Как обозначается звук на приемнике
Перейти к содержимому

Как обозначается звук на приемнике

  • автор:

Приемники звука

Приемники звука — устройства, предназначенные для обнаружения звуковых волн (см. Звук ),измерения их характеристик (звукового давления, колебат. смещения, колебат. скорости, интенсивности и т. д.) и для преобразования акустич. сигнала в электрический с целью усиления, анализа, передачи, на расстояние, записи. Наиб. распространение получили приемники звука — электроакустические преобразователи ,К-рые позволяют воспроизводить временную структуру акустич. сигнала; при малых волновых размерах приемника звука с их помощью можно получить и пространственную структуру звукового поля. Приемники звука для воздушной среды наз. микрофонами,. для водной — гидрофонами ,для приёма звуковых волн в земной коре — геофонами; приём упругих волн на поверхности твёрдых тел осуществляется виброметрами. Микрофоны и гидрофоны в большинстве случаев служат приёмниками звукового давления, однако существуют и приёмники градиента давления, приёмники колебат. скорости и комбиниров. приёмники для воздушной и водной среды. Эти функциональные особенности микрофонов и гидрофонов обеспечиваются как конструкцией приёмного элемента, так и электронной схемой первичной обработки выходного сигнала приёмника-преобразователя. Виброметры являются приёмниками колебательного смещения частиц, колебательной скорости частиц или ускорения (в последних двух случаях их наз. соответственно велосиметры и акселерометры), причём электронная схема, осуществляющая интегрирование или дифференцирование выходного сигнала, позволяет использовать один и тот же приёмный элемент для выполнения всех трёх функций.

Основной характеристикой приемника звука — преобразователей является чувствительность, представляющая отношение выходного электрич. сигнала к входному акустическому; для приёмников звукового давления чувствительность — отношение амплитуды электрич. напряжения в режиме холостого хода к амплитуде звукового давления. Зависимость чувствительности от частоты, амплитуды сигнала и направления его прихода определяет соответственно частотную характеристику, дина-мич. диапазон и направленность приемника звука.

По виду частотных характеристик приемники звука подразделяют на широкополосные и резонансные. Первые позволяют принимать сложные по спектральному составу сигналы; они работают с пост. чувствительностью в широкой области частот, лежащей ниже первой собств. частоты механич. системы приемника звука, и используются, напр., при приёме речи и музыки, при исследованиях в гидроакустике и геоакустике, изучении шумов акустических разл. происхождения и т. п. Вторые служат для приёма тональных сигналов с заданной частотой или узкополосных сигналов. Они обладают повышенной за счёт резонанса чувствительностью и применяются в режимах активной акустич. локации в гидроакустике, дефектоскопии, медицинской диагностике, в разл. контрольно-измерит. УЗ-устройствах (см. Ультразвук). В акусто-злектронике используют как резонансные, так и широкополосные приёмники.

Динамич. диапазон приемника звука определяется областью амплитуд сигнала, в к-ром чувствительность сохраняется неизменной; снизу он ограничен собств. шумами приёмного элемента, входных электрич. цепей и внеш. шумами, сверху — нелинейностью свойств приёмника. Направленность приемника звука определяется их волновыми размерами и конструктивными особенностями, она оказывает существ. влияние на направленность акустич. антенн. Для получения острой НЧ-направленности приёма могут служить приёмники параметрич. типа, основанные на использовании нелинейных свойств среды, в к-рой распространяется звук (см. Параметрические излучатели и приёмники звука).

4012-44.jpg

В качестве микрофонов в звуковом диапазоне частот служат преобразователи электродинамич., электроста-тич. типа, реже — пьезоэлектрические преобразователи. Чувствительность их составляет от единиц до сотен мВ/Па, динамич. диапазон — от десятков до сотен дБ. Электростатич., пьезоэлектрич. и пьезополимерные измерит. Приемники звука применяются в воздушной среде на УЗ-частотах. В качестве гидрофонов служат в осн. преобразователи из пьезоэлектрических материалов. В гидро-акустич. технике это гл. обр. приемники звука из пьезокерамики с чувствительностью от единиц мкВ/Па до мВ/Па и динамич. диапазоном порядка 100 дБ. При измерениях в жидкостях на УЗ-частотах, а также при физ. измерениях в твёрдых телах, в дефектоскопии и др. областях УЗ-техники, в медицинской диагностике, в акусто-электронике и т. п. наряду с пьезокерамич. преобразователями для приёма звука используются преобразователи на пьезокристаллах, плёночные пьезоэлектрич. и магнитострикционные преобразователи, пьезополимерные и пьезополу-проводниковые преобразователи. Выбор материала, конструкции и размеров приемников звука в этих случаях в значительной степени определяется областью рабочих частот, к-рая может достигать гигагерцевого диапазона. Служат в качестве гидрофонов и оптоволоконные приёмники звука, основанные на акустооптич. преобразовании в волоконных световодах, по к-рым распространяются монохроматич. световые волны. Наряду с приёниками-преобразователями, воспроизводящими временную структуру акустич. сигнала, для газообразной и жидкой сред существуют приемники звука, измеряющие усреднённые во времени характеристики звуковой волны. К ним относятся приёмники механич. типа — Рэлея диск, радиометр акустический, а также термические приемники звука. Последние применяются, как правило, в жидкостях для измерения интенсивности ультразвука ВЧ-диапазона. Они основаны на преобразовании энергии акустич. волны в тепловую. Возникающее при этом нагревание среды измеряется посредством термоэлементов — термопар или термистеров, причём эдс термопар оказывается пропорциональной интенсивности звука. Для увеличения чувствительности термических приемников звука термоэлементы покрываются слоем вещества с большим коэф. поглощения звука. Ниж. граница динамич. диапазона по интенсивности составляет у этих приёмников на частотах порядка единиц МГц величину порядка сотен

Виброметры, применяемые для измерений колебаний поверхности твёрдых тел, подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые, к к-рым можно отнести и геофоны, имеют непосредств. механич. контакт с измеряемой поверхностью; чувствит. элементом в них является эл—механич. преобразователь, как правило, пьезоэлектрич. типа; на низких звуковых и на инфра-звуковых частотах применяют преобразователи эл—магн. или эл—динамич. типа. В исследоват. практике обычно используют бесконтактные измерители амплитуды колебаний ёмкостного или индуктивного типа. Для наиб. точных абс. измерений амплитуды колебат. смещений служат оптич. интерференц. методы, ниж. предел по амплитуде для к-рых составляет 4012-45.jpg4012-46.jpgмкм. Амплитуды порядка неск. мкм или десятков мкм измеряют с точностью не более 10% при помощи микроскопа по размытию хорошо освещённой точки на боковой поверхности колеблющегося тела. В качестве приемника звука можно рассматривать и органы слуха животных и человека, производящие преобразование акустич. сигналов в нервные импульсы, передаваемые в центральную нервную систему (см. Слух, Физиологическая акустика).

Знаете ли Вы, что cогласно релятивистской мифологии «гравитационное линзирование — это физическое явление, связанное с отклонением лучей света в поле тяжести. Гравитационные линзы обясняют образование кратных изображений одного и того же астрономического объекта (квазаров, галактик), когда на луч зрения от источника к наблюдателю попадает другая галактика или скопление галактик (собственно линза). В некоторых изображениях происходит усиление яркости оригинального источника.» (Релятивисты приводят примеры искажения изображений галактик в качестве подтверждения ОТО — воздействия гравитации на свет)
При этом они забывают, что поле действия эффекта ОТО — это малые углы вблизи поверхности звезд, где на самом деле этот эффект не наблюдается (затменные двойные). Разница в шкалах явлений реального искажения изображений галактик и мифического отклонения вблизи звезд — 10 11 раз. Приведу аналогию. Можно говорить о воздействии поверхностного натяжения на форму капель, но нельзя серьезно говорить о силе поверхностного натяжения, как о причине океанских приливов.
Эфирная физика находит ответ на наблюдаемое явление искажения изображений галактик. Это результат нагрева эфира вблизи галактик, изменения его плотности и, следовательно, изменения скорости света на галактических расстояниях вследствие преломления света в эфире различной плотности. Подтверждением термической природы искажения изображений галактик является прямая связь этого искажения с радиоизлучением пространства, то есть эфира в этом месте, смещение спектра CMB (космическое микроволновое излучение) в данном направлении в высокочастотную область. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

приемники звука

микробиология и химия воздуха

ПРИЕМНИКИ ЗВУКА — устройства, предназначенные для обнаружения звуковых волн (см. Звук ),измерения их характеристик (звукового давления, колебат. смещения, колебат. скорости, интенсивности и т. д.) и для преобразования акустич. сигнала в электрический с целью усиления, анализа, передачи, на расстояние, записи. Наиб. распространение получили П. з.- электроакустические преобразователи ,К-рые позволяют воспроизводить временную структуру акустич. сигнала; при малых волновых размерах П. з. с их помощью можно получить и пространственную структуру звукового поля. П. з. для воздушной среды наз. микрофонами,. для водной — гидрофонами ,для приёма звуковых волн в земной коре — геофонами; приём упругих волн на поверхности твёрдых тел осуществляется виброметрами. Микрофоны и гидрофоны в большинстве случаев служат приёмниками звукового давления, однако существуют и приёмники градиента давления, приёмники колебат. скорости и комбиниров. приёмники для воздушной и водной среды. Эти функциональные особенности микрофонов и гидрофонов обеспечиваются как конструкцией приёмного элемента, так и электронной схемой первичной обработки выходного сигнала приёмника-преобразователя. Виброметры являются приёмниками колебательного смещения частиц, колебательной скорости частиц или ускорения (в последних двух случаях их наз. соответственно велосиметры и акселерометры), причём электронная схема, осуществляющая интегрирование или дифференцирование выходного сигнала, позволяет использовать один и тот же приёмный элемент для выполнения всех трёх ф-ций.

Осн. характеристикой П. з.- преобразователей является чувствительность, представляющая отношение выходного электрич. сигнала к входному акустическому; для приёмников звукового давления чувствительность — отношение амплитуды электрич. напряжения в режиме холостого хода к амплитуде звукового давления. Зависимость чувствительности от частоты, амплитуды сигнала и направления его прихода определяет соответственно частотную характеристику, дина-мич. диапазон и направленность П. з.

По виду частотных характеристик П. з. подразделяют на широкополосные и резонансные. Первые позволяют принимать сложные по спектральному составу сигналы; они работают с пост. чувствительностью в широкой области частот, лежащей ниже первой собств. частоты механич. системы П. з., и используются, напр., при приёме речи и музыки, при исследованиях в гидроакустике и геоакустике, изучении шумов акустических разл. происхождения и т. п. Вторые служат для приёма тональных сигналов с заданной частотой или узкополосных сигналов. Они обладают повышенной за счёт резонанса чувствительностью и применяются в режимах активной акустич. локации в гидроакустике, дефектоскопии, медицинской диагностике, в разл. контрольно-измерит. УЗ-устройствах (см. Ультразвук). В акусто-злектронике используют как резонансные, так и широкополосные приёмники.

Динамич. диапазон П. з. определяется областью амплитуд сигнала, в к-ром чувствительность сохраняется неизменной; снизу он ограничен собств. шумами приёмного элемента, входных электрич. цепей и внеш. шумами, сверху — нелинейностью свойств приёмника. Направленность П. з. определяется их волновыми размерами и конструктивными особенностями, она оказывает существ. влияние на направленность акустич. антенн. Для получения острой НЧ-направленности приёма могут служить приёмники параметрич. типа, основанные на использовании нелинейных свойств среды, в к-рой распространяется звук (см. Параметрические излучатели и приёмники звука).

4012-44.jpg

В качестве микрофонов в звуковом диапазоне частот служат преобразователи электродинамич., электроста-тич. типа, реже — пьезоэлектрические преобразователи. Чувствительность их составляет от единиц до сотен мВ/Па, динамич. диапазон — от десятков до сотен дБ. Электростатич., пьезоэлектрич. и пьезополимерные измерит. П. з. применяются в воздушной среде на УЗ-частотах. В качестве гидрофонов служат в осн. преобразователи из пьезоэлектрических материалов. В гидро-акустич. технике это гл. обр. П. з. из пьезокерамики с чувствительностью от единиц мкВ/Па до мВ/Па и динамич. диапазоном порядка 100 дБ. При измерениях в жидкостях на УЗ-частотах, а также при физ. измерениях в твёрдых телах, в дефектоскопии и др. областях УЗ-техники, в медицинской диагностике, в акусто-электронике и т. п. наряду с пьезокерамич. преобразователями для приёма звука используются преобразователи на пьезокристаллах, плёночные пьезоэлектрич. и магнитострикционные преобразователи, пьезополимерные и пьезополу-проводниковые преобразователи. Выбор материала, конструкции и размеров П. з. в этих случаях в значит. степени определяется областью рабочих частот, к-рая может достигать гигагерцевого диапазона. Служат в качестве гидрофонов и оптоволоконные приёмники звука, основанные на акустооптич. преобразовании в волоконных световодах, по к-рым распространяются монохроматич. световые волны. Наряду с приёниками-преобразователями, воспроизводящими временную структуру акустич. сигнала, для газообразной и жидкой сред существуют П. з., измеряющие усреднённые во времени характеристики звуковой волны. К ним относятся приёмники механич. типа — Рэлея диск, радиометр акустический, а также термич. П. з. Последние применяются, как правило, в жидкостях для измерения интенсивности ультразвука ВЧ-диапазона. Они основаны на преобразовании энергии акустич. волны в тепловую. Возникающее при этом нагревание среды измеряется посредством термоэлементов — термопар или термистеров, причём эдс термопар оказывается пропорциональной интенсивности звука. Для увеличения чувствительности термич. П. з. термоэлементы покрываются слоем вещества с большим коэф. поглощения звука. Ниж. граница динамич. диапазона по интенсивности составляет у этих приёмников на частотах порядка единиц МГц величину порядка сотен

Виброметры, применяемые для измерений колебаний поверхности твёрдых тел, подразделяются на контактные и бесконтактные. Первые, к к-рым можно отнести и геофоны, имеют непосредств. механич. контакт с измеряемой поверхностью; чувствит. элементом в них является эл—механич. преобразователь, как правило, пьезоэлектрич. типа; на низких звуковых и на инфра-звуковых частотах применяют преобразователи эл—магн. или эл—динамич. типа. В исследоват. практике обычно используют бесконтактные измерители амплитуды колебаний ёмкостного или индуктивного типа. Для наиб. точных абс. измерений амплитуды колебат. смещений служат оптич. интерференц. методы, ниж. предел по амплитуде для к-рых составляет 4012-45.jpg4012-46.jpgмкм. Амплитуды порядка неск. мкм или десятков мкм измеряют с точностью не более 10% при помощи микроскопа по размытию хорошо освещённой точки на боковой поверхности колеблющегося тела. В качестве П. з. можно рассматривать и органы слуха животных и человека, производящие преобразование акустич. сигналов в нервные импульсы, передаваемые в центральную нервную систему (см. Слух, Физиологическая акустика). И. П. Голямина,

Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера

ПРИМЕНЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ И ЭЛЕКТРОАКУСТИКЕ

ЧТО ТАКОЕ ДЕЦИБЕЛЫ?

Универсальные логарифмические единицы децибелы широко используются при количественных оценках параметров различных аудио и видео устройств в нашей стране и за рубежом. В радиоэлектронике, в частности, в проводной связи, технике записи и воспроизведения информации децибелы являются универсальной мерой.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие

В электроакустике децибел служит по существу единственной единицей для характеристики различных уровней — интенсивности звука, звукового давления, громкости, а также для оценки эффективности средств борьбы с шумами.

Децибел — специфическая единица измерений, не схожая ни с одной из тех, с которыми приходится встречаться в повседневной практике. Децибел не является официальной единицей в системе единиц СИ, хотя, по решению Генеральной конференции по мерам и весам, допускается его применение без ограничений совместно с СИ, а Международная палата мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

Децибел — не физическая величина, а математическое понятие.

В этом отношении у децибел есть некоторое сходство с процентами. Как и проценты, децибелы безразмерны и служат для сравнения двух одноименных величин, в принципе самых различных, независимо от их природы. Следует отметить, что термин «децибел» всегда связывают только с энергетическими величинами, чаще всего с мощностью и, с некоторыми оговорками, с напряжением и током.

Децибел (русское обозначение — дБ, международное — dB) составляет десятую часть более крупной единицы — бела 1 .

Бел — это десятичный логарифм отношения двух мощностей. Если известны две мощности Р1 и Р2, то их отношение, выраженное в белах, определяется формулой:

Физическая природа сравниваемых мощностей может быть любой — электрической, электромагнитной, акустической, механической, — важно лишь, чтобы обе величины были выражены в одинаковых единицах — ваттах, милливаттах и т. п.

Напомним вкратце, что такое логарифм. Любое положительное 2 число, как целое, так и дробное, можно представить другим числом в определенной степени.

Так, например, если 10 2 = 100, то 10 называют основанием логарифма, а число 2 — логарифмом числа 100 и обозначают log10 100=2 или lg 100 = 2 (читается так: «логарифм ста при основании десять равен двум»).

Логарифмы с основанием 10 называются десятичными логарифмами и применяются чаще всего. Для чисел, кратных 10, этот логарифм численно равен количеству нулей за единицей, а для остальных чисел вычисляется на калькуляторе или находится по таблицам логарифмов.

Логарифмы с основанием е = 2,718. называются натуральными. В вычислительной технике обычно применяются логарифмы с основанием 2.

Основные свойства логарифмов:

detsibely-2.jpg

Разумеется, эти свойства справедливы и для десятичных и натуральных логарифмов. Логарифмический способ представления чисел часто оказывается очень удобным, так как позволяет подменять умножение — сложением, деление — вычитанием, возведение в степень умножением, а извлечение корня — делением.

На практике бел оказался слишком крупной величиной, например, любые отношения мощностей в границах от 100 до 1000 укладываются в пределах одного бела — от 2 Б до 3 Б. Поэтому для большей наглядности решили число, показывающее количество бел, умножать на 10 и полученное произведение считать показателем в децибелах, т. е., например, 2 Б = 20 дБ, 4,62 Б = 46,2 дБ и т. д.

Обычно отношение мощностей выражают сразу в децибелах по формуле:

detsibely-3.jpg

Действия с децибелами не отличаются от операций с логарифмами.

Нетрудно посчитать, что 1 дБ соответствует отношению мощностей примерно равному 1,259 или 26%.

2 дБ = 1 дБ + 1 дБ → 1,259 * 1,259 = 1,585;
3 дБ → 1,259 3 = 1,995;
4 дБ → 2,512;
5 дБ → 3,161;
6 дБ → 3,981;
7 дБ → 5,012;
8 дБ → 6,310;
9 дБ → 7,943;
10 дБ → 10,00.

Знак → означает «соответствует».

Подобным образом можно составить таблицу и для отрицательных значений децибел. Минус 1 дБ характеризует убывание мощности в 1/0,794 = 1,259 раза, т. е. тоже примерно на 26%.

⇒ Если Р21 т. е. P2 /P1=1, то NдБ = 0, так как lg 1=0.

⇒ Если P2 > Pl, то число децибел положительно.

⇒ Если Р2 k , где k — любое целое число (положительное или отрицательное), то NдБ = 10k, так как lg 10 k = k.

⇒ Если Р2 или Р1 равно нулю, то выражение для NдБ теряет смысл.

И еще одна особенность: кривая, определяющая значения децибел в зависимости от отношений мощностей, вначале быстро растет, затем ее рост замедляется.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы

К достоинствам системы децибел относят:

⇒ универсальность, т. е. возможность использования при оценке различных параметров и явлений;

⇒ огромные перепады преобразуемых чисел — от единиц и до миллионов — отображаются в децибелах числами первой сотни;

⇒ натуральные числа, представляющие степени десяти, выражаются в децибелах числами, кратными десяти;

⇒ взаимообратные числа выражаются в децибелах равными числами, но с разными знаками;

⇒ в децибелах могут быть выражены как отвлеченные, так и именованные числа.

К недостаткам системы децибел относят:

⇒ малую наглядность: для преобразования децибел в отношения двух чисел или выполнения обратных действий требуется проведение расчетов;

⇒ отношения мощностей и отношения напряжений (или токов) пересчитываются в децибелы по разным формулам, что иногда ведет к ошибкам и путанице;

⇒ децибелы могут отсчитываться только относительно не равного нулю уровня; абсолютный нуль, например 0 Вт, 0 В, децибелами не выражается.

Зная число децибел, соответствующих одному отношению мощностей, можно произвести пересчет для другого — близкого или кратного отношения. В частности, для отношений мощностей, различающихся в 10 раз, число децибел отличается на 10 дБ. Эту особенность децибел следует хорошо понять и твердо запомнить — она является одной из основ всей системы.

Сравнение двух сигналов путем сопоставления их мощностей не всегда бывает удобным, так как для непосредственного измерения электрической мощности в диапазоне звуковых и радиочастот требуются дорогие и сложные приборы. На практике при работе с аппаратурой гораздо проще измерять не мощность, которая выделяется на нагрузке, а падение напряжения на ней, а в некоторых случаях — протекающий ток.

Зная напряжение или ток и сопротивление нагрузки, легко определить мощность. Если измерения проводятся на одном и том же резисторе, то:

detsibely-4.jpg

Этими формулами очень часто пользуются практике, но обратите внимание, что если напряжения или токи измеряются на разных нагрузках, эти формулы не работают и следует использовать другие, более сложные зависимости.

Пользуясь приемом, который был использован при составлении таблицы децибел мощности, можно аналогично определить, чему равен 1 дБ отношения напряжений и токов. Положительный децибел будет равен 1,122, а отрицательный децибел будет равен 0,8913, т.е. 1 дБ напряжения или тока характеризует возрастание или убывание этого параметра примерно на 12% по отношению к первоначальному значению.

Формулы выводились в предположении, что сопротивления нагрузок имеют активный характер и между напряжениями или токами нет фазового сдвига. Строго говоря, следовало бы рассматривать общий случай и учитывать для напряжений (токов) наличие угла сдвига по фазе, а для нагрузок не только активное, но полное сопротивление, включая и реактивные составляющие, однако это существенно только на высоких частотах.

Полезно запомнить некоторые часто встречающиеся на практике значения децибел и характеризующие их отношения мощностей и напряжений (токов), приведенные в табл. 1.

Таблица 1. Часто встречающиеся значения децибел мощности и напряжения

± дБ 1 3 10 20 30
Р21 1,26
(0,79)
2
(0,5)
10
(0,1)
100
(0,01)
1000
(0,001)
± дБ 1 3 6 10 20 40
U2/U1
или I2/I1
1,12
(0,9)
1,41
(0,707)
2
(0,5)
3,16
(0,316)
10
(0,1)
100
(0,01)

Пользуясь этой таблицей и свойствами логарифмов легко подсчитать, чему соответствуют произвольные значения логарифм. Например, 36 дБ мощности можно представить как 30+3+3, что соответствует 1000*2*2 = 4000. Тот же самый результат мы получим, представив 36 как 10+10+10+3+3 → 10*10*10*2*2 = 4000.

СОПОСТАВЛЕНИЕ ДЕЦИБЕЛ С ПРОЦЕНТАМИ

Ранее отмечалось, что понятие децибел имеет некоторое сходство с процентами. Действительно, так как в процентах выражается отношение какого-то числа к другому, условно принятому за сто процентов, отношение этих чисел также можно представить в децибелах при условии, что оба числа характеризуют мощность, напряжение или ток. Для отношения мощностей:

detsibely-5.jpg

Для отношения напряжений или токов:

detsibely-6.jpg

Можно также вывести формулы для пересчета децибел в проценты отношения:

detsibely-7.jpg

В табл. 2 дан перевод некоторых, наиболее часто встречающихся значений децибел в проценты отношений. Различные промежуточные значения можно найти по номограмме на рис. 1.

detsibely-8.jpg

Рис. 1. Перевод децибел в проценты отношений по номограмме

Таблица 2. Перевод децибел в проценты отношений

% 100 50 10 1 0,1
NU или NI 0 -6 -20 -40 -60
NP 0 -3 -10 -20 -30

Рассмотрим два практических примера, поясняющих перевод процентного отношения в децибелы.

Пример 1. Какому уровню гармоник в децибелах по отношению к уровню сигнала основной частоты соответствует коэффициент нелинейных искажений в 3%?

Воспользуемся рис. 1. Через точку пересечения вертикальной линии 3% с графиком «напряжение» проведем горизонтальную линию до пересечения с вертикальной осью и получим ответ: –31 дБ.

Пример 2. Какому ослаблению напряжения в процентах соответствует его изменение на –6 дБ?

Ответ. На 50% первоначальной величины.

В практических расчетах дробную часть численного значения децибел часто округляют до целого числа, однако при этом в результаты расчетов вносится дополнительная погрешность.

ДЕЦИБЕЛЫ В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Рассмотрим несколько примеров, поясняющих методику использования децибел в радиоэлектронике.

Затухание в кабеле

Потери энергии в линиях и кабелях на единицу длины характеризуются коэффициентом затухания α, который при равном входном и выходном сопротивлениях линии определяется в децибелах:

detsibely-9.jpg

где U1 — напряжение в произвольном сечении линии; U2 — напряжение в другом сечении, отстоящем от первого на единицу длины: 1 м, 1 км и т. д. Например, высокочастотный кабель типа РК-75-4-14 имеет на частоте 100 МГц коэффициент затухания α, = –0,13 дБ/м, кабель витой пары категории 5 на той же частоте имеет затухание порядка –0,2 дБ/м, а у кабеля категории 6 несколько меньше. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары показан на рис. 2.

detsibely-10.jpg

Рис. 2. График затухания сигнала в неэкранированном кабеле витой пары

Оптоволоконные кабели имеют существенно более низкие величины затухания в диапазоне от 0,2 до 3 дБ при длине кабеля в 1000 м. Все оптические волокна имеют сложную зависимость затухания от длины волны, которая имеет три «окна прозрачности» 850 нм, 1300 нм и 1550 нм. «Окно прозрачности» означает наименьшие потери при максимальной дальности передачи сигнала. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях показан на рис. 3.

detsibely-11.jpg

Рис. 3. График затухания сигнала в оптоволоконных кабелях

Пример 3. Найти, каким будет напряжение на выходе отрезка кабеля РК-75-4-14 длиной l = 50 м, если ко входу его приложено напряжение 8 В частоты 100 МГц. Сопротивление нагрузки и волновое сопротивление кабеля равны, или, как говорят, согласованы между собой.

Очевидно, что затухание, вносимое отрезком кабеля, составляет K = –0,13 дБ/м * 50 м = –6,5 дБ. Это значение децибел примерно соответствует отношению напряжений 0,47. Значит, напряжение на выходном конце кабеля U2 = 8 В * 0,47 = 3,76 В.

Этот пример иллюстрирует очень важное положение: потери в линии или кабеле с ростом их длины возрастают чрезвычайно быстро. Для отрезка кабеля длиной в 1 км затухание составит уже –130 дБ, т. е. сигнал будет ослаблен более чем в триста тысяч раз!

Затухание в значительной мере зависит от частоты сигналов — в диапазоне звуковых частот оно будет гораздо меньше, чем в видео диапазоне, но логарифмический закон затухания будет тот же, и при большой длине линии ослабление будет существенным.

Усилители звуковой частоты

В усилители звуковой частоты с целью повышения их качественных показателей обычно вводится отрицательная обратная связь. Если коэффициент усиления устройства по напряжению без обратной связи равен К, а с обратной связью КОС то число, показывающее, во сколько раз изменяется коэффициент усиления под действием обратной связи, называют глубиной обратной связи. Ее обычно выражают в децибелах. В работающем усилителе коэффициенты К и КОС определяются экспериментально, если только усилитель не возбуждается при разомкнутой петле обратной связи. При проектировании усилителя сначала вычисляют К, а затем определяют значение КОС следующим образом:

detsibely-12.jpg

где β — коэффициент передачи цепи обратной связи, т. е. отношение напряжения на выходе цепи обратной связи к напряжению на ее входе.

Глубина обратной связи в децибелах может быть рассчитана по формуле:

detsibely-13.jpg

Стереофонические устройства по сравнению с монофоническими должны удовлетворять дополнительным требованиям. Эффект объемного звучания обеспечивается только при хорошем разделении каналов, т. е. при отсутствии проникновения сигналов из одного канала в другой. В практических условиях это требование полностью удовлетворить не удается, и взаимное просачивание сигналов имеет место, главным образом, через узлы, общие для обоих каналов. Качество разделения по каналам характеризуется так называемым переходным затуханием аПЗ Мерой переходного затухания в децибелах служит отношение выходных мощностей обоих каналов, когда входной сигнал подается только на один канал:

detsibely-14.jpg

где РД — максимальная выходная мощность действующего канала; РСВ — выходная мощность свободного канала.

Хорошему разделению каналов соответствует переходное затухание 60—70 дБ, отличному –90—100 дБ.

Шум и фон

На выходе любого приемно-усилительного устройства даже при отсутствии полезного входного сигнала можно обнаружить переменное напряжение, которое вызвано собственными шумами устройства. Причины, вызывающие собственные шумы, могут быть как внешними — за счет наводок, плохой фильтрации напряжения питания, так и внутренними, обусловленными собственными шумами радиокомпонентов. Сильнее всего сказываются шумы и, помехи, возникающие во входных цепях и в первом усилительном каскаде, так как они усиливаются всеми последующими каскадами. Собственные шумы ухудшают реальную чувствительность приемника или усилителя.

Количественная оценка шумов осуществляется несколькими способами.

Простейший состоит в том, что все шумы, независимо от причины и места их возникновения, пересчитываются ко входу, т. е. напряжение шумов на выходе (при отсутствии входного сигнала) делится на коэффициент усиления:

detsibely-15.jpg

Это напряжение, выраженное в микровольтах, и служит мерой собственных шумов. Однако для оценки устройства с точки зрения помех важно не абсолютное значение шумов, а отношение между полезным сигналом и этим шумом (отношение сигнал/шум), так как полезный сигнал должен надежно выделяться на фоне помех. Отношение сигнал/шум обычно выражают в децибелах:

detsibely-16.jpg

где Рс — заданная или номинальная выходная мощность полезного сигнала вместе с шумом; Рш — выходная мощность шумов при выключенном источнике полезного сигнала; Uc — напряжение сигнала и шумов на нагрузочном резисторе; UШ — напряжение шумов на том же резисторе. Так получается т.н. «невзвешенное» («unweighted») отношение сигнал/шум.

Часто в параметрах аудиоаппаратуры приводится отношение сигнал/шум, измеренное со взвешивающим фильтром («weighted»). Фильтр позволяет учесть разную чувствительность слуха человека к шуму на разных частотах. Чаще всего используется фильтр типа А, в этом случае в обозначении обычно указывается единица измерения «дБА» («dBA»). Использование фильтра дает обычно лучшие количественные результаты, чем для невзвешенного шума (обычно отношение сигнал/шум получается на 6—9 дБ больше), поэтому (из маркетинговых соображений) производители аппаратуры чаще указывают именно «взвешенное» значение. Подробнее о взвешивающих фильтрах см. ниже в разделе «Шумомеры».

Очевидно, что для успешной эксплуатации устройства отношение сигнал/шум должно быть выше какого-то минимально допустимого значения, которое зависит от назначения и требований, предъявляемых к устройству. Для аппаратуры класса Hi-Fi этот параметр должен быть не менее 75 дБ, для аппаратуры Hi-End — не менее 90 дБ.

Иногда на практике пользуются обратным отношением, характеризуя им уровень шумов относительно полезного сигнала. Уровень шумов выражается тем же числом децибел, что и отношение сигнал/шум, но с отрицательным знаком.

В описаниях приемно-усилительной аппаратуры иногда фигурирует термин уровень фона, который характеризует в децибелах отношение составляющих напряжения фона к напряжению, соответствующему заданной номинальной мощности. Составляющие фона кратны частоте питающей сети (50, 100, 150 и 200 Гц) и при измерении выделяются из общего напряжения помех при помощи полосовых фильтров.

Отношение сигнал/шум не позволяет, однако, судить о том, какая часть шумов обусловлена непосредственно элементами схемы, а какая внесена в результате несовершенства конструкции (наводки, фон). Для оценки шумовых свойств радиокомпонентов вводится понятие коэффициента (фактора) шума. Коэффициент шума оценивается по мощности и также выражается в децибелах. Характеризовать этот параметр можно следующим образом. Если на входе устройства (приемника, усилителя) одновременно действуют полезный сигнал мощностью Рс и шумы мощностью Рш, то отношение сигнал/шум на входе будет сш)вх После усиления отношение сш)вых окажется меньше, так как к входным шумам добавятся и усиленные собственные шумы усилительных каскадов.

Коэффициентом шума называют выраженное в децибелах отношение:

detsibely-17.jpg

где Кр — коэффициент усиления по мощности.

Следовательно, коэффициент шума представляет отношение мощности шумов на выходе к усиленной мощности шумов, действующих на входе.

Значение Рш.вх определяется расчетным путем; Рш.вых измеряется, а Кр обычно . известно из расчета или после измерения. Идеальный с точки зрения шумов усилитель должен усиливать только полезные сигналы и не должен вносить дополнительные шумы. Как следует из уравнения, для подобного усилителя коэффициент шума FШ = 0 дБ.

Для транзисторов и ИС, предназначенных для работы в первых каскадах усилительных устройств, коэффициент шума регламентируется и приводится в справочниках.

Напряжение собственных шумов определяет и другой важный параметр многих усилительных устройств — динамический диапазон.

Динамический диапазон и регулировки

Динамическим диапазоном называется выраженное в децибелах отношение максимальной неискаженной выходной мощности к ее минимальному значению, при котором, еще обеспечивается допустимое отношение сигнал/шум:

detsibely-18.jpg

Чем меньше уровень собственных шумов и чем выше неискаженная выходная мощность, тем шире динамический диапазон.

Аналогичным образом определяется и динамический диапазон источников звука — оркестра, голоса, только здесь минимальная мощность звука определяется шумовым фоном. Чтобы устройство могло передать без искажений как минимальную, так и максимальную амплитуды входного сигнала, его динамический диапазон должен быть не меньше динамического диапазона сигнала. В случаях, когда динамический диапазон входного сигнала превышает динамический диапазон устройства, его искусственно сжимают. Так поступают, например, при звукозаписи.

Эффективность действия ручного регулятора громкости проверяется при двух крайних положениях регулятора. Сначала при регуляторе в положении максимальной громкости на вход усилителя звуковой частоты подается напряжение частотой 1 кГц такой величины, чтобы на выходе усилителя установилось напряжение, соответствующее некоторой заданной мощности. Затем ручку регулятора громкости переводят на минимальную громкость, а напряжение на входе усилителя поднимают до тех пор, пока напряжение на выходе снова не станет равным первоначальному. Отношение входного напряжения при регуляторе в положении минимальной громкости к входному напряжению при максимальной громкости, выраженное в децибелах, является показателем работы регулятора громкости.

Приведенными примерами далеко не исчерпываются практические случаи приложения децибел к оценке параметров радиоэлектронных устройств. Зная общие правила, применения этих единиц, можно понять, как они используются в других, не рассмотренных здесь условиях. Встретившись с незнакомым термином, определенным в децибелах, следует отчетливо представить, отношению каких двух величин он соответствует. В одних случаях это понятно из самого определения, в других случаях связь между составляющими сложнее, и, когда нет четкой ясности, следует обратиться к описанию методики измерения во избежание серьезных ошибок.

Оперируя с децибелами, следует всегда обращать внимание на то, отношению каких единиц — мощности или напряжения — соответствует каждый конкретный случай, т. е. какой коэффициент — 10 или 20 — должен стоять перед знаком логарифма.

ЛОГАРИФМИЧЕСКИЙ МАСШТАБ

Логарифмическая система, в том числе и децибелы, часто применяется при построении амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) — кривых, изображающих зависимость коэффициента передачи различных устройств (усилителей, делителей, фильтров) от частоты внешнего воздействия. Для построения частотной характеристики расчетным или опытным путем определяется ряд точек, характеризующих выходное напряжение или мощность при неизменном входном напряжении на разных частотах. Плавная кривая, соединяющая эти точки, характеризует частотные свойства устройства или системы.

Если по оси частот численные значения откладывать в линейном масштабе, т. е. пропорционально их фактическим значениям, то такая частотная характеристика окажется неудобной для пользования и не будет наглядной: в области низших частот она сжата, а высших — растянута.

Частотные характеристики строятся обычно в так называемом логарифмическом масштабе. По оси частот в удобном для работы масштабе откладываются величины, пропорциональные не самой частоте f, а логарифму lgf/fo, где fо — частота, соответствующая началу отсчета. Против отметок на оси надписываются значения f. Для построения логарифмических АЧХ используют специальную логарифмическую миллиметровую бумагу.

При проведении теоретических расчетов обычно пользуются не просто частотой f, а величиной ω = 2πf которую называют круговой частотой.

Частота fо, соответствующая началу отсчета, может быть сколь угодно малой, но не может быть равной нулю.

По вертикальной оси откладываются в децибелах либо в относительных числах отношения коэффициентов передачи при различных частотах к его максимальному либо среднему значению.

Логарифмический масштаб позволяет на небольшом отрезке оси отобразить широкий диапазон частот. На такой оси одинаковым отношениям двух частот соответствуют равные по длине участки. Интервал, характеризующий рост частоты в десять раз, называют декадой; двукратному отношению частот соответствует октава (этот термин заимствован из теории музыки).

Частотный диапазон с граничными частотами fH и fВ занимает в декадах полосу fB/fH= 10m, где m — число декад, а в октавах 2 n , где n — число октав.

Если полоса в одну октаву слишком широка, то можно применять интервалы с меньшим отношением частот в пол-октавы или трети октавы.

Средняя частота октавы (полуоктава) не равна среднему арифметическому от нижней и верхней частот октавы, а равна 0,707 fВ.

Частоты, найденные подобным образом, называют среднеквадратичными.

Для двух соседних октав средние частоты также образуют октавы. Пользуясь этим свойством, можно по желанию один и тот же логарифмический ряд частот считать либо границами октав, либо их средними частотами.

На бланках с логарифмической сеткой средняя частота делит октавный ряд пополам.

На оси частот в логарифмическом масштабе на каждую треть октавы приходятся равные отрезки оси, каждый длиной в одну треть октавы.

При испытаниях электроакустической аппаратуры и проведении акустических измерений рекомендуется применять ряд предпочтительных частот. Частоты этого ряда являются членами геометрической прогрессии со знаменателем 1,122. Для удобства значения некоторых частот округлены в пределах ±1%.

Интервал между рекомендованными частотами составляет одну шестую октавы. Сделано это не случайно: ряд содержит достаточно большой набор частот для разных видов измерений и вбирает ряды частот с интервалами в 1/3, 1/2 и целую октаву.

И еще одно важное свойство ряда предпочтительных частот. В некоторых случаях в качестве основного интервала частот используется не октава, а декада. Так вот, предпочтительный ряд частот в равной мере можно рассматривать и как двоичный (октавный), и как десятичный (декадный).

Знаменатель прогрессии, на основе которой построен предпочтительный ряд частот, численно равен 1дБ напряжения, или 1/2 дБ мощности.

ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ИМЕНОВАННЫХ ЧИСЕЛ В ДЕЦИБЕЛАХ

До сих пор мы полагали, что и делимое и делитель под знаком логарифма имеют произвольную величину и для выполнения децибельного пересчета важно знать только их отношение независимо от абсолютных значений.

В децибелах можно выражать также конкретные значения мощностей, а также напряжений и токов. Когда величина одного из членов, стоящих под знаком логарифма в рассмотренных ранее формулах задана, второй член отношения и числа децибел будут однозначно определять друг друга. Следовательно, если задаться какой-либо эталонной мощностью (напряжением, током) в качестве условного уровня сравнения, то другой мощности (напряжению, току), сопоставляемой с ней, будет соответствовать строго определенное число децибел. Нулю децибел в этом случае отвечает мощность, равная мощности условного уровня сравнения, так как при NP= 0 Р21 поэтому этот уровень обычно называют нулевым. Очевидно, что при разных нулевых уровнях одна и та же конкретная мощность (напряжение, ток) будут выражаться разными числами децибел.

detsibely-19.jpg

где Р — мощность, подлежащая преобразованию в децибелы, а Р0 — нулевой уровень мощности. Величина Р0 ставится в знаменателе, при этом положительными децибелами выражаются мощности Р > Р0.

