|
Скачать 1.64 Mb.
|
|
2,3.4. Суммирование энергий. Уровень звукового давления В технике звукоусиления первостепенный интерес представляет вопрос о том, какой громкости можно достигнуть с помощью канала усиления. Очень часто, однако, речь идет не об абсолютных значениях, а лишь о том, насколько усиливается первоначальный звук (или увеличивается продолжительность его отзвука), т. е. пользуются относительными величинами. Предполагается, что спектр сигнала остается неизменным. Более того, должны быть приняты все меры к тому, чтобы исключить искажения спектра. Это означает, что должны сохраняться соотношения громкостей в отдельных критических полосах. Система звукоусиления лишь увеличивает в равной степени громкости во всех критических полосах или продолжительность спада сигнала. При таких предпосылках можно пользоваться законом-суммирования энергий: Суть этого закона заключается в том, что, оценивая излучения одинаковых источников (точнее, источников, излучающих сигналы с одним и тем же спектром), можно просто суммировать их энергии по частотным полосам. Такое суммирование автоматически осуществляется стандартизованными в международном масштабе и широко используемыми сегодня шумомерами [20, 72—74], показания которых позволяют судить об эффективных параметрах звукового поля. Шкалы шумомеров градуируются, однако, не в энергетических единицах (например, в единицах мощности, энергии или интенсивности звука, полученных в результате интегрирования за 30 определенный промежуток времени), а в уровнях звукового давления (в децибелах), определяемых отношением (2.11) Выражение (2.11) повторяет в принципе выражение (2.9), только в этом случае эффективное значение звукового давления р представляет собой непосредственное звуковое давление произвольного сложного сигнала, а не звуковое давление равногромко-го синусоидального тона с частотой 1кГц. Если бы речь шла о чисто синусоидальном сигнале, например сигнале с частотой 1 кГц, то мы получили бы уровни звукового давления L в децибелах, нанесенные на шкале ординат рис. 2.8 слепа и соответствующие эффективным звуковым давлениям р, у казан ты м справа. Значения р и L однозначно связаны с интенсивностью звука У, измеряемой в ваттах на квадратный метр. Это гпр.-пк'длшю для сигналом любой частоты, но такой подход нельзя распространить па понятие уровня громкости. Таким образом, уровень звукового давлении L, определяемый без частотного «взвешивания», представляет собой чисто физический параметр и называется поэтому невзвешенным уровнем звукового давления L. 2.3.5. Взвешенный уровень звукового давления Очевидная мысль, которая приходит в связи со сказанным,— попытаться учесть различную чувствительность человеческого уха во всем диапазоне слышимых частот, используя «взвешивающий фильтр» (его называют также «фильтром уха»). Это было бы возможно (а, следовательно, можно было бы непосредственно измерить уровень громкости), если бы кривые равной громкости на рис. 2.8 были параллельны друг другу, т. е. если бы частотные свойства слуха не зависели от силы звука. Кроме того, необходимо, чтобы возбуждения, обусловленные сигналами в различных критических полосах, можно было суммировать энергетически. Только в этом случае можно сделать правильные выводы по результатам измерений эффективного значения звукового давления. Особенности слуха человека позволяют так поступать лишь в пределах одной критической полосы, по, как уже говорилось, не при суммировании мо всех 24 критических полосах. В последнем случае суммируются громкости. Различие между обоими подходами оказывается весьма значительным. Суммарная громкость двух равногромких сигналов (очевидно, что и уровни их громкости равны) в различных критических полосах при энергетическом сложении возрастает согласно (2.11) на 3 фона, а при сложении громкостей в отсутствие эффекта маскировки — на 10 фон (см. рис. 2.9). Если не рассматривать очень узкополосные шумы, то можно считать, что уровень громкости LN (как мера субъективного ощущения силы звука) будет всегда выше взвешенного уровня звукового давления LX- Индекс X означает здесь, что в изме- 31 рительном приборе предусмотрен фильтр с частотной характеристикой, отвечающей рис. 2.8. Последняя зависит от уровня громкости измеряемого шума. В международном масштабе согласовано использование