Частотний діапазон і спектри
   Акустичний сигнал від кожного з первинних джерел звуку, що використовуються в системах мовлення і зв'язку, як правило, має безперервно змінюються форму і склад спектру. Спектри можуть бути високо-і низькочастотними, дискретними і суцільними. У кожного джерела звуку, навіть того ж самого типу (наприклад, скрипка в оркестрі), спектри мають індивідуальні особливості, що надає звучанню характерну забарвлення. Цю забарвлення називають тембром. Існують поняття тембру скрипки, тромбона, органу тощо, а також тембру голосу: дзвінкий, коли підкреслені високочастотні складові; глухий, коли вони пригнічені. У першу чергу становлять інтерес середній спектр для джерел звуку кожного типу, а для оцінки спотворень сигналу-спектр, усереднений за тривалий інтервал часу (15 с для інформаційних сигналів і 1 хв для художніх). Усереднений спектр може бути, як правило, суцільний і досить згладжений за формою.
   Суцільні спектри характеризуються залежністю спектральної щільності від частоти (цю залежність називають енергетичним спектром). Спектральної щільності називається інтенсивність звуку в смузі частот шириною, яка дорівнює одиниці частоти. Для акустики цю смугу беруть рівною 1 Гц. Спектральна щільність, де-інтенсивність, виміряна у вузькій смузі частот за допомогою вузькосмугових фільтрів.
   Для зручності оцінки введена логарифмічна міра щільності спектра аналогічно рівнем інтенсивності. Цей захід називають рівнем спектральної щільності або спектральним рівнем. Спектральний рівень
,
де Вт/м2-інтенсівность, відповідна нульового рівня, як і для оцінки рівня інтенсивності.
   Дуже часто для характеристики спектру замість спектральної щільності використовують інтенсивності і рівні інтенсивності, виміряні в октавній, полуоктавной або третьоктавні смузі частот. Неважко встановити зв'язок між спектральним рівнем і рівнем в октавній (полуоктавной або третьоктавні) смузі.
   Спектральний рівень
,
а рівень в октавній смузі
,
де-ширина відповідної октавній смуги.
   Віднімаючи другий з першим, знаходимо
.
   При відомому спектрі сигналу можна визначити його сумарну інтенсивність. Так, якщо спектр задано в рівнях інтенсивності для третьоктавних смуг, то досить перевести ці рівні (у кожній з смуг) в інтенсивності і потім підсумувати всі інтенсивності. Сума всіх дає сумарну інтенсивність для всього спектру.
   Сумарний рівень

   Якщо спектр задано в спектральних рівнях, то, виходячи з їх визначення, для всього спектру точний, сумарний рівень
,
де і - верхня і нижня межі частотного діапазону. Наближено сумарний рівень можна знайти діленням частотного діапазону на n смужок шириною, в межах яких спектральний рівень приблизно постійний. Сумарний рівень

   Частотний діапазон акустичного сигналу визначають з частотної залежності спектральних рівнів. Це визначення можна зробити або по спаду спектральних рівнів або приблизно, на слух. Суб'єктивними межами вважають помітність обмеження діапазону для 75% слухачів.
   
   Наведемо частотні діапазони для ряду первинних джерел акустичного сигналу, Гц:
Таблиця 1
мова 70-7000
скрипка 250-15000
трикутник 1000-16000
бас-труба 50-6000
орган 20-15000
симфонічний оркестр 30-15000

Якщо спектри мають плавний спад у той чи інший бік, то їх ще оцінюють тенденцією, тобто середнім нахилом спектральних рівнів у бік низьких або високих частот. Наприклад, мовленнєвої спектр має тенденцію, що дорівнює - 6 дБ/окт. (спад в бік високих частот).
   До акустичним сигналам відносять в ряді випадків і акустичні шуми. На рис.1 наведені спектри трьох типів шумів: білого, рожевого та мовного. Термін «білі» відноситься до шумів, що мають однакову спектральну щільність у всьому частотному діапазоні, «рожеві» - до шумів з тенденцією спаду щільності на 3 дБ/окт. в бік високих частот. Мовні шуми - шуми, створювані одночасним розмовою кількох людей.
   
    
    
Сприйняття акустичних сигналів
   Швидкість поширення звукових хвиль в атмосфері при нормальних температурі і тиску близька до значення cзв = 340 м/с, прийнятому в мовленні за розрахункову. Однак в залежності від зміни зазначених параметрів вона може трохи змінюватися. У середовищах з великою щільністю (рідких, твердих) швидкість розповсюдження відповідно підвищується. В необмеженому просторі звук поширюється у вигляді біжить хвилі. Довжина звукової хвилі зв'язана з частотою коливань F і їх періодом Т співвідношенням
,
де Т виміряна в секундах, a F - в герцах.
   Діапазон частот акустичних коливань F, чутних людиною, тягнеться приблизно від 16 ... 25 Гц до 18 ... 20 кГц в залежності від індивідуальних особливостей слухача. З нижньою межею звукового діапазону межує інфразвукових діапазон частот, вплив яких на людину вважають шкідливим, оскільки вони можуть викликати неприємні відчуття з серйозними наслідками. У природі інфразвукові коливання можуть виникати при заворушеннях в море, коливаннях земної середовища та ін
   Вище звукового діапазону розташовується діапазон ультразвукових механічних коливань. Ультразвук для людини нечутний, але широко використовується в радіоелектроніці для створення пристроїв, що служать для обробки радіотехнічних сигналів, наприклад фільтрів, ліній затримки, перетворювачів форми сигналів (в мініатюрному виконанні з використанням принципу поверхневих акустичних хвиль-ПАР), для лікувальних цілей в медицині, для удосконалення технологічних процесів у промисловості. Механічні коливання в пружних середовищах з діапазоном частот F = 109 ... 1013 Гц-гіперзвукові частоти - використовують в техніці фізичного експерименту та ін
Тон і тембр
   Просторова локалізація звукових коливань різної частоти на різних ділянках основної мембрани внутрішнього вуха передбачає незалежність порушення однієї її точки від іншої і можливість одночасного збудження акустичними сигналами різних частот. Гармонійне звукове коливання певної частоти в сприйнятті характеризується поняттям тон. Роздільна здатність розрізнення слухом сусідніх частот щодо один одного в межах чутного діапазону частот (від 16 ... 20 Гц до 20 кГц) неоднакова. В області низьких частот, нижче 500 Гц, вона ледь перевищує 1%, в області високих частот-близько 0,5% і лише на середніх частотах складає 0,2 ... 0,3%.
    У музичній акустиці прийнято ділити частотний діапазон на октави і частки октави. Цими ж поняттями користуються і у радіомовленні. Поняття октава відповідає зміні частоти F в два рази; весь діапазон звукових частот охоплюється 10 октавами. Музична шкала октави поділяється на 12 напівтонів, що відповідає збільшенню частоти або тонам звуків двох суміжних клавіш рояля. Вибираючи частотні інтервали для вимірювання спектрів сигналів, часто користуються проміжними значеннями інтервалів частот - третьоктавних і полуоктавних.
   Якщо звукове коливання складніше гармонійного, але також періодичне, то його слід розглядати як суму гармонійних коливань, що представляються поруч Фур'є:
    ,
де-амплітуда;-частота; k-номер спектральних складових звучання;-их фаза. У цьому випадку звучання характеризується основним, найбільш низькочастотних, коливанням, співвідношення ж між основним тоном і обертонами - вищими гармоніками-визначає при сприйнятті тембр звучання, його тональну забарвлення. Дослідження показують, що тембральні відмінність голосів визначається формою спектрального розподілу енергії звуку, звичайно що володіє декількома максимумами та мінімумами в області середніх і високих частот у межах значної частини звукового діапазону. Максимальні значення такого розподілу називають формант, мінімальні-антіформантамі. За тембром можна відрізнити один музичний інструмент від іншого, дізнатися голос співака, характер шуму.

Поріг помітне по частот.
   Вимірювання цього порога зазвичай зводиться до оцінки мінімально сприйманої девіації частоти тону F при його модуляції тоном. При цьому порогу помітне по частоті відповідає мінімальне значення, помічаємо слухом. Значення цього порогу залежить від частоти модуляції, частоти F і рівня Na сигналу випробувального тони. Зауважимо, що чутливість слуху до змін F максимальна при частоті модуляції 4 Гц; для цього випадку мінімально відчувається девіація частоти при рівні звукового тиску 70 дБ лежить в межах 1,5 ... 50 Гц залежно від вибраного значення частоти випробувального тони.
   Вплив рівня Na в децибелах і частоти F в герцах вимірювального тону на значення показано на рис. 2,6 і в. Частота модуляції тону 4 Гц. Зауважимо, що поріг (мал. 2,6) залежить від рівня звукового тиску тони лише тоді, коли останній не дуже сильно відрізняється від абсолютного порогу чутності. В області частот нижче 500 Гц (рис. 2, в) поріг девіації = 1,8 Гц, а на частотах F> 500 Гц він зростає пропорційно частоті й дорівнює, де F-частота вимірювального тону. На частотах нижче 500 Гц майже не залежить від частоти модульованого тони.
   Якщо в якості випробувального сигналу використовується шум, то поріг при його модуляції тоном підвищується і становить не менше 15 ... 20 Гц при частоті модуляції 4 Гц.
    
    
Список літератури
1. Чобітків М.А. Електроакустика. - М.: Связь, 1978.
2. Радіомовлення і Електроакустика: Підручник для вузів. Автори: А.В. Виходець, М.В. Гітліц, Ю.А. Ковалгін и др. - М.: Радіо і зв'язок, 1989.
3. Ю.А. Ковалгін. Радіомовлення і Електроакустика. - М.: Радіо і зв'язок, 1998.