asyan.org
добавить свой файл
1
Лекція 2. Фізична природа звуку і властивості людського слуху

2.1. Звукове поле і його характеристики

Звук – це психофізіологічне відчуття, викликане коливаннями частинок пружного середовища. Збудження звуку може викликати будь-який коливальний процес, що змінює тиск в пружному середовищі: це можуть бути механічні коливання, що виникають в голосовому апараті людини, коливання деків музичних інструментів тощо.

Простір, в якому відбувається розповсюдження звукових хвиль, називають звуковим полем.

Більшість звукових джерел в природі випромінює звукові коливання з частотою 20...20000 Гц, що відповідає довжинам хвиль 17 м ... 1,7 см.

Розрізняють:

вільне звукове поле, коли вплив огороджуючих поверхонь, що відбивають звукові хвилі, дуже малий;

дифузне звукове поле, тобто поле, в кожній точці якого звукова потужність на одиницю площі однакова по всіх напрямках.

Найчастіше зустрічаються звукові хвилі з сферичним і плоским фронтами хвилі (фронт хвилі – це поверхня, що з'єднує суміжні точки поля з однаковою фазою коливання). Хвилі з плоским фронтом утворюються на великих, порівняно з довжиною хвилі, відстанях від джерела звуку. Фронт сферичної хвилі має форму кулі і утворюється на невеликій відстані від джерела звуку, якщо його розміри малі в порівнянні з довжиною випромінюваної хвилі. .

Хвилі в звуковому полі розповсюджуються з певною швидкістю – швидкістю звуку. Швидкість звуку

с = 331, (2.1)

де Т – температура повітря по шкалі Кельвіна; с = 340 м/с, що приблизно відповідає температурі 17°С при нормальному атмосферному тиску.

Звукове поле характеризують звуковим тиском, коливальною швидкістю, інтенсивністю звуку.

Звуковий тиск – різниця між миттєвим значенням тиску ра.м в точці середовища при проходженні через неї звукової хвилі і статичним (атмосферним) тиском р а.с в тій же самій точці, тобто

р = ра.мра.с.

Звуковий тиск – величина скалярна, знакозмінювана: в моменти згущення часток середовища він позитивний, а в моменти їх розрідження – негативний. Одиниця звукового тиску в системі СІ: 1Н/м2 = 1Па. Реальні джерела звуку створюють навіть при найгучніших звуках звуковий тиск в десятки тисяч раз менший за нормальний атмосферний тиск.

Коливальна швидкість – швидкість коливань частинок середовища навколо свого положення спокою. Коливальна швидкість вимірюється в м/сек. Не слід плутати цю швидкість із швидкістю звуку. Швидкість звуку – величина постійна для даного середовища, коливальна швидкість – змінна, причому, якщо частинки середовища переміщуються по напряму розповсюдження хвилі, то коливальну швидкість вважають позитивною, при зворотному переміщенні частинок – негативною.

Для плоскої звукової хвилі коливальна швидкість

v = p/ρc (2.2)

де ρ – густина повітря, кг/м3; с – швидкість звуку, м/с. Добуток ρc для даних атмосферних умов є величина постійна, її називають акустичним опором.

Інтенсивність звуку – кількість енергії, що проходить в секунду через одиницю площі, перпендикулярної до напряму розповсюдження звукової хвилі. Інтенсивність звуку вимірюється у ватах на кв.метр (Вт/м2), є векторною величиною.

Інтенсивність звуку в сферичній хвилі прямо пропорційна звуковій потужності рак джерела сферичної хвилі і обернено пропорційна квадрату відстані r2 від випромінювача звуку:

. (2.3)

В плоскій хвилі поверхня, по якій відбувається розподіл звукової потужності, постійна. Без урахування втрат енергії в середовищі інтенсивність звуку в плоскій хвилі не залежить від відстані до випромінювача.

В реальних умовах на великих відстанях від джерела звуку через молекулярне загасання, в'язкість і запорошеність середовища відбувається деяке зменшення інтенсивності звуку, а, отже, і звукового тиску в плоскій хвилі.

2.2. Особливості слухового сприйняття звукових коливань

Орган слуху людини – це своєрідним звуковий приймач, і сприймання звуку людиною має деякі особливості, знання яких необхідне для вироблення технічних вимог до апаратури звукового мовлення.

Орган слуху людини складається із зовнішнього, середнього і внутрішнього вуха, причому зовнішнє і середнє вухо служать для передачі звукових коливанні до слухового аналізатора – равлика, що знаходиться у внутрішньому вусі. Равлик має декілька тисяч слабо пов'язаних між собою нервових волокон і близько 22 000 нервових закінчень. Під час збудження волокон відбувається роздратування нервових закінчень, які одразу ж починають посилати імпульси в слуховий центр мозку, викликаючи тим самим звукове відчуття.

