Основные понятия, определяющие акустический сигнал. Акустический сигнал
Основные понятия, определяющие акустический сигнал
Основные понятия, определяющие акустический сигнал
Для правильного понимания проблем обработки звука необходимо различать первичные и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пение, речь, а также шумовые сигналы и т. п. В рамках этой книги фонограмму мы тоже рассматриваем как первичный акустический сигнал, который будем называть исходным сигналом. Ко вторичным относятся сигналы, воспроизводимые электроакустическими устройствами, то есть первичные акустические сигналы, прошедшие по электроакустическим трактам.
К параметрам, определяющим акустические сигналы, относятся значения уровня в частотном и временном представлениях, средние значения уровней, динамический диапазон, форма спектра и занимаемая полоса частот, а также время корреляции.
Слушатель всегда имеет собственное представление о «хорошем звуке», сформированное личным опытом, и оценивает звучание по многим субъективным критериям. Поэтому, говоря о свойствах звука, необходимо определить также критерии оценки, согласованные с субъективным восприятием звука.
Рассмотрим основные понятия, определяющие первичный акустический сигнал.
Динамический диапазон и уровни
Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким. На рис. 1.7 показана возможная зависимость уровня сигнала от времени.
Рис. 1.7. Зависимость уровня сигнала от времени: L – уровень сигнала; t – время; T – длительность сигнала; D – динамический диапазон
Разность между максимальным и минимальным уровнями (по мощности) называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел (дБ). Диапазон в децибелах определяют как 20 десятичных логарифмов от квадрата максимального размаха (разности уровней) сигнала.
Сама по себе громкость звука определяется только как субъективный параметр. Но на практике уровни громкости также измеряют в децибелах.
Динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различаются. Некоторые из них приведены в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Динамические диапазоны некоторых акустических сигналов Следует различать динамические диапазоны первичного акустического сигнала и электроакустического тракта.
Частотный диапазон и спектры
Спектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонентов, полоса частот) для разных источников звука сильно отличаются. Любой сигнал можно представить в виде значений его уровня в любой момент времени. Такое представление называют импульсным. Другая форма представления сигнала – частотная. В этом случае сигнал изображают непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Спектр звукового сигнала – это совокупность звуковых гармонических колебаний. Формально определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть намного больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.
Зависимость амплитуды гармонического сигнала от частоты называют частотной характеристикой. Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот сигнала понимают тот интервал, где уровень частотных компонентов превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0.
К временным (импульсным) характеристикам относятся волновая форма сигнала и время корреляции. Корреляция – это достаточно сложный и важный параметр, заимствованный из теории вероятности. Дело в том, что любой несущий информацию сигнал следует рассматривать как случайный процесс. Белым шумом называют такой случайный сигнал, в котором все последующие значения уровня никак не зависят от предыдущих. Белый шум имеет нулевое среднее значение размаха сигнала и бесконечно широкий спектр. Реальные сигналы отличаются от белого шума тем, что последующие значения зависят от предыдущих. Такая зависимость и называется корреляцией, а среднее значение интервала времени, в пределах которого эта зависимость сохраняется, называется временем корреляции. Время корреляции, в частности, важно учитывать потому, что оно определяет время взаимодействия (интерференции) с отраженными сигналами, а следовательно, и интенсивность интерференционных помех.
Волновая форма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности звукового сигнала.
Возможны самые разнообразные нарушения точности передачи сигнала через электроакустические тракты. Основные из них: потеря акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазонов сигнала, помехи и искажения. Поэтому основной задачей электроакустических систем, в частности систем обработки звука, является максимальное достижение идентичности характеристик первичных и вторичных акустических сигналов. Совершенно очевидно, что для этого необходима обширная гамма средств, конкретно воздействующих на тот или иной параметр акустического сигнала.
Первичный акустический сигнал обладает широким спектром, и для его правильной передачи электроакустический тракт должен иметь достаточно широкий частотный диапазон. Системы обработки звука при этом должны соответственно работать во всем диапазоне.
Время реверберации
Время реверберации определяется как время, за которое после отключения источника сигнала звук в помещении, затухая, ослабнет в 1000 раз, то есть на 60 дБ. При превышении некоторых предельных значений этой величины снижаются разборчивость речи и «прозрачность» музыки (для речи – около 1,2 с, для музыки – 2 с).
Следует различать ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс для речи и 80 мс для музыки от момента прихода прямого звука.
При обработке звука необходимо учитывать, что в помещении время реверберации имеет частотную зависимость, то есть оказывает влияние на тембровую окраску звучания.
Субъективные критерии оценки звучания
Специфическая особенность всех процессов обработки звука заключается в том, что обязательным (если не важнейшим) его этапом является субъективная оценка качества звучания. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что используемый в настоящее время набор объективных параметров – диапазон частот, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, уровень нелинейных искажений и др. (хотя он постоянно расширяется и обновляется) – неоднозначно определяет «слуховой образ», воспринимаемый слушателем.
Поэтому субъективная экспертиза является обязательной процедурой на всех этапах записи и обработки звука, а также служит главным критерием оценки полученного результата.
Результаты оценки качества звучания зависят от многих факторов, таких как параметры помещения прослушивания, выбор тестовых программ, отбор и тренировка экспертов, метод выбора оценок и обработки результатов и т. д.
Если для речи важнейшим параметром является ее разборчивость (артикуляция) и степень зависимости от уровня громкости и посторонних шумов, то для музыки высокое качество звучания определяется факторами, которые в определенной степени могут быть охарактеризованы с помощью понятий уровня громкости, прозрачности, пространственного впечатления, тембровой окраски звучания, баланса и подобных субъективных критериев.
Слоговая разборчивость Для речи существует один субъективный критерий качества звучания – хорошая слоговая разборчивость (артикуляция). Следует различать чисто информативную речь – доклад, объявление и т. п. – и речь художественную, имеющую определенное эстетическое содержание в первую очередь благодаря интонации. Во втором случае для оценки качества звука только разборчивости недостаточно. Для художественной речи критерии качества ее звучания такие же, как и для музыки. Разборчивость зависит от уровней громкости полезного сигнала и шума, а также от акустических свойств помещения (ранних отражений и реверберации).
Отзвук Отзвуком называют сохраняющийся после внезапного умолкания источника звукового сигнала и ослабевающий со временем звук, обусловленный последовательностью повторяющихся отражений, и связанное с этим явлением постепенное стихание звукового сигнала.
Длительность отзвука Длительность отзвука – это время, в течение которого отзвук еще слышен. Длительность отзвука зависит от времени реверберации (свойств акустики помещения), уровня звукового сигнала, уровня помех, а также от порога слуха и частоты сигнала.
Прозрачность Под прозрачностью обычно понимают различимость одновременно звучащих тонов и инструментов, несмотря на налагающийся отзвук помещения. Отметим, что временная граница для полезных с точки зрения прозрачности и пространственного впечатления первых отражений и отзвука помещения, определяющего его гулкость (сумма поздних отражений), составляет около 80 мс.
Пространственное впечатление Пространственное впечатление возникает из слухового восприятия в частично или полностью закрытом пространстве. Пространственное впечатление складывается из ряда составляющих:
• ощущение, что слушатель находится в одном помещении с источником звука;
• представление о размерах помещения;
• гулкость;
• пространственность.
Пространственное впечатление основывается на сознательном различении отраженного и прямого звуковых сигналов.
Гулкость Гулкостью называют такое ощущение, что кроме прямого звука имеется и отраженный звук, воспринимаемый не как повторение сигнала. В больших помещениях гулкость зависит от отношения поздней энергии отзвука к ранней. К ранней относится энергия прямого звука и отражений, которые при звучании речи приходят примерно за первые 50 мс, а при звучании музыки – за 80 мс после прихода прямого звука.
Эхо Эхом называют такие повторения звукового сигнала, при которых первичный и вторичный сигналы воспринимаются во времени, а в некоторых случаях и в пространстве, как самостоятельные слуховые объекты. Если повторение сигнала обусловлено отражениями, то для раздельного его восприятия необходимое время запаздывания – около 50 мс, в зависимости от вида сигнала. В тех случаях, когда периодические повторения сигнала следуют так быстро друг за другом, что уже не воспринимаются слухом как отдельные сигналы, говорят о многократном эхе. Поделитесь на страничке Следующая глава >
it.wikireading.ru
акустический сигнал - это... Что такое акустический сигнал?
акустический сигнал acoustic signal Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.
- акустический свод
- акустический соединитель
Смотреть что такое "акустический сигнал" в других словарях:
акустический сигнал — Возмущение упругой среды, проявляющееся в возникновении акустических колебаний различной формы и длительности. В зависимости от формы акустических колебаний различают простые (тональные) и сложные акустические сигналы [Домарев В.В. Безопасность… … Справочник технического переводчика
акустический сигнал — akustinis signalas statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. acoustic signal; acoustical signal vok. akustisches Signal, n rus. акустический сигнал, m pranc. signal acoustique, m … Fizikos terminų žodynas
акустический сигнал акустической эмиссии — Генерируемое источником АЭ акустическое поле, параметры которого несут информацию об источнике и объекте испытаний [ГОСТ 27655 88] Тематики акустические измерения EN acoustic signal of AE … Справочник технического переводчика
сигнал акустического прибора неразрушающего контроля — сигнал акустического прибора Электрический или акустический сигнал, функционально связанный с контролируемыми параметрами объекта контроля. [ГОСТ 23829 85] Тематики контроль неразрушающий акустический Синонимы сигнал акустического прибора … Справочник технического переводчика
Акустический размыкатель — Акустический размыкатель это устройство предназначенное для постановки оборудования на морское дно, и затем возврата этого оборудования на поверхность, после получения команды по акустическому каналу связи или по истечении заданного… … Википедия
акустический тракт анализатора — Совокупность составляющих частей акустического анализатора, в которых происходит распространение и преобразование акустических волн в сигнал измерительной информации. Примечание Акустический тракт анализатора может включать анализируемое вещество … Справочник технического переводчика
сигнал в реальном времени — Сигнал, точно представляющий акустический или электрический сигналы во временной области (МСЭ Т G.1020). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN real time signal … Справочник технического переводчика
АКУСТИЧЕСКИЙ ДАЛЬНОМЕР — гидроакустический прибор для определения расстояний до подводных объектов. Действие акустического дальномера основано на определении времени, которое затрачивает излученный им ультразвуковой сигнал на прохождение расстояния до объекта и обратно … Большой Энциклопедический словарь
акустический преобразователь расхода — Преобразователь расхода жидкости (газа), в котором создается сигнал измерительной информации, основанный на зависимости акустического эффекта в потоке жидкости (газа) от ее расхода. [ГОСТ 15528 86] Тематики измерение расхода жидкости и газа… … Справочник технического переводчика
акустический экран — Устройство, обеспечивающее повышение эффективности гидроакустической антенны. Примечания 1. В период работы гидроакустической антенны в режиме приема эффективность антенны повышается за счет увеличения соотношения гидроакустический сигнал… … Справочник технического переводчика
Акустический кабель — 2х проводниковый акустический кабель Акустический кабель используется для электрического соединения между громкоговорителями и аудио усилителями. Современные акустические кабели состоят из двух или более электрических проводников в изоляции,… … Википедия
dic.academic.ru
Распространение - акустический сигнал - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Распространение - акустический сигнал
Cтраница 1
Распространение акустических сигналов Е море сопровождается рядом сложных явлений, обусловленных отражениями от поверхности моря и дна, рассеянием на неоднородностях и поглощением энергии сигналов IB морской среде. Эти явления приводят к тому, что параметры посылок гидроакустических сигналов, приходящих на вход приемника, приобретают случайные изменения, форма огибающей каждой посылки искажается, между посылками появляется интерференция, причиной которой являются - как указанные искажения, так и многолучевой характер распространения. [1]
На основе изучения условий распространения акустического сигнала в обсавенвмк сквашах различного диаметра с от-личаюиимися граничными условиями и регистрируемого в активном ( импульсном) или пассивном ( умоиндикаторном) ревииах ранее выло показано ( разд. [2]
В воздушных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов является воздух, и для их перехвата используются миниатюрные высокочувствительные микрофоны и специальные направленные микрофоны. Автономные устройства, конструктивно объединяющие миниатюрные микрофоны и передатчики, называют закладными устройствами перехвата речевой информации, или просто акустическими закладками. Закладные устройства делятся на проводные и излучающие. Проводные закладные устройства требуют значительного времени на установку и имеют существенный демаскирующий признак - провода. Излучающие закладки ( радиозакладки) быстро устанавливаются, но также имеют демаскирующий признак - излучение в радио или оптическом диапазоне. Радиозакладки могут использовать в качестве источника электрические сигналы или акустические сигналы. Примером использования электрических сигналов в качестве источника является применение сигналов внутренней телефонной, громкоговорящей связи. [3]
В вибрационных технических каналах утечки информации средой распространения акустических сигналов являются конструкции зданий, сооружений ( стены, потолки, полы), трубы водоснабжения, отопления, канализации и другие твердые тела. Контактные микрофоны, соединенные с электронным усилителем, называют электронными стетоскопами. [4]
Круг задач, решаемых путем измерения времени распространения акустического сигнала, существенно зависит от точности его оценки. В работе [50] рассмотрены неточности, вызываемые многолучевостью акустического канала. Чтобы избежать ошибок, вызванных многолучевостью, предлагается увеличить временное разрешение сигналов путем расширения эффективной полосы частот, в которой производятся измерения. Определяется оптимальная с точки зрения точности степень сглаживания частотной характеристики сигнала с учетом аддитивного шума. [5]
Считается, что влияние многолучевого эффекта при распространении акустических сигналов в морокой среде незначительно и его можно не учитывать. [6]
Основная задача эксперимента состояла в длительных наблюдениях за крупномасштабной изменчивостью температуры воды в северной части Тихого океана с помощью измерения времени распространения акустических сигналов между несколькими излучателями и приемниками, расположенными на значительном трансокеанском удалении друг от друга. [8]
Упругие волны возникают вследствие объемных деформаций жидкости. При распространении акустических сигналов обычно возникают волны сжатия-разрежения невысокой интенсив ности. При воздушных и подводных взрывах в жидкости воз никают ударные волны, причем давление на фронте волны в зависимости от расстояния до взрывного источника и его мощности может находиться в очень широких пределах. [10]
Спектр М - последовательности сосредоточен вблизи нуля частот. Поэтому для изучения свойств распространения акустических сигналов в определенных диапазонах частот используются сигналы с модуляцией М - последовательностью. [11]
Акустические методы, Используемые для выявления разрядов и локации их источника, основаны на индукции импульсов давления, возникающих при ЧР и распространяющихся в окружающей изоляцию среде. Метод локации основан на измерении времени распространения акустического сигнала от места дефекта до датчика. [12]
Ранее считалось, что метод измерения времени распространения акустического сигнала представляет собой простой, но достаточно точный метод определения скорости звука. Однако этому методу присущ один существенный недостаток. Он заключается в том, что для определения времени прихода импульса необходимо привязаться к некоторой реперной точке на его профиле или же воспользоваться каким-либо другим критерием. Выбор единственной реперной точки не всегда приемлем, поскольку форма излучаемого импульса может меняться по мере распространения через исследуемую среду. Следует отметить, что в биологических тканях дисперсия скорости звука сама по себе весьма незначительна и не приводит к заметному искажению формы импульса. В свою очередь это означает, что импульсную методику измерения сигнала трудно использовать для исследования дисперсии скорости в подобных средах. В противоположность этому затухание ультразвука в тканях сильно зависит от частоты. [13]
Обычно электрические датчики способны дать лишь очень грубую локализацию источника сигналов ЧР, основанную только на сравнении интенсивностей сигналов в различных точках оборудования. Локализация источника путем анализа временных задержек электрических сигналов требует весьма дорогостоящего оборудования и дает результаты только в распределенных системах с коаксиальной структурой, таких как элегазовые КРУ. Поэтому для локализации дефекта обычно используют акустические датчики, которые имеют значительно меньшую чувствительность, но благодаря сравнительно низкой скорости распространения акустических сигналов, позволяют провести довольно точную локализацию источника сигналов внутри объекта. При этом измеряется задержка момента прихода акустического импульса относительно электрического сигнала в нескольких точках оборудования и на основании этого вычисляется ориентировочное положение источника с учетом конструкции конкретного объекта. [14]
Предметом акустоэлектроники являются акустоэлектронные радиокомпоненты ( АРК) и устройства на их основе. Сами АРК достаточно сложны, выполняются технологическими методами микроэлектроники и подобны микросхемам, но не содержат традиционных элементов-транзисторов. Характерным для АРК является использование как электрических, так и акустических высокочастотных сигналов, причем первые - внешние ( входные и выходные), а вторые - внутренние. Следовательно, АРК должны содержать преобразователи электрических сигналов в акустические и акустических сигналов в электрические и акустические тракты ( эвукопроводы), где происходит распространение акустических сигналов. [15]
Страницы: 1
www.ngpedia.ru
Акустический сигнал - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Акустический сигнал
Cтраница 1
Акустический сигнал, генерируемый истекающей средой, поступает на приемный преобразователь /, установленный на объекте контроля. [1]
Акустический сигнал частично генерировался протечкой теплоносителя в лабиринтном уплотнении, изменялся по высоте и зависел от колебаний корзины. [2]
Акустические сигналы, как правило, относятся к случайным процессам. [4]
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 - а 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. Усредненный спектр может быть, как правило, сплошной и достаточно сглаженный по форме. [5]
Акустические сигналы преобразуются пьезоэлементами преобразователя в электрические импульсы. [7]
Акустические сигналы передаются для информации вызывающего абонента о процессе установления соединения, а также о сво-бодности или занятости абонентской и соединительной линий или канала. [8]
Акустический сигнал уменьшается с увеличением квантового выхода молекул, так как спонтанное излучение с возбужденных уровней уносит часть энергии возбуждения без нагрева газа. Поэтому оптоакустический метод лучше всего подходит для получения колебательно-вращательных спектров поглощения. [9]
Акустические сигналы и каналы уже находят применение в трубопроводном строительстве в приборах дистанционного обнаружения утечек при испытаниях трубопроводов, в ультразвуковой дефектоскопии сварных соединений. [10]
Акустические сигналы распространяются в среде со скоростью ( dP / dp) / 2, которая, вообще говоря, является функцией частоты. Уравнение состояния для равновесной звезды дает по существу низкочастотный ( ш - 0) предел этой функции, так как допускается достаточно большое время достижения равновесия. Если предположить dP / dpc2 при сохранении условия причинности, то среда спонтанно становится неустойчивой. [11]
Акустический сигнал, характеризующий загрузку и воспринимаемый микрофонным устройством, которое установлено в начале первой камеры мельницы, подается через усилительно-преобразующий блок на вход регулятора расхода огарков. Сюда же подается сигнал от индуктивного датчика расхода огарков, пропорциональный их расходу. Сигнал от этого датчика одновременно подается на регуляторы загрузки известняком высокого и низкого титра. В схеме регулятор загрузки мельницы огарками в комплекте с исполнительным механизмом является ведущим, а регуляторы загрузки известняком высокого и низкого титра-ведомыми. Соотношение расхода огарков и расхода сырья поддерживается постоянным. Это соотношение фактически изменяется очень редко. Соотношение же расхода известняков обычно меняется в течение смены не менее трех-четырех раз. [12]
Акустический сигнал - сигнал, передаваемый абоненту или телефонистке для информации о процессе установления соединения. [13]
Паразитные акустические сигналы могут иметь различное происхождение. [14]
Обычно акустический сигнал преобразуется в электрический. [15]
Страницы: 1 2 3 4
www.ngpedia.ru
Основные понятия, определяющие акустический сигнал. «Компьютерная обработка звука»
Для правильного понимания проблем обработки звука необходимо различать первичные и вторичные акустические сигналы. К первичным относятся сигналы, создаваемые музыкальными инструментами, пение, речь, а также шумовые сигналы и т. п. В рамках этой книги фонограмму мы тоже рассматриваем как первичный акустический сигнал, который будем называть исходным сигналом. Ко вторичным относятся сигналы, воспроизводимые электроакустическими устройствами, то есть первичные акустические сигналы, прошедшие по электроакустическим трактам.
К параметрам, определяющим акустические сигналы, относятся значения уровня в частотном и временном представлениях, средние значения уровней, динамический диапазон, форма спектра и занимаемая полоса частот, а также время корреляции.
Слушатель всегда имеет собственное представление о «хорошем звуке», сформированное личным опытом, и оценивает звучание по многим субъективным критериям. Поэтому, говоря о свойствах звука, необходимо определить также критерии оценки, согласованные с субъективным восприятием звука.
Рассмотрим основные понятия, определяющие первичный акустический сигнал.
Динамический диапазон и уровни
Уровень акустического сигнала непрерывно изменяется во времени. Интервал таких изменений может быть довольно широким. На рис. 1.7 показана возможная зависимость уровня сигнала от времени.
Рис. 1.7. Зависимость уровня сигнала от времени: L – уровень сигнала; t – время; T – длительность сигнала; D – динамический диапазон
Разность между максимальным и минимальным уровнями (по мощности) называют динамическим диапазоном. Обычно единицей измерения динамических диапазонов является децибел (дБ). Диапазон в децибелах определяют как 20 десятичных логарифмов от квадрата максимального размаха (разности уровней) сигнала. Сама по себе громкость звука определяется только как субъективный параметр. Но на практике уровни громкости также измеряют в децибелах. Динамические диапазоны разных акустических сигналов существенно различаются. Некоторые из них приведены в табл. 1.1.Таблица 1.1. Динамические диапазоны некоторых акустических сигналов #Autogen_eBook_id7 Следует различать динамические диапазоны первичного акустического сигнала и электроакустического тракта.Частотный диапазон и спектрыСпектры акустических сигналов (форма и относительные мощности отдельных компонентов, полоса частот) для разных источников звука сильно отличаются. Любой сигнал можно представить в виде значений его уровня в любой момент времени. Такое представление называют импульсным. Другая форма представления сигнала – частотная. В этом случае сигнал изображают непрерывной совокупностью гармонических колебаний. Спектр звукового сигнала – это совокупность звуковых гармонических колебаний. Формально определением спектра является специальное интегральное преобразование, выполняемое на бесконечно большом отрезке времени. На практике временные интервалы, на которых определяют спектры сигналов, ограничены, но они все же должны быть намного больше обратного значения возможной полосы частот сигнала.Зависимость амплитуды гармонического сигнала от частоты называют частотной характеристикой. Частотные характеристики реальных сигналов с ростом частоты спадают. Под полосой частот сигнала понимают тот интервал, где уровень частотных компонентов превышает некоторое заданное значение, например -60 дБ. За пределами этого интервала значения уровня частотных составляющих принимаются за 0. К временным (импульсным) характеристикам относятся волновая форма сигнала и время корреляции. Корреляция – это достаточно сложный и важный параметр, заимствованный из теории вероятности. Дело в том, что любой несущий информацию сигнал следует рассматривать как случайный процесс. Белым шумом называют такой случайный сигнал, в котором все последующие значения уровня никак не зависят от предыдущих. Белый шум имеет нулевое среднее значение размаха сигнала и бесконечно широкий спектр. Реальные сигналы отличаются от белого шума тем, что последующие значения зависят от предыдущих. Такая зависимость и называется корреляцией, а среднее значение интервала времени, в пределах которого эта зависимость сохраняется, называется временем корреляции. Время корреляции, в частности, важно учитывать потому, что оно определяет время взаимодействия (интерференции) с отраженными сигналами, а следовательно, и интенсивность интерференционных помех. Волновая форма сигнала дает возможность определить резкие переходы интенсивности звукового сигнала.Возможны самые разнообразные нарушения точности передачи сигнала через электроакустические тракты. Основные из них: потеря акустической перспективы, смещение уровней, ограничение динамического и частотного диапазонов сигнала, помехи и искажения. Поэтому основной задачей электроакустических систем, в частности систем обработки звука, является максимальное достижение идентичности характеристик первичных и вторичных акустических сигналов. Совершенно очевидно, что для этого необходима обширная гамма средств, конкретно воздействующих на тот или иной параметр акустического сигнала.Первичный акустический сигнал обладает широким спектром, и для его правильной передачи электроакустический тракт должен иметь достаточно широкий частотный диапазон. Системы обработки звука при этом должны соответственно работать во всем диапазоне.Время реверберацииВремя реверберации определяется как время, за которое после отключения источника сигнала звук в помещении, затухая, ослабнет в 1000 раз, то есть на 60 дБ. При превышении некоторых предельных значений этой величины снижаются разборчивость речи и «прозрачность» музыки (для речи – около 1,2 с, для музыки – 2 с). Следует различать ранние и поздние отражения. Граница между ними лежит вблизи 50 мс для речи и 80 мс для музыки от момента прихода прямого звука.При обработке звука необходимо учитывать, что в помещении время реверберации имеет частотную зависимость, то есть оказывает влияние на тембровую окраску звучания.Субъективные критерии оценки звучанияСпецифическая особенность всех процессов обработки звука заключается в том, что обязательным (если не важнейшим) его этапом является субъективная оценка качества звучания. Это, в свою очередь, обусловлено тем, что используемый в настоящее время набор объективных параметров – диапазон частот, неравномерность амплитудно-частотной характеристики, уровень нелинейных искажений и др. (хотя он постоянно расширяется и обновляется) – неоднозначно определяет «слуховой образ», воспринимаемый слушателем.Поэтому субъективная экспертиза является обязательной процедурой на всех этапах записи и обработки звука, а также служит главным критерием оценки полученного результата.Результаты оценки качества звучания зависят от многих факторов, таких как параметры помещения прослушивания, выбор тестовых программ, отбор и тренировка экспертов, метод выбора оценок и обработки результатов и т. д.Если для речи важнейшим параметром является ее разборчивость (артикуляция) и степень зависимости от уровня громкости и посторонних шумов, то для музыки высокое качество звучания определяется факторами, которые в определенной степени могут быть охарактеризованы с помощью понятий уровня громкости, прозрачности, пространственного впечатления, тембровой окраски звучания, баланса и подобных субъективных критериев.Слоговая разборчивость Для речи существует один субъективный критерий качества звучания – хорошая слоговая разборчивость (артикуляция). Следует различать чисто информативную речь – доклад, объявление и т. п. – и речь художественную, имеющую определенное эстетическое содержание в первую очередь благодаря интонации. Во втором случае для оценки качества звука только разборчивости недостаточно. Для художественной речи критерии качества ее звучания такие же, как и для музыки. Разборчивость зависит от уровней громкости полезного сигнала и шума, а также от акустических свойств помещения (ранних отражений и реверберации). Отзвук Отзвуком называют сохраняющийся после внезапного умолкания источника звукового сигнала и ослабевающий со временем звук, обусловленный последовательностью повторяющихся отражений, и связанное с этим явлением постепенное стихание звукового сигнала. Длительность отзвука Длительность отзвука – это время, в течение которого отзвук еще слышен. Длительность отзвука зависит от времени реверберации (свойств акустики помещения), уровня звукового сигнала, уровня помех, а также от порога слуха и частоты сигнала. Прозрачность Под прозрачностью обычно понимают различимость одновременно звучащих тонов и инструментов, несмотря на налагающийся отзвук помещения. Отметим, что временная граница для полезных с точки зрения прозрачности и пространственного впечатления первых отражений и отзвука помещения, определяющего его гулкость (сумма поздних отражений), составляет около 80 мс. Пространственное впечатление Пространственное впечатление возникает из слухового восприятия в частично или полностью закрытом пространстве. Пространственное впечатление складывается из ряда составляющих: • ощущение, что слушатель находится в одном помещении с источником звука;• представление о размерах помещения;• гулкость;• пространственность.Пространственное впечатление основывается на сознательном различении отраженного и прямого звуковых сигналов.Гулкость Гулкостью называют такое ощущение, что кроме прямого звука имеется и отраженный звук, воспринимаемый не как повторение сигнала. В больших помещениях гулкость зависит от отношения поздней энергии отзвука к ранней. К ранней относится энергия прямого звука и отражений, которые при звучании речи приходят примерно за первые 50 мс, а при звучании музыки – за 80 мс после прихода прямого звука. Эхо Эхом называют такие повторения звукового сигнала, при которых первичный и вторичный сигналы воспринимаются во времени, а в некоторых случаях и в пространстве, как самостоятельные слуховые объекты. Если повторение сигнала обусловлено отражениями, то для раздельного его восприятия необходимое время запаздывания – около 50 мс, в зависимости от вида сигнала. В тех случаях, когда периодические повторения сигнала следуют так быстро друг за другом, что уже не воспринимаются слухом как отдельные сигналы, говорят о многократном эхе.
litresp.ru
Акустические сигналы. Проблемы этологии
Акустические сигналы
О том, как общаются животные с помощью запаха, уже говорилось. Но есть и другие органы чувств, которые решают эту же задачу — слух и зрение.
Людей, которые привыкли изъясняться с помощью голосовых связок, не очень-то удивляет, когда они слышат, как кричат животные. А разнообразие этих криков поистине бесконечно. Тут и свист, и рев, и кваканье, и визг, и стрекотание, и вой…
Подсчитали, что только у собаки около тридцати разных звуков: рычание, визг, поскуливание и лай всевозможных оттенков и тембров. У волка — двадцать выражающих эмоции звуков, у петуха — пятнадцать, у галки — около дюжины, у грача — столько же, а у гуся — двадцать три.
У певчих птиц их тоже немало. У зяблика советские орнитологи насчитали более двадцати криков: пять из них передают информацию об окружающей обстановке, девять предназначены для «семейного» пользования в период гнездования, «семь имеют опознавательное значение и семь относятся к ориентировке в пространстве».
Куда более разнообразный репертуар у южноамериканской птицы кариамы — 170 звуков!
А вот у обезьян лексикон не очень богат. У низших обезьян — 15–20, у высших (шимпанзе, например) — от 22 до 32 звуков.
Даже крокодил, тварь, по общему мнению, очень тупая, может по-своему, по-крокодильи, разговаривать.
В экспериментальной лаборатории Музея естественной истории в Нью-Йорке жили четыре крокодила. Совершенно случайно узнали: если ударить в стальной рельс недалеко от крокодилов, они начинают рычать. Надуваются, подняв вверх головы, и, втягивая живот, исторгают из глотки мощный рев. Он похож на боевой клич, потому что крокодилы сейчас же бросаются друг на друга.
Ну хорошо, а какую роль при этом играют рельсы? Оказывается, некоторые из них звучат в той же октаве, что и рев крокодилов.
Самки крокодилов закапывают яйца в песок или в кучу гнилых листьев, нагребают сверху еще и ил. Маленькие крокодильчики извещают мать о своем появлении на свет негромким хрюканьем: «Юмф, юмф, юмф». Крокодилиха сейчас же разгребает кучу и выпускает малышей на волю. Потом ведет их к воде, а сама все время «квохчет» по дороге: «Юмф, юмф, юмф», чтобы они не потерялись.
Слух в жизни многих необщественных насекомых играет не меньшую роль, чем запах (известно 10 тысяч видов поющих насекомых). Особенно много их среди прямокрылых (кузнечики, саранча, сверчки) и у цикад. Если внимательно прислушаться (с помощью приборов) к однообразному, казалось, стрекотанию этих насекомых, то можно различить в нем такие нюансы, тона и ритмы, что звуки, издаваемые кузнечиками, цикадами и им подобными, можно смело сравнить с пением птиц.
Музыкальный инструмент у всех прямокрылых — две зазубренные, трущиеся друг о друга поверхности их хитиновой «кожи». Кузнечики, например, стрекочут, потирая одним крылом о другое. На левом крыле у них «смычок», на правом — пластиночка, по которой они водят «смычком».
У саранчи «скрипка» устроена иначе. У нее два «смычка» — задние ножки. Бедра у них зазубренные. Саранча трет ножками о крылья, и они звучат.
«Уже давно известно, что самцы прыгающих прямокрылых своим пением привлекают самок. Геген в 1910 году показал, что кузнечик может вызвать свою самку „по телефону“. Если подставить ему, когда он стрекочет, микрофон, который передает вызов через громкоговоритель, установленный в другом помещении, то самка подлетит к громкоговорителю и попытается даже проникнуть в него» (Реми Шовен).
Найдены и другие насекомые, самцы которых привлекают самку своей песней. Выяснен и характер самих песен. Все их можно разделить на пять групп: призывная песня самца, призывная песня самки, песня «обольщения», используемая самцами в непосредственной близости от самки, песня угрозы (тоже привилегия самцов) и звуки беспокойства, свойственные как самцам, так и самкам.
Выяснилось и вот еще что: призывная песня самцов сверчков привлекает не всех самок, а только неоплодотворенных. Оплодотворенные самки на нее не реагируют. Подсчитано число характерных песен у сверчков. У некоторых их целая дюжина. Китайцам такое пение нравится, и они разводят особенно многоголосых сверчков.
Песню угрозы самец сверчка исполняет, когда услышит стрекотание другого самца. Владелец территории идет навстречу чужаку. Если сверчки равных рангов, происходит драка. Если же нет, то сверчок более высокого ранга поет громче и чаще соперника. А последний отвечает серией нерешительных приглушенных стрекотаний или вовсе умолкает. Тогда устрашающая песня победившего сверчка постепенно переходит в песню призыва.
Цикады — самые замечательные музыканты из насекомых. Некоторые из них семнадцать лет в образе личинок проводят в молчании под землей, чтобы, выбравшись в последние недели жизни из заточения, огласить окрестные леса оглушительным стрекотанием. Живущие в тропиках цикады так громогласны, что песни их не уступают пронзительному свистку паровоза. Голоса других звучат визгливо, как циркулярная пила.
Поют только самцы. (Установлено, однако, что у европейских цикадок поют и самки, но так тихо, что без особой аппаратуры услышать их нельзя.) На нижней поверхности первого сегмента брюшка самцов есть пара выпуклых пластинок — цимбал. Когда цикада поет, сильные мышцы быстро притягивают цимбалы к телу насекомого, а затем отпускают и вновь притягивают. Цимбалы вибрируют (шестьсот колебаний в секунду!) и производят звук, сила которого нам уже известна.
В некоторых странах (в Японии, Китае, Индонезии и даже во Франции) цикад, как канареек, держат в клетках и наслаждаются их пением. Древние греки тоже любили цикад, утверждая, «что сами Музы обучили этих насекомых столь дивному искусству». Но римляне терпеть не могли.
В тропиках живут цикады, поющие хором. И у хора свой дирижер, он всегда запевает первым. Через некоторое время присоединяет к нему свой голос и другой самец — «аккомпаниатор». А затем уже запевают все цикады в округе. Если дирижер замолчит, то скоро смолкает и хор. Но, когда умолкнет «аккомпаниатор», хор продолжает петь.
Если тронуть легонько струну, она начнет колебаться и звучать. Чем чаще вибрирует струна, тем выше тон звука. А чем больше размах ее колебаний, тем он громче.
Точно так же и крылья насекомых, вибрируя в полете, жужжат на разные голоса. Если бы мы умели махать руками не менее быстро, чем они крыльями, то «жужжали» бы при ходьбе. Но даже наши самые подвижные мускулы едва ли могут сокращаться более, чем девять-двенадцать раз в секунду. Мышцы же насекомых за то же время сотни раз поднимут и опустят крылья.
У каждого вида насекомых свой тон жужжания: это значит, что крыльями они машут с разной быстротой. С помощью новейших электронных приборов установили: у комаров крылья колеблются 300–600 раз в секунду (у некоторых и 1000 раз!), у осы за то же время делают 250 взмахов, у пчелы — 200–250, а то и 400, у мухи — 190, у шмеля — 130–170, у слепня — 100, у божьей коровки — 75, у майского жука — 45, у стрекозы — 38, у саранчи — 20, а у бабочки — 5–12. Ее жужжания мы не слышим, потому что это уже инфразвук, к которому наше ухо глухо.
Ученые, рассматривая эту таблицу, подумали: а ведь неспроста у каждого насекомого свой код жужжания. Наверное, крылья, помимо своего основного назначения, несут и другую службу, ту, что у нас выполняет язык: информационную.
И это действительно так. Крылья насекомых — аппарат не только летательный, но и телеграфный. И сходство здесь не в одном лишь жужжании.
У комаров сигнал сбора — особое гудение крыльев. Насекомые тучами летят туда, откуда оно слышится. Комариных самцов особенно привлекают звуки с частотой 500–550 колебаний в секунду: в таком же темпе трепещут крылышки их подруг. Даже когда вокруг очень шумно, комары слышат эти сигналы. Ведь у них есть акустические селекторы и усилители: тонкие, длинные волоски на усиках. Они вибрируют в унисон с колебаниями той определенной частоты, с которой комариные самки машут крыльями. Раскачиваясь в такт с ними, волосики-камертоны передают обслуживающим их слуховым нервам информацию о звуках, которые в данный момент интересуют комаров.
Электротехники жалуются, что высоковольтные трансформаторы часто бывают забиты мошкарой. В гибели насекомых виновато романтическое влечение к прекрасному полу: многие трансформаторы гудят, оказывается, в унисон с комариными самками — это и губит введенных в заблуждение комаров-самцов.
Но когда комар, спасаясь от занесенной над ним карающей десницы царя природы, набирает третью скорость, его мотор жужжит совсем в другом тоне, чем на комариных гулянках. И этот звук служит сигналом тревоги для других комаров.
Даже исполненный хором комариный писк не идет ни в какое сравнение с громким треском крыльев стартующей или приземляющейся саранчи. Когда она набирает высоту и летит по прямой, то шумит меньше.
