Акустика вариант 26. Вопрос 26. Амплитудные дифференциальные слуховые пороги
 Скачать 134.37 Kb.
|
|
Вопрос 26. Амплитудные дифференциальные слуховые пороги Ограниченные возможности слуховой системы определяются не только наличием абсолютных порогов слышимости, но и ограниченной разрешающей способностью слуха. Под разрешающей способностью слуха подразумеваются минимальные изменения звукового давления, частоты, временных интервалов (и соответствующих им громкости, высоты, длительности), которые могут быть замечены слухом. Разрешающую способность называют еще дифференциальным порогом восприятия (в англоязычной литературе JND just noticeable difference). Современные компьютерные технологии открыли возможность вносить очень тонкие изменения в параметры звука, однако использование этих изменений должно опираться на знание разрешающей способности слуховой системы, иначе они останутся незамеченными (если только не ставится задача вносить какие-то специальные изменения, например, удалять короткие щелчки при реставрации и др.). Поэтому изучению дифференциальных порогов уделяется очень большое внимание и за последнее время получен ряд интересных результатов. Вопрос о минимальных изменениях амплитуды давления, которые улавливаются нашим слухом, был исследован рядом авторов (Олсон, Цвиккер, Редерер и др.). Постановка экспериментов по определению слышимых амплитудных различий сигналов у разных авторов различалась, однако полученные результаты позволили получить очень близкие значения JND. Первая группа экспериментов использовала два синусоидальных сигнала одинаковой частоты, но разного уровня. Например, у входа в ушной канал подавался сигнал с частотой 1000 Гц с уровнем звукового давления 40 дБ, и второй сигнал той же частоты с изменяющимся уровнем. При поочередном прослушивании пары таких сигналов слушатель отмечал, какой из сигналов звучит громче. Естественно, что если разница в уровнях между сигналами достаточно большая (например, 40 и 60 дБ), то все 100% слушателей отметят эту разницу, но если разница в уровнях будет уменьшаться, то замечать разницу между сигналами будет все меньшее количество слушателей.  Рисунок 1 – Зависимость дифференциальных амплитудных слуховых порогов от частоты и уровня сигнала Разница в уровнях, которую замечает 75% слушателей, принимается за дифференциальный слуховой порог по уровню звукового давления (по амплитуде). Эти измерения, повторенные для разных частот и разных уровней звукового сигнала, позволили получить характеристики зависимости дифференциальных порогов слышимости JND от частоты и общей интенсивности звукового сигнала (рисунок 1). Как видно из рисунка, эти пороги (т.е. едва замечаемая разница в уровне громкости) зависят от частоты сигнала: наименьшие значения получаются на средних частотах (500…4000 Гц), на низких и высоких частотах они возрастают. Например, при общем уровне 60 дБ JND для частоты 1000 Гц составляет 0,8 дБ, а для частоты 200 Гц 1,3 дБ. Кроме того, они сильно зависят от общего уровня сигнала чем громче сигнал, тем меньшую разницу между сигналами можно услышать. JND на частоте 1000 Гц при общем уровне 40 дБ составляет1,25 дБ, при уровне 80 дБ 0,6 дБ.  Рисунок 2 – Амплитудно-модулированный синусоидальный сигнал При другой постановке экспериментов использовался амплитудно-модулированный синусоидальный сигнал (пример такого сигнала показан на рисунке 2). Амплитудная модуляция сигнала достаточно широко используется в музыке (тремоло и амплитудное вибрато), она воспринимается на слух как небольшое изменение громкости сигнала. Предварительно был исследован вопрос о влиянии частоты модулирующего тона на заметность изменения амплитуды несущего сигнала. Наибольшая чувствительность слуха отмечена при частотах модуляции около 4 Гц, в связи с чем дальнейшие измерения производились при этой частоте. Опыты сводились к определению уровня звукового давления, при котором становились заметными колебания громкости, обусловленные модуляцией. Результаты представлены на рисунке 3 в виде семейства кривых, которые можно назвать кривыми равной заметности амплитудной модуляции звука. Они почти повторяют рисунок кривой порога слышимости. Цифры, которыми обозначены кривые, выражают соответствующую каждой кривой глубину амплитудной модуляции в процентах. Из этих результатов также следует, что чем громче сигнал, тем меньшее изменение амплитуды модулирующего сигнала можно заметить. Например, при общем уровне сигнала около 90 дБ можно заметить изменение амплитуды всего 1,5%.