7.2 Характеристики речевого сигнала

Одной из важных характеристик речевого сигнала является спектр звуковых частот. Частоты звуковых колебаний сосредоточены в диапазоне 80-12000 Гц. При этом тип голоса определяется диапазоном частот, образуемых в полости рта, так, бас – это частоты 80-320 Гц, баритон – 100-400 Гц, сопрано – 250-1200 Гц и т.д.

Кроме используемого диапазона частот речевой сигнал характеризуется интенсивностью звука – количеством энергии звуковых колебаний, проходящих через единицу поверхности, расположенную перпендикулярно к направлению ее распространения, за единицу времени. Интенсивность звука I [Вт/м²] и звуковое давление Р [Па] связаны соотношением I=kP, где k – коэффициент, зависящий от давления и температуры воздуха.

Следующей звуковой характеристикой является динамический диапазон речи

, дБ, (7.1)

где I_max, I_min – максимальное и минимальное значение интенсивности звука.

Минимальное значение интенсивности звука, которое воспринимается ухом I₀=10^-12 Вт/м², а порог болевого ощущения определяет I_{max max}=1 Вт/м2, т.е. максимальный динамический диапазон речи равен D_max=120.

Для неискаженной передачи звуков различной возможной интенсивности необходимо обеспечить динамический диапазон речи D_р=57 дБ. При передаче речи без выкриков достаточен динамический диапазон 30-40 дБ, поэтому такой сигнал рекомендуется для передачи по ТЛФ трактам.

Для уха характерен также эффект маскировки речи, под которым понимается понижение чувствительности уха к слабым звукам при одновременном воздействии звуков большой интенсивности. Этот эффект связан с адаптацией слухового аппарата, т.е. способностью уха изменять свою чувствительность, приспосабливаясь к интенсивности воздействующих колебаний.

К аждому звуку речи соответствует усиление частот в одной или нескольких областях. Такие области называются формантными или просто формантами (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Формантные области звуков речи

Если исключить из передачи любую из формант, то передаваемый звук исказится. Анализ европейских языков показывает, что подавляющее большинство формант находится в диапазоне 300-3400 Гц. Поэтому МККТТ рекомендует передавать по ТЛФ тракту этот диапазон тональных частот.

Для оценки уровня громкости используется

L=10lg(I₁₀₀₀/I₀) [фон],

где I₁₀₀₀ – интенсивность гармонического колебания с частотой 1000 Гц, равногромкого исследуемому звуку.

7.3 Микрофоны и телефоны

7.3.1 Угольный микрофон

В качестве акустико-электрического преобразователя в ТЛФ тракте применяется микрофон. Микрофон преобразует звуковую энергию, создаваемую голосом во время разговора, в электрическую энергию речевого сигнала. Действие угольного микрофона основано на свойстве угольного порошка изменять свое сопротивление при изменении воздействующего на порошок давления (рис. 7.6).

Рис. 7.6. Устройство угольного микрофона

Угольный микрофон состоит из следующих элементов: 1 – корпус; 2 – угольный порошок; 3 – неподвижный электрод; 4 – подвижный электрод; 5 – ограничитель засыпки; 6 – мембрана; 7 – изоляционная втулка.

Под действием звуковых волн мембрана с закрепленным на ней подвижным электродом начинает колебательное движение и изменяет плотность угольного порошка. При уплотнении порошка сопротивление между подвижным и неподвижным электродами уменьшается, а при разрыхлении – увеличивается. Изменение сопротивления угольного порошка приводит к появлению пульсирующего тока. Постоянная составляющая этого тока I₀ является током питания микрофона в состоянии покоя, а его переменная составляющая представляет собой разговорный ток. Угольный микрофон может преобразовывать звуковые колебания в электрические только при условии питания его от источника постоянной ЭДС.

Сопротивление микрофона зависит от положения его в пространстве и оценивается коэффициентом обрывности:

,

где R_Mα=0ْ и R_Mα=90ْ - сопротивление микрофона соответственно в горизонтальном и вертикальном положении. Коэффициент обрывности снижают, утапливая подвижные электроды в ячейке с угольным порошком.

На величину сопротивления микрофона влияет и сорт угольного порошка. Применяется угольный порошок двух сортов: с диаметром зерен d_з=0,2 мм и d_з=0,35 мм.

Рис 7.7. Эквивалентная схема цепи с микрофоном

Определим мгновенное значение тока i в цепи с микрофоном при воздействии на микрофон акустических колебаний с частотой ω (рис. 7.7).

, (7.3)

где R=R_H+R₀; r_М, R₀ – переменная и постоянная составляющие сопротивления микрофона. Величина m называется коэффициентом модуляции. Этот коэффициент зависит от чувствительности микрофона и интенсивности звука, действующего на мембрану. Разлагая выражение для мгновенного значения тока i в степенной ряд, получим

. (7.4)

Из этого выражения следует, что микрофон вносит в тракт передачи нелинейные искажения, т.е. колебания с частотами 2, 3… Обычно m0.2 и членами со степенями mⁱ, i2. можно пренебречь, так как эти колебания располагаются ниже порога слышимости. Тогда

. (7.5)

Электродвижущая сила микрофона равна

, (7.6)

где E_M – действующее значение ЭДС микрофона.