ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Визуализация речи из "Звуковые волны Издание 2 " Визуализация речи. Если имеется целый набор резонаторов (фильтров), настроенных на различные частоты, можно проводить анализ при одновременном воздействии сложного исследуемого колебания на все резонаторы сразу. Такой метод анализа называют одновременным. Он может быть применён для исследования быстропротекающих (или переходных) процессов. Мы рассмотрим применение метода одновременного анализа для визуализации речи. Визуализация речи, кроме выяснения особенностей речи, исследования фонетических особенностей языка и музыкальной акустики, даёт возможность судить о дефектах речи и позволяет глухим посредством зрения в определённой степени воспринимать живую речь. [c.158] На рис. 93 приведена блок-схема одного из возможных методов визуализации речи с использованием одновременного анализа. Звуковой сигнал (речь) с микрофона после соответствующего усиления попадает одновременно на 12 фильтров фильтры имеют полосы пропускания в 300 гц и перекрывают диапазон от самых низких звуковых частот до частоты 3500 ги, (на блок-схеме нижний фильтр пропускает наиболее низкие частоты). Выход каждого из фильтров соединён с лампочкой лампочки расположены одна над другой на одинаковом расстоянии. Свет от лампочки попадает на флуоресцирующий экран с послесвечением этот экран протягивается с постоянной скоростью при помощи электромотора. Чем больше амплитуда напряжения на выходе фильтра (чем больше в сигнале выражены частоты, соответствующие полосе пропускания фильтра), тем ярче горит лампочка. Таким образом, на экране возникает звуковая спектрограмма исследуемого изменяющегося процесса в обычной прямоугольной системе координат по горизонтальной оси изменяется время, по вертикальной— частота степень освещённости экрана соответствует интенсивности звука. [c.158] На рис. 94 и 95 показаны образцы спектрограмм. [c.158] До сих пор мы имели дело только со звуковыми волнами в воздухе, частоты которых простирались от гцАо20кгц. Однако диапазон частот упругих колебаний не ограничивается этим участком спектра. [c.159] Наши глаза воспринимают очень узкую полоску спектра электромагнитных волн от 7-10 см (красный цвет) до 4-10 см (фиолетовый цвет) весь же спектр электромагнитных волн имеет колоссальный диапазон — от километровых радиоволн до длин волн в 10 —10 сл (гамма-лучи). Подобно этому наши уши обладают чувствительностью только к очень узкой полоске спектра упругих волн — от длин волн в 20 м, что соответствует частоте 16 гц, до длин волн в 1,7 см, что соответствует частоте 20 000 гг . Весь же спектр упругих волн простирается от длин волн в сотни метров (инфразвук) до длин волн, имеющих тот же порядок, что и длины световых волн при тепловых колебаниях молекул газов, жидкостей и твёрдых тел частоты излучаемых ими упругих волн имеют порядок 10 —10 гц, соответствующие длины волн (в воздухе) достигают величин, в тысячи раз меньших, чем длина световых волн. [c.159] Мы говорили уже, что упругие колебания с частотой выше 20 ООО гц называются ультразвуком. Некоторые животные обладают способностью слышать звуки более высоких частот, чем человек. Так, птицы весьма болезненно реагируют на ультразвук частоты порядка 25 кгц применялись специальные мощные ультразвуковые установки для отпугивания морских чаек, которые загрязняли водоёмы с пресной питьевой водой. Чайки, как и другие птицы, избегали залетать в зону распространения ультразвуковых волн. [c.159] Мелкие насекомые при своём полёте создают звуки весьма высоких частот. [c.160] МЫШИ излучают ультразвуковые импульсы, следующие один за другим с частотой от нескольких герц до нескольких десятков герц. [c.160] Эти импульсы состоят из ультразвуковых колебаний, имеющих частоты от 20 до 50 — 60 кгц (частоты разнятся для разных видов мышей). Воспринимая своим слуховым аппаратом отражённые от препятствий импульсы ультразвука, мыши определяют направление на отражающий объект и расстояние до него. [c.160] На рис. 96 приведена осциллограмма ультразвукового импульса летучей мыши, принятого ультразвуковым приёмником и сфотографированного с экрана электронного осциллографа. [c.161] За последние 20 —- 25 лет ультразвук начинает играть всё ббльшую роль не только в научных исследованиях, но и в решении большого круга технических и практических задач — в подводной сигнализации и связи, ультразвуковой дефектоскопии металлов и сплавов, в медицине и т. д. [c.161] По своей природе ультразвуковые волны ничем не отличаются от звуковых волн. Однако благодаря большим частотам и, следовательно, малым длинам волн они обладают рядом особенностей. В настоящее время удаётся получать ультразвук с частотой колебаний до нескольких сот миллионов герц, что соответствует длине волны в воздухе см, т. е. величине такого же порядка, как длина световой волны. [c.161] Такие источники звука, как телефон или электродинамический громкоговоритель, не могут излучать частоты, большие чем 15 000 — 20 000 гц. Это понятно, так как при высоких ультразвуковых частотах потребовались бы очень большие силы, чтобы привести в колебания с достаточной амплитудой мембрану телефона или диффузор громкоговорителя. Действительно, при синусоидальных колебаниях какого-либо тела скорость тела пропорциональна частоте колебаний, а ускорение пропорционально квадрату частоты. Из основ механики мы знаем, что сила равна массе, умноженной на ускорение тела. Поэтому, если частота увеличивается, например, в 10 раз, величина вынуждающей силы должна быть больше в 100 раз, чтобы мембрана телефона или диффузор громкоговорителя совершали колебания с одинаковой амплитудой как в первом, так и во втором случае. [c.161] При высоких ультразвуковых частотах потребовались бы очень большие силы, чтобы привести в колебание мембрану или диффузор с достаточной амплитудой. [c.161] Получение высоких частот механических колебаний в настоящее время основано главным образом на использовании так называемых пьезоэлектрического и магнитострикционного эффектов. [c.161] Пьезоэлектрический эффект. Целый ряд кристаллов — кварц, турмалин, сегнетовая соль — обладает замечательным свойством. Если из них определённым образом вырезать пластинку, то при сжатии или растяжении такой пластинки на её поверхности появляется электрический заряд — на одной стороне положительный, на другой — отрицательный. Такой кристалл, как говорят, обладает пьезоэлектрическим эффектом. Слово пьезо означает давление пьезоэлектричество — это возникновение электрического заряда при механическом давлении. Возникновение зарядов на поверхности кристаллической пластинки при давлении на неё называется прямым пьезоэлектрическим эффектом. Замечательно, что наряду с прямым пьезоэлектрическим эффектом существует также обратный пьезоэлектрический эффект, заключающийся в том, что размеры пластинки изменяются под действием электрического поля. Если пластинку покрыть с двух сторон металлическими электродами (например, алюминиевой фольгой) и присоединить к ним электрическую батарею, то толщина пластинки несколько изменится (например, произойдёт сжатие) при изменении знака приложенного напряжения сжатие пластинки меняется на растяжение. [c.162] Кварцевые пластинки как излучатели и приёмники ультразвука. На рис. 97 показаны естественные кристаллы кварца, на рис. 98 приведён чертёж шестигранной кристаллической призмы кварца. Главные оси кристалла X, V, Z носят название, соответственно, электрической, механической и оптической оси. Из кварца можно вырезать пластинки под самыми различными углами к этим осям. Наиболее часто в ультразвуковой технике применяются пластинки так называемого среза Ху или среза Кюри , вырезаемые перпендикулярно к электрической оси X кристалла. [c.162] Обычно на вырезанную из кристалла пластинку накладываются металлические электроды в виде фольги или металлических хорошо отшлифованных пластин. Кроме того, часто применяют металлизацию поверхности пластинки, т. е. покрывают её тонким слоем серебра или хрома. Если к электродам пластинки среза X приложить переменное напряжение, то в такт с колебаниями напряжения пластинка будет то сжиматься, то растягиваться. Грани пластинки будут колебаться относительно друг друга, и если одна из граней соприкасается с какой-либо средой (например, воздухом), в которой могут распространяться упругие волны, то будет происходить излучение волн. Однако пьезомодуль у кварца весьма мал 1000 в даёт изменение толщины пластинки лишь на 2.10 см. [c.165] Поэтому, для того чтобы амплитуды колебаний пластинки имели значительную величину, приходится большей частью работать на таких частотах прилагаемого переменного напряжения, которые совпадают с собственной частотой колебаний самой пластинки, т. е. использовать явление резонанса. [c.165] Мы должны здесь несколько забежать вперёд и указать на то, что упругие волны сжатия и разрежения могут возникать и распространяться не только в газообразной среде, но и в твёрдых телах такое тело представляет собой наша пластинка. При колебаниях пластинки по толщине в ней происходят сжатия и разрежения, распространяющиеся с определённой скоростью — скоростью упругих волн в кварце. Эти волны, доходя до поверхности пластинки, отражаются от неё и начинают двигаться в противоположном направлении. [c.165] Вернуться к основной статье