книги из ГПНТБ / Константинов П.А. Авиационная радиосвязь

русской речи [3.], [4], причем на рис. 5.4,а -спектр изображен в логарифмическом масштабе, а на рис. 5.4,6 — в обычном рав­ номерном масштабе. Из рис. 5.4 видно, что наибольшие уровни имеют составляющие речи в диапазоне 200—600 гц и, следова­ тельно, в этом диапазоне сосредоточена основная доля энергии речи.

Кривая, изображенная на рис. 5.4,6, в известной мере сход­ на с частотной характеристикой параллельного колебательного контура, образованного параллельным соединением индуктив­ ности L, емкости С и активного сопротивления R:

где No — спектральная плотность шума.

Коэффициент корреляции шума, связанный со спектром пре­ образованием Фурье

при этом будет иметь [5] следующий вид (рис. 5.5):

В качестве грубого приближения можно считать, что такой же вид будет иметь и коэффициент корреляции речи. В этом случае

частота, соответствующая максимальному уровню речи, — =

ке пунктиром изображена автокорреляционная функция сигна­ ла, полученная экспериментально [7] Из сравнения кривых вид­ на существенная разница между ними, поэтому принятое при­ ближение является довольно грубым.

180

На рис. 5.6 приведена еще одна статистическая характери­ стика — плотность распределения вероятности мгновенных зна­ чений уровней речи [81 Изображенная на этом рисунке кривая

Рис. 5.5. Нормированная автокорреляционная функция речи:

I — кривая, соответствующая (5.1); 2 — эксперимен­ тальная кривая

распределения с достаточной степенью точности описывается следующей аналитической зависимостью:

Рис. 5.6. Кривые плотности вероятности уров­ ней речи:

1 ,2 — мужской голос; 3 — женский голос

Видно, что распределение состоит из двух частей. При боль­ ших уровнях речи, создаваемых гласными звуками, распределе­ ние имеет экспоненциальный характер и описывается первым слагаемым в выражении (5.2). При малых уровнях речи распре­

181

деление является нормальным и описывается вторым слагаемым в выражении (5.2). Нормальное распределение соответствует шумовым согласным звукам и отчасти шумам аппаратуры. Вы­ сота пика нормального распределения находится на уровне

1,64— 1,84.

В зависимости от голоса диктора распределение уровней ре­ чи несколько изменяется, но характер кривых, как это видно из рис. 5.6, при этом сохраняется. Для различных голосов кривые распределений остаются примерно симметричными с экспонен­ циальным участком при больших уровнях и с нормальным рас­ пределением при малых уровнях.

Условия эксперимента также имеют значение. Кривые, при­ веденные .на рис. 5.6, сняты в заглушенной камере, в которой отсутствовало отражение звуковых воли и, следовательно, не имело место искажение результатов измерений за счет интер­ ференции прямой волны и многих отраженных волн. Чтобы рас­ пределение было устойчивым, независящим от длительности передачи, время измерения каждой точки должно составлять не менее трех минут.

Характеристики речи необходимо учитывать при построении систем связи для передачи речевых сообщений. Кроме того, по­ скольку речь воспринимается ухом человека, при этом необхо­ димо учитывать также характеристики слуха.

Процесс слухового восприятия является сложным, поэтому трудно предложить модель уха, объясняющую все свойства слу­ ха. Широко распространенной является резонансная теория слуха. В соответствии с этой теорией модель уха упрощенно представляется в виде набора резонаторов, настроенных на раз­ личные частоты и имеющих полосы пропускания, равные так называемой критической полосе слуха на данной частоте. Ухо обладает свойством интегрирования частотных составляющих звукового спектра, лежащих в пределах некоторой полосы. Эта полоса называется критической полосой слуха. Воздействие зву­ ков внутри критической полосы суммируется; тоны, отстоящие по частоте на расстоянии, большем критической полосы, воспри­ нимаются раздельно. Величина, критической полосы слуха на различных частотах различна. Рис. 5.7 дает представление об изменении критической полосы слуха по диапазону. Видно, что значение критической полосы лежит в пределах 30— 175 гц.

