3. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ АКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛАХ

Различают первичные (натуральные) и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пение, речь; ко вторичным — сигналы, прошедшие через электроакустические и вещательные тракты и, следовательно, изменившие свои параметры. Рассмотрим свойства натуральных сигналов. Одной из наиболее общих характеристик акустического сигнала является его случайный характер. Случайный характер акустического сигнала (как и всякого сигнала связи) определяется тем, что этот сигнал непрерывно переносит информацию от источника к потребителю; поэтому будущее значение сигнала (например, его мгновенное значение) можно предсказать лишь с той или иной вероятностью. Несмотря на случайный характер, ряд статистических характеристик акустического сигнала обладает достаточной устойчивостью и объективно характеризует свойства различных сигналов. Эти статистические характеристики имеют важное практическое значение, так как позволяют правильно сформулировать требования к каналам, по которым передаются радиовещательные сигналы.

Динамический диапазон. Наличие «памяти» у слуха приводит к тому, что при восприятии случайного сигнала слуховое ощущение в каждый момент времени определяется не мгновенным значением интенсивности звука i(t), а средним значением I_ср (t) за небольшое время (порядка 30 мс), характеризующее «память» органа слуха. При этом

 

 

 

где ξ означает текущее время; t — тот момент текущего времени, к которому относится I_ср(t); множитель  учитывает восприятие сигнала с учетом «памяти» слуха; Т — постоянная времени, связанная с памятью слуха (Т≈30мс).

Уровень акустического сигнала

 

Обычно этот уровень, измеряется после преобразования акустического сигнала в электрический. Уровень сигнала в электрическом тракте

где Р_э (t) — электрическая мощность, соответствующая I_ср(t); P₀—мощность уровень которой принят за нулевой (Р₀ = 1 мВт). N_{c э} называется динамическим уровнем сигнала.

Динамический уровень сигнала можно выразить через напряжение и ток:

 

 

где U(t) и I(t) — напряжение и ток, соответствующие P_э(t); U₀, I₀ — напряжение и ток, уровни которых приняты за нулевые (U₀ = 0,775В, I₀ = 1,29 мА).

Так как 1(t), U(t) и P_э(t) определяют на резисторе с сопротивлением 600 Ом, то N_{c э} = N_u = N_I, и по этой причине часто индексы у N не пишут.

Для звуковых сигналов характерны быстрые нарастания интенсивности колебаний и относительно медленные спадания. Среднее время нарастания музыкальных сигналов 20—140 мс, речевых — 3—120 мс. Время спадания этих сигналов значительно больше времени нарастания и зависит от реверберации помещения.

Среднее распределение динамических уровней для речевых и музыкальных сигналов в диапазоне от N_{э мин} до N_{э макс} по форме близко к нормальному распределению. N_{э мин} и N_{э макс} квазиминимальные и квазимаксимальные значения динамического уровня сигнала. Квазимаксимальный уровень — уровень, который не превышается в течение п% времени общей длительности сигнала. Для музыки n=98%, для речи—99%. Квазиминимальный уровень—это уровень, который в течение указанного выше времени превышается сигналом.

Динамический диапазон сигнала

D = N_э.макс-N_э.мин

 

Динамический диапазон различных сигналов

 

Такой динамический диапазон сигналов в большинстве случаев не может быть передан по аналоговым каналам звукового вещания без предварительного сжатия до значения динамического диапазона канала.

 

 

 

Рис. 2. Спектр речевого (1) и музыкального (2) сигналов

 

Динамический диапазон вещательного канала

 

 

где U_H0M — номинальное напряжение сигнала, которое допускается в канале; U_ш — напряжение шума в канале, измеренное псофометром; Δ₁ — уровень перекрытия помех в канале для качественной передачи квазиминимальных уровней сигнала; Δ₂ — запас (допуск), предназначенный для предотвращения  перемодуляции канала редкими  пиками сигнала.

Средний уровень сигнала определяется по тем же формулам, что и динамический, но постоянную времени Т выбирают равной 150 мс при определении среднего уровня по слуховому ощущению, 15 с для речи и 1 мин для музыки при определении длительного среднего (усредненного) уровня

Разность между квазимаксимальным и усредненным уровнями называется пик-фактором сигнала П = N_э. _макс— N_{э cp}. Для музыкальных сигналов П = 20 дБ, для речевого — 12 дБ.

Частотный диапазон сигнала. Частотный диапазон сигнала зависит от его типа. Для речевого сигнала он примерно равен 70...8000 Гц, сигнал, создаваемый симфоническим оркестром, занимает полосу частот 30, .15 000 Гц.

Мощность акустических сигналов по частоте распределена неравномерно. На рис. 2 показан спектр максимальных значений звукового давления для речи с уровнем 76 дБ на расстоянии 1 м от говорящего (кривая 1) и спектр максимальных значений звукового давления для оркестровой музыки с уровнем 104 дБ на расстоянии 10 м от оркестра  (кривая 2).

Время автокорреляции. Время автокорреляции акустического сигнала играет существенную роль при определении оптимума реверберации в закрытых помещениях. Определяется это время из условия равенства абсолютной величины коэффициента автокорреляции сигнала числу 0,05.