трех взвешивающих кривых [35], приведенных на рис. 2.101. Эти кривые реализуются с помощью электрических фильтров, включаемых в цепь сигнала, пропорционального звуковому давлению, до операции возведения напряжения сигнала в квадрат (для определения эффективного значения). Как видно из рис. 2.8, для обеспечения одних и тех же показаний приборов звуковые давления на низких частотах должны быть выше, чем на средних. Рис. 2.11. Поправки АLДИф к показаниям шумомера, калиброванного при фронтальном падении звуковой волны в случае диффузного падения звука (материалы ИСО [36]) Рис. 2.10. Рекомендованные МЭК2 взвешивающие кривые фильтров для шумомеров [35]. Указанные на рисунке допуски относятся к классу прецизионных шумомеров Сравнение взвешивающих кривых с кривыми на рис. 2.8 показывает, что речь идет лишь о весьма грубом приближении. Даже первоначальное намерение использовать кривую А в основном для низких уровней, а кривую В — для высоких практически не реализуется. Почти все измерения производят сегодня с применением кривой А. Результаты измерений при этом— и в первую очередь на высоких уровнях — значительно отличаются от уровня громкости. Однако специалисты пришли к исписанному соглашению, что лучше, если все измеряют одинаково неправильно, но зато результаты измерений могут быть легко сопоставлены между собой. Для речи и музыки, т. е. для достаточно широкополосных сигналов, можно приближенно считать, что уровень громкости будет на 5 ... 10 фон больше уровня звукового давления LA, измеренного по кривой А и указываемого часто в дБА. 1 В настоящее время в дополнение к трем указанным стандартизована еще и четвертая, так называемая кривая D, используемая при оценке очень громких шумов, в первую очередь самолетных в окрестностях аэропорта (см. стандарт МЭК № 651). — Прим. ред. 2 МЭК — Международная электротехническая комиссия. — Прим. пер. 32 В тех случаях, когда интерес представляет оценка абсолютного значения воспринимаемой силы звука, полезно знать возможные отклонения в результатах измерений. Предположим, что в задниx рядах зала во время концерта максимальный измеренный уровень звукового давления составил 90 дБА. Пусть далее громкость звучания воспринималась как недостаточная, • и^ ее необходимо увеличить с помощью системы звукоусиления." При этом следует учитывать, что в процессе измерений со взвешивающим фильтром низкочастотные составляющие музыкального звучания. подавляются на 10 ... 20 дБ по отношению к их фактическому уровню. Необходимые предпосылки достижения требуемого уров-ня громкости создаются лишь в том случае, если мощность системы достаточна, чтобы обеспечить на низких частотах уровень звукового давления порядка 100 ... 110 дБ. Это надо учитывать при определении мощности усилителей, причем кроме звукопоглощения в помещении следует принимать во внимание КПД ис-пользуемых громкоговорителей (см. рис. 10.2 и пояснения в § 10.1, и 10,2). В этой связи необходимо также отметить, что все шумомерьг калибруются при фронтальном падении звуковой волны. В тоже время диффузно приходящий звук создает впечатление большей громкости, так как наш слух чувствительнее к звукам, поступающим сбоку. Стандартизованная в международном масштабе кривая на рис. 2.11 может с успехом применяться только для уз-кополосных шумов (или для оценки влияния отдельных состав-ляющих сигналов в указанных областях). В среднем можно, од- нако, считать, что на речи и музыке диффузный звук кажется на 3 дБ громче фронтального при одном и том же уровне звукового давления. 2.3.6. Энергетическое суммирование уровней звукового давления при неизменном спектре сигналов Если откорректировать измеренный или предварительно рас-считанный уровень звукового давления в месте расположения слушателя с учетом всего сказанного ранее (или можно не учи-тывать поправки), то останется выяснить, как «складываются» уровни звукового давления. Само собой разумеетея, что два уровня звукового давления по 70 дЬ каждым не дают в сумме 140 дБ. Суммировать надо энергии, пропорциональные р2. Это просто сделать, если n источников создают одинаковые уровни звукового давления и имеют одинаковые спектры излучаемых сигналов. Из (2.11) находим (2.12) где Lобщ дан в децибелах. В системах звукоусиления, в которых к оригинальному звучанию добавляются (одновременно с небольшой