Существует некоторый минимальный уровень звука, воспри­ нимаемый ухом и называемый порогом слышимости. Звуки раз­ личных частот становятся слышимыми при разных уровнях, по­ этому значение порога слышимости зависит от частоты (рис. 5.8. кривая /). Значение порога слышимости, кроме того, зависит еще от ряда других факторов — от типа источника звука (теле­ фон, громкоговоритель и т. п.), от формы и размеров головы и слухового прохода, от положения головы по отношению к ис­ точнику звука и т. п. Данные рис. 5.8 получены при бинаураль-

182

ном восприятии (т. е. при слушании двумя ушами) путем усред­ нения измерений для большого количества слушающих. Изме­ рения производились в свободном звуковом поле, создаваемом удаленным источником.

Рис. 5.8. Зависимость порогов слышимости и болевого • ощущения от-частоты для нормального слуха при би­

науральном восприятии;

А 2 — порог слышимости и порог болевого ощущения для гар­ монического звукового колебания; 3, '4 — то же, для шума ' со • сплошным спектром; 5 — порог слышимости при наличии помехи

Характер звука также влияет на значение порога слыши­ мости. Кривая 1 на рис. 5.8 определяет порог слышимости |30F для звукового гармонического колебания в тишине. При воздей­ ствии звука в виде шума со сплошным спектром порог слыши­ мости Bo{F) определяется из соотношения

B0(F) = $0( n - К Р,

183

где kKp = Ю lg Д/крТаким образом, воздействие шума со сплош­ ным спектром эквивалентно воздействию звука с дискретным спектром с составляющими, находящимися на середине каждой из критических полос и имеющими уровень на ккв дб больше уровня шума на данной частоте. Зависимости B0(F) от частоты соответствует кривая 3 на рис. 5.8.

Кривые 2 и 4 на рис. 5.8 определяют порог болевого ощуще­ ния на разных частотах при воздействии на ухо гармонического звукового колебания и шума со сплошным спектром соответ­ ственно. Область уровней звуков, заключенная между кривы­ ми 1 и 2 (или 3 и 4), определяет область нормального слухово­ го восприятия в тишине.

При наличии помех порог слышимости будет отличаться от порога слышимости в тишине (кривая 5 на рис. 5.8). Маскирую­ щее действие помех зависит от характера помех и определяется величиной сдвига порога слышимости j3 (F) по отношению к по­ рогу слышимости в тишине (3,, (F). Расширение полосы шума увеличивает маскирующее действие лишь в пределах критиче­ ской полосы. За пределами критической полосы расширение по­ лосы спектра шума не приводит к увеличению маскирующего действия данного гармонического звукового колебания шумом.

Рис. 5.9. Статистические характеристики остроты слуха

Следует иметь в виду, что шум становится заметным и начинает мешать, вследствие чего разговор приходится вести повышен­ ным голосом, при уровнях порядка 90 дб. При уровне 115 дб разговор становится невозможным даже при максимальном на­ пряжении голосовы.х связок. Наконец, более высокие уровни шума вызывают болевые ощущения.

Рис. 5.9 дает представление о статистических данных остро­ ты слуха для очень большого количества испытуемых [3], [4].

184

На этом рисунке верхняя кривая соответствует порогу болево­ го ощущения, остальные кривые—порогам слышимости в'тишине. Цифры на каждой кривой указывают относительное количе­ ство лиц, пороги слышимости которых лежат ниже значений, определяемых данной кривой.

Качество связи при передаче речевых сообщений оценивается разборчивостью речи, называемой также артикуляцией. Под артикуляцией понимают процент правильно принятых элемен­ тов речи, из общего числа элементов, переданных в данном со­ общении. В качестве передаваемых элементов речи могут быть взяты фразы (отдельные фразы или смысловой текст), слова, слоги, звуки. Соответственно этому качество связи может оце­ ниваться артикуляцией фраз (/), артикуляцией слов {W), ар­ тикуляцией слогов (5), артикуляцией звуков (D).

Количественное значение артикуляции может быть опреде­ лено экспериментальным путем. При этом обычно пользуются артикуляционными таблицами, содержащими набор тех или иных элементов речи. При составлении артикуляционных таб­ лиц необходимо стремиться к тому, чтобы таблицы возможно более полно отражали звуковые особенности данного языка, ибо. только в этом случае результаты артикуляционных испы­ таний будут характеризовать качество передачи речевых сооб­ щений в данных условиях. Кроме того, необходимо исключить возможность запоминания таблиц, обеспечить простоту пользо­ вания ими и быстроту проведения эксперимента.

Удовлетворить указанным требованиям нельзя, если состав­ лять артикуляционные таблицы из слов или фраз. Дело в том, что фразы, а также слова и последовательность слов, не обра­ зующие фразу с законченной мыслью, легко запоминаются. Поэтому для каждого измерения с данной бригадой пришлось бы брать новую таблицу. Для получения удовлетворительной точности измерений количество слов и фраз в каждой таблице должно быть большим. В результате время, необходимое для измерения артикуляции фраз или слов, получается слишком

большим.

9

В большинстве случаев артикуляционные таблицы состав­ ляются из неимеющих смыслового значения слогов или звуко­ сочетаний. Такие таблицы значительно хуже запоминаются, и при изменении порядка расположения слогов они могут быть использованы для одной и той же бригады.- Поскольку элемен­ ты таблицы не имеют смыслового значения, практически, исклю­ чается возможность устранения искажений за счет догадки, благодаря чему влияние индивидуальных особенностей опера­ тора сказывается значительно меньше, чем при пользовании таблицами, состоящими из фраз или слов. В процессе испыта­ ния производится измерение либо слоговой артикуляции (мето­ дика ВКИАС—Военной Краснознаменной Инженерной Акаде­ мии Связи), либо артикуляции звуков (методика Ю. С. Быкова).

185

Содержание дискуссии между авторами и сторонниками двух указанных методов изложено в [9,] и здесь не рассматривается.

Помимо экспериментального определения артикуляции, су­ ществуют методы ее расчета. При этом в основу кладется опре­ деление артикуляции формант (Л). Последнее объясняется тем, что артикуляция формант обладает свойством аддитивности (суммируемости) по частотным полосам, и это свойство исполь­ зуется при расчете. Для расчета частотный диапазон речи раз­ бивается на элементарные полосы так, чтобы внутри каждой полосы можно было считать постоянными характеристики фак­ торов, от которых зависит разборчивость речи. Внутри каждой полосы определяется артикуляция формант ДЛ/, а общая арти-

П

куляция формант определяется как сумма Л = $] ДЛ^где п —

(-1

число разбиений. Поскольку факторы, от которых зависит раз­ борчивость речи, являются функциями частоты, метод расчета с разбиением диапазона частот на частичные полосы и с исполь­ зованием свойства аддитивности оказывается удобным. Арти­ куляция других элементов речи (звуков, слогов, слов'и фраз) свойством аддитивности по частотным полосам не рбладает и потому не может быть положена в основу расчета. Расчет ар­ тикуляции не связан с громоздким экспериментом и в ряде слу­ чаев может оказаться более целесообразным, чем ее экспери­ ментальное определение. В настоящее время наибольшее рас­ пространение получили два метода расчета. В обоих случаях используется изложенный принцип расчета артикуляции фор­ мант. Но из-за разного подхода к определению некоторых ха­ рактеристик речи результаты расчета получаются несколько раз­ личными [ 10.].

Между разборчивостью различных элементов существует определенная зависимость. Вид этих зависимостей, приводимых в работах [3] и [9], несколько отличается друг от друга. На рис. 5.10 приведена зависимость [3] разборчивости слогов S от разборчивости формант А, а на рис. 5.11, 5.12 и 5.13 приведены

186

зависимости разборчивости слогов 5 от звуков D, разборчивости слов W от звуков D, разборчивости фраз J от слов W.

Приведенные зависимости позволяют по артикуляции одних элементов определить артикуляцию других элементов. Так, на­ пример, по найденной расчетным путем артикуляции формант

в случае необходимости может быть определена артикуляция слогов, слов или фраз.

Количественные значения разборчивости элементов речи, ко­ торые должны обеспечиваться системой связи, зависят от тре­ бований к качеству связи. В табл. 5.2 указаны примерные ми­ нимальные значения разборчивости элементов речи для раз­ личных градаций качества связи [3]. Из этой таблицы видно-

что удовлетворительному качеству связи соответствуют мини­ мальные разборчивости фраз / = 70%, слов W = 80%, слогов: 5 = 45%, звуков D = 77%. Минимально допустимые-значения разборчивости (J — 60%, S = 32% и т. д.) характеризуют связьпри особо тяжелых условиях работы. При этом речь разбирает­ ся с трудом, связь будет неустойчивой.

187

§ 2. Э Л Е К Т Р О А К У С Т И Ч Е С К И Е П Р Е О Б Р А З О В А Т Е Л И

Преобразователи механической энергии звуковых колебаний в электрическую

М и к р о ф о н ы. В системе электрической связи в передаю­ щем устройстве звуковые колебания речи (музыки и т. п.) пре­ образуются в электрические колебания, которые в приемном устройстве снова преобразуются в звуковые колебания. Ука­ занные преобразования осуществляются с помощью специаль­ ных устройств — электроакустических преобразователей. В си­ стемах связи для преобразования звуковых колебаний в элек­ трические широко применяются микрофоны и ларингофоны, а для преобразования электрических колебаний в звуковые — те­ лефоны и громкоговорители. Данный параграф посвящен рас­ смотрению преобразователей, применяемых в авиационных связ­ ных радиостанциях.

Начнем с рассмотрения микрофонов. Различают микрофоны

.давления и микрофоны градиента давления [11], [12]. Микрофон давления является ненаправленным. Это поясняется с помощью

рис. 5.14,а, на котором схематически изображен приемник зву­ ка с произвольным внутренним устройством. Приемник пред­ ставляет жесткий капсюль, закрытый с одной стороны подвиж­

мало отличаться от давления в свободном звуковом поле, т. е. поле, свободном от присутствия микрофона, и движущая сила равна F = pS, где 5 — площадь поршня.

Амплитуда смещения будет целиком определяться звуковым давлением в свободном поле. Такой приемник является прием­ ником давления. Он используется в микрофонах давления.

1 8 8

В той области, где d <Х, микрофон давления является не­ направленным. Когда размеры приемника становятся сравни­ мыми с длиной волны, дифракция приводит к тому, что при па­ дении звука спереди давление будет больше, чем при падении сзади. По этой причине микрофоны давления с повышением частоты становятся направленными.

На рис. 5.14,6 изображена упрощенная схема приемника Дру­ гого типа в виде трубки, отверстия которой закрыты с двух сто­ рон двумя поршнями, жестко связанными между собой. Если обозначить звуковые давления с одной и с другой сторон труб­ ки р и р', тогда движущая сила равна

F = ( p - p ' ) S ,

т. е. определяется изменением звукового давления в направле­ нии оси приемника.. Такой приемник реагирует на градиент дав­ ления и используется в микрофонах градиента давления.

Наличие градиента звукового давления связано с измене­ нием его фазы на отрезке Icos 0 , гдеН — угол падения звуковой волны. Очевидно, что при данных / и в изменение фазы будет тем больше, чем выше частота падающей звуковой волны. В ре­ зультате при неизменной амплитуде звукового давления ампли­ туда движущей силы будет возрастать с повышением частоты.

Микрофоны градиента давления являются направленными микрофонами, так как действующая на подвижную систему си­

Рис. 5.15. Диаграммы направленности различных микрофонов:

а — ненаправленный микрофон давления; б — микрофон градиента давления с двусторонней направленностью; в — комбинированный микрофон с односторонней на­ правленностью

Диаграммы направленности различных микрофонов пред­ ставлены на рис. 5.15. Микрофону давления соответствует ок­ ружность, микрофону градиента давления — восьмерка. Микро­ фон градиента давления имеет двустороннюю направленность, так как при 0 = 0 и при Н = тг действующая сила максималь­ на. При соединении обоих микрофонов получим микрофон с односторонней диаграммой направленности в виде кардиоиды

(рис. 5.15,в).

№