2.3. Импульсные и переходные характеристики

Для непосредственной оценки искажений временной структуры сигналов, воспроизводимых ГГ, используются измерения импульсных характеристик g(τ) (импульсной характеристикой называется отклик системы на воздействие сигнала в виде единичной импульсной функции при нулевых начальных условиях). Широкое использование различных методов измерений импульсных характеристик ГГ началось в связи с развитием теории цифровой обработки сигналов и созданием соответствующей аппаратуры. Достоинством этих методов являются значительное повышение скорости, точности измерений, а также обеспечение возможности проведения измерений в незаглушенных помещениях. Техника цифровых измерений в настоящее время широко применяется при производстве всех видов акустической аппаратуры [15] и является чрезвычайно перспективной для контроля ГГ в условиях серийного производства.

Структурная схема измерений представлена на рис. 2.4, а. На измеряемый ГГ 3 подается последовательность прямоугольных импульсов длительностью 10...20 мкс (частота следования не более 4 Гц, амплитуда 15...60 В) от импульсного генератора 1 через усилитель мощности 2. Для увеличения отношения сигнал-шум используется последовательность импульсов с последующим накоплением и усреднением результатов (так при 64-кратном повторении импульсов удается увеличить отношение сигнал-шум на 18 дБ). Сигнал через микрофон 5 и микрофонный усилитель 6 поступает на фильтр нижних частот (ФНЧ) 7 и через аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 8 вводится в ЭВМ 9. Для обеспечения при измерениях динамического диапазона до 70...80 дБ должны использоваться 12-14-разрядные АЦП. В ЭВМ происходит предварительная обработка измеренных сигналов (усреднение, коррекция времени задержки вследствие распространения сигнала от микрофона до ГГ), реализация алгоритмов БПФ или ДПФ (быстрого или дискретного преобразования Фурье) и вывод на графопостроитель требуемых параметров ГГ: усредненной импульсной характеристики и рас-! считанной из нее АЧХ и ФЧХ (рис. 2.4, б).

Рис. 2.4. Структурная схема импульсных измерений (а); образец записи импульсной характеристики и рассчитанных из нее АЧХ и ФЧХ (б)

Рассмотренная техника измерений может быть реализована на универсальных ЭВМ или специализированных цифровых анализаторах (например, отечественных типа СК-4-71). Измерения импульсным методом можно проводить и в незаглушенных помещениях, но при этом измерение импульсного отклика должно производиться до прихода первых отражений. Это выдвигает определенные требования к размеру помещения и ограничивает возможности метода в области низких частот (минимальный размер измерительного помещения должен быть не менее l ≈ 340/f_н, где f_н - нижняя граничная частота). Метод нашел широкое применение для контроля серийных ГГ в незаглушенных помещениях средних размеров с использованием сравнения с характеристиками эталонного ГГ, откалиброванного в заглушённой камере.

Опыт использования импульсных методов измерений ГГ, накопленный за десятилетия, позволил решить ряд проблем, связанных с повышением точности измерений за счет снижения погрешностей из-за наличия шумов, нелинейности ГГ, отражений и др. В [16] предложен метод, позволяющий значительно повысить точность измерений в области низких частот. Он заключается в следующем. По форме АЧХ, предварительно рассчитанной из измеренных электромеханических параметров ГГ, синтезируется специальная форма входного сигнала x(t), которая позволяет получить выходной сигнал y(t) минимальной длительности. Это дает возможность значительно снизить погрешность измерений в области низких частот. Применение метода позволило в незаглушенном помещении габаритными размерами 7,6 × 7,6 × 7,6 м обеспечить измерения АЧХ в диапазоне от 20 Гц с погрешностью менее 1 дБ. Дальнейшее развитие методики импульсных измерений с использованием современных способов выделения сигнала на фоне реверберационных помех [17, 18] позволяет ожидать снижения требований к размерам помещения и делает его перспективным для разработок и производства ГГ.

Анализ искажений формы импульсной характеристики дает информацию о суммарных искажениях временной структуры сигнала, создаваемых ГГ. Поскольку ГГ представляет собой сложную распределенную многорезонансную систему (гл. 3), при проектировании широко применяются методы оценки искажений временной структуры на сигналах типа прямоугольных импульсов с синусоидальным заполнением. Меняя частоту заполнения, можно детально исследовать структуру затухающих колебательных процессов и оценить вклад в них многочисленных резонансных частот. Искажения, оцениваемые с помощью таких методов, получили название переходных. Структурная схема их измерений показана на рис. 2.5, а. Синусоидальный сигнал от генератора У, входящего в УЗЧХ, поступает на специальный измеритель 2 переходных искажений, где формируются пакеты тональных сигналов, которые подаются на ГГ 4, размещенный в заглушённой камере 5. С измерительного микрофона 6 и микрофонного усилителя 7 сигнал поступает на второй вход измерителя 2, где подавляется стационарная часть пакета, после чего переходный процесс регистрируется на экране осциллографа 8. Образцы осциллограмм показаны на рис. 2.5, б: 1 - на резонансной частоте, 2 - между двумя резонансными частотами. Сигнал с измерителя может вводиться в УЗЧХ, что позволяет записать средне-квадратическое звуковое давление в паузе между импульсами р_ср(ω). По осциллограммам определяются такие параметры переходного процесса, как декремент затухания Δ = 1/πlnA_n/A_{n + 1}, где A_n/A_{n + 1} - отношение амплитуды предыдущей волны к последующей, и время затухания τ(f), т. е. время, в течение которого амплитуда сигнала падает до 0,1 начального значения.

Рис. 2.5. Структурная схема измерений переходных искажений (а); осциллограммы переходного процесса (б): 1 - на резонансной частоте; 2 - между двумя резонансными частотами

Нормы на параметры переходного процесса для ГГ пока не стандартизованы, однако для аппаратуры HI-FI параметры переходного процесса должны быть близки к субъективным дифференциальным порогам слышимости: Δτ ≈ 1 мс до 1 кГц и Δτ ≈ 0,5 мс в области свыше 1 кГц. Для студийной акустической аппаратуры нормы на допустимое значение τ(f) даны в рекомендациях ОИРТ ТК 55-1 [10] при измерениях на пакетах синусоидальных колебаний на частотах: 100 Гц (частота заполнения 100 Гц, длительность импульса 50 мс (15 периодов), пауза 200 мс) τ ≤ 18 мс; 100 < 200 Гц (частота заполнения 1000 Гц, длительность импульса 10 мс (10 периодов), пауза 100 мс) τ ≤ 5 мс; f > 250 Гц (частота заполнения 1000 Гц, длительность импульса 10 мс (100 периодов), пауза 100 мс) τ ≤ 4 мс.

В процессе разработки ГГ важное значение имеет возможность анализа структуры переходного процесса во всем эффективном рабочем диапазоне и в разные моменты. Использование метода "тональных" импульсов делает этот процесс трудоемким, поэтому чрезвычайно перспективными являются созданные за последние годы цифровые методы построения трехмерных переходных спектров на ЭВМ, получивших название "куммулятивных". Выходной сигнал при заданном входном x(t) может быть определен следующим образом:

В качестве испытательного сигнала выбирается функция

где U(-t) - ступенчатая функция. Подставляя (2.2) в (2.1), можно получить выражение для выходного сигнала:

Если ввести обозначение

то выходной сигнал можно представить в виде

Функцию N₁(jω, t) можно рассматривать как преобразование Фурье от импульсной характеристики g(τ), умноженной на ступенчатую функцию в разные моменты. Если построить трехмерный график, где 20lg(|H₁(jω, t_n)| - по одной оси, частота f - по другой, время t - по третьей, то получится куммулятивный амплитудный спектр (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Куммулятивный амплитудный спектр

Используя argH₁(jω, t_n) можно построить фазовый куммулятивный спектр. Анализ таких трехмерных спектров дает информацию о характере переходного процесса на любой частоте в любой момент, позволяет оценить вклад отдельных резонансных частот и их взаимное влияние на характер переходного процесса и целенаправленно влиять на него в процессе разработки ГГ (путем выбора конструктивных и технологических параметров). Техника построения куммулятивных спектров может быть реализована или на специализированных процессорах, или на универсальных ЭВМ [19, 20].