Tài liệu Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ NGỌC QUỐC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ KIỂM TRA ÂM THANH TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Đà Nẵng - Năm 2017 ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐỖ NGỌC QUỐC NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ KIỂM TRA ÂM THANH TỰ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ Điện tử Mã số: 60.52.01.14 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ Người hướng dẫn khoa học: TS. LƯU ĐỨC BÌNH Đà Nẵng - Năm 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tác giả luận văn ký và ghi rõ họ tên Đỗ Ngọc Quốc MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN DANH MỤC CÁC HÌNH MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Lý do chọn đề tài .....................................................................................................1 2. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................1 4. Phương pháp nghiên cứu .........................................................................................1 6. Dự kiến kết quả đạt được ........................................................................................2 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ÂM THANH VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ÂM THANH ...3 1.1. Tổng quan về âm thanh .........................................................................................3 1.1.1. Lý thuyết về âm thanh ..................................................................................3 1.1.1.1. Khái niệm về âm thanh ..........................................................................3 1.1.1.2. Các đặc tính của âm thanh .....................................................................4 1.2. Xử lý tín hiệu số ....................................................................................................7 1.2.1. Lấy mẫu và khôi phục tín hiệu liên tục theo thời gian .................................8 1.2.2. Các bộ lọc số (Digital Filters) .......................................................................9 1.2.3. Cửa sổ tín hiệu ..............................................................................................9 1.2.4. Vectơcơsở - Tích chập - Tích nội-Tính trực giao .......................................10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ..............................................................................................11 Chương 2 - GIỚI THIỆU VỀTAI NGHE VÀ CÁC THÔNG SỐ CẦN KIỂM TRA ...............................................................................................................................12 2.1. Giới thiệu về tai nghe headphone ........................................................................12 2.1.1. Phân loại .....................................................................................................12 2.1.2. Cấu tạo của tai nghe Headphone ................................................................16 2.1.2.1. Đầu cắm và dây cord dẫn điện ( Cord assy with plug ) ......................16 2.1.2.2. Bộ điều chỉnh và micro ( Mic box ) ....................................................16 2.1.2.3. Phần phát âm (Earset)..........................................................................17 2.1.3. Nguyên lý phát âm trong tai nghe ...............................................................18 2.2. Các thông số của âm thanh cần kiểm tra .............................................................18 2.2.1. Kiểm tra trở kháng của tai nghe (IMP) .......................................................18 2.2.2. Kiểm tra tần số cộng hưởng (Fo).................................................................19 