Динамический диапазон, пик-фактор и уровни

Вследствие логарифмического закона восприятия и ши­рокого диапазона интенсивностей слышимых звуков для объективной оценки введено понятие уровня интен­сивности

За нулевой уровень условились принимать интенсив­ность Iо, близкую к пороговой интенсивности для нор­мального слуха на частоте 1000 Гц. Эта интенсивность приблизительно равна 10^-12 Вт/м².

В соответствии с квадратичным соотношением меж­ду интенсивностью звука и звуковым давлением (уровень звукового давления

где p_о — звуковое давление на нулевом уровне, опре­деляемое равенством для ρс=400 кг/с*м²; 10^-12 = р₀²/400, т. е. р₀=2-10^-5 Па.

Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким.

Разность между максимальным и минимальным уровнями называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел, дБ. Следует помнить, что динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различны, некоторые из них приведены в табл.1.

Таблица №1. Типичные значения динамического диапазона

Вид сигнала	Динамический диапазон, дБ
Речь	25-35
Фортепиано	45-55
Симфонический оркестр	65-75
Поп-рок группа	90-110

Следует различать динамический диапазон первичного акустического сигнала и динамический диапазон электроакустического тракта.

Разность между максимальным и средним уровнями называют пик-фактором. Динамический диапазон и пик-фактор относятся к интегральным характеристикам и определяются на временном интервале 15 сек. для речевых сигналов и не менее 30 сек. – для музыкальных.

С помощью меню «анализ» звукового редактора Adobe Audition в окне «статистика» можно получить численные значения максимальных, средних и минимальных уровней исследуемых сигналов и рассчитать динамический диапазон и пик-фактор. Необходимо помнить, что ширина окна анализа должна соответствовать длительности звуков. Ниже, на рис. 2 приведены данные меню «статистика» с шириной окна временного анализа 50 мс и численными значениями: L_max =-5.9 дБ; L_min =-49.61 дБ; L_средн =-15.7 дБ.

Рис. 2. Данные меню «статистика» звукового редактора Adobe Audition

Динамический диапазон D = L_max – L_min= 43.71 дБ.

Пик-фактор П= L_max– L_средн= 9.8 дБ.

Частотный диапазон и спектры

Типовые спектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонент, полоса частот) существенно разнятся для разных источников звука. Любой сигнал можно представить значениями его уровня в любой момент времени - такое представление называют импульсным. Другой способ - частотный. В этом случае сигнал представляют непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Таким образом, спектр акустического сигнала - это зависимость амплитуд частотных компонент от частоты (амплитудно-частотная характеристика). Формально, строгим определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть много больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.

Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот понимают тот интервал, где уровень частотных компонент превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0, хотя строго это и неверно.

С помощью меню «анализ» звукового редактора Adobe Audition в окне «частотный анализ» можно получить текущие узкополосные спектральные характеристики исследуемых сигналов. Усредненный спектр, приведенный на рис. 2, на заданном интервале можно получить следующим образом: правой кнопкой мыши выделить временной фрагмент заданной длительности и в окне частотного анализа (где отображаются текущие значения спектра) нажать кнопку «Scan». Сохранить результаты с помощью кнопок 1,2,3,4 в соответствующей цветовой гамме.

Усредненный спектр речевого сигнала, полученный с использованием инструментов Adobe Audition приведен на рис.3.

Видно, что в соответствии с теоретическими данными средняя скоростью снижения энергетической мощности звукового давления речевого сигнала составляет около 6-7 дБ на октаву.

В диапазонах частот 500 Гц и 3000 Гц наблюдаются локальные области максимумов уровней сигнала – формантные области, образующиеся вследствие резонансных явлений в трахее.

Также можно дать качественную (приблизительную) оценку динамическим характеристикам речевого сигнала, максимальные уровни – около -28 дБ, минимальные уровни сигнала (на частоте 4000 Гц) около -54 дБ. Таким образом динамический диапазон данного речевого сигнала составляет около 36 дБ, что хорошо согласуется с теоретическими данными.

Рис. 3. Вид усредненного спектра речевого сигнала