Ćwiczenie 2

Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
PE-2
Temat ćwiczenia: Głośniki i mikrofony – promieniowanie i odbiór
Charakterystyki kierunkowe
1. Wprowadzenie
Ćwiczenie polega na badaniu własności wieloelementowej anteny akustycznej. Używana
jest antena składająca się z 36 głośników rozstawionych na planie kwadratu 6x6. Do badania
wykorzystuje się sześć rozstawionych poziomo głośników (z jednej poziomych linii anteny).
W ćwiczeniu bada się wpływ przestrzennego rozstawienia głośników oraz przesunięcia
fazowego pomiędzy elektrycznymi
sygnałami pobudzającymi głośniki na kształt
charakterystyki kierunkowej anteny.
Najprostszym układem jest antena dwuelementowa. Jej charakterystyka kierunkowa
może być dla pobudzenia synfazowego opisana wzorem 1,

 πD
K = c o s × s i(θn)
(1)

 λ
[Roman Salamon str.421].
dla pobudzenia z przesunięciem ϕ wzór ten przyjmuje postać -2
ϕ
 πD
K = c o s× s (iθ )n+ 
(2)
2
 λ
Charakterystyka kierunkowa n elementowej liniowej anteny opisana jest wzorem -3.
 πD

× s i n(θ )
s i n n
 λ

K=
(3)
πD
n
× s i n(θ )
λ
[Roman Salamon str.453]
2. Metoda pomiaru
Badania akustycznych własności anten powinny być prowadzone w warunkach jednorodnego
pola swobodnego - teoretycznie nieograniczonego. Pole takie uzyskuje się zazwyczaj w
skonstruowanych specjalnie do takich badań komorach bezechowych. Z uwagi na wysoką ich
cenę stosuje się tańsze metody np. oparte na badaniu impulsowym. Badanie to polega na
pomiarze wyemitowanego sygnału w postaci krótkiego impulsu – wycinka fali harmonicznej.
Po odseparowaniu odbić od sygnału można uzyskać warunki zbliżone do pola swobodnego.
Separacja ta jest tu podstawowym zagadnieniem. Jest ona możliwa gdy długość impulsu
nadawanego jest krótsza od opóźnienia fal odbitych od fali bez odbić. Separacja odbić od
impulsu bez odbić nie zawsze jest możliwa, powoduje to skończony (często zbyt długi) czas
trwania stanu nieustalonego. Bardzo często z tego powodu, nie można dokonać jednoznacznej
separacji odbić od impulsu odebranego bezpośrednio, problem ten szczególnie uwypukla się
dla niskich częstotliwości – o dłuższym stanie nieustalonym. Jedynym wyjściem w takim
przypadku jest badanie anteny w większym pomieszczeniu.
Na rys. 1 pokazany jest schemat blokowy zestawu pomiarowego.
PE_2_charkier.doc
1/6
2016-10-18
Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
głośnik
Generator
B&K 2010
PE-2
mikrofon
Bramka
nadawcza
Uchwyt
Stół
obrotowy
sprzęgło
Przedwzmacniacz
B&K 2010
Bramka
odbiorcza
Ch.4
Ch.3
Ch.2
Interfejs
kąta
Ch.1
oscyloskop
φ
DC
PC
Rys.1 Schemat blokowy zestawu do pomiaru charakterystyk kierunkowych.
Sygnały podawane na oscyloskop
Ch.1 Sygnał akustyczny odebrany przez mikrofon (po wzmocnieniu).
Ch.2 Bramka odbiorcza separująca sygnał od odbić.
Ch.3 Bramka nadawcza (kluczująca sygnał harmoniczny) – do synchronizacji oscyloskopu.
Ch.4 Kluczowany sygnał nadawczy(zrównoleglony z wyjściem na głośnik).
Sygnały podawane do komputera
DC - sygnał DC proporcjonalny do amplitudy sygnału odbieranego przez mikrofon (po
wzmocnieniu) odseparowanego od odbić.
φ − informacja o położeniu stołu obrotowego (kąt obrotu)
2. Zestaw aparatury
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Antena badana - wieloelementowa (antena),
Mikrofon pomiarowy B&K , (sound level meter model 650)
Analizator heterodynowy B&K 2010, (generator funkcji)
Bramka pomiarowa B&K 4440 (opcja – bez bramki)
Stół obrotowy z czujnikiem kąta,
Oscyloskop,
Komputer PC z zainstalowanymi programami charkierpl.exe i MATLAB
3. Zadania
3.1 Uruchomić układ pomiarowy:
− podłączyć do wyjścia nadawczego bramki wybrany głośnik,
− rozstawić antenę i mikrofon na odległość ok. o ok. 1.5m (należy zadbać o to by
zarówno antena jak i mikrofon nie były w zbyt bliskiej odległości od siebie jak i ścian,
(warunki pola dalekiego i wpływ odbić),
PE_2_charkier.doc
2/6
2016-10-18
Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
PE-2
− skierować antenę w kierunku mikrofonu, skorygować położenie mikrofonu w pionie
(badany głośnik i mikrofon powinny być ustawione na tej samej wysokości),
− ustawić częstotliwość nośnej równą 2kHz a następnie czas trwania impulsu
nadawanego tak by w ramach odbieranego impulsu można było wydzielić obszar w
stanie ustalonym (proponuje się przyjąć 2.5ms). W tym obszarze należy dokonywać
pomiaru amplitudy odbieranego sygnału. Sprawdzić czy częstotliwość wysyłania
impulsów nie jest za wysoka (wszystkie sygnały z poprzedniej transmisji powinny być
wytłumione przed wysłaniem następnego impulsu),
− jeżeli system jest zautomatyzowany to: ustawić moment bramkowania w bramce
odbiorczej tak by był on skorelowany w czasie z ustabilizowanym obszarem impulsu
odbieranego, ustawić czas trwania bramki odbiorczej równy ok. 2ms i uruchomić
program do pomiaru charakterystyk kierunkowych ,
Jeżeli nie stosuje się zautomatyzowanego systemu pomiarowego to pomiar odbywa
się poprzez odczyt amplitudy odebranego sygnału przez mikrofon wprost na
ekranie oscyloskopu.
3.2. dokonać pomiarów charakterystyki kierunkowej kolejno dla dwóch dowolnie
wybranych głośników anteny – na częstotliwości 2kHz, 3kHz i 5kHz.
a) WERSJA niezautomatyzowana
Powoli obracamy stół obrotowy (ręcznie) i ustalamy sektor promieniowania głośników.
Przekręcając stół co 5 stopni dokonujemy odczyt amplitudy sygnału odbieranego. W
przypadku gwałtownych zmian amplitudy zmniejszamy kat obrotu np. do 2 stopni. Pomiary
powinny odzwierciedlać kształt listka głównego i listków bocznych.
b) WERSJA zautomatyzowana
Uwaga! W celu dokonania pomiarów charakterystyki kierunkowej należy uruchomić
program „char_ppl.exe”. W jego menu uruchamiamy opcję pomiaru i deklarujemy 360
punktów pomiarowych. Pozostałych pozycji nie wypełniamy. W pozycji READY należy
przed naciśnięciem klawisza ENTER uruchomić stół obrotowy i odczekać ok. 2s. Zaleca
się pomiary rozpoczynać przy antenie skierowanej do tyłu. Daje to lepszy obraz –
wówczas, ewentualny punkt nieciągłości początku i końca pomiarów występuje na mniej
istotnym kierunku.
3.3. Pomierzyć charakterystykę kierunkową anteny dla dwóch połączonych ze sobą
elektrycznie położonych obok siebie głośników (głośnik 3 i 4) dla częstotliwości jak w
punkcie 3.2.
3.4. Powtórzyć pomiary jak w p.3.2 dla głośników 2 i 5 oraz 1 i 6.
3.5. Powtórzyć pomiary jak wp.3.2 dla połączonych elektrycznie wszystkich głośników (1,
2, 3, 4, 5 i 6)
3.6. Pomierzyć charakterystykę kierunkową anteny jak w p.3.5 przy odwróconej fazie
sygnału o 1800 na co drugim głośniku 2, 4 i 6 (odwrócona polaryzacja).
3.7. Zmierzyć rozstaw głośników oraz średnicę wylotu (stożka) pojedynczego głośnika.
Uwaga!!
Aby pomiar był przeprowadzony prawidłowo należy sprawdzać czy
maksymalny sygnał (na kierunku osi akustycznej) jest dostatecznie duży by
można było wykorzystać pełną dynamikę przetwornika A/C a jednocześnie czy
nie występuje zjawisko jego nasycenia.
PE_2_charkier.doc
3/6
2016-10-18
Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
PE-2
W systemie zastosowany został przetwornik A/C 12 bitowy, zatem jego pełne
wysterowanie daje liczbę 4095. Poprawne jego wysterowanie sygnałem
maksymalnym charakteryzuje się odczytywaną cyfrą z przedziału 2500 do 3900.
Równoważne jest to amplitudzie sygnału odbieranego o wartości ok. 6V do 7V.
W przypadku nasycania się przetwornika A/C należy zmniejszyć amplitudę
sygnału nadawanego albo wzmocnienie w torze odbiorczym.
Należy również zadbać o to by nie było przesterowania sygnału w części analogowej
systemu i to zarówno w torze nadawczym jak i odbiorczym.
4. Opracowanie
4.1.Opisać dokonane pomiary (podać wszystkie istotne parametry i nastawy
przyrządów i elementów badanych).
4.2.Zamieścić wykresy biegunowe pomierzonych charakterystyk.
4.3.Dokonać obliczeń symulacyjnych charakterystyk dla pomierzonych konfiguracji
program w MATLAB-ie antena.
4.4.Porównać wyniki pomiaru i symulacji – skomentować rozbieżności.
Literatura:
[1] J. Urick: “Principles of Underwater Sound for Egnineers”, Mc Graw Hill, 1975
[2] D. J. Bem: “Anteny i rozchodzenie się fal radiowych”, WNT Warszawa, 1973
[3] J. Marszal, H. Lasota: “Wieloelementowy przetwornik hydroakustyczny”, OSA 1980.
Puławy
[4] J. Marszal, H. Lasota: “Urządzenie do modelowania charakterystyk kierunkowych”, OSA
1980, Puławy.
[5] Skrypt do laboratorium „Pomiary Przetworników Hydroakustycznych”
Pomiar
charakterystyki kierunkowej przetwornika pojedynczego. Analiza jego własności
kierunkowych.
'antena'
clear
close all
%PROGRAM WYZNACZA CHARAKTERYSTYKI KIERUNKOWE ZESTAWU GŁOŚNIKÓW
%USTAWIONYCH W SZYKU LINIOWYM.
PE_2_charkier.doc
4/6
2016-10-18
Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
PE-2
%JEŻELI ZESTAW JEST PROSTOKĄTNY, TO WZYNACZONE CHARAKTERYSTYKI
%SĄ PRZEKROJEM PRZESTRZENNEJ CHARAKTERYSTYKI KIERUNKOWEJ WZDŁUŻ
%JEDNEGO Z BOKÓW.
%Zakres kątów -90 deg do +90 deg
% %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%zmodyfikowany - W. Lis
%DANE
c=340; %Prędkość dźwięku w powietrzu
'Liczba głośników N w jednym boku'
N=input('N = ');
'Średnica D pojedynczego głośnika [mm]'
D=input('D = ');
'Odległość d między środkami głośników [mm]'
d=input('d = ');
'Częstotliwość f sygnału [kHz]'
f=input('f = ');
A(1:N)=1;
'Podaj amplitudy w formie wektora A o długości N'
A=input('A= ')'
%Obliczenia parametrów
lambda=c/f;
%Długość fali [mm]
w1=pi*D/lambda;
w=pi*d/lambda;
wN=N*w*A;
kat=-90:90;
%Kąty
kr=pi*kat/180;
%charakterystyka kierunkowa okrągłej membrany - drgającej tłokowo
b1=2*besselj(1,w1*kr+eps)./(w1*kr+eps);
%charakterystyka kierunkowa N źródeł punktowyvh
for p=1:181
krr=(-91+p)*pi/180;
for n=1:N
x(n)=A(n)*exp(i*2*w*(n-1)*sin(krr));
end
bN(p)=sum(x);
end
bNm=max(abs(bN));
%charakterystyka anteny
b=b1.*bN;
%charakterystyka anteny w dB
B=abs(b)/max(abs(b));
for p=1:181; if B(p)>0.1; B(p)=B(p); else; B(p)=0.1; end; end
%wykresy
figure
plot(kat,abs(bN)/bNm,'k')
grid
axis([-90 90 0 1]);
title('char. kier. punktow rozstawionych w linii')
set(gcf,'color','white')
xlabel('kat');ylabel('bN')
figure
plot(kat,abs(b)/bNm,'k',kat,abs(b1),'--k')
grid
PE_2_charkier.doc
5/6
2016-10-18
Laboratorium
Podstawy Elektroakustyki
PE-2
axis([-90 90 0 1]);
title('char. kier. anteny i jednego głośnika')
set(gcf,'color','white')
xlabel('kat');ylabel('b,b1')
figure
polar(kr,20*log10(B)+20)
set(gcf,'color','white')
title('charakterystyka kierunkowa anteny')
PE_2_charkier.doc
6/6
2016-10-18