Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Министерство Образования Республики Казахстан
Алматинский Институт Энергетики и Связи
Кафедра РТ
Семестровая работа
по дисциплине: «Радиовещание и электроакустика»
на тему: «Частотный диапазон акустического сигнала»
Выполнил: __________________
__________________
Принял: __________________
Алматы 1999
Содержание
Частотный диапазон и спектры
Акустический сигнал от каждого из первичных источ ников звука, используемых в системах вещания и свя зи, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся фор му и состав спектра. Спектры могут быть высоко- и низкочастотными, дискретными и сплошными. У каж дого источника звука, даже того же самого типа (на пример, скрипка в оркестре), спектры имеют индиви дуальные особенности, что придает звучанию характер ную окраску. Эту окраску называют тембром. Сущест вуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. п., а также тембра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляющие; глухой, когда они по давлены. В первую очередь представляют интерес сред ний спектр для источников звука каждого типа, а для оценки искажений сигнала—спектр, усредненный за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин для художественных). Усреднен ный спектр может быть, как правило, сплошной и дос таточно сглаженный по форме.
Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называется интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Для акусти ки эту полосу берут равной 1 Гц. Спектральная плот ность , где —интенсивность, измеренная в узкой полосе частот с помощью узкополосных фильтров.
Для удобства оценки введена логарифмическая мера плотности спектра аналогично уровню интенсив ности. Эту меру называют уровнем спектральной плот ности или спектральным уровнем. Спектральный уро вень
,
где Вт/м2—интенсивность, соответствующая нулевому уровню, как и для оценки уровня интенсив ности.
Очень часто для характеристики спектра вместо спектральной плотности используют интенсивности и уровни интенсивности, измеренные в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот. Нетрудно ус тановить связь между спектральным уровнем и уровнем в октавной (полуоктавной или третьоктавной) полосе.
Спектральный уровень
,
а уровень в октавной полосе
,
где—ширина соответствующей октавной полосы.
.
При известном спектре сигнала можно определить его суммар ную интенсивность. Так, если спектр задан в уровнях интенсивности для третьоктавных полос, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в интенсивности и затем просуммировать все интенсивности. Сумма всех дает суммар ную интенсивность для всего спектра.
Суммарный уровень
Если спектр задан в спектральных уровнях, то, исходя из их опре деления, для всего спектра точный, суммарный уровень
,
где и — верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Приближенно суммарный уровень можно найти делением частотного диапазона на n полосок шириною , в пределах которых спектральный уровень примерно постоянен. Суммарный уровень
Частотный диапазон акустического сигнала определя ют из частотной зависимости спектральных уровней. Это определение можно сделать или по спаду спектра льных уровней или приближенно, на слух. Субъектив ными границами считают заметность ограничения диа пазона для 75% слушателей.
Приведем частотные диа пазоны для ряда первичных источников акустического сигнала, Гц:
Таблица
|
речь |
70–7000 |
|
скрипка |
250–15000 |
|
треугольник |
1000–16000 |
|
бас-труба |
50–6000 |
|
орган |
20–15000 |
|
симфонический оркестр |
30–15000 |
Если спектры имеют плавный спад в ту или иную сто рону, то их еще оценивают тенденцией, т.е. средним наклоном спектральных уровней в сторону низких или высоких частот. Например, речевой спектр имеет тенденцию, рав ную — 6 дБ/окт. (спад в сторону высоких частот).
К акустическим сиг налам относят в ряде случаев и акустические шумы. На рис.1 приведены спектры трех типов шумов: белого, розово го и речевого. Термин «белые» относится к шумам, имеющим одинаковую спектральную плотность во всем частотном диапазоне, «розовые» — к шумам с тенденцией спада плотности на 3 дБ/окт. в сторону вы соких частот. Речевые шумы — шумы, создаваемые одно временным разговором нескольких человек.
Восприятие акустических сигналов
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нор мальных температуре и давлении близка к значению cзв=340 м/с, принятому в вещании за расчетную. Однако в зависимости от изменения указанных параметров она может несколько изменять ся. В средах с большой плотностью (жидких, твердых) скорость распространения соответственно повышается. В неограниченном пространстве звук распространяется в виде бегущей волны. Дли на звуковой волны связана с частотой колебаний F и их периодом Т соотношением
,
где Т измерено в секундах, a F — в герцах.
Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых чело веком, простирается примерно от 16 ... 25 Гц до 18 ... 20 кГц в зависимости от индивидуальных особенностей слушателя. С ниж ней границей звукового диапазона граничит диапазон инфразвуковых частот, воздействие которых на человека считают вредным, так как они могут вызывать неприятные ощущения с серьезными последствиями. В природе инфразвуковые колебания могут воз никать при волнениях в море, колебаниях земной среды и пр.
Выше звукового диапазона располагается диапазон ультра звуковых механических колебаний. Ультразвук для человека не слышим, но широко используется в радиоэлектронике для создания устройств, служащих для обработки радиотехнических сиг налов, например фильтров, линий задержки, преобразователей формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием принципа поверхностных акустических волн—ПАВ), для лечеб ных целей в медицине, для совершенствования технологических процессов в промышленности. Механические колебания в упругих средах с диапазоном частот F=109 ... 1013 Гц—гиперзвуковые частоты — используют в технике физического эксперимента и др.
Тон и тембр
Пространственная локализация звуковых колеба ний различной частоты на разных участках основной мембраны внутреннего уха предполагает независимость воз буждения одной ее точки от другой и возможность одновременно го возбуждения акустическими сигналами различных частот. Гар моническое звуковое колебание некоторой частоты в восприятии характеризуется понятием тон. Разрешающая способность разли чения слухом соседних частот относительно друг друга в преде лах слышимого диапазона частот (от 16 ... 20 Гц до 20 кГц) неодинакова. В области низких частот, ниже 500 Гц, она едва пре вышает 1%, в области высоких частот—около 0,5% и лишь на средних частотах составляет 0,2 ... 0,3%.
В музыкальной акустике принято делить частотный диапазон на октавы и доли октавы. Этими же понятиями пользуются и в радиовещании. Понятие октава соответствует изменению частоты F в два раза; весь диапазон звуковых частот охватывается 10 октавами. Музыкальная шкала октавы подразделяется на 12 по лутонов, что соответствует приращению частоты или тонам звуков двух смежных клавиш рояля. Выбирая частотные интервалы для измерения спектров сигналов, часто пользуются промежуточными значениями интервалов частот — третьоктавных и полуоктавных .
Если звуковое колебание сложнее гармонического, но также периодическое, то его следует рассматривать как сумму гармони ческих колебаний, представляемых рядом Фурье:
,
где —амплитуда; —частота; k—номер спектральных со ставляющих звучания; —их фаза. В этом случае звучание ха рактеризуется основным, наиболее низкочастотным, колебанием, соотношение же между основным тоном и обертонами — высшими гармониками—определяет при восприятии тембр звучания, его то нальную окраску. Исследования показывают, что тембральное различие голосов определяется формой спектрального распреде ления энергии звука, обычно обладающего несколькими макси мумами и минимумами в области средних и высоких частот в пре делах значительной части звукового диапазона. Максимальные значения такого распределения называют формантами, мини мальные—антиформантами. По тембру можно отличить один музыкальный инструмент от другого, узнать голос певца, харак тер шума.
Порог различимости по частот.
Измерение этого порога обыч но сводится к оценке минимально воспринимаемой девиации частоты тона F при его модуляции тоном. При этом порогу различимости по частоте соответствует минимальное значение , замечаемое слухом. Значение этого порога зависит от ча стоты модуляции, частоты F и уровня Na сигнала испытательного тона. Заметим, что чувствительность слуха к изменениям F ма ксимальна при частоте модуляции 4 Гц; для этого случая мини мально ощущаемая девиация частоты при уровне звукового дав ления 70 дБ лежит в пределах 1,5 ... 50 Гц в зависимости от вы бранного значения частоты испытательного тона.
Влияние уровня Na в децибелах и частоты F в герцах измери тельного тона на значение показано на рис. 2,6 и в. Ча стота модуляции тона 4 Гц. Заметим, что порог (рис. 2,6) зависит от уровня звукового давления тона лишь тогда, когда по следний не слишком сильно отличается от абсолютного порога слышимости. В области частот ниже 500 Гц (рис. 2,в) порог девиации = 1,8 Гц, а на частотах F>500 Гц он возрастает пропорционально частоте и равен , где F—частота измерительного тона. На частотах ниже 500 Гц почти не зависит от частоты модулирующего тона.
Если в качестве испытательного сигнала используется шум, то порог при его модуляции тоном повышается и составляет не менее 15 ... 20 Гц при частоте модуляции 4 Гц.
Список литературы