3.4. ЧАСТОТНЫЙ ДИАПАЗОН И СПЕКТРЫ

Акустический сигнал от каждого из первичных источников звука, используемых в системах вещания и связи, как правило, имеет непрерывно изменяющиеся форму и состав спектра. Спектры могут быть высоко- и низкочастотными, дискретными и сплошными. У каждого источника звука, даже того же самого типа (например, скрипка в оркестре), спектры имеют индивидуальные особенности, что придает звучанию характерную окраску. Эту окраску называют тембром. Существуют понятия тембра скрипки, тромбона, органа и т. п., а также тембра голоса: звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные составляющие; глухой, когда они подавлены. В первую очередь представляют интерес средний спектр для источников звука каждого типа, а для оценки искажений сигнала — спектр, усредненный за длительный интервал времени (15 с для информационных сигналов и 1 мин для художественных). Усредненный спектр может быть, как правило, сплошной и достаточно сглаженный по форме.

Сплошные спектры характеризуются зависимостью спектральной плотности от частоты (эту зависимость называют энергетическим спектром). Спектральной плотностью называется интенсивность звука в полосе частот шириной, равной единице частоты. Для акустики эту полосу берут равной 1 Гц. Спектральная плотность где — интенсивность, измеренная в узкой полосе частот с помощью узкополосных фильтров.

Для удобства оценки введена логарифмическая мера плотности спектра аналогично уровню интенсивности. Эту меру называют уровнем спектральной плотности или спектральным уровнем. Спектральный уровень

где - интенсивность, соответствующая нулевому уровню, как и для оценки уровня интенсивности.

Очень часто для характеристики спектра вместо спектральной плотности используют интенсивности и уровни интенсивности, измеренные в октавной, полуоктавной или третьоктавной полосе частот. Нетрудно установить связь между спектральным уровнем и

уровнем в октавной (полуоктавяой или третьоктавной) полосе. Спектральный уровень

а уровень в октавной полосе

где ширина соответствующей октавной полосы.. Вычитая второе из первого, находим

При известном спектре силнала можно определить его суммарную интенсивность. Так, если спектр задан в уровнях интенсивности для третъоктавных полою, то достаточно перевести эти уровни (в каждой из полос) в интенсивности и затем просуммировать все интенсивности. Сумма всех дает суммарную интенсивность для всего спектра. Суммарный уровень

Если спектр задан в спектральных уровнях, то, исходя из их определения, для всего спектра точный суммарный уровень

где верхняя и нижняя границы частотного диапазона. Приближенно суммарный уровень можно найти делением частотного диапазона на полосок шириною в пределах которых спектральный уровень примерно постоянен. Суммарный уровень

Частотный диапазон акустического сигнала определяют из частотной зависимости спектральных уровней. Это определение можно сделать или по спаду спектральных уровней или приближенно, на слух. Субъективными границами считают заметность ограничения диапазона для 75% слушателей. Приведем частотные диапазоны для ряда первичных источников акустического сигнала, Гц:

(см. скан)

Если спектры имеют плавный спад в или иную сторону, то их еще оценивают тенденций, т. е. средним наклоном спектральных уровней в сторону низких или высоких частот. Например, речевой спектр имеет тенденцию, равную в сторону высоких частот).

К акустическим сигналам относят в ряде случаев и акустические шумы (см. § 3.1). На рис. 3.2 приведены спектры трех типов шумов: белого, розового и речевого. Термин «белые» относится к шумам, имеющим одинаковую спектральную плотность во всем частотном диапазоне, «розовые» — к шумам с тенденцией спада плотности на в сторону высоких частот. Речевые шумы — шумы, создаваемые одновременным разговором нескольких человек.

Рис. 3.2. Сгюктралшые уровни шумов: 1 — белого; 2 — розового; 3 — речевого