2.2.3. Kiểm tra giá trị độ nhạySPL : Sound pressure level ...................................20 2.2.4. Kiểm tra đường sóng cường độ âm FC.......................................................20 2.2.5. Kiểm tra lỗi âm thanh lạ ( Buzz sound ) .....................................................21 2.3. Phương pháp kiểm tra âm thanh hiện tại ............................................................22 2.3.1. Nguyên lý đo của máy Etani .......................................................................22 2.3.2. Cách sử dụng máy đo Etani ........................................................................23 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ..............................................................................................24 Chương 3 - THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOMÁY KIỂM TRA ÂM THANH TỰ ĐỘNG ...........................................................................................................................25 3.1. Thiết kế cơ khí máy kiểm tra âm thanh tai nghe tự động ...................................25 3.1.1. Yêu cầu chung thiết kế máy kiểm tra âm thanh tự động ............................25 3.1.2. Lựa chọn cấu tạo của mô hình máy tự động ...............................................25 3.1.2.1. Lựa chọn số lượng điểm đo .................................................................25 3.1.2.2. Lựa chọn phương án cách âm..............................................................26 3.1.2.3. Mô hình như thiết kế máy kiểm tra âm thanh tự động: .......................27 3.1.3. Thiết kế cụm gắp đưa sản phẩm vào và ra khỏi hộp kiểm tra: ...................27 3.1.3.1. Yêu cầu thiết kế cụm gắp đưa sản phẩm vào và ra: ............................27 3.1.3.2. Lựa chọn Robot ...................................................................................28 3.1.4. Thiết kế hộp đo cách âm .............................................................................30 3.1.5. Lựa chọn cơ cấu chuyển hàng đến công đoạn kế tiếp ................................31 3.1.5.1. Sử dụng bộ truyền đai .........................................................................31 3.1.5.2. Một số thông số thiết kế ban đầu .........................................................31 3.2. Nguyên lý thiết kế điều khiển thiết bị kiểm tra ...................................................32 3.2.1. Kiểm tra tổng trở .........................................................................................33 3.2.2. Kiểm tra góc pha .........................................................................................34 3.2.3. Kiểm tra giá trị độ nhạySPL tại 1KHz (Sound Pressure Level) .................34 3.2.4. Kiểm tra tần số cộng hưởng Fo ...................................................................35 3.2.5. Kiểm tra đường tần sóng Fc ( Frequency cuvre) ........................................36 3.2.6. Kiểm tra âm thanh lạ ...................................................................................37 3.3. Sơ đồ khối chương trình PLC .............................................................................39 3.4. Thiết kế giao diện chương trình ..........................................................................40 3.5. Chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động .........................................................41 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ..............................................................................................44 Chương 4 - KẾT LUẬN VÀ TRIỂN VỌNG.............................................................45 4.1. Kết luận ...............................................................................................................45 4.2. Triển vọng ...........................................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (Bản sao) PHỤ LỤC TÓM TẮT LUẬN VĂN THIẾT KÊ CHẾ TẠO MÁY KIỂM TRA ÂM THANH TỰ ĐỘNG Học viên: Đỗ Ngọc Quốc Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số: 60.52.01.14 Khóa: K33 PFIEV. Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Với sự phát triển của khoa học kỹ thuật, việc tự động hoá dây chuyền sản xuất là điều cần thiết nhằm đảm bảo tính hiệu quả của quá trình sản xuất, đồng thời giảm chi phí nhân công lao động cũng như giảm sự mệt mỏi trong cho người lao động. Đề tài “Thiết kế chế tạo máy kiểm tra âm thanh tự động ” đã mở ra một hướng đi mới trong quá trình tự động hoá dây chuyền sản xuất. Công đoạn kiểm tra âm thanh là một trong những công đoạn khó nhất trong dây chuyền sản xuất tai nghe và các sẩn phẩm âm thanh. Máy kiểm tra âm thanh được thiết kế với mục tiêu tăng độ tin cây trong quá trình kiểm tra, không phụ thuộc vào lao động thủ công. Máy kiểm tra bao gồm một hệ Robot cung cấp sản phẩm vào và lấy sản phẩm ra, được điều khiển bằng PLC. Đồng thời PLC này được kết nối giao tiếp với máy tính để thực hiện việc đo đạc và thu thập dữ liệu. Chương trìnhkiểm tra được viết bằng Matlap với các giao diện hiệu chỉnh và cài đặt thông số. Từ khoá: Dây chuyền sản xuất headphone, máy kiểm tra âm thanh, xử lý tín hiệu âm thanh DESIGN AND MANUFACTURE AUTOMATICAL SOUND CHECK MACHINE With the development of science and technology, automation of the production line is essential to ensure the efficiency of the production process while reducing labor costs as well as reducing fatigue. For employees. The topic "Design and manufacture of automatic sound check machine" has opened a new direction in the process of automating the production line. Audio testing is one of the most difficult parts in the production line of headphones and audio products. Sound testers are designed with the goal of increasing tree reliability during testing, regardless of manual labor. The test machine consists of a robot system that supplies input and output products, controlled by a PLC. At the same time the PLC is connected to communicate with the computer to perform measurements and data collection. The test program is written in Matlap with calibration interfaces and parameter settings. Keywords: Headphone production line, sound tester, audio signal processing DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1. Sóng sin có biên đô A = 60 dB và tần số f = 100Hz 4 1.2. Mô hình máy kiểm tra âm thanh tự động 27 1.3. Sơ đồ đấu nối thiết bị đến Robocylinder 29 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Hiện nay tại hầu hết tất cả các dây chuyển gia công chế tạo các sản phẩm âm thanh tai nghe việc kiểm tra chủ yếu đều dựa vào thao tác của công nhân là chủ yếu, công nhân sẽ cầm sản phẩm đưa vào máy đo rồi đưa lên tai để nghe kiểm tra âm thanh lạ. Tuy nhiên việc kiểm tra bằng phương pháp này có rất nhiều nhược điểm như sau: - Việc kiểm tra trong một thời gian dài dễ ảnh hưởng sức khỏe vì công nhân phải nghe lien tục các tín hiệu âm thanh - Độ ổn định của việc kiểm tra không cao vì khi công nhân mệt mởi có thể bỏ sót các lỗi, đồng thời khi kiểm tra phụ thuộc vào cảm tính của mỗi công nhân nên có thể mỗi người công nhân sẽ cho ra những kết quả khác nhau. - Tốn rất nhiều nhân lực vào việc kiểm tra sẽ là một lãng phí. Chi phí khi kiểm tra bằng thủ công này đòi hỏi nhà máy phải xây dựng các phòng cách âm với chi phí cao và tốn diện tích nhà máy. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu chính của đề tài này là thực hiện nghiên cứu về âm thanh và thiết bị kiểm tra âm thanh trong dây chuyền sản xuất sản phẩm âm thanh và tai nghe. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng nghiên cứu - Các thiết bị kiểm tra âm thanh và dây chuyền sản xuất các sản phẩm về âm thanh và tai nghe. - Sản phẩm card âm thanh nhằm thu và phát âm thanh. - Bộ điều khiển PLC Mishubisi - Dòng sản phẩm thu tín hiệu âm thanh microphone Panasonic - Dòng robot cylinder và các sản phẩm cylinder của SMC 3.2. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu thiết bị kiểm tra âm thanh và việc kiểm tra âm thanh trong dây chuyền sản xuất sản phẩm âm thanh và tai nghe. 4. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực tế tại công ty TNHH Điện tử Foster Đà Nẵng 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Đề tài “ Thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động” 5.1. Ý nghĩa khoa học Đề tài ”Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động” nhằm nghiên cứu về âm thanh và các đặc tính của âm thanh. Ứng dụng Matlab trong việc xử lý và phân tích âm thanh 2 Xử dụng kết nối máy tính với PLC để điều khiển Robot Cylinder Tạo tiền đề cho việc chế tạo ra thiết bị kiểm tra âm thanh lạ của thiết bị tai nghe, hiện tại hầu hết việc này đều sử dụng tai người và kiểm tra thủ công. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài ”Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động” nhằm đáp ứng xu hướng tự động hóa nâng cao hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong việc kiểm tra âm thanh sản phẩm và đặc biệt là nâng cao môi trường làm việc cho người lao động. Giảm chi nhân công lao động và chi phí kiểm soát qui trình. Ngoài ra việc chế tạo máy kiểm tra âm thanh tự động sẽ giảm được chi phí đầu tư vì các thiết bị kiểm tra âm thanh hiện tại trên thị trường có chi phí rất cao. 6. Dự kiến kết quả đạt được - Nêu tổng quan về nguyên lý kiểm tra âm thanh sản phẩm tai nghe. - Xây dựng được thuật toán kiểm tra âm thanh và đặc biệt là kiểm tra âm thanh lạ tự động. - Chế tạo máy kiểm tra âm thanh tự động bao gồm cụm cấp vào và cụm gắp ra. - Xây dựng được chương trình kiểm tra kết nối với máy để có thể hiệu chỉnh tiêu chuẩn kiểm tra thèo từng mã hàng riêng biệt, đồng thời xuất dữ liệu thống kê kết quả ra định dạng excel để kiểm soát. 3 Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ÂM THANH VÀ XỬ LÝ TÍN HIỆU ÂM THANH 1.1. Tổng quan về âm thanh 1.1.1. Lý thuyết về âm thanh 1.1.1.1. Khái niệm về âm thanh Âm thanh là các dao động lan truyền trong không khí hay trong các môi trường mà ta có thể cảm nhận được. Các dao động đó gọi là các sống âm. Những sóng âm được tạo ra do có biến đổi về áp suất theo thời gian. Nguồn phát ra sóng âm: dây đàn, loa, thanh quản,... Môi trường truyền âm là không gian vật chất mà có thể truyền dao động. Ví dụ như nước, không khí,... Trong không khí sóng âm được tạo ra là do sự nén giãn của các lớp không khí nên đường truyền âm. Mô hình vật lý của những dụng cụ âm nhạc là một cách có thể tiếp cận những kỹ thuật tổng hợp âm thanh số. Dựa vào mô hình vật lý, ta có thể đưa ra kỹ thuật mô phỏng tạo ra âm thanh của dụng cụ âm nhạc, mà nó được mô hình hoá liên quan tới vật lý học. Một trong những tham số cơ bản của mồ hình vật lý là cao độ (pitch), sự xác định chu kỳ cao độ là một trong những nhiệm vụ đầu tiên khi tiến hành phân tích tín hiệu. Mô hình đơn giản nhất của âm thanh được biểu diễn dưới dạng sóng sin với trục X là thời gian và trục y là áp suât. P = A sin(2πft) Trong đó: P: là áp suất đơn vị decibels (dB) hoặc Pascals t : là thời gianđơn vị là giây (s) A: là biên độ (volume) hoặc độ mạnh của sóng, đơn vị decibels hoặc Pascals F : là tần số (cao độ), đơn vị hertz (Hz) T : là chu kỳ, đơn vị là giây (s) trong suốt chu kỳ của sóng T = 1 / f. 4 Hình 1.1. Sóng sin có biên đô A = 60 dB và tần số f = 100Hz 1.1.1.2. Các đặc tính của âm thanh Âm thanh trong tự nhiên được tạo thành nhờ sự chân động của các vật thể đàn hồi. Sóng âm thanh có một sốtham số đánh giá đặc trưng cơ bản sau đây: Tần số: Tần số của âm đơn là số lần dao động của không khí truyền dẫn âm trong một đơn vị thời gian là 1 giây. Tần số biểu thị độ cao (pitch) của âm thanh. Tần số càng lớn thì âm thanh càng cao và ngược lại. Đơn vị để đo tần số của âm thanh là Hertz (viết tắt là Hz). Tai con người chỉ cảm thụ được những dao động có tần số từ khoảng 16Hz đến khoảng 20000Hz. Dải tần số từ 16Hz đến 20000Hz được gọi là dải tần số âm thanh hay âm tần hoặc sóng âm. Những âm có tần số nhỏ hơn 16Hz gọi là sóng hạ âm, còn những âm có tần số lớn hơn 20000 Hz gọi là sóng siêu âm và con người không cảm nhận được các sóng âm này nhưng có khá nhiều loài vật có thể cảm nhận được (ví dụ loài dơi có thể nghe được sóng siêu âm). Sóng âm, sóng siêu âm và hạ âm không chỉ truyền trong không khí mà còn có thể lan truyền tốt ở những môi trường rắn, lỏng, do đó sử dụng rất nhiều trong các thiết bị máy móc hiện nay. Ứng với mỗi tần số dao động f, có chu kỳ dao động T là một bước sóng Ẳ của âm thanh được xác định theo biểu thức λ = c.T (c là tốc độ lan truyền của âm thanh trong không khí = 340m/s). Do đó, bước sóng của âm thanh trong dải âm tần là từ 21.25m đến 0.017m. Trong thực tế, một âm phát ra thường không phải là một âm đơn mà là một âm phức bao gồm một âm đơn và một số âm hài có tần số gấp 2, 3 hoặc 4... lần âm đơn. Ngoài ra, trong dải âm tần người ta chia ra: tiếng trầm từ 16Hz đến 300Hz; tiếng vừa từ 300Hz đến 3000Hz và tiếng bổng (tiếng thanh) 3000Hz đến 12000Hz. Tiếng nói con người thường có dải tần số từ 300Hz đến 3400Hz. 5 Tần số cơ bản (Fundamental frequency): là một âm có thể là tổ hợp của nhiều tần số, tần số chính bao trùm trong âm được gọi là tần số cơ bản. tần sô' cơ bản thường được ký hiệu F0 hoặc Fo. Áp suất âm thanh:Áp suất âm thanh hay còn gọi là thanh áp. Âm thanh truyền lan đến đâu thì làm thay đổi áp suất không khí ở đó. Áp suất do âm thanh tạo thêm ra ở một điểm gọi là thanh áp ở điểm đó. Đơn vị đo thanh áp là bar. Một bar là thanh áp tác động lên một diện tích 1cm2 một lực là 1dyn. 1 bar = 1dyn/cm2. Tuy nhiên, ngày nay, người ta thường dùng đơn vị Pascan (Pa) để đo thanh áp. 1 bar = 10 Kpa; 1 Pa = 1 N/m2. Công suất âm thanh: Là năng lượng âm thanh đi qua một diện tích S trong thời gian một giây. Công suất âm thanh P có thể tính bằng biểu thức: P = p.S.v Trong đó p là thanh áp, v là tốc độ dao động của một phần tử không khí tại đó và S là diện tích. Công suất âm thanh tính theo đơn vị oát (W). Thông thường máy bay phản lực có công suất âm thanh là 10.000W; ô tô vận tải phóng nhanh: 0.12W; nói chuyện bình thường: 0.0003W. Cao độ (pitch): Âm thanh phát ra bao giờ cũng ở một độ cao nhất định, mức độ cao thấp của âm thanh phụ thuộc vào sự chân động nhanh hay chậm của các phần tử không khí trong đơn vị thời gian nhất định. Nói cách khác cao độ âmphụ thuộc vào tần sô dao động. Tần số dao động càng lớn thì âm thanh càng cao.. Tai người chỉ nghe được những âm thanh có tần số từ 20Hz —» 20.000Hz và tần số nghe của mỗi người cùng khác nhau. Hầu hết các tần sô' nghe được tốt là nhỏ hơn 10.000Hz. Các nhạc cụ, giọng nói, tiếng ồn đều thuộc vùng này. Âm có tần số cơ bản lớn gọi là âm cao hoặc thanh, âm có tần sô cơ bản nhỏ gọi là âm thâp hoặc trầm. Những âm có tần số khác nhau sẽ gây ra cho ta những cảm giác khác nhau. Ví dụ với cùng một điệu hát, nhưng nghe giọng nữ cao và giọng nam trầm hát, người nghe có những cảm thụ khác nhau. Tần số dao động của dây thanh quy định độ cao tiếng nói con người. Cường độ âm thanh: Cường độ âm thanh I là công suất âm thanh đi qua một đơn vị diện tích là 1cm2. I = P/S = p.v 6 Ba đại lượng: áp suất âm thanh, công suất âm thanh; cường độ âm thanh gắn liền với nhau. Cả ba đều biểu thị độ lớn nhỏ của âm thanh.