Тема 1.1 Сигналы звукового вещания и особенности их восприятия

 

1. Звуковое поле, его характеристики.

2. Восприятие звуков по частоте и амплитуде.

3. Бинауральный и маскирующий эффекты.

1. Характеристики сигналов звукового вещания: динамический и частотный диапазоны.

 

1.1 ЗВУКОВОЕ ПОЛЕ И ЕГО ХАРАКТИРИСТИКИ

Механические колебания в упругих средах, воспринимаемые человеческим слухом, называют звуком. Частоты звуковых колебаний находятся в интервале 20…20 000 Гц. Частоты ниже 20 Гц называют инфразвуковыми, а выше 20 000 Гц – ультразвуковыми. Они органом слуха не воспринимаются.

Колеблющееся тело – источник звука – в упругой среде будет приводить в колебательное движение прилегающие к нему частицы этой среды и т.д. Процесс распространений колебаний в упругой среде называют волной, а поверхность, соединяющую все смежные точки поля с одинаковой фазой колебания частиц среды,- фронтом волны. Если рассматривать волну, распространяющуюся от только включенного источника звука, то её фронтом будет граница, отделяющая колеблющиеся частицы среды от ещё не начавшихся колебаться частиц. Звуковые волны распространяются с определённой скоростью, называемой скоростью звука. В газообразных средах скорость звука зависит от плотности среды и атмосферного давления. В воздухе при нормальном атмосферных условиях (давление 1атм, температура 18˚С) скорость звука равна 342 м/с.

Пространство, в котором распространяются звуковые волны, называют звуковым полем, а направление распространения звуковых волн – звуковым лучом. Фронт волны перпендикулярен звуковому лучу.

В отличие от твердых тел, где возможно распространение колебаний и в продольном, и в поперечном направлениях, в воздухе волна распространяется только в направлении колебательного движения самих частиц среды. Такой процесс характерен для продольных волн. Продольные волны в воздушной среде представляют собой ряд чередующихся сгущений и разряжений частиц воздуха Расстояние между двумя соседними сгущениями или разряжениями называют длинной волны λ В чередующихся слоях сжатия и разряжения среды происходит изменение давления по сравнению с атмосферным давлением.

Разность между давлением звукового поля в данной точке рмгн и статистическим (атмосферным) р₀ называют звуковым давлением. Один паскаль (Па) создаётся при действии силы в один ньютон (Н) на поверхность площадью в один квадратный метр Па =Н/м² .В системах вещания имеют дело со звуковыми давлениями, не превышающими 100Па.

По конфигурации фронта волны различают волны плоские и сферические. Плоской волной называют такую, в которой колебательный процесс распространяется в одном направлении. Ее фронт имеет форму плоскости (на большом расстоянии от источника звука), когда размеры излучателя велики по сравнению с длиной излучаемой волны.

Волна называется сферической, если она распространяется равномерно по всем направлениям и ее фронт имеет сферическую форму. Сферическая волна наблюдается на небольших расстояниях от источника звука, когда его размеры по сравнению с длиной излучаемой волны малы.

При распространении звуковой волны колеблющиеся частицы среды смещаются от положения покоя с колебательной скоростью. Если источник звука излучает синусоидальные колебания, то, подобно звуковому давлению, колебательная скорость изменяется также по закону синуса: υ = υmsin(2πƒt + φ).Колебательная скорость измеряется в метрах в секунду (м/с). За время Т, в течение которого совершается один период колебания источника звука, фронт звуковой волны переместится на расстояние, равное длине волны λ. За одну секунду волна распространяется на расстояние, равное скорости звука с= λƒ.

При колебаниях малой амплитуды звуковое давление и колебательная скорость связаны между собой линейной зависимостью. В случае бегущей плоской волны, давление и колебательная скорость изменяются синфазно υ=p/ρ, где ρ плотность среды, кг/м³.

Произведение ρс зависит только от физических свойств среды и называется удельным акустическим сопротивлением. При нормальном атмосферном давлении и температуре воздуха ρс≈400 кг/м²..

Распространение волнового процесса связано с переносом энергии. К энергическим характеристикам звукового поля относят интенсивность звука и плотность звуковой энергии. Интенсивностью звука или его силой называют количество энергии, проходящее в секунду через единицу площади, перпендикулярной к направлению распространения волны.

В открытом воздушном пространстве звуки беспрепятственно распространяются во все стороны. Образуется бегущая или прямая звуковая волна. В помещении звуковые волны многократно отражаются от различных поверхностей. В каждой точке звукового поля складываются прямые волны и отраженные, причем последние приобретают различные опоздания по сравнению с прямой волной. Таким образом, образующееся в каждой точке поля звуковое давление является результатом интерференции всех приходящих в нее звуковых волн.

1.3 ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКА.

Общие сведения. Качество вещательной передачи оценивается субъективно на основе воспринимаемого звука. Поэтому для правильного проектирования и эксплуатации аппаратуры звукового вещания необходимо знать закономерности, связывающие субъективные характеристики слухового восприятия.

Звуки бывают простыми и сложными. Простые звуки – это синусоидальные колебания, получаемые с помощью генератора звуковых колебаний. Простые характеризуют частотой и амплитудой. Речь, пение, звучание музыкальных инструментов представляют собой сложные звуки. Несинусоидальные функцию времени можно разделить на простые гармонические составляющие, в сумме образующие спектр этой, несинусоидальной функции. Результат разложения обычно представляют графически: по горизонтальной оси откладывают частоты гармонических составляющих, а по вертикальной – амплитуды.

Восприятие по частоте. Частота простого звука или основного тона сложного звука вызывает слуховое ощущение такого качества, которое называется «высотой» тона. Изменение частоты колебаний от 16 до 20 000 Гц вызывает восприятие постепенно изменяющегося тона от самого низкого до самого высокого. Ступень высоты называется октава. Октаве соответствует изменение частоты в 2 раза.

Гармонические составляющие, содержащиеся в спектре сложных звуков, придают им характерную окраску, называемую тембром. Тембр определяется как числом гармоник в спектре, так и соотношением их амплитуд.

Восприятие по амплитуде. Амплитуда звукового колебания связана с восприятием громкости звука. Еле ощущаемое звуковое колебание характеризует порог слышимости, обычно оцениваемый соответствующим значением звукового давления или интенсивности звука. Пределом нарастания громкости является болевой порог. На частоте 1000 Гц болевому порогу соответствует уровень интенсивности звука, равный 120 дБ.

Минимальная различимая на слух разность интенсивности двух звуков одной и той же частоты определяет дифференциальный порог слышимости по интенсивности звука. Значение его равно примерно 1 дБ.

Чтобы количественно оценить громкость, воспринимаемую на разных частотах, громкость исследуемого тона на слух приравнивается к громкости эталонного тона с частотой 1000 Гц. Единицу уровня громкости называют фоном.

Временные характеристики и эффект маскировки. Слух характеризуется инертностью, которая выражается в том, что при исчезновении звука слуховое ощущение исчезает лишь спустя некоторое время. Она приводит к слитному восприятию звуков., приводящих к слушателю с временным сдвигом, не превышающим 50 мс. При больших временных сдвигах эти звуки могут восприниматься раздельно. Если же уровень громкости запаздывающего звука меньше уровня первого, то звуки не будут приняты раздельно. В этом случае остаточное ощущение первого звука как бы маскирует запаздывающий звук. Эффект маскировки возрастает при увеличении разности уровней громкости опережающего и запаздывающего звуков.

Бинауральный эффект – эффект слушания двумя ушами. Благодаряемуслушатель может определить направление прихода звука. Способность слуха правильно определить направление прихода звука зависит от расстояния: звуковые колебания, воздействующие на правое и левое ухо, будут иметь некоторый сдвиг по фазе и разницу в уровнях звукового давления. Временные характеристики и бинауральный эффект лежат в основе построения систем стереофонической передачи.

1.4 ВЕЩАТЕЛЬНЫЙ СИГНАЛ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ.

LkдБ

Lk

С помощью микрофона звуковые сигналы преобразуют в электрические сигналы звукового вещания или вещательные сигналы. Напряжение вещательного сигнала, отображающие изменение звукового давления при передаче музыки или речи, непрерывно меняется в широком диапазоне значений. В связи с тем, что из-за инерционности слуха, мы воспринимаем не мгновенные значения звукового давления, а усреднённые значения, удобнее рассматривать усреднённые напряжения вещательного сигнала, измеряемые с помощью специального прибора – измерителя уровня. Уровни этих усреднённых напряжений называют динамическими уровнями вещательного сигнала. С помощью самописца на ленте могут быть зафиксированы изменения динамических уровней времени. Полученный график называют уровнеграммой. На рис приведена уровнеграмма отрывка музыкальной передачи длительностью 60с.Как видно из уровнеграммы, вещательный сигнал – случайная функция.Значения уровней в каждый момент времени могут быть предсказаны с какой-то вероятностью.

Одной из важных характеристик, вещательного сигнала является относительная средняя мощность – величина, показывающая, какую часть от мощности синусоидального сигнала Р_макс с амплитудой, равной номинальному напряжению, вещательного сигнала составляет средняя мощность Р_ср, выделяемая на нагрузке и усредняемаяза большой промежуток времени: Р_отн = Р_ср / Р_макс * 100%.

Относительная средняя мощность сигнала характеризует нагрузку усилителей ЭКЗВ.

Относительная средняя мощность сигнала, %

Для различных источников звука

Симфоническая музыка ……………………………………………………3

Речь и хоровое песнопение………………………………………………...6

Эстрадный и духовой оркестр……………………………………………….10…12

Вещательный сигнал, как правило, представляет собой случайную функцию времени и при рассмотрении в течение достаточно большого промежутка времени имеет сплошной спектр.

Диапазон частот, Гц, занимаемый спектром вещательного сигнала Аккордеон…………………………………………………….40…12 000

Контрабас………………………………………………………..30…8 000

Певческие голоса………………………………………………….80…10 000

Симфонический оркестр…………………………………………………..20…16 000

Речь…………………………………………………………………….100…(5…7)10³

Как следует из данных, ширина полосы вещательного канала не может рассчитываться исходя из какого-либо «среднего» спектра. Электрический канал звукового вещания должен рассчитываться на полосу пропускания, определяемую спектром, имеющим наибольший частотный диапазон.