2. АКУСТИЧЕСКИЕ СИГНАЛЫ И ИХ ВОСПРИЯТИЕ

2.1. Основные определения

Различают первичные и вторичные акустические сигналы. Примерами первичных сигналов являются речь, пение, звучание музыкальных инструментов. К первичным относятся также различные искусственные шумы и звуки при озвучивании художественных постановок и передач: спектаклей, фильмов и т.д.

Вторичные — это первичные, прошедшие через тракт звуковоспроизведения, например, микрофон-кабель (эфир) — (приемник), усилитель — кабель — акустические системы — среда — слушатель. Очевидно, параметры вторичных сигналов отличаются от первичных.

Акустические сигналы относятся к случайным процессам, параметры, их характеризующие, постоянно меняются во времени, поэтому для определения параметров используются кривые изменения мгновенных значений сигналов во времени. Также для характеристики акустических сигналов используют распре-

деление по интенсивности, мощности, частоте, по динамическому диапазону.

2.2. Динамический диапазон

Во время воспроизведения уровень акустического сигнала постоянно меняется. На рис. 2.1 [10] представлена уровнеграмма — временная зависимость уровня акустического сигнала при определенном времени усреднения τ . τ =15− 20 мс для объективной уровнеграммы, используемой для оценки сигнала, проходящего через звуковой тракт, τ =150− 200 мс для субъективной уровнеграммы для оценки восприятия акустического сигнала.

приборов как среднестатистический. Из соотношения (1.17) следует, что

18

Nмакс и Nмин определяются по вероятности превышения сигналом опреде-

лнного уровня, для речевого сигнала эта вероятность составляет 1%, для музыкального — 2%. Динамическим диапазоном называется разница между ква-

зимаксимальным и квазиминимальным уровнями.

В табл. 2.1 представлены динамические диапазоны некоторых акустических сигналов.

Таблица 2.1 Динамические диапазоны некоторых акустических сигналов

Пик-фактором называют разницу между квазимаксимальным и средним уровнем сигнала за определ нное время — 1 мин для музыкальных сигналов, 15 с для речевых.

Этот параметр определяет на сколько ниже должен бытьNср максимально

допустимого уровня сигнала, чтобы звуковоспроизвед нный тракт работал без перегрузок. Для речевых сигналов П ≤ 15 дБ, для музыкальных — П ≤ 30 дБ.

2.3. Частотный диапазон и спектры

Психоакустические исследования показывают [2], что для высококачественного воспроизведения музыки полоса частот, воспроизводимых звуковым трактом, должна быть не уже 20…20000 Гц, т.е. не уже диапазона частот воспринимаемых человеком. Существуют мнения о расширении диапазона за эти пределы для воспроизведения обертонов или гармоник акустического сигнала, что улучшает чистоту, прозрачность звучания и узнаваемость инструментов. Любой периодический сигнал можно представить в виде бесконечной суммы гармонических колебаний (гармоник) с различными амплитудами и частотами.

19

Совокупность частот и амплитуд сложного сигнала называют спектром амплитуд и частот или спектром сигнала.

Спектральной плотностью сигнала называют интенсивность звука в единичной полосе частот

Энергетическим спектром называется частотная зависимость спектральной плотности. По аналогии с уровнем интенсивности вводится понятие спек-

трального уровня:

где I0 =10−12 Вт/м2 — нулевой уровень интенсивности.

Спектр звуковых сигналов определяет качество звучания или тембр звука, характеризующий различие в звучании нот одной высоты тона, но воспроизводимые разными музыкальными инструментами или голосами. Поэтому говорят об индивидуальной окраске звучания или тембре скрипки, виолончели, органа и др. или о звонком или глухом голосе.

Частотная зависимость спектральных уровней (2.5) определяет диапа-

зон частот акустического сигнала, в табл. 2.2 приведены частотные диапазоны некоторых источников звука.

Таблица 2.2 Частотные диапазоны некоторых источников звука

Акустические шумы в некоторых случаях относят к акустическим сигналам, спектры некоторых их них приведены на рис. 2.2 [7].

«Белые» шумы характеризуются одинаковой спектральной плотностью во вс м диапазоне частот, спектральные уровни «розовых» шумов имеют крутизну спада 3 дБ/окт в сторону высоких частот, у «речевых» шумов эта крутизна составляет 6 дБ/окт.

20

Рис. 2.2. Частотные зависимости спектральных уровней шумов: 1 — белый; 2 — розовый; 3 — речевой

2.4. Восприятие звука

Конечным звеном любого тракта звуковоспроизведения является ухо человека, которое воспринимает звуковые волны, распространяющиеся в среде — воздухе от первичных источников (голос, музыкальный инструмент и т.д.) или вторичных — акустических систем (АС). Воздействие звука на ухо (а, возможно, и не только) называется раздражением, а то, что человек слышит, то, что передает ему слуховой анализатор в мозге, ощущением. Изучением этих вопросов занимается наука — психоакустика [2]. Человек, ощущает и различает звук по амплитуде, частоте, тембру, времени, фазе, местоположению (по сцене и глубине).

Для понимания механизмов восприятия звука необходимо, как минимум, знание строения и функционирования слухового аппарата человека. Не вдаваясь в биологию и анатомию, ограничимся упрощ нной схемой улитки человеческого уха (рис. 2.3 [7]).

Рис. 2.3. Упрощ нная схема разреза улитки человеческого уха вдоль основной мембраны

Вдоль основной мембраны расположено около 22 тысяч нервных окончаний волосковых клеток, чувствительных к давлению и деформации мембраны, их длина увеличивается с расстоянием от основания улитки.

На рис. 2.3 по оси абсцисс приведено расстояние от начала улитки до соответствующего волокна и частоты, на которых резонируют эти волокна.

21