Характеристики сигналов звукового вещания. Сигналы звукового вещания и особенности их восприятия.

Звуковая информация, переда­ваемая в системах звукового вещания, предназначена для восприятия слуховым органом человека, состоя­щим из внешнего, среднего и внутреннего уха. Две первые части уха служат для передачи звуковых ко­лебаний к слуховому анализатору — улитке, находя­щейся во внутреннем ухе. В состав улитки входят несколько тысяч слабо связанных друг с другом нерв­ных волокон и около 22 000 нервных окончаний, ко­торые посылают импульсы в слуховой центр мозга, вызывая звуковое ощущение.

Звуковые колебания, воздействующие на ухо че­ловека, могут быть синусоидальными (простые звуки) и сложными, представляющими собой непериодичес­кие колебания со случайным законом изменения амп­литуды и частоты. Простые звуки (чистые тона) мож­но получить с помощью камертона или генератора; сложные звуки — это звучание речи, музыки и т.п. Восприятие сложных звуков в основном имеет те же особенности, что и восприятие простых звуков.

Восприятие по частоте. Частота простого звука или основная частота сложного звука вызывает слуховое ощущение, которое называется высотой тона. В диа­пазоне слышимых частот ухо ощущает не всякое из­менение частоты звука, так как число нервных окон­чаний, расположенных во внутреннем ухе, ограниче­но. Существует дифференциальный порог различимос­ти звуков по частоте — минимально различимая на слух разность частот двух звуков одинаковой интен­сивности. Ухо человека в области низких и высоких частот ощущает изменение частоты в среднем на 4 %, в области средних частот — на 0,2...0,3 %.

Единицей измерения высоты звука является окта­ва. Октаве соответствует интервал частот, верхняя граница которого в 2 раза превышает нижнюю. Октава является интервалом изменения высоты звука (в диапазоне звуковых частот воспринимается 10 октав). На практике используются меньшие интервалы, например полутона (1/12 октавы).

Гармонические составляющие в спектре сложных звуков придают им характерную окраску, называемую тембром. Тембр определяется как числом гармоник в спектре, так и соотношением их амплитуд. У каждого источника звука тембр звучания индивидуальный, по тембру можно отличить один инстру­мент от другого, узнать голос певца и др.

Восприятие по амплитуде. Ухо человека реагирует в диапазоне звуковых частот на звуковые колебания, соответствующие определенной раз­дражающей силе. Под раздражающей силой подразу­мевают интенсивность звука или звуковое давление. Наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука, называется порогом слышимости. Порог слышимости индивиду­ален для каждого человека, зависит от его возраста и частоты. По результатам ряда измерений принята кривая зависимости порога слышимости от частоты (рис. 1.1). Порогу слышимости на частоте 1000 Гц соответствует звуковое давление р_о= 2 • 10^-5 Па. Для появления слухового ощущения на низких и высоких частотах необходимо большее звуковое давление, чем на средних.

Постепенное увеличение амплитуды раздражающей силы приводит к возбуждению большего числа не­рвных окончаний. Это субъективно воспринимается как изменение громкости звучания. Поэтому зву­ковое давление и интенсивность звука часто оценива­ют в логарифмических единицах (акустических уров­нях):(1.5)

Na=101gJ/J₀=201gp/p₀.

Абсолютный акустический уровень Na определяется относительно

р₀ = 2 • 10^-5 Па,

Jo = 10^-12 Вт/м², соответ­ствующих порогу слышимости на частоте 1000 Гц.

Возрастание громкости звучания может привести к раздражающему воздействию и, наконец, к ощуще­нию боли в ушах. Максимально допустимое значение раздражающей силы чистого тона, вызывающее боле­вое ощущение, называется порогом болевого ощуще­ния. Порог болевого ощущения мало зави­сит от частоты, на частоте 1000 Гц ему соответствует звуковое давление 20 Па.

Между порогом болевого ощущения и порогом слы­шимости находится область слухового восприятия. Ис­следования показали, что в области слухового восприятия одному и тому же значению звукового давления на разных частотах соответствуют различные значения громкос­ти звучания. Для количественной оценки восприятия на разных частотах громкость звука на слух уравнивали громкостью звука с час­тотой 1000 Гц. Полученная величина называется уровнем громкости, измеряемым в фонах. Результаты сравнения громкостей графически пред­ставлены на рис. 1.1 в виде семейства кривых равной громкости. Кривые равной громкости в области малых значений звукового давления в большой степени за­висят от частоты, а по мере увеличения звукового дав­ления спрямляются. При малых амп­литудах звукового давления слух имеет неодинаковую, а при больших —одинаковую чув­ствительность на разных частотах. Это приводит к уменьшению громкости звучания низких и высоких частот, если ранее записанная пе­редача прослушивается на более низком уровне гром­кости.

Для устранения этого недостатка в аппаратуре вещания при уменьшении коэф­фициента усиления изменяют закон регулирования регулятора усиления: низко- и высокочастотные со­ставляющие ослабляют в меньшей степени, чем среднечастотные составляющие сигнала. Такие регулято­ры называют тонкомпенсированными.

Восприятие звуковых колебаний в пространстве и во времени. Слушатель способен определять направ­ление на источник звука благодаря бинауральному эф­фекту — эффекту слушания двумя ушами. На низ­ких частотах бинауральный эффект возникает за счет различия фаз, а на более высоких частотах — за счет различия амплитуд (из-за экранирующего действия головы) звуковых колебаний. Человек определяет на­правление прихода звуковых колебаний в горизонталь­ной плоскости с точностью до 3...4°. При перемеще­нии источника звука в вертикальной плоскости точ­ность меньше, погрешность в определении местона­хождения источника звуковых колебаний может дос­тигать 40...50°.

При прослушивании источника звука на фоне шума (или другого мешающего звука) наблюдается повыше­ние порога слышимости, которое называют эффектом маскировки. Он оказывается более заметным при ра­венстве частот маскируемого и маскирующего (меша­ющего) чистых тонов. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные. При маскировке рече­вого сигнала шумом понижается разборчивость речи (количество принятых правильно элементов речи из общего числа переданных по тракту).

Слуховой аппарат обладает инерционностью, кото­рая выражается в том, что ощущение возникновения звука, а также его прекращения возникает не сразу. Если слушатель получает сигналы от нескольких источников звука, удаленных от него на разные рас­стояния, то при одинаковой мощности ближнего и удаленного источников звука ощущается и локализу­ется ближний источник звука, излучающий опережа­ющий сигнал. При этом обеспечивается слитность зву­чания, если задержка во времени прихода запаздыва­ющего сигнала не превышает 50 мс. Если время за­держки превышает 50 мс, то наличие запаздывающе­го сигнала от удаленного источника звука ощущается как эхо, хотя по-прежнему локализуется ближний источник звука. Уменьшая мощность ближнего источ­ника, можно добиться раздельного звучания обоих ис­точников звука. Это свойство лежит в основе построе­ния систем стереофонического вещания.

4. Контрольные вопросы

Глоссарий

Литература

Лекция 3