Âm thanh có năng lượng càng lớn thì công suất, cường độ và áp suất của âm thanh càng lớn. Độ mạnh (intensity): còn gọi cường độ cũng như các sóng cơ học khác, sóng âm mang năng lượng tỉ lệ với bình phương biên độ sóng, tức là khoảng cách từ điểm nâng cao nhất và điểm hạ thấp nhất của sóng âm. Biên độ càng lớn âm thanh càng to. Độ dài (Duration): còn gọi cường độ là thời gian kéo dài của âm thanh, phụ thuộc vào sự chân động lâu hay mau. Âm sắc (Timbre): Ngoài ba đặc trưng trên, âm thanh còn phân biệt nhau nhờ âm sắc. Ví dụ, cùng đánh một bản nhạc mà tiếng dương cầm khác với tiếng vĩ cầm, tiếng đàn hay tiếng sáo, cùng một câu mà giọng mỗi người mỗi khác, đó là do sự khác biệt về âm sắc. Am sắc là một đặc tính sinh lý của âm, được hình thành trên cơ sở các đặc tính vật lý của âm là tần số và biên độ. Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một nhạc cụ phát ra hoặc một người phát ra một âm có tần số F0 thì đồng thời cũng phát ra âm có tần sô FI = 2F0, F2 = 2F0 ... . Âm có tần sô F0 gọi là âm cơ bản hay hoạ âm thứ nhất, các âm có lần số Fl, F2 ... gọi là hoạ âm thứ hai, thứ ba ... Tuỳ theo câu trúc từng loại nhạc cụ, hoặc câu trúc khoang miệng và cổ họng từng người mà trong sô các hoạ âm sẽ có cái có biên độ khá lớn, có cái có biên độ nhỏ có cái chóng bị tắt đi. Do hiện tượng đó , âm phát ra là sự tổng hợp của âm cơ bản và các hoạ âm, nó có F0 của âm cơ bản nhưng đường biểu diễn của nó không còn là đường sin, mà trở thành một đường phức tạp có chu kỳ. Độ to của âm: Muốn gây cảm giác âm, cường độ âm, cường độ âm phải lớn hơn một giá trị cực tiểu nào đó gọi là ngưỡng nghe. Do đặc điểm sinh lý của tai con người, ngưỡng nghe thay đổi tùy theo tần số âm. Với các tần số 1000-5000HZ, ngưỡng nghe khoảng 10-12W/m2. Với tần số 50Hz, ngưỡng nghe lớn gấp 105 lần. Như vậy một âm 1000Hz có cường độ 10-7W/m2 (gấp 105 ngưỡng nghe) đã là một âm khá to nghe rất rõ, trong khi đó thì một âm 50Hz cũng có cường độ âm 10-7W/m2 lại là một âm rất nhỏ, mới chỉ hơi nghe thây. Do đó độ to của âm (hay âm lượng) đốì với tai ta không trùng với cường độ âm. Tai con người nghe thính nhát đối với các âm trong miền 1000-5000HZ, và nghe âm cao thính hơn nghe âm trầm. Chính vì vậy người ta chọn các phát thanh viên 7 chủ yếu là nữ. Cũng vì vậy khi ta hạ âm lượng của máy tăng âm thì không nghe rõ các âm trầm nữa. Phát sinh ra các âm chỉ có một tẩn sô tham gia : Yêu cầu của phần này là nhận vào tần sô các âm cơ bản và phát sinh ra dãy tín hiệu ầm thanh số của các chúng. Nhận vào tần số của các âm cơ bản và từ tần số ta tìm được chu kỳ. Giả sử tần số thu/phát là 16000Hz, chu kỳ là T thì số điếm mẫu n trong một chu kỳ sẽ được tính theo công thức: n = l6000*T. Sau đó ta chuyển đổi thành tín hiệu tương tự và thực hiện công việc phát ra tín hiệu đó. Tiếp theo là việc vẽ đồ thị biểu diển dãy tín hiệu âm thanh số của chúng với sô lượng điểm mẫu trong một chu kỳ là số n vừa tìm được. Phát sinh ra các âm có nhiều tần số tham gia: Âm thanh thực sự lúc nào cũng bao gồm nhiều tần số tham gia. Mỗi tần số chiếm một tỉ trọng nhất định. Việc phát sinh ra âm có nhiều tần số đòi hỏi ta phải tổng hợp các tần số đó lại để tìm ra tần số cơ bản đặc trưng. Giả sử âm có N = { fl, f2,..., fn} tần số tham gia, mỗi tần sô' chiếm tỉ trọng là w = { wl,w2,...,wn}. Khi đó tần số tham gia chính fo sẽ là : fo =w1*f1 +w2*f2 + ...+wn*fn. Tìm đươc tần số tham gia chính ta sẽ thực hiện việc phát sinh tín hiệu âm thanh giống như việc phát sinh các âm có duy nhất một tần số. Âm thanh được coi là một hàm theo một biến độc lập là thời gian. Âm thanh được phát ra từ bộ máy phát âm. Âm thanh mà ta nghe thây là sự thay đổi áp suất không khí theo thời gian (xem phần 1.1.1). Âm thanh mà chúng ta nghe được là một tín hiệu tương tự. Âm thanh dùng xử lý trên môi trường máy tính đã được rời rạc hoá thông qua quá trình lấy mẫu . Vì vậy âm thanh có thể được biểu diễn bằng một chuỗi số. Thêm vào đó, tín hiệu này đã được lượng tử hoá nghĩa là biên độ cũng đã được rời rạc hoá, nên được coi là tín hiệu số. Thông thường âm thanh được lưu trữ như các chuỗi số nguyên trên máy tính. 1.2. Xử lý tín hiệu số Trong xử lý âm nhạc, chúng ta không thể đề cập đến các vân đề liên quan đến xử lý tín hiệu số. Sau đây là một sô vân đề liên quan đến xử lý tín hiệu số 8 1.2.1. Lấy mẫu và khôi phục tín hiệu liên tục theo thời gian Định lý lấy mẫu: Một tín hiệu tương tự xa(t) có dải phổ hữu hạn với giới hạn trên là Fmax(Hz) (tức là phổ bằng không khi f nằm ngoài dải (-Fmax….Fmax). Ta có thể phục hồi lại xa(t) một cách chính xác từ các mẫu xa(n.Ts)nếu như Fs ≥ Fmax Hay Ts≤ 1 𝐹𝑚𝑎𝑥 Trong đó: Fmax: gọi là tần Số Nyquist 1 Fs : gọi là tần số lấy mẫu (chu kỳ lấy mẫu Ts = ) 𝐹𝑠 Định lý lấy mẫu có vai trò hết sức quan trọng, đó là cầu nối giữa hai ngành hỗ trợ nhau: Xử lý tín hiệu tương tự và xử lý tín hiệu rời rạc (tín hiệu số). Người ta chứng minh được rằng phổ của tín hiệu lấy mẫu là xếp chồng tuần hoàn với chu kỳ 2n của phổ tín hiệu tương tự. Tần số lây mẫu là thông số quan trọng nhâ't. Căn cứ vào việc chọn tần số lâ'y mẫu sẽ quyết định dãy tần của tín hiệu âm thanh vào độ rộng dãy thông của kênh- 12 thông tin. Một số thông sô chuẩn của việc lây mẫu ưong công nghệ xử lý tín hiệu âm thanh số hiện nay có thể được lấy như sau: - 44,1 kHz dùng cho hệ thống đĩa compact - 48 kHz dùng cho hệ thông băng R-DAT (Rotary Digital Audio Tape) và lĩnh vực âm thanh chuyên dụng - 32 kHz dùng cho lĩnh vực phát thanh số qua vệ tin - 44,1 kHz (PAL) hoặc 44,056 kHz (NTSC) dùng cho ghi âm PCM trên các thiết bị ghi hình dân dụng Khôi phục lại tín hiệu tương tự từ tín hiệu lây mẫu Có thể phục hồi lại tín hiệu xa(t) bằng cách cho tín hiệu lấy mẫu đi qua một mạch lọc (tương tự) thông thấp lý tưởng (low-pass filter) có đáp ứng tần số Hlp(f) với tần số cắt là fc = 𝐹𝑠 2 Phổ của tín hiệu xo(0 sẽ được lọc lại chính xác với điều kiện: Fs> 2Fmax 9 Lúc đó xa(t) có thể được phục hồi lại từ xa(n.T) 1.2.2. Các bộ lọc số (Digital Filters) Nói một cách đơn giản, các bộ lọc có nhiệm vụ cho phép một số thành phần tần số đi qua đồng thời giữ lại (loại bỏ) các thành phần tần số khác. Có hai lớp lọc số chính. Chúng được mô tả theo phương trình sai phân của các toán tử tổng quát 𝑸−𝟏 𝑷 𝒚(𝒏) = ∑ 𝒃𝒙(𝒏 − 𝒒) − ∑ 𝒂𝒙(𝒏 − 𝒑) 𝒒=𝟎 𝒑=𝟏 Hai lớp bộ lọc phân biệt nhờ vào các hệ sô của phương trình sai phân tương ứng với nó. Lớp thứ nhât có tât cả các a(p)=0, p= 0,..., P-l. Loại này được gọi là đáp ứng xung hữu hạn (Finite Impulse Respone - FIR). Sở dĩ chúng được gọi như vậy vì khi một xung được đưa vào bộ lọc, nó sẽ tác động lên một sô hữu hạn các tín hiệu ra.Các lọc này còn được gọi là trung bình động (Moving Average - MA) vì tín hiệu ra thực chât là tổng các tín hiệu vào cùng với ưọng tương ứng. 𝑸−𝟏 𝒚(𝒏) = ∑ 𝒃𝒙(𝒏 − 𝒒) 𝒒=𝟎 Lớp thứ hai là lớp gồm các bộ lọc có tên Đáp ứng xung vô hạn (Infinite Impulse Respone - IIR), gồm hai loại: Loại thứ nhất là loại tự quy hồi (Autoregressive - AR) có hệ số bq = 0,q=l,..,Q-l. 𝒚(𝒏) = 𝒙(𝒏) − ∑𝑷−𝟏 𝒑=𝟎 𝒚(𝒏 − 𝒑)(2.2.1) loại thứ hai là loại tổng quát nhất tự quy hồi trung bình động (ARMA). Loại này có phương trình sai phân là phương trình tồng quát (2.2.1). 