Области маскировки сигналов узкополосной шумовой помехой

Полезно: Мамчев основы цифрового ТВ, стр 126, эффект маскирования

Катунин аудиовизуальные средства информации стр 411 эффект маскировки – лапа!

Эффект маскировки

В определённых случаях один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор рядом с железнодорожными путями может быть совершенно невозможен, если мимо проезжает поезд. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличимым в присутствии более громкого звука.

МАСКИРОВКА ЗВУКА - явление, заключающееся в ухудшении слышимости одного звука (сигнала) в присутствии др. звуков (помех).

несколько видов маскировки: одновре́менное (моноуральное) маскирование; вре́менное (неодновременное) маскирование

Одновременная маскировка

Любые два звука при одновременном прослушивании оказывают влияние на восприятие относительной громкости между ними. Более громкий звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Эффект маскировки не одинаков при смещении маскируемого звука ниже или выше по частоте относительно маскирующего. Более низкочастотный звук сильнее маскирует высокочастотный. При этом важно отметить, что высокочастотный звук не может маскировать низкочастотный звук.

Вре́менная маскировка

Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении подачи маскирующего звука маскируемый некоторое время продолжает быть неслышимым. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс.

В случае, когда маскирующий тон появляется по времени позже маскируемого, эффект называют пост-маскировкой. Когда маскирующий тон появляется раньше маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют пре-маскировкой.

рисунок: Частотная зависимость уровня маскирующего сигнала L_M, необходимого для маскировки тонального сигнала с частотой 1 кГц и уровнем 20 дБ: 1 - при одновременной маскировке; 2 - при прямой последовательной маскировке.

При одноврем. маскировке тонального сигнала шумовым, спектр к-рого ограничен полосой с центр, частотой, соответствующей сигналу, расширение спектра маскера при постоянной интегральной энергии до нек-рого значения ширины полосы не влияет на величину M. з. Расширение же вне этой полосы, называемой критической, приводит к снижению M. з.

Постстимульное утомление

Нередко после воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причём наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала.

Фантомы

Иногда человек может слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Этот эффект используется в некоторых коммерческих звуковых системах, чтобы расширить область воспроизводимых низких частот, если невозможно адекватно воспроизвести такие частоты напрямую, например в наушниках. При долгом прослушивании это может быть вредно для слуха.

Если сигнал и помеха широкополосны, то величина одновременной M. з. в большом динамич. диапазоне пропорциональна уровню интенсивности помехи. Если сигнал и маскер - тоны одинаковой частоты, то M. з. растёт медленнее уровня маскера. При различии спектрального состава сигнала и помехи M. з. определяется гл. обр. составляющими помехи, близкими по спектру к сигналу. Для выявления частотной избирательности слуха в качестве сигнала и маскера используют чистые тоны или очень узкополосные шумы. Зависимость от частоты уровня маскера, необходимого для маскировки слабого сигнала фиксиров. частоты и уровня, характеризует частотную настройку слуховой системы в области частоты сигнала (рис.). В режиме прямой последо-ват. маскировки частотная избирательность повышается, что объясняется проявлением нелинейных свойств улитки уха.

Человеческое ухо способно воспринять звуки с частотой от 20 до 22000 Гц, но его чувствительность не является одинаковой в этом интервале. Она зависит от частоты звука. Эксперименты указывают на то, что в тихой окружающей обстановке чувствительность уха максимальна при частотах от 2 до 4 кГц. На рис. 6.4а показан порог слышимости для тихого окружения.

Для эффективного сжатия звука применяются два свойства органов слуха человека. Эти свойства называются частотное маскирование и временное маскирование.

Частотное маскирование (его еще называют слуховое маскирование) происходит тогда, когда нормально слышимый звук накрывается другим громким звуком с близкой частотой. Толстая стрелка на рис. 6.4b обозначает громкий источник звука с частотой 800 Гц. Этот звук приподнимает порог слышимости в своей окрестности (пунктирная линия). В результате звук, обозначенный тоненькой стрелкой в точке «х» и имеющий нормальную громкость выше своего порога чувствительности, становится неслышимым; он маскируется более громким звуком. Хороший метод сжатия звука должен использовать это свойство слуха и удалять сигналы, соответствующие звуку «х», поскольку они все равно не будут услышаны человеком. Это один возможный путь сжатия с потерями.

Частотное маскирование (область под пунктирной линией на рис. 6.4b) зависит от частоты сигнала. Оно варьируется от 100 Гц для низких слышимых частот до более, чем 4 кГц высоких частот. Следовательно, область слышимых частот можно разделить на несколько критических полос, которые обозначают падение чувствительности уха (не путать со снижением мощности разрешения) для более высоких частот.

Рис. 6.4. Порог и маскирование звука.

Можно считать критические полосы еще одной характеристикой звука, подобной его частоте. Однако, в отличие от частоты, которая абсолютна и не зависит от органов слуха, критические полосы определяются в соответствии со слуховым восприятием.

Критические полосы можно описать следующим образом: из-за ограниченности слухового восприятия звуковых частот порог слышимости частоты приподнимается соседним звуком, если звук находится в критической полосе . Это свойство открывает путь для разработки практического алгоритма сжатия аудиоданных с потерями. Звук необходимо преобразовать в частотную область, а получившиеся величины (частотный спектр) следует разделить на подполосы, которые максимально приближают критические полосы. Если это сделано, то сигналы каждой из подполос нужно квантовать так, что шум квантования (разность между исходным звуковым сэмплом и его квантованными значениями) был неслышимым.

Еще один возможный взгляд на концепцию критической полосы состоит в том, что органы слуха человека можно представить себе как своего рода фильтр, который пропускает только частоты из некоторой области (полосы пропускания) от 20 до 20000 Гц. В качестве модели ухо- мозг мы рассматриваем некоторое семейство фильтров, каждый из которых имеет свою полосу пропускания. Эти полосы называются критическими. Они пересекаются и имеют разную ширину.

В области низких слышимых частот ширина критической полосы менее 100 Гц, в районе 2 кГц она равна 300 Гц и возрастает до 4 кГц в области высших воспринимаемых частот

Ширина критической полосы называется ее размером. Для измерения этой величины вводится новая единица «барк» («Bark» от H.G.Barkhausen). Один барк равен ширине (в герцах) одной критической полосы. Эта единица определяется по формуле:

На рисунке в Мамчев, основы цифр ТВ стр 127, рис 2.8 показаны несколько критических полос которые помещены над кривой порогов слышимости.

Рис. 6.6. Порог и маскирование звука.

Временное маскирование происходит, когда громкому звуку частоты по времени предшествует или за ним следует более слабый звук близкой частоты. Если интервал времени между этими звуками не велик, то звук будет не слышен. Рис. 6.6 иллюстрирует пример временного маскирования. Порог временного маскирования от громкого звука в момент времени 0 идет вверх сначала круто, а потом полого. Более слабый звук в 30 дБ не будет слышен, если он раздастся за 10 мсек до или после громкого звука, но будет различим, если временной интервал между ними будет больше 20 мсек.