задержкой по вре- 2-133 33 мени или последовательно друг за другом) сигналы от громкоговорителей, приходится складывать, как правило, несколько различающиеся уровни звукового давления. В этом случае можно воспользоваться номограммой на рис, 2.12. При необходимости сложить большое число уровней исходят из самого большого уровня и прибавляют к нему добавку Рис. 2.12. Энергетическое суммирование двух уровней звукового давления (из номограммы на рис. 2.12), обусловленную вторым по значению уровнем. К получившейся величине, включающей в себя уже два уровня звукового давления, прибавляют добавку, соответствующую третьему по значению уровню. Уровни, меньшие на 15 дБ и более, надо 'принимать во внимание лишь в том случае, если их достаточно много. Если других возможностей для оценки таких уровней нет, то их следует .объединить в группы и прежде всего сложить между собой и так поступать до тех пор, пока суммарные значения не приобретут порядок величины, при котором можно воспользоваться номограммой на рис. 2.12. К восприятию громкости целесообразно также отнести вопрос о том, при каких условиях становятся неслышны посторонние шумы (шумы усилителей, фон, щелчки) в результате того, что они маскируются полезными сигналами (музыка, речь) или шумом Рис. 2.13. Уровень возбуждения LE на базилярной мембране, обусловленный воздействием узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем LKp (по оси абсцисс между 8 и 9 Барк). Сигналы другой частоты, обеспечивающие на несколько децибел меньший уровень возбуждения, уже не будут слыш-яы: они маскируются [14]; г — субъективная высота тона 34 Рис. 2.14. Уровни возбуждения LE в зависимости от субъективной высоты тона z (положения на базилярной мембране) при узкополосных шумовых сигналах с уровнем LKP = 60 дБ и средней частотой fcp [14]; LT — абсолютный порог слышимости публики. Указания для ответа на этот вопрос дают рис. 2.13 и 2.14. Они свидетельствуют о том, что на базилярной мембране имеется сравнительно большая область возбуждения вблизи тр-ю участка, который соответствует частоте звукового раздражения. Если включается второй сигнал с близкой частотой, но с уровнем возбуждения, на несколько децибел меньшим, то он не будет услышан. Поэтому приведенные кривые называют также порогами слышимости при маскировке. Они показывают, в какой степени одновременно звучащие сигналы маскируются наиболее интенсивными из них. При необходимости исследовать этот во'п-рос ие только для узкополосных шумов, но и для шумов с более широким и произвольным спектром можно воспользоваться уже упоминавшимися номограммами Цвикера [33, 65, 66, 68]. Они предназначены для расчета уровней громкости, но содержат све дения о маскируемых уровнях в зависи мости от уровней в треть-октавныхx полосах. Для применения номограмм необходимо иметь результаты анализа уровней как полезных сигналов, так и мешающих шумов в третьоктавиых полосах. 2.3.7. Раздельное восприятие источников звука Рассмотренное исследование явления маскировки в системах звукоусиления имеет смысл лишь в том случае, если мешающие шумы возникают одновременно с полезным сигналом (например, вследствие нелинейных искажений). При оценке маскирующего действия речи или музыки на шумы вопрос ' заключается не столько в том, чтобы шумы не были слышны, сколько в удовлетворительной разборчивости или «едва заметных» на слух помехах. В паузах как в речи, так и в музыке шумы все равно становятся слышимыми. Можно также интересоваться тем, насколько излучаемые звуки и последовательности тональных сигналов маскируются затухающими предыдущими звучаниями, иными словами, насколько вредны отзвуки. Поскольку последующие сигналы постоянно меняют свой характер, исследования частных случаев не позволяют сделать общие выводы; для этого надо исходить из экспериментальных данных, рассмотренных в разд. 3.6.2. Аналогично поступают и при оценке в концертных залах допустимого уровня шума, обусловленного системой вентиляции и другими техническими средствами. В TGL 10687/02 1 «Допустимый шум» говорится по этому поводу, что уровень звукового давления LAH при измерении импульсным шумомером по кривой А не должен превышать 30 дБАИ. Индекс «И» означает, что временные характеристики шумомера отвечают импульсным измерениям. В этом режиме шумомер фиксирует пиковые значения сиг-пала. В данном случае именно пиковые значения должны быть 1Стандарт ГДР. — Прим. пер. положены в основу оценки. Шумы усилительной системы также не должны превосходить указанное значение по всей площади зрительских мест. Из рис. 2.13. и 2.14 можно качественный вывод о том, что два звука маскируют друг друга в тем большей степени, чем ближе их частоты. Так обстоит дело, например, в случае двух музыкальных инструментов, на которых исполняется одна и та же нота. Раздельное восприятие звучания инструментов, к кото рому обычно стремятся композиторы, обеспечивается при этом различной тембральной окраской звучания. Кроме того, из рисун ков, видно, что протяженность области возбуждения уменьшается с уменьшением уровня. При таком исполнении полифоническая музыка звучит прозрачнее, а при излишнем усилении теряет чет кость. Этим объясняется также, почему усиленная при уро внях громкости, больших 70 фон, становится менее разборчивой. Сказанное подтверждается результатами измерений разборчиво- вости, приведенными на рис. 3.7. Как из рис. 2.13, так и из рис. 2.14 следует, что высокие ча стоты сильнее маскируются низкими частотами, чем низкие часто ты высокими. Отсюда становится ясно, почему в созвучиях всег да подчеркиваются низкочастотные тона. «Гудение» помещений (длительное послезвучание на низких резонансных частотах по мещения) делает часто неразборчивыми слабые высокочастотные составляющие речи (согласные, начальные и конечные звуки, ши- йящие согласные). Системы звукоусиления ни в случае не должны способствовать подчеркиванию низких частот, не говоря уже о том, чтобы специально их усиливать. 2.3А Естественный уровень громкости Подъем «низких частот» наблюдается всякий раз, когда в результате использования системы звукоусиления уровень громкости превышает громкость естественного, натурального звучания. Это нетрудно видеть по данным рис. 2.8, где кривые равной громкости сближаются в области низких частот. Пусть сложное созвучие содержит составляющую с частотой 100 Гц и уровнем гром* кости 40 фон, которому соответствует уровень звукового давления 50 дБ. Если теперь все созвучие усиливается на 20 дБ и средне-частотные спектральные компоненты поднимаются с кривой 40 фон на кривую 60 фон, составляющая с частотой 100 Гц на кривой давкой громкости 60 фон должна была бы иметь уровень звукового давления 67 дБ. Но общее усиление всех спектральных составляющих на 20 дБ поднимает и уровень звукового давления низкочастотной составляющей до 70 дБ. А 3 дБ означает удвоенную мощность сигнала! Звукоусиление не должно, как правило, никогда приводить к тому, чтобы слушателю предлагалось ненатурально громкое звучание. Само собой разумеется, что компенсация потерь на распространение вполне допустима. Однако и в этих случаях целе- 36 сообразно уточнить, не страдают ли при распространении звука (без системы усиления) лишь высокочастотные составляющие сигналов. Электроакустическая должна обеспечивать тог- да большее усиление высоких и средних частот, чем низких. 2.4. ВОСПРИЯТИЕ (ТЕМБРА) 2,4.1. Физиология Окраску звучания связывают в общем случае со спектром зву ка. Последний, как легко видеть из рис. 2.13 и 2.14, создает на базилярной. мембране определенное распределение возбуждения,, Информация об распределении передается в центральную нервную систему подобно тому, как в глазу формируется зритель» иое впечатление. В результате обработки информации «распознаются» звуки речи и музыкальных инструментов. Большое значение при этом имеют соответствующие формантные области (рис. 2.15). Рис. 2.15. Положение основных тонов и формант-ных областей на плоскости слышимости для речи [17] Распределение возбуждения на базилярной мембране постоянно меняется. Часто сам переход от одного распределения к другому оценивается как типичный признак звука; так происходит, например, в случае дифтонгов ае, аи, ей, ш, ai, а также при произнесении начальных и конечных согласных, распознаваемых правильно не по их собственному спектру, а только в сочетании с гласными. Слух человека особенно хорошо приспособлен к анализу изменений спектра, и поэтому мы способны замечать самые незначительные искажения спектра, вносимые электроакустическими системами звукоусиления. |
|
Поиск на сайте Главная страница Литература Доклады Рефераты Курсовая работа Лекции |