Акустические сигналы. Динамический диапазон. Частотный диапазон и спектры. Спектр тонального сигнала с некратными частотами

ЛЕКЦИЯ №4

Акустические сигналы.

Акустические сигналы могут быть первичными и  вторичными.

Первичные – сигналы, которые создаются голосом, шумом, музыкальными инструментами

Вторичные – сигналы воспроизводимые электроакустическими устройствами, которые прошли через тракт обработки.

Акустические сигналы вероятностны, случайны и  определяются распределением по частоте, времени, уровне. В процессе передачи уровни, диапазоны изменяются.

Динамический диапазон.

В процессе передачи уровень сигнала непрерывно меняется, диапазон изменения широк. На рис. 4.1 представлена зависимость уровня сигнала от времени – уровнеграмма. Зададимся уровнем Lк.

                                          (4.1)

t - время, в течение которого уровень сигнала больше или равен уровню L_k.

- временные интервалы действия сигнала.

                                                     (4.2)

ω_k - относительное время пребывания уровня сигнала над заданным.

Т – длительность всего участка сигнала, она должна быть достаточно большой.

T ³ 15 сек – речь.  

T ³ 1 мин – музыка.

Рис. 1. К определению динамического диапазона: а) уровнеграмма (длительность всего сигнала); б) кривая интегрального распределения по уровнеграмме.

Введем понятия квазимаксимального и квазиминимального уровней L_max и L_min.

Квазимаксимум и квазиминимум определяют по относительному времени пребывания уровня сигнала над соответствующим уровнем.

Для квазимаксимального уровня это время берут 2% для музыкального сигнала и 1% для речевого. Для квазиминимального – соответственно 98% и  99%. Это потому, что более краткие пики и резкие минимумы сигнала не воспринимаются слухом (для речи процент меньше, так как очень краткие звуки в речи несут информацию).

Д = L_max - L_min -                                                                                    (4.3)

динамический диапазон – разность между квазимаксимальным и квазиминимальным уровнями.

П = L_max – L_сред -                                                                                  (4.5)

пик-фактор – разность между квазимаксимальными усредненным уровнем (за длительный промежуток времени, например 15с для речи, 1 мин для музыки).

Пик-фактор показывает насколько ниже надо взять усредненный уровень передачи по сравнению с уровнем ограничения канала, чтобы канал не перегрузить.

Для музыкальных сигналов пик-фактор до 20дБ и более, для речевого сигнала не более 12дБ.

Вид сигнала	Речь диктора	Тел. разгов.	Ансамбль	Симф. оркестр	Поп-музыка
Д, дБ	25-30	35-45	45-55	65-75	~110 ~130

Средний уровень.

Средний уровень интенсивности акустического сигнала можно определить или по слуховому ощущению (субъективное среднее), или как средний статистический по интенсивности для длительных интервалов времени, или как средний, измеряемый прибором. Для вторичных сигналов определяют только средний уровень по ощущению, для вторичных надо знать все уровни, так как сигналы прошли через аппаратуру. Постоянная времени слуха примерно 150мс, то для измерения среднего уровня по слуховому ощущению постоянная времени должна быть 150мс. Постоянную времени прибора берут 15с для речи, 1 минуту для музыки.

Для каждого из средних значений уровня средняя интенсивность:

                                          (4.11)

T – постоянная времени интегратора-регистратора (прибор, ухо)

f(t) – временная зависимость интенсивности сигнала.

t – время регистрации сигнала.

 - учитывает процесс регистрации сигнала.

Средний уровень интенсивности представится

                                  (4.12)

Любой приемник, ухо воспринимает звук как прибор с RC цепочкой. На выходе электроакустического устройства электрический уровень  Рэ – электрическая мощность, Ро – 1 мВт.

Частотный диапазон и спектры.

Спектр сигнала может быть высоко и низкочастотным, дискретным и сплошным. Спектр имеет характерную особенность (окраску) – тембр. Тембр есть у каждого музыкального инструмента и у голоса. Звонкий когда ВЧ составляющие подчеркнуты, и глухой когда они подавлены.

Все акустические сигналы изменяют спектр и форму.

                                   (4.7)

- сигнал с гармоническим спектром, представлен в виде ряда Фурье.

T – период колебаний

ω₁ - частота колебаний первой гармоники

k – [-¥¸¥]

                                               (4.8)

Комплексная амплитуда, где

c_k – амплитуда гармоники.

j_k – её начальная фаза.

Вещественная форма ряда Фурье.

                               (4.9)

Коэффициенты Фурье:

                                                          (4.10)

                                            (4.11)

                                            (4.12)

                                                                                        (4.13)

                                                      (4.14)

                                                        (4.15)

Спектр тонального сигнала с некратными частотами v_к имеет вид: