Pomiar częstotliwości fali dźwiękowej



Pobieranie 117,79 Kb.
Strona1/3
Data22.12.2017
Rozmiar117,79 Kb.
  1   2   3



Szkolne doświadczenia wspomagane komputerowo


z wykorzystaniem karty dźwiękowej

Układy doświadczalne

Z punktu widzenia opisu fali akustycznej istotne są rozkłady natężenia dźwięku w czasie. Ich wartości chwilowe umożliwiają dokładną analizę częstotliwościową sygnału, a z wykorzystaniem wsparcia maszyny matematycznej jaką dostarczają komputery umożliwia to nam badanie spektrum poszczególnych dźwięków wręcz „na żywo”. Daje to bezpośrednią możliwość poznawania działania instrumentów muzycznych, analizy głosek wypowiadanych przez różne osoby czy wykonywanie pomiarów w postaci czystych – szkolnych doświadczeń akustycznych.



Komputer może być doskonałym generatorem dźwięku. Tworzenie przy pomocy oprogramowania fal akustycznych o prostym czy złożonym przebiegu połączone z możliwością ich usłyszenia łączy w sobie typowo sensoryczne aspekty poznania z abstrakcją opisujących falę wzorów.
W pomiarach z akustyki istotną zmorą eksperymentatora są zniekształcenia sygnału akustycznego powodowane zazwyczaj odbiciami od powierzchni leżących blisko układu doświadczalnego. Typowym przykładem jest stół na którym ustawiamy głośniki. Rozwiązaniem jest ustawianie głośników/mikrofonów na statywach, dzięki czemu odbite fale będą tak osłabione że ich wpływ na sygnał mierzony zmniejszy się.
Jeżeli to możliwe to oczywiście najlepszym źródłami dźwięków do analizy harmonicznej są kamertony. Natomiast wykorzystanie instrumentów muzycznych niesie ze sobą odrębne walory edukacyjne. Prostotę i codzienność źródeł dźwięku można odnaleźć w różnego rodzaju dzwonkach (dzwoneczek wędkarski) czy pustych lub napełnianych cieczą szklanych naczyniach ( szklanka z wodą). W czasie doświadczeń należy zwrócić też uwagę uciążliwość odtwarzanego dźwięku, by nie zakłócał on toku lekcji.


Podstawowe oprogramowanie systemowe

Dostępność i różnorodność oprogramowania pełniącego rolę interfejsu do karty dźwiękowej jest największa w systemach serii Windows. Nie oznacza to jednak braku możliwości wykonywania takich pomiarów z poziomu coraz bardziej popularnego Linux - a jak i systemów MacOs. We wszystkich rozwiązaniach system operacyjny udostępnia tylko zasoby jakimi dysponuje karta dźwiękowa obsługiwana przez odpowiedni program sterujący „driver”. Drugim nieodłącznym elementem systemu jest „mikser” – najprostszy program umożliwiający wybór źródła sygnału przy nagrywaniu (opcja wybierz), określenia źródeł wysyłających w danym momencie sygnał na wyjście karty (opcja wycisz) czy określenia poziomów wzmocnienia poszczególnych sygnałów i balansu głośności miedzy nimi ( w przypadku sygnału stereo). W systemie Windows rolę taką pełni program Sndvol32.exe. Istotnym jest zauważenie że po rozwinięciu menu Opcje/Właściwości możemy niezależnie regulować parametry nagrywania i odtwarzania. Producenci sprzętu często uzupełniają możliwości miksera o graficzną wizualizacje poziomu sygnałów w postaci „zapalających się” wielokolorowych wskaźników imitujących diody sprzętu audio.



Funkcje oprogramowania „pomiarowego
Brak wskaźników natężenia dźwięku z angielska zwanych „volume meter” można nadrobić darmowym oprogramowaniem możliwym do uzyskania z Internetu (http://www.darkwood.demon.co.uk/PC/meter.html). Istotna jest możliwość dokładnego odczytu zmian rejestrowanego natężenia w skali decybelowej czy elementy „zatrzaskujące” największą chwilową jego wartość, połączone z możliwością czyszczenia znaczników lub wskazujące średnie natężenie dźwięku na osi czasu (http://www.sound-snooper.com/en/download.php ). Należy pamiętać jednak że programy te wykorzystują raczej pomiar ciągły jako cos podlegającego uśrednieniu w określonym niezbyt (stosunkowo) krótkim czasie.

Aby była możliwa dokładna analiza przebiegu fali akustycznej musimy się jednak zaopatrzyć w program (dla przykładu: http://www.goldwave.com/ ) który umożliwi nam rejestrację sygnału audio w wybranej liczbie kanałów (mono lub stereo), z określoną ilością próbek (6000, ... ,44100, ... 192000 – propozycja oprogramowania na komputerze autora) i dobraną rozdzielczością przetwarzania ADC (8, 16, 32 bity). Możliwość zapisu zarejestrowanych dźwięków pozwala także na rozszerzenie możliwości pracy z danymi dla większej ilości eksperymentatorów (udostępnianie w sieci), porównywanie swoich doświadczeń (wymiana danych pomiarowych) czy wreszcie prezentację przetworzonych/wygenerowanych danych (odtwarzanie).

Dane pomiarowe których postacią jest jedno lub dwuwymiarowa tablica opisująca rozkład w czasie natężeń dźwięku jest obiektem na którym możemy dokonywać operacji edytorskich w postaci kasowania, kopiowania, przenoszenia i powielania fragmentów nagrania. Powiększanie osi czasu nagranego sygnału powinno umożliwić obejrzeć przebieg czasowy zmian natężenia w postaci „pojedynczych” przebiegów i ich podstawową analizę.

Często programy rozszerzone są o zbiór filtrów/funkcji pozwalających na operacje matematyczne czy morfologiczne. Umożliwiają one od prostego wzmacniania sygnału czy jego normalizacji stosowanie różnorakich filtrów akustycznych np. dodawanie echa, zanik w czasie itd. W tej grupie rozwiązań na podkreślenie zasługuje umożliwiający tworzenie spektrogramów –widm częstotliwościowych z wykorzystaniem transformaty Fouriera. Część programów jako swoją główna funkcjonalność posiadają właśnie możliwość przeważania danych „na żywo” umożliwiając obserwację na osi czasu zmian spektrum dźwięku które reprezentowane bywa w postaci wykresów 3D czy barwnych poziomic.

Jeszcze inną grupą programów są generatory. Najprostsze z nich pozwalają „na żywo” zmieniać natężenie i częstotliwość generowanego dźwięku niezależnie od kanału, wybór kształtu generowanej fali ( sinus, prostokąt, trójkąt, piła, itd.). Te bardziej zaawansowane pozwalają składać falę z dowolnych częstotliwości oraz zapis tak powstałych próbek, co może być bardzo przydatne szczególnie w czasie prezentacji, czy przygotowywania eksperymentu (oprogramowanie tego typu jest załączone do podręcznika fizyki szkoły średniej wydawnictwa WSIP).

Przy odtwarzaniu zapisanych nagrań dobrze jest korzystać z oprogramowania pozwalającego na : (i) powtarzanie odtwarzanej ścieżki (repeat) czy (ii) ustalanie tak zwanej listy do odtwarzania (playlist); (iii) zmiany tonów – opcja ta pozwala wyrobić intuicję w zakresie słyszenia tonów o poszczególnych częstotliwościach. Przykładowym programem służącym do tego celu jest WinAmp (http://www.winamp.com/ )





  1   2   3


©operacji.org 2017
wyślij wiadomość

    Strona główna