Акустический сигнал от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания и связи, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Спектры могут быть высоко- и низкочастотными, дискретными и сплошными. У каждого источника звука, даже того же самого типа (например, скрипка в оркестре), спектры имеют индивидуальные особенности, что придает звучанию характерную окраску. Эту окраску называют тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. п., а также тембра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляющие; глухой, когда они подавлены. В первую очередь представляют интерес средний спектр для источников звука каждого типа, а для оценки искажений сигнала—спектр, усредненный за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин для художественных). Усредненный спектр может быть, как правило, сплошной и достаточно сглаженный по форме.
Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называется интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Для акустики эту полосу берут равной 1 Гц. Спектральная плотность , где —интенсивность, измеренная в узкой полосе частот с помощью узкополосных фильтров.
Для удобства оценки введена логарифмическая мера плотности спектра аналогично уровню интенсивности. Эту меру называют уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем. Спектральный уровень
,
где Вт/м2—интенсивность, соответствующая нулевому уровню, как и для оценки уровня интенсивности.
Очень часто для характеристики спектра вместо спектральной плотности используют интенсивности и уровни интенсивности, измеренные в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот. Нетрудно установить связь между спектральным уровнем и уровнем в октавной (полуоктавной или третьоктавной) полосе.
Спектральный уровень
,
а уровень в октавной полосе
,
где—ширина соответствующей октавной полосы.
Вычитая второе из первого, находим
.
При известном спектре сигнала можно определить его суммарную интенсивность. Так, если спектр задан в уровнях интенсивности для третьоктавных полос, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в интенсивности и затем просуммировать все интенсивности. Сумма всех дает суммарную интенсивность для всего спектра.
Суммарный уровень
Если спектр задан в спектральных уровнях, то, исходя из их определения, для всего спектра точный, суммарный уровень
,
где и — верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Приближенно суммарный уровень можно найти делением частотного диапазона на n полосок шириною , в пределах которых спектральный уровень примерно постоянен. Суммарный уровень
Частотный диапазон акустического сигнала определяют из частотной зависимости спектральных уровней. Это определение можно сделать или по спаду спектральных уровней или приближенно, на слух. Субъективными границами считают заметность ограничения диапазона для 75% слушателей.
Приведем частотные диапазоны для ряда первичных источников акустического сигнала, Гц:
Таблица 1
речь 70–7000
скрипка 250–15000
треугольник 1000–16000
бас-труба 50–6000
орган 20–15000
симфонический оркестр 30–15000
Если спектры имеют плавный спад в ту или иную сторону, то их еще оценивают тенденцией, т.е. средним наклоном спектральных уровней в сторону низких или высоких частот. Например, речевой спектр имеет тенденцию, равную — 6 дБ/окт. (спад в сторону высоких частот).
К акустическим сигналам относят в ряде случаев и акустические шумы. На рис.1 приведены спектры трех типов шумов: белого, розового и речевого. Термин «белые» относится к шумам, имеющим одинаковую спектральную плотность во всем частотном диапазоне, «розовые» — к шумам с тенденцией спада плотности на 3 дБ/окт. в сторону высоких частот. Речевые шумы — шумы, создаваемые одновременным разговором нескольких человек.
Восприятие акустических сигналов
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нормальных температуре и давлении близка к значению cзв=340 м/с, принятому в вещании за расчетную. Однако в зависимости от изменения указанных параметров она может несколько изменяться. В средах с большой плотностью (жидких, твердых) скорость распространения соответственно повышается. В неограниченном пространстве звук распространяется в виде бегущей волны. Длина звуковой волны связана с частотой колебаний F и их периодом Т соотношением
,
где Т измерено в секундах, a F — в герцах.
Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых человеком, простирается примерно от 16... 25 Гц до 18... 20 кГц в зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С нижней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразвуковых частот, воздействие которых на человека считают вредным, так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут возникать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр.
Выше звукового диапазона располагается диапазон ультразвуковых механических колебаний. Ультразвук для человека неслышим, но широко используется в радиоэлектронике для создания устройств, служащих для обработки радиотехнических сигналов, например фильтров, линий задержки, преобразователей формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием принципа поверхностных акустических волн—ПАВ), для лечебных целей в медицине, для совершенствования технологических процессов в промышленности. Механические колебания в упругих средах с диапазоном частот F=109... 1013 Гц—гиперзвуковые частоты — используют в технике физического эксперимента и др.
Тон и тембр
Пространственная локализация звуковых колебаний различной частоты на разных участках основной мембраны внутреннего уха предполагает независимость возбуждения одной ее точки от другой и возможность одновременного возбуждения акустическими сигналами различных частот. Гармоническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность различения слухом соседних частот относительно друг друга в пределах слышимого диапазона частот (от 16... 20 Гц до 20 кГц) неодинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва превышает 1%, в области высоких частот—около 0,5% и лишь на средних частотах составляет 0,2... 0,3%.
В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в радиовещании. Понятие октава соответствует изменению частоты F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 октавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 полутонов, что соответствует приращению частоты или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто пользуются промежуточными значениями интервалов частот — третьоктавных и полуоктавных .
Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармонических колебаний, представляемых рядом Фурье:
,
где —амплитуда; —частота; k—номер спектральных составляющих звучания; —их фаза. В этом случае звучание характеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием, соотношение же между основным тоном и обертонами — высшими гармониками—определяет при восприятии тембр звучания, его тональную окраску. Исследования показывают, что тембральное различие голосов определяется формой спектрального распределения энергии звука, обычно обладающего несколькими максимумами и минимумами в области средних и высоких частот в пределах значительной части звукового диапазона. Максимальные значения такого распределения называют формантами, минимальные—антиформантами. По тембру можно отличить один музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, характер шума.
Порог различимости по частот.
Измерение этого порога обычно сводится к оценке минимально воспринимаемой девиации частоты тона F при его модуляции тоном. При этом порогу различимости по частоте соответствует минимальное значение , замечаемое слухом. Значение этого порога зависит от частоты модуляции, частоты F и уровня Na сигнала испытательного тона. Заметим, что чувствительность слуха к изменениям F максимальна при частоте модуляции 4 Гц; для этого случая минимально ощущаемая девиация частоты при уровне звукового давления 70 дБ лежит в пределах 1,5... 50 Гц в зависимости от выбранного значения частоты испытательного тона.
Влияние уровня Na в децибелах и частоты F в герцах измерительного тона на значение показано на рис. 2,6 и в. Частота модуляции тона 4 Гц. Заметим, что порог (рис. 2,6) зависит от уровня звукового давления тона лишь тогда, когда последний не слишком сильно отличается от абсолютного порога слышимости. В области частот ниже 500 Гц (рис. 2,в) порог девиации = 1,8 Гц, а на частотах F>500 Гц он возрастает пропорционально частоте и равен , где F—частота измерительного тона. На частотах ниже 500 Гц почти не зависит от частоты модулирующего тона.
Если в качестве испытательного сигнала используется шум, то порог при его модуляции тоном повышается и составляет не менее 15... 20 Гц при частоте модуляции 4 Гц.
Список литературы
1. Сапожков М.А. Электроакустика. - М.: Связь, 1978.
2. Радиовещание и электроакустика: Учебник для вузов. Авторы: А.В. Выходец, М.В. Гитлиц, Ю.А. Ковалгин и др. - М.: Радио и связь, 1989.
3. Ю.А. Ковалгин. Радиовещание и электроакустика. - М.: Радио и связь, 1998.