При уровне сигнала 30…40 дБ, чтобы услышать изменение громкости, нужно менять амплитуду модулирующего сигнала приблизительно на 10% (это нужно иметь в виду при создании электронных композиций с введением эффектов модуляции).  Рисунок 3 – Заметность глубины амплитудной модуляции сигнала На основе этих кривых можно получить зависимость амплитудной разрешающей способности слуха от частоты при постоянной громкости. На рисунке 4 приведены такие кривые для уровней громкости 40, 60 и 80 фон (фон единица громкости, равная уровню звукового давления в дБ на частоте 1000 Гц, например,40 фон = 40 дБ на 1000 Гц). По оси ординат отложено пороговое изменение звукового давления в процентах к уровню основного тона. Например, изменение р/р100%=3% при уровне 80 фон,т.е. 80 дБ (что соответствует значению р=0,2 Па), дает величину р = 0,06 Па.  Рисунок 4 – Зависимость дифференциальных частотных порогов от частоты Амплитудная разрешающая способность слуха также сильно зависит от уровня громкости звука. Например, при частоте 1000 Гц для громких звуков (с уровнем громкости 80 фон) заметно изменение давления на 3%, в то время как колебания давления тихих звуков (40 фон) становятся заметными лишь при изменении на 10%. С уменьшением громкости звука резче становится и частотная зависимость порога чувствительности слуха от изменения громкости. Таким образом, для чистых тонов с уровнем звукового давления, обычно используемым в музыке, замечаемая разница составляет от 0,5 дБ до 1 дБ в области средних частот. Следует отметить, что для сложных музыкальных сигналов дифференциальные пороги существенно зависят от вида музыкальных программ (эстрадных, классических и др.), от опыта слушателя, свойств помещения и др. Многочисленные эксперименты по определению чувствительности слуха к изменениям уровня звукового давления (т.е. неравномерности АЧХ) при воспроизведении через акустическую аппаратуру (громкоговорители, микрофоны и др.) показали, что пороговая величина воспринимаемых неравномерностей составляет в среднем 2 дБ, причем чувствительность слуха к пикам на АЧХ выше, чем к провалам. Кроме того, она зависит от ширины (добротности пика/провала) и его частотного расположения в области средних частот чувствительность максимальная. Вопрос 69. Микрофоны. Общие требования к ним Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твердого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение ёмкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект. Свойства акустико-механической системы сильно зависят от того, воздействует ли звуковое давление на одну сторону диафрагмы (микрофон давления) или на обе стороны, а во втором случае от того, симметрично ли это воздействие (микрофон градиента давления) или на одну из сторон диафрагмы действуют колебания, непосредственно возбуждающие её, а на вторую – прошедшие через какое-либо механическое или акустическое сопротивление или систему задержки времени (асимметричный микрофон градиента давления). Типы микрофонов по принципу действия: Динамический микрофон Катушечный Ленточный Конденсаторный микрофон Электретный микрофон — разновидность конденсаторного микрофона. Угольный микрофон Пьезомикрофон Требования к микрофонам: Воспроизводить электрический сигнал, превосходящий собственные шумы; Производить сигнал с минимальными искажениями; Для конкретного источника звука должен одинаково реагировать на весь полезный спектр аудиосигнала; Для источника звука, воспроизводящего ограниченный диапазон частот, применение микрофонов, реализованных на обширную частотную область. Характеристики микрофонов, определяющие их условия эксплуатации: 1.Чувствительность микрофона. Чувствительность характеризует восприимчивость к мощности производимого сигнала. На практике, большинство профессиональных микрофонов имеют выходное напряжение в пределах 10 дБ. Границы чувствительности микрофонов могут быть определены через понятия уровней звукового давления. 2. Надежность. Динамические микрофоны особенно устойчивы к проявлениям небрежного или грубого обращения, которое может иметь место вне пределов студии. Электростатические микрофоны, наоборот, требуют к себе более бережного отношения. Некоторые микрофоны обладают специальными предохранительными прокладками между капсулой (и связанной с ней электроникой) и ручкой микрофона. Ограниченная чувствительность к низкочастотной области также в значительной мере способствует их стабильности в работе. Ленточные микрофоны являются менее пригодными, так как их ленточная диафрагма имеет резонансную частоту в районе 40 Гц, которая достаточно легко возбуждается от небольших движений или даже от шума аудитории. Кабели и разъемы, используемые во время представления, также должны быть проверены на наличие шумов при эксплуатации. 3. Чувствительность к ветру. Внезапные порывы ветра способны вызвать случайные изменения градиента воздушного давления. Поэтому микрофоны, в основу работы которых заложен этот принцип, являются менее пригодными для эксплуатации. Ленточные микрофоны, имеющие тонкую ленточную диафрагму, в особенности показывают отрицательные характеристики. Для этих случаев очень важно применять защитные противоветровые экраны нужной конфигурации. Вопрос 90. Системы «Cinerama», «Cinemascope» и «Todd-AO». Общее описание В 1952 году Фредом Уоллером и Хазардом Ривсом была разработана панорамная система с 7-ми канальным стереофоническим звуком Cinerama. Панорамное изображение получалось за счёт того, что использовались три синхронно работающих кинопроектора. Звуковая дорожка воспроизводилась с отдельной 35-мм магнитной ленты: пять каналов были распределены по ширине экрана, два канала являлись каналами эффектов (один из них содержал звуки для громкоговорителей, расположенных вокруг зала, а второй — служебные метки для переключения). Об этой системе в 1952 году даже был снят документальный фильм This Is Cinerama (режиссёр М. Купер), но по причине высоких затрат (три кинопроектора для одного фильма) она не получила дальнейшего практического развития. В 1953 году киностудия 20th Century Fox соединила технологии анаморфной фотографии (для широкоформатного показа) и четырёхдорожечной магнитной записи. Магнитная лента с записью была присоединена к 35-мм киноплёнке. Такая система была названа Cinemascope. При кинопоказе три канала отвечали за основной звук фильма, и один — за канал эффектов, использовался один кинопроектор. В 1955 году компанией Todd AO был разработан 6-ти канальный звуковой формат на 70-мм киноплёнке (реальная широкоформатная съёмка в отличие от "растянутой" Cinemascope). Использовались пять каналов для основного звука и один канал для эффектов. Но несмотря на успех многоканального звуковоспроизведения у зрителей, затраты на производство таких кинофильмов были достаточно высоки, качество записи на магнитную ленту (в случае использования 35-мм плёнки) страдало от высокого уровня шума. В 1958 году с появлением первой виниловой грампластинки в формате стерео и началом бурного развития домашних систем воспроизведения звука, постепенно и вся киноиндустрия перешла на стереофонию, так как в этом случае затраты были существенно ниже. Однако развитие пространственного звука на этом не остановилось. Задача 26. Звуковое давление составляет p = 0,02 Па. Каково значение уровня звукового давления Lp в дБ? А если p = 0,08 Па? Решение: Звуковое давление выражают в акустических уровнях:     Ответ:  ,  Задача 6. Уравнение незатухающих колебаний имеет вид:  Найти: - уравнение волны, если скорость распространения колебаний c = 300 м/с; - написать уравнение колебаний для точки, отстоящей на l = 600 м от источника колебаний, а также - уравнение колебаний для точек волны в момент времени t = 4 c после начала колебаний. Решение: 1) уравнение волны, если скорость распространения колебаний c = 300 м/с:  2) уравнение колебаний для точки, отстоящей на l = 600 м от источника колебаний:  3) уравнение колебаний для точек волны в момент времени t = 4 c после начала колебаний:  Литература Электроакустика и звуковое вещание: учебное пособие для вузов/ И.А. Алдошина, Э.И. Вологдин, А.П. Ефимов и др.; под ред. Ю.А. Ковалгина. – М.: Горячая линия-Телеком, Радио и связь, 2007. Стереофоническое радиовещание и звукозапись: Учебное пособие для вузов/ Ю.А. Ковалгин, Э.И. Вологдин, Л.Н. Кацнельсон; под ред. профессора Ю.А. Ковалгина. – М.: Горячая линия-Телеком, 2007. |