Вимір, реєстрація, спектральний аналіз і визначення значень інтегральної величини амплітуди й інтенсивності складного звукового сигналу, у складі якого є шум і дискретні складові

Лабораторна робота № 3.
Вимір, реєстрація, спектральний аналіз і визначення значень інтегральної величини амплітуди й інтенсивності складного звукового сигналу, у складі якого є шум і дискретні складові

Мета: Освоєння методичних і практичних навичок, необхідних при проведенні віброакустичних вимірів, реєстрації й спектральної обробки досліджуваних складних шумових сигналів.

Теоретичні відомості

1. Обмірювані характеристики на даному режимі визначаються, як середньоарифметичне значення декількох вимірів n (n 3) (Див. лабораторну роботу №2).

(3.1)

2. Виміру можуть підлягати акустичні й гідроакустичні тиски, коливальне прискорення, коливальна швидкість, коливальний зсув і т.д., а так само енергетичні характеристики, такі як інтенсивність, потужність й енергія (енергія для сигналу в кінцевому інтервалі часу).

3. У лабораторній роботі № 3 розглядається сигнал, що складається із шумової частини в діапазоні 30 – 500 дБ і дискретних складових, розташувань на частотах у цьому ж діапазоні відповідно до заданих варіантів.

Интегральні значення амплітуди й інтенсивності дискретних складових у частотній області визначаються відповідно до залежностей (2.18) і (2.19) лабораторної роботи № 2.

4. Інтегральне значення амплітуди й інтенсивності стаціонарного шуму в смузі  дорівнює з довільної спектральної обгинаючої дорівнює.

[Па],

(3.2)

де – верхня границя частотного діапазону [Гц];

 – нижня границя частотного діапазону [Гц].

Суцільна частина в спектральній характеристиці, що відповідає шумовій частині сигналу характеризується розподілом щільності амплітуди (або інтенсивності) по частоті в діапазоні , тому:

 – спектральна щільність амплітуди

 – спектральна щільність інтенсивності

.

(3.3)

Інтегральне значення інтенсивності шуму в частотній області дорівнює:

.

(3.4)

Якщо спектральна щільність амплітуди  в смузі постійна, тоді:

	;	(3.5)
	;	(3.6)
	.	(3.7)

5. У випадку нестаціонарного шуму (флуктуаційного шуму) виробляється спектрально-статистичний аналіз, тобто спектральний аналіз у певному інтервалі часу, у плині якого аналізатор спектра робить спектральний аналіз й усереднення за зазначений інтервал часу. Крім цього, час аналізу ще визначається нижньою граничною частотою смуги аналізу.

6. Інтегральне значення амплітуди  всієї спектральної характеристики, що включає шум і дискретні складові дорівнює

.

(3.8)

7. Інтегральні значення інтенсивності відповідно дорівнюють:

.

(3.9)

8. Вимір й вузькосмуговий аналіз дискретної частини спектра проводиться відповідно до методики, викладеної в лабораторній роботі № 2.

9. Вимір й вузькосмуговий аналіз шумової складової сигналу проводиться в наступному порядку.

	;	(3.10)
	,	(3.11)

де N – показання на екрані аналізатора в дБ.

Коли спектральна щільність амплітуди  виміряється в дБ, то опорним акустичним рівнем служить те ж число 2×10^-5, але з розмірністю , тобто 2×10^-5 .

10. Інтегральне значення акустичного тиску від дискретної частини спектральної характеристики визначається як:

,

(3.12)

де  – показання ефективних значень дискретних складових на екрані аналізатора.

11. Інтегральне значення акустичного тиску від шумової складової спектральної характеристики визначається як

,

(3.13)

де  – рівень (показання) на екрані аналізатора шумової частини спектральної характеристики в дБ.

Формула (3.42) прийнятна при , тобто рівень шуму в смузі аналізу рівномірний.

12. Якщо спектральна обгинаюча щільності амплітуди  – нерівномірна, а значить і рівень N спектральної обгинаючої на екрані аналізатора відповідний так само не рівномірний й є функцією частоти, то в цьому випадку:

.

(3.14)

Завдання по лабораторній роботі

Обсяг проведених вимірів й обробки досліджуваних віброакустичних сигналів так само як й у лабораторній роботі № 2 розбивається на дві частини.

У першій частині  проводяться виміри й реєстрація складного шумового сигналу за допомогою інтегруючого шумоміра типу 2218 без супровідних фільтрів.

У другій частині проводяться виміри й реєстрація складного шумового сигналу за допомогою вузькосмугового частотного аналізатора типу 2033.

При проведенні лабораторної роботи №3 використовується те саме джерело складного шумового віброакустичного сигналу, досліджуваного й вимірюваного двома способами.

У результаті обробки обмірюваних в обох випадках ідентичних сигналів необхідно виміряти, визначити й зрівняти абсолютні інтегральні значення амплітуди й інтенсивності сигналів підтвердивши в такий спосіб правильність проведених вимірів й обробки в частотній і тимчасовій областях.

Порядок виконання роботи

Стенд № 1 і стенд № 2 використовуваний для лабораторної роботи №2 повною мірою відповідає вимогам і використовується в лабораторній роботі № 3.

1. При виконанні цієї роботи необхідно врахувати, що показання шумоміра 2218 будуть відповідати інтегральному (результуючому) рівню вимірюваного сигналу. Шумомір проінтегрує дискретну й шумову частину сигналу й видасть результуюче показання рівня в дБ.

2. На аналізаторі 2033 досліджуваний сигнал спостерігається в часі в частотних областях.

3. Відповідно до завдання, поставленої в лабораторній роботі №3, необхідно зробити відповідні розрахунки й порівняння, після чого робиться короткий вивід про відповідність отриманих результатів.

4. Нижче наведені таблиці, які необхідно заповнити при зчитуванні даних.

На рис. 2.8 сформований і реалізований характерний для цієї роботи сигнал.

У таблиці 2.3 наведені дані шумів разом з дискретними складовими.

5. Інтегральний рівень дискретних складових визначаємо відповідно до методики лабораторної роботи № 2.

.

Таблиця 2.3. Таблиця зчитувальних із приладів даних

№	Показання аналізатора [дБ]							Показання інтегруючого шумоміра
	№1	№2	№3	№4	№5	№6	№7
1	8,03	27,1	19,9	34,1	11,9	2,0	25,0	90,0
2	8,04	27,3	20	39,0	12,1	2,0	25,0	89,0
3	8,02	27,0	20,1	39,0	12,0	2,0	25,1	91,0
	40	80	120	240	320	410	480
Шумовий сигнал
№	Рівень					Діапазон частот
1	1,90					30¸500
2	2,00					30¸500
3	2,10					30¸500

6. Інтегральний рівень суцільної (шумової) частини спектра визначаємо, як це показано в п. 11. даної роботи

,

(3.15)

де  – коефіцієнт чутливості = 3,81 ;

k_тр – коефіцієнт тракту = 10^-3 ;

10^-6 – опорний рівень аналізатора [В];

 – чутливість мікрофона = 0,381 ;

 – ширина смуги шумової частини спектра = 470 [Гц];

N_ш – показання рівня спектральної щільності амплітуди. На екрані аналізатора – [дб].

.

(3.16)

7. Результуюче (інтегральне) значення амплітуди сигналу в цілому з перерахування спектральної характеристики дорівнює:

.

Висновок: порівняння результатів показань інтегруючого шумоміра 2218 з результатами вимірів й аналізу, проведених за допомогою вузькосмугового аналізатора 2033 показують їхню ідентичність.