Общая характеристика звуковых сигналов

Звуковые сигналы принято делить на шумы, речь и музыку. Такая классификация соответствует содержанию сигналов и в меньшей степени отражает их временные и спектральные свойства.

Шумы могут быть беспорядочными (шум дождя, шум листвы деревьев) и упорядоченными (гудки, крики птиц и т.п.). У беспорядочных шумов энергия частотных составляющих распределена по спектру примерно равномерно, но есть особенности спектров различных шумовых сигналов. Так, в спектре шума морского прибоя преобладают низкочастотные составляющие, а в спектре шелеста листвы – высокочастотные. Ширина спектра шума теоретически бесконечна.

Речевые сигналы – это упорядоченная последовательность звуков, в которой можно выделить шумовые, хаотические колебания (шипящие звуки), почти периодические колебания (гласные звуки); промежуточное положение занимают сонорные согласные. Основная часть энергии речевых сигналов сосредоточена в узкой части спектра – от 300 до 3000 Гц – с максимумом в области 450 ÷ 500 Гц.

Музыкальные сигналы могут быть как почти периодическими (звук одной ноты), так и шумовыми - беспорядочными или упорядоченными – (звуки маракасов, щёток); основная энергия музыкальных сигналов также сосредоточена в относительно узкой части спектра. Но для эстетического восприятия музыки существенны и слабые спектральные составляющие, поэтому считают, что полезная часть спектра музыкальных сигналов занимает всю область слышимых человеком частот, 20 ÷ 20000 Гц.

2.1.1. Громкость

Ощущение громкости связано с акустической мощностью звукового сигнала и по закону Вебера-Фехнера пропорционально логарифму мощности.

Громкость не относится к информационным показателям звукового сигнала. Понимание речи и восприятие музыки сохраняется в широком диапазоне громкостей. Но более громкий звуковой сигнал доходит до большего числа слушателей.

В любой звуковой программе можно выделить самый тихий отрывок с мощностью P_min (амплитуда S_min) и самый громкий отрывок с мощностью P_max (амплитуда S_max). Их отношение, выраженное в дБ, называется динамическим диапазоном сигнала D:

D = 10 lg (P_max / P_min), [дБ] или D = 20 lg (S _max / S_min), [дБ]. (2.1)

Динамический диапазон речи D ≈ 30 дБ, симфонической музыки D ≈ 65 дБ.

2.1.2. Высота тона

Восприятие высоты тона связано с частотой сигнала (рис. 2.1):

· до 500 Гц восприятие пропорционально частоте;

· в диапазоне 500 ÷ 5000 Гц пропорциональность нарушается;

· на частотах выше 5000 Гц звуки любой частоты кажутся одинаковыми по высоте.

Единица высоты тона называется мел. За опорную точку принимают тон «до» малой октавы: частоте 131 Гц соответствует высота тона 131 мел.

2.1.3. Тембр

Тембр – совокупность признаков, по которым звук данного источника при прочих равных условиях отличается от звука других источников.

Одна и та же музыкальная нота на различных инструментах звучит по-разному.

Восприятие тембра звукового сигнала связано с его мгновенным спектром. На рис. 2.2 приведена осциллограмма огибающей звука рояля. Если эту запись воспроизвести «наоборот» (ось времени t направить налево), то тембр звука будет напоминать звук органа.

2.1.4. Эффективная полоса частот

Спектр звуковых сигналов теоретически бесконечен. Но передача сигналов с бесконечным спектром практически невозможна. Поэтому надо разумно ограничивать ширину полосы частот звуковых сигналов. Для этого нужно задать уровень значимости спектральных составляющих сигнала и отбросить те составляющие, которые несущественны для данной задачи.

Считается, что полоса частот (300 ÷ 3000) Гц достаточна для передачи смысла речи и узнавания тембра голоса. Для приемлемого качества воспроизведения фонограмм в кинематографе требуется более широкая полоса частот, например (50 ÷ 12000) Гц. Для высококачественной передачи музыкальных программ необходима полоса частот (20 ÷ 20000) Гц. Реальная полоса частот выбирается исходя из технико-экономических соображений. Так, в телефонии обычно используется так называемый канал тональной частоты (канал ТЧ) с полосой (300 ÷ 3400) Гц, в системе CD (компакт-диск) полоса частот составляет (20 ÷ 20000) Гц.