Спосіб вимірювання частотних характеристик

Реферат: UA 71858 U UA 71858 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області вимірювання частотних характеристик і може використовуватись для вимірювання частотних характеристик гучномовців і приміщень, в яких вони встановлені, а також для виміру частотних характеристик навушників та інших типів електроакустичних звуковідтворюючих пристроїв, у тому числі з урахуванням їх акустичного оформлення і особливостей застосування. Відомий спосіб вимірювання частотних характеристик [1], при якому на звуковідтворюючий пристрій подають змінний по частоті випробувальний синусоїдальний електричний сигнал обмеженої тривалості, а звуковий тиск, що створюється звуковідтворюючим пристроєм, перетворюють за допомогою вимірювального мікрофона в електричний сигнал, амплітуду якого реєструють за допомогою пристрою автоматичного запису характеристик, що будує (креслить) графік частотної характеристики. Недоліком відомого способу є його низька точність при невідомій відстані від звуковідтворюючого пристрою до мікрофона. Мікрофон, розташований на великій відстані від звуковідтворюючого пристрою сприймає звук із затримкою у порівнянні з мікрофоном, розташованим у безпосередній близькості від звуковідтворюючого пристрою. За час цієї затримки частота випробувального сигналу істотно змінюється, внаслідок чого виникає похибка виміру. Зменшити цю похибку виміру можна шляхом значного зниження швидкості зміни частоти випробувального сигналу. Проте, при цьому значно підвищується тривалість випробувального сигналу і, відповідно, витрати часу на проведення виміру в одній точці простору. Це робить відомий спосіб непрактичним, особливо при необхідності проведення виміру у великій кількості точок заданого простору. Найбільш близьким аналогом до способу, що заявляється, є спосіб [2] вимірювання частотних характеристик, при якому на звуковідтворюючий пристрій подають випробувальний електричний сигнал, що є рожевим шумом, а звуковий тиск, що створюється звуковідтворюючим пристроєм, перетворюють за допомогою вимірювального мікрофона в електричний сигнал, який потім пропускають через вузькосмуговий фільтр, що перестроюється, величину вихідного сигналу якого реєструють за допомогою пристрою автоматичного запису характеристик, що будує (креслить) графік частотної характеристики. Недоліком відомого способу є його низька точність при наявності навколишніх шумів. Створюваний звуковідтворюючим пристроєм рожевий шум має відносно малу спектральну щільність, тому навколишні сторонні шуми можуть призводити до помітної похибки виміру в відрізках частотного діапазону, що відповідають малим значенням вимірюваної частотної характеристики. Підвищення спектральної щільності шуму за рахунок збільшення максимальної амплітуди випробувального сигналу можливо лише до деякої межі, обумовленою максимальною потужністю звуковідтворюючого пристрою і відповідного підсилювача. У свою чергу, вимір частотної характеристики на межі потужності звуковідтворюючого пристрою не є доцільним, оскільки при цьому виникає додаткова помилка виміру частотної характеристики, пов'язана з появою нелінійних спотворень в звуковідтворюючому пристрої. Ці нелінійні спотворення вносять важкопрогнозовані зміни у спектр рожевого шуму. Зокрема, при використанні відомого способу, в акустичному сигналі виникає велика кількість комбінаційних спектральних складових, що сприймаються мікрофоном і створюють похибку виміру. Крім того, власні шуми вимірювального мікрофона, складаючись з корисним сигналом, також можуть призводити до зниження точності вимірювання частотних характеристик у відомому методі. Не ідеальність використовуваних методів генерації рожевого шуму також може призводити до появи похибки виміру. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу вимірювання частотних характеристик звуковідтворюючих пристроїв, який забезпечить високу точність вимірювання при наявності навколишніх шумів і власних шумів мікрофона. Поставлена задача вирішується тим, що в способі вимірювання частотних характеристик, при якому на звуковідтворюючий пристрій подають випробувальний електричний сигнал, а звуковий тиск, що створюється звуковідтворюючим пристроєм, перетворюють за допомогою вимірювального мікрофона в електричний сигнал, а також піддають сигнал смуговій фільтрації і будують частотну характеристику як залежність оцінки відфільтрованого смуговим фільтром сигналу від частоти налаштування смугового фільтра, випробувальний електричний сигнал задають у вигляді: 1 UA 71858 U t  t1  U0 sin( 2( fMAX ) t 2  t1 fMIN ( t  t1 )) при t1  t  t 2 ,  fMIN  ut    t t2  f t t U0 sin( 2( MAX ) 2 1 fMIN ( t  t 2 )) при t 2  t  t 3 ,  fMIN  де U0 - амплітуда випробувального сигналу, 5 10 15 20 25 30 35 40 45 fMAX - максимальна частота вимірюваної частотної характеристики, fMIN - мінімальна частота вимірюваної частотної характеристики, t1 і t 3 - час початку і кінця випробувального сигналу відповідно, t 2 - проміжний час, що задовольняє умову t1  t 2  t 3 , а сигнал мікрофона реєструють в інтервалі часу t1  t 3  t 2  t  t 3 і коригують за допомогою частотного фільтра з частотною характеристикою вигляду: K f   S( fMIN ) fMIN , S( f ) f де f - частота, S( f ) - модуль спектральної щільності сигналу u(t ) , вирахуваної в інтервалі t1  t  t 2 , S(fMIN ) - значення модуля спектральної щільності S( f ) на частоті fMIN . Використання нового способу забезпечує високу спектральну щільність випробувального сигналу при відносно малій тривалості випробувального сигналу і відсутності погрішності виміру, пов'язаної з невідомістю точної відстані від вимірювального мікрофона до звуковідтворюючого пристрою. Таким чином мінімізується вплив навколишніх шумів і власних шумів мікрофона на точність вимірювання частотних характеристик. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, де на фіг. 1 суцільною лінією зображений нормований графік S( f ) модуля спектральної щільності випробувального сигналу u(t ) , вирахуваної в інтервалі t1  t  t 2 , а пунктирною лінією - нормований графік P( f ) модуля спектральної щільності ідеального рожевого шуму. На фіг. 2 зображений графік K( f ) частотної характеристики коригуючого фільтра. На фіг. 3 зображений графік добутку S( f ) K( f ) модуля спектральної щільності S( f ) випробувального сигналу u(t ) і частотної характеристики K( f ) коригуючого фільтра. Випробувальний синусоїдальний електричний сигнал, що подається на звуковідтворюючий пристрій, може генеруватися, наприклад, комп'ютером, що має у своєму складі цифроаналоговий перетворювач, і безпосередньо (через підсилювач) подаватися на звуковідтворюючий пристрій. Випробувальний синусоїдальний сигнал також може записуватися в пам'ять пристрою (наприклад - мобільного телефону) і відтворюватися ним через власний цифро-аналоговий перетворювач і вбудований гучномовець або навушники, що підключаються. Випробувальний сигнал u(t ) починає відтворюватися у момент часу t1 . У момент часу t 3 , закінчується відтворення випробувального сигналу. Відтворений звуковідтворюючим пристроєм акустичний сигнал потім перетвориться в електричну форму за допомогою вимірювального мікрофона. Причому реєстрації і подальшій обробці піддається не вся тривалість випробувального сигналу, а лише його частина тривалістю t 2  t1 , що надходить на мікрофон в інтервалі часу t1  t 3  t 2  t  t 3 . Далі, зареєстрований мікрофоном в інтервалі часу t1  t 3  t 2  t  t 3 сигнал піддають частотній фільтрації згідно із законом K( f ) . Після цього сигнал піддають смуговій фільтрації і будують графік частотної характеристики як залежність оцінки величини відфільтрованого сигналу від частоти налаштування смугового фільтра. Випробувальний сигнал u(t ) має важливу особливість: показаний на фіг. 1 суцільною лінією графік модуля спектральної щільності S( f ) не зміниться, якщо його вирахувати з деяким зсувом за часом, що не перевищує t 3  t 2 . Іншими словами, цей графік залишиться тим самим, якщо його вирахувати в інтервалі t1  k(t 3  t 2 )  t  t 2  k(t 3  t 2 ) , де k - сталий коефіцієнт, що може приймати значення від 0 до 1. Завдяки цьому досягається незалежність результатів виміру частотної характеристики звуковідтворюючих пристроїв від відстані між звуковідтворюючим 2 UA 71858 U пристроєм і вимірювальним мікрофоном. Достатньо почати реєстрацію сигналу мікрофона з деякою затримкою t 3  t 2 відносно моменту t1 , подачі випробувального сигналу u(t ) на 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 звуковідтворюючий пристрій. Причому час затримки t 3  t 2 повинен перевищувати суму максимального часу проходження звукового сигналу від звуковідтворюючого пристрою до мікрофона і можливої затримки сигналу в електронному устаткуванні. Час реєстрації сигналу u(t ) повинен дорівнювати t 2  t1 . При дотриманні цих умов буде досягнута незалежність результатів виміру частотної характеристики від затримки сигналу в електронному устаткуванні і від відстані між звуковідтворюючим пристроєм і мікрофоном. Другою важливою особливістю випробувального сигналу u(t ) є те, що нормований графік S( f ) модуля його спектральної щільності близький до нормованого графіку P( f ) модуля спектральної щільності ідеального рожевого шуму, показаного пунктирною лінією на фіг. 1. Цим досягається рівномірність розподілу енергії випробувального сигналу на кожну октаву частотного діапазону, в якому робиться вимір частотної характеристики. Для досягнення максимальної рівномірності розподілу енергії;в цьому способі виміру використовується частотна корекція згідно із законом K( f ) (див. фіг. 2). У разі, якщо випробувальний сигнал u(t ) , обмежений інтервалом часу t1  t  t 2 , пропустити через фільтр з частотною характеристикою K( f ) , графік модуля його спектральної щільності стане в точності ідентичним графіку модуля спектральної щільності ідеального рожевого шуму, як це показано на фіг. 3. У цьому способі, фільтрації згідно із законом K( f ) піддають зареєстрований за допомогою мікрофона випробувальний сигнал, що має тривалість t 2  t1 . Цим досягається компенсація неідеальності графіку модуля спектральної щільності випробувального сигналу u(t ) . Третьою важливою особливістю випробувального сигналу u(t ) є те, що при рівній максимальній амплітуді його потужність істотно перевищує потужність рожевого шуму. Це пов'язано з тим, що випробувальний сигнал u(t ) є синусоїдальним, причому синусоїда завжди має максимальну амплітуду, тоді як рожевий шум має випадкову амплітуду, яка дуже рідко набуває максимальних значень. В результаті, при одній і тій же максимальній амплітуді, випробувальний сигнал має істотно вищу спектральну щільність, ніж рожевий шум. При однаковій спектральній щільності навколишніх шумів і власних шумів мікрофона це дозволяє отримати вище відношення сигнал/шум на виході мікрофона в порівнянні із випадком використання випробувального сигналу у вигляді рожевого шуму. Відповідно, підвищується точність виміру частотної характеристики. Коригуюча фільтрація сигналу згідно із законом K( f ) і подальша смугова фільтрація не обов'язково повинні робитися в режимі реального часу. Так, наприклад, вихідний сигнал вимірювального мікрофона може бути оцифрованим за допомогою аналого-цифрового перетворювача і записаний в пам'ять комп'ютера або на будь-який інший носій цифрової інформації. Після чого цифровий сигнал може бути підданий фільтрації за допомогою цифрових фільтрів. Графік частотної характеристики може будуватися, наприклад, на екрані комп'ютера, як залежність амплітуди відфільтрованого сигналу від частоти налаштування смугового фільтра в інтервалі частот від fMIN до fMAX . Графік частотної характеристики може також записуватись в пам'ять комп'ютера або на будь-який носій цифрової інформації у вигляді числового масиву. Описаний спосіб вимірювання частотних характеристик дозволяє отримати прийнятне відношення сигнал-шум навіть при використанні досить малої тривалості t 3  t1 випробувального сигналу. Мала тривалість випробувального сигналу зручна, оскільки дозволяє економити час оператора вимірювальної установки, що особливо важливо в тих випадках, коли необхідно зробити виміри у великій кількості точок простору. Джерела інформації: 1. Иофе В.Л., Лизунков М.В., Бытовые акустические системы. - М.: Радио и связь, 1984, 96 с. 2. ГОСТ 16122-87 "Громкоговорители. Методы измерения электрических параметров", М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1987, 97 с. 55 3 UA 71858 U ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 5 10 Спосіб вимірювання частотних характеристик, при якому на звуковідтворюючий пристрій подають випробувальний електричний сигнал, а звуковий тиск, що створюється звуковідтворюючим пристроєм, перетворюють за допомогою вимірювального мікрофона в електричний сигнал, а також піддають сигнал смуговій фільтрації і будують частотну характеристику як залежність оцінки відфільтрованого смуговим фільтром сигналу від частоти налаштування смугового фільтра, який відрізняється тим, що випробувальний електричний сигнал задають у вигляді: t  t1  U sin( 2( fMAX ) t 2  t1 f ( t  t )) при t  t  t , MIN 1 1 2  0 fMIN  ut    t t2  U0 sin( 2( fMAX ) t 2  t1 fMIN( t  t 2 )) при t 2  t  t 3 ,  fMIN  де U 0 - амплітуда випробувального сигналу, fMAX - максимальна частота вимірюваної частотної характеристики, fMIN - мінімальна частота вимірюваної частотної характеристики, 15 і t 3 - час початку і кінця випробувального сигналу відповідно, t 2 - проміжний час, що задовольняє умову t1  t 2  t3 , t1 а сигнал мікрофона реєструють в інтервалі часу t1  t3  t2  t  t3 і коригують за допомогою частотного фільтра з частотною характеристикою вигляду: K f   20 S( fMIN ) S( f ) fMIN , f де f - частота, S(f ) - модуль спектральної щільності сигналу u(t) , вирахуваної в інтервалі t1  t  t 2 , S( fMIN ) - значення модуля спектральної щільності S(f ) на частоті fMIN . 4 UA 71858 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5