1.2.3. Cửa sổ tín hiệu Trong xử lý tín hiệu số, để giới hạn thời gian hoặc tần số (lọc) một tín hiệu, người ta thường dùng các hàm cửa sổ. Có một số cửa sổ thường sử dụng, được định nghĩa như sau: Cửa sổ Boxcar(rectangular-chủ nhật) 10 độ rộng cửa sổ là N+l Cửa sổ Hanning Cửa sổ Kaiser (được định nghĩa từ hàm Bessel bậc 0) vớia = N/2 và Io(β) là hàm cải biên của Bessal bậc 0, được định nghĩa là: 𝐼𝑜 (𝛽) = 1 ∫ 𝑒 𝛽𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑑𝜃 2𝜋 Khác với các cửa sổ khác có hình dạng không thay đổi, hình dạng hàm Kaiser có thể thay đổi linh hoạt nhờ vào thông sô hình dạngβ. Với các giá trịβkhác nhau, cửa sổ Kaiser sẽ có hình dạng khác nhau. 1.2.4. Vectơcơsở - Tích chập - Tích nội-Tính trực giao Vectơcơsở Một cơ sở của không gian vectơ V là một tập hợp các vectơ độc lập tuyến tính sao cho bất kỳ vectơ vЄ V có thể phân tích v thành một tổ hợp tuyến tính của những vectơ cơ sở. Một không gian vectơ có thể có nhiều cơ sở. Nhưng tất cả các vectơ này có cùng một sô lượng vectơ và gọi làchiều của không gian vectơ. Trong không gian hai chiều một cơ sở gồm 2 vectơ. 𝑣 = ∑𝑘 𝑣 𝑘 𝑏𝑘 (2.4.1) Phương trình (2.4.1) cho thây bât kỳ vectơ V có thể được xem dưới dạng tổ hợp tuyến tính của các vectơ cơ sở bk vơi các hệ số tương ứng vk. Với khái niệm này, thuật ngữ vectơ đã cho có thể tổng quát hóa thành hàm số bằng cách thay vectơ cơ sở bk bởi hàm cơ sở ɸk(t) và vectơ V bởi f(t) Khi đó phương trình (1.13) trở thành. 11 𝑓 (𝑡 ) = ∑ 𝜇𝑘 ∅𝑘 (𝑡) 𝑘 Hàm mũ phức (sin và cos) là những hàm cơ sở của phép biến đổi Fourier và chúng là những hàm trực giao; điều này cần thiết cho việc khôi phục tín hiệu. Tích chập Cho f(t),g(t)Є L1(R).Tích chập của hai hàm được định nghĩa: ∞ 𝑓 (𝑡 ) ∗ 𝑔(𝑡 ) = ∫ 𝑓 (𝑡 ′ )𝑔(𝑡 − 𝑡 ′ )𝑑𝑡 ′ −∞ Tích nội Cho f(t),g(t)Є L2(R).Tích nội của hai hàm được định nghĩa: ∞ 〈𝑓 (𝑡 ), 𝑔(𝑡)〉 = ∫−∞ 𝑓 (𝑡 ). 𝑔(𝑡 )𝑑𝑡 với g*(t) là lượng liên hiệp của g(t). Tính trực giao Vectơ v, w được gọilà trực giao nêu tích nội của chúng bằng 0 〈𝑣, 𝑤〉 = ∑ 𝑣𝑛 𝑤𝑛 = 0 𝑛 Tương tự hai hàmf(t),g(t) được gọi là trực giao với nhau nếu tích nội của chúng bằng 0; 𝑏 〈𝑓 (𝑡 )𝑔(𝑡)〉 = ∫ 𝑓 (𝑡 )𝑔(𝑡 )𝑑𝑡 = 0 𝑎 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 Việc tìm hiểu lý thuyết về âm thanh và xử lý tín hiệu âm thanh, tạo tiền đề để phân tích các đặc tính các giá trị cần đo lường của âm thanh, và phân tích tín hiệu âm thanh phục vụ xử lý các tín hiệu trong quá trình đo lường. 12 Chương 2 - GIỚI THIỆU VỀTAI NGHE VÀ CÁC THÔNG SỐ CẦN KIỂM TRA 2.1. Giới thiệu về tai nghe headphone Headphones (hay còn được gọi bằng nhiều cái tên khác như earbuds, earphones, stereophones, headsets hoặc bằng những từ “chuyên môn, lóng” như cans (rất thường gặp!), face plugs). Mặc dù gọi bằng nhiều tên khác nhau nhưng mỗi tên đều chỉ 1 loại tai nghe khác nhau, cả về hình dạng, cách sử dụng và cách thức hoạt động. Cơ bản, mọi người vẫn sử dụng từ Headphone để chỉ chung tất cả các loại tai nghe. Về cấu tạo, Headphone gồm 1 cặp loa nhỏ, được thiết kế, bằng nhiều cách, sao cho đặt sát vào tai người nghe. Tín hiệu sẽ được truyền từ source phát tới 2 loa nhỏ, sau đó tới tai người nghe. Một lưu ý nhỏ là khi đề cập tới headset người ta thường bao hàm cả Headphone và microphone, dùng cho cả nghe và nói. 2.1.1. Phân loại Với việc ngày càng có nhiều loại Headphone ra đời, việc phân loại là rất cần thiết. Cơ bản, có những loại Headphone như sau: Circumaural, supra-aural, earbud, và in-ear. Circum-aural: tên gọi đã nói lên cách sử dụng của nó, circum: vòng tròn, aural: tai. Headphones dạng này là khá thông dụng, trùm và ôm hết tai. Thường được gọi với cái tên khác là full-size và được lót bằng 1 miếng lót tai (earpad) để tăng độ thoải mái khi đeo. Miếng lót này thường dạng tròn bằng da hay mút trùm lên tai. Dạng tai nghe này thường được sử dụng trong phòng thu. Các ví dụ điển hình