Звукові коливання, що діють на вухо людини, можуть бути простими синусоїдальними (прості звуки) і складними. Останні є неперіодичними коливаннями з випадковим законом змінювання амплітуди і частоти.

Сприйняття простих звуків вухом людини таке.

Вухо людини здатне сприймати звуки в діапазоні звукових частот від 16... 20 до 20000 Гц. Частоти, нижчі за 16 Гц називаються інфразвуковими, а вищі за 20 кГц – ультразвуковими. В діапазоні чутних частот вухо відчуває не всяке змінювання частоти звуку, оскільки число нервових закінчень, розташованих у внутрішньому вусі, обмежено. Існує диференціальний поріг відмінності звуків за частотою – мінімально помітна на слух різниця частот двох звуків однакової інтенсивності: в області низьких і високих частот вухо відчуває змінювання частоти в середньому на 4%, а в області середніх частот – на 0,2 ... 0,3%.

Змінювання частоти відчувається вухом як змінювання висоти звуку. Одиницею вимірювання висоти звуку є октава, якій відповідає інтервал частот, верхня межа якого в 2 рази перевищує нижню. Октава є крупним інтервалом змінювання висоти звуку (в діапазоні звукових частот вухо сприймає всього 10 октав). На практиці використовуються менші інтервали, наприклад, півтони (1/12 октави).

Вухо людини може реагувати в діапазоні звукових частот на звукові коливання, які відповідають лише певній силі подразнення, під якою розуміють інтенсивність звуку або звуковий тиск.

Найменше значення силі подразнення чистого тону, яке викликає відчуття звуку, називається порогом чутності (рос. мовою – порог слышимости).

Поріг чутності індивідуальний для різних людей, залежить від їх віку, методів вимірювань і частоти. За наслідками ряду вимірювань прийнята крива залежності порогу чутності від частоти (рис. 2.1).

Порогу чутності на частоті 1000 Гц відповідає звуковий тиск р = 2·10–5 Па, що становить лише 2·10–10 атмосферного тиску. Для появи слухового відчуття на низьких і високих частотах необхідний більший звуковий тиск, ніж на середніх частотах.

Поступове збільшення амплітуди сили подразнення призводить до збудження більшого числа нервових закінчень, що суб'єктивно сприймається як змінювання гучності звучання. Зростання гучності звучання може призвести до дії подразнення і, врешті-решт, до відчуття болю у вухах. Максимально допустиме значення сили подразнення чистого тону, яке викликає больове відчуття, називається порогом больового відчуття (рос. мовою – порог болевого ощущения).



Рис. 2.1 Крива залежності порогу чутності від частоти

Між порогом больового відчуття і порогом чутності знаходиться область слухового сприйняття. Дослідження, проведені на великих групах людей, показали, що в області слухового сприйняття одному і тому ж самому значенню звукового тиску на різних частотах відповідають різні значення гучності звучання. Для кількісної оцінки сприйняття на різних частотах гучність досліджуваного звуку на слух порівнювали з гучністю еталонного звуку з частотою 1000 Гц. Отримана таким чином величина називається рівнем гучності, що виміряється у фонах.

Результати порівняння гучності графічно представлені на рис. 2.1 у виді сімейства кривих рівної (однакової) гучності. Кожна крива – це геометричне місце точок, що зображають однаково гучні тони різних частот. Криві однакової гучності в області малих значень звукового тиску в значною мірою залежать від частоти і зі збільшенням звукового тиску випрямляються. Отже, при малих амплітудах звукового тиску слух має неоднакову, а при великих – приблизно однакову чутливість на різних частотах, що може призвести до зменшення гучноісті звучання низьких і високих частот, якщо раніше записана передача прослуховується на більш низькому рівні гучності.

Для усунення цього недоліку у високоякісній апаратурі мовлення при зменшенні коефіцієнта посилення змінюють закон регулювання регулятора посилення: низькочастотні і високочастотні складові послаблюють у меншій мірі, ніж средньочастотні складові сигналу. Такі регулятори називають тонокомпенсувальними регуляторами.

Важливою особливістю слухового сприйняття є так званий бінауральний ефект – ефект слухання двома вухами, завдяки чому слухач здатний визначати напрям приходу звуку.

На низьких частотах бінауральний ефект виникає за рахунок відмінності фаз, а на більш високих частотах – за рахунок відмінності амплітуд (внаслідок екрануючої дію голови) звукових коливань. Людина визначає напрям приходу звукових коливань в горизонтальній площині з точністю до 3...4°, а при переміщенні джерела звуку у вертикальній площині точність набагато менша – 40... 50°.

Ефект маскування – це ще одна особливість слухового сприйняття. Цей ефект спостерігається при одночасному звучанні декількох джерел звуку. Це проявляється в тому, що відбувається підвищення порогу чутності маскованого «корисного чистого тону» порівняно з порогом чутності його в тиші. Ефект маскування помітніший у разі однакових частот маскованого і маскуючого (що заважає) чистих тонів. Низькочастотні чисті тони сильніше маскують високочастотні. При маскуванні мовного сигналу шумом знижується розбірливість мови.

Розглянемо тепер особливості сприйняття вухом затримок у часі, коли слухач отримує сигнали від декількох віддалених джерел звуку. Помічено, що за однакової потужності ближнього і віддаленого джерел звуку відчувається і локалізується ближнє джерело звуку, що дає випереджаючий сигнал. При цьому забезпечується злитність звучання, якщо затримка в часі надходження запізнюючого сигналу не перевищує 50 мс. Якщо час затримки сигналу перевищує 50 мс, то наявність запізнюючого сигналу від віддаленого джерела звуку відчувається як луна (рос. мовою – эхо), хоча як і раніше локалізується ближнє джерело звуку. Зменшенням потужності ближнього джерела можна добитися роздільного звучання обох джерел звуку. Ця властивість слуху лежить в основі побудови систем стереофонічного мовлення.
2.3. Рівні акустичних характеристик звукового поля, електричної потужності та напруги

Звукові коливання, що сприймаються вухом людини, а також сигнали звукового мовлення можуть змінюватися в широких межах. Це викликає ряд утруднень при їх оцінці. Тому з метою спрощення обчислень і процесу вимірювань для отримання стислого масштабу величину сигналів оцінюють не в абсолютних, а у відносних логарифмічних одиницях.

Логарифм відношення двох величин однакової розмірності і називають рівнем, який в десятковій системі логарифмів дорівнює:

. (2.4)

Одиниця вимірювання рівня отримала назву «бел». Бел є відносно крупною одиницею вимірювання. Тому частіше рівень визначають одиницею, що в 10 разів менша біла – в «децибелах» (дБ). В цьому випадку вираз (1.5), в децибелах:

. (2.5)

Розрізняють абсолютні і відносні рівні. Якщо амплітудне значення фізичної змінюваної величини А1 виражено в логарифмічних одиницях відносно іншої змінюваної величини А0, то рівень називають відносним.

Рівень, обчислений відносно умовної постійної величини А0, називається абсолютним рівнем. Умовна постійна величина, що стоїть в знаменнику, відповідає так званому абсолютному нульовому рівню, оскільки при А1 = А0 отримаємо N = 0.

Згідно (2.5) абсолютний рівень інтенсивності звуку

(2.6)

а абсолютні рівні звукового тиску p і коливальної швидкості v з урахуванням того, що з виразу (2.3) виходить, що I і I визначаються виразом:

. (2.7)
2.4. Властивості мовних сигналів

Інформація, що використовується для організації мовних передач, є мовою, музикою або їх поєднанням. В місці виконання мовної передачі (первинне звукове поле) виникає первинний акустичний сигнал, який за допомогою електроакустичних пристроїв перетворюється в електричний сигнал звукового мовлення. В місці прослуховування мовної передачі (вторинне звукове поле) цей сигнал відновлюється в акустичний. Акустичний сигнал, що пройшов через тракти у вторинному звуковому полі, називається вторинним акустичним сигналом.

Первинний акустичний сигнал і електричний сигнал звукового мовлення називають також мовними сигналами, що є нестаціонарним випадковим процесом, який можна представити за допомогою інтегралів Фурье у вигляді суми ряду гармонічних коливань. Розподіл амплітуд гармонічних складових складного коливання по частоті називається спектром сигналу.

Основні характеристики мовного сигналу – це частотний склад сигналу і розподіл рівнів сигналу в часі.

Для розрахунку номінальної потужності апаратури, що входить до складу ЕКЗВ, його номінальної смуги частот, відносного рівня перешкод необхідно визначити ряд характеристик мовного сигналу: максимального, мінімального і середнього рівнів, виду спектру і ін.

