3.3 Средний уровень.

Средний уровень акустического сигнала может быть определен как средний статистический по интенсивности для длительных интервалов времени, или как средний, измеряемый прибором, имеющим небольшую постоянную времени (объективное среднее), либо по слуховому ощущению (субъективное среднее). Для определения среднего уровня вторичного сигнала необходимо определять средний уровень по ощущению, а для первичных – знать все средние уровни, т.к. сигналы приходят к человеку через аппаратуру систем вещания и связи.

Средний уровень интенсивности акустического сигнала можно определять или по слуховому ощущению (субъ­ективное среднее), или как средний статистический по интенсивности для длительных интервалов времени (среднее длительное), или как средний, измеряемый прибором, имеющим небольшую постоянную времени (объективное среднее). Для вторичных сигналов доста­точно определять только средний уровень по ощуще­нию, для первичных — необходимо знать все средние уровни, так как эти сигналы проходят к человеку через аппаратуру систем связи и вещания.

Эти средние уровни сигнала можно измерить, из­меняя постоянную времени прибора. Учитывая, что мгновенная мощность сигнала изменяется от нуля до амплитудного значения, минимальная постоянная вре­мени прибора для измерения объективного среднего уровня не должна быть меньше максимального полупе­риода колебаний. Так как постоянная времени слуха в среднем равна 150 мс, то для измерения среднего уровня по слуховому ощу­щению постоянная времени должна быть около 150 мс. Разность между квазимаксимальным и усредненным уровнем (за длительный промежуток времени, напри­мер, 15 с для речи и 1 мин для музыки) называют пик-фактором:

Пик-фактор показывает, насколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с макси­мально допускаемым уровнем в канале, чтобы не пере­гружать канал. Для музыкальных сигналов пик-фак­тор доходит до 20 дБ и более, для речевого сигнала — не превышает 12 дБ. Эти данные пик-фактора отно­сятся к сигналам, не прошедшим любую обработку, в том числе и в виде воздействия акустических свойств помещения.

Полагают, что приемник звука, а также орган слуха челове­ка воспринимают звук, как приборы с элементарной цепочкой ти­па RC.

3.4. Частотный диапазон и спектры.

Акустический сигнал имеет изменяющиеся форму и состав спектра. Спектры разделяются на сплошные, дискретные, низко- и высокочастотные. Каждому источнику звука присущи свои особенности состава спектра, которые делают индивидуальную окраску звука. Эту окраску называют темрбом. Тембр (от фр. - timbre) означает "качество тона", "окраску тона" (tone quality). Для оценки тембра звучания важен не только момент его распознавания (т.е. способность отличить один инструмент от другого), но и возможность оценить изменение тембра в процессе исполнения. Здесь важнейшую роль играет динамика изменения спектральной огибающей во времени на всех этапах звучания: атаки, стационарной части, спада. Сущест­вуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. и., 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.

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:

речь.................................................... 70—7000

скрипка.........................................250—15 000

треугольник................................1000—16 000

бас-труба............................................. 50—6000

орган-...................................................20—15 000

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 также относятся и акустические шумы. Различают три типа шумов: розовый, белый и речевой. Речевые шумы создаются при одновременном разговоре нескольких человек. “Белые” шумы имеют одинаковую спектральную плотность во всем частотном диапазоне. “Розовые” шумы имеют тенденцию спада плотности на 3 дБ/окт в сторону высоких частот.

- Спектр розового цвета получается, если сила света убывает по гиперболическому закону в сторону фиолетового цвета. Анало­гично ему введено понятие «розового» шума Характер поведения каждого обертона во времени также несет важнейшую информацию о тембре. Например, в звучании колоколов особенно четко видна динамика изменения, как по составу спектра, так и по характеру изменения во времени амплитуд его отдельных обертонов: если в первый момент после удара в спектре отчетливо видно несколько десятков спектральных составляющих, что создает шумовой характер тембра, то через несколько секунд в спектре остаются несколько основных обертонов (основной тон, октава, дуодецима и минорная терция через две октавы), остальные затухают, и это создает особый тонально окрашенный тембр звучания.

Иногда спектр представляют в виде дискретного набора обертонов с разными амплитудами. Спектры могут быть представлены в виде спектрограмм, где по вертикальной оси отложена частота, по горизонтальной - время, а амплитуда представлена интенсивностью цвета.

Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называют интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Спектральный состав речи в значительной степени зависит от пола, возраста и индивидуальных особенностей говорящего. Для различных людей отклонение уровней сигналов, измеренных в октавных полосах, от типовых уровней может составлять ± 6 дБ.