1.4.2 Динамический диапазон

В процессе любой передачи уровень акустического си­гнала непрерывно изменяется, причем диапазон его из­менения может быть довольно широким. На рисунке 1.4, а показана зависимость уровня сигнала от времени, на­зываемая уровнеграммой. Обычно ее дают для уровня, определенного при постоянной времени измерителя, равной или 150–200 мс (субъективная уровнеграмма), или 20–30 мс (объективная уровнеграмма). Поскольку уровень сигнала изменяется, как прави­ло, по случайному закону, то его интегральное распре­деление и среднее значение можно определить следую­щим образом.

Возьмем какой-либо уровень, например (рис. 1.4, а). Можно написать, что время, в тече­ние которого уровень сигнала будет не ниже , опре­делится суммой , где – временные интервалы действия сигнала.

Рисунок 1.4 – К определению динамического диапазона: а) уровнеграмма; б) построение интегрального распределе­ния по ней

Следователь­но, относительное время пребывания уровня сигнала над заданным равно , где – длительность всего участка сигнала (она должна быть достаточно большой: не менее 15с для речи и 1 мин для музыки). Если таким образом определить величину для раз­ных уровней, то можно построить кривую интегрально­го распределения уровней для данного сигнала. На рис. 1.4, б дано такое распределение для рассматриваемой уровнеграммы.

Установлено, что средние распределения, получен­ные для первичных музыкальных и речевых сигналов, по форме близки к нормальному распределению. Вве­дены понятия квазимаксимального и квазиминимального уровней сигнала и . Их определяют по относительному времени пребывания уровня сигнала над соответствующим уровнем. Для квазимаксимального уровня это время условились брать равным двум про­центам для музыкального сигнала и одному – для ре­чевого, а для квазиминимального – соответственно 98 и 99% (рис. 1.4, б). Выбор именно таких значений для и основан на том, что более краткие пи­ки и резкие минимумы сигнала практически не воспри­нимаются слухом. Разность между, квазимаксимальным и квазимини­мальным уровнями называют динамическим диапазо­ном

. (1.19)

Динамический диапазон (в децибелах) для разных видов сигналов следующий:

речь диктора 25—36

телефонные разговоры 36—45

набольшие ансамбли 45—56

симфонический оркестр 66—76

Как видим, вещательный динамический диапазон нас­только широк, что в большинстве случаев он не может быть передан через тракты вещательных каналов без предварительной обработки, т. е. без сжатия динамического диапазона. Но и речевой ин­формационный сигнал имеет широкий динамический диапазон по отношению к трактам связи и поэтому его приходится предварительно сжимать или же мири­ться с появлением значительных искажений его в са­мом тракте передачи [2].

1.4.3 Средний уровень

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 (для Гц, мс). 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. Для получения длительного среднего (усредненного) уровня постоянную времени прибора берут равной 15 с для речи и 1 мин – для музыки.

Для каждого из средних значений уровня средняя интенсивность определяется по формуле , где – учитывает процесс регистрации сигнала с учетом «памяти» прибора вследствие наличия у него постоянной времени (Полагают, что приемник звука, а также орган слуха челове­ка воспринимают звук, как приборы с элементарной цепочкой ти­па ); – постоянная времени; – временная зависимость интенсивности сигнала.

Средний акус­тический уровень сигнала .

Обычно акустический сигнал преобразуется в элек­трический. В этих случаях на выходе электроакустичес­кого устройства электрический уровень , где – мощность сигнала (электрическая); – мощность, соответствующая нулевому уров­ню [6].

Разность между квазимаксимальным и усредненным уровнем (за длительный промежуток времени, напри­мер, 15 с для речи и 1 мин для музыки) называют пик-фактором:

. (1.20)

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.