Октавная полоса частот это. Октавы и скорость изменения частоты

При решении практических задач чаще всего приходится иметь дело не с чистыми тонами, т.е. звуками одной частоты, а сложными звуками, представ-ляющими собой смесь многих простых колебаний различной интенсивности и частоты. Как известно, сложный колебательный процесс можно представить в виде суммы гармонических функций. Для звукового давления имеем

где p i , f i ,ω i и φ i - соответственно амплитуда, частота круговая частота и фаза составляющих.

Как известно из механики, графическое изображение этого процесса в функции времени называется осциллограммой. Такое представление при необ-ходимости выявления частотных составляющих требует специального гармо-нического анализа. В связи с этим, в акустике принято колебательный процесс изображать в виде функции частоты. Такая запись называется спектрограммой или звуковым спектром . Спектр позволяет судить о том, колебания каких час-

тот вносят наибольший вклад в формирование акустического поля, для каких частот следует проектировать звукоизоляцию и звукопоглощение, какова должна быть эффективность шумозащитных средств.

Различают несколько типов звуковых спектров (рис. 1.1). Спектр, в кото-ром отдельные составляющие отделены друг от друга более или менее значи-тельными частотными интервалами (рис.1.1, а ), называется линейчатым илидискретным .

Кратные составляющие линейчатого спектра называются гармониками. Количество и сила отдельных частотных составляющих звука определяют его слуховую окраску – тембр.

а – линейчатый спектр; б – сплошной спектр; в – смешанный спектр; г – спектр белого шума

Рис.1.1. Типы звуковых спектров

Если частотные составляющие следуют одна за другой непрерывно, то спектр называется сплошным (рис.1.1, б ). Такие спектры возникают при соуда-рении тел и при образовании звуковых импульсов. В случае, когда составляю-щие сплошного спектра шума имеют равные амплитуды (рис.1.1, г ) шум назы-вают белым шумом .

Человеческое ухо различает частотные составляющие звуковых колеба-ний также как и их амплитуды, т.е. по логарифмическому закону. Поэтому при-нято рассматривать и сравнивать частотные составляющие в полосах частот, ширина которых увеличивается по мере увеличения частоты. Общепринятыми считаются октавные и 1/3-октавные полосы частот. Каждая последующая ок-тавная полоса в два раза шире предыдущей, т.е. отношение верхней и нижней

Частотные полосы обозначаются их центральными частотами, которые опреде-ляются как среднегеометрическая величина верхней и нижней частоты данной

полосы, т.е. f = √ f 1 ⋅ f 2 .

В табл. 1.4. приведены центральные частоты и приближенные значения граничных частот октавных и 1/3-октавных полос.

ОКТАВЫ И СКОРОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ

Октавы используются для определения разницы между двумя частотами. Например, разница между частотами 10 Гц и 500 Гц составляет 490 Гц. Октавы представляют эту разницу в логарифмическом масштабе.

Почти все из нас слышали, что понятие октавы используется в музыке. У пианино разница частот между двумя ближайшими нотами одного наименования как раз составляет октаву. Международной стандартной нотой для настройки музыкальных инструментов является нота ля, частота которой равна 440 Гц. Частота ноты октавой выше равна 880 Гц, а октавой ниже – 220 Гц. Таким образом, мы видим, что октава обладает свойством удваивания, другими словами это логарифмическое отношение.

Что бы определить количество октав между двумя частотами можно использовать следующую формулу:

где f н – нижняя частота, f в – верхняя частота.

При испытаниях скользящей синусоидой используется логарифмический масштаб изменения частоты. Это делается с целью обеспечения условий равного нагружения объекта испытаний на разных частотах. Так при частоте 10 Гц за 1секунду происходит 10 циклов колебаний. Эти же 10 циклов колебаний занимают одну сотую секунды при частоте 1000 Гц. Это значит, что для обеспечения равнонагруженного состояния (равного количества циклов колебаний) на разных частотах с увеличением частоты время колебаний на этой частоте должно уменьшаться.

Наиболее часто используется скорость изменения частоты 1 окт./мин. Если испытания начинаются с 10 Гц, то первую минуту будет пройден диапазон 10 Гц – 20 Гц, за следующую минуту - 20 Гц – 40 Гц и т.д. Для частотного диапазона 15 Гц – 1000 Гц количество октав равно 6.1. При скорости 1 октава в минуту время испытаний составит 6.1 минуты.

ЧТО ТАКОЕ СЛУЧАЙНАЯ ВИБРАЦИЯ?

Если мы возьмем конструкцию, состоящую из нескольких балок различной длины и начнем ее возбуждать скользящей синусоидой, то каждая балки будет интенсивно колебаться при возбуждении ее собственной частоты. Однако если мы возбудим эту же конструкцию широкополосным случайным сигналом, то мы увидим, что все балки начнут сильно раскачиваться, как будто в сигнале одновременно присутствуют все частоты. Это так и в то же время не так. Картина будет более реальной, если мы предположим, что в течение некоторого промежутка времени эти частотные компоненты присутствуют в сигнале возбуждения, но их уровень и фаза изменяются случайным образом. Время – вот ключевой момент в понимании случайного процесса. Теоретически мы должны учитывать бесконечный период времени, чтобы иметь истинный случайный сигнал. Если сигнал действительно случайный, то он никогда не повторяется.

Раньше для анализа случайного процесса применялась аппаратура на основе полосовых фильтров, которые выделяли и оценивали отдельные частотные составляющие. Современные анализаторы спектров используют алгоритм быстрого преобразования Фурье (БПФ). Случайный непрерывный сигнал измеряется и дискретизируется по времени. Затем для каждой временной точки сигнала вычисляется синусная и косинусная функции, которые определяют уровни частотных компонент сигнала, присутствующих в анализируемом периоде сигнала. Далее проводится измерение и анализ сигнала для следующего временного интервала и его результаты усредняются с результатами предыдущего анализа. Так повторяется до тех пор, пока не будет получено приемлемое усреднение. На практике число усреднений может колебаться от двух – трех до нескольких десятков и даже сотен.

На рисунке, представленном ниже, показано как сумма синусоид с различными частотами образуют сигнал сложной формы. Может показаться, что суммарный сигнал является случайным. Но это не так, потому что составляющие имеют постоянную амплитуду и и фазу и изменяются по синусоидальному закону. Таким образом, показанный процесс периодический, повторяющийся и предсказуемый.

В действительности случайный сигнал имеет составляющие, амплитуды и фазы которых изменяются случайным образом.

На рисунке ниже показан спектр суммарного сигнала. Каждая частотная составляющая суммарного сигнала имеет постоянную величину, но для истинно случайного сигнала величина каждой составляющей будет все время изменяться и спектральный анализ покажет усредненные по времени значения.

Частота, Гц

Алгоритм БПФ обрабатывает случайный сигнал в течение времени проведения анализа и определяет величину каждой частотной составляющей. Эти величины представляются среднеквадратическими значениями, которые затем возводятся в квадрат. Так как мы измеряем ускорение, то единицей измерения будет перегрузка gn скв, а после возведения в квадрат - gn 2 скв. Если частотное разрешение при анализе равно 1 Гц, то измеряемая величина будет выражаться как количество ускорения возведенного в квадрат в частотном диапазоне шириной 1Гц и единицей измерения будет gn 2 /Гц. При этом нужно помнить, что gn – это gn скв.

Единица gn 2 /Гц используется при вычислении спектральной плотности и по существу выражает среднюю мощность, заключенную в частотном диапазоне шириной 1 Гц. Из профиля испытаний случайной вибрацией мы можем определить суммарную мощность, сложив мощности каждого диапазона шириной 1 Гц. Профиль, показанный ниже, имеет всего три диапазона шириной 1 Гц, но рассматриваемый метод применим к любому профилю.

Спектральная плотность,

g скв 2 /Гц

Частота, Гц

(4 g 2 /Гц = 4g скв 2 в каждом диапазоне шириной 1 Гц)

Суммарное ускорение (перегрузку) gn скв профиля можно получить сложением, но так как значения являются среднеквадратическими, то они суммируются следующим образом:

Такой же результат можно получить используя более общую формулу:

Однако профили случайной вибрации, используемые в настоящее время, редко являются плоскими и больше похожи на горный массив в разрезе.

Спектральная плотность,

g скв 2 /Гц

(лог. шкала)

Частота, Гц (лог. шкала)

На первый взгляд определение суммарного ускорения gn показанного профиля задача довольно простая, и определяется как среднеквадратическая сумма значений четырех сегментов. Однако профиль показан в логарифмическом масштабе и наклонные прямые на самом деле не прямые. Эти линии являются экспоненциальными кривыми. Поэтому нам нужно вычислить площадь под кривыми, а это задача намного сложнее. Как это сделать, мы рассматривать не будем, но можно сказать, что суммарное ускорение равно 12.62 g скв.

Для чего нужно знать суммарное ускорение при случайной вибрации?

В режиме случайной вибрации вибрационная испытательная система имеет номинальную толкающую силу, которая выражается в Н скв или кгс скв. Заметьте, что сила определяется среднеквадратическим значением в отличие от синусоидальной вибрации, где используется амплитудное значение. Формула для определения силы такая же: F = m*a, но так как сила имеет среднеквадратическое значение, то и ускорение должно быть среднеквадратическим.

Сила (Н скв.) = масса (кг) * ускорение (м/с 2 скв.)

Сила (кгс скв.) = масса (кг) * ускорение (gn скв.)

Помните, что под массой понимается общая масса всех подвижных частей!

Что понимается под перемещением при случайной вибрации?

Для нас важно знать перемещение при заданном профиле испытаний, так как оно может превысить максимально допустимое перемещение вибратора. Не вдаваясь в подробности, мы знаем, как рассчитать суммарное среднеквадратическое ускорение и нет причин мешающих нам определить среднеквадратическую скорость и среднеквадратическое перемещение для данного профиля. Трудности появляются тогда, когда мы хотим перейти от среднеквадратического значения к амплитудному или к размаху. Давайте вспомним, что отношение амплитудного значения к среднеквадратическому называется пик-фактором, который для синусоидального сигнала равен корню квадратному из 2. Коэффициенты перехода от среднеквадратического значения к амплитудному и обратно равны соответственно 1.414 (2) и 0.707 (1/2). Однако мы имеем дело не с синусоидальным сигналом, а со случайным процессом, у которого теоретический пик-фактор равен бесконечности, так как амплитудное значение случайного сигнала может быть равно бесконечности. На практике значение пик-фактора принимают равным 3. На рисунке показана кривая нормального распределения случайного сигнала. По статистике, если ограничиться шириной интервала 3, то это охватит 99.73% всех возможных значений амплитуд истинного случайного сигнала.

Плотность вероятности

Кривая нормального распределения

Следовательно, если принять, что при пик-факторе равном трем контроллер случайной вибрации будет генерировать случайный сигнал с максимальной амплитудой в три раза превышающей среднеквадратическое значение, то из этого следует, что расчетное перемещение будет равно суммарному среднеквадратическому перемещению умноженному на значение пик-фактора и умноженному на 2. Это расчетное перемещение не должно превышать максимально допустимое перемещения вибратора.

Практические аспекты выбора значения пик-фактора

Мы можем сделать так, чтобы контроллер случайной вибрации генерировал сигнал с пик-фактором равным 3, который через вибратор будет передаваться испытываемому образцу. К сожалению и вибратор и образец являются существенно нелинейными системами и имеют резонансы. Эта нелинейность с резонансами будет вызывать искажения. В конечном итоге мы увидим, что пик-фактор, измеренный на столе вибратора или объекте испытаний, будет значительно отличаться от первоначально заданного! Контроллеры случайной вибрации не корректируют это автоматически.

Внеполосовая мощность

Необходимо обратить внимание на эффект, который может проявиться при возбуждении случайным сигналом образца, разработанного для эксплуатации в частотном диапазоне, например, до 1000 Гц. Генерируемый контроллером сигнал может возбудить резонансные частоты, лежащие намного выше частоты 1000 Гц. Эти частоты возбуждаются гармониками. Поэтому нелишне контролировать мощность сигнала выше диапазона испытаний, так как она может вызвать разрушение работоспособного в заданном диапазоне частот (в данном случае - до 1000 Гц) образца.

Узкополосная случайная вибрация

Толкающая сила вибраторов в режиме случайной вибрации измеряется при следующих условиях:

масса нагрузки примерно в два раза больше массы арматуры (подвижной части вибратора)

профиль испытаний соответствует стандарту ISO 5344

отношение амплитудного значения к среднеквадратическому значению ускорения не менее 3-х.

Вибрационные испытательные системы имеют нелинейную частотную характеристику (на одних частотах их эффективность выше, на других ниже), и случайный процесс на частотах ниже 500 Гц воспроизводится с меньшей эффективностью. В этом случае усилителю может не хватить мощности, чтобы создать необходимую толкающую силу. Выбор более мощного усилителя решит эту проблему.

ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ

Наиболее часто используемые единицы измерения плотности спектра мощности следующие:

В любом случае нужно помнить, что ускорение выражается в среднеквадратических значениях.

Чтобы преобразовать единицы измерений:

КАК ВЛИЯЕТ ВИБРАЦИЯ НА МОЮ ПРОДУКЦИЮ?

Вся продукция подвергается действию вибрации, о которой мы в большинстве случаев мало что знаем. Причиной вибрации являются условия эксплуатации продукции, ее транспортировка или сама продукция. Например, электронные компоненты стиральной машины подвергаются действию сильной вибрации. Нам необходимо понимать последствия действия вибрации, чтобы это помогло создавать продукцию высокого качества и надежности.

Если мы рассмотрим автомобильную магнитолу, установленную на приборной панели, то она подвергается действию вибрации. Источниками вибрации являются двигатель, трансмиссия, профиль дороги. Диапазон частот вибрации обычно лежит в пределах 1 Гц – 1000 Гц. Например, скорость вращения двигателя 3000 об./мин соответствует частоте 50 Гц. Эта вибрация передается на панель приборов даже если двигатель установлен на виброизолирующие опоры, которые теоретически не должны пропускать вибрацию на кузов автомобиля. Итак, у нас есть источник вибрации, который возбуждает панель приборов и автомагнитолу.

Приборная панель

Вибрация

Вибрация, создаваемая источником, может быть небольшая, но к моменту достижения магнитолы уровень вибрации может значительно увеличиться за счет резонансов кузова автомобиля и приборной панели.

Резонанс

Хорошим примером резонанса является звук, издаваемый бокалом, если водить мокрым пальцем по его краю. Стенки бокала начинают колебаться на собственной частоте. Эти колебания вызывают звуковые волны, которые мы слышим. Сами колебания вызываются трением пальца о стекло. Известна история об оперном певце, который своим голосом разбил бокал. Если частота звуковых колебаний совпадет с собственной частотой колебаний стенок бокала, колебания могут стать такими интенсивными, что стекло лопнет.

Край фужера при резонансе

Резонансной частотой предмета является частота, на которой предмет будет колебаться естественным путем, если его вывести из состояния равновесия. Например, при щипке гитарной струны она будет колебаться на резонансной частоте, колокол после удара также будет колебаться на резонансной частоте.

Балка при резонансе

воздействие

Усиление = 20

На рисунке показано как резонанс усиливает колебания. В этом примере возбуждающее перемещение амплитудой 1 мм вызывает колебания балки амплитудой 20 мм, величина которой в определенной степени зависит и от добротности балки. Чрезмерный изгиб балки может привести к ее усталостному разрушению.

Острота резонанса, известная как добротность (критерий качества), определяется величиной демпфирования. Влияние демпфирования можно услышать, прикоснувшись рукой к звучащему колоколу: рука будет демпфировать его вибрацию, т.е. амплитуду колебаний и звук колокола изменится и быстро затухнет.

На рисунке ниже показан резонансный пик на частоте f. Чем больше демпфирование, тем ниже и шире резонансный пик. Демпфирование выражается через добротность Q, которая определяет ширину резонансной кривой по уровню половинной мощности (А/2) или уровню –3 дБ от А, где А – максимальная амплитуда. (-3 дБ величина округленная, точное значение равно –3.0102299957 дБ).

Уровень

Частота

Как резонанс влияет на автомагнитолу?

Ослабление кожуха (дребезг)

Излом кабеля

Удар

Приборная панель

Повреждение

платы

Эта картинка иллюстрирует:

Плохо закрепленная печатная плата будет изгибаться и со временем треснет или сломается.

При резонансе печатной платы она передает высокие уровни колебаний электронным компонентам, которые могут преждевременно выйти из строя.

Кабели и провода могут со временем переломиться в точке крепления к плате из-за усталостных напряжений.

Если все устройство не будет тщательно закреплено, оно может ударяться о другие элементы приборной панели, вызывая раздражающее дребезжание, но что более опасно, подвергать ударным нагрузкам электронные компоненты и вызывать их резонансные колебания.

Так как в автомагнитоле есть кассетный магнитофон, то вибрация лентопротяжного механизма может вызвать завывание и дребезжание звука, повреждение пленки.

ИЗОЛЯЦИЯ ВИБРАТОРА

При работе в вертикальном положении вибратор создает толкающее усилие, направленное вертикально. Согласно третьему закону Ньютона каждое действие вызывает противодействие. Из этого следует, что прикладывая силу к нашему объекту испытаний мы воздействуем такой же силой на пол.

Объект испытаний

Сила

Так как большинство зданий имеют собственную частоту порядка 15 Гц, то возбуждаются резонансные частоты не только предметов, окружающие вибратор, но и резонансные частоты здания, а это в некоторых случаях может привести к повреждению здания.

Чтобы такая проблема не возникла можно применить сейсмическую массу – обычно большой бетонный блок, вес которого должен быть не менее, чем в 10 раз больше максимальной толкающей силы, развиваемой вибратором,

или использовать некоторые другие методы изоляции, такие как пневматические опоры, или опоры из резины.

Арматура

Перемещение арматуры

Пневмопружина

Перемещение корпуса

Большинство вибраторов поставляются с элементами виброизоляции. Однако при этом возникает другая проблема, связанная с движением корпуса вибратора. Из-за того, что корпус вибратора изолирован от пола с помощью "пружин", при движении арматуры вибратора с нагрузкой вверх, корпус вибратора стремиться двигаться вниз. Перемещение корпуса вибратора уменьшает перемещение стола вибратора относительно пола и, следовательно, ускорение стола, которое имеет абсолютное значение. Величина перемещения корпуса связана с отношением общей подвижной массы к массе корпуса вибратора. Чем тяжелее полезная нагрузка, тем больше перемещение корпуса. Максимальное перемещение стола относительно пола можно определить по следующей формуле:

К сожалению, виброизоляторы имеют резонансы на частотах 2.5 Гц, 5 Гц, 10 Гц или 15 Гц в зависимости от типа изолятора. Если вибратор работает большим с перемещением на частоте резонанса изолятора, то приведенная формула не имеет смысла, так как объект испытаний будет оставаться неподвижным, в то время как корпус вибратора будет двигаться.

ОПРОКИДЫВАЮЩИЙ МОМЕНТ

Существует правило, согласно которому центр тяжести объекта испытаний и оснастки следует размещать на продольной оси арматуры. Если это правило не соблюдать, то можно:

перегрузить объект испытаний

повредить вибратор

Конструкция вибратора обеспечивает передачу толкающего усилия вдоль оси арматуры, поэтому смещение полезной нагрузки и оснастки от продольной оси вызывает "опрокидывание" арматуры. Это опрокидывающее движение воспринимается направляющими арматуры и нагружает их, что, в крайнем случае, может привести к повреждению подшипников направляющих и подвижной катушки. Объект испытаний также подвергается воздействию поперечных нагрузок, которые не предусмотрены режимами испытаний. Если оснастка недостаточно жесткая, у нее возможен резонанс в поперечном направлении, при котором на объект испытаний действует значительная неконтролируемая вибрация. Например, при поперечном ускорении 5g, вызванном смещением нагрузки и оснастки, имеющей добротность на частоте резонанса Q=50, объект испытаний на этой частоте будет иметь ускорение 250g!

Контроль

Для предупреждения такой ситуации хорошим правилом является контроль поперечного ускорения. В тех случаях, когда поперечным ускорением нельзя пренебречь, можно в рамках стратегии управления уменьшить перемещение в вертикальном направлении, чтобы не перегрузить объект испытаний. Такой метод используется при многоканальном управлении, когда управляющий сигнал формируется по реакции испытываемого объекта в нескольких точках.

Если ваша оснастка жесткая, тщательно спроектирована и изготовлена, центры тяжести оснастки и объекта испытаний лежат на продольной оси стола вибратора, то опрокидывающий момент будет минимальным и его можно не учитывать.

Примечание . При вибрации сложной конструкции положение ее центра тяжести может зависеть от частоты возбуждения, поэтому на разных частотах положение центра тяжести будет другим.

В вокальных партиях Ричард нередко использовал, скорее, ... , барабанщик Джинджер Бейкер , пианист Джонни... еще во введении , рок подразделяется... незамысловатые сценки полугероического содержания . Адам Энт, ... нотами, особой крупной вибрацией в конце фразы, ...

- (октава) полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 2 … Российская энциклопедия по охране труда

октавная полоса частот - октава Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 2. [ГОСТ 24346 80] Тематики вибрация Синонимы октава EN octave DE oklavband FR octave … Справочник технического переводчика

Октавная полоса частот - 36. Октавная полоса частот Полоса частот, у которой отношение верхней граничной частоты к нижней равно 2 Источник …

октавная полоса - 3.6 октавная полоса (octave band): Диапазон частот, в котором верхняя частота равна удвоенной нижней. Примечание Октавные полосы указаны в таблице 1. Таблица 1 Стандартные полосы частот В герцах Октавная полоса Третьоктавная полоса Нижняя частота … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

октавная полоса - диапазон частот, при котором наивысшая частота вдвое больше самой низкой частоты … Русский индекс к Англо-русскому словарь по музыкальной терминологии

диапазон частот - 06.01.128 диапазон частот (оборудование) : Диапазон частот, на который может быть настроено оборудование для работы. Примечание Диапазон частот оборудования может быть разделен на переключаемые поддиапазоны,… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

диапазон частот измерений - 3.17 диапазон частот измерений (frequency range of interest): Третьоктавные полосы частот со среднегеометрическими частотами от 50 до 10000 Гц. Примечание Для определенных областей применения глушителей достаточно ограничиться измерениями в… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 24346-80: Вибрация. Термины и определения - Терминология ГОСТ 24346 80: Вибрация. Термины и определения оригинал документа: 112. Автоколебания Колебания системы, возникающие в результате самовозбуждения Определения термина из разных документов: Автоколебания 137. Активная виброзащита… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

РД 34.21.306-96: Методические указания по обследованию динамического состояния строительных конструкций сооружений и фундаментов оборудования энергопредприятий - Терминология РД 34.21.306 96: Методические указания по обследованию динамического состояния строительных конструкций сооружений и фундаментов оборудования энергопредприятий: 54. Автоколебания Колебания системы, возникающие в результате… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ГОСТ 23499-79: Материалы и изделия строительные звукопоглощающие и звукоизоляционные. Классификация и общие технические требования - Терминология ГОСТ 23499 79: Материалы и изделия строительные звукопоглощающие и звукоизоляционные. Классификация и общие технические требования оригинал документа: 9. Звукоизоляционный материал Материал, характеризующийся вязкоупругими свойствами … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации