Амплитудно-частотная характеристика

Любое устройство, участвующее в записи или воспроизведении звука, должно передать весь спектральный состав сигнала, сохранив при этом соотношение амплитуд гармоник звука. Представление об этих возможностях дает амплитудно-частотная характеристика – АЧХ устройства (магнитофона, телевизора, проигрывателя и др.). Ее вид представлен на рис. 9.

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

Следует отметить, что слуховой аппарат человека также имеет амплитудно-частотную характеристику, называемую в медицине аудиограммой.

Рис. 9. Амплитудно-частотная характеристика устройства записи-воспроизведения
звука: 1 – идеальная АЧХ, 2 – реальная АЧХ

Слуховой анализатор человека – совокупность механических, рецепторных и нервных структур, деятельность которых обеспечивает восприятие человеком звуковых колебаний.

У человека слуховой анализатор состоит из трех частей: ушной раковины (также называемой внешним ухом), среднего уха и внутреннего уха – улитки. Проходя через различные части уха звук претерпевает изменения.

Рис. 10. Слуховой анализатор человека

Снаружи мы видим так называемое внешнее ухо (рис. 10). Затем идет ушной канал – около 0,5 см в диаметре и около 3 см в длину. Одна из функций внешнего уха – улучшение локализации источника звука в пространстве. Благодаря его несимметричной форме АЧХ сигналов приходящих из разных точек пространства изменяется по разному. Ушная раковина может влиять лишь на сигналы с длинной волны, сопоставимой с размерами внешнего уха (>3 кГц). Внешний ушной канал резонирует на частоте около 2 кГц, что дает повышенную чувствительность в данном диапазоне.

Далее – барабанная перепонка, к которой присоединены кости – среднее уха.

Они передают вибрацию барабанной перепонки далее – на перепонку внутреннего уха. Смысл наличия среднего уха в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую колебать жидкость, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель. Площадь барабанной перепонки во много раз больше перепонки внутреннего уха, поэтому давление (Р= F/S) усиливается в десятки раз. В функции среднего уха входит также защита от низкочастотных звуков чрезмерной амплитуды. Внутреннее ухо – улитка. В развернутом виде представляет трубку с жидкостью, диаметром около 0,2 мм и 3–4 см длинной, с постепенно уменьшающимся диаметром, закрученную как улитка. Улитка выполняет роль частотного анализатора. Внутри улитки находятся до 4000 нервных окончаний. Различные области улитки входят в резонанс при подаче сигнала соответствующей частоты.

Чувствительность слухового анализатора человека зависит от частоты. Максимальная чувствительность наблюдается в районе 1–4 кГц, в этом диапазоне заключен человеческий голос и звуки, издаваемые большинством важных нам процессов в природе. Корректная передача этого частотного отрезка – первое условие естественности звучания. Чувствительность сильно снижается в обе стороны диапазона звуковых частот.

Бинауральный слух (binauralis; лат. bini два, пара + auris ухо – относящийся к обоим ушам), играет большую роль в локализации источника звука, лучше всего развит на частотах меньших 1,5 кГц. Выше этой частоты источником информации о местоположении служит лишь разница амплитуд сигнала для левого и правого уха.

Бинауральный эффект, способность человека определять направление на источник звука. Из-за того, что уши расположены на некотором расстоянии друг от друга, звук приходит к ним, различаясь по фазе и интенсивности, что ведет к различию сигналов, поступающих в центральную нервную систему от правого и левого уха, и дает возможность определять направление на источник звука. Есть два принципа восприятия, которые соответствуют двум принципам передачи звуковой информации из уха в мозг.

Первый принцип – для частот ниже 1 кГц. Эти частоты воспринимаются ударным способом, передавая в мозг информацию об отдельных звуковых импульсах. Временное разрешение передачи нервных импульсов позволяет использовать эту информацию для определения направления на источник звука. Если звук в одно ухо приходит раньше другого (разница порядка десятков микросекунд), мы можем определить его расположение в пространстве, так как запаздывание происходит из-за того, что звуку пришлось пройти еще дополнительно расстояние до второго уха, затратив на это какое-то время. Фаза сигнала левого и правого уха не совпадает.

Второй принцип – используется для всех частот, но в основном – для тех, что выше 2 кГц, происходит определение разницы в громкости между двумя ушами.

Еще один важный момент, который позволяет нам гораздо более точно определять местоположение источника звука – возможность повернуть голову и сравнить изменение параметров звучания. Принято считать, что пространственное разрешение (способность к локализации источника звука) определяется с точностью до одного градуса.

Таким образом, для объемного восприятия во всем диапазоне звуковых частот важна громкость правого и левого канала, а на частотах до 2 кГц, дополнительно анализируются и относительные фазовые сдвиги. Фазовая информация в районе 1–4 кГц имеет приоритет над разницей в громкости.

Слуховой анализатор человека способен различать звуки по частоте, интенсивности, направлению на источник звука и др. Поэтому создание звуковоспроизводящей аппаратуры, способной воспроизводить звуки неотличимые от естественных, является технически сложной задачей.

Чтобы качество звучания мало отличалось от естественного, необходимо выполнить ряд требований. Диапазон частот, воспроизводимый аппаратурой, должен быть не уже 20–20000 Гц. Если различные частоты в этом диапазоне воспроизводятся с неодинаковым уровнем, возникают частотные искажения. Частотные искажения заметны на слух в виде искажения тембра звука. Например, ослабленное воспроизведение высших частот звукового диапазона делает звук глухим, лишенным звонкости. Ослабленное воспроизведение низших частот звукового диапазона, напротив, придает звуку неприятный металлический оттенок. Величину частотных искажений наглядно показывает АЧХ. Приведенная на рис. 9 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.

На слух нелинейные искажения воспринимаются как хриплый дребезжащий звук. Степень искажений оценивается коэффициентом нелинейных искажений (коэффициентом гармоник). Для высококачественной аппаратуры коэффициент нелинейных искажений не должен превышать 1%.