Приложение В (обязательное). Метод качающейся частоты

Приложение В
(обязательное)

Метод качающейся частоты

В.1 Общие положения

Вообще говоря, для определения импульсной переходной характеристики стационарной линейной системы может быть использован сигнал возбуждения произвольного вида при условии, что он обладает достаточной энергией на всех интересующих частотах. Импульсная переходная характеристика может быть определена с помощью обратной свертки отклика помещения с сигналом возбуждения, или коэффициент передачи может быть получен как отношение спектра выходного сигнала испытуемой системы к спектру входного сигнала. Последнее предполагает преобразование Фурье входного и выходного сигнала для определения их отношения в частотной области.

Использование синусоидального сигнала качающейся частоты в качестве сигнала возбуждения имеет два преимущества по сравнению с методом, рассмотренным в приложении А. Данные преимущества заключаются в уменьшении чувствительности результата измерений к временным вариациям температуры и движения воздуха и в компенсации ухудшения отношения сигнал/шум из-за гармонических искажений. Поскольку все гармонические искажения могут быть исключены из результата измерений, сигнал возбуждения может иметь энергию, значительно превышающую энергию сигнала ПМД. В тихих помещениях метод КЧ может обеспечить отношение сигнал/шум, превышающее 100 дБ.

Метод КЧ менее чувствителен к изменению во времени параметров испытуемой системы. Такие изменения возникают из-за перемещения воздуха при измерениях на местности. При измерениях импульсной переходной характеристики на больших расстояниях при ветре метод КЧ является единственно приемлемым.

Возбуждение методом КЧ может проводиться однократным сканированием от низких к высоким частотам или периодически повторяться. В настоящем приложении рассматривается случай однократного сканирования частоты. Для удобства весь частотный диапазон может быть разбит на поддиапазоны, т.е. измерения в каждой доле октавы могут выполняться отдельным сканированием.

Особенности использования периодической развертки частоты рассмотрены в В.8.

При однократном сканировании частоты для оценки коэффициента передачи используется вся энергия возбуждения. Однократный сигнал возбуждения сокращает время измерения, хотя по окончании сканирования должна следовать пауза, чтобы зарегистрировать все запаздывающие составляющие акустического сигнала.

В.2 Длительность развертки

При однократном возбуждении длительность развертки частоты и ожидаемое время реверберации должны находиться в определенном соотношении в отличие от измерений с периодическим возбуждением. Можно применять как совсем короткие, так и более продолжительные длительности развертки, многократно превышающие время реверберации. Однако продолжительность времени регистрации отклика на сигнал возбуждения должна превышать длительность сканирования, чтобы зарегистрировать уровень звукового давления до момента его спада до уровня фонового шума.

В акустике зданий и помещений реверберация на низких частотах обычно более продолжительна. Если применяют большие периоды развертки (несколько секунд), то конечная пауза должна быть согласована только с самыми высокими частотами и является обычно короткой. Данное требование обусловлено тем, что низкочастотные компоненты отклика поступают на микрофон в то время, когда частота сигнала возбуждения еще продолжает возрастать.

Увеличение периода однократного сканирования частоты увеличивает акустическую энергию в испытуемом помещении и, таким образом, увеличивает отношение сигнал/шум. В общем случае увеличение периода однократного сканирования более предпочтительно по сравнению с усреднением при периодическом возбуждении, т.к. это повышает устойчивость метода измерений к изменениям параметров во времени и способствует устранению искажений.

В.3 Генерация развертки

В.3.1 Общие положения

В соответствии с требованиями к спектральным характеристикам, установленными в 6.2.2, для рассматриваемых измерительных задач предпочтительно возбуждение с помощью сигнала, отличного от белого шума. Форма спектра может быть изменена путем изменения как амплитуды сигнала, так и скорости развертки его частоты. В большинстве случаев желательно поддерживать амплитуду сигнала постоянной и изменять с определенной скоростью его частоту от нижней граничной частоты самой низкочастотной полосы диапазона измерений до верхней граничной частоты самой высокочастотной полосы. Сигнал возбуждения обычно формируют из синусоидального сигнала с изменяемой частотой, дополняя его необходимой паузой.

При умеренном фоновом шуме обычно применяют развертку продолжительностью от двух до четырех самых продолжительных времен реверберации и паузы, равной наибольшему времени реверберации.

В.3.2 Линейная и экспоненциальная развертка частоты

Линейная развертка частоты при постоянной амплитуде сигнала обеспечивает постоянную как в спектре белого шума спектральную плотность энергии. Если частота увеличивается со временем по экспоненциальному закону, то время прохождения каждой октавы одинаково. Постоянной будет и энергия, приходящаяся на одну полосу в долю октавы, подобно спектру розового шума. Экспоненциальную развертку частоты обычно применяют для сигнала возбуждения, соответствующего розовому шуму в классических методах.

В.3.3 Синтез разверток со случайным амплитудным спектром

Спектр сигнала возбуждения может подстраиваться в соответствии с требованиями 6.2.2 путем изменения скорости развертки частоты. В общем случае подстройка скорости развертки является более предпочтительной по сравнению с изменением огибающей (амплитуды), поскольку это позволяет поддерживать сигнал на постоянном уровне относительно уровня ограничения амплитуды усилителем. Если для некоторой части частот скорость развертки понижена, то в данной части спектра будет повышенная плотность энергии. При соответствующем управлении скоростью развертки можно синтезировать развертки с псевдослучайным амплитудным спектром и почти постоянной огибающей амплитуды. В [7] приведены рекомендации для получения желаемого спектра. Данная статья содержит также методы ослабления переходных процессов в начале и в конце развертки.

В.4 Регистрация отклика

Отклик на возбуждение сигналом КЧ должен быть зарегистрирован от начала развертки до момента времени, когда будет принят последний отзвук реверберации. Необходимое для записи время зависит от скорости развертки, диапазона частот измерений и гулкости помещения. При измерениях разности уровней записанный спад должен охватывать не менее 30 дБ или половину времени реверберации.

При измерениях времени реверберации спад должен охватывать диапазон, установленный для классического метода. При этом обычно требуется больший динамический диапазон по сравнению с измерениями уровня звукового давления, что ведет к необходимости увеличения времени записи.

На рисунке В.1 приведена диаграмма возбуждения и соответствующего отклика при экспоненциальной развертке в плоскости "время-частота". Следует обратить внимание на то, что принятые частотные составляющие запаздывают вследствие реверберации.

Рисунок В.1 - Экспоненциальная развертка в плоскости "время-частота"

В.5 Обратная свертка

На рисунках В.2 и В.3 изображены две альтернативные процедуры получения обратной свертки с целью определения импульсной переходной характеристики помещения. Комплексный коэффициент передачи может быть получен непосредственно обратной сверткой или как частное от деления спектра отклика на спектр возбуждения.

Рисунок В.2 - Оценка уровня звукового давления методом обратной свертки

Рисунок В.3 - Оценка уровня звукового давления через коэффициент передачи

На рисунке В.2 обратная свертка выполняется путем свертывания принятого сигнала и сигнала, обратного сигналу возбуждения. Характерно, что свертка обратного сигнала с сигналом возбуждения есть идеальный дельта-импульс. Затем широкополосная импульсная переходная характеристика подвергается обработке с целью получения функции L(t), определяемой формулой (1), для каждой частотной полосы в долю октавы. Рисунок В.2 иллюстрирует процесс обработки сигнала. Например, если выполняются требования 6.3.2, то фильтрация для получения откликов в частотных полосах в долю октавы может быть выполнена в частотной области.

На рисунке В.3 показан переход от временной области к частотной с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ). Широкополосную импульсную переходную характеристику определяют обратным переходом во временную область [с помощью обратного БПФ (ОБПФ)]. Затем широкополосная импульсная переходная характеристика подвергается обработке с целью определения функции L(t), определяемой формулой (1), для каждой частотной полосы в долю октавы. Рисунок В.3 иллюстрирует процесс обработки сигнала. Например, пока выполняются требования 6.3.2, фильтрация для получения откликов в полосах в долю октавы может быть выполнена в частотной области.

При обработке сигнала с помощью обратной свертки следует соблюдать ряд мер предосторожности. При использовании БПФ следует принять меры против возникновения эффекта циклической свертки. Кроме того, при делении спектров в знаменателе могут оказаться спектральные составляющие с малой энергией, и поэтому надо соблюдать меры к недопущению усиления внешнего шума на этих частотах при оценке импульсной переходной характеристики. Данное обстоятельство часто является причиной ограничения амплитуды развертки частоты.

Поскольку в описанной здесь методике применяют апериодический сигнал возбуждения, наиболее подходящим методом получения импульсной переходной характеристики является линейная (т.е. не циклическая) обратная свертка. Наиболее просто линейная обратная свертка может быть выполнена с помощью прямой свертки, или, если применяют деление спектров, то путем удвоения начальной длины сигнала возбуждения и отклика добавлением нулей (дополнение нулями).

Если возбуждение помещения производится сигналом КЧ с изменением частоты от низких частот к высоким, то отклик на спектральные составляющие будет появляться раньше основного возбуждения на той же частоте. После применения линейной обратной свертки отклики на спектральные составляющие возбуждения будут появляться при отрицательных значениях времени и могут быть легко удалены (более полная информации имеется в [8]).

Если применяют деление спектров, то возбуждение и отклик будут представлены своими БПФ, причем спектр отклика делят на спектр возбуждения. Искомую импульсную переходную характеристику определяют с помощью ОБПФ, в котором вторую половину, соответствующую отрицательным моментам времени, можно не учитывать. Как указано в [6], данный метод можно использовать для устранения гармонических искажений в канале возбуждения.

В отличие от линейной обратной свертки может быть применена циклическая обратная свертка, имеющая длину БПФ, равную времени измерений. Однако в данном случае искажения могут смазать спад импульсной переходной характеристики. Это значит, что продолжительность сигнала возбуждения следует выбирать значительно больше времени спада. Искажения могут появиться на нижнем уровне шума, где они могут быть исключены обработкой сигнала методом окна без воздействия на хвост реверберационного сигнала.

Импульсные переходные характеристики, полученные линейной и циклической обратной сверткой, отличаются по уровню остаточного шума. При применении циклической обратной свертки уровень остаточного шума постоянен до возникновения первых искажений. При линейной обратной свертке остаточный шум спадает и по мере увеличения времени измерений все в большей степени фильтруется низкочастотным полосовым фильтром. Это происходит вследствие того, что последняя часть результата обратной свертки является сверткой постоянного шума с сигналом развертки в обратном порядке (т.е. от высоких частот к низким). Следует иметь в виду данное явление, чтобы не перепутать снижение уровня остаточного шума с последними отражениями звука в помещении.

В.6 Отношение сигнал/шум

Предельное эффективное отношение сигнал/шум зависит не только от уровня фонового шума, но и от амплитуды возбуждения, скорости развертки частоты и от алгоритма обработки сигнала. Удвоение длительности развертки, как правило, увеличивает отношение сигнал/шум на 3 дБ. Увеличение отношения сигнал/шум путем усреднения большого числа импульсных переходных характеристик в общем случае не рекомендуется, т.к. ведет к повышению чувствительности результатов измерений к изменениям внешних условий. Однако большинство таких внешних воздействий проявляется при уровнях на 30 дБ ниже пиковых значений.

В.7 Стационарность

В.7.1 Общие положения

Зависимость от времени параметров объекта испытаний может привести к недостоверным результатам и ограничению достижимого эффективного отношения сигнал/шум. Стационарность является определяющим свойством для применения новых методов и всегда должна проверяться.

Чувствительность к изменению внешних условий зависит от измерительной задачи. Как правило, зависимость параметров системы от времени заметна при уровнях на 30 дБ ниже пикового уровня импульсной переходной характеристики. Поэтому нарушение стационарности практически не влияет на измерения уровня звукового давления, но может привести к недостоверным значениям времени реверберации. В других измерительных задачах, где требуется существенно больший динамический диапазон, чувствительность к изменчивости параметров системы от времени может быть еще выше.

В.7.2 Перемещение

Расположение всех источников возбуждения, отражателей, микрофонов и другого оборудования или ограждающих конструкций помещения должно быть неизменным. Эти объекты не должны перемещаться во время измерений.

Примечание - Исключением является случай измерения коэффициента реверберационного рассеяния в соответствии с ГОСТ Р ИСО 17497-1.

В.7.3 Внешние условия

В.7.3.1 Температура

В настоящее время отсутствует информация относительно влияния нестабильности температуры на результаты измерений методом КЧ, описанным в настоящем приложении. Однако очевидно, что данный метод менее чувствителен к изменениям температуры во время измерений по сравнению с методом, рассмотренным в приложении А. Все же внешние условия следует поддерживать постоянными во время измерений.

В.7.3.2 Максимальная скорость ветра

В настоящее время отсутствует информация относительно влияния ветра на результаты измерений при применении методом КЧ. Однако очевидно, что данный метод менее чувствителен к изменениям скорости ветра во время измерений на местности по сравнению с методом, рассмотренным в приложении А. Все же внешние условия следует поддерживать постоянными во время измерений.

В.7.4 Искажения

Влияние искажений в канале возбуждения значительно зависит от алгоритмов обработки сигнала. Как следует из В.5, существуют методы значительного уменьшения влияния гармонических искажений. Следует стремиться использовать методы, которые, как правило, повышают эффективное отношение сигнал/шум и допускают работу источника возбуждения при максимально допустимых для него уровнях звукового давления. Некоторые источники могут создавать нелинейные или субгармонические искажения (например, дребезг). Интенсивность таких источников следует снижать до минимального значения.

В.8 Периодическая и повторяющаяся развертка

Для развертки частоты может применяться периодическая развертка. В таком случае в соответствии с формулой (10) ее период должен быть не меньше времени реверберации. Следует, однако, иметь в виду, что при использовании повторяющейся развертки частоты повышается чувствительность к внешним условиям. Поэтому для повышения отношения сигнал/шум вместо периодической развертки рекомендуется применять однократную развертку увеличенной длительности. При этом внешние условия должны удовлетворять требованиям приложения А.