Дарвин писал о патагонской саранче: «Шум от их крыльев был подобен грохоту устремляющихся в бой колесниц». Говорят, что даже из кабины самолета слышно гудение крыльев приземляющейся вместе с ним саранчи.
Человеку этот мощный гул миллиардов трепещущих крыльев говорит о приближающейся восьмой казни египетской, от которой ничто не спасет. Для саранчи же он — сигнал к полету. «Все в воздух!» — вот что значит на языке самых прожорливых насекомых свист ветра, рассекаемого их крыльями.
Глухая саранча, у которой залеплены воском уши на брюшке, не проявляет никакого желания присоединиться к своим сородичам, отправляющимся в дальнюю путь-дорогу. Словно и не видит, что стая улетает. Но саранча не глухая снова и снова взмывает в небо, забывая о еде и об отдыхе, как только услышит переданную через громкоговоритель магнитофонную запись шума крыльев стартующей саранчи…
В 1959 году был изобретен прибор-шпион, который подслушивает разговоры пчел и передает их пасечнику в виде такого, например, предупреждения: «Пчелы поговаривают о бегстве. Отсаживай рой, пока не поздно!»
Пчелы, как и комары, не всегда жужжат одинаково. Когда они летят налегке или деловито собирают нектар, порхая с цветка на цветок, крылья у них работают в одном ритме. Но, возвращаясь в гнездо с тяжелой ношей, прибавляют обороты своему «двигателю», и он «воет» на самых высоких нотах. Поэтому пчелы, охраняющие входы в улей, издали услышав эту сирену, впускают пчел-сборщиц без всякого осмотра: ведь грабитель не вносит в дом добро, которое хотят украсть. Пчел же, прилетающих без груза — они гудят басовитее — внимательно обнюхивают и осматривают: свои ли это?
Потревоженные пчелы жужжат совсем иначе, чем во время мира. И это тоже сигнал тревоги и всеобщей мобилизаций.
И перед роением наполняют улей особенным гулом. Изобретатели электронного шпиона сконструировали его так, что как только загудит готовый к вылету рой, реле прибора срабатывает и в доме пасечника звенит звонок.
Доктор Эш, ученик Карла Фриша, установил, что пчелы, исполняя виляющий танец, жужжанием своих крыльев дополнительно поясняют, где искать медоносы. Эти сигналы напоминают «трескотню велосипедного мотора». Если мотор гудит примерно полсекунды, то до цветов, богатых нектаром, лететь двести метров. И чем громче трескотня, тем выше качество найденной пищи.
Разнотонным шумом крыльев пчелы отдают и приказы другого содержания. Однажды экспериментаторы стали свидетелями забавной сценки. Они заставили кружиться в улье электронную модель пчелы. Рядом с ней маленький динамик воспроизводил записанный на пленку трескучий аккомпанемент танца.
Сначала все шло хорошо: пчелы пытались понять робота. Но вдруг набросились на него и «убили». Вся модель была истыкана пчелиными жалами. Оказывается, особым треском крыльев сборщицы попросили электронную пчелу выдать из зобика пробу нектара, чтобы по его запаху точнее определить, на каких именно цветах искать медовое сырье. Но автомат тупо жужжал одно и то же: «Двести метров, двести метров, двести метров…» Пчелы решили, наверное, что имеют дело с идиотом, и расправились с ним на манер спартанцев. Впредь искусственные пчелы исследователя «были более осмотрительны».
Люди не обращают внимания на изменчивые интонации крылатой речи насекомых. Но сами насекомые, их враги и друзья прислушиваются к ним внимательно. Поэтому и «овцы в волчьих шкурах» — беззащитные мухи, подражающие окраской пчелам и осам, подделывают и свое жужжание, настраивая его на более высокие тона. Тогда только это обманывает врагов, и те не трогают шестиногих мимов, принимая копии за оригиналы.
Самцы некоторых видов плодовой мушки дрозофилы, неизменного подопытного животного генетических лабораторий, ухаживая за самками, тоже поют серенады взмахами крыльев. В полете они колеблются 200 раз в секунду. И столько же колебаний создают свадебную песню самца.
Ухаживают дрозофилы-самцы за самками довольно церемонно. Приманив самку своим «песнопением», самец сначала ласково гладит и постукивает лапками по брюшку самки. Затем ходит вокруг нее, трепеща крыльями, и они говорят о желании соединиться с ней в законном браке. Если самка отвергает по той или иной причине самца, несмотря на галантное ухаживание, она громко жужжит, и самец, смутившись, удаляется.
Первым, кто заметил, что трепыхание крыльев у насекомых служит средством общения друг с другом, был изобретатель пулемета X. Максим. Это был очень пытливый, любознательный человек. В 1878 году X. Максим установил фонари для освещения «Гранд юнион отеля» в Нью-Йорке. Сеть была присоединена к трансформатору, из которого неслись звуки, похожие на жужжание крылатых насекомых. Как-то вечером он увидел, что вокруг трансформатора вилось целое облако комаров. Это удивило Максима. Он внимательно рассмотрел пойманных комаров и был поражен, что все вьющиеся вокруг трансформатора насекомые — самцы. Он узнал их по перистым усам (у самок усики не ветвятся и похожи на палочки с немногими небольшими волосками).
И в последующие дни, как только начинал работать трансформатор, со всех ближайших мест к нему слетались комары. X. Максим решил, что в усиках комаров заключены органы слуха, а к трансформатору они летят потому, что его гудение похоже на жужжание крыльев самки.
X. Максим, чтобы лучше видеть, перенес эксперимент в комнату. Здесь он воспользовался камертоном, настроенным в унисон с жужжанием самки. Когда он ударял по камертону, тот начинал имитировать «голос» самки. Самец, посаженный невдалеке, услышав звучание, сейчас же разворачивался к камертону, поднимал усики, прислушиваясь и определяя, откуда идет звук.
«Научный журнал не принял сообщения об этих экспериментах, посчитав их слишком примитивными, и поэтому X. Максим опубликовал свои данные в виде письма в газету „Таймс“» (Р. Бертон.)
Теперь доказано, что X. Максим был прав: действительно комар слышит усами.
Из всех земноводных жабы и лягушки наиболее крикливы. Голоса их, усиленные мешками-резонаторами, которые вздуваются в углах рта или на горле, слышал каждый. Но слышат ли их сами крикуны? Еще сравнительно недавно среди ученых велись споры: глухие земноводные или нет. Теперь установлено, что не глухие, хотя и слышат хуже, чем звери и даже рыбы.
«При всем том структура звукового сигнала у земноводных гораздо сложнее, чем у поющих насекомых: может изменяться не только частота, но и тембр, зависящий от пропорции обертонов, а также длительность индивидуальных позывных и количество повторений. Наиболее четкие реакции вызываются обычно последним свойством, а не частотой колебаний и не тембром сигнала» (Реми Шовен).
Кваканье лягушек и жаб служит разным целям: здесь и призыв, обращенный к самке, и предостережение сопернику, и, возможно, звуковой «маяк», указывающий самкам направление к пруду, в котором они из года в год размножаются.
Все эти звуки произносятся с закрытым ртом, и все лягушки в округе, услышав этот крик, прыгают в воду.
Как и некоторые насекомые, лягушки поют хором (как он звучит, объяснять не приходится). Некоторые ученые считают, что в этом хоре есть и свой дирижер, как у цикад. Но наблюдения показали, что самая громогласная лягушка или жаба не вожак и запевала. И вообще вожаков у земноводных нет, нет и иерархии.
Зато некоторые из них поют дуэтом (например, квакши, древесные лягушки). Иногда присоединяет к ним свой голос и третий певец, получается довольно слаженное трио, они поют, «сохраняя строгую очередность, и каждый издает свою, отличную от других ноту».
В главе о территории мы уже говорили о пении птиц, исполняемом для охраны своего ревира и привлечения самки.
Криком предупреждают птицы друг друга об опасности. Как только взрослый дрозд подает сигнал тревоги, сейчас же его птенцы (даже однодневные!) замолкают, перестают пищать и затаиваются в гнезде.
Птенцы чайки в такой же ситуации припадают к земле.
Когда чайки сменяют друг друга на гнездах, они заявляют о своем намерении не только приподношением травинок и веточек, но и особым криком. Если партнер и после этого не сходит с гнезда, то сменяющий родитель просто силой сгоняет его с яиц и садится сам. У многих птиц есть звуки, которые означают примерно следующее: «Уступи мне место на гнезде!»
Нам кажется, что крики всех чаек, крачек, гусей, уток и прочих звучат однаково. Но, как видно, это не так.
Крачки, самец и самка, насиживают яйца по очереди. Примерно через час они сменяют друг друга. Над птицей, сидящей в гнезде, кружатся сотни других крачек. Она не обращает на их крики никакого внимания. Но стоит еще издали и даже негромко подать голос ее партнеру, она сейчас поднимает голову и высматривает его. Иногда крачка даже дремлет на яйцах, закрыв глаза, но сразу же пробуждается, как только вдалеке раздастся возглас супруга.
Птицы различают по голосу и своих птенцов. Когда исследователи рисовали сажей на их спинах и головах лишние пятна, так что внешность птенцов сильно менялась, родители, увидев своих загримированных отпрысков, сначала очень удивлялись. Готовые прогнать прочь своих детей, становились в угрожающие позы. Но стоило птенцу слегка пискнуть, как картина менялась: родители успокаивались, уже безо всякого сомнения принимали в лоно семьи перекрашенных птенцов.
Звуковые сигналы, которыми обмениваются родители и дети, у птиц разнообразны. Тут и крики тревоги, о которых мы уже знаем, и сигналы сбора, призыв к корму или просто выражения ласки и удовольствия. Курица квохчет по-особенному, когда приглашает цыплят следовать за собой. Отставший цыпленок писком зовет мать. Она возвращается назад и активно ищет малыша. Но если отставшего цыпленка накрыть прозрачным колпаком, она увидит его, но равнодушно пройдет мимо, так как не слышит писка.
«Призыв к еде» не только своих птенцов, но и взрослых сородичей замечен у некоторых птиц, например у чаек и уток. Если чайка найдет немного еды, она съедает ее молча, а когда еды много, характерным криком сзывает других чаек разделить с ней трапезу.
«И у птиц, и у млекопитающих сигналы тревоги всегда пронзительны, резки и либо длительны, либо многократно повторяются. Крики угрозы не так пронзительны, но тоже резки, как, например, рычание собак (кстати, лишь немногие знают, что воробьи в аналогичных случаях тоже издают весьма странный звук, похожий на рычание). Песни призыва, исполняемые родителями, звучат обычно нежно, на низкой частоте, и повторяются» (Реми Шовен).
Поделитесь на страничке Следующая глава >
bio.wikireading.ru
Распространение акустических сигналов в помещениях и строительных конструкциях
При своем распространении звуковая волна, доходя до какой-либо преграды (границы двух сред) и взаимодействуя с ней, частично отражается от нее, а частично продолжает распространяться по преграде. Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую, зависит от соотношения их акустических сопротивлений (рис. 1.9).
ρ1С1= 41, (МПа·с)/м; ρ 2С2 = 30...40 ּ 102, (МПа·с)/м.
Рис. 1.9. Количество акустической энергии, прошедшей из одной среды в другую
В строительной акустике используются следующие основные понятия:
Таблица 1.1 Звукоизоляция основных строительных конструкций, дБ
| Тип строительной конструкции | Центральные частоты октавных полос, Гц |
| 250 | 500 | 1000 | 2000 | 4000 |
| Оштукатуренная стена толщиной 270 мм | 44 | 51 | 58 | 64 | 65 |
| Железобетонная стена толщиной 100 мм | 40 | 44 | 50 | 55 | 60 |
| Гипсобетонная перегородка толщиной 80 мм | 33 | 37 | 39 | 44 | 44 |
| Перегородка ДСП толщиной 80 мм | 26 | 26 | 26 | 26 | 26 |
Каналы утечки речевой информации
На рис. 1.10 представлены основные варианты возможной утечки речевой информации из объемов выделенных помещений. Все их можно объединить в две группы - это акустические каналы (обозначены буквами а, б, в), т.е. такие каналы, по которым информация может быть перехвачена с помощью микрофонов воздушной проводимости или прослушана непосредственно человеком, и виброакустические каналы (обозначены буквами г, д, е), т.е. каналы, по которым информация может быть зафиксирована с помощью микрофонов твердой среды (виброметров, велосиметров, акселерометров).
Наибольшую опасность представляют технологические окна и каналы с большой площадью поперечного сечения, такие как короба коммуникаций и воздуховоды вентиляции. Эти объекты являются по сути акустическими волноводами, и звуковые колебания могут распространяться по ним на значительные расстояния. Так, если поперечные размеры короба сравнимы с длиной звуковых волн L ≈ λ, затухание при распространении по нему звука составляет δ = 0,01 ...1 дБ/м и зависит от размеров короба, материала стенок и пр.
Рис. 1.10. Основные каналы утечки речевой информации
Следующими по степени опасности являются звуководы с размерами значительно меньше длины звуковых волн L «λ. Таковыми могут быть отверстия электропроводки, щели и трещины в строительных конструкциях, неплотности дверных и оконных проемов. Затухание звука в таких каналах весьма значительно 5 = 1 ...20 дБ/м. Оно определяется вязкостью воздуха и зависит от поперечных размеров отверстий, шероховатости поверхности и продольной конфигурации отверстия.
Несмотря на заметную величину затухания, этого абсолютно недостаточно для обеспечения защиты информации. Так, если в стене толщиной 0,5 м имеется трещина с площадью поперечного сечения 5 мм2 и длиной 0,75 м, звукоизоляция в области выхода этой трещины на поверхность будет составлять 18 дБ, в то время как при отсутствии трещины такая стена может обеспечить звукоизоляцию более 65 дБ.
Звуковые колебания могут распространяться за пределы выделенного помещения не только за счет тех или иных воздушных каналов, но и за счет переизлучения колебаний ограждающими строительными конструкциями.
Переизлучение звука за пределы выделенного помещения происходит за счет колебаний строительных конструкций, вызванных падающими на них звуковыми волнами. Так как толщина подавляющего большинства строительных конструкций (стены, полы, потолки, двери, окна) значительно меньше их поперечных размеров, процессы, происходящие в них, хорошо описываются теорией колебания мембран и пластин.
Основные практические выводы, вытекающие из данных положений:
- акустическое сопротивление ограждающих строительных конструкций в направлении, перпендикулярном их поверхности невелико;
- строительные конструкции имеют большое количество собственных мод колебаний.
Последнее явление в строительной акустике носит название «волнового совпадения». Оно возникает, когда длина падающей звуковой волны совпадает с длиной изгибной волны в строительной конструкции и приводит к значительному снижению звукоизоляции. Это проиллюстрировано рис. 1.11.
Так как за счет многократных переотражений звуковой волны в помещении равновероятны любые углы падений, возбуждаются все собственные моды колебаний строительных конструкций, что приводит к существенному снижению звукоизоляции.
Рис. 1.11. Снижение звукоизоляции строительной конструкции
Виброакустические каналы
Как только что было показано, строительные конструкции совершают значительные колебания под воздействием акустических волн. Чтобы перехватить информацию, переносимую этими колебаниями, не обязательно регистрировать акустические колебания, переизлученные этими конструкциями, достаточно зафиксировать колебания собственно строительных конструкций. Так, например, под воздействием звука Рак = 70 дБ кирпичная стена толщиной 0,5 м совершает вибрационные колебания с ускорением а≈3·10-5g. При таких условиях современными средствами может быть прослушан даже шепот. При этом переизлученный акустический сигнал будет Рак.пр < 10 дБ, что практически исключает возможность съема информации. Таким образом, вибрационные колебания ограждающих конструкций под воздействием звуковых волн образуют один из наиболее опасных виброакустических каналов утечки информации.
Современные строительные материалы и конструкции (монолитный железобетон, сборные железобетонные конструкции, кирпичная кладка) обладают весьма низкими показателями затухания механических колебаний в области звуковых частот. Это обеспечивает возможность распространения колебаний на значительные расстояния и создает возможность перехвата информации, регистрируя вибрации не только ограждающих конструкций выделенного помещения, но и регистрируя колебания значительно удаленных (1-3 стыка) элементов здания. Например, существует реальная возможность перехвата информации по несущей стене из выделенного помещения, расположенного через 1, 2 этажа от места установки аппаратуры съема информации. В общем случае, в зависимости от конструкции здания и качества выполнения стыков между его элементами, затухание на стыках варьируется в пределах от 1 ...3 дБ до 10...15 дБ. Отсюда следует важная тактическая особенность и повышенная опасность виброакустического канала утечки информации - перехват информации возможен не только из смежных помещений, но и из помещений, значительно удаленных от источника информации.
Некоторые элементы строительных конструкций, как и в случае рассмотрения акустического канала, представляют собой волноводы вибрационных колебаний. К ним относятся трубы различных коммуникаций (отопления, водоснабжения, электропитания и пр.). Как и в случае воздушных волноводов, значительная разница в величинах акустического сопротивления материала труб и окружающей среды составляет
Создаются условия волноводного распространения сигналов на значительные расстояния. Данный канал становится особенно опасным, если трубопровод соединен с какой-то жесткой и развитой поверхностью, которая играет роль согласующего элемента при передаче энергии из воздуха в трубопровод. Таким согласующим элементом, например, являются современные легкие радиаторы отопления. Таким образом, учитывая высокую важность речевой информации и рассмотренные возможности ее несанкционированного съема, необходимо рассмотреть всесторонние меры и средства защиты речевой информации.
# 5. Словесная разборчивость речи. Факторы, влияющие на словесную разборчивость речи. Классификация методик оценки разборчивости речи.
Введение в теорию разборчивости речи.
Разборчивость речи основана на оценке биологического сигнала, генерируемого человеком и воспринимаемого органами слуха. Важными факторами ее оценки являются условия, в которых воспроизводится и воспринимается речь. Наиболее объективной оценкой разборчивости речи является метрологическая. При метрологической оценке разборчивости речи возникают дополнительные факторы, которые необходимо учитывать. Важнейшими факторами, влияющими на точность оценки разборчивости речи, являются искусственные помехи. Присущие же акустическому речевому сигналу реверберационные помехи обусловлены переотражениями речевого сигнала в замкнутом объеме. Кроме того, акустический речевой сигнал искажается резонансными явлениями внутри замкнутого пространства. С учетом влияющих факторов должно быть установлено соответствие между величиной, характеризующей качество восприятия речевого сигнала, и полученным результатом ее измерения.
Речевой сигнал сложен по звуковому составу. Он включает гармонические и шумовые составляющие. Для метрологической оценки разборчивости речи важно обосновать выбор измерительного си гнала.
Измерительный сигнал формируют и генерируют, используя элементы речевого сигнала (слова, слоги). Из слов или слогов сформированы артикуляционные таблицы (таблицы разборчивости речи) по ГОСТ 7153-68. В таблице учтены статистические свойства русской речи подбором слов или слогов [2]. Измерительный сигнал, генерируемый с использованием артикуляционных таблиц, непосредственно реализуется артикуляционными бригадами [2].
Метод оценки разборчивости речи артикуляционными бригадами - сложный и трудоемкий. Неоспоримая ценность этого метода заключается в том, что установлены основные зависимости для получения аналитической модели оценки разборчивости речи.
В аппаратуре связи для контроля качества передачи речевого сигнала используют гармонический сигнал по ГОСТ 7153-68. Белый шум в полосе речевого сигнала для оценки качества передачи речевого сигнала используют при разбиении его на октавные либо третьоктавные полосы частот.
Обосновано и рекомендовано использование гармонического сигнала в качестве измерительного [2]. Предложены параметры и характеристики, необходимые для расчета разборчивости речи:
уровень спектральной плотности речевого сигнала, дБ;
уровень спектральной плотности фонового шума в речевом диапазоне частот, дБ.
Учитывая, что спектральная характеристика речевого сигнала частот зависима [2], кривая чувствительности уха неравномерна в полосе речевого сигнала [19], спектральная плотность фонового шумового си гнала экспоненциально спадает от нижних частот [8,20], распространение речевого си гнала зависит от затухания среды распространения. Среда распространения включает прохождение речевого си гнала через элементы конструкций и помещения [8] (окна, двери), инженерные элементы (воздуховоды, системы отопления, газо-, водоснабжения и др.). Полосу речевого си гнала разбивают нал полос равной разборчивости. В каждой n-й полосе излучается от 1 до т полос. Этим компенсируется погрешность, обусловленная неравномерностью АЧХ канала утечки информации. Преимущества метода, применяющего п гармонических измерительных частот для оценки разборчивости речи, рассматривается ниже.
Шумовые сигналы в полосе речевого сигнала либо в октавных, третьоктавных полосах измеряются шумомером [21]. Шумомеры, предназначенные для оценки характеристики шума, градуируются гармоническими сигналами. В отличие от гармонического измерительного сигнала, речевой сигнал, а также искусственные помехи, являются нестационарными.
Использование шумового си гнала в октавных полосах не исключает влияния на результаты измерений нестационарных искусственных помех окружающего пространства. Информативность канала утечки информации необходимо оценивать по единому критерию. Таким критерием является порог минимальной разборчивости речи. В этой связи измерительным сигналом должен использоваться гармонический сигнал, который легко выделять из шумов. Обоснованный выбор элементов системы информационной автоматизированной (СИЛ) исключает влияние на результаты измерений факторов (реверберация, резонансные явления в помещении).
Основной формой автоматизации является разработка специального программного обеспечения, аппаратного анализа случайных процессов. При автоматизированном аппаратурном анализе случайных процессов разборчивость речи оценивается в шумах высокого уровня при слабом сигнале (т. е. при отношении сигнал/шум «1) возникает погрешность аппаратурной аппроксимации.
Структурная схема акустической информационной системы приведена на рис. 3.1. Акустические и вибрационные поля, ослабленные средой распространения, распространяются за пределы контролируемой зоны и могут быть перехвачены акустическим приемником. Те же поля одновременно могут воздействовать на электрические цепи и из-за параметрической модуляции наводят информационные токи (напряжения), образуя, таким образом, электроакустический канал утечки. Кроме того, поля, воздействуя на ВЧ-генераторы сложной системы, параметрически модулируют ВЧ-колебания, которые образуют электромагнитные ВЧ-поля. Предметом теории разборчивости речи является раздел теории информации, представленный в форме научных знаний, дающий целостное представление о свойственных данному языку закономерностях истолкования речевых сообщений и существующих связей речевой информации при ее передаче окружающей средой.
Исходные положения теории:
основы корреляционной теории разборчивости речи для линейных и нелинейных каналов утечки речевой информации при слабых сигналах в шумах высокого уровня;
способы и средства защиты речевой информации