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主题:关于扬声器中振幅调制现象(类似多普勒)理解的一些简单解释

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关于扬声器中振幅调制现象(类似多普勒)理解的一些简单解释  发帖心情 Post By:2014-6-16 21:58:04 [只看该作者]

近来对于这个现象的争论有点多,我这里重新开一贴,想以简单的、夸张的手段来展示一下在声波产生的过程中,多频音可能由于振幅调制而呈现的频率调制或者是频率失真现象,供大家一笑了解,有意见和指教可以在后面提。

在开始的时候我想申明几点:
1)要承认线性系统的叠加原理(可加性)。
2)要认识到如果这个是线性系统里面电信号的叠加,绝对没有问题,不存在多普勒的问题。例如某个系统满足Y1=aX1(t);Y2=aX2(t),则输入信号为X1+X2时,输出信号为aX1(t)+aX2(t). 图示如下:


图片点击可在新窗口打开查看此主题相关图片如下:多普勒0.jpg
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3) 在力--声转换过程中,目前的对单频信号看似是理想的线性系统,由于在振动的时候出现的一些特殊情况,其实对多频信号在接收点活动的声波上(波形、频谱)是不满足叠加原理的(具体举例见后)。


图片点击可在新窗口打开查看此主题相关图片如下:多普勒1.jpg
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在这个例子里面,针对高频信号的振幅中心(等效成该声源的声中心)其实一直在运动,这就是问题的核心所在。
图里面说的频率升高降低,只是针对接受点接受到的声波而言----声波在图中并未画出,机械振动部分并没有失真(频率和相位调制)。


图片点击可在新窗口打开查看此主题相关图片如下:多普勒2.jpg
图片点击可在新窗口打开查看


图片点击可在新窗口打开查看此主题相关图片如下:多普勒3.jpg
图片点击可在新窗口打开查看
而在使用两个喇叭来各自还原两组信号的时候,高频声源的声中心是不运动的,低频声中心也一直不动,所以没有这类调制失真出现。

还有,在上面的例子,我都没有画出声压波形。

如果可以,我想也会增加一些计算的内容在里面,不过需要一些时间和精力了。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 10:31:48编辑过]


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  发帖心情 Post By:2014-6-16 22:39:14 [只看该作者]

虽然不同意你的解释,但我先顶你一个图片点击可在新窗口打开查看


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DAAS
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  发帖心情 Post By:2014-6-17 0:53:31 [只看该作者]

从图形上理解,

 

相对于低的频率而言,波形的轮廓变了,

 

相对于高的频率而言,频率貌似被调制了......

 

 

 

请问XP,关于第二点,仪器可以测出来么?

是否可以这样认为:在第二种情况下,独立的高低音spk更容易被调制?

 



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  发帖心情 Post By:2014-6-17 8:06:50 [只看该作者]

从第二副图开始,你已经把高频信号看成是独立于低频信号,而实际上一个在电信号里面复合好的复合信号,是不能这样分开看的。电信号给到振膜的指令就是按照第一副图振动,100%跟随电信号的振膜也会按照第一副图振动。只要当两个信号是分开的,相当于用一只小喇叭重放高频信号,把这个小喇叭放在重放低频信号的大喇叭振膜上面,才会出现第二副图的现象。否则请解释下面两个现象的差别在何处:
1。一只理想的喇叭重放第一副图的信号;
2。一只小喇叭重放高频信号,把这只小喇叭放重放低频信号的大喇叭振膜上面。

也许你会说两个实验没差别,那我劝你还是想办法做了两个实验之后再来讨论(全部都是理想的喇叭,不要跟我扯那些细枝末节的问题)。虽然我没做,但我坚信两个出来的信号是有差别的。在现实中做这两个实验,我可以预测第一个实验出来的结果基本就跟ESP的测试结果差不多,第二个实验出来的结果跟ESP预测的多普勒失真图形会比较接近。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 08:18:07编辑过]


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 8:53:25 [只看该作者]

倾向于认同楼主的观点,但是看了这么多帖子后觉得这种分析方法可能本身是否存在问题不太好说,坐等高手来解答这个问题。


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 8:54:10 [只看该作者]

以下是引用DAAS在2014-06-17 00:53:31的发言:

从图形上理解,

 

相对于低的频率而言,波形的轮廓变了,

 

相对于高的频率而言,频率貌似被调制了......

 

 

 

请问XP,关于第二点,仪器可以测出来么?

是否可以这样认为:在第二种情况下,独立的高低音spk更容易被调制?

 


你说的第2点是什么?

第二种情况又是是么?在什么情况下,独立的高低音都不会更容易被调制,具体看我首贴里面增加红色的文字。



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  发帖心情 Post By:2014-6-17 8:59:57 [只看该作者]

以下是引用Eagle在2014-06-17 08:06:50的发言:
从第二副图开始,你已经把高频信号看成是独立于低频信号,而实际上一个在电信号里面复合好的复合信号,是不能这样分开看的。电信号给到振膜的指令就是按照第一副图振动,100%跟随电信号的振膜也会按照第一副图振动。只要当两个信号是分开的,相当于用一只小喇叭重放高频信号,把这个小喇叭放在重放低频信号的大喇叭振膜上面,才会出现第二副图的现象。否则请解释下面两个现象的差别在何处:
1。一只理想的喇叭重放第一副图的信号;
2。一只小喇叭重放高频信号,把这只小喇叭放重放低频信号的大喇叭振膜上面。

也许你会说两个实验没差别,那我劝你还是想办法做了两个实验之后再来讨论(全部都是理想的喇叭,不要跟我扯那些细枝末节的问题)。虽然我没做,但我坚信两个出来的信号是有差别的。在现实中做这两个实验,我可以预测第一个实验出来的结果基本就跟ESP的测试结果差不多,第二个实验出来的结果跟ESP预测的多普勒失真图形会比较接近。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 08:18:07编辑过]


我会在有条件的时候做一次实验,不过你的疑问我明白,请恶补线性时不变系统的叠加原理。
还有不要误会,我首贴的所有图都没有在波形里面表现出任何我提到的失真问题(请仔细看我原图的含义),因为那些都是机械振动,都遵守叠加原理。
只是这样的振动方式最终会影响到产生的声波。



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  发帖心情 Post By:2014-6-17 9:07:21 [只看该作者]

看来多普勒效应问题终于引起大侠们的注意了。

XP兄图文并茂的说了,我等好好学习了。

 

谢谢!


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Eagle
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  发帖心情 Post By:2014-6-17 10:10:41 [只看该作者]

以下是引用imxp在2014-06-17 08:59:57的发言:

我只想知道用你的一大堆理论解释我说的两个现象,会有什么差别。 如果你说没差别,那没啥好扯的,扯到50年之后也扯不清。因为ESP根据他自己对多普勒理解预测的实验结果跟他实际测试到实验结果不一致,这难道不能说明一些问题吗?

我知道你图里面本身的波形没有包含失真,但你的文字里说了向前的时候频率加高,向后的时候频率降低,你是把这个跟波形图跟文字作为一个图片上传的。我想大家都是中国人,这点中文还是能看懂的。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 10:24:23编辑过]


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 10:28:59 [只看该作者]

以下是引用ToneLiu在2014-06-17 08:53:25的发言:

倾向于认同楼主的观点,但是看了这么多帖子后觉得这种分析方法可能本身是否存在问题不太好说,坐等高手来解答这个问题。



Toneliu兄有没有发现这个文章?


http://www.silcom.com/~aludwig/Physics/Exact_piston/dopdist.htm



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  发帖心情 Post By:2014-6-17 10:35:12 [只看该作者]

以下是引用Eagle在2014-06-17 10:10:41的发言:

我只想知道用你的一大堆理论解释我说的两个现象,会有什么差别。 如果你说没差别,那没啥好扯的,扯到50年之后也扯不清。因为ESP根据他自己对多普勒理解预测的实验结果跟他实际测试到实验结果不一致,这难道不能说明一些问题吗?

我知道你图里面本身的波形没有包含失真,但你的文字里说了向前的时候频率加高,向后的时候频率降低,你是把这个跟波形图跟文字作为一个图片上传的。我想大家都是中国人,这点中文还是能看懂的。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 10:24:23编辑过]


还是引起误会了:
图里面说的频率升高降低,只是针对接受点接受到的声波而言----声波在图中并未画出,机械振动部分并没有失真(频率和相位调制)。-----此段文字已经加在首页相关位置。
图里X轴明显有“振幅”二字。




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  发帖心情 Post By:2014-6-17 10:56:38 [只看该作者]

以下是引用imxp在2014-06-17 10:28:59的发言:

理论分析是不够完备的,最重要的是实验验证嘛。。

 

而且我认同stedzero在上一个帖子中的论述,即多普勒失真最显著的时刻应该是低频振动速度最大的过零点而不应该是位移/加速度最大的峰值点,因为按照多普勒效应的原理,对于远场而言,是相对运动的速度差异造成了频移,而不是相对运动的位置关系,但这在ESP的实验中并没有很好的体现出来。

 

总之我还是倾向于认为这类失真存在但不显著,仍然需要实验上的有力证据来支持。


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 11:13:21 [只看该作者]

同意楼主的分析。
机械振动所反映的是电信号叠加情况,不存在多普勒效应结果,实际观察点的声压信号则反映含有多普勒效应调制信号。
不知我的理解是不是楼主的观点(我是根据楼主的红字来理解的,这恐怕是楼主的重点)。
这个分析是建立在两个纯波形信号的情况下。对于普遍的音乐信号,是无穷多个频率信号的叠加,观测点所感受的信号,多普勒效应将无所不在。

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imxp
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  发帖心情 Post By:2014-6-17 11:14:37 [只看该作者]

以下是引用ToneLiu在2014-06-17 10:56:38的发言:

理论分析是不够完备的,最重要的是实验验证嘛。。

 

而且我认同stedzero在上一个帖子中的论述,即多普勒失真最显著的时刻应该是低频振动速度最大的过零点而不应该是位移/加速度最大的峰值点,因为按照多普勒效应的原理,对于远场而言,是相对运动的速度差异造成了频移,而不是相对运动的位置关系,但这在ESP的实验中并没有很好的体现出来。

 

总之我还是倾向于认为这类失真存在但不显著,仍然需要实验上的有力证据来支持。


------------------------


显著时刻这个问题头疼,直接关系到怎么理解这个现象和产生机制。


实验我打算设计成Stedzero说的,同一个喇叭看正轴和90度偏轴的,忽略那些幅度差(由于离轴造成的),主要是关心在两个结果中是否有明显的跟基频振幅有关的相位调节现象,大概要4-5次测量结果用于对比。

但这个实验仍然会有些问题就是,喇叭在高频的时候呈现各种形态的分割振动以及由其引起的复杂的辐射形态,有可能会影响这种分析结果。

因为其他形式的实验都需要一个较线性的喇叭单元,而这个喇叭单元是否线性(尤其在高频部分)是很难预计好的,问题很容易淹没在IMD中。




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  发帖心情 Post By:2014-6-17 11:41:35 [只看该作者]

以下是引用imxp在2014-06-17 11:14:37的发言:

 

是啊 实验会很不好做 要排除的干扰因素太多了

 

祝你好运 静候实验结果~ 


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Eagle
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以下是引用imxp在2014-06-17 10:35:12的发言:

没想到这点小问题还要来回讨论几次: 你的第二幅图(至少我理解的你的图):波形是没有失真的,但你在解释文字里说。低频(调制波)向前运动的时候,接收到被调制波的频率会升高,反过来被调制波频率降低。 我这么说没有异议吧? 我的观点是:你这么考虑,其实是把被调制波跟调制波看成分开的两个独立信号了。如果是一个复合信号,是不会出现调制和被调制的。

多普勒产生的核心就是:相对于接收体,声源存在相对运动。其实对这个问题讨论比较深的人基本都认同这点。但分歧在于:你和跟你持相同观点人认为一个复合信号里面,在力到声转换的时候,高频信号被低频信号调制产生了相对运动。我的观点是:复合信号被一个理想喇叭重放的时候,整个声音产生出来之后是一个完整的声源,不能把低频信号跟高频信号分开看,所以这种情况下是不存在多普勒现象的。 

我也说过,按照你们的观点,ESP推论出来的多普勒现象比他实际测到的要严重。而且按照你们的观点,在低频信号0点是应该存在多普勒的。但我的观点却不是这样,只有在重放复合信号的膜片整体产生相对运动的时候才产生多普勒。所以低频0点的多普勒很轻微,但到顶点和谷点就变严重。因为这些点上膜片不能很好的跟随电信号,出现了滞后,就相当于多出一个相对运动来。ESP的测试结果不能支持他对多普勒的理解——他把这种现象简单的解释为多普勒不严重但出现了相位调制,但却支持我的观点。

我还说:把我本帖的两个实验都做了之后,出来的结果不应该是一样的。但按照你们的说法,应该是一样。而ESP的实验其实已经证明了,一个膜片重放复合信号跟按照你们理解的多普勒是不一样的,你们理解的多普勒会出现在:一个小喇叭重放高频信号,一个大喇叭重放低频信号,把小喇叭放到大喇叭振膜上。所以我说按照你们的理解我说的两个实验结果不应该有差别,但现实就是——ESP的测试结果——有差别,他测试到的多普勒反而跟我推论的结果一致。
[此贴子已经被作者于2014-06-17 12:23:05编辑过]


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 14:23:02 [只看该作者]

争论的核心问题:声中心是否随着低频振动而改变。

 

站在线性声学的角度来讲,声中心在整个振动过程中并没有改变,而XP坚持的是高频声波的声中心发生了改变。

 

XP的三角波看上去证据充分,但是忽视了一个问题。三角波也是有基频的,而他目前观察波形的时间窗缩小得小于基频的周期。在这个时间窗中,扰动中心和观察者之间存在了直流项的相对运动,故在这个时间窗中去分析频谱,那必然会得出所谓的多普勒失真。但是如果把时间窗放大到几个周期三角波时,得到的频谱将是周期三角波和原始单频,并不会出现所谓的非线性失真。

 

而针对于该三角波的基频放大到1Hz,人耳确实能感知到频率的变化。但人耳对声信号的处理就像是对声信号加时间窗做频谱分析,人所感知的频率可称为瞬时频率或短时频率。

 

所以说客观的长期的频谱并未出现非线性失真,而短时的加窗频谱中会出现多余的频谱。


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 14:53:46 [只看该作者]

以下是引用Sted_Zero在2014-06-17 14:23:02的发言:

争论的核心问题:声中心是否随着低频振动而改变。

 

站在线性声学的角度来讲,声中心在整个振动过程中并没有改变,而XP坚持的是高频声波的声中心发生了改变。

 

XP的三角波看上去证据充分,但是忽视了一个问题。三角波也是有基频的,而他目前观察波形的时间窗缩小得小于基频的周期。在这个时间窗中,扰动中心和观察者之间存在了直流项的相对运动,故在这个时间窗中去分析频谱,那必然会得出所谓的多普勒失真。但是如果把时间窗放大到几个周期三角波时,得到的频谱将是周期三角波和原始单频,并不会出现所谓的非线性失真。

 

而针对于该三角波的基频放大到1Hz,人耳确实能感知到频率的变化。但人耳对声信号的处理就像是对声信号加时间窗做频谱分析,人所感知的频率可称为瞬时频率或短时频率。

 

所以说客观的长期的频谱并未出现非线性失真,而短时的加窗频谱中会出现多余的频谱。

 

这段分析很靠谱~ 学习了~ 图片点击可在新窗口打开查看


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Haku
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  发帖心情 Post By:2014-6-17 15:20:29 [只看该作者]

如果一个理想喇叭(无自身参数引起的非线性失真)发射楼主所示的信号,然后用一个理想麦克风接收,接收到的波形是否会改变?

 

如果波形有改变,这种改变发生在哪个过程中?是活塞推动空气,空气内声传播,还是空气推动活塞?


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  发帖心情 Post By:2014-6-17 15:55:14 [只看该作者]

以下是引用Sted_Zero在2014-06-17 14:23:02的发言:

争论的核心问题:声中心是否随着低频振动而改变。

 

站在线性声学的角度来讲,声中心在整个振动过程中并没有改变,而XP坚持的是高频声波的声中心发生了改变。

 

XP的三角波看上去证据充分,但是忽视了一个问题。三角波也是有基频的,而他目前观察波形的时间窗缩小得小于基频的周期。在这个时间窗中,扰动中心和观察者之间存在了直流项的相对运动,故在这个时间窗中去分析频谱,那必然会得出所谓的多普勒失真。但是如果把时间窗放大到几个周期三角波时,得到的频谱将是周期三角波和原始单频,并不会出现所谓的非线性失真。

 

而针对于该三角波的基频放大到1Hz,人耳确实能感知到频率的变化。但人耳对声信号的处理就像是对声信号加时间窗做频谱分析,人所感知的频率可称为瞬时频率或短时频率。

 

所以说客观的长期的频谱并未出现非线性失真,而短时的加窗频谱中会出现多余的频谱。


——————————————————————————————

核心在声中心有没有动而已。--------这个是我们两争论的焦点所在。

不要进一步复杂化我们的争论:

短时会出现的频谱,长期不会出现?

好了,我们就举一个很简单的例子(也贴切我这个三角波的情况,假设前25秒导致接受到的声音信号频率为1100Hz,25秒到75秒之间频率变为900Hz。

你举例说说使用不同时间窗长度的影响和结果?




[此贴子已经被作者于2014-06-17 16:23:29编辑过]


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