Характеристики сигналов звукового вещания. Сигналы звукового вещания и особенности их восприятия.

Звуковая информация, переда­ваемая в системах звукового вещания, предназначена для восприятия слуховым органом человека, состоя­щим из внешнего, среднего и внутреннего уха. Две первые части уха служат для передачи звуковых ко­лебаний к слуховому анализатору — улитке, находя­щейся во внутреннем ухе. В состав улитки входят несколько тысяч слабо связанных друг с другом нерв­ных волокон и около 22 000 нервных окончаний, ко­торые посылают импульсы в слуховой центр мозга, вызывая звуковое ощущение.

Звуковые колебания, воздействующие на ухо че­ловека, могут быть синусоидальными (простые звуки) и сложными, представляющими собой непериодичес­кие колебания со случайным законом изменения амп­литуды и частоты. Простые звуки (чистые тона) мож­но получить с помощью камертона или генератора; сложные звуки — это звучание речи, музыки и т.п. Восприятие сложных звуков в основном имеет те же особенности, что и восприятие простых звуков.

Восприятие по частоте. Частота простого звука или основная частота сложного звука вызывает слуховое ощущение, которое называется высотой тона. В диа­пазоне слышимых частот ухо ощущает не всякое из­менение частоты звука, так как число нервных окон­чаний, расположенных во внутреннем ухе, ограниче­но. Существует дифференциальный порог различимос­ти звуков по частоте — минимально различимая на слух разность частот двух звуков одинаковой интен­сивности. Ухо человека в области низких и высоких частот ощущает изменение частоты в среднем на 4 %, в области средних частот — на 0,2...0,3 %.

Единицей измерения высоты звука является окта­ва. Октаве соответствует интервал частот, верхняя граница которого в 2 раза превышает нижнюю. Октава является интервалом изменения высоты звука (в диапазоне звуковых частот воспринимается 10 октав). На практике используются меньшие интервалы, например полутона (1/12 октавы).

Гармонические составляющие в спектре сложных звуков придают им характерную окраску, называемую тембром. Тембр определяется как числом гармоник в спектре, так и соотношением их амплитуд. У каждого источника звука тембр звучания индивидуальный, по тембру можно отличить один инстру­мент от другого, узнать голос певца и др.

Восприятие по амплитуде. Ухо человека реагирует в диапазоне звуковых частот на звуковые колебания, соответствующие определенной раз­дражающей силе. Под раздражающей силой подразу­мевают интенсивность звука или звуковое давление. Наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука, называется порогом слышимости. Порог слышимости индивиду­ален для каждого человека, зависит от его возраста и частоты. По результатам ряда измерений принята кривая зависимости порога слышимости от частоты (рис. 1.1). Порогу слышимости на частоте 1000 Гц соответствует звуковое давление р_о= 2 • 10^-5 Па. Для появления слухового ощущения на низких и высоких частотах необходимо большее звуковое давление, чем на средних.

Постепенное увеличение амплитуды раздражающей силы приводит к возбуждению большего числа не­рвных окончаний. Это субъективно воспринимается как изменение громкости звучания. Поэтому зву­ковое давление и интенсивность звука часто оценива­ют в логарифмических единицах (акустических уров­нях):(1.5)

Na=101gJ/J₀=201gp/p₀.

Абсолютный акустический уровень Na определяется относительно

р₀ = 2 • 10^-5 Па,

Jo = 10^-12 Вт/м², соответ­ствующих порогу слышимости на частоте 1000 Гц.

Возрастание громкости звучания может привести к раздражающему воздействию и, наконец, к ощуще­нию боли в ушах. Максимально допустимое значение раздражающей силы чистого тона, вызывающее боле­вое ощущение, называется порогом болевого ощуще­ния. Порог болевого ощущения мало зави­сит от частоты, на частоте 1000 Гц ему соответствует звуковое давление 20 Па.

Между порогом болевого ощущения и порогом слы­шимости находится область слухового восприятия. Ис­следования показали, что в области слухового восприятия одному и тому же значению звукового давления на разных частотах соответствуют различные значения громкос­ти звучания. Для количественной оценки восприятия на разных частотах громкость звука на слух уравнивали громкостью звука с час­тотой 1000 Гц. Полученная величина называется уровнем громкости, измеряемым в фонах. Результаты сравнения громкостей графически пред­ставлены на рис. 1.1 в виде семейства кривых равной громкости. Кривые равной громкости в области малых значений звукового давления в большой степени за­висят от частоты, а по мере увеличения звукового дав­ления спрямляются. При малых амп­литудах звукового давления слух имеет неодинаковую, а при больших —одинаковую чув­ствительность на разных частотах. Это приводит к уменьшению громкости звучания низких и высоких частот, если ранее записанная пе­редача прослушивается на более низком уровне гром­кости.

Для устранения этого недостатка в аппаратуре вещания при уменьшении коэф­фициента усиления изменяют закон регулирования регулятора усиления: низко- и высокочастотные со­ставляющие ослабляют в меньшей степени, чем среднечастотные составляющие сигнала. Такие регулято­ры называют тонкомпенсированными.

Восприятие звуковых колебаний в пространстве и во времени. Слушатель способен определять направ­ление на источник звука благодаря бинауральному эф­фекту — эффекту слушания двумя ушами. На низ­ких частотах бинауральный эффект возникает за счет различия фаз, а на более высоких частотах — за счет различия амплитуд (из-за экранирующего действия головы) звуковых колебаний. Человек определяет на­правление прихода звуковых колебаний в горизонталь­ной плоскости с точностью до 3...4°. При перемеще­нии источника звука в вертикальной плоскости точ­ность меньше, погрешность в определении местона­хождения источника звуковых колебаний может дос­тигать 40...50°.

При прослушивании источника звука на фоне шума (или другого мешающего звука) наблюдается повыше­ние порога слышимости, которое называют эффектом маскировки. Он оказывается более заметным при ра­венстве частот маскируемого и маскирующего (меша­ющего) чистых тонов. Низкочастотные тона сильнее маскируют высокочастотные. При маскировке рече­вого сигнала шумом понижается разборчивость речи (количество принятых правильно элементов речи из общего числа переданных по тракту).

Слуховой аппарат обладает инерционностью, кото­рая выражается в том, что ощущение возникновения звука, а также его прекращения возникает не сразу. Если слушатель получает сигналы от нескольких источников звука, удаленных от него на разные рас­стояния, то при одинаковой мощности ближнего и удаленного источников звука ощущается и локализу­ется ближний источник звука, излучающий опережа­ющий сигнал. При этом обеспечивается слитность зву­чания, если задержка во времени прихода запаздыва­ющего сигнала не превышает 50 мс. Если время за­держки превышает 50 мс, то наличие запаздывающе­го сигнала от удаленного источника звука ощущается как эхо, хотя по-прежнему локализуется ближний источник звука. Уменьшая мощность ближнего источ­ника, можно добиться раздельного звучания обоих ис­точников звука. Это свойство лежит в основе построе­ния систем стереофонического вещания.

2. Задание на СРС (Л.2 стр.10-12) 2.1 Состав уха человека 2.2 Какие звуковые колебания мы слышим? 2.3 Что такое высота тона? 2.4 Дайте понятие дифференциальному порогу различимости звуков по частоте. 2.5 Дайте понятие единице измерения высоты звука 2.6 Дайте понятие тембру звука 2.7 Что такое порог слышимости? 2.8 Как определяется болевой порог?

3. Задание на СРСП. 3.1 Поясните ход кривых равной громкости. 3.2 Поясните, каким образом оценивают интенсивность и звуковое давление 3.3 Дайте понятие бинауральному эффекту? 3.4 Что такое эффект маскировки?

4. Контрольные вопросы

4.1 Абсолютные уровни, относительные, определения. 4.3 Дайте понятие области слухового восприятия, где она находится? 4.4 Где применяют кривые равной громкости? 4.5 В какой области мы слышим лучше, в горизонтальной или вертикальной, где это явление можно использовать?

Глоссарий

5.1 Порог слышимости 5.2 Болевой порог 5.3 Кривые равной громкости 5.4 Октава 5.5 Высота тона 5.6 Тембр 5.7 Бинауральный эффект

Threshold of audibility Painful threshold Curves of equal loudness

Литература

Основная 6.1 М.Т. Кохно стр.10-14 6.2 А.В. Выходец стр. 10-16

Дополнительная

Лекция 3