Акустические сигналы. 
Основы теории звука

Под акустическим сигналом обычно понимаются сигналы, проходящие через электроакустический преобразователь как в режиме приема, так и в режиме излучения звука. Если считать в первом приближении электроакустический тракт преобразования акустического сигнала, включающий в себя электроакустический преобразователь и связанные с ним электронные компоненты, линейным звеном, то вполне допустимо считать зависимость между звуком и соответствующим ему электрическим сигналом линейной. Такое предположение, вполне обоснованное с технической точки зрения, позволяет отождествить звуковой и соответствующий ему электрический сигнал с единым понятием акустического сигнала.

Акустические сигналы отличаются большим разнообразием сообразно существующему разнообразию звуков, с одной стороны, и разнообразию видов электрических сигналов, — с другой. В теории обработки сигналов в общем случае все существующее разнообразие сигналов принято разделять на детерминированные и случайные.

Детерминированные сигналы, генерируемые электроакустической аппаратурой, определяются назначением и проектными конструкторскими решениями используемой аппаратуры. Детерминированные сигналы в зависимости от классификационного признака подразделяются на:

• — периодические и непериодические;
• — непрерывные и импульсные;
• — модулированные и немодулированные и по многим другим признакам.

Периодические сигналы можно разделить на гармонические и периодические сигналы сложной формы, имеющие спектр из ряда дискретных частотных составляющих. Гармонические сигналы чрезвычайно широко используются в акустике для описания различных акустических явлений, включая спектры звуковых сигналов, интерференцию и дифракцию звука, распространения звука в различных средах и многих других приложениях. С другой стороны, гармонические сигналы чрезвычайно широко используются и в акустической измерительной аппаратуры для характеристики спектров электрических сигналов, частотных характеристик и многих других параметров электроакустических устройств и систем.

Периодические сигналы сложной формы используются в электронной аппаратуре как рабочие сигналы, а также являются одной из разновидностей измеряемых акустических сигналов.

Непрерывные сигналы представляют собой широко распространенный тип измеряемого акустического сигнала и охватывают собой очень широкий круг как детерминированных, так и случайных сигналов.

Импульсные сигналы наиболее широко используются в звуколокационной аппаратуре, работа которой основана на посылке и приеме отраженного акустического импульса.

В электронных трактах акустической аппаратуры весьма распространено использование модулированных электрических сигналов. При этом используются следующие виды модуляции: амплитудная, частотная, фазовая, широтно-импульсная, амплитудно-импульсная и другие виды модуляции. Модулированные сигналы находят применение в акустической аппаратуре благодаря тому, что позволяют обеспечить помехоустойчивость при приеме отраженных акустических сигналов.

Случайные сигналы классифицируются в теории случайных процессов на стационарные и нестационарные, эргодические и неэргодические и т. д. Теория случайных процессов находит в акустических измерениях чрезвычайно широко применение как при обработке акустических сигналов, так и при проектировании акустической аппаратуры и обработке результатов измерений. Методы корреляционного и спектрального анализа являются обычным рабочим инструментом при обработке акустических сигналов.

Выбор того или иного сигнала связан, прежде всего, с построением моделей акустических сигналов, описывающих различные звуки и акустические явления. Так, например, гармонические сигналы используются при анализе вибраций производственных машин, случайные сигналы типа белого или окрашенного шума используются при анализе сложных акустических шумов, нестационарные сигналы описывают изменяющиеся во времени звуковые явления и процессы однократного действия, импульсные сигналы находят применение при измерении акустических сигналов импульсного характера и т. д.

При акустических измерениях тип и параметры излучаемого сигнала выбирают также исходя из условия минимальности влияния отраженных сигналов на результаты измерений. В первую очередь, это обусловлено интерференционными явлениями, связанными со сложением прямых и отраженных волн.

На практике применяют гармонический, частотно-модулированный (воющий тон), случайный сигнал типа полос белого шума и импульсный акустические сигналы. Ниже рассматриваются допустимые условия их применения в излучателе звука в предположении, что измерения проводят в открытом пространстве при наличии только одной полностью отражающей плоскости.

В случае использования гармонического сигнала разница между прямым и отраженным сигналами должна составлять не менее 20дБ, т. е. соответствовать соотношению амплитуд прямого и отраженного сигналов не менее 10:1. Условие пренебрежения отраженным сигналом выражается равенством.

.

где r₂ — расстояние между излучателем и отражающей плоскостью, r₁ — расстояние излучатель — приемник.

Для излучаемого некогерентного сигнала типа белого шума разница между прямым и отраженным сигналами должна составлять не менее 10 дБ, т. е. соответствовать уменьшению отраженного сигнала по отношению к прямому не менее чем в 3.16 раза. Условие пренебрежения отраженным сигналом выражается равенством.

.

Как видно, применение некогерентного излучения приводит к увеличению зоны измерений по отношению к отражающей поверхности.

Для импульсного сигнала получение узкой спектральной области выражается через обеспечение минимальной длительности импульса, равной.

где f₀ — частота следования импульсов.

Влияние отраженных сигналов устраняется разделением во времени этих сигналов. Условие разделения имеет вид (с — скорость света):

.

Наилучшие условия измерений, при которых влияние звукового поля сведено к минимуму, создаются в свободном поле, когда можно пренебречь влиянием отраженных волн. На практике же трудно избежать влияния шумов, поэтому для проведения точных акустических измерений в свободном поле применяют специально оборудованные измерительные помещения — глухие (заглушенные) и гулкие (реверберационные) камеры.

Практика показала, что для ряда типовых акустических измерений существуют сигналы, с которыми можно получить надежные и устойчивые результаты [1].

Поглощение материалов в реверберационных камерах лучше всего измерять полосами белого шума, акустические характеристики в трубах — с помощью импульсных сигналов, в некоторых случаях с помощью стоячих волн, т. е. гармонических сигналов. Частотно-модулированные сигналы используют в автоматизированных установках для получения частотной характеристики акустических устройств. Резонансные характеристики и электрические характеристики элементов акустических устройств определяют при помощи гармонических колебаний.

Ключевые слова: акустические сигналы, детерминированный, периодический, непериодический, импульсный, модулированный, случайный, гармонический, частотно-модулированный.

Контрольные вопросы

• 1. Дайте характеристику детерминированным сигналам.
• 2. Дайте характеристику случайным сигналам.
• 3. Объясните условия минимальности влияния отраженных сигналов на результаты измерений.