Измерения, регистрация, спектральный анализ и определение значений интегральной величины амплитуды и интенсивности сложного звукового сигнала, в составе которого имеется шум и дискретные составляющие

Лабораторная работа № 3

Тема:    Измерения, регистрация, спектральный анализ и определение значений интегральной величины амплитуды и интенсивности сложного звукового сигнала, в составе которого имеется шум и дискретные составляющие.

Цель:    Освоение методических и практических навыков, необходимых при проведения виброакустических измерений, регистрации и спектральной обработки исследуемых сложных шумовых сигналов.

Задания

Объём проводимых измерений и обработки исследуемых виброакустических сигналов разбивается на две части. В первой части планируется производить измерения и регистрацию сложного сигнала с помощью интегрирующего прецизионного шумомера типа 2218.

В первой части производятся измерения и регистрация сложного шумового сигнала с помощью интегрирующего шумомера типа 2218 без сопровождающих фильтров.

Во второй части производятся измерения и регистрация сложного шумовогосигнала с помощью узкополосного частотного анализатора типа 2033.

При проведении лабораторной работы используется один и тот же источник сложного шумового виброакустического сигнала, исследуемого и измеряемого двумя способами.

В результате обработки измеренных в обоих случаях идентичных сигналов необходимо измерить, определить и сравнить абсолютные интегральные значения амплитуды и интенсивности сигналов подтвердив таким образом правильность проведенных измерений и обработки в частотной и временной областях.

Теоретические сведения

1.  Измеримые характеристики сигнала на данном режиме определяется, как среднеарифметическое значение нескольких измерений n (n³3 раза).

  (1)

Где  – среднеарифметическое значение измеренной величины;

 – max результат i-го измерения;

n – количество измерений одной и той же величины.

2.  Измерению могут подлежать акустические и гидроакустические давления, колебательное ускорение, колебательная скорость, колебательное смещение и т. д., а так же энергетические характеристики, такие как интенсивность, мощность и энергия (энергия для сигнала в конечном интервале времени).

3.  В лабораторной работе рассматривается сигнал, состоящий из шумовой части в диапазоне 30 Гц ¸ 500 Гц и дискретных составляющих, расположений на частотах в этом же диапазоне в соответствии с заданными вариантами.

  (2)

Интегральное значение интенсивности

   (3)

4.  Интегральное значение амплитуды и интенсивности стационарного шума в полосе   с произвольной спектральной огибающей  равно:

 [Па]  (4)

Где  – верхняя граница частотного диапазона [Гц];

 – нижняя граница частотного диапазона [Гц].

Сплошная часть в спектральной характеристике, соответствующая шумовой части сигнала характеризуется распределением плотности амплитуды (или интенсивности) по частоте в диапазоне , поэтому спектральная плотность интенсивности равна:

   (5)

Где   – спектральная плотность амплитуды.

Интегральное значение интенсивности шума в частотной области равно:

  (6).

Если спектральная плотность амплитуды  в полосе постоянна, тогда:

  (7)

  (8)

  (9)

5.  В случае нестационарного шума (флуктуационного шума) производится спектрально-статистический анализ, т. е. спектральный анализ в определенном интервале времени, в течение которого анализатор спектра производит спектральный анализ и усреднение за указанный интервал времени. Кроме этого, время анализа еще определяется нижней граничной частотой полосы анализа.

6.  Интегральное значение амплитуды  всей спектральной характеристики, включающий шум и дискретные составляющие равно

  (10)

7.  Интегральные значения интенсивности соответственно равно

  (11)

8.  Измерение и узкополосный анализ гармонического сигнала с помощью анализатора 2033.

Напряжение, поступившее на вход анализатора спектра 2033 с выхода предварительного усилителя и линейного выхода шумомера, соответствует величине:

  (12)

  (12^а)

Где  [Па] – фактическое значение акустического давления в точке расположения микрофона;

  – коэффициент тракта;

  – чувствительность датчика (микрофона);

К₂  – коэффициент чувствительности.

9.  Измерения и узкополосный анализ шумовой составляющей сигнала производится в следующем порядке.

  (13)

  (14)

Где N [дБ] – показания на экране анализатора.

Когда спектральная плотность амплитуды  измеряется в дБ, то опорным акустическим уровнем служит то же число 2*10^-5, но с размерностью , т. е. 2*10^-5 .

10.  Интегральное значение акустического давления от дискретной части спектральной характеристики определяется как

  (15)

Где  – показания эффективных значений дискретных составляющих на экране анализатора.

11.  Интегральное значение акустического давления от шумовой  составляющей спектральной характеристики определяется как

  (16)

Где  [дБ] – уровень(показания) на экране анализатора шумовой части спектральной характеристики.

Формула (13) приемлем при , т. е. уровень шума в полосе анализа равномерен.

12.  Если спектральная огибающая плотности амплитуды  – неравномерна, а значит и уровень N спектральной огибающей на экране анализатора соответственно так же не равномерен и является функцией частоты, то в этом случае:

  (17)

Порядок выполнения работы

1.  Скомпоновать стенд №1, позволяющий сформировать сигналы состоящие из дискретных составляющих на произвольных частотах в диапазоне 30…500 Гц.

2.  Скомпоновать стенд №2, позволяющий производить измерения, регистрацию и спектральный анализ исследуемых сигналов.

3.  На фиксированном расстоянии от излучателя 25АС-311 по его акустической оси устанавливается шумомер 2218. Расстояние от микрофона до излучающей поверхности 0,2 м.

4.  Сигнал оси линейного выхода шумомера микрофона поступает на предварительный усилитель 2626, даже на аналоговый магнитофон 7005 и одновременно на узкополосный анализатор спектра 2033. Уровень выходного сигнала усилителя 2626 не должен превысить величины 1 В.

5.  При выполнении настоящей работы необходимо учесть, что показания шумомера 2218 будут соответствовать интегральному (результирующему) уровню измеряемого сигнала. Шумомер проинтегрирует дискретную и шумовую часть сигнала и выдаст результирующее показание уровня в дБ.

6.  На анализаторе 2033 исследуемый сигнал может наблюдаться во временной и частотной областях.

7.  В соответствии с задачей, поставленной в лабораторной работе, необходимо произвести соответствующие расчеты и сравнения, после чего делается краткий вывод о соответствии полученных результатов.

8.  Ниже приведены таблицы, которые необходимо заполнить при считывании данных.

Таблица 1. Таблица считываемых с приборов данных.