Wykład 6

PODSTAWY PSYCHOAKUSTYKI

W = alnB + b

Prawo Fechnera (1860)

jnd (just noticeable differences) dopiero so spostrzegalne różnice

Prawo Webera

const

I

I





Budowa i podstawowe funkcje układu

słuchowego

powietrze

powietrze

płyn (endolimfa

)

ucho
zewnętrz
ne

ucho środkowe

ucho wewnętrzne

nerw

słuchowy

Ucho zewnętrzne

ucho środkowe

ucho wewnętrzne

ucho wewnętrzne
przekrój poprzeczny
ślimaka

Budowa i podstawowe funkcje układu słuchowego

budowa organu słuchu

Analiza dźwięku:

•

błona podstawna

• komórki słuchowe

• nerw słuchowy

makromechanika
procesów ślimakowych
-

błona podstawna

ucho wewnętrzne

drgania błony podstawnej dla małych
częstotliwości

mikromechanika procesów ślimakowych –

unerwienie

komórek słuchowych

dwa systemy:

• system komórek wewnętrznych i dośrodkowych (aferentnych) włókien nerwowych

• system komórek zewnętrznych i odśrodkowych (eferentnych) włókien nerwowych

komórki zewnętrzne mają zdolność kurczenia się –

kontrola aktywności śłimaka

nerw słuchowy

zewnętrzne komórki słuchowe

błona podstawna

rzęski zewnętrznych komórek słuchowych

Właściwości słuchu

 
Właściwości

częstotliwościowe

Właściwości

kierunkowe

Właściwości

nieliniowe

Właściwości

czasowe

 

Zjawisko maskowania

Percepcja głośności

Minimum Audible Pressure

Minimum Audible Field

krzywe równej
głośności

OBSZAR SŁYSZALNOŚCI

granica bólu

krzywa progowa

zjawisko maskowania

– próg słyszalności

jednego

dźwięku

podnosi się na skutek
obecności innego

dźwięku

(maskera)

 

PASMA (WSTĘGI) KRYTYCZNE

częstotliwość Hz

szerokość pasma Hz

szerokość pasm krytycznych

wpływ czasu trwania dźwięku na głośność

wzrost poziomu
dla utrzymania
tej samej
głośności
w dB

czas trwania w milisekundach

szum biały

ton

zjawisko

Haas’a

właściwości
kierunkowe zależą od
różnicy natężeń i faz

źródło dźwięku

czas

ms

echo/dźw. bezp

dB

Jednostki subiektywne

- sony i mele

sony

poziom
głośności

fony

głośność

częstotliwość

wysokość dźwięku

mel

poziom ciśnienia
akustycznego w dB A

maksymalny czas
w ciągu dnia (godz.)

dopuszczalne dzienne dawki hałasu

audiogram pokazujący ubytek słuchu

Wykład 7

Podstawy akustyki wnętrz

dr Maria Tajchert (zastępstwo)

Materiał zostanie przesłany później

Wykład 8

Głośniki i mikrofony cz. 1

Ogólne właściwości i rodzaje przetworników
elektroakustycznych. Przetworniki dynamiczne,
pojemnościowe i piezoelektryczne.

Rodzaje przetworników

elektromechanicznych:

Elektryczne
Magnetyczne

Magnetyczne:

Przetwornik magnetoelektryczny

(dynamiczny)

Przetwornik elektromagnetyczny

  

Elektryczne:

Przetwornik elektrostatyczny

(pojemnościowy)

Przetwornik piezoelektryczny

PRZETWORNIKI ELEKTROAKUSTYCZNE

Przetwornik elektromechaniczny - Przetwornik mechanoakustyczny

• odwracalne

• nieodwracalne

• bierne

• czynne

Schemat zastępczy

Nadajnik

Odbiornik

Przetwornik

Przetwornik

U,I

U,I

F,v

F,v











































v

I

z

z

z

z

F

U

~

~

~

~

22

21

12

11

v

z

I

z

F

v

z

I

z

U

~

~

~

~

~

~

22

21

12

11









Równania opisujące zachowanie przetwornika

0

0

22

0

21

0

12

0

0

11

~

~

~

~

~

~

~

~

m

I

em

v

em

I

e

v

Z

v

F

z

Z

I

F

z

Z

v

U

z

Z

I

U

z





























impedancja elektryczna prz. nieruchomego

impedancja sprzęgająca elektromechaniczna

impedancja sprzęgająca mechanoelektryczna

impedancja mechaniczna prz. rozwartego

I

F

v

U



Zasada wzajemności

em

em

Z

z

Z

z







21

12

Dla przetworników elektrycznych:

a więc:













































v

I

z

z

z

z

F

U

m

em

em

e

~

~

~

~

0

0























 

















v

I

z

z

F

U

em

em

p

p

~

~

0

0

~

~

Właściwości transmisyjne – impedancja sprzęgająca

I

Z

F

v

Z

U

em

p

em

p

~

~







v

F

Z

I

U

p

em

p

~

~

~

2





m

em

er

z

Z

Z

2





e

em

mr

z

Z

Z

2





imped.
przeniesiona na
stronę elektryczną
przy zasilaniu
od strony
elektrycznej i obc.
mechanicznym

imped. przeniesiona
na stronę
mechaniczną
przy zasilaniu
od strony
mechanicznej i obc.
elektrycznym

przetwornik magnetyczny

em

Z

z

z







21

12















































v

I

z

z

z

z

F

U

m

em

em

e

~

~

~

~

0

0





























































F

I

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

Z

v

U

m

m

em

m

em

m

em

e

~

~

1

~

~

0

0

0

0

2

0

Podstawowe rodzaje przetworników – zasada działania

magnetoelektryczny (dynamiczny)

elektromagnetyczny

elektrostatyczny (pojemnościowy)

elektrostatyczny - zrównoważony

piezoelektryczny

 

 

0

2

2

~~

m

er

em

Z

Bl

Z

Bl

Z

F

v

Bl

I

U

Blv

U

BlI

F















`

4

2

cos

4

2

sin

2

2

2

0

2

2

2

0

2

2

0

2

0

2

0

2

S

R

R

t

I

z

S

R

I

z

S

R

R

t

zMI

S

R

M

S

F

s

z

z

s

z

s

z

s































Przetwornik magnetoelektryczny

Przetwornik elektromagnetyczny

element z
ruchomą
cewką

zasada ruchu

S

e

S

U

C

Q 





S

C

e

0



t

U

C

U

C

Q

t

U

C

Q

t

U

U

z

e

s

e

z

e

z

z

z







sin

sin

sin















S

t

U

C

S

U

C

S

t

U

U

C

S

U

C

S

Q

Q

F

z

e

z

e

z

s

e

s

e

z

s

0

2

2

0

2

2

0

2

0

2

2

0

2

4

2

cos

4

sin

2

2



























Przetwornik elektrostatyczny

z

s

z

s

e

z

I

j

U

S

Q

U

C

F









0

Przetwornik elektrostatyczny - konstrukcje

1 - elektroda stała
2 - zacisk
3 - elektroda ruchoma
4 - polaryzacja
5 - rezystancja
6 - sygnał

przekrój
przetwornika
elektrostatyczn
ego

przetwornik
magnetoelektrycz
ny wstęgowy

zamocowanie

oś ruchu

1 - piezoelektryk
2 – płytka metalowa
3 – pierścień mocujący

typowy
system
magnetyczny

typowy ceramiczny
system magnetyczny

Wykład 9

Głośniki i mikrofony
cz. 2

• głośniki otwarte

• głośniki tubowe

charakterystyki:

• charakterystyka sprawności (moc wypromieniowana/moc elektryczna przy dopasowaniu)

• charakterystyka skuteczności (mocowej, napięciowej, prądowej)

• charakterystyka kierunkowości

• charakterystyka impedancji elektrycznej

Głośnik otwarty

• jedna membrana

• jedna cewka

pierścień zaciskowy

membrana stożkowa

zawieszenie membrany

kopułka

kosz

zawieszenie cewki

nabiegunnik

magnes stały

nabiegunnik

cewka ruchoma

Schemat zastępczy głośnika

źródło napięcia

generator

cewka

system napędowy

impedancja
mechaniczna
membrany

przetwornik
elektromechanicz
ny

część elektryczna

część mechaniczna

transformator systemu
napędowego

Charakterystyka częstotliwościowa głośnika

zakresy częstotliwości

rezonans zakres częst. średnich rezonans

niedotłumiony

przetłumiony

możliwy następny mod

poziom
odniesienia

narastanie

opadanie

częstotliwość Hz

p

o

zi

o

m

c

iś

n

ie

n

ia

d

B

częstotliwość rezonansu
podstawowego f

0

częstotliwość

Hz

charakterystyka
częstotliwościowa skuteczności

przebieg impedancji
głośnika

częstotliwość rezonansowa

częstotliwość rezonansowa
zawieszenia membrany

częstotliwość rezonansowa wyższego modu

im

p

e

d

a

n

cj

a

e

le

k

tr

y

cz

n

a

W

p

o

zi

o

m

c

iś

n

ie

n

ia

a

k.

d

B

OBUDOWY GŁOŚNIKOWE

Odgroda

wpływ wielkości odgrody

odgrody o częstotliwościach granicznych równych f

rm

odgrody o bardzo dużych wymiarach i różnych f

rm

Obudowa otwarta

l

c

f

L

4



częstotliwość graniczna

Obudowa zamknięta (compact)

mo

mo

mo

mo

mo

mo

C

M

X

jX

R

Z





1









2

0

0

m

mo

S

r

K

M







2

2

m

o

o

mo

S

c

V

C





mz

mo

mz

mo

mz

wyp

C

C

C

C

C

C







Porównanie obudowy
otwartej i zamkniętej

Odmiana obudowy zamkniętej – Isobarik (1960 – 1980)

komora główna

napędy połączone równolegle

mała komora powietrzna

połączony napęd podwójny:

• masa x 2

• podatność x ½

• impedancja x ½

• prąd x 2

• moc x 2

- obniżenie częstotliwości
rezonansowej o ok. 1,4 (np.. 40 Hz –
3dB - 30 Hz – 3 dB)
- redukcja fal stojących

napęd

Sprzężenie komór poprzez rezystancję akustyczną

• likwidacja pionowych fal stojących

• wygładzenie charakterystyki w pobliżu rezonansu

Obudowa z otworem (bass reflex)

mz

m

rm

C

M

1





mo

mk

o

C

M

1





o

rm







Porównanie obudowy otwartej, zamkniętej i z otworem

Obudowa z otworem stratnym

Obudowa labiryntowa

Obudowa tubowa

Głośnik tubowy

wada głośników otwartych:

• mała sprawność do 5% (zbyt małe obciążenie mechaniczne)

• sprawność 30 – 40 % (80%)

• kształtowanie

charakterystyki
kierunkowości

Zwrotnice głośnikowe

częstotliwość

Hz

p

o

zi

o

m

d

B

Rodzaje zwrotnic
głośnikowych

Sub-woofer

Dodatkowy wyspecjalizowany głośnik w
zakresie częstotliwości poniżej
częstotliwości rezonansu podstawowego
(poniżej 20 Hz- nawet do zakresu
infradźwiękowego)

zalety:

• rozciągnięcie małych częstotliwości

• mniejsze zniekształcenia na m.cz.

• elastyczność ustawienia

• potencjalna poprawa zniekształceń w systemach towarzyszących

• systemy aktywne pozwalają na indywidualne ustawienia

• zmniejszenia zabarwienia

wady:

• problemy dobory zwrotnic dla sub-wooferów pasywnych

• trudność płynnego przejścia na systemy towarzyszące

• zdarzające się zabarwienie i rezonanse

• komplikacja systemu, dodatkowe okablowanie i sprzęt

(aktywne)

• konieczność lokalizacji dodatkowych obudów

• większy koszt

Skuteczność i impedancja

UI

p

S

I

p

S

U

p

S

P

I

U







r = 1m

SPL , U

sk

= 2,83 V (1W na 8 W)

Z = 8 W (6,4 – 10 W)

Skuteczność ciśnieniowa

Stosunek wartości skutecznej ciśnienia akustycznego p wytworzonego na
osi odniesienia głośnika w odległości 1m od punktu odniesienia w
warunkach pola swobodnego, do wartości skutecznej napięcia, prądu
zasilającego, lub pierwiastka kwadratowego z elektrycznej mocy
pozornej, zasilającej głośnik, przy określonej częstotliwości.

Odpowiednio do tego:

S

p

U

n



~

~

S

p

I

p



~

~

S

p

U

Z

S Z

S

Z

S S

m

g

n

g

p

g

n p









~

~

³

³

³

1

Mikrofony

 stykowe

 magnetyczne

 elektrostatyczne

 piezoelektryczne

 elektronowe….

Skuteczność mikrofonu

• skuteczność w polu fali swobodnej

• skuteczność ciśnieniowa

Skuteczność polowa

(w polu swobodnym), dla określonego pasma

częstotliwości i kąta padania fali względem osi odniesienia mikrofonu
jest dana stosunkiem wartości skutecznej napięcia U na zaciskach
otwartych mikrofonu (siły elektromotorycznej) w [V], do wartości
skutecznej ciśnienia akustycznego p w Pa w polu swobodnym w
miejscu umieszczenia mikrofonu:

p

U

S

p



Poziom
skuteczności

Pa

V

S

S

S

S

dB

1

log

20

0

0





Wpływ osłony mikrofonu na skuteczność ciśnieniową mikrofonu ½”

Charakterystyki skuteczności mikrofonów
B&K o różnych średnicach

mikrofony do pracy w polu fali
swobodnej – linia ciągła – ch-ka sk.
polowej,
linia przerywana – ch-ka sk.
ciśnieniowej

mikrofony do pracy w polu
zamkniętym (ch-ki
ciśnieniowe)

mikrofon calowy

mikrofon
półcalowy

charakterystyki
kierunkowości
mikrofonów
pojemnościowyc
h

•

mikrofony ciśnieniowe - wszechkierunkowe

• mikrofony gradientowe (prędkościowe) - dwukierunkowe

• mikrofony ciśnieniowo-gradientowe – o zmiennej i regulowanej kierunkowości

Rodzaje mikrofonów ze względu na konstrukcję

Mikrofon ciśnieniowy

Mikrofon gradientowy

)]

cos

(

[

2

)

(

1

2

1

,

)

(

















d

x

t

j

x

t

j

m

e

p

p

e

p

p

S

p

p

F









)

cos

sin(

2









d

S

p

F

m

dla d << λ





cos

c

d

S

p

F

m



Uwaga!
Dla fali kulistej:

)

sin(

0

kr

t

A

r

k

c

p











a zatem siła proporcjonalna do

gradp

będzie:

2

)

(

1

1

cos

cos

cos

kr

c

d

S

p

k

d

S

p

F

m

m















mikrofon gradientowy umieszczony blisko źródła fali kulistej uwydatnia
więc małe częstotliwości i należy stosować korekcję

Skuteczność mikrofonu ciśnieniowego:

Skuteczność mikrofonu gradientowego:

0

c

c

S

S 





cos

0

c

c

S

S

Mikrofon ciśnieniowo-gradientowy

)

cos

1

(

0











c

g

c

S

S

S

S

MIKROFONY WSZECHKIERUNKOWE (CIŚNIENIOWYCH)

mikrofon dynamiczny cewkowy

mikrofon dynamiczny wstęgowy

mikrofon dynamiczny
cewkowy – przykład
konstrukcji

mikrofon elektrostatyczny (pojemnościowy)

membrana Al. – 25 μm
odstęp – 25 – 50 μm

mikrofon elektrostatyczny B&K

mikrofon elektretowy
z elektretem na membranie

mikrofon elektretowy
z elektretem na elektrodzie
stałej

zalety:

• niewrażliwość na wilgoć

• mała wrażliwość na wstrząsy

• odporność mechaniczna

• brak niebezpieczeństwa przebicia

mikrofon piezoelektryczny ciśnieniowy

bimorf siodłowy
połączony mechanicznie
z membraną
(dopasowanie
impedancji)

MIKROFONY DWUKIERUNKOWE (GRADIENTOWE)

mikrofon dynamiczny wstęgowy

Charakterystyki kierunkowości mikrofonu dynamicznego wstęgowego

Mikrofon elektrostatyczny gradientowy

charakterystyki kierunkowości

Mikrofony gradientowe wyższych rzędów

Dwa mikrofony gradientowe
umieszczone w pewnej
odległości w kierunku
rozchodzenia się fali
połączone elektrycznie
szeregowo dają mikrofon
gradientowy drugiego rzędu
(gradient gradientu ciśnienia)

Charakterystyka kierunkowości jest wypadkową koła i ósemki i w
szczególnym
przypadku ma kształt kardioidy

2 sposoby otrzymania charakterystyki jednokierunkowej:

• za pomocą dwóch mikrofonów: wszechkierunkowego i
dwukierunkowego

• za pomocą jednego mikrofonu o odpowiednio ukształtowanum
układzie akustycznym i mechanicznym

MIKROFONY JEDNOKIERUNKOWE

Mikrofon magnetoelektryczny wstęgowy ciśnieniowo – gradientowy

Mikrofony o regulowanej kierunkowości

Mikrofony wybitnie jednokierunkowe

)

cos

1

(

1

)]

cos

(

[

2

















jkd

d

d

l

k

t

j

e

p

e

p

p



Ciśnienie akustyczne u wylotu drugiej rury o długości l-d:

Ciśnienie akustyczne u wylotu n - tej rury o długości l-(n-1)d:

)

cos

1

(

)

1

(

1









d

n

jk

k

e

p

p

Wypadkowe ciśnienie u wylotu wszystkich rur:





k

w

p

p

Wynikająca stąd charakterystyka kierunkowości:

)

cos

1

(

1

sin

)

cos

1

(

1

sin

0

























n

n

p

p

K

w

w

dla n = h

)

cos

1

(

1

)

cos

1

(

1

sin





















K