KATEDRA SYSTEMÓW MULTIMEDIALNYCH
LABORATORIUM
POMIARÓW W TECHNICE STUDYJNEJ
Ćwiczenie Nr 3:
POMIAR CHARAKTERYSTYK SŁUCHAWEK ZA POMOCĄ SZTUCZNEGO UCHA
1. WPROWADZENIE
Słuchawki są przetwornikami elektroakustycznymi przeznaczonymi do przemiany energii elektrycznej w akustyczną. W przeciwieństwie do głośników, słuchawki nie wypromieniowują energii akustycznej w przestrzeń otwartą, lecz przekazują ją bezpośrednio do ucha, z którym są
ściśle sprzężone akustycznie. Jeżeli więc głośnik porównać z nadajnikiem radiowym oddającym swoją energie otaczającej przestrzeni za pośrednictwem anteny, to słuchawki należałoby porównać ze źródłem pracującym w obwodzie zamkniętym. Obecnie stosowane są najczęściej słuchawki magnetyczne kotwicowe i cewkowe oraz piezoelektryczne.
Jednym z najdawniej znanych przyrządów elektroakustycznych jest słuchawka elektromagnetyczna dwubiegunowa o kotwicy swobodnej (rys. 1). Składa się ona z dwóch nabiegunników z miękkiego żelaza, na których osadzone są cewki uzwojenia słuchawki. Naprzeciw nabiegunników znajduje się membrana stalowa zaciśnięta na obrzeżu, spełniająca zadanie tłoka w układzie akustycznym i kotwicy w układzie magnetycznym słuchawki. Magnes w kształcie podkowy jest przymocowany do pozostałych końców nabiegunników i wytwarza strumień magnetyczny przechodzący przez nabiegunniki, szczeliną powietrzną między nabiegunnikami a membraną.
N S
Ćwiczenie 3 – Pomiar słuchawek 2
Gdy przez uzwojenie słuchawki przepływa prąd zmienny, powstaje siła przemienna, pod działaniem której membrana zbliża się i oddala od nabiegunników. Drgająca membrana wytwarza po obu stronach ciśnienie akustyczne, którego część za pośrednictwem otworów muszli słuchawkowej przykrywającej membranę, przenosi się do przestrzeni zawartej między muszlą a ściankami ucha. Zadaniem słuchawek jest wytworzenie możliwie dużych ciśnień akustycznych w przestrzeni ograniczonej muszlą słuchawkową i ściankami ucha zewnętrznego, można bowiem przyjąć, że ucho – a właściwie błona bębenkowa – jest odbiornikiem ciśnieniowym reagującym na wartość ciśnienia akustycznego. Miarą jakości słuchawek jest przede wszystkim charakterystyka częstotliwościowa skuteczności napięciowej, określanej jako stosunek wartości skutecznej ciśnienia akustycznego wytworzonego w kanale usznym do wartości skutecznej napięcia między zaciskami słuchawki.
Pomiary słuchawek należy przeprowadzać przy takim obciążeniu, jakie będzie miało miejsce w typowych (nominalnych) warunkach pracy, a więc przy obciążeniu uchem naturalnym (co jest praktycznie niewykonalne) lub sztucznym. W powszechnie stosowanych systemach pomiarowych jako obciążenie słuchawki stosuje się sztuczne ucho, to jest zespół elementów akustycznych: masy, podatności i rezystancji akustycznej połączonych w taki sposób, że akustyczna impedancja wejściowa układu jest zbliżona do impedancji akustycznej ucha ludzkiego. Jedno z najprostszych rozwiązań przedstawiono na rys. 2.
M R a a C a Za muszla słuchawkowa sztuczne ucho a)
Rys. 3.2. Sztuczne ucho: a) przekrój poprzeczny, b) schemat zastępczy
Za Ca
Ra
Ma
Ćwiczenie 3 – Pomiar słuchawek 3 Charakterystykę częstotliwościową skuteczności napięciowej słuchawek można pomierzyć w dwojaki sposób. Pierwszy z nich polega na tym, że słuchawki zasilane są sygnałem sinusoidalnym o płynnie przestrajanej częstotliwości. Ciśnienie w sztucznym uchu przetwarza się na napięcie za pomocą mikrofonu pomiarowego, a następnie za pomocą woltomierza odczytuje się jego wartość. Druga metoda różni się od pierwszej tym, że słuchawki pobudza się sygnałem z generatora szumu. Z kolei sygnał odbierany przez mikrofon wzorcowy wewnątrz sztucznego ucha poddawany jest analizie widmowej. Uzyskane w ten sposób widmo amplitudowe odpowiada charakterystyce częstotliwościowej badanej słuchawki.
2. ZESTAW APARATURY
• mierzona słuchawka, • sztuczne ucho B&K 4152
• mikrofon pomiarowy (1”) B&K 4144 • adapter B&K DB 0962
• przedłużacz B&K AO 0441
• generator Minirator MR-PRO lub inny • miernik poziomu dźwięku B&K 2260
Generator Oscyloskop Sztuczne ucho b.s. Miernik poziomu Komputer
przedłużacz wysięgnik adapter
Rys. 3.3. Schemat układu pomiarowego
3. ZADANIA
3.1. Zmontować układ pomiarowy. Zapoznać się z obsługą sztucznego ucha, generatora i miernika
poziomu. Za pomocą analizatora widmowego zmierzyć i zanotować poziom szumu tła i jego charakterystykę widmową (nie wprowadzać przy tym dodatkowych zakłóceń, np. mowy). Pomiar ten należy wykonać nie nakładając słuchawek na sztuczne ucho. Zanotować również inne uwagi dotyczące warunków akustycznych panujących przy pomiarach.
Ćwiczenie 3 – Pomiar słuchawek 4
3.2. Pomierzyć charakterystykę częstotliwościową słuchawek dostarczonych przez prowadzącego
ćwiczenie (ewentualnie własnych, nausznych) – dwie pary słuchawek, dwa kanały. Jako pobudzenia użyć sygnału sinusoidalnego, pomiaru poziomu dokonać za pomocą miernika w trybie ogólnym, mierząc parametr LLS. Wyniki notować na arkuszu pomiarowym. UWAGA:
zacząć od częstotliwości 1 kHz i ustawić na generatorze bezpieczny poziom, nie powodujący przesterowania miernika. Zanotować ten poziom i nie zmieniać go w trakcie pomiarów. Zanotować również typ (model) badanych słuchawek.
3.3. Przełączyć miernik w tryb analizatora tercjowego (mierzony parametr: LLS). Ustawiając na
generatorze szum biały, a następnie różowy, zaobserwować różnice w widmie mierzonego sygnału. Następnie powtórzyć pomiary z punktu 3.2, używając jako pobudzenia szumu różowego. Również należy zacząć od ustalenia poziomu wejściowego, nie powodującego przesterowania.
3.4. Wykonać jeden pomiar (dla wybranej pary słuchawek i jednego kanału) beż użycia sztucznego
ucha (po zdjęciu sprzęgacza), używając szumu różowego. Mikrofon pomiarowy umieścić jak najbliżej słuchawki.
4. OPRACOWANIE WYNIKÓW
4.1. Przedstawić wyniki pomiarów w taki sposób, aby umożliwiły one czytelne porównanie
wyników. Porównać wyniki pomiarów:
dla różnych typów słuchawek (to samo pobudzenie),
dla tych samych słuchawek, przy różnych typach pobudzenia, przy użyciu sztucznego ucha i bez niego.
Należy przemyśleć sposób prezentacji wyników w formie wykresów, tak aby możliwe było porównanie poszczególnych charakterystyk (sposób prezentacji wyników i ich czytelność są głównymi czynnikami wpływającymi na ocenę sprawozdania). Skomentować uzyskane wyniki.
4.2. Opisać warunki akustyczne występujące podczas pomiarów i przedyskutować ich wpływ na
wyniki pomiarów.
4.3. Wymienić i przedyskutować inne czynniki (poza opisanymi w pkt. 4.2), które mogły mieć
wpływ na dokładność pomiarów, np. związane ze sprzętem pomiarowym i metodą dokonywania pomiarów.
4.4. Przedyskutować różnice w wynikach pomiarów dokonywanych przy użyciu sztucznego ucha i