Оскільки через інерційність слуху ми сприймаємо не миттєві значення звукового тиску, а усереднені значення, зручніше розглядати усереднені напруги мовного сигналу, що вимірюються за допомогою спеціального приладу – вимірника рівня. Рівні цих усереднених напруг називають динамічними рівнями мовного сигналу. За допомогою самописця на стрічці можуть бути зафіксовані змінювання динамічних рівнів в часі. Отриманий графік називають рівнеграмою. Вона показує, що мовний сигнал є випадковою функцією t (часу). Тому необхідні характеристики мовних сигналів можуть бути визначені лише статистично.



Рис. 2.2. Рівнеграма уривка музичної передачі

В технічних розрахунках користуються квазімаксимальним і квазімінімальним значеннями рівнів мовного сигналу. Для їх визначення потрібні рівнеграми тривалістю, що приблизно дорівнює хвилині.

Квазімаксимальний рівень Nмaкc – це рівень, відносний час перевищення якого прийнятий таким, що дорівнює 2% для музичного сигналу і 1% для мовного. Для квазімінімального рівня відповідні значення дорівнюють 98 і 99%.

2.5. Спотворення і завади, що впливають на якість мовної передачі

Якість мовної передачі оцінюється тим, наскільки відтворне гучномовцем на приймальній стороні звучання близьке до початкового (натурального), що сприймається в місці розташування мікрофонів (на передаючій стороні). Проте існують такі причини і завади, що впливають на якість мовної передачі:

1. Втрата акустичної перспективи. Якщо мовлення ведеться по одному каналу (монофонічна передача), то звучання, що відчувається в місці прийому, не містить складових, що дозволяють зберегти особливості бінаурального сприйняття, оскільки всі звуки виходять з однієї точки. Бінауральне слухання можливо лише за наявності стереофонічної двоканальної або багатоканальної систем передачі звуку.

2. Зсув рівнів – це відмінність рівнів вторинного і первинного акустичних сигналів. Часто мовні передачі прослуховують при гучності, що відрізняється від гучності джерела сигналу. При цьому сприйняття відтворення відрізняється від сприйняття оригінальних звучань. Оскільки криві рівної гучності зближуються в області нижніх і верхніх частот звукового діапазону, те прослуховування звуку на більш низькому або більш високому рівні призводить до зміни тембру звучання: якщо передачу слухають на більш низькому рівні, то сигнали низьких частот суб'єктивно пригнічуються, якщо на більш високому – підкреслюються сигнали нижніх частот.

3. Обмеження (стиснення) динамічного діапазону. Якщо значення динамічного діапазону передаваного звуку перевищує допустиме (більше 70 дБ) в місці його відтворення, то їх погоджують, зменшуючи динамічний діапазон передаваного до 40...50 дБ. При цьому звучання погіршується (виявляється монотонність). Таким чином, погіршення якості звучання може бути оцінено лише суб'єктивно в результаті прослуховування програми.

4. Спотворення і завади. Якість аналогових мовних каналів прийнято оцінювати лінійними і нелінійними спотвореннями і нормами захищеності від різного роду завад.

Лінійні спотворення. Під лінійними спотвореннями розуміють спотворення сигналу в електричному каналі звукового мовлення (ЕКЗМ), в якому всі складові його ланки мають лінійні амплітудні характеристики. Лінійні спотворення викликаються наявністю в ЕКЗМ реактивних елементів: індуктивностей і ємностей. До цього виду спотворень відносяться амплітудно-частотні (частотні) і частотно-фазові спотворення. Частотні спотворення характеризуються відхиленнями реальної амплітудно-частотної характеристики від ідеальної.

Нелінійні спотворення. Ці спотворення виникають при проходженні сигналу через нелінійні системи (підсилювальні каскади на транзисторах тощо), у яких відсутня пропорційність між вхідним і вихідним сигналами. при проходженні сигналу через такі системи в спектрі вихідного сигналу виникають гармонічні і комбінаційні коливання, які були відсутні у вхідному сигналі. що призводить до змінювання тембру звучання і появи неприємних для слуху тресків, хрипів тощо. Найбільші нелінійні спотворення виникають в області низьких частот, причому їх величина зростає зі збільшенням рівня сигналу. Нелінійні спотворення оцінюються за допомогою коефіцієнта гармонік

,

де , , ... – амплітуди гармонік сигналу, починаючи з другої; – амплітуда основної складової сигналу.

2.6. Шуми і завади в трактах радіомовлення

Шуми і завади можуть виникати за рахунок:

1) процесів, що відбуваються при передачі мовних каналів по трактах радіомовлення;

2) природних процесів, що відбуваються в природі або викликаних технічною діяльністю людини.

Вплив шумів і перешкод в основному зводиться до маскування мовного сигналу.

Розглянемо основні види перешкод і шумів в трактах мовлення.

Акустичні шуми. Ці шуми виникають в місцях виконання і прослуховування мовних передач. Основне джерело акустичних шумів – шуми, проникаючі в приміщення через погану звукоізоляцію. По санітарних нормах допустимий рівень шуму в житлових приміщеннях 50 дБ. В кіноконцертних залах, студіях рівень шуму за рахунок додаткової звукоізоляції дещо нижче.

Апаратурні шуми. Джерелами шумів, що вносяться апаратурою, є електронні прилади, сполучні дроти в ланцюгах з низьким рівнем сигналу, джерела електроживлення, мікрофони і т.д. Щоб зменшити апаратурні шуми, застосовують раціональне конструювання і розміщення деталей в апаратурі, екранують електронні прилади і сполучні дроти в ланцюгах з низьким рівнів сигналу. Шуми, що вносяться джерелами живлення (через пульсації випрямленої напруги, живлення ланцюгів напруги змінним струмом), можуть бути зведений до достатньо малим шляхом застосування фільтрів, відповідним розташуванням блоку живлення, застосуванням в підсилювачах негативного зворотного зв'язку.

Лінійні шуми. До лінійних шумів відносяться шуми в лініях, що використовуються для передачі мовних сигналів. Ці шуми можна розділити на шуми, властиві самій лінії (так званий термічний шум) і шуми, що виникають унаслідок впливу на неї енергії зовнішніх електромагнітних полів (наприклад, полів від інших ліній передачі сигналів електрозв'язку або ЛЕП). Основні заходи зниження вказаних шумів від зовнішніх електромагнітних полів – схрещування дротів ВЛ і скручування жив з екрануванням кабелів. Вплив лінійних шумів можна зменшити тим, що відповідним розноситься ліній передачі сигналів електрозв'язку і електроенергії.

Атмосферні і промислові завади. Ці завади виявляються на виході радіоприймальних пристроїв у вигляді клацань, шерехів і тресков. Причина атмосферних перешкод, що роблять основний вплив на якість радіоприйому в сільській місцевості, – грозові розряди, зухвалі електромагнітні коливання високої частоти. Промислові завади радіоприйому, особливо великі в крупних містах, виникають при роботі електричних машин і апаратів, зварці і т.п. Ефективних заходів боротьби з атмосферними перешкодами не існує, якщо не рахувати застосування направлених антен. З промисловими перешкодами борються двома шляхами: придушенням перешкод в місці їх виникнення і проведенням захисних заходів в місцях прийому.
2.7. Класи якості каналів і трактів звукового мовлення

Якість мовних передач оцінюється суб'єктивно за наслідками слухового сприйняття – по натуральності, приємності звучання і помітність спотворень і перешкод.

Ступінь помітності спотворень і перешкод залежить від індивідуальних особливостей слуху, музичного виховання і навіть настрою слухача. По здатності помічати спотворення і завади всіх слухачів можна розділити на дві групи:

1) висококваліфіковані фахівці (музиканти, звукорежисери), професійні навики, що мають, у виявленні на слух спотворень і тому добре спотворення, що помічають;

2) практично вся решта слухачів, що не мають великих вад слуху.

Для обгрунтовування вимог до каналів і трактів звукового мовлення у всьому світі проводяться суб'єктивно-статистичні експертизи за визначенням ступеня помітності спотворень (градації якості), які приведені в табл. 2.1.

Основні параметри якості електричних каналів звукового мовлення повинні відповідати нормам, приведеним в табл. 2.1.

Таблиця 2.1

Градація якості

Абсолютно непомітно

Практично непомітно

Невпевнено помітно

Упевнено помітно

Число експертів

що помітили спотворення %


15


30


50


75

Відповідно до градацій якості для електричних каналів звукового мовлення, трактів і окремих ланок згідно з ГОСТ 11515 -75 встановлено три класи якості:

– вищий – це клас якості, вимогам якого задовольняє апаратура комплексів формування програм;

– перший – це клас якості, якій повинна задовольняти апаратура і сіті дротяного мовлення, організовувані в крупних містах;

– другий – це клас якості, якій повинна задовольняти апаратура і сіті невеликих вузлів дротяного мовлення в сільській місцевості, абонентні гучномовці і т.п.

Згідно з ГОСТ 11515 -75 нормуються наступні основні параметри якості: номінальний діапазон частот, нерівномірність амплітудно-частотної характеристики, коефіцієнт гармонік і захищеність, яку визначають як різниця між номінальним рівнем сигналу і рівнем завади.