3. Параметры звукового сигнала

Звук – это упругое колебание среды, он распространяется в среде с помощью волн давления посредством колебания атомов и молекул. Как и любая волна, звук характеризуется скоростью, амплитудой и частотой [2].

Воздействуя на слух, звук вызывает раздражение, которое создает у человека субъективный эффект – ощущение.

Интенсивность звука Iопределяется как среднее количество звуковой энергии, проходящей в единицу времени через единицу поверхности:

(3.1)

где P– звуковое давление, Па;

Q₀– удельное сопротивление воздуха,Q₀= 1,23 кг/м³.

При исследовании восприятия изменения интенсивности звука было установлено, что одинаковые относительные изменения интенсивности вызывают одинаковые абсолютные изменения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение Eпропорционально логарифму раздражающей силы:

E=algI+C. (3.2)

На пороге слышимости I=I_ПСслуховое ощущение равно нулю, поэтому

C = – algI_ПС, (3.3)

откуда

E = alg(I/I_ПС) (3.4)

Для оценки величины слухового ощущения была предложена единица под название «бел» (a= 1). Эта единица соответствует десятикратному отношению интенсивностей, поэтому была введена более мелкая единица – «децибел» (a= 10).

E= 10lg(I/I_ПС), дБ (3.5)

Вследствие логарифмического закона восприятия звука и широкого диапазона слышимости звуков было введено понятие уровня интенсивности

N(I) = (I/I₀), дБ (3.6)

За нулевой уровень условились принимать интенсивность I₀близкую к порогу слышимости для нормального слуха на частоте 1 кГц (I₀= 10^–12Вт/м²). Нулевой уровень по звуковому давлениюP₀равен 2,04∙10^–5Па. Интенсивность и звуковое давление связаны квадратичной зависимостью, поэтому уровень звукового давленияNопределяется равенством:

N= 20lg(P/P₀). (3.7)

Порог слышимости – это минимальное звуковое давление, при котором еще существует слуховое ощущение. На рис. 2.1 показана зависимость порога слышимости от частоты, которая была выявлена опытным путем.

Рис. 2.1. Абсолютный порог слышимости

4. Параметры звукового тракта

Звуковым трактом называют любое устройство, осуществляющее передачу и/или преобразование звука. Звуковой тракт характеризуется следующими параметрами [1].

– Номинальный входной и выходной уровень (Input/Output Level) – величина сигнала на входе и выходе тракта, до которого он сохраняет указанные параметры. Указывается в вольтах и обычно принимается за 0 дБ.

Таким образом, рабочие уровни сигнала имеют отрицательный либо нулевой уровень.

– Максимальный входной и выходной уровень – величина сигнала, до которой тракт сохраняет работоспособность. Уровни сигналов от номинального до максимального всегда имеют ненулевой положительный уровень.

– Коэффициент усиления – отношение величины выходного сигнала ко входному. Указывается в разах, процентах или децибелах.

– Диапазон частот (Frequency Response) – частотный интервал, в котором тракт сохраняет свои основные характеристики. Нуль подразумевает постоянный ток.

– Форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) – график зависимости амплитуды сигнала на выходе от его частоты при неизменной амплитуде сигнала на входе. Тракты с горизонтальной зависимостью внутри частотного диапазона АЧХ называют частотно-независимыми.

– Неравномерность АЧХ – отклонения графика от заданной формы. Указывается в процентах или децибелах.

– Уровень шума (Noise Level) – величина шума относительно номинального уровня сигнала. Указывается в децибелах и всегда имеет отрицательное значение. Другое название – соотношение сигнал/шум (Signal to Noise Ratio,SNR), которое имеет такое же положительное значение. Иногда указывается уровень шума, приведенный ко входу – в предположении, что весь шум поступает только на вход, а сам тракт собственного шума не имеет.

– Коэффициент гармоник (Total Harmonic Distortion,THD) – величина побочных гармонических составляющих, вносимых нелинейностью тракта. Указывается в процентах от величины сигнала; в ряде случаев указывается для различных гармоник (на слух наибольшие искажения вносят нечетные гармоники высших порядков).

– Уровень интермодуляционных искажений (InterModulation Distortion,IMD) – относительный уровень паразитных частотных компонент, порожденных взаимной модуляцией полезных компонент сигнала. Указывается в процентах от величины сигнала.

– Переходное затухание (Stereo Crosstalk) – степень ослабления сигнала при его проникновении в соседний стереоканал. Указывается в децибелах.

– Динамический диапазон (Dynamic Range) – диапазон наибольшего и наименьшего уровней сигнала, внутри которых сохраняются основные характеристики тракта. Снизу обычно ограничен уровнем шума, сверху – номинальным уровнем, поэтому часто равен соотношению сигнал/шум, однако нелинейность тракта в ряде случаев не позволяет выдержать параметры в этих областях, а это сужает динамический диапазон.