4.1.1 Основні поняття, визначення та одиниці вимірювання в акустиці
4.1 Основні поняття щодо вимірювань технічних каналів витоку мовної інформації
4.1.1 Основні поняття, визначення та одиниці вимірювання в акустиці
Звук – це коливальний рух пружного середовища. Звукове поле представляє собою простір, у якому розповсюджуються звукові коливання. Звукові коливання у газоподібному та рідкому середовищі являються подовжніми, бо частки речовини коливаються уздовж лінії розповсюдження звуку. Під впливом джерела звуку створюються стиснення та розрідження середовища, які переміщаються від джерела із швидкістю звуку.
Процес розповсюдження коливального руху у середовищі називається звуковою хвилею. За один повний період коливання Т звуковий процес розповсюджується у середовищі на відстань, яка дорівнює довжині хвилі λ = 1/Т(рис. 4.1).
Рисунок. 4.1 – Повний період коливання
Довжина хвилі залежить від швидкості розповсюдження звуку у середовищі.
Сповітря = 340 м/с Свода = 1490 м/с.
Сцегла = 2300 м/с. Сбетон = 3700 м/с.
Ссталь = 5200 м/с.
Звукове поле характеризується лінійними та енергетичними величинами.
Тиск p0 середовища за відсутності звукових коливань називають статичним (рис. 4.2). При розповсюдженні звукової хвилі тиск у певній точці середовища неперервне змінюється. При згущенні часток тиск збільшується і стає більшим за статичний, при розрідженні – навпаки, стає меншим за статичний.
Хвиле подібне змінення щільності р середовища, що обумовлене звуковими коливаннями, називають звуковим променем, а поверхню з однаковими фазами коливання називають фронтом хвилі. Фронт хвилі перпендикулярний звуковому променю.
Звуковим тиском називають різницю між миттєвим значенням тиску у певній точці простору та статичним тиском:
pзв(t) = pмгн(t) − p0. (4.1)
Звуковий тиск є знакозмінною величиною і визначається як сила, що діє на одиницю площі:
pзв(t) = F/S [Н м2].
Рисунок 4.2 – Зміни звукового тиску у фіксованій точці звукового поля
Таким чином, зміна тиску у звуковій хвилі відносно середнього значення називається звуковим тиском Р та вимірюється у Паскалях. Один Паскаль – це тиск, що створюється силою у один Ньютон, яка діє на площу в один квадратний метр.
.
В акустиці прийнято використання відносних одиниць вимірювання звукового тиску – децибел.
(4.2)
У якості Р0 обрана величина Р = Р0 = 2∙10-5 Па, що відповідає мінімальному звуковому тиску, що сприймається людським вухом. При цьому зміна рівня звукового тиску на 1 дБ являється мінімально, що розрізняється слухом людини величини зміни гучності.
4.1.2 Звукові сигнали
Інформація, носієм якої є акустичний сигнал, називається акустичною.
Якщо джерелом акустичної інформації є людська мова, то така інформація називається мовною.
Акустичний сигнал – це збурення пружного середовища різної форми і тривалості (акустичні коливання), що розповсюджуються від джерела в навколишній простір.
Розрізняють первинні і вторинні джерела акустичних коливань. До первинних відносяться безпосередні джерела (наприклад, органи мови людини), а до вторинних – різного роду перетворювачі (пьезоелементи, мікрофони, гучномовці тощо).
Всі звуки поділяються на декілька груп.
Чисті тони. Числі тони мають місце, коли звуковий тиск є гармонічною функцією з постійною частотою амплітудою та початковою фазою.
Співзвуччя. Співзвуччя представляє собою стаціонарний звук, що складається з декількох тонів. Часто під співзвуччям розуміють комбінацію основного тону з декільком обертонів з кратними частотами. Його можна розглядати як суму певних гармонік ряду Фур’є.
Амплітудно-модульовані тони являються нестаціонарними сигналами постійної частоти, амплітуда яки є функціями часу. Спектр АМ коливань має носійну частоту та дві бокові складові.
Частотно-модульовані тони. Характеристиками часто-модульованого сигналу являються носійна частота, частота модуляції, девіація носійної частоти та індекс модуляції. Індекс модуляції є відношення девіації частоти до моделюючої частоти. Чим більше індекс модуляції, тим більше бокових складових у частотному спектрі. При невеликих індексах спектр ЧМ-сигналів такий же, як і у АМ-сигналів. Частотний інтервал між складовими спектра ЧМ-сигналів дорівнює моделюючій частоті.
Биття. Якщо два тони мають однакові частоти й амплітуди, то при зміні різності фаз сигналів виникає биття. На слух воно сприймається як періодична зміна гучності тону.
Шуми. Звуки з неперервним спектром називаються шумами. За типом згинаючої амплітудно-частотного спектру шуми поділяються на білий, рожевий та рівномірно-маскуючий. У залежності від ширини частотного спектра шуми можуть бути широкосмуговими, вузько смуговими, октавними, третинооктавними тощо.
Білий шум характеризується спектральною щільністю, яка не залежить від частоти. Графіком спектральної щільності білого шуму є горизонтальна пряма в усьому частотному діапазоні (рис. 4.3).
Рожевий шум. Спектральна щільність рожевого шуму рівномірно спадає до області високих частот (пряма 2 на рис. 4.3). При цьому енергія шуму рівномірно розподіляється за всіма октавами.
Рисунок 4.3 – Частотні характеристики спектральної щільності: 1 – білого шуму, 2 – рожевого шуму, 3 – рівномірно маскуючого шуму.
Рівномірно маскуючий шум. В області нижніх частот 0…500 Гц цей шум має характеристики білого шуму, а після цього діапазону на вищих частотах він має властивості рожевого шуму. Тим самим враховуються особливості органу слуху людини. Однакове маскування в усьому діапазоні частот обумовлена тим, що критичні смуги слуху до 500 Гц приблизно однакові, а далі з ростом частоти їх ширина лінійно росте. При дії широкосмугового шуму слуховий аналізатор виділяє із суцільного спектру дискретний спектр, число складових якого дорівнює числу китичних смуг слуху. При сприйманні звуку, слуховий апарат розділяє його на критичні смуги. У діапазоні частот від 20 до 16000 Гц таких смуг є 24.
На частотах до 500 Гц ширина критичних смуг (частотних груп) дорівнює приблизно 100 Гц. На частотах вище 500 Гц ширина критичних смуг збільшується пропорційно середній частоті смуги.
На інтервалах критичних смуг слух інтегрує збудження по частоті. Слух сприймає не загальну потужність шуму, а лише потужність шуму у критичних смугах слуху. Рівномірно маскуючий шум можна сформувати спеціальним фільтром із сигналу білого шуму.
Порогом чутності називають найменше значення подразнюючої сили (звукового тиску) чистого тону, яке викликає відчуття звуку. Поріг чутності залежить від частоти . На частоті 1000 Гц він дорівнює приблизно 10 – 12 Вт/м2. Абсолютний поріг чутності представляє собою поріг, що виміряний у повній тиші для гармонічного сигналу. Він визначається як середньо-статистична величина для людей віком 18 – 20 років при дії сигналу тривалістю не менше 250 мс. Крива рівня абсолютного порогу чутності показана на рис. 4.4 [10, с. 73]. Нульовому рівню відповідає звуковий тиск 2∙10-5 Па.
Рисунок 4.4 – Криві абсолютного та больового порогів чутності
За звукового тиску 60…80 Па людина відчуває тиск на вуха. Ця величина тиску називається порогом відчутності (відчуття).
Тиск більше 150…200 Па викликає больові відчуття в органах слуху і називається больовим порогом (див. рис. 4.4).
Частоти звукових коливань знаходяться у смузі частот від 20 до 20000 Гц. Частоти нижче 20 Гц не сприймаються органом слуху людини і називають інфразвуковими. Частоти вище 20000 Гц називають ультразвуковими. У система телекомунікацій довжини звукових хвиль знаходяться у межах від 17 м до 1,7 см. Частоти звукових коливань розділяють на низькі (від 20 до 500 Гц), середні (від 500 до 2000 Гц) та високі (від 2000 до 20000 Гц).
В акустиці при частотному аналізі сигналів використовують стандартизовані частотні смуги шириною 1 октаву, 1/3 октави, 1/12 октави.
Октава – це смуга частот, у якій верхня гранична частота у два рази більше нижньої граничної частоти.
Δf = (fВ – fH) = 1 окт, якщо fВ = 2fH.
Центральні частоти стандартних октавних смуг відповідають наступному ряду:
2, 4, 8, 16, 31.5, 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000, 16000 (Гц)
Октаву поділяють на частини: напівоктаву та третинооктаву (рис. 4.5).
Рисунок 4.5 – Октавна та третинооктавна шкала частот
Спектри можуть бути суцільними. Суцільні спектри характеризують заленість спектральної щільності від частоти. Цю залежність називають також енергетичним спектром. Спектральною щільністю називають інтенсивність звуку у смузі частот шириною, яка дорівнює одиниці частоти. Для акустики цю смугу беруть рівною 1 Гц. Спектральна щільність J = IΔf/Δf, IΔf – інтенсивність звуку, виміряна у вузькій смузі Δf за допомогою вузько смугових фільтрів.
В акустиці введено логарифмічну міру щільності – спектральний рівень
B = 10 lg(J/I0), (4.3)
де I0 = 10− 12 Вт/м – інтенсивність звуку, що відповідає нульовому рівню.
Мовний сигнал представляє собою складний частотно та амплітудно модульований шумовий процес, що характеризується такими статистичними параметрами: частотний діапазон, рівень мовних сигналів, динамічний діапазон.
Частотний діапазон лежить у межах 70…7000 Гц. Енергія акустичних коливань у межах вказаного діапазону розподілена нерівномірно.
Рівні мовних сигналів. У різних умовах людина обмінюється усною інформацією з різним рівнем гучності. При цьому створюються наступні рівні звукового тиску:
- тихій шепіт 30…40 дБ;
- спокійна бесіда 55…60 дБ;
- виступ у аудиторії без
засобів звукопосилення 65…70 дБ.
Динамічний діапазон. Рівень розмови при озвучуванні одного повідомлення може змінюватись у значних межах. Різниця між квазимаксимальним та квазимінімальним рівнем для різних видів мови складає:
- дикторська мова 25…35 дБ;
- телефонна розмова 35…45 дБ;
- драматична мова 45…55 дБ.