Условный уровень мощности, с которым производится сравнение, в принципе может быть любым, однако не каждый был бы удобен для практического использования. Чаще всего за нулевой уровень выбирается мощность в 1 мВт, рассеиваемая на резисторе сопротивлением 600 Ом. Выбор этих параметров произошел исторически: первоначально децибел как единица измерения появился в технике телефонной связи. Волновое сопротивление воздушных двухпроводных линий из меди близко к 600 Ом, а мощность в 1 мВт развивает без усиления высококачественный угольный телефонный микрофон на согласованном сопротивлении нагрузки.

Для случая, когда Р0 = 1 мВт=10 –3 Вт: Pр = 10 lg P + 30

Тот факт, что децибелы представляемого параметра отчитываются относительно определенного уровня, подчеркивают термином «уровень»: уровень помех, уровень мощности, уровень громкости

Пользуясь этой формулой, легко найти, что относительно нулевого уровня 1 мВт мощность 1 Вт определяется как 30 дБ, 1 кВт как 60 дБ, а 1 МВт — это 90 дБ, т. е. практически все мощности, с которыми приходится встречаться, укладываются в пределах первой сотни децибел. Мощности, меньшие 1 мВт, будут выражаться отрицательными числами децибел.

Децибелы, определенные относительно уровня 1 мВт, называют децибел-милливаттом и обозначают дБм или dBm. Наиболее распространенные значения нулевых уровней сведены в таблицу 3.

Аналогичным образом можно представить формулы для выражения в децибелах напряжений и токов:

detsibely-20.jpg

  • Главная
  • Статьи
  • Измерения. Единицы измерения. Децибелы — универсальная мера

Звуковое давление или что такое громкость

Звук – разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны.

Интенсивность звука – сила звука, средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны в единицу времени.

Громкость звука – субъективная величина слухового ощущения, которая зависит от интенсивности звука и его частоты. При неизменной частоте громкость звука растет с увеличением интенсивности. При одинаковой интенсивности наибольшей громкостью обладают звуки в диапазоне частот 700-6000 Гц. Ну- левой уровень громкости звука соответствует звуковому давлению 20 мкПа и силе звука 10-12 Вт/м2 при частоте 1 кГц.

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Децибел – логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений, безразмерная носительная характеристика, позволяющая сравнивать между собой нужные величины:

Величина в децибелах = 10 lg (вычисляемая величина/опорная (базисная) величина).
Элементарные сведения о звуке

В звуке можно выделить следующие определяющие элементы: высота (высокий/низкий), интенсивность (слабый/сильный), тембр (мягкий, ясный и т.д.). Тембр определяемый гармониками, формирует слуховые ощущения, то есть, позволяет отличать один музыкальный инструмент или голос от другого. Скорость, с которой распространяется звук, строго связана с характером (природой) упругих сред. Далее мы будем рассматривать прохождение звука только через воздух. Скорость звука в воздухе составляет примерно 340 м/с и меняется с изменением температуры. Для расчета скорости звука при различных температурах, используется следующая формула:

V – скорость звука в м/с
°C – температура воздуха в градусах Цельсия

Если частота звуковых колебаний находится между 20 и 20000 раз в секунду (Гц), то данные вибрации производят у человека слуховое ощущение. Считается, что человек слышит звуки в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, но практически слышимый диапазон находится в пределах от 100 Гц до 10 кГц (низкий мужской голос 400Гц, женское сопрано 9 кГц). Отношение скорости звука к его частоте есть расстояние, пройденное звуковой волной за один период, по другому называется длиной звуковой волны:

где
λ длина волны
V – скорость звука, м/с
f – частота, Гц

Полный период колебания волны (звукового давления) состоит из полупериода сжатия (повышения давления) и последующего полупериода разряжения молекул воздуха (понижения давления). Звуки с большей амплитудой (громкие) вызывают более сильное сжатие и разряжение молекул воздуха, чем звуки с меньшей амплитудой (тихие).

В зависимости от контекста существует множество различных определений звука:

Звук – это упругие волны, продольно распространяющиеся в среде и создающие в ней механические колебания. Чтобы понять, как распространяются данные волны, дополним это определение:
Звук – это процесс последовательной передачи колебательного состояния в упругой среде.

В современной физике утвердился взгляд, при котором многие процессы отождествляют с энергией.

Звук – это разновидность кинетической энергии, которая называется «акустической» и представляет собой пульсацию давления, возникающую в физической среде при прохождении звуковой волны. Звук распространяется по волновым законам, следовательно, к нему применимы такие общие физические понятия, как интерференция и дифракция. Результатом интерференции может быть как усиление, так и уменьшение уровня звука, например, при сложении одного и того же сигнала, но с различной фазировкой. При расчете параметров звукового поля на открытых пространствах следует учитывать множество различных факторов, например, влажность, ветер, температуру, например, при высокой температуре звук распространяется вверх, а при низкой температуре – вниз.

Частотный и динамический диапазоны

На рис. 2.3 приведены частотные и динамические диапазоны различных звуковых источников. Из рисунка видно, что динамический диапазон человеческой речи лежит в пределах от 30 до 100 дБ. Уровень 30 дБ соответствует тихому разговору, 100 дБ сильному крику. Под порогом слышимости подразумевают минимальные значения звукового давления, при которых звук еще воспринимается человеком. Принято считать, что человек слышит сигналы от 1 до 130 дБ. Уровень 1 дБ называется порогом слышимости, 130 дБ – это болевой порог.

Рис. 2.3 Частотный и динамический диапазоны
различных звуковых источников

Уровень шума

Одним из наиболее важных параметров при расчете уровня звукового давления является уровень шума. Установлено, что человек способен (слышать) улавливать звуки с уровнем 1 дБ (20 мкПа, 10-12 Вт/м2), который называется порогом слышимости. Но это возможно только при хорошем слухе и в отсутствии шума. Так как в реальных условиях, шум всегда присутствует, то различить полезную (звуковую) информацию на фоне шума можно при условии, что уровень звука превышает уровень шума, как минимум на 3 дБ (в 2 раза). Для хорошей разборчивости данная разница должна состав-лять минимум 6 дБ (в 4 раза). В нормативной же документации данный запас составляет 15 дБ.

Рис. 2.4 Уровни шума для различных пространств
Анализ окружающей среды

Окружающая среда, в которой функционирует СОУЭ, должна рассматриваться как компонент системы. Тщательный анализ этой среды, является определяющим фактором в выборе элементов формируемой цепи. Для анализа окружающей среды наиболее часто используются два инструмента: измеритель уровня звука, которым оценивается окружающий уровень шума, и измеритель нелинейности, который показывает уровень искажения и деградации, которой подвергнут звуковой сигнал. Последний имеет передатчик и приемник, работающие с шифрованными сигналами (RASTI метод) для обеспечения величины разборчивости за несколько секунд с учетом реверберации окружающей среды. Данная величина характеризуется «индексом разборчивости» (между 0 и 1). Для объектов, специфика которых не критична с точки зрения акустики (торговые центры, офисы, дома) необходимость в применении более сложных измерителях отсутствует.

Реверберация

В акустике присутствует множество различных факторов, которые необходимо учитывать при выборе и расстановке звукового оборудования и микшерного пульта. Одним из таких факторов является реверберация. Звук в закрытых или открытых пространствах распространяется по разному. Стены комнаты отражают звуковые волны, тогда как на открытой площадке волны проходят практически без столкновений с какими-либо препятствиями. В закрытом пространстве за счет отражений уровень звука выше. В открытом пространстве звук распространяется практически по прямой. Прямой звук идентичен оригиналу по качеству и форме. Отраженный звук, наоборот, сильно зависит от отражающей способности места (после неопределенного числа отражений, достигает слушателя со всех сторон, и слушатель не может точно установить точку его происхождения). Распространение звука в этом случае происходит через первичные и вторичные отражения исходного звука от горизонтальных и вертикальных поверхностей помещения. Уровень отражения в большой степени зависит от характера стен, типа материала, из которого они сделаны, их гладкости, поглощающих свойств и изменения поглощения на раз-личных частотах. Мебель также может играть решающую роль в распространении звука – в зависимости от ее расстановки и поглощающей способности. Слушателю приходится воспринимать как прямой, так и отраженный звук. Время, с момента, в который звуковой источник прекращает излучать до момента, в который звук больше не воспринимается, определяется как время реверберации. Замечено, что любая среда характеризуется собственной «музыкальной окраской», связанной с распространением отраженных звуков и временем реверберации, которое и характеризует эту среду. Единственной переменной в уже существующей структуре остается мебель. Наилучшие результаты могут быть получены, когда принимается во внимание конструкция мебели, материал, из которого она сделана и ее расстановка в помещении.

Реверберация – это явление, которое возникает, когда слышен не прямой звук от источника, а отраженный от встречающихся на пути звуковой волны препятствий или помех различного характера. Для предотвращения нежелательного воздействия отраженного звука на прямой необходимо, чтобы последний, при задержке более чем на 50 мс, достигал слушателя уменьшенным не более чем на 10 дБ. Время реверберации пропорционально объему окружающего пространства и обратно пропорционально суммарному поглощению поверхностей, составляющих ее. Отраженный звук, который достигает уха слушателя через 40-50 мс после прямого, расценивается как усиление, окраска первоначального звука. Отраженные звуки, которые доходят с задержкой 50-80 мс, наоборот, искажают первоначальный сигнал и могут стать причиной потери разборчивости.

Общие сведения о звуковом давлении

Звуковое давление – звуковая энергия, которая попадает на единицу площади, расположенную в заданном направлении от источника звука и удаленную от него на определенное расстояние (как правило, на 1 м). Звуковое давление измеряется в паскалях (Па).

Уровень звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level) – значение звукового давления, измеренное по относительной шкале, отнесённое к опорному давлению Рspl = 20 мкПа, соответствующему порогу слышимости синусоидальной звуковой волны частотой 1 кГц. SPL измеряется в децибелах (дБ). Децибелы, в отличие от паскалей, чаще применяются на практике из-за большего удобства. Считается, что человек слышит в диапазоне 0-120 дБ (20 — 20000000 мкПа). В таблице 2.2 приведена зависимость между звуковым давлением в мкПа и уров-нем звука в дБ.

Звуковое давление (мкПа) Уровень звука (дБ)
20 0
60 10
200 20
600 30
2.000 40
6.000 50
20.000 60
60.000 70
200.000 80
600.000 90
2.000.000 100
6.000.000 110
20.000.000 120

Зависимость уровня звукового давления от подводимой мощности

Слух, как и другие человеческие ощущения, воспринимает воздействие по логарифмическому закону (см. рис. 2.6). Для того чтобы удвоить звуковое давление, не достаточно удваивать число источников звука или электрическую мощность громкоговорителей, а необходимо удесятерять. Увеличение акустического давления может быть получено установкой нескольких громкоговорителей, расположенных близко друг к другу и ориентированных в одном направлении или при каждом удвоении мощности громкоговорителей, в любом случае, увеличение (или уменьшение) акустического давления будет ±3 дБ (в дальнейшем мы сформируем более точное правило). Для построения зависимости уровня звукового давления от подводимой мощности обратимся к теории. Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, называемое интенсивностью звука.

Интенсивность – это поток энергии в какой-либо точке среды в единицу времени, прошедший через единицу поверхности (1 м2), являющейся нормалью к направлению распространения звуковой волны (измеряется в Вт/м2). Интенсивность иначе называют силой звука. Интенсивность определяет громкость звука, которую мы слышим. Мы не можем померить ее непосредственно (особенно в закрытых помещениях), поэтому на практике данную величину связывают с мощностью источника логарифмическим соотношением:

где
I – уровень интенсивности звука (дБ)
J – интенсивность исследуемого звука (Вт/м2)

Слуховой аппарат и многие измерительные приборы чувствительны не к самой интенсивности звука, а к среднему квадрату звукового давления, поэтому на практике используется не интенсивность, а величина называемая уровень звукового давления (SPL), которую принято связывать с мощностью источника звука в ваттах.

P д Б = 10 lg (Pвт / Pоп)
где
РдБ – зависимость уровня звукового давления (дБ), от мощности источника звука (Вт)
Рвт – мощность источника звука (Вт)
Роп – опорное значение мощности (Вт)

На практике значение Роп принимают равным 1 Вт, следовательно, формулу можно представить следующим образом:

PдБ = 10 lg (Pвт)

Данная формула очень актуальна и на техническом сленге называется пересчет ватт в децибелы. Графически данная зависимость представлена на рис. 2.6.

Рисунок 2.6 Зависимость изменения звукового давления от мощности

Интерпретацию данной зависимости называют правилом трех децибел: каждое удвоение мощности источника звука увеличивает его звуковое давление на 3 дБ .

Зависимость звукового давления от расстояния

По мере удаления расчетной точки (слушателя) от звукового источника, звуковое давление в этой точке, уменьшается по логарифмическому закону.

P = 20 lg (L)
где
Р – звуковое давление (дБ)
L – расстояние от источника звука до расчетной точки (м)

Интерпретацию данной зависимости называют правилом шести децибел: при каждом удвоении удаления от источника звука звуковое давление уменьшается на 6 дБ .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *