Характеристики ст удійних звукових сигналів
Введення
МУЛЬТИМЕДІА (англ. multi - багато і media - засіб), технологія, яка з'єднує кілька видів пов'язаної між собою інформації (текст, звук, світло, фото, малюнок, анімація, відео та ін) в єдиний блок, а також носій такої інформації .
Мультимедіа-технології широко використовуються сьогодні в наступних сферах:
- Інтерактивне навчання (у т.ч. дистанційне) - електрон. підручники;
- Системи перевірки знань;
- Мультимедійні презентації (flash-презентації);
- Рекламні ролики, кліпи на телебаченні, радіо, ММ білбордах;
- Мультимедійні довідкові панелі та кіоски;
- ММ комп'ютерні програми, ігри;
По кожному з перерахованих розділів можна читати окремий курс, свою окрему дисципліну. У нашому курсі лекцій розглядаються апаратні засоби створення звукового супроводу мультимедіа. Це кошти формування та контролю ЗС, а також засоби обробки, запису й передачі ЗС.
Характеристики звукового поля
Характеристики звуку дуже важливо знати для того, щоб створювати апаратури з потрібними характеристиками - амплітудними, частотними, шумовими і т.д. Апаратура повинна по можливості не погіршувати властивості ЗС. Тобто актуальне завдання «узгодження» характеристик апаратури з властивостями звуку.
Звуком називаються малі механічні коливання у твердих, рідких і газоподібних середовищах, частоти яких знаходяться в діапазоні 20-20000 Гц. Частоти нижче 20 Гц називаються інфразвуковими, а вище 20000 Гц - ультразвуковими.
Простір, в якому відбувається поширення звукових хвиль, називається звуковим полем. Звукові хвилі мають подовжній характер, тобто сили, що створюють пружні деформації в середовищі при поширенні звукової хвилі, нормальні до фронту хвилі.
Звук характеризується звуковим тиском ( ).
Звуковий тиск - це різниця між миттєвим значенням тиску обуреної середовища, і середнім тиском у відсутності звукового поля:
.
Звуковий тиск - величина скалярна. В області стиснення тиск позитивно, в області розрідження - негативно. Вимірюється звуковий тиск в Паскалях (Па). Один паскаль в 10 5 разів менше нормального атмосферного тиску ( Па).
Стерпна звуковою хвилею енергія характеризується інтенсивністю (I). Інтенсивність (або сила) звуку - це середня кількість звукової енергії, що проходить за одиницю часу через одиничну площадку, розташовану нормально до напрямку поширення звукової хвилі. Тобто це потужність, що переноситься звуковою хвилею через одиничну площадку. Інтенсивність пов'язана зі звуковим тиском формулою:
.
- Щільність повітря в невозмущенном стані (1,3 кг / м 3), с - швидкість звуку (340 м / с в нормальних умовах).
Одиниця виміру інтенсивності - Вт / м 2 (аналог щільності потоку потужності).
Тиск, щільність звукової енергії і силу звуку зручно визначати в рівнях, виражених в децибелах.
,
.
- Рівень звукового тиску (SPL - Sound Pressure Level);
- Рівень потужності звуку (PWL - Power Level).
За опорну величину 0 дБ SPL приймається звуковий тиск Па, тобто звук, відповідний порогу слухового відчуття. А рівень потужності акустичного сигналу, що відповідає цьому порогу, вимірюють в дБ PWL по відношенню до опорної величиною
10 -12 Вт / м 2.
При використанні цієї одиниці рівень громових розкатів оцінюється приблизно в 120 дБ, шум літака або музика на рок-фестивалі відповідає рівню 110 дБ, шум потягу, що проходить - 100 дБ, звуки гучної вулиці - 80 дБ. Розмова в кімнаті відповідає рівню звуку приблизно 50 ... 60 дБ, а шепіт - 20 ... 30 дБ.
2. Сприйняття звуку. Основи психоакустики
2.1 Частотний сприйняття
Здатність слуховий системи класифікувати звуки за висотою лежить в основі побудови звуковисотного відносин у різних музичних культурах.
Кожна нота, зіграна на будь-якому інструменті - це складний звук, що складається з основного тону і великого числа обертонів.
Обертоном називається будь-яка власна частота вище першого. Але тільки ті обертони, частоти яких кратні частоті основного тону, називаються гармоніками. Основний тон вважається першою гармонікою.
Якщо звук дає чітке відчуття висоти тону, то він містить у своєму спектрі тільки гармоніки, тобто є періодичним (тільки періодичні сигнали дають відчуття висоти тону).
Слух, сприймаючи складне звукове коливання, діє подібно частотного аналізатору, тобто фіксує амплітуди і частоти спектральних складових звуку. Смуги пропускання елементарних резонаторів слуху, які визначають на рівні 0,707, на частотах вище 500 Гц складають приблизно 5% від середньої частоти, на низьких частотах - 7-10%. Ці смуги отримали назву критичних смуг слуху.
Залежно від сили звуку вухо реєструє від 150 до 250 градацій по частоті. Вухо дуже чутливе до змін частоти і може розрізняти синусоїдальні коливання, що відрізняються по частоті на 0,2%, в діапазоні 500-4000 Гц.
Гармонійні та періодичні коливання складної форми сприймаються як звуки, що мають певну висоту тону. Чим більше основна частота, тим вище тон звуку. На слух відмінність тону по висоті між двома звуками буде однаково, якщо однаково відношення частот цих звуків, Наприклад, звуки з частотами 100 і 200 Гц розрізняються по висоті тону так само, як і звуки з частотами 3000 і 6000 Гц.
Тому слух однаково оцінює різниця частот, якщо його утворюють дві частоти з відношенням 200:100 Гц або 2000:1000 Гц. За логарифмічною шкалою відношення цих двох відстаней однаково одно 2:1, по лінійної - вони відрізняються в 10 разів. Тому практично при всіх вимірах використовується зазвичай логарифмічна шкала частот - це відповідає слухового сприйняття інтервалів.
Таким чином, координатна вісь з логарифмічним масштабом по частоті є віссю з лінійним масштабом по висоті тону. Відстань по висоті тону називається інтервалом. Інтервали вимірюють в октавах або її частинах. Якщо відношення частот дорівнює 2, то такий інтервал називається октавою, у полуоктави відношення частот одно . У загальному випадку октавной
визначається як:
.
При = 1 / 3 отримаємо
, І такий інтервал називається третьоктавой. Звуковий діапазон частот містить приблизно 10 октав.
Складні звукові коливання, що мають однакові основні частоти, але відрізняються за формою, сприймаються на слух як звуки, що мають різну «забарвлення», або, інакше кажучи, різний тембр. Звук з високим тембром - збагачений вищими гармоніками (дзвінкий звук, форма має різкі фронти), низький тембр - збіднений вищими гармоніками (глухий звук, плавні фронти).
Основний вплив на оцінку висоти тону надають перші 7-8 гармонік, ще 8-9 гармонік несуть додаткову інформацію як для оцінки висоти, так і для оцінки тембру звучання, тобто найбільш значимими для слуху є лише перші 15-17 гармонік.
Якщо частота основного тону висока то в чутному діапазоні (практичний верхня межа 16 кГц) буде залишатися менше число гармонік (обмеження по частоті зверху).
Інший випадок - обмеження по частоті знизу, пригнічений основний тон. У цьому випадку слуховий апарат здатний обчислити частоту основного тону по різниці частот вищих гармонік:
.
Сигнал без основного тону виглядає як високочастотні коливання з низькочастотної обвідної, частота якої дорівнює частоті основного тону.
Це властивість слуху використовують для створення аудіо комп'ютерних ефектів («прогресивна», клубна музика), при створенні рекламних роликів на радіо (враховується, що нижня частота, відтворювана приймачами не нижче 100 Гц, а часто цей показник ще гірше).
Як відомо з теорії коливань, якщо в системі відбувається складання двох коливань з близькими частотами f1 і f2, то виникає режим биття, ці биття сприймаються на слух як пульсації гучності тону з середньою частотою 1 / 2 (f1 + f2) і повільно змінюється амплітудою з частотою (f1-f2). Приклад биття показаний на малюнку 3. Коли частоти збігаються, два тони звучать в унісон, якщо починати збільшувати частоту одного тону, то, аж до різниці 15 Гц, чітко прослуховується один тон з мінливою гучністю - «биття», при подальшому збільшенні різниці частот починають прослуховуватися обидва тони з сильною шорсткістю звучання і, нарешті, коли різниця частот стає більше критичної смуги і шорсткість зникає.
Це процес можна легко прослухати, подавши на акустичну систему два чистих тону від генератора, частота одного повинна бути фіксована, частота іншого змінюється. Цією властивістю, виникненням виразних биття, користуються для настройки музичних інструментів. Частота F, на якій починають прослуховуватися два тони з сильною? Шорсткістю?, Називається частотою «перемішування». Вона відповідає приблизно різниці частот близько півтони, тобто df / f = 0,06 (на 500 Гц) і більш ніж цілий тон df / f = 0,12 (на частотах нижче 200 і вище 4000 Гц).
Експерименти, виконані з великою групою слухачів, серед яких не було професійних музикантів (оскільки їх слух натренований на завчені зразки консонансних і дисонансні співзвуч), дозволили встановити, при якій різниці за частотою два чистих синусоїдальних звуку сприймаються як «приємні» консонансние або як різкі, неприємні «дисонансні».
Максимальна приємність звучання (консонанс) позначений 1, дисонанс - 0, максимальна неприємність (різкість) - консонанс = 0, дисонанс = 1.
Якщо різниця частот дорівнює нулю, тобто два тони звучать в унісон, то це досконалий консонанс. Якщо різниця частот більше, ніж критична смуга, то це співзвуччя теж звучить як консонанс. Для частот, різниця між якими становить від 5 до 50% від критичної смуги, співзвуччя сприймається як дисонанс. Максимальний дисонанс прослуховується, коли різниця складає одну чверть від ширини критичної смуги. Слід пам'ятати, що ширина ця змінюється з частотою (див. малюнок). Тому два тони можуть звучати як консонансний інтервал в одній октаві, і як значно менш консонансний (або навіть дисонансні) - в іншій.
Ці результати корисно мати на увазі при складанні різних електронних музичних композицій та комп'ютерної обробки звуку. Слід з обережністю використовувати поєднання звуків, частотна різниця між якими близько однієї чверті критичної смуги, якщо не ставити спеціального завдання створити таку музику, щоб слухач від неї впадав у нервовий розлад.
2.2 Сприйняття по амплітуді
Звукові коливання сприймаються на слух як звуки, що мають певну гучність. Найменше значення інтенсивності звуку, яка викликає відчуття, називається порогом чутності.
Рисунок 1 - Криві рівної гучності
Поріг чутності найменший в діапазоні 1-5 кГц. На частоті 1000 Гц порогове значення інтенсивності звуку дорівнює 10 -12 Вт / м 2, а тиску - 2 • 10 -5 Па. Як зазначалося раніше, рівні цих величин прийняті за нульові.
Зі збільшенням інтенсивності звуку зростає і відчуття її гучності. Це відбувається до тих пір, коли подальше підвищення інтенсивності звуку, не змінюючи відчуття гучності, викликає больові відчуття. Найменше значення інтенсивності звуку, яка викликає відчуття болю, визначається порогом больового відчуття (порогом дотику). Динамічний діапазон слуху (Dc) є різниця рівнів інтенсивності звуку, відповідних порогу дотику і порогу чутності:
Dc = No - Nc.
На середніх частотах D c = 120 ... 130 дБ.
Зміна інтенсивності звуку викликає зміна гучності лише тоді, коли перша змінюється на певну величину, тобто при безперервному зміну інтенсивності звуку, відчуття гучності змінюється не безперервно, а дискретно, тобто стрибками. Такі стрибки-називають порогом розрізнення інтенсивності. При невеликих громкостях величина стрибка (градації) дорівнює на 2-3 дБ, а з підвищенням гучності-зменшується до 0,4 дБ. Можна вважати, що за діапазоном від порога чутності до пороти дотику величина елементарного стрибка становить у середньому 0,8-1 дБ. Загальне число помітних вухом градацій сили звуку в діапазоні середніх частот становить 250, на низьких і середніх частотах воно зменшується, так що в середньому по звуковому діапазону становить 160.
Для кількісної оцінки гучності застосовується метод суб'єктивного порівняння. У відповідності з цим методом еталонний звук (у якості зображення застосовується тон з частотою 1000 Гц) зрівнюється по гучності з досліджуваним, отриманий при цьому рівень еталонного звуку і приймається в якості рівня гучності досліджуваного звуку. Одиниця виміру рівня гучності - фон.
Таким чином, на частоті 1000 Гц рівень гучності (у фонах), збігається з рівнем сили звуку (в децибелах).
На рис. 1 показані частотні залежності кривих рівної гучності. Параметром кривих є рівень гучності; кожна крива показує, яким чином за зміною частоти повинен змінюватися рівень інтенсивності звуку, щоб гучність синусоїдальних сигналів залишалася незмінною.
Відзначимо одну особливість, яка визначається формою кривих рівної гучності: при зміні рівня інтенсивності рівень гучності на низьких частотах змінюється сильніше, ніж на середніх і високих частотах. Отже, частотно-незалежне регулювання рівня в звуковідтворювальних пристроях призводить до більш різкої зміни гучності низькочастотних складових сигналу, тобто до спотворення тембру (АЧХ) сигналу. Тому у високоякісних звуковідтворювальних пристроях застосовують тонкомпенсірованние регулятори рівня.
При вимірі різного роду акустичних шумів і перешкод слід також враховувати властивості слухового сприйняття. У шумомірах, наприклад, для цієї мети використовується три види частотних характеристик - А, В, С. Характеристика А застосовується, для вимірювання шумів з рівнем гучності 20-55 фон, В - з рівнем 55-85 фон, С - з рівнем вище 85 фон. Характеристика З прямолінійна, а характеристики А і В - назад до ізофон з рівнями гучності, рівними відповідно 40 і 70 фон.
2.3 Тимчасові характеристики слуху
Орган слуху володіє певною інерційністю при сприйнятті швидко наростаючих звуків. Відчуття гучності, близьке до граничного, виникає приблизно через 50 мс після появи звукового імпульсу, що свідчить про інтегруючої здібності слуху.
Чутка має і «пам'яттю» - відчуття гучності зникає лише через деякий час після зникнення сигналу.
Час, протягом якого відчуття за рівнем гучності зменшується на 8-10 фон, називається постійної часу слуху. Постійна часу слуху дорівнює 150 - 200 мс. Наявність у слуху «пам'яті» пояснює той відомий факт, що запізнілі повторення сигналу не сприймаються як роздільний сигнал, якщо час запізнювання не перевищує 50 мс. Відбувається це тому, що за час 50 мс відчуття від прямого сигналу зменшується незначно (при миттєвому зникнення сигналу відчуття зменшилося б приблизно на 3 фону) і запізнюється сигнал приймається як продовження прямого.
2.4 Нелінійні властивості слуху
Синусоїдальний сигнал з великим рівнем сприймається на слух як сигнал, що має гармонійні складові. Якщо, наприклад, рівень вихідного коливання 100 дБ, то рівні суб'єктивно відчуваються других і третіх гармонік рівні відповідно 88 і 74 дБ. Коливання складної форми з досить високим рівнем може призвести до появи суб'єктивних комбінаційних складових, причому різницеві складові сприймаються на слух як більш потужні в порівнянні з сумарними.
2.5 Маскування звуку
Заважає сигнал підвищує поріг чутності корисного сигналу. Це явище називається маскуванням. Кількісно маскування оцінюється величиною, що вказує, на скільки децибел підвищується поріг чутності корисного сигналу в присутності шумів в порівнянні з його порогом чутності в тиші. Розрізняють маскування «знизу вгору» і «зверху вниз». У першому випадку перешкода по частоті знаходиться нижче частот сигналу, у другому - вище. Маскування «знизу вгору» надає більший заважає дію. Якщо частота гармонічного сигналу розташовується усередині смуги шуму, то маскування збільшується зі зростанням смуги шуму, поки остання не досягне критичної смуги. Подальше зростання смуги шуму призводить до незначного збільшення маскування.
2.6 Бінауральниє ефект
Здатність органу слуху визначати напрямок на джерело звуку називається бінауральним ефектом. Точність, з якою може бути визначено напрям на джерело звуку в горизонтальній площині, досить висока, похибка становить 3-4 °.
Можна вказати три причини, які сприяють правильному визначенню напрямку на джерело звуку.
До вуха, розташованому далі від джерела, сигнал приходить з невеликим запізненням в часі по відношенню до другого вуха, з цієї різниці в часі людина може судити про направлення на джерело звуку на низьких частотах.
На високих частотах сигнал в одного й іншого юшка буде мати різний рівень внаслідок екрануючу дію голови.
Форма спектру на високих частотах через екрануючу дії голови у лівого і правого вуха також буде різна.
Бінауральниє властивості слуху використовуються при побудові стереофонічної апаратури.