Частотный диапазон акустического сигнала

Министерство Образования Республики Казахстан

Алматинский Институт Энергетики и Связи

Кафедра РТ

Семестровая работа

по дисциплине: «Радиовещание и электроакустика»

на тему: «Частотный диапазон акустического сигнала»

Выполнил: __________________

__________________

Принял: __________________

Алматы 1999

Содержание

Частотный диапазон и спектры.............................................................................. 3

Восприятие акустических сигналов.......................................................................... 6

Список литературы.................................................................................................... 9

Частотный диапазон и спектры

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.

Рис.1. Спектральные уровни шу­мов: 1— белого; 2 — розового; 3 — речевого

Восприятие акустических сигналов

Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нор­мальных температуре и давлении близка к значению c_зв=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 N_a 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 N_a 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.

Рис. 2. Кривые равной громкости — влияние уровня звукового давления (б) и частоты (в) измери­тельного тона на мини­мально ощущаемое из­менение девиации ча­стоты

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.