Multimediální technika a televize - úvod. Dr. Ing. Libor Husník

Multimediální technika a televize - úvod

přednášející:

Prof. Ing. Miloš Klíma, CSc. Dr. Ing. Libor Husník

Multi-média – pokus o slovníkové heslo multi = mnoho, více média = z latinského mediare medius = prostřední mediare = půlit, vstupovat do něčeho, zprostředkovat multimédia obecně = několik současně působících prostředníků

Multimédia technické prostředky představující rozhraní mezi technikou a člověkem,

tedy prostředky působící na smysly člověka a naopak prostředky, které snímají projevy člověka a ty předávají do přenosového řetězce

v současné době – audiovizuální technika, ale v budoucnu … kdo ví? 

Návazné magisterské předměty v oboru Multimédia na katedře radioelektroniky Multimediální technika - X37MMT Televize - X37TEL Obrazová fotonika - X37OBF Studiová technika - X37STT Zvuková technika – X37ZVT Měření akustických veličin – X37MAV Zpracování akustických signálů X37ZAS Záznam signálu X37ZSG

Multimediální technika část zvuková technika Libor Husník

1. Šíření zvuku ve volném prostoru, modely kmitajících soustav 3. Fyziologická akustika 5. Zvukové signály 7. Elektroakustické měniče 9. Prostorová akustika 11.Ozvučování 7. Záznam signálu (Dr. František Rund)

Zvuk = mechanické kmity kontinua jeden z prostředků komunikace člověka - s dalšími lidmi: řeč (informace, melodika řeči), hudba, jiné zvuky - s prostředím: hlukové signály (orientace v prostoru, upozornění na nebezpečí)

Přenosový řetězec „přirozený“: zdroj – přenosové prostředí – přijímač (ucho)

se začleněním multimediální techniky: zdroj – přenosové prostředí – mikrofon – záznam/zpracování/přenos - reproduktor – přenosové prostředí – přijímač (ucho)

Aspekty zvukové techniky zdroj – vysílač (přirozený/umělý) tvorba řeči, tvorba hudby – hudební nástroje akustické a elektronické, mechanické kmity obecných ploch teorie signálů (typy dle průběhu časového, kmitočtového, transformace..) přenosové médium – šíření zvuku v prostoru, prostorová akustika, návaznost na architekturu

Aspekty zvukové techniky… pokračování

záznamová a přenosová technika (záznamové a kompresní formáty, přenosové protokoly) elektroakustické měniče – mikrofony a reproduktory přijímač – ucho – fyziologická, psychologická a hudební akustika = vliv na člověka

Disciplíny pokrývající daná témata obecné šíření zvuku – fyzikální akustika měniče (reproduktory, mikrofony..) – elektroakustika vlastnosti sluchového systému – fyziologická akustika vnímání zvuku a jeho působení na člověka – psychologická akustika hudební nástroje, hudební signály – hudební akustika šíření zvuku v uzavřených prostorech, úprava akustiky prostoru – prostorová akustika typy akustických signálů, transformace a kódování – zpracování akustických signálů záznam signálu …další příbuzné obory: stavební akustika (zvuková izolace prostorů) akustika řeči (tvorba řečového signálu) akustická emise (nedestruktivní testování materiálu) psychometrie (psychologické testování (i akustických) signálů) …

Terminologie Zvuková technika = audio technika popisuje podstatu zvuku, jeho šíření a prostředky, kterými se generuje nebo přijímá, tedy popis vlastností celého zvukového přenosového řetězce

Akustika = (z řeckého akuo – slyším) se zabývá všemi oblastmi, kde se vyskytuje jakékoli obecné mechanické kmitání

Zvuk a jeho podstata zvuk = mechanické kmity kontinua, tedy v plynné, kapalné i pevné fázi. MY SE NYNÍ OMEZÍME NA ZVUK VE VZDUCHU

akustický tlak = změny celkového tlaku

akustický tlak pa se udává v Pascalech (Pa), ale obvyklejší je HLADINA AKUSTICKÉHO TLAKU LSPL

L SPL

pa  20 log p ref

[dB]

proč logaritmus (hladina) : psychofyziologie vnímání, člověk vnímá logaritmicky (Weberův a Fechnerův zákon) proč taková volba reference : pref je přibližná hodnota prahu slyšitelnosti v okolí 2 kHz proč DECIbely: 1 dB je přibližně hodnota JND (právě postřehnutelný rozdíl)

zvuk v plynech je vlnění podélné (nejsou smyková napětí mezi molekulami) střední hodnota akustického tlaku je nulová průběhy jsou v drtivé většině harmonické pro analýzu možno použít Fourierových řad jeho šíření se řídí (v drtivé většině případů) lineární vlnovou rovnicí (v tomto případě pro akustický tlak

1  p p  2 2 c0 t 2

Rychlost šíření adiabatická rychlost zvuku

 p0 c0   cad 0

ve vzduchu přibližně 340 m/s

Vlnová délka pro slyšitelné kmitočty c0 = f

20 17m

100 3,4m

oblast hluku

500 68cm

1k 34cm

2k 5k 10k 20k 50k 17cm 6,8cm 3,4cm 1,7cm 6,8mm

oblast řeči

oblast perkusních signálů

Vlnová rovnice (lineární) Předpoklady (zavádějí omezující podmínky!!!): - prostředí je spojité, stlačitelné, homogenní, izotropní, neviskózní (bez ztrát), v klidu - výchylky všech veličin jsou malé (linearizace úlohy) - akustické pole se předpokládá za nevírové (pole je gradientní) - akustické děje jako adiabatický termodynamický děj tedy vše – LINEÁRNÍ AKUSTIKA

Tři výchozí rovnice -

Eulerova (2. Newtonův zákon) kontinuity (zákon zachování) stavová (adiabatický zákon)

Zavedeme veličinu rychlostní potenciál 

 v  grad ( ) (pro jednoduchost výpočtů, nemá fyzikální význam)

Vlnová rovnice platí pro rychlostní potenciál akustický tlak akustickou rychlost (ale jen jako vektor!!!) změny hustoty

z rychlostního potenciálu se jednoduše vypočte ostatní

 p  0 t

 v  grad ( )

Praktická řešení vlnové rovnice



 jkx

v kartézských souřadnicích

  Ae

 Be

ve sférických souřadnicích

A  jkr j t  e e r

e

j t

 4

A  jkr  e e e j t kr j

v cylindrických souřadnicích

 jkx

kde grad( = v (definice rychlostního potenciálu z akustické rychlosti a k vlnové číslo)

Fyzikální veličiny používané v akustice akustický tlak pa [Pa] akustická rychlost v [m/s] rychlost šíření c [m/s] rychlostní potenciál [m2/s]…hlavně pro výpočty objemové posunutí [m3] objemová rychlost W [m3/s] a dále intenzita, energie, výkon….

Elektroakustické a elektromechanické analogie

cíl: najít metodu, pomocí které by bylo možno analyzovat kmitající soustavy v tuhé nebo plynné fázi za použití obvodových náhrad

Model se soustředěnými parametry platí pro soustavy, jejichž největší rozměr je mnohem menší, než vlnová délka!!!

di uL dt i

dq dt

q 1 u    idt C C

u  Ri

Fm

v

dv dt

d dt

 1 F    vdt c c

F  rm v

p  ma w

dw dt

d dt

 1 p  wdt  ca ca p  ra w

Elektromechanické analogie Symbolická schémata pomocí tří základních prvků modelují mechanickou kmitající soustavu

Transformační prvek - páka Transformuje sílu a rychlost z jednoho bodu ramene na druhý bod

F1l1  F2 l 2 v1 l1  v2 l 2

Z m1 Zm 2

F1 2 v1  l 2      F2  l1  v2

Elektro-akustické analogie prvky: akustický rezistor akustický inertor akustický elastor

(vlastnost – akustický odpor) (vlastnost – akustická hmotnost) (vlastnost – akustická poddajnost)

transformace změnou průřezu píst – přechod mechanicko-akustický

Akustická impedance

pa Za  W

Specifická impedance

pa ZS  v

Mechanická impedance

F Zm  v

Vztah mezi akustickou, specifickou a mechanickou impedancí:

F pa pa Z S Zm S Za      2 W v.S S v.S S

Akustická poddajnost vlastnost uzavřených objemů objem V0 je uzavřen pístem s plochou S, který kmitá s výchylkou y

y S

dV  dy .S  d

Předpokládáme adiabatickou stavovou změnu (zavádí omezující podmínky!! = dolní mezní kmitočet, daný tepelnou vodivostí přiléhajících soustav a jejich geometrií)

 p0  pa V 

 konst .

dp a .V    p0  pa  .V  1dV  0  p0 dp a   dV V0

d V0   ca dpa p0 akustická poddajnost uzavřeného objemu V0 (například pro modelování objemu uzavřené ozvučnice)

Akustická hmotnost

Trubice (kapilára, průduch,….) délky l, průřezu S

Zm jm Z a  j m a  2  2 S S a tedy ma 

m Sl l  2  2 S S S

Započtení spolukmitajícího vzduchu na otevřeném konci:

8R l  l0  2 * 3 V případě krátkých útvarů může druhý člen dominovat (natržená membrána)

Akustický odpor

Akustický odpor je definován vztahem

p = raw

Vychází z viskózních ztrát v plynu, tepelné vodivosti plynu a z relaxačních ztrát

8 l ra  4 R

12l ra  3 bh

Helmholtzův rezonátor

Přechod mezi mechanickou a akustickou soustavou

F v

p = F/S w = v.S

píst s plochou S působí na něj síla F kmitá harmonicky rychlostí v

  S

d d w S  S .v dt dt

Transformace mechanické a akustické impedance

F p Zm S Za    2 w v.S S veličiny (p, w,  – F, v, ) se transformují přes S prvky (impedance) přes S2 model pomocí ideálního transformátoru