Материалы по ФОЗИ / шпоры1

Основы акустики. Основные понятия.

Звук распространяется в виде переменного возмущения упругой среды, т.е. в виде звуковых волн. Звуковые колебания – колебательные движения частиц среды под действием этого возмущения. Пространство, в котором происходит распространение этих волн, - звуковое поле. Если источник возмущения известен, то пространство, в котором могут быть обнаружены звуковые колебания, создаваемые этим источником называется звуковым полем данного источника звука. Звуковые колебания являются частным случаем механических колебаний. Они распространяются в воздухе, в твердых телах и в воде. Звуковые колебания в жидкой и газообразной средах – продольные (частицы среды колеблются вдоль линии распространения волны), в твердых телах – поперечные (частицы среды колеблются в направлениях, перпендикулярных линии распространения волны) и продольные. Направление распространения звуковой волны – звуковой луч. Поверхность, соединяющая все смежные точки поля с одинаковой фазой колебаний частиц среды, называется фронтом волны. Фронт перпендикулярен звуковому лучу. Рассмотривают 3-х вида фронта: плоский, сферический и цилиндрический. Звуковые волны распространяются с определенной скоростью, называемой скоростью звука. В газе скорость звука зависит от плотности среды и статического атмосферного давления:

- коэффициент адиабаты. Для воздуха =1,402 при нормальных условиях.

В жидких и твердых материалах скорость звука определяется модулем упругости (модуль Юнга) и плотностью материала: C=корень из(E/).Для колебаний с периодом Т длина звуковой волны равна: λ=сТ. Частоты акустических колебаний в пределах 20 Гц – 20 кГц называются звуковыми. Меньше 20 Гц – инфразвук, больше 20 кГц – ультразвук. Звуковые частоты делятся на низкие, средние и высокие. Примерная граница между низкими и средними составляет 200 – 500 Гц, а между высокими и средними 2 – 5 кГц.

Энергетические характеристики звукового поля

1) Интенсивность звука (сила звука) – кол-во энергии, проходящей в единицу времени через единицу площади, перпендикулярной направлению распространения волны: I [Вт/м²] Если мы имеем ввиду мгновенные значения давления или скорости колебания, то для периодических процессов интенсивность звука равна:

Для синусоидальных колебаний интенсивность звука связана со звуковым давлением и скоростью колебаний следующим соотношением:

δ = P/V – акустическое сопротивление δ = ω + iq

где Р_m ,V_m – амплитуды звукового давления и скорости колебания, Р_э, V_э – эффективные значения - сдвиг фаз между звуковым давлением и скоростью колебаний, причем: tg=q/ ω

Плотность энергии – кол-во звуковой энергии, находящейся в единице объема:

[Дж/м³]

Частотные диапазоны спектра акустического сигнала

Акустический сигналы от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания, связи, как правило имеют непрерывно изменяющиеся форму и спектры. Эти спектры могут быть дискретными, сплошными и смешанными. Дискретные спектры могут быть гармоническими, т.е. представлять спектр сложного тона, и тональными, т. е. представляющими суммарный спектр ряда сложных тонов, различающихся по частоте. Сигнал с гармоническим спектром может быть представлен в виде ряда Фурье следующим образом:

где Т – период колебаний, ω₁ – угловая частота колебаний первой гармоники , k – целые числа. В вещественной форме ряд Фурье имеет вид:

Спектр тонального сигнала с некратными частотами имеет вид:

Для сплошного спектра сигнал имеет вид:

где - плотность сигнала по амплитуде.

На практике часто приходится иметь дело с энергетическим спектром сигнала. Для сплошных спектров будет представлять собой спектральную плотность по интенсивности:

Спектральной плотностью называют интенсивность звука в полосе частот шириной в единицу частоты. У каждого источника звука спектры имеют индивидуальные черты, что придает звучанию этих источников характерную окраску, которую называют тембром.

Линейные характеристики звукового поля

К линейным хар-кам относятся звуковое давление, смещение частиц среды, скорость колебаний и акустическое сопротивление среды.

Звуковое давление – разность между мгновенным значением давления в точке среды при прохождении через нее звуковой волной и статическим давлением в той же точке. Р = Р_ам - Р_ас Звуковое давление – величина знакопеременная. В момент уплотнения частиц среды P>0, в момент расширения P<0. Р = F/S [Н/м²], [Па], [10 дин/см²]

10⁶ дин/см² = 1 бар

Смещение – отклонение частицы среды от их статического положения под действием проходящей звуковой волны. Если смещение происходит по направлению движения звуковой волны, то к смещению приписывают знак «+», иначе «-».

Скорость колебания – скорость движения частиц среды под действием проходящей звуковой волны: V = dx/dt (x – смещение)

Удельное акустическое сопротивление – отношение звукового давления к скорости колебания частиц среды (является комплексной величиной): δ = P/V ; δ= w+iq. Оно определяется свойствами среды и материала и условиями распространения волны

Динамический диапазон речи и акустические уровни

В процессе передачи речевой информации уровень акустического сигнала непрерывно изменяется. Диапазон изменения может быть довольно широким. Зависимость уровней сигнала от времени называется уровнеграммой.С определенной степенью точности можно считать, что уровень сигнала изменяется по случайному закону, поэтому его можно характеризовать интегральным распределением и средними значениями для этого распределения. Разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями называется динамическим диапазоном речевого сигнала. Речь диктора25-35 дБ Телефонные разговоры35-45 дБ Небольшие ансамбли45-55 дБ Симфонический оркестр65-75 дБ

Уровни

В акустике и электросвязи за уровень какого-либо параметра принимают величину, пропорциональную логарифму этого параметра. Для энергетических

параметров Nэ=20lg(k/k0). Для линейных характеристик Nл=20lg(k/k0). k0-

условное значение параметра, соответствующее выбранному нулевому относительному значению уровня.Если даны 2 уровня и надо найти суммарный уровень, то находят разность между уровнями и к большему уровню добавляют поправку.

Акустические уровни

За нормированное значение интенсивности звука принята интенсивность, равная:

I₀ = 10^-12 Вт/м² Абсолютный уровень интенсивности в дБ: L(инд.I)=10lg(I/I0)=

=10lgI + 120. Уровень по звуковому давлению в дБ: Lp=20lg(P/P0), где P0=2*10(с.-5)Па, Lp=20lgP+94 [дБ] Уровень по плотности энергии в дБ: L(инд.ε)=10lg(ε/ε0), ε0=3*10(с.-15)Дж/м(с.3).

Основные свойства слуха. Восприятие по частоте.

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающимся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждое из которых возбуждается от прикосновения с ним волокон основной мембраны, посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

Создана модель реальной слуховой улитки – электрическая цепь, состоящая из последовательных индуктивностей, соответствующих соколеблющейся массе лимфы в ухе. Ток в параллельных звеньях в цепи соответствует скорости колебаний волокон. Разрешающаяся способность слухового анализатора такова, что полоса пропускания резонатора слухового анализатора составляет для моноурального слушания (одним

ухом) - 50 Гц на частоте 300 Гц, 60 Гц на 1000 Гц, 150 Гц на 3000 Гц. Эти полосы

пропускания – критические полоски звука. Критическими полосками пользуются при расчете разборчивости речи, при расчете громкости шума. В диапазоне 20-20000 Гц человек запоминает только несколько сотен градаций частоты, причем число этих градаций уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет

150. Субъективную меру частоты колебания звука называют высотой звука.

Условились высоту тона с частотой 1000 Гц и уровнем ощущения 40 дБ считать равной 10 барк = 1000 мел.

Основные свойства слуха. Уровень ощущения

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающихся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждая из которых возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны, посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

При плавном увеличении интенсивности звука выше пороговой слуховое ощущение увелич/ся скачками по мере увеличения числа раздраженных нервных окончаний. Увеличение интенсивности звука или тона в конце концов приводит к боли, т.е. возникает болевой порог слышимости, который составляет 1Вт/м. Тогда как

минимальный порог слышимости достигается на высоте, 10(с.-13)Вт/м. Между болевым порогом и порогом слышимости существует несколько сотен элементарных скачков ощущений. Слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы. Величина Е – называется уровнем ощущения. Е=10lg(I/I(инд.п.с.)), I – интенсивность звука, I(инд.п.с.) – интенсивность

звука на пороге слышимости. Уровень ощущения на разных частотах будет разный.

Е=L(инд.I)-L(инд.п.с.). Уровень ощущения представляет собой уровень над порогом

слышимости.

Основные свойства слуха. Нелинейные свойства слуха. Восприятие по амплитуде.

Для правильного проектирования и эксплуатации систем связи, записи и воспроизведении звука, необходимо знать свойства слуха человека. Орган слуха человека является своеобразным приемником звука, резко отличающихся от приемников звука, создаваемых человеком. Ухо человека обладает свойствами частотного анализатора с дискретным восприятием по частотному и динамическому диапазонам. Все эти операции осуществляются во внутреннем ухе, в так называемой улитке. В улитке находится основная мембрана, которая состоит из большого числа волокон, слабо связанных между собой. Вдоль основной мембраны расположены нервные окончания, каждая из которых возбуждается от прикосновения к ним волокон основной мембраны, посылая в слуховой центр мозга электрические импульсы. Эти импульсы подвергаются сложному анализу, в результате которого человек определяет передаваемое сообщение.

Нелинейные свойства слуха

Под воздействием звука чистого тона человек слышит тон 2-й гармоники с уровнем 80 дБ, а также слышит тон 3-й гармоники с уровнем 74 дБ и т.д. В этом проявляется нелинейное свойство слуха. При слушании двух чистых тонов, с частотами, не попадающими в одну и ту же критическую полоску слуха, человек часто слышит тон разностной частоты с достаточно высоким уровнем ощущения и с меньшим уровнем ощущений слышит тон суммарной частоты. При воздействии на слух сложного звука, состоящего из тонов с некратными составляющими, получается засорение спектра многочисленными комбинационными частотами. Эти частотные составляющие являются продуктами нелинейности в звуковом тракте.

Восприятие по амплитуде

Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достигает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. При увеличении амплитуды колебаний волокна оно касается нервного окончания и происходит раздражение. Нервное окончание начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга и звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из неслышимого состояния в слышимое называется порогом слышимости. Порог слышимости зависит от частоты. Пороги слышимости имеют значительный разброс в зависимости от возрастных категорий.

На рисунке приведены зависимости порогов слышимости, причем по y отложены уровни интенсивности звука (уровни звукового давления), по х – частоты.

Кривая 1 - частотная зависимость уровня порога слышимости для биноурального слушания, когда давление создается множеством источников звука в горизонтальной плоскости вокруг головы человекаь Кривая 2 - биноуральное слушание, когда источник звука перед слушателем Кривая 3 - Моноуральное слушание

Первичный речевой сигнал. Основные понятия: артикуляция органов речи, форманты/антиформанты, модуляция речевым сигналом.

При произнесении звуков речи речевой аппарат, голосовые связки, челюсть должны находиться для каждой фонемы в строгом направлении и движении при произношении. Эти движения называют артикуляцией органов речи. Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа, носоглотки, т.е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный, тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов (антиформант). Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму. При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные переходы. Частотный диапазон речи: от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные – самый низкий уровень интенсивности. При произнесении речи громкость ее непрерывно изменяется. Гласные звуки имеют длительность 0,15 сек. Согласные – 0,08 сек. Самый короткий п- 0,03 с. Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки – малоинформативные, а глухие согласные – наиболее информативны. Разборчивость речи снижается при действии шумов.

Речевой сигнал – модулированная несущая: p(ω) = E(ω) ∙ F(ω), где E(ω) – спектр

импульсов осн тона, F(ω) –модулирующая кривая. Эта модуляция – спектральная. В результате модуляции изменяется форма огибающей спектра. Почти вся информация о звуках речи заключена в спектральной огибающей речи и ее временном изменении. Частичная информация о звуках речи заключена в переходах от тонального спектра к шумовому и обратно. Все эти изменения происходят в темпе речи. Установлено, что речевой сигнал отличается от телеграфного тем, что в последнем нет информации об эмоциях, личности говорящего, …

Первичный речевой сигнал. Основные понятия: речь, фонема, период основного тона, частота основного тона, интонация.

Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз. При замедленном темпе речи, при диктовке паузы могут делаться между словами и их частями. Один и тот же звук речи каждый человек произносит по разному. Каждому свойственна своя манера произнесения звуков, но при всем разнообразии их Фонема – то, что человек хочет произнести, а звук – то, что фактически произносит. В русском языке насчитывается 42 основных и 3 неопределенных фонемы. Звуки делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии. Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками с достаточной степенью точности могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называется периодом основного тона T_o. Обратная величина называется частотой основного тона (f_o=1/T_o). Частота основного тона для всех голосов лежит в пределах: 70 – 450 Гц. При произнесении речи частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением, подчеркиванием отдельных звуков и слов, а также при проявлении эмоций. Изменение частоты основного тона называется интонацией. Основной тон, интонация и тембр голоса служат для опознавания человека. При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды, он образует завихрения, создающие шум со сплошным спектром. Согласные по способу образования делятся на сонорные(л р м н), щелевые (ж, з, в), взрывные (б, д, г), аффрикаты (комбинация глухих взрывных и щелевых-ц,ч).

Основы акустики речи.

Речь с физической точки зрения состоит из последовательностей звуков с паузами между ними или их группами. При нормальном темпе речи паузы появляются между отрывками фраз, так как при этом слова произносятся слитно. При замедленном темпе речи, при диктовке паузы могут делаться между словами и их частями. Один и тот же звук речи каждый человек произносит по разному. Фонема – то, что человек хочет произнести, а звук – то, что фактически произносит. В русском языке насчитывается 42 основных и 3 неопределенных фонемы. Звуки делятся на звонкие и глухие. Звонкие звуки образуются с участием голосовых связок, находящихся в напряженном состоянии. Импульсы потока воздуха, создаваемые голосовыми связками с достаточной степенью точности могут считаться периодическими. Соответствующий период повторения импульсов называется периодом основного тона T_o. Обратная величина называется частотой основного тона (f_o=1/T_o). При произнесении речи частота основного тона непрерывно изменяется в соответствии с ударением, подчеркиванием отдельных звуков и слов, а также при проявлении эмоций. Изменение частоты основного тона называется интонацией. Основной тон, интонация и тембр голоса служат для опознавания человека. При произнесении глухих звуков связки находятся в расслабленном состоянии и поток воздуха из легких свободно проходит в полость рта. Встречая на своем пути различные преграды, он образует завихрения, создающие шум со сплошным спектром.

При произнесении звуков речи речевой аппарат, голосовые связки, челюсть должны находиться для каждой фонемы в строгом направлении и движении при произношении. Эти движения называют артикуляцией органов речи. Речевой тракт представляет собой сложный акустический фильтр с рядом резонансов, создаваемых полостями рта, носа, носоглотки, т.е. с помощью артикуляционных органов речи. Вследствие этого равномерный, тональный или шумовой спектр превращается в спектр с рядом максимумов (формант) и минимумов (антиформант). Для каждой фонемы огибающая спектра имеет индивидуальную и вполне определенную форму. При произнесении речи спектр ее непрерывно изменяется и образуются формантные переходы. Частотный диапазон речи: от 70 до 7000 Гц. Звонкие звуки речи, особенно гласные, имеют высокий уровень интенсивности. Глухие согласные – самый низкий уровень интенсивности. При произнесении речи громкость ее непрерывно изменяется. Гласные звуки имеют длительность 0,15 сек. Согласные – 0,08 сек. Звуки речи неодинаково информативны. Гласные звуки – малоинформативные, а глухие согласные – наиболее информативны. Разборчивость речи снижается при действии шумов.

Акустика помещений: Основные понятия: средний коэффициент поглощения, время реверберации, акустическое отношение.

Средний коэффициент поглощений. При каждом отражении сигнала от поверхности происходит поглощение некоторой части энергии сигнала (Е). В зависимости от свойств отдельных участков отражающих поверхностей относительная убыль энергии ΔЕ/Е при каждом отражении будет различной. При достаточно большом числе отражений можно говорить о среднем коэффициенте поглощения:

Если помещение состоит из i участков площадью S_i с различными коэффициентами поглощения α_i , то средний коэффициент поглощения равняется:

В процессе нарастания звука плотность звуковой энергии в помещении увеличивается по следующему закону:

Пусть в помещении достигнуто стационарное значение плотности энергии ε , после чего источник звука выключается в момент времени t = 0. Считаем, что акты поглощения энергии происходят через равные промежутки времени Δt. После каждого акта поглощения в помещении остается (1-α_ср) начальной энергии. Т.об. получаем последовательность убывающих во времени значений энергии:

После преобразований можно получить следующее выражение для определения уменьшения плотности энергии:

Время реверберации – это такой интервал времени, в течении которого уровень звукового давления уменьшается на 60 дБ. Это соответствует уменьшению звукового давления в 10³ раз, а плотность энергии уменьшается в 10⁶ раз.

Эту формулу называют формулой Эйринга

Акустическое отношение – отношение плотности энергии отраженных волн к плоскости энергии прямого звука или отношение квадратов звуковых давлений диффузного поля к давлению поля прямого звука:

Оптимальное значение акустического отношения для передачи речи находится в пределах от 0,5 до 4 (безразмерная единица). Если акустическое отношение меньше этого предела, то передача речи звучит отрывисто, если оно больше этого предела, то речь становиться плохоразборчивой.

Громкость и уровень громкости

Условились за уровень громкости любого звука принимать уровень в дБ равногромкого с ним тона частотой 1 кГц. За единицу уровня громкости принята единица фон.

Эффект маскировки

В условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости называется маскировкой. Величина маскировки М

определяется М=L(инд.псш)-L(инд.ист) В условиях шума уровень ощущения E=10lg(I/Iшум)=L(инд.I)-L(инд.псш)=E(инд.Т)-М. Уровень этот изменяется при

изменении уровня шумов и помех, даже при неизменном уровне сигнала. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот.

Громкость сложных звуков

Если тональные или шумовые составляющие попадают в одну и туже частотную группу, то их суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука определяется суммарной интенсивностью. Если составляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними, то громкость такого сложного звука будет меньше суммы громкостей всех составляющих. Для тона уровень громкости и уровень интенсивности совпадают друг с другом. Уровень громкости белого шума получается выше уровня его интенсивности на 7-10 фон.

Акустика помещений. Основные понятия: диффузное поле, длина свободного пробега, среднее время свободного пробега.

Согласно волновой теории собственные частоты помещения с длиной l, шириной b и высотой h определяется из выражения:

где c – скорость звука в воздухе, k, m, n – целые числа.

При выключении источника звука процесс затухания колебаний происходит на всех собственных частотах помещения. Процесс затухания колебаний в помещении называется реверберацией. Осн понятия и величины:1) Диффузное поле 2) Средняя длина свободного пробега 3) Средний коэффициент поглощений 4) Время реверберации 5) Время запаздывания первых отражений 6) Акустическое отношение

Диффузное поле – это поле, в котором энергия отраженных звуковых волн преобладает над энергией прямого звука. Отраженные звуковые волны движутся в помещении в различных направлениях. Если отзвук затухает слишком быстро, то в любой точке помещения число налагающихся друг на друга волн с различными направлениями волнового вектора может быть достаточно большим. Равенство средних потоков энергии по различным направлениям называется изотропией. Изотропия тоже способствует равномерному распределению звуковой энергии по объему помещения. Т.об. диффузное поле – это однородное и изотропное поле волн, движущихся в результате многократных отражений по всем направлениям.

Средняя длина свободного пробега определяется как среднее арифметическое длин отрезков между отражающими поверхностями, которые проходят звуковые волны.Для помещений прямоугольной формы средняя длина свободного пробега может быть определена исходя из геометрических размеров: где V – объем, S – площадь помещения.

Среднее время свободного пробега определяется следующим образом:

Физические основы вокодерной связи.

Вокодер – устройство, в передающей части которого из речевого сигнала выделяются параметры, определяющие информативность речи. К этим параметрам относятся: спектральная огибающая звуков речи и параметры основного тона, т.е. произношение звуков речи, медленно изменяющихся во времени. Параметры основного тона управляют частотой генератора основного тона, находящегося в приемной части вокодера. Напряжение от генератора, создающего импульсы, сходные с импульсами гортани, подается на сложный фильтр, имитирующий акустическую систему речевого тракта для звонких звуков. При синтезе глухих звуков речи генератор создает шумовое напряжение, подаваемое на фильтры, имитирующие систему речевого тракта для глухих звуков. Параметрами этих фильтров и уровнем звуковой речи управляют характеристики, выделенные из речи на передающем конце вокодера. В зависимости от типа выделяемых параметров сигналы различают полосные, гармонические, формантные и фонемные вокодеры. В полосных выделяется комплекс ординат спектра в узких полосках. В гармонических – коэффициент Фурье от разложения спектральной огибающей в функцию гармоник. В формантных выделяются частоты и амплитуды формант. В фонемных – произнесенный звук. Кроме того в каждом из типов вокодеров выделяется частота основного тона голоса. Речь, передаваемая с помощью вокодеров идет с высоким уровнем и высокой разборчивостью даже при наличии сильных помех. Кроме того, импульсная форма сигнала дает возможность засекречивания речи. Такую закодированную речь невозможно раскодировать современными методами. Вокодерную связь применяют с 1959г. в военной авиации для коротковолновой связи. В настоящее время выпускают такую аппаратуру для коммерческой телефонной связи. Разработаны и выполняются вокодеры на информационных системах с цифровыми методами анализа.