1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Приборы и техника эксперимента
  4. № 4, 2020

Приборы и техника эксперимента, 2020, № 4, стр. 58-66

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ АКУСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ КОМПОНЕНТОВ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

А. А. Власов a, *, М. Ю. Плотников a, А. Н. Аширов a, А. С. Алейник a, А. Н. Никитенко a

a Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Университет ИТМО)
197101 С.-Петербург, Кронверкский просп., 49, Россия

* E-mail: salusnetklim@yandex.ru

Поступила в редакцию 03.03.2020
После доработки 11.03.2020
Принята к публикации 12.03.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Приведены результаты теоретических расчетов и экспериментальных исследований характеристик акустического испытательного сигнала при применении акустического оформления типа “открытый экран”. Обогащение спектра тестового акустического сигнала за счет применения разработанного оформления составило до +30 дБ в области частот до 500 Гц, в диапазоне частот 1500−5000 Гц – от +4 до +20 дБ по сравнению с динамиком без оформления. Проведены исследования влияния характеристик помещения на акустический сигнал в точке измерения и предложен способ компенсации этого влияния, в результате применения которого неравномерность амплитудно-частотной характеристики акустического сигнала в точке измерения снизилась с 7 до 1.5 дБ, а также устранены наклоны его спектральной характеристики.

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день наиболее совершенными с точки зрения точностных, массогабаритных и эксплуатационных параметров являются волоконно-оптические измерительные системы [1–3]. Отсутствие механических и токопроводящих частей, высокая помехозащищенность и возможность мультиплексирования большого количества датчиков на одном оптическом волокне привели к широкому развитию таких систем, годовой оборот рынка которых исчисляется миллиардами долларов [3]. Спрос на такие системы стремительно увеличивается в таких отраслях промышленности, как нефтегазовая и горнодобывающая промышленность, военно-промышленный комплекс, а также многих других [3].

Наряду с неоспоримыми достоинствами высокоточным волоконно-оптическим измерительным системам присущ также и ряд недостатков, одним из которых является чувствительность волоконно-оптических компонентов к акустическим и вибрационным воздействиям за счет проявления эффекта фотоупругости и физического изменения длины оптического волокна под действием внешнего давления [4]. Помимо применения в волоконно-оптических датчиках давления (в том числе акустического и гидроакустического) и вибрации, данные эффекты носят нежелательный характер в других видах волоконно-оптических датчиков и таких волоконно-оптических компонентах, как волоконно-оптические интерферометры и волоконные лазеры.

Таким образом, при их работе в реальных условиях наблюдается снижение точностных параметров за счет повышения уровня шума в выходном сигнале. Ввиду высокого значения несущей частоты колебаний световой волны (как правило, в диапазоне сотен терагерц), их отклик носит практически безынерционный характер по сравнению с механическими воздействиями звукового диапазона, почему задача подавления либо компенсации шумовых воздействий является актуальной.

Данной проблеме посвящено большое количество исследований – для устранения нежелательной чувствительности волоконно-оптических компонентов в мировой практике применяют различные покрытия [5–11] и защитные конструкции [11, 12], снижающие вариации длины оптического пути на участке оптического волокна. Также находят применение дополнительные опорные датчики, для которых также применимы методы акустической изоляции [13].

Для экспериментальной проверки эффективности мер по защите чувствительных волоконно-оптических компонентов от механических шумовых воздействий, а также для исследования их чувствительности и калибровки волоконно-оптических датчиков акустического давления необходимо наличие экспериментальной установки, позволяющей осуществлять озвучивание испытываемых образцов различными акустическими сигналами с изменяемыми амплитудными, временными и частотными параметрами, причем вибрационное взаимодействие должно быть максимально исключено.

В мировой научно-технической практике подобные измерения проводят в специализированных заглушенных камерах, которые позволяют исключить внешние вибрационные воздействия с помощью развязки исследуемого объекта от пола и стен камеры и акустические воздействия посредством покрытия стен камеры звукопоглощающими покрытиями. Однако постройка такой камеры сопряжена со значительными технологическими трудностями – так, например, акустическое изолирующее покрытие стенок камеры обычно рассчитано на определенный акустический диапазон частот, что делает комнату непригодной для широкого спектра акустических измерений [14, 15].

Целью данной работы является разработка экспериментальной установки, предназначенной для проведения акустических исследований компонентов волоконно-оптических измерительных систем и оценки их основных акустических характеристик (рабочего диапазона частот и чувствительности) в широком диапазоне частот, позволяющей имитировать акустическое воздействие на исследуемые образцы различных факторов техногенного и антропогенного характера в зависимости от условий предполагаемой эксплуатации измерительных систем без использования вспомогательных звукопоглощающих покрытий и других методов акустической подготовки помещения.

Для достижения цели необходимо комплексное рассмотрение вопросов, связанных с источником акустических колебаний, влиянием акустического оформления и помещения на амплитудные и частотные характеристики испытательного акустического сигнала в точке измерения, а также поиск способов коррекции данного влияния для линеаризации указанных характеристик.

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АКУСТИЧЕСКОГО ОФОРМЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СИГНАЛА

Под акустическим воздействием на исследуемые образцы в рамках данной работы понимается излучение звуковой волны в воздушной среде в направлении исследуемого объекта. Таким образом, исследуемые образцы подвергаются воздействию переменного акустического давления, временные, амплитудные и спектральные параметры которого должны быть регулируемыми для обеспечения различных режимов исследований.

Источником звуковых колебаний в экспериментальной установке служит электродинамический громкоговоритель. При отсутствии акустического оформления (корпуса) динамической головки по причине взаимодействия волн, создаваемых фронтальной и тыльной поверхностями диффузора, происходит процесс так называемого акустического короткого замыкания и результирующее звуковое давление в окружающем пространстве значительно ослабляется.

Для исключения этого негативного явления динамическую головку помещают в акустическое оформление. Известны различные конструкции акустического оформления, такие как закрытый ящик, рупорный корпус, корпус с фазоинвертором, корпус с лабиринтным волноводом [16–19], однако только акустическое оформление типа “открытый экран” оказывает наименьшее влияние на полную добротность встраиваемого электродинамического преобразователя, а значит, не повышает (а в некоторых конфигурациях снижает) его резонансную частоту и, соответственно, не сужает частотный диапазон его работы [19]. По этой причине именно данный тип акустического оформления динамика был выбран для разрабатываемой экспериментальной установки.

Для эффективной работы в области нижних частот данный экран должен иметь линейные размеры, сопоставимые с длиной акустической волны на резонансной частоте динамика.

Необходимая площадь акустического оформления типа “открытый экран” для конкретного динамического громкоговорителя может быть найдена по формуле [19]

(1)
${{S}_{{{\text{ideal}}}}} = 0.125{{\left( {\frac{c}{{{{F}_{r}}{{Q}_{{ts}}}}}} \right)}^{2}},$
где c, м/с – скорость звука, Fr, Гц – резонансная частота динамического громкоговорителя, Qts – полная добротность динамического громкоговорителя. Данная формула применима при значениях Qts, меньших 1.93. При других значениях Qts заменяется функциональной зависимостью от Qts [19].

При наличии у акустического экрана боковых стенок наблюдается снижение резонансной частоты Fr динамика, обусловленное присоединением части массы воздуха внутри оформления к массе подвижной системы головки и вычисляемое при помощи выражения [19]

(2)
$F_{r}^{'} = \frac{{{{F}_{r}}}}{{\sqrt {1 + \frac{{\rho h{{S}_{{{\text{ideal}}}}}}}{{{{m}_{0}}}}} }},$
где ρ, кг/м3 – плотность воздуха; h, м – высота боковых стенок; m0, кг – масса подвижной системы динамического преобразователя.

Необходимые для данного расчета электроакустические параметры Тилля–Смолла определяют поведение динамической головки в области низких частот (в двухоктавной области до и после резонансной частоты) при ее работе в поршневом режиме [20, 21].

Как правило, значения необходимых для расчета площади акустического оформления параметров указаны в сопроводительной документации динамического преобразователя. Однако в случае отсутствия информации от производителя, а также для устранения последствий неизбежного технологического разброса параметров при производстве динамиков необходимо проводить измерение и расчет параметров конкретного образца по предлагаемой методике.

Для нахождения параметров Тилля–Смолла динамика необходимо провести измерение его импедансно-частотной характеристики. Для этого была собрана измерительная схема (рис. 1), а сам динамик без акустического оформления был жестко закреплен. Генератор синусоидальных сигналов включен в режим сканирования частоты (sweep mode) в пределах от 1 до 1000 Гц. Напряжение на динамике, подключенном через балластный резистор (1000 Ом), непрерывно измеряется и сохраняется в файл цифровым осциллографом. Сопротивление постоянному току Re измеряется мультиметром.

Рис. 1.

Схема измерений импендансно-частотной характеристики динамического преобразователя. 1 – генератор сигналов; 2 – балластный резистор (1000 Ом); 3 – динамический преобразователь; 4 – цифровой осциллограф.

Реактивное электрическое сопротивление динамика XL измеряется на частоте 1000 Гц. Таким образом, результатом измерения является импедансно-частотная характеристика динамического громкоговорителя (рис. 2).

Рис. 2.

Результат экспериментального исследования динамического преобразователя: 1 – импедансно-частотная характеристика, 2 – резонансная частота ${{F}_{r}}$, 3 – частота ${{F}_{1}}$ при импедансе ${{R}_{x}}$, 4 – частота ${{F}_{2}}$ при импедансе ${{R}_{x}}$.

Из данного графика были получены пиковое значение Rmax и его частота Fr (резонансная частота, при которой импеданс максимален). Далее были вычислены значения частот F1 и F2, при которых импеданс динамика равен значению, найденному при помощи выражения

(3)
${{R}_{x}} = \sqrt {{{R}_{{{\text{max}}}}}{{R}_{e}}} $.

Затем были вычислены значения механической (Qms), электрической (Qes) и полной (Qts) добротностей динамического громкоговорителя при помощи системы уравнений:

(4)
$\left\{ \begin{gathered} {{Q}_{{ms}}}~ = \frac{{{{F}_{r}}\sqrt {({{R}_{{{\text{max}}}}}{\text{/}}{{R}_{e}})} }}{{{{F}_{2}} - {{F}_{1}}}}, \hfill \\ {{Q}_{{es}}} = \frac{{{{Q}_{{ms}}}}}{{({{R}_{{{\text{max}}}}}{\text{/}}{{R}_{e}}) - 1}}, \hfill \\ {{Q}_{{ts}}} = \frac{{{{Q}_{{ms}}}}}{{({{R}_{{{\text{max}}}}}{\text{/}}{{R}_{e}})}}. \hfill \\ \end{gathered} \right.$

Таким образом, были определены параметры применяемого динамического преобразователя SENON DYP820D и требуемая площадь акустического оформления типа “открытый экран” Sideal для него: диаметр динамика 18 см; резонансная частота динамика Fr = 55.3 Гц; импеданс динамика на резонансной частоте – 32.6 Ом; сопротивление динамика постоянному току Re = 7.5 Ом; импеданс динамика на частоте 1000 Гц XL = 6.5 Ом; импеданс Rx = 15.6 Ом; частота F1 при импедансе Rx (слева от Fr) 42.4 Гц; частота F2 при импедансе Rx (справа от Fr) 72.6 Гц; механическая, электрическая и полная добротности динамика соответственно 3.8, 1.2 и 0.9; площадь акустического экрана Sideal: оптимальная 6.3 м2, выбранная 4.1 м2; ослабление уровня акустического давления за счет снижения площади экрана $\Delta S$ = –1.9 дБ.

Ослабление уровня акустического давления при площади экрана Sshield, меньшей оптимальной Sideal, вычислено по формуле [19]

(5)
$\Delta S,\,\,{\text{дБ}} = 10{\text{lg}}\left( {\frac{{{{S}_{{{\text{shield}}}}}}}{{{{S}_{{{\text{ideal}}}}}}}} \right).$

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБРАЗЦА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Для данного динамика расчетная площадь акустического экрана Sideal составила 6.3 м2. В качестве материала для изготовления акустического экрана был выбран лист ламинированной древесно-стружечной плиты толщиной 25 мм размерами 2.7 × 1.8 м из соображений возможности прохода данного экрана в стандартный дверной проем и, следовательно, обеспечения возможности транспортировки готового изделия.

Таким образом, Sshield составила 4.1 м2. Значит, ослабление акустического давления $\Delta S$ в точке измерения на расстоянии 1 м вдоль оси динамика составляет согласно (5) –1.9 дБ. Углы акустического экрана были закруглены с радиусом 0.5 м для минимизации влияния краевых эффектов [22]. Динамический громкоговоритель был установлен в акустический экран в соответствии с ГОСТ 16122-87.

Для размещения испытываемых образцов над источником акустического воздействия была установлена сетчатая платформа площадью 1 м2. Для минимизации передачи вибрации от колеблющегося диффузора через материал акустического экрана и строительные конструкции помещения лаборатории сетчатая корзина выполнена подвесной на эластичных растяжках с развязанными от акустического экрана опорами, выполненными из хромированных труб и держателей стандарта JOKER.

На ножки этих опор, как и на ножки акустического экрана, был нанесен вибродемпфирующий материал. Внутренний объем опор заполнен вспененным материалом для минимизации влияния резонансов воздушного столба внутри труб и передачи вибрационного воздействия.

В качестве источника тестового сигнала в установке применен двухканальный цифроаналоговый/аналого-цифровой преобразователь (ЦАП/АЦП) Behringer UMC202hd с частотой дискретизации Fs до 192 кГц и разрядностью 24 бит, управляемый с персонального компьютера. Описываемые в данной работе измерения проведены с частотой дискретизации Fs 100 000 Гц. Для контроля уровня акустического давления в точке измерения при помощи держателя-пантографа и виброзащитного крепления типа “паук” размещен измерительный конденсаторный микрофон Behringer ECM8000, сигнал с которого поступает на АЦП и, соответственно, на персональный компьютер.

Структурная схема установки представлена на рис. 3. Состав, описание и принцип действия оптической схемы и схемы демодуляции оптических сигналов данной установки подробно рассмотрен в работах [9–11, 23, 24]. Для обеспечения безопасной работы динамика при различных режимах работы усилителя установка была дополнена быстродействующим вольтметром переменного тока, чтобы не превышать максимально допустимую мощность, выделяемую на динамике.

Рис. 3.

Структурная схема экспериментальной установки для проведения акустических исследований компонентов волоконно-оптических измерительных систем. ПК – персональный компьютер с разработанным управляющим программным обеспечением, ЦАП/АЦП – двухканальный блок цифроаналогового/аналого-цифрового преобразователя, У – усилитель, Д – динамический преобразователь, V – вольтметр переменного тока, Дм – блок демодуляции фазовых сигналов; 1 – акустическое оформление типа “открытый экран”; 2 – акустическое воздействие; 3 – измерительный микрофон; 4 – сетчатая платформа для размещения исследуемых образцов; 5 – эластичные растяжки; 6 – опоры эластичных растяжек; 7 – вибродемпфирующие прокладки; 8 – исследуемый образец.

Измерение амплитудно-частотной характеристики (а.ч.х.) результирующей акустической системы проводилось путем посылки на динамический громкоговоритель сигнала белого шума (white gaussian noise, длительность 20 с) с одновременным приемом данного звукового сигнала измерительным микрофоном и построением функции спектральной плотности мощности. Результат данного измерения для акустического экрана площадью 4.1 м2, а также результаты для динамика без акустического оформления и акустического экрана площадью 0.36 м2 (60 × 60 см) представлены на рис. 4. Там же приведены функция спектральной плотности мощности исходного тестового сигнала и кривая зависимости чувствительности измерительного микрофона от частоты. Результаты представлены в относительных единицах и нормированы на кривую чувствительности микрофона.

Рис. 4.

Результат экспериментального исследования а.ч.х. динамического преобразователя в зависимости от площади акустического экрана: 1 – без акустического оформления, 2 – в акустическом экране с площадью 0.36 м2 (60 × 60 см), 3 – с площадью 4.1 м2 (270 × 180 см), 4 – частотная характеристики чувствительности измерительного микрофона, 5 – а.ч.х. исходного тестового сигнала.

Из результатов эксперимента видно, что применение акустического оформления типа “открытый экран” с указанными размерами существенно расширяет частотный диапазон работы динамика и делает его более равномерным, сглаживая узкие резонансные пики. В диапазоне частот 1500–5000 Гц обогащение спектра акустического сигнала составило от +4 до +20 дБ, в диапазоне 20–500 Гц – до +30 дБ. В целом, за счет применения данного типа акустического оформления динамика становится возможным его применение в качестве излучателя испытательного акустического сигнала в диапазоне частот 1–5000 Гц. Данный частотный диапазон позволяет осуществлять исследования влияний различных шумовых факторов техногенного и антропогенного характера на работу компонентов волоконно-оптических измерительных систем (табл. 1, [22, 25–30]).

Таблица 1.

Полоса частот различных акустических воздействий

Тип воздействия Полоса частот, Гц
Совокупный шум всех систем работающего двигателя при 800–5000 об/мин 13–5000
Голосовой сигнал (при применении в телефонии) 300–3400
Голосовой сигнал (высокое качество, одноканальное воспроизведение) 30–5000
Производственный шум (более 90% спектральной плотности мощности) 30–5000
Музыкальный сигнал (около 80% спектральной плотности мощности) 20–3200

Однако результаты данного эксперимента свидетельствуют и о том, что результирующая а.ч.х. акустического сигнала в точке измерения подвергается влиянию передаточных характеристик составных частей электроакустического тракта, а также передаточной характеристики помещения, в котором размещено оборудование:

(6)
$\begin{gathered} AFR_{{(f)}}^{'} = ~~AF{{R}_{{sig(f)}}}{{T}_{{DAC(f)}}}{{T}_{{amp(f)}}} \times \\ \, \times {{T}_{{sp(f)}}}{{T}_{{room(f)}}}{{T}_{{mic(f)~}}}{{T}_{{ADC(f)}}}, \\ \end{gathered} $
где $AFR$, $AF{{R}_{{sig}}}$, ${{T}_{{DAC}}}$, ${{T}_{{amp}}}$, ${{T}_{{sp}}}$, ${{T}_{{room}}}$, ${{T}_{{mic}}}$, ${{T}_{{ADC}}}$ – а.ч.х. акустического сигнала в точке измерения, а.ч.х. исходного сигнала, передаточные характеристики ЦАП, усилителя, динамического преобразователя, помещения лаборатории, измерительного микрофона и АЦП соответственно. Индекс f означает, что данный сигнал представлен в частотной области, а штрих (') – что данный сигнал зарегистрирован микрофоном, размещенным в точке измерения. Влияние передаточных характеристик составных частей электроакустического тракта в большей степени может быть устранено введением электромеханической обратной связи за счет регистрации сигнала с измерительного микрофона в точке измерения с учетом его собственной передаточной характеристики [30]:
(7)
$AFR_{{{\text{ист}}(f)}}^{'} = \frac{{AFR_{{(f)}}^{'}}}{{{{T}_{{mic(f)~}}}}},~~$
где $AFR_{{{\text{ист}}}}^{'}~$– истинная а.ч.х. акустического испытательного сигнала в точке измерения.

УСТРАНЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОМЕЩЕНИЯ НА РЕЗУЛЬТАТЫ АКУСТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Каждому помещению присущи акустические резонансы или, иначе, комнатные моды. В идеально прямоугольных комнатах с идеально ровными и отражающими поверхностями (стенами, полом и потолком) резонансные частоты могут быть вычислены по формуле [22, 32]:

(8)
${{F}_{{(k,m,n)}}} = \frac{c}{2}\sqrt {{{{\left( {\frac{k}{L}} \right)}}^{2}} + {{{\left( {\frac{m}{B}} \right)}}^{2}} + {{{\left( {\frac{n}{H}} \right)}}^{2}}} ,$
где k, m, n – целые числа; L, B, H [м] – длина, ширина и высота помещения соответственно.

Помещение акустической лаборатории, в которой выполняется данная работа, имеет линейные размеры 8.8 × 5.9 × 2.9 м. Результаты расчета собственных мод помещения и моделирования позволяют сделать вывод о том, что распределение пучностей и узлов зон акустического давления в воздушном объеме помещения даже в условиях работы в линейном режиме звукоизлучения [22] носит весьма сложный характер за счет многократных переотражений от поверхностей стен, пола, потолка, а также предметов, находящихся в помещении, и влияние помещения на уровень акустического давления и его спектр принципиально не может быть устранено без акустической подготовки помещения.

Однако для решения большей части задач акустических исследований компонентов волоконно-оптических измерительных систем достаточно устранить влияние помещения на мощностные и спектральные параметры акустического испытательного сигнала в точке измерения. Данное условие может быть выполнено методом компенсации влияния помещения и нелинейных характеристик электроакустического тракта. Суть метода состоит во внесении в исходный акустический сигнал предыскажений (preemphasis), передаточная характеристика которых является обратной функцией от совокупной передаточной характеристики помещения и электроакустического тракта [30].

Для исследования импульсной характеристики помещения оно было озвучено синтезированной тестовой последовательностью, включающей в себя переходы между граничными состояниями мембраны диффузора (из состояния покоя “0” – в крайнее верхнее положение “1”, из положения “1” – в “0”, из положения “0” в крайнее нижнее положение “–1” и обратно. Результаты данного анализа представлены на рис. 5.

Рис. 5.

Результат экспериментального исследования импульсной характеристики помещения: 1 – исходная тестовая последовательность; 2 – отклик системы на тестовую последовательность 1; 3 – нахождение времени реверберации ${{{\tau }}_{{rev}}}$ в помещении: увеличенный участок кривой отклика 2; 4 – нахождение действующих в точке измерения пространственных мод помещения: спектр по данным кривой отклика 2.

Из данных результатов следует, что среднее время реверберации ${{\tau }_{{rev}}}$ данного помещения составляет не более 0.4 с, что является удовлетворительным значением для работы со звуком в данном помещении [22]. По спектру принятого акустического сигнала стало возможно вычислить пространственные моды помещения, имеющие наиболее сильное влияние в точке измерения. Таковыми оказались рассчитанные при помощи выражения (8) моды (1,0,0) – 20 Гц, (0,0,1) – 59 Гц и (0,4,0) – 117 Гц.

Далее был синтезирован испытательный сигнал TSS для сканирования характеристик помещения, представляющий собой синусоидальный сигнал единичной амплитуды с перестраиваемой в диапазоне от ${{F}_{{{\text{start}}}}}~$ = 1 Гц до ${{F}_{{{\text{stop}}}}}$ = 5000 Гц частотой в соответствии с выражениями:

(9)
$TS{{S}_{{(t)}}} = ~~{\text{sin}}(2{\pi }{{F}_{{inst}}}t),$
где ${{F}_{{inst}}}$, Гц – мгновенное значение частоты сканирования, равное
(10)
${{F}_{{inst}}} = {{F}_{{inc}}}t + {{F}_{{{\text{start}}}}},$
где ${{F}_{{inc}}}$, Гц2 – инкремент нарастания частоты, равный
(11)
${{F}_{{inc}}} = ~~\frac{{{{F}_{{{\text{stop}}}}} - ~{{F}_{{{\text{start}}}}}}}{{{{T}_{{sc}}}}},$
где ${{T}_{{sc}}}$, с – полная продолжительность временного интервала сканирования.

При этом время излучения сигнала на каждой частоте должно быть больше ${{\tau }_{{rev}}}$ в соответствии с выражением:

(12)
${{T}_{{sc}}} > ~({{F}_{{{\text{stop}}}}} - ~{{F}_{{{\text{start}}}}}){{\tau }_{{rev}}}.$

Последнее условие было введено для снижения влияния задержки, вносимой реверберацией звуковых волн в помещении, на результат измерений. Индекс $(t)$ означает, что данный сигнал представлен во временной области.

При озвучивании исследуемого помещения данным испытательным сигналом в точке измерения при помощи измерительного микрофона регистрировался временной отклик системы, результатом действия которого являлось применение амплитудной модуляции $AFR_{{(t)}}^{'}$ к исходному сигналу $TS{{S}_{{(t)}}}$:

(13)
$TSS_{{(t)}}^{'} = ~~AFR_{{(t)}}^{'}{\text{sin}}(2{\pi }{{F}_{{inst}}}t).$

Далее при помощи преобразования Гильберта $H(TSS_{{(t)}}^{'})$ данного сигнала была найдена его огибающая в соответствии с выражениями

(14)
$H(TSS_{{(t)}}^{'}) = AFR_{{(t)}}^{'}{\text{cos}}(2{\pi }{{F}_{{inst}}}t),$
(15)
$AFR_{{(t)}}^{'} = ~\sqrt {({{{(TSS_{{(t)}}^{'})}}^{2}} + ~{{{(H(TSS_{{(t)}}^{'}){\text{\;}})}}^{2}})} ,$
(16)
$\begin{gathered} {{(TSS_{{(t)}}^{'})}^{2}} + ~{{(H(TSS_{{(t)}}^{'}){\text{\;}})}^{2}} = \\ = ~{{(AFR_{{(t)}}^{'})}^{2}}({\text{si}}{{{\text{n}}}^{2}}(2{\pi }{{F}_{{inst}}}t) + {\text{co}}{{{\text{s}}}^{2}}(2{\pi }{{F}_{{inst}}}t)). \\ \end{gathered} $

Инвертированное значение огибающей применяется для корректировки исходного испытательного сигнала путем внесения в него предыскажений, являющихся обратной функцией от $AFR_{{(f)}}^{'}$.

Принимая во внимание линейное нарастание частоты сигнала от времени и выражения (10) и (11), становится возможным найти представление модулирующего воздействия $AFR_{{(t)}}^{'}$ в частотной области – $AFR_{{(f)}}^{'}$. В результате данной коррекции происходит линеаризация а.ч.х. акустического сигнала в точке измерения $AFR_{{corr(f)}}^{'}$ при помощи выражений:

(17)
$AFR_{{{\text{ист}}(f)}}^{'}~\frac{1}{{AFR_{{(f)}}^{'}}} \to 1,$
(18)
$AFR_{{corr(f)}}^{'} = ~\frac{{AFR_{{{\text{ист}}(f)}}^{'}}}{{AFR_{{(f)}}^{'}}}.$

При синтезе фильтра с а.ч.х. на основе данной огибающей средствами цифровой обработки сигналов может быть выполнена корректировка испытательного сигнала произвольного вида [30]. Результаты исследования частотной характеристики помещения лаборатории представлены на рис. 6.

Рис. 6.

Исследование частотной характеристики помещения: 1 – спектральная характеристика принятого при озвучивании помещения сигнала, 2 – его огибающая; 3 – результат применения инвертированной огибающей отклика помещения к исходному испытательному сигналу.

Результат работы предлагаемого способа устранения влияния характеристик электроакустического тракта и помещения на результаты акустических измерений представлен на рис. 7.

Рис. 7.

Результат работы предложенного способа компенсации влияния характеристик помещения на результат акустических измерений: 1 – фрагмент временной диаграммы записи результата озвучивания помещения исходным испытательным сигналом, 2 – тот же фрагмент с применением предложенного способа коррекции; 3 – фрагмент временной диаграммы исходного испытательного сигнала, посылаемого на ЦАП, 4 – скорректированного сигнала; 5 – спектр по данным, зарегистрированным при озвучивании помещения исходным испытательным сигналом, 6 – скорректированным сигналом.

Видно, что неравномерность а.ч.х. за счет применения компенсации изменяется с 7 до 1.5 дБ. Однако важнейшим следствием применения предлагаемого способа является приведение а.ч.х. испытательного акустического сигнала к ступенчатому виду по сравнению со спектром исходного сигнала, имевшего наклоны спектральной характеристики до 15 дБ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате данной работы была выполнена разработка экспериментальной установки для проведения акустических исследований компонентов волоконно-оптических измерительных систем. Для расчета акустического оформления типа “открытый экран” были измерены параметры Тилля–Смолла электродинамического громкоговорителя с помощью генератора сигналов со сканированием частоты и цифрового осциллографа. Применение данного акустического оформления динамика привело к расширению частотного диапазона его работы, особенно в области нижних частот до 500 Гц – обогащение спектра гармониками в данной области составило до +30 дБ. В диапазоне частот от 1500 до 5000 Гц обогащение спектра составило от +4 до +20 дБ.

Для снижения влияния характеристик помещения на результаты акустических измерений и линеаризации а.ч.х. акустического воздействия в точке измерения была применена обратная связь при помощи акустического микрофона и частотная коррекция акустического сигнала. Неравномерность а.ч.х. при этом снизилась с 7 до 1.5 дБ.

При использовании поверенного микрофона в цепи обратной связи разработанная установка может применяться при проведении измерений уровня абсолютного акустического давления в точке измерения. Разработанная экспериментальная установка применялась при проведении работ, описанных в [9–11], а также в ряде других исследований.

Список литературы

  1. Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists / Ed. Udd E., Spillman Jr W.B. Hoboken (NJ): John Wiley & Sons, 2011.

  2. Окоси Т., Окамото К., Оцу М., Нисихара Х., Кюма К., Хататэ К. Волоконно-оптические датчики. Л.: Энергоатомиздат, 1990. Т. 254. С. 1.

  3. Fiber Bragg grating sensors: recent advancements, industrial applications and market exploitation / Ed. Cusano A., Cutolo A., Albert J. Sharjah: Bentham Science Publishers, 2011.

  4. Hocker G.B. // Appl. Optics. 1979. V. 18. № 9. P. 1445. https://doi.org/10.1364/AO.18.001445

  5. McMahon G.W., Cielo P.G. // Appl. Optics. 1979. V. 18. № 22. P. 3720. https://doi.org/10.1364/AO.18.003720

  6. Lagakos N., Bush I.J., Cole J.H., Bucaro J.A., Skogen J.D., Hocker G.B. // Optics Lett. 1982. V. 7. № 9. P. 460. https://doi.org/10.1364/OL.7.000460

  7. Yang Y.C., Lee H.L., Chou H.M. // Appl. Optics. 2002. V. 41. № 10. P. 1989. https://doi.org/10.1364/AO.41.001989

  8. Lagakos N., Hickman T.R., Cole J.H., Bucaro J.A. // Optics Lett. 1981. V. 6. № 9. P. 443. https://doi.org/10.1364/OL.6.000443

  9. Vlasov A.A., Aleynik A.S., Ashirov A.N., Plotnikov M.Yu., Varlamov A.V. // Technical Phys. Lett. 2019. V. 45. № 8. P. 769. https://doi.org/10.1134/S1063785019080157

  10. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Ashirov A.N., Aleynik A.S., Varlamov A.V., Stam A.M. // 2019 IEEE International Conference on Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). IEEE. 2019. P. 305. https://doi.org/10.1109/EExPolytech.2019.8906889

  11. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Aleinik A.S., Varlamov A.V. // J. Phys.: Conference Series. IOP Publishing, 2019. V. 1326. № 1. P. 012010. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1326/1/012010

  12. Poulsen C.V., Hansen L.V., Sigmund O., Pedersen J.E., Beukema M. Pat. 7809029 USA. 2010.

  13. Waagaard O.H., Rønnekleiv E., Forbord S., Thingbo D. // 20th International Conference on Optical Fibre Sensors. International Society for Optics and Photonics, 2009. V. 7503. P. 75034Q.

  14. Beranek L.L., Sleeper Jr H.P. // J. Acoustical Society of America. 1946. V. 18. № 1. P. 140. https://doi.org/10.1121/1.1916351

  15. Kopiev V.F., Palchikovskiy V.V., Belyaev I.V., Bersenev Y.V., Makashov S.Y., Khramtsov I.V., Konin I.A., Sorokin E.V., Kustov O.Y. //Acoust. Phys. 2017. V. 63. № 1. P. 113. https://doi.org/10.1134/S1063771017010043

  16. Сапожков М.А. Электроакустика. М.: Связь, 1978.

  17. Дьяконов Б.П. Бытовая аудиотехника. Смоленск: Русич, 1997.

  18. Бурко Б.Г., Лямин П.М. Бытовые акустические системы: эксплуатация, ремонт. Минск: Беларусь, 1996.

  19. Иофе В.К., Лизунков М.В. Бытовые акустические системы. М.: Радио и связь, 1984.

  20. Thiele N. // J. Audio Engineering Society. 1971. V. 19. № 5. P. 382.

  21. Small R.H. // J. Audio Engineering Society. 1973. V. 21. № 5. P. 363.

  22. Алдошина И.А., Приттс Р. Музыкальная акустика. СПб.: Композитор, 2006.

  23. Volkov A.V., Plotnikov M.Y., Mekhrengin M.V., Miroshnichenko G.P., Aleynik A.S. // IEEE Sensors J. 2017. V. 17. № 13. P. 4143. https://doi.org/10.1109/JSEN.2017.2704287

  24. Plotnikov M.Y., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., Kulikov A.V., Meshkovskiy I.K. // IEEE Sensors J. 2019. V. 19. № 9. P. 3376. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2894323

  25. Шатров М.Г., Яковенко А.Л., Кричевская Т.Ю. Шум автомобильных двигателей внутреннего сгорания. М.: МАДИ, 2014.

  26. Васильев А.В. // Изв. Самарского научного центра РАН. 2004. Т. 6. № 2.

  27. Грушецкий И.В., Кирпичников В.Ю. // Изв. Самарского научного центра РАН. 2012. Т. 14. № 1–3.

  28. Вартанян И.А. Звук – слух – мозг. Л.: Наука, 1981.

  29. Розенберг Л.Д. //Успехи физ. наук. 1949. Т. 38. № 5. С. 120.

  30. Смит С. Цифровая обработка сигналов. М.: Додэка-XXI, 2008.

  31. Сулима Н.Н. // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах. 2013. № 4. С. 62.

  32. Иванов Н.И., Шашурин А.Е. Защита от шума и вибрации. СПб.: Печатный цех, 2019. ISBN 978-5-60424483-8.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Приборы и техника эксперимента

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал