Спектр звука

Характер восприятия звука органами слуха зависит от его спектра частот и амплитуд.

Шумы обладают сплошным спектром, т.е. частоты содержащихся в них простых синусоидальных колебаний образуют непрерывный ряд значений, целиком заполняющих некоторый интервал.

Музыкальные (тональные) звуки обладают линейчатым спектром частот. Частоты входящих в их состав простых гармонических колебаний образуют ряд дискретных значений.

Периодические и даже непериодические сигналы можно представить совокупностью, или рядом (ряд Фурье), гармонических сигналов с кратными основной частоте частотами – гармониками. Итак, в любом периодическом сигнале есть составляющая с основной частотой – основная, или первая, гармоника, а есть и набор высших гармоник (называемых также кратными). Этот набор называется спектром колебаний.

Каждое гармоническое колебание называется тоном (простым тоном). Высота тона зависит от частоты: чем больше частота, тем выше тон. Ощущение высоты звука определяется его частотой. Плавное изменение частоты звуковых колебаний от 16 до 20000 Гц воспринимается вначале как низкочастотное гудение, затем как свист, постепенно переходящий в писк.

Основным тоном сложного музыкального звука называется тон, соответствующий наименьшей частоте в его спектре. Тоны, соответствующие остальным частотам спектра, называются обертонами. Если частоты обертонов кратны частоте f_о основного тона, то обертоны называются гармоническими, причем основной тон с частотой f_о называется первой гармоникой, обертон со следующей по величине частотой 2·f_о – второй гармоникой и т.д.

Музыкальные звуки с одним и тем же основным тоном могут различаться тембром. Тембр определяется составом обертонов – их частотами и амплитудами, а также характером нарастания амплитуд в начале звучания и их спада в конце звучания.

Параметры звуковых волн определяют наше слуховое восприятие. В общем, характерна следующая связь между этими параметрами и нашим восприятием (табл. 12).

Таблица 12

Взаимосвязь параметров звуковых колебаний и звуковосприятия человека

Параметр сигнала	Восприятие человека
Амплитуда (сила звука)	Громкость
Частота	Высота звука
Форма	Тембр звучания

Амплитудно-частотная характеристика

Любое устройство, участвующее в записи и воспроизведении звука, должно передать весь спектральный состав сигнала, сохранив при этом соотношение амплитуд и частот звука. Представление об этих возможностях дает амплитудно-частотная характеристика – АЧХ устройства (магнитофона, телевизора, проигрывателя и др.). Ее вид представлен на рисунке 126. Слуховой анализатор человека имеет АЧХ, называемую в медицине аудиограммой.

Рис. 126. Амплитудно-частотная характеристика устройства записи-воспроизведения звука: 1 – идеальная; 2 – реальная

АЧХ показывает, какой относительный коэффициент передачи имеет устройство в диапазоне воспроизводимых им частот. Идеальной является АЧХ, при которой устройство равномерно воспроизводит все частоты звукового диапазона, т.е. коэффициент передачи или усиления на всех частотах оказывается постоянным.

Чтобы качество звучания мало отличалось от естественного, диапазон частот, воспроизводимый аппаратурой, должен быть не ýже 20–20 000 Гц.

Когда мы слышим звук непосредственно от его источника, то воспринимаем его естественное звучание. При попытке записать звук или передать его на расстояние используются технические средства происходят многочисленные преобразования исходного звука (например, в микрофоне звуковое давление преобразуется в электрический сигнал). В результате преобразований в сигнал вносятся различные искажения и результирующий сигнал может быть лишь приближен к оригиналу.

Суть любого искажения звука проявляется в двух факторах: во первых, изменяется частотный спектр сигнала; во вторых, изменяется соотношение амплитуд гармонических составляющих исходного звука.

К изменениям частотного спектра приводят так называемые нелинейные искажения.

Нелинейные искажения – искажения, вызываемые нелинейностью передаточной характеристики. Например: при подаче на вход звуковоспроизводящего устройства синусоидального сигнала с двумя или более различными частотами на его выходе наряду с сигналами этих частот появляются новые частотные составляющие, в том числе высшие гармоники входных сигналов.

Наглядное представление об этих искажениях дает рисунок 127, на котором исходный гармонический сигнал подвергнут искажению типа «ограничение». Реально такая ситуация с сигналом возникает, если при звукоусилении использовать максимальную громкость, при которой амплитуда А выходного сигнала превысит максимальную амплитуду A_max усилителя, ограниченную величиной напряжения питания выходных каскадов усилителя.

Рис. 127. Нелинейные искажения звука

Подобные искажения приводят к появлению в спектре исходного звукового сигнала дополнительных частотных составляющих, которые и создают при восприятии впечатление искаженного звука. На слух нелинейные искажения воспринимаются как хриплый дребезжащий звук.

Исходя из этого, для оценки качества аппаратуры вводят понятие коэффициента нелинейных искажений, или коэффициента гармоник. Эта характеристика означает отношение мощности гармоник, возникших в аппаратуре вследствие искажений, к мощности неискаженных гармоник (измеряется в процентах). Так, коэффициент гармоник 0,005 % означает, что при мощности выходного сигнала 10 Вт мощность гармоник помех – 0,005 Вт, что является ничтожно малой величиной, поэтому коэффициент гармоник 0,005 % является характеристикой аппаратуры высокого класса.

Подобные искажения возникают вследствие неравномерности движения носителя звуковой информации в аналоговой аппаратуре звуковоспроизведения: в электропроигрывающих устройствах (ЭПУ) – неравномерность вращения диска, в магнитофонах – неравномерность движения магнитной ленты. Количественно этот вид искажений звукового сигнала отражается в параметре коэффициента детонации, имеющем ту же единицу измерения и тот же физический смысл, что и коэффициент гармоник.

Частотные искажения возникают вследствие неравномерности АЧХ, т.е. коэффициент передачи или усиления на различных частотах оказывается переменным. Частотные искажения заметны на слух в виде искажения тембра звука. Например, недостаточный уровень воспроизведения высоких частот делает звук глухим, лишенным звонкости. Ослабленное воспроизведение низких частот придает звуку неприятный металлический оттенок. Величину частотных искажений наглядно показывает АЧХ. Приведенная на рисунке 126 частотная характеристика имеет спад в области низких и высоких звуковых частот относительно частоты 1000 Гц. Частотные искажения незаметны на слух, если неравномерность частотной характеристики не превышает ±2 дБ. Существуют и другие виды искажений, приводящие к различиям между оригинальным звуком и звуком, воспроизводимым аппаратом звукозаписи.

Во всех случаях искажения не могут быть исключены полностью, но их можно минимизировать.