Акустичні та електричні рівні

В акустиці в силу великого діапазону зміни акустичних параметрів звуку і логарифмічного закону сприйняття чутних звуків результат вимірювань прийнято представляти у відносних логарифмічних одиницях. Для вимірювання слухових відчуттів була запропонована одиниця децибел (дБ), рівна 0,1 бела (Б). Параметри, обмірювані в децибелах, називаються рівнями. Розрізняють відносні, абсолютні, акустичні та електричні рівні.

За рівень L енергетичних параметрів k (інтенсивності звуку, електричної потужності тощо) беруть L = 10lg (k/k₀), де k - вимірюваний параметр, k₀ - деяке значення параметра, прийняте за нульовий рівень. Так при оцінці рівня інтенсивності L_I за нульовий рівень приймають інтенсивність I₀, близьку до порогової інтенсивності для нормального слуху на частоті 1000 Гц і рівної 10^-12 Вт/м², а рівень інтенсивності

L_I = 10lg (I/I₀). (1.17)

Рівень щільності енергії, яка прямо пропорційна інтенсивності, визначається за формулою

Lε = 10lg (ε/ε₀), (1.18)

де ε₀ = I₀ /c = 10^-12/333 ≈ 3 ⋅ 10^-15 Дж/м 3 - нульовий рівень щільності енергії.

Під рівнем лінійного параметра (звукового тиску, напруги, струму і ін.) розуміють величину

L = 20lg(k/k₀). (1.19)

Рівень звукового тиску

L_p = 20lg (p_зв/p_зв0), (1.20)

де р_зв0 = 2 ⋅ 10^-5 Па.

Електричні рівні розділяють на рівні потужності

L_p = 10lg(P/P₀), (1.21)

рівні напруги

L_U = 20lg(U/U₀), (1.22)

рівні струму

L_I = 20lg (I/I₀), (1.23)

де P₀ = 1мВт, а при розсіюванні цієї потужності на опорі 600 Ом отримаємо U₀ = 0,775 В, I₀ = 1,29 мA.

При обчисленні абсолютних електричних рівнів вдаються до додавання до скороченого позначення децибела початкової літери відповідної величини, наприклад, дБн вказує на абсолютний рівень напруги, а дБп - на абсолютний рівень потужності. Крім того, величини дБ/B, дБ/мВ, дБ/мкВ, дБ/Вт позначають відносні рівні напруги та потужності, обчислені відносно 1 В, 1 мВ, 1мкВ, 1 Вт.

Звукові сигнали

Всі звуки поділяються на кілька груп.

Чисті тони. Чисті тони мають місце, якщо звуковий тиск являється гармонійною функцією з постійними частотою, амплітудою і початковою фазою. На слух тони сприймаються в залежності від частоти і амплітуди як тихі або голосні, високі або низькі.

Співзвуччя. Співзвуччя являє собою стаціонарний звук, що складається з декількох тонів. У більшості випадків під співзвуччям розуміють комбінацію основного тону і декількох обертонів з кратними частотами. Звуковий тиск співзвуччя описується періодичною несинусоїдальною функцією часу, що можна розглядати як суму визначених гармонік ряду Фур'є.

Амплітудно-модульовані тони. Амплітудно-модульовані (АМ) тони є нестаціонарними сигналами постійної (несучої) частоти, амплітуда яких є функцією часу. Спектр АМ коливання має несучу частоту і дві бічні складові. Модулюючий сигнал може мати як гармонійну, так і будь-яку іншу форму.

Частотно-модульовані тони. Характеристиками частотно-модульованого (ЧМ) сигналу є: несуча частота, модулююча частота, девіація несучої частоти (межі зміни) і індекс модуляції - відношення девіації до модулюючої частоти. Чим більший індекс модуляції, тим більше бічних складових у частотному в спектрі. При невеликих індексах спектр ЧМ-сигналів такий же, як і у АМ-сигналів.

Частотний інтервал між складовими спектру ЧМ сигналів рівний модулюючій частоті.

Биття. Якщо два тони мають однакові частоти і амплітуди, то при зміні різниці фаз сигналів виникає биття, яке на слух сприймається як періодична зміна гучності тону.

Шуми. Звуки з безперервним спектром називаються шумами. За типом обвідної амплітудно-частотного спектра шуми поділяються на білий, рожевий і рівномірно маскуючий. Залежно від ширини частотного спектра шуми можуть бути широкосмуговими, вузькосмуговими, октавними, третьоктавними та ін.

Білий шум характеризується спектральною щільністю потужності, що не залежить від частоти. При лінійній шкалі частоті білому шуму відповідна характеристика 1 (рис. 1.12, а). Вона розташовується горизонтально по всьому частотному діапазоні. У октавної шкалі частот ця характеристика приймає вигляд прямої з підйомом +3 дБ на октаву в бік більш високих частот.

Рожевий шум. У сигналів рожевого шуму спектральна щільність потужності в лінійній шкалі частот має вигляд похилої прямої, спадаючої до області високих частот (пряма 2 на рис. 1.12, а). У октавній шкалі спектральна щільність потужності рожевого шуму є горизонтальною лінією.

Рівномірно маскуючий шум. В області частот 0... 500 Гц характеризується властивостями білого шуму, а після цього діапазону відповідає властивостям рожевого шуму (характеристика 3 на рис. 1.12, а).

Однакове маскування у всьому звуковому діапазоні частот обумовлюється тим, що критичні смуги слуху до 500 Гц по ширині приблизно однакові, а далі з ростом частоти їх полоса лінійно зростає. При сприйнятті звуку слуховий апарат людини поділяє його на критичні смуги (або частотні групи) слуху. У діапазоні частот від 20 до 16000 Гц число критичних смуг дорівнює 24.

Ширина критичних смуг слуху не пов'язана з рівнем інтенсивності сигналу. На частотах до 500 Гц ширина частотних груп Δ F_кр дорівнює приблизно 100 Гц. На частотах більше 500 Гц ширина частотних груп збільшується пропорційно середній частоті F_ср,, причому дотримується постійності відношення Δ F/F_ср = 0,2.

Рис. 1.12. Частотні характеристики спектральної щільності потужності шумів: а - в лінійній шкалі частот; б - в октавной шкалою частот, 1 - білий шум, 2 - рожевий шум, 3 – рівномірно маскуючий шум

Графік залежності ширини критичної смуги слуху від її середньої частоти наведено на рис. 1.13.

На інтервалах частотних груп слух інтегрує збудження по частоті і не реагує на особливості структури порушення. З цієї ж причини слух сприймає не загальну потужність шуму, а тільки потужність шуму в критичних смугах слуху.

При дії широкосмугового шуму слуховий аналізатор виділяє із суцільного спектра дискретний спектр, число складових якого дорівнює числу критичних смуг слуху.

Рівномірно маскуючий шум можна сформувати спеціальним фільтром з сигналу білого шуму.

Частотні характеристики спект- ральної щільності потужності шумів в октавній шкалі частот показані на рис. 1.12, б.

Рис. 1.13. Залежність ширини критичної смуги слуху від її середньої частоти