Характеристики студийныхзвуковых сигналов
Введение
МУЛЬТИМЕДИА (англ. multi –много и media – средство), технология, которая соединяет несколько видовсвязанной между собой информации (текст, звук, свет, фото, рисунок, анимация,видео и др.) в единый блок, а также носитель такой информации.
Мультимедиа-технологии широкоиспользуются сегодня в следующих сферах:
– интерактивное обучение (вт.ч. дистанционное) – электрон. учебники;
– системы проверки знаний;
– мультимедийные презентации (flash-презентации);
– рекламные ролики, клипы нателевидении, радио, ММ биллбордах;
– мультимедийные справочныепанели и киоски;
– ММ компьютерные программы,игры;
По каждому из перечисленныхразделов можно читать отдельный курс, свою отдельную дисциплину. В нашем курселекций рассматриваются аппаратные средства создания звукового сопровождениямультимедиа. Это средства формирования и контроля ЗС, а также средстваобработки, записи и передачи ЗС.
1. Характеристики звукового поля
Характеристики звука очень важно знать длятого, чтобы создавать аппаратуру с нужными характеристикими – амплитудными,частотными, шумовыми и т.д. Аппаратура должна по возможности не ухудшатьсвойства ЗС. Т.е. актуальна задача «согласования» характеристик аппаратуры сосвойствами звука.
Звуком называются малыемеханические колебания в твердых, жидких и газообразных средах, частоты которыхнаходятся в диапазоне 20–20000 Гц. Частоты ниже 20 Гц называютсяинфразвуковыми, а выше 20000 Гц – ультразвуковыми.
Пространство, в которомпроисходит распространение звуковых волн, называется звуковым полем. Звуковыеволны имеют продольный характер, т.е. силы, создающие упругие деформации всреде при распространении звуковой волны, нормальны к фронту волны.
Звук характеризуется звуковымдавлением (/>).
Звуковое давление – эторазность между мгновенным значением давления возмущенной среды, и среднимдавлением в отсутствии звукового поля:
/>.
Звуковое давление – величинаскалярная. В области сжатия давление положительно, в области разрежения –отрицательно. Измеряется звуковое давление в Паскалях (Па). Один паскаль в 105раз меньше нормального атмосферного давления (/>Па).
Переносимая звуковой волнойэнергия характеризуется интенсивностью (I).Интенсивность (или сила) звука – это среднее количество звуковой энергии,проходящей за единицу времени через единичную площадку, расположенную нормальнок направлению распространения звуковой волны. Т. е. это мощность, переносимаязвуковой волной через единичную площадку. Интенсивность связана со звуковым давлениемформулой:
/>.
/> – плотность воздуха вневозмущенном состоянии (1,3 кг/м3), с – скорость звука (340 м/с внормальных условиях).
Единица измеренияинтенсивности – Вт/м2 (аналог плотности потока мощности).
Давление, плотность звуковойэнергии и силу звука удобно определять в уровнях, выраженных в децибелах.
/>, />.
/> – уровень звукового давления (SPL –Sound Pressure Level);
/> – уровень мощности звука (PWL –Power Level).
За опорную величину 0 дБ SPLпринимается звуковое давление /> Па, то есть звук, соответствующийпорогу слухового ощущения. А уровень мощности акустического сигнала,соответствующий этому порогу, измеряют в дБ PWL по отношению к опорной величине/>10-12Вт/ м2.
При использовании этой единицыуровень громовых раскатов оценивается примерно в 120 дБ, шум самолета илимузыка на рок-фестивале отвечает уровню 110 дБ, шум проходящего поезда — 100 дБ,звуки шумной улицы — 80 дБ. Разговор в комнате соответствует уровню звукапримерно 50…60 дБ, а шепот — 20…30 дБ.
2. Восприятие звука. Основыпсихоакустики
2.1 Частотное восприятие
Способность слуховой системыклассифицировать звуки по высоте лежит в основе построения звуковысотныхотношений в различных музыкальных культурах.
Каждая нота,сыгранная на любом инструменте – это сложный звук, состоящий из основного тонаи большого числа обертонов.
Обертономназывается любая собственная частота выше первой. Но только те обертоны,частоты которых кратны частоте основного тона, называются гармониками. Основнойтон считается первой гармоникой.
Если звукдает четкое ощущение высоты тона, то он содержит в своем спектре толькогармоники, то есть является периодическим (только периодические сигналы даютощущение высоты тона).
Слух,воспринимая сложное звуковое колебание, действует подобно частотномуанализатору, т.е. фиксирует амплитуды и частоты спектральных составляющихзвука. Полосы пропускания элементарных резонаторов слуха, определяемые науровне 0,707, на частотах выше 500 Гц составляют примерно 5% от среднейчастоты, на низких частотах — 7—10%. Эти полосы получили название критическихполос слуха.
В зависимостиот силы звука ухо регистрирует от 150 до 250 градаций по частоте. Ухо оченьчувствительно к изменениям частоты и может различать синусоидальные колебания,отличающиеся по частоте на 0,2%, в диапазоне 500-4000 Гц.
Гармоническиеи периодические колебания сложной формы воспринимаются как звуки, имеющиеопределенную высоту тона. Чем больше основная частота, тем выше тон звука. Наслух различие тона по высоте между двумя звуками будет одинаково, еслиодинаково отношение частот этих звуков, Например, звуки с частотами 100 и 200Гц различаются по высоте тона так же, как и звуки с частотами 3000 и 6000 Гц.
Поэтому слуходинаково оценивает разность частот, если его образуют две частоты с отношением200:100 Гц или 2000:1000 Гц. По логарифмической шкале отношение этих двухрасстояний одинаково и равно 2:1, по линейной – они отличаются в 10 раз.Поэтому практически при всех измерениях используется обычно логарифмическаяшкала частот – это соответствует слуховому восприятию интервалов.
Такимобразом, координатная ось с логарифмическим масштабом по частоте является осьюс линейным масштабом по высоте тона. Расстояние по высоте тона называетсяинтервалом. Интервалы измеряют в октавах или ее частях. Если отношение частотравно 2, то такой интервал называется октавой, у полуоктавы отношение частотравно />. Вобщем случае октавность /> определяется как:
/>.
При />=1/3 получим />, и такойинтервал называется третьоктавой. Звуковой диапазон частот содержит примерно 10октав.
Сложныезвуковые колебания, имеющие одинаковые основные частоты, но отличающиеся поформе, воспринимаются на слух как звуки, имеющие разную «окраску», или, иначеговоря, разный тембр. Звук с высоким тембром – обогащенный высшими гармониками(звонкий звук, форма имеет резкие фронты), низкий тембр – обедненный высшимигармониками (глухой звук, плавные фронты).
Основноевлияние на оценку высоты тона оказывают первые 7-8 гармоник, еще 8-9 гармоникнесут дополнительную информацию как для оценки высоты, так и для оценки тембразвучания, то есть наиболее значимыми для слуха являются только первые 15-17гармоник.
Если частотаосновного тона высока то в слышимом диапазоне (практический верхний предел 16кГц) будет оставаться меньшее число гармоник (ограничение по частоте сверху).
Другой случай– ограничение по частоте снизу, подавлен основной тон. В этом случае слуховойаппарат способен вычислить частоту основного тона по разности частот высшихгармоник:
/> .
Сигнал безосновного тона выглядит как высокочастотные колебания с низкочастотнойогибающей, частота которой равна частоте основного тона.
Это свойствослуха используют при создании звуковых компьютерных эффектов («прогрессивная»,клубная музыка), при создании рекламных роликов на радио (учитывается, чтонижняя частота, воспроизводимая приемниками не ниже 100 Гц, а часто этотпоказатель еще хуже).
Как известноиз теории колебаний, если в системе происходит сложение двух колебаний сблизкими частотами f1 и f2, то возникает режим биений, эти биениявоспринимаются на слух как пульсации громкости тона со средней частотой 1/2(f1+ f2) и медленно меняющейся амплитудой с частотой (f1- f2). Пример биенийпоказан на рисунке 3. Когда частоты совпадают, два тона звучат в унисон, еслиначинать увеличивать частоту одного тона, то, вплоть до разницы 15 Гц,отчетливо прослушивается один тон с меняющейся громкостью – «биения», придальнейшем увеличении разницы частот начинают прослушиваться оба тона с сильнойшероховатостью звучания и, наконец, когда разница частот становится большекритической полосы и шероховатость исчезает.
Это процессможно легко прослушать, подав на акустическую систему два чистых тона отгенератора, частота одного должна быть фиксирована, частота другого меняется.Этим свойством, возникновением отчетливых биений, пользуются для настройкимузыкальных инструментов. Частота F, на которой начинают прослушиваться дватона с сильной? шероховатостью?, называется частотой «перемешивания». Онасоответствует примерно разности частот около полутона, то есть df/f = 0,06 (на500 Гц) и более чем целый тон df/f = 0,12 (на частотах ниже 200 и выше 4000Гц).
Эксперименты,проделанные с большой группой слушателей, среди которых не былопрофессиональных музыкантов (поскольку их слух натренирован на заученныеобразцы консонансных и диссонансных созвучий), позволили установить, при какойразнице по частоте два чистых синусоидальных звука воспринимаются как«приятные» консонансные или как резкие, неприятные «диссонансные».
Максимальнаяприятность звучания (консонанс) обозначен 1, диссонанс – 0, максимальнаянеприятность (резкость) – консонанс=0, диссонанс=1.
Если разницачастот равна нулю, то есть два тона звучат в унисон, то это совершенныйконсонанс. Если разница частот больше, чем критическая полоса, то это созвучиетоже звучит как консонанс. Для частот, разница между которыми составляет от 5до 50% от критической полосы, созвучие воспринимается как диссонанс.Максимальный диссонанс прослушивается, когда разница составляет одну четвертьот ширины критической полосы. Следует помнить, что ширина эта меняется счастотой (смотри рисунок). Поэтому два тона могут звучать как консонансныйинтервал в одной октаве, и как значительно менее консонансный (или дажедиссонансный) – в другой.
Этирезультаты полезно иметь в виду при составлении различных электронныхмузыкальных композиций и компьютерной обработке звука. Следует с осторожностьюиспользовать сочетания звуков, частотная разница между которыми порядка однойчетверти критической полосы, если не ставить специальной задачи создать такуюмузыку, чтобы слушатель от нее впадал в нервное расстройство.
2.2 Восприятиепо амплитуде
Звуковыеколебания воспринимаются на слух как звуки, имеющие определенную громкость.Наименьшее значение интенсивности звука, которое вызывает ощущение, называетсяпорогом слышимости.
/>
Рисунок 1–Кривые равной громкости
Порогслышимости наименьший в диапазоне 1-5 кГц. На частоте 1000 Гц пороговоезначение интенсивности звука равно 10-12 Вт/м2, адавления – 2•10-5 Па. Как указывалось ранее, уровни этих величинприняты за нулевые.
С увеличениеминтенсивности звука растет и ощущение ее громкости. Это происходит до тех пор,когда дальнейшее повышение интенсивности звука, не изменяя ощущения громкости,вызывает болевые ощущения. Наименьшее значение интенсивности звука, котороевызывает ощущение боли, определяется порогом болевого ощущения (порогом осязания).Динамический диапазон слуха (Dc)есть разность уровней интенсивности звука, соответствующих порогу осязания ипорогу слышимости:
Dc=No –Nc.
На среднихчастотах Dc=120...130 дБ.
Изменение интенсивностизвука вызывает изменение громкости лишь тогда, когда первая изменяется наопределенную величину, т. е. при непрерывном изменении интенсивности звука,ощущение громкости меняется не непрерывно, а дискретно, т. е. скачками. Такиескачки- называют порогом различения интенсивности. При небольших громкостях величинаскачка (градации) равна на 2-3 дБ, а с повышением громкости –уменьшается до 0,4дБ. Можно считать, что по диапазону от порога слышимости до порота осязаниявеличина элементарного скачка составляет в среднем 0,8—1 дБ. Общее числоразличимых ухом градаций силы звука в диапазоне средних частот составляет 250, нанизких и средних частотах оно уменьшается, так что в среднем по звуковомудиапазону составляет 160.
Дляколичественной оценки громкости применяется метод субъективного сравнения. Всоответствии с этим методом эталонный звук (в качестве эталонного применяетсятон с частотой 1000 Гц) уравнивается по громкости с исследуемым, полученный приэтом уровень эталонного звука и принимается в качестве уровня громкостиисследуемого звука. Единица измерения уровня громкости — фон.
Такимобразом, на частоте 1000 Гц уровень громкости (в фонах), совпадает с уровнемсилы звука (в децибелах).
На рис. 1показаны частотные зависимости кривых равной громкости. Параметром кривыхявляется уровень громкости; каждая кривая показывает, каким образом сизменением частоты должен изменяться уровень интенсивности звука, чтобыгромкость синусоидальных сигналов оставалась неизменной.
Отметим однуособенность, которая определяется формой кривых равной громкости: при измененииуровня интенсивности уровень громкости на низких частотах изменяется сильнее,чем на средних и высоких частотах. Следовательно, частотно-независимаярегулировка уровня в звуковоспроизводящих устройствах приводит к более резкомуизменению громкости низкочастотных составляющих сигнала, т. е. к искажениютембра (АЧХ) сигнала. Поэтому в высококачественных звуковоспроизводящихустройствах применяют тонкомпенсированные регуляторы уровня.
При измерении различногорода акустических шумов и помех необходимо также учитывать свойства слуховоговосприятия. В шумомерах, например, для этой цели используется три видачастотных характеристик — А, В, С. Характеристика А применяется, для измеренияшумов с уровнем громкости 20—55 фон, В — с уровнем 55—85 фон, С — с уровнемвыше 85 фон. Характеристика С прямолинейная, а характеристики А и В — обратны кизофонам с уровнями громкости, равными соответственно 40 и 70 фон.
2.3 Временныехарактеристики слуха
Орган слуха обладаетопределенной инерционностью при восприятии быстро нарастающих звуков. Ощущениегромкости, близкое к предельному, возникает примерно через 50 мс послепоявления звукового импульса, что свидетельствует об интегрирующей способностислуха.
Слух обладает и «памятью»— ощущение громкости исчезает лишь спустя некоторое время после исчезновениясигнала.
Время, в течение которогоощущение по уровню громкости уменьшается на 8—10 фон, называется постояннойвремени слуха. Постоянная времени слуха равна 150— 200 мс. Наличие у слуха«памяти» объясняет тот известный факт, что запаздывающие повторения сигнала невоспринимаются как раздельный сигнал, если время запаздывания не превышает 50мс. Происходит это потому, что за время 50 мс ощущение от прямого сигналауменьшается незначительно (при мгновенном исчезновении сигнала ощущениеуменьшилось бы примерно на 3 фона) и запаздывающий сигнал принимается какпродолжение прямого.
2.4 Нелинейные свойстваслуха
Синусоидальный сигнал сбольшим уровнем воспринимается на слух как сигнал, имеющий гармоническиесоставляющие. Если, например, уровень исходного колебания 100 дБ, то уровни субъективноощущаемых вторых и третьих гармоник равны соответственно 88 и 74 дБ. Колебаниесложной формы с достаточно высоким уровнем может привести к появлениюсубъективных комбинационных составляющих, причем разностные составляющиевоспринимаются на слух как более мощные по сравнению с суммарными.
2.5 Маскировка звука
Мешающий сигнал повышаетпорог слышимости полезного сигнала. Это явление называется маскировкой.Количественно маскировка оценивается величиной, указывающей, на сколько децибелповышается порог слышимости полезного сигнала в присутствии шумов по сравнениюс его порогом слышимости в тишине. Различают маскировку «снизу вверх» и «сверхувниз». В первом случае помеха по частоте находится ниже частот сигнала, вовтором — выше. Маскировка «снизу вверх» оказывает большее мешающее действие.Если частота гармонического сигнала располагается внутри полосы шума, томаскировка увеличивается с возрастанием полосы шума, пока последняя недостигнет критической полосы. Дальнейший рост полосы шума приводит кнезначительному увеличению маскировки.
2.6 Бинауральный эффект
Способность органа слухаопределять направление на источник звука называется бинауральным эффектом.Точность, с которой может быть определено направление на источник звука вгоризонтальной плоскости, достаточно высока, ошибка составляет 3—4°.
Можно указать трипричины, которые способствуют правильному определению направления на источникзвука.
1. К уху, расположенному дальше отисточника, сигнал приходит с небольшим запаздыванием во времени по отношению кдругому уху, по этой разности во времени человек может судить о направлении наисточник звука на низких частотах.
2. На высоких частотах сигнал уодного и другого уха будет иметь разный уровень вследствие экранирующегодействия головы.
3. Форма спектра на высоких частотахиз-за экранирующего действия головы у левого и правого уха также будетразлична.
Бинауральные свойстваслуха используются при построении стереофонической аппаратуры.