Измерения виброакустических сложных сигналов, содержащих дискретные составляющие и сплошную часть в спектральной области с использованием техники, производящей измерения в 1/3 октавных полосах

Лабораторная работа № 4

Тема:    Измерения виброакустических сложных сигналов, содержащих дискретные составляющие и сплошную часть в спектральной области с использованием техники, производящей измерения в 1/3 октавных полосах.

Цель:    Освоение методических и практических навыков, необходимых при проведении виброакустических измерений с использованием техники, производящей частотный анализ в 1/3 октавных полосах.

Задания

Объекм проводимых измерений и обработки исследуемых виброакустических сигналов так же как и в лабораторных работах №2 и №3 разбивается на две части. В первой части производятся измерения и обработка сложного тест-сигнала, заданного в лабораторной работе №3 с помощью стандартного приемного тракта, сопровождающих 1/3 октавных фильтров (модель - 1517) и измерительного усилитель 2607. Во второй части производятся измерения и обработка этого же тест-сигнала с помощью узкополосного частотного анализатора типа 2033. При проведении лабораторной работы используется один и тот же акустический тест-сигнал (см. лабораторную работу №3), исследуемый 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 частотных (1/3 октавных) областях и при узкополосном анализе

Теоретические сведения

В электроакустике при изучении основных свойств слуха введено понятие высоты звука, под которой подразумевают субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Так ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах примерно пропорциональна частоте и субъективный масштаб восприятия по частоте близок к логарифмическому закону. Поэтому за объективную единицу высоты звука, приближенно отражающей субъективное восприятие, принята октава: двухкратное отношение частот (1; 2; 4; 8; 16; 32 и т.д.). Октаву делят на части: полуоктавы, третьоктавы и т.д. Широко используется также понятие частотного интервала, составляющего целую долю (1/n) октавы, например, 1/3-октавный частотный интервал.

Соотношения ,  и  для некоторых частотных интервалов приводятся ниже где

 – верхняя граничная частота частотного интервала [Гц];

 – нижняя граничная частота частного интервала [Гц];

 – центральная частота частного интервала [Гц].

Октава - .

 октавы       ;

 октавы       .

В измерительных и анализирующих приборах фильтры построены таким образом, что ширина полосы пропускания этих фильтров может регулироваться и соответствовать требуемой ширине полосы частотного интервала. Сопровождающий третьоктавный фильтр 1517 содержит 41 третьоктавную полосу (фильтров).

1.  Определениячастотного анализа

1.1.  Идеальный фильтр

Идеальным называют полосовой фильтр, имеющий прямоугольную (П-образную) амплитудно-частотную характеристику, т. е. имеющий нулевое затухание в полосе пропускания и заграждающий все частоты вне её. На рис. 4.1 сопоставляются амплитудно-частотные характеристики идеального и реального фильтров.

1.2.  Ширина полосы пропускания

В то время как ширина полосы пропускания идеального фильтра может определяться точно, существуют два определения ширины полосы реального фильтра. Ширина полосы – 3 дБ по уровню половинной мощности, т. е. по уровню спада пропущенного напряжения на 3 дБ ниже максимального. Сказанное иллюстрируется на рис. 4.1, где также показана частотная характеристика идеального фильтра той же ширины полосы.

Эффективная ширина полосы пропускания фильтра (иногда называемая эффективной шириной шумовой полосы) – это ширина полосы идеального фильтра, который пропускает такую же мощность белого шума, как и данный фильтр. Октавный и третьоктавный фильтры, применяемые в приборе 1617, основываются на этом определении ширины полосы. Так как мощность шумов пропорциональна квадрату их напряжения, площадь под возведенной в квадрат частотной характеристикой реального фильтра (рис. 4.1) равна площади под частотной характеристикой идеального фильтра при равенстве эффективной ширины полосы пропускания идеального и реального фильтров.

1.3.  Октава и третьоктавы

Октавой называют интервал между двумя частотами в отношении 2:1, т. е.

  (1)

или

  (2)

Где  и  – верхняя и нижняя частоты, соответственно.

Аналогичным образом, дробная октава определяется соотношением

  (3)

Где n – дробь октавы. Например, 1/3 октавы определяется как

  (4)

Из определения средней частоты

  (5)

и ширины полосы пропускания

  (6)

следует, что

  (7)

Где К – постоянная, зависящая от отношения верхней частоты  к нижней . Так например, для третьоктавы К=0.231, а для октавы К=0.707. Ширина полосы пропускания фильтра, выраженная в процентах, равна Кх100.

1.4.  Специфицируемые частоты фильтров

Октавные и третьоктавные фильтры, применяемые в приборе 1617, имеют средние частоты по ряду предпочтительных частот, рекомендуемому МЭК (публикация 225). Это ряд связывает средние частоты с опорной частотой 1000 Гц соотношением для октавных фильтров

  (8)

для третьоктавных фильтров

  (9)

Где  и т.д.