьох октавних смугах з центральною частотою 500, 1000 і 2000 Гц). Цей коефіцієнт характеризує ступінь відмінності звукових сигналів на двох вухах як за часом їхнього приходу, так і по амплітуді.

Крім цих, використовується для порівняння з суб'єктивними оцінками і цілий ряд інших параметрів (еквівалентна реверберація, розподіл рівнів звукового тиску та ін.). Порівняння результатів суб'єктивних експертиз, виконаних у вищевказаних залах, з наведеними вище параметрами показало, що є чітка зв'язок між загальним враженням від акустики залу і часом реверберації [8]. У кращих концертних залах, обраних за результатами суб'єктивної експертизи, середній час реверберації дорівнює 2,02 с.


1.3 Аналіз основних параметрів звукових хвиль
Одними з головних характеристик звукової хвилі є її довжина (обумовлена кількістю періодів/циклів зміни тисків за одиницю часу), амплітуда (максимальна різниця між найвищим і найнижчим тиском усередині одного циклу), форма хвилі й таке інше [10].

Відстань, яку звукова хвиля проходить зі швидкістю звуку за один цикл на певній частоті, називається довжиною хвилі (λ).

Шви́дкість зву́ку - швидкість розповсюдження акустичних (пружних) хвиль у середовищі. Поширення хвиль пов'язане з коливальним рухом частинок середовища. При цьому напрям поширення хвильових збурень та напрям руху частинок середовища можуть не збігатися.
Під повним циклом мається на увазі підвищення тиску повітря, проходження його через точку найбільшого тиску, потім зниження тиску, проходження через «нульову відмітку», подальше зниження тиску із проходженням через точку максимального розрідження, а потім підвищення тиску до вихідної величини.
Атмосферний тиск - тиск, з яким атмосфера Землі діє на земну поверхню і всі тіла, що на ній розташовані.
Таким чином, один цикл містить у собі два напівцикли: напівцикл тиску й напівцикл розрідження (рис. 1.1). Кількість повних циклів змін тиску за одиницю часу називається частотою (f). Частота звукової хвилі вимірюється в кількості повних циклів за секунду, а саме – у герцах [8].


description: 1.jpg

Рисунок 1.1 – Звукова хвиля синусоїдальної форми,


де В - точка найвищого тиску;

D - точка максимального розрідження;

A-C - напівцикл тиску;

C-D - напівцикл розрідження.

Поширюючись у приміщенні від свого джерела (гучномовця, музичного інструмента і т.

Музи́чний інструме́нт - інструмент, призначений для виконання музики. В принципі будь-який інструмент, що здатний відтворювати звуки за певних умов і в певних музичних традиціях може бути використаним, як музичний.
ін.) звукова хвиля розширюється, поки не досягне граничних поверхонь цього приміщення: стін, підлоги, стелі, ін. Частина енергії звукової хвилі (особливо в низькочастотному діапазоні) проходить крізь стіни, частина поглинається всередину стін, а частина відбивається назад у середину приміщення. У різному ступені всі три види розподілу звукової енергії присутні практично у всіх випадках.

Відбита звукова хвиля, втративши частину енергії, змінить напрямок і буде поширюватися, поки не досягне інших поверхонь приміщення, від яких вона знову відіб’ється, втративши при цьому ще частину енергії, і т.д. Так буде тривати, поки енергія звукової хвилі остаточно не згасне.

Якщо довжина периметру окружності дорівнює одному циклові синусоїди (відстань від А до Е), то по мірі обертання радіальна лінія цієї окружності буде показувати кут, котрий відповідає значенню фази синусоїди в конкретній точці (рис. 1.2) [11].
description: 23.jpg

Рисунок 1.2 – Гармонійна хвиля; амплітуда і фаза

При зіткненні звукової хвилі з поверхнею вона частково відбивається під тим же кутом, під яким вона падає на цю поверхню, але фаза звукової хвилі при цьому не змінюється. Тому звукова картина може бути представлена у вигляді рисунку 1.3.
description: рисунок 3. фазовая зависимость отражённых волн. звуковые волны на разных частотах (а, значит, и разной длины), излучаемые источником звука с одной и той же фазой, после прохождения одинакового расстояния достигают поверхности с разной фазой

Рисунок 1.3 – Фазова залежність віддзеркалених хвиль,


де λ – довжина хвилі.
Довжина́ хви́лі - характеристика періодичної хвилі, що позначає найменшу відстань між точками простору, в яких хвиля має однакову фазу. Крива на представленому малюнку може розглядатися, наприклад, як миттєвий знімок збурень в струні, коли відхилення точок струни від положнення рівноваги задається виразом

Звукові хвилі на різних частотах (а, значить, і різної довжини), що випромінюються джерелом звуку з однією і тією ж фазою, після проходження однакової відстані досягають поверхні з різною фазою.

Відомо, що зміна фази на 180° приводить до зміни полярності. Тому, якщо змішати два сигнали однакової частоти й амплітуди, але незбіжні на 180° по фазі, то ці сигнали будуть взаємно компенсуватися.

Поворот фази сигналу на 360° або 720° дорівнює відповідній кількості повних циклів, а це означає повернення до нульового значення фази [12].

Отже, при зіткненні звукової хвилі з поверхнею фаза звукової хвилі не змінюється. Також було з’ясувало, що між відстанню, пройденою звуковою хвилею, і фазою існує залежність. А це означає, що при досягненні граничної поверхні фаза звукової хвилі залежить від відстані від джерела звуку до поверхні й від частоти цієї звукової хвилі. Хвилі з різною частотою, розповсюджуючись від одного джерела, доходять до відбиваючої поверхні з різною фазою. Фазу відбитої звукової хвилі можна розрахувати із сумарної відстані, що пройшла хвиля від свого джерела до граничної поверхні й назад. Якщо ця сумарна відстань, розділена на довжину хвилі, дає ціле число, то фаза хвилі на початку й наприкінці її шляху збігається [11].
1.4 Процес реверберації звуку в приміщеннях
Реверберація залишкове «післязвуччя» у закритих приміщеннях. Утворюється внаслідок багатократного відбиття від поверхонь та одночасного поглинання звукових хвиль. Реверберація характеризується проміжком часу (у секундах), протягом якого сила звуку зменшується на 60 дБ [9].

Си́ла зву́ку (чи інтенсивність) - кількість звукової енергії, що проходить за одиницю часу через одиницю площі; вимірюється у ватах на квадратний метр (Вт/м²).

Явище реверберації полягає у суперпозиції різних сигналів луни від одного джерела звуку. Ефект реверберації можна спостерігати в закритих приміщеннях після вимкнення джерела звуку. Художньо-естетичне враження, що створюється реверберацією, залежить від контексту звукового твори і визначається у вищих відділах головного мозку. Зазвичай надлишкова тривалість реверберації призводить до неприємного гулу, "порожнечі" приміщення, а недостатня - до різкого уривчастого звучання, позбавленого музичної "соковитості". Штучно створювана реверберація в певних межах сприяє поліпшенню якості звучання, створюючи відчуття приємного "резонансу" приміщення [7].

При запису мови, співу, музики, а також створенні різних шумових ефектів використання штучної реверберації є складовою частиною загальної обробки аудіосигналу. Такий вид обробки визначається як технічними умовами проведення запису, так і художньо-естетичними завданнями.

Техні́чні умо́ви (ТУ) - нормативний документ, що встановлює технічні вимоги, яким повинна відповідати продукція, процес або послуга, та визначає процедури, за допомогою яких може бути встановлено, чи дотримані такі вимоги.
Реверберацію використовують для поліпшення та підкреслення художньої виразності мовлення, співу, звучання окремих музичних інструментів. Так, наприклад, при записі музичних програм у приміщенні з незадовільною акустикою або малого для даного складу виконавців обсягу зазвичай не вдається отримати необхідне співвідношення між гулкістю і чіткістю звучання. У цьому випадку застосування штучної реверберації дозволяє домогтися поліпшення якості звучання музичної програми. Аналогічно, реверберація допомагає створити необхідне акустичне забарвлення голосу або інструменту при записі вокаліста або соло інструменту, коли він "тоне" у звучанні ансамблю, що супроводжує [4].

За допомогою реверберації можна створити ефект наближення і віддалення джерела звуку. Для цього поступово змінюють рівень реверберації, створюючи ілюзію зміни акустичного відносини, а значить, і враження зміни звукового плану. При озвучуванні відеофільму або звуковому оформленні презентації нерідко виникає потреба підкреслити акустичний стан того чи іншого місця дії. Для цього також використовують ефект реверберації.

Внаслідок інерційності слуху людина має здатність зберігати (інтегрувати) слухові відчуття, об'єднувати їх в загальне враження, якщо вони тривають не більше 50 мс (точніше 48 мс). Тому до корисного звуку додаються всі хвилі, які досягають вуха протягом 50 мс після вихідного звуку. Запізнюванню на 50 мс відповідає різниця в шляху 17 м. Концентровані звуки, що приходять пізніше, сприймаються як луна. Відбиття від перепон, що укладаються в зазначений проміжок часу, є корисними, бажаними, так як вони збільшують відчуття гучності на значення, що доходять до 5 - 6 дБ, покращують якість звучання, надаючи звуку "жвавість", "пластичність", "об'ємність" [8]. Час реверберації зазвичай визначають як час, протягом якого гучність сигналу зменшується на 60 дБ (або до 1/1000000 первісного значення). Такий час позначають математичними символами description: t_{60}. Час реверберації є об'єктивною оцінки параметрів звукового дизайну, що окреслює поглинання звуку.

Час затримки залежить від багатьох чинників, зокрема:



  • розмір і форма приміщення;

  • тип і розподіл будівельних матеріалів;
    Будіве́льні матеріа́ли - це різні за складом, структурою, формою та властивостями речовини, застосовувані безпосередньо для будівництва споруд або для виготовлення з них збірних елементів на спеціалізованих підприємствах.


  • частоти звуку;

  • положення джерела звуку;

  • вологості і температури.

Для обчислення часу реверберації використовують формулу, яка належить Себіну, першому досліднику архітектурної акустики: 
description: t=\frac{0.164 v}{a}, (1.1)
де description: v — це об'єм приміщення; 

А — загальний фонд звукопоглинання.


 description: a = a_1 s_1 a_2 s_2 \dots,  (1.2)
де ai  – коефіцієнт звукопоглинання (залежить від матеріалу, його дисперсних, або фрикційних характеристик);

Si – площа кожної поверхні [13].

Досить істотно впливає час запізнювання початкових відображень по відношенню до моменту приходу прямого звуку і відносно один одного. Тривалості запізнювання повинні бути різними для найкращого звучання мови і музики. Хороша розбірливість мови досягається, якщо перший сигнал надходить не пізніше 10 - 15 мс після прямого, а всі три повинні займати інтервал часу 25 - 35 мс. При звучанні музики найкраще відчуття просторовості і "прозорості" досягається, якщо перше відбиття приходить до слухача не раніше 20 мс і не пізніше 30 мс після прямого сигналу. Всі три запізнілі сигнали повинні розташовуватися в проміжку часу 45 - 70 мс [14].

Найкращий просторовий ефект досягається, якщо рівні запізнілих початкових сигналів незначно відрізняються один від одного і від рівня прямого сигналу. При підключенні до структури початкових відображень решти відзвуку найбільш сприятливе звучання виходить в тому випадку, коли друга частина процесу починається після всіх дискретних відображень. Підключення ж процесу реверберації відразу ж за прямим сигналом погіршує якість звучання [15].     

При забезпеченні оптимальної структури початкових (ранніх) відображень звучання музики залишається хорошим навіть при значному (на 10 – 15%) відхиленні часу реверберації від рекомендованого. Досягнення оптимального запізнювання відбитих сигналів по відношенню до прямого звуку висуває вимогу до мінімального обсягу приміщення, яке не рекомендується порушувати. Тим часом при проектуванні приміщення вибирають його розміри, з заданої місткості, тобто вирішують задачу чисто економічно, що неправильно. Навіть у невеликому концертному залі оптимальну структуру ранніх віддзеркалень можна отримати лише при заданих висоті і ширині залу перед естрадою, менше яких спускатися не можна. Відомо, наприклад, що звучання симфонічного оркестру в залі з низькою стелею істотно гірше, ніж в залі з високою стелею [4].

Симфоні́чний орке́стр - великий колектив музикантів (оркестр), що виконують симфонічні музичні твори.

1.5 Амплітудно-частотна характеристика реверберації
Будь-який складний звук складається з ряду різних по частоті коливань, співвідношення рівнів яких для цього звучання є абсолютно визначеними.

Природно, що при звукопередаче первинні співвідношення між частотними компонентами звуку мають бути збережені. У зв'язку з цим, якість будь-якої ділянки звукового каналу оцінюється його амплітудно-частотною (скорочено частотною) характеристикою, для позначення якої часто використовують абревіатуру АЧХ. Під АЧХ розуміють графік залежності коефіцієнта передачі від частоти сигналів, що подаються на вхід цієї ділянки каналу або окремого звукотехнічного пристрою.

Передавальний коефіцієнт або Коефіцієнт передачі - відношення значення сигналу на виході деякої системи до відповідного вхідного сигналу.
Коефіцієнт передачі - це відношення величин сигналів на виході підсилювача і його виході [16].

У ідеальному випадку посилена вихідна напруга підсилювача на усіх частотах мала б бути однаковою за величиною. Графічно частотна характеристика такого підсилювача – пряма лінія, паралельна осі частот, на рисунку 1.4 – крива а.

description: http://www.rus.625-net.ru/625/1996/03/sound_p2.gif

Рисунок 1.4 – Частотні характеристики:


де а – ідеальна частотна характеристика;

б – можливий приклад реальної.

У реальних умовах частотна характеристика в усьому діапазоні звукових частот (від 20 до 20000 Гц) прямолінійною не буває через наявність у схемі індуктивностей і конденсаторів, що змінюють свій опір змінному струму при зміні його частоти [10].

Пряма́ - одне з основних понять геометрії. При систематичному викладі геометрії пряма лінія зазвичай приймається за одне з вихідних понять, яке лише опосередковано визначається аксіомами геометрії. Якщо основою побудови геометрії служить поняття відстані між двома точками простору, то пряму лінію можна визначити як лінію, шлях уздовж якої дорівнює відстані між двома точками.
Змі́нний струм - електричний струм, сила якого періодично змінюється з часом.

Частотну характеристику можна побудувати, якщо по осі абсцис відкласти в логарифмічному масштабі частоти, а по осі ординат виражені в децибелах значення відношень коефіцієнтів передачі на відповідних частотах до коефіцієнта передачі на середній частоті, наприклад, на частоті 1000 Гц. Частотна характеристика зазвичай має пониження як в області нижчих так і в області вищих частот звукового діапазону (крива б) [13].

Це означає, що посилення буває менше на нижчих і вищих частотах в порівнянні з посиленням на середніх. У таких випадках зазвичай говорять, що частотна характеристика в цих областях має завали. Якщо посилення на якихось частотах більше, ніж на середній, то говорять, що частотна характеристика на цій ділянці має підйом.

Розглянемо тепер, як частотна характеристика впливає на якість відтворення. Підйоми і завали в області вищих і нижчих звукових частот – суть частотні спотворення. Вони суб'єктивно сприймаються зазвичай так: завали вищих частот (від 2 – 3 кГц і вище) надають звучанню тьмяність, погіршують розбірливість мови. Зайве посилення (під'їм) вищих частот призводить до підкреслення шиплячих і свистячих звуків і до неприродно різкого звучання музики, дратівливого слух [15].

Завали нижчих частот (100 – 200 Гц і нижче) позбавляють звучання повноти, соковитості, порушують красу тембру, а їх надмірне посилення викликає відчуття неприємного звучання, що бубонить [13].

Величина нерівномірності частотної характеристики в діапазоні звукових частот нормується. При нормуванні враховується помітність спотворень на слух.

Для студійної частини тракту звукового мовлення (радіо і телебачення) і для професійних студій звукозапису нерівномірність частотної характеристики в робочому діапазоні частот (для устаткування вищого класу якості – від 30 до 15000 Гц) не повинна перевищувати 1 дБ, тобто коефіцієнти передачі на різних частотах не повинні відрізнятися один від одного більш ніж на 12%.

Лейбл, Фірма звукозапису (англ. Record label) - бренд, створений компаніями, що займаються виробництвом, поширенням і просуванням аудіо- та іноді відеозаписів (головним чином музичні відеокліпи і відеозаписи концертів) на носіях різних відповідних форматів, серед яких вінілові платівки, компакт-касети, компакт-диски, міні-диски, SACD, DVD і ін.

При проектуванні звукового тракту, що складається з декількох підсилювачів і відрізків довгих сполучних ліній, доводиться вживати заходи до того, щоб усі ділянки мали частотну характеристику, близьку до прямолінійної. Якщо цього не вдається добитися прямим шляхом, зазвичай використовується метод компенсації частотних спотворень. Цей метод полягає в тому, що послідовно з елементом, що вносить спотворення, включається спеціальний елемент, що коригує, частотна характеристика якого є як би дзеркальним відображенням частотної характеристики, яку вимагається виправити. Наприклад, якщо довга лінія, завдяки наявності місткості між двома її дротами "завалює" високі частоти на 10 дБ, то послідовно з нею включається елемент (контур), що коригує, піднімає високі частоти на ті ж 10 дБ.

Довга лінія - лінія електропередачі, довжина якої перевищує довжину хвилі коливань, що поширюються в ній, а відстань між провідниками, з яких вона складається, значно менше довжини цієї хвилі. Вперше такі лінії з'явилися в 30-х роках 19 століття в телеграфії, а в кінці 20 століття стали використовуватися для передачі енергії змінного струму.
Результуюча частотна характеристика в цьому випадку буде прямолінійною [9].

За допомогою сучасних комп'ютерних програм, наприклад, таких як ODEON, CATT, ORPHEUS та ін., може робитися детальний розрахунок структури звукового поля в приміщеннях будь-якої міри складності. У основі розрахунків лежать три методи, що спираються на статистичну, геометричну і хвилеву теорії, які дозволяють розрахувати імпульсні характеристики в будь-якій точці приміщення (розподіл рівнів звукового тиску і акустичної потужності, структуру процесу реверберації, включаючи число, час і напрям приходу, і рівні ранніх віддзеркалень (рис 1.5, 1.6), час стандартної, еквівалентної, ранньої реверберації, величину коефіцієнта междуушной кореляції і десятки інших параметрів).

Рисунок 1.5 – Імпульсні параметри приміщення


Рисунок 1.6 – Структура ревербераційного процесу

Кожна з цих теорій найефективніше працює для своєї області частот і дозволяє отримати інформацію про різні властивості ревербераційного процесу. Хвилева теорія використовується, в основному, в області низьких частот і дає можливість розрахувати резонансні частоти в приміщенні і розподіл рівнів звукового тиску в нім.

Геометрична теорія застосовується в області високих частот і дозволяє за допомогою геометричного аналізу ходу звукових променів отримати інформацію про структуру ранньої ділянки ревербераційного процесу [13].


1.6 Статистичний метод аналізу звукових полів
Статистичний метод аналізу звукових полів є наближеним, він застосовний тільки для дифузного поля в обмеженій області частот і для певних зон в приміщенні – наприклад, його не можна застосовувати для аналізу звукового поля поблизу сцени або поблизу сильно заглушених поверхонь в приміщенні, крім того, він не дозволяє врахувати розподіли амплітуд і фаз сигналу в просторі і дає тільки середні енергетичні значення різних характеристик звукового поля. Проте статистична теорія за певних умов дозволяє створити фізичне уявлення про процеси формування звукового поля в приміщенні і виконати досить простий розрахунок деяких його характеристик. Нині методи статистичної теорії широко застосовуються для оцінки параметрів звукового поля в студіях, концертних залах і інших приміщеннях. Основним критерієм оцінки процесу реверберації, отриманим за допомогою статистичної теорії, є стандартний час реверберації [5].

Стандартний час реверберації – це такий інтервал часу Т (с), впродовж якого щільність звукової енергії зменшується в 106 разів в порівнянні з первинною, при цьому рівень енергії зменшується на 60 дБ. Його значення оцінюється по формулі Ейринга:


(1.3)
де V - об'єм приміщення;

S - площа внутрішніх обмежуючих поверхонь;

αср - середній коефіцієнт поглинання.

Коефіціє́нт поглина́ння - кількісна характеристика зменшення інтенсивності випромінювання при проходженні через середовище. Коефіцієнт поглинання може характеризувати згасання випромінювання будь-якої природи, наприклад, світла чи звуку.

При невеликих коефіцієнтах поглинання (αср < 0,2) цей вираз може бути спрощений і представлений в наступному виді (формула Себина) [8] :


. (1.4)
Обидві ці формули є основними при оцінці акустичних параметрів різних приміщень (студій, концертних залів та ін.). Слід зазначити, що вони не враховують вплив форми приміщення, місця розташування звукопоглиначів і дають дещо завищені значення часу реверберації, але, незважаючи на наближений характер, вони дають прийнятну для практичних розрахунків точність.

Практично усі норми і вимоги в стандартах і міжнародних рекомендаціях зводяться до вимог забезпечення певного часу реверберації.

Обгрунтування причини обмеження застосовності статистичних методів в приміщеннях великого об'єму вимагає більш докладного пояснення.

Стати́стика - наука, що вивчає методи кількісного охоплення і дослідження масових, зокрема суспільних, явищ і процесів. А також власне кількісний облік масових явищ. Зокрема, облік у будь-якій галузі господарства, суспільного життя, що здійснюється методами цієї науки, а також дані цього обліку.
Передумови статистичної теорії тим ближче до дійсності, ніж більшу кількість відображень зазнає звукова енергія в міру загасання. Звідси випливає, що положення статистичної теорії не застосовні до великих приміщень та до приміщень з великим середнім коефіцієнтом поглинання. В обох випадках кількість віддзеркалень виявляється занадто малим [4].

1.7 Ревербераційний метод вимірювання параметрів приміщень
Ревербераційний метод пов'язаний з отриманням тимчасових параметрів приміщення, тому він не повністю задовольняє сучасним вимогам про складання акустичної картини в досліджуваному приміщенні. Інформація про акустичні недоліки в цьому випадку іноді виходить настільки неповною і навіть помилковою, що однакові за тимчасовими параметрами приміщення значно відрізняються за акустичними властивостями. Це відбувається тому, що вказані параметри не враховують значної кількості чинників, що впливають на формування звукового поля. Не врахованими виявляються наступні чинники: форма приміщення; розташування відбиваючих і звукопоглинальних матеріалів; місцезнаходження джерела звуку і його характеристика спрямованості [17].

Звуковий тиск та інтенсивність звуку є точковими характеристиками звукового поля.

Інтенси́вність зву́ку - густина потоку звукової енергії. Найменша інтенсивність звуку, яку ще може сприймати вухо людини (поріг чутності), становить 10−16 Вт/см2.
Вони залежать від розташування точки вимірювання та умов поширення звукових хвиль. Звукова потужність не залежить від зазначених факторів, тому є унікальною мірою шумності даного джерела шуму.

Придатність приміщення для вимірювання шуму в умовах вільного дальнього поля перевіряють експериментально. При цьому ставляться такі вимоги:


    • сторонній шум (перешкода), що проникає в приміщення, повинен бути слабкіший за сумарний шум агрегату та перешкоди не менше ніж на 10 дБ як за загальним рівнем, так і за рівнем окремих складових спектра в робочому діапазоні частот; у противному разі треба зробити поправку;

    • спад рівня звукового тиску в дальньому полі джерела звука при подвоєнні відстані від джерела до точки вимірювання має становити не менше ніж 6 дБ;

    • у приміщенні не повинно бути помітних стоячих хвиль, принаймні в місцях розміщення мікрофонів [12].
      Стоя́ча (стійна, нерухома) хви́ля ( рос. волна стоячая ; англ. coincident wave, conjunctional wave, standing wave, stationary wave ) - така хвиля, в якій будь-якій фазі коливань не поширюється в просторі.


При застосуванні мікрофонів треба враховувати низку факторів. Зокрема зазначимо, що чим більша частота вимірювання, тим меншим має бути розмір мікрофона [16]. Щоб не перекручувати звукове поле, комп’ютерні мікрофонні приймачі, з'єднувальні кабелі повинні мати невеликі розміри відносно довжини звукової хвилі, а відстань між мікрофоном та оператором, який обслуговує комп’ютер, повинна становити не менше ніж 1 м. Крім того, слід звести до мінімуму наведені електричні та магнітні поля, особливо помітні при застосуванні довгих кабелів.
1.8 Визначення акустичного шуму та його видів
Шум — коливання частинок навколишнього середовища, що сприймається органами слуху людини як небажані сигнали.
Шум або акусти́чний шум - коливання частинок навколишнього середовища, що сприймається органами слуху людини як небажані сигнали. З точки зору акустики: шум - нестійкі або випадкові акустичні коливання, що характеризуються випадковою зміною амплітуди і частоти.
Слух - одне з зовнішніх чуттів, що дає можливість сприймати звуки, мову за допомогою спеціального органа - вуха.
З точки зору акустики: шум – нестійкі або випадкові акустичні коливання, що характеризуються випадковою зміною амплітуди і частоти.
Аспект (лат. aspectus - вигляд, погляд) - поняття філософії (онтології, теорії пізнання). У філософії аспект розглядається

За походженням шуми бувають:

− аеродинамічного походження – шум, що виникає у газах;

− гідродинамічного походження – шум, що виникає у рідинах;

− електромагнітного походження – шум, що виникає внаслідок коливань елементів електромеханічних пристроїв під впливом магнітних змінних сил;

− механічного походження – шум, що виникає внаслідок вібрацій поверхонь машин та обладнання, а також ударів у з'єднаннях деталей, збірних одиниць або конструкцій у цілому.

За частотною характеристикою шуми звукового діапазону частот поділяються на:

− низькочастотний (<400 Гц);

− средньочастотний (400—1000 Гц);

− високочастотний (>1000 Гц) [18].

В деяких галузях техніки, зокрема в електроніці та акустиці існує абстрактне поняття кольору шуму, що приписує шумовому сигналу певний колір виходячи з його статистичних властивостей. Однією з таких властивостей, за допомогою якої можна розрізняти види шуму, може бути спектральна густина (розподіл потужності за частотами).

Спектра́льна густина́ - функція f ( λ ) , яка визначається для стаціонарного в широкому сенсі випадкового процесу, ζ ( t ) , - ∞
Прийнято розрізняти такі різновиди шумів за кольорами: білий шум, рожевий шум, червоний (коричневий) шум та сірий шум. Іноді виділяють й інші різновиди [19].

Білий шум — постійний шум, спектральні складові якого рівномірно розподілені по всьому діапазону частот. Прикладами білого є шум водоспаду або шум Шоткі на клемах великого опору. Назву одержав від білого світла, яке включає електромагнітні хвилі частот усього видимого діапазону електро-магнітного випромінювання.

Електромагні́тна хви́ля - процес розповсюдження електромагнітної взаємодії в просторі у вигляді змінних зв'язаних між собою електричного та магнітного полів. Прикладами електромагнітних хвиль є світло, радіохвилі, рентгенівські промені, гамма-промені.

У природі й техніці ідеальний білий шум (тобто білий шум, що має однакову спектральну потужність на всіх частотах) не зустрічається, оскільки такий сигнал мав би нескінченну потужність, проте білим шумом можна вважати будь-який шум, спектральна щільність якого однакова (або майже однакова) у даному діапазоні частот.

Білий шум широко використовується в фізиці й техніці, зокрема в архітектурній акустиці — для того, щоб сховати небажані шуми у внутрішніх просторах будинків, генерується постійний білий шум низької амплітуди.

В електронній музиці білий шум використовується як у якості одного з інструментів музичного аранжування, так і як вхідний сигнал для спеціальних фільтрів, що формують шумові сигнали інших типів.

Вхідни́й сигна́л (автоматика) - зумовлений (заздалегідь обумовлений) стан або зміна стану параметра, що відображає інформацію, яка міститься у впливі. Звичайно сигнал виражається певною математичною функцією, що однозначно відображає зміни у часі певного представницького параметра.
Білий шум - постійний шум, спектральні складові якого рівномірно розподілені по всьому діапазону частот. Прикладами білого є шум водоспаду або шум Шоткі на клемах великого опору. Назву одержав від білого світла, яке включає електромагнітні хвилі частот усього видимого діапазону електромагнітного випромінювання.
Електро́ніка (від грец. Ηλεκτρόνιο - електрон) - наука про взаємодію електронів з електромагнітними полями і про методи створення електронних приладів і пристроїв, в яких ця взаємодія використовується для перетворення електромагнітної енергії, в основному для передачі, обробки і зберігання інформації.
Широко застосовується також при синтезуванні аудіосигналів, як правило, для відтворення звучання ударних інструментів, таких як тарілки.
Уда́рні музи́чні інструме́нти - музичні інструменти, звук на яких видобувається ударом (руками, паличками, молоточками і т. д.) по тілу, що стає його джерелом. Найчисленніше і найстародавніше сімейство серед усіх музичних інструментів.

Білий шум використовується для виміру частотних характеристик різних лінійних динамічних систем, таких як підсилювачів, електронних фільтрів, дискретних систем керування і т. д.

Електронний фільтр - електричний пристрій, в якому зі спектру поданих на його вхід електричних коливань виділяються (пропускаються на вихід) складові, розташовані в заданій смузі частот, і послаблюються (не пропускаються) всі інші складові.
Динамі́чна систе́ма - математична абстракція, призначена для опису і вивчення систем, що еволюціонують з часом. Прикладом можуть служити механічні системи (рухомі групи тіл) або фізичні процеси.
При подачі на вхід такої системи білого шуму, на виході одержуємо сигнал, що є відгуком системи на прикладений вплив. Через те, що амплітудно-фазова частотна характеристика лінійної системи є відношенням перетворення Фур'є вихідного сигналу до перетворення Фур'є вхідного сигналу, одержати цю характеристику математично досить просто, причому для всіх частот, для яких вхідний сигнал можна вважати білим шумом. У багатьох генераторах випадкових чисел (як програмних, так і апаратних) білий шум використається для генерування випадкових чисел і випадкових послідовностей [19].
Система керування, також Система управління (англ. control system) - систематизований набір засобів впливу на підконтрольний об'єкт для досягнення цим об'єктом певної мети. Об'єктом системи керування можуть бути як технічні об'єкти так і люди.
Діаграма Найквіста, також Амплітудно-фазова частотна характеристика (АФЧХ) - являє собою годограф кінця вектора K(jω) на комплексній площині при різних значеннях частоти ω, яка змінюється в межах від 0 до нескінченності.
Генератор випадкових чисел (англ. Random number generator; часто скорочується як RNG, ГВЧ) - обчислювальний або фізичний пристрій, спроектований для генерації послідовності номерів чи символів, які не відповідають будь-якому шаблону, тобто є випадковими.

Рожевий шум (флікер-шум) — шум, спектральна густина якого змінюється з частотою f за законом 1/f. Цим забезпечується однакова енергія сигналу перешкоди на кожну октаву. Прикладом рожевого шуму є шум гелікоптера, що пролітає. Іноді рожевим шумом називають будь-який шум, спектральна густина якого зменшується зі зменшенням частоти.

Червоний шум (броунівський шум) — шумовий сигнал, який відтворює броунівський рух. Через те, що англійською він називається Brown (Brownian) noise, його назву часто перекладають як коричневий шум.

Спектральна щільність червоного шуму пропорційна 1/f2, де f — частота. Це означає, що на низьких частотах шум має більше енергії. Енергія шуму падає на 6 децибел на октаву. Акустичний червоний шум чується як приглушений, у порівнянні з білим або рожевим.

Сірий шум — шумовий сигнал, відповідний психоакустичній кривій сталої гучності на всіх частотах, тобто для людського вуха він має однакову гучність на всіх частотах.

Існуючими нормативами передбачається гранично допустимий рівень звуку — 85 дБ. Рівень звукового тиску на частотах 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц не повинен перевищувати відповідно 99, 92, 86, 83, 80, 78,76, 74 дБ [20].

Слух людини має різну чутливість до шумів різних частот. Тому при вимірюванні шумів доцільно використовувати так звані псофометричні фільтри, які будуть відповідним чином формувати амплітудно-частотну характеристику на вході вимірювача. Псофометричні фільтри стандартизовані як в галузі зв’язку, так і у телерадіомовленні.

Особливістю слуху людини також є певна динамічна характеристика слухового відчуття, яка приводить до необхідності інтегрування результатів вимірювання з заданою постійною часу. Вказані псофометричні і інтегруючий фільтри при виконанні комп’ютерних вимірювань доцільно реалізовувати у вигляді цифрових нерекурсивних фільтрів.
1.9 Висновок
У першому розділі розглянуто основні теоретичні положення аналізу акустичних параметрів приміщення за допомогою реверберації. Також порівнюються хвильова, статистична та геометрична теорії. Оглянуто основні параметри приміщень та основні недоліки для вимірюванні акустичних параметрів різних приміщень.

2 РОЗРОБКА МЕТОДІВ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ ДЛЯ ВИМІРЮВАНЬ АКУСТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРИМІЩЕНЬ З ВИКОРИСТАННЯМ ПОЛІГАРМОНІЙНИХ СИГНАЛІВ

У даномі розділі наведено етапи розробки структури аналізатора, також наведено необхідні параметри приміщень та об’єктів у них. Також наведено основні вимоги до аналізаторів подібного типу та до вимірювальної апаратури. Наведено класифікацію та порівняння існуючих алгоритмів та концепцій.



  1   2   3   4   5   6   7   8   9   10



  • Об’єкт дослідження
  • Методи дослідження
  • Наукова та практична цінність роботи
  • Практичним результатом
  • Апробація результатів дослідження
  • Вінницького національного технічного університету
  • 1.1 Систематизація акустичних параметрів приміщень
  • 1.2 Типи приміщень за акустичною характеристикою Обєктивні параметри, отримані за допомогою хвильової, статистичної або геометричної теорії
  • 1.3 Аналіз основних параметрів звукових хвиль
  • 1.4 Процес реверберації звуку в приміщеннях
  • 1.5 Амплітудно-частотна характеристика реверберації
  • 1.6 Статистичний метод аналізу звукових полів
  • 1 .7 Ревербераційний метод вимірювання параметрів приміщень
  • 1.8 Визначення акустичного шуму
  • 2 РОЗРОБКА МЕТОДІВ СПЕКТРАЛЬНОГО АНАЛІЗУ ДЛЯ ВИМІРЮВАНЬ АКУСТИЧНИХ ПАРАМЕТРІВ ПРИМІЩЕНЬ З ВИКОРИСТАННЯМ ПОЛІГАРМОНІЙНИХ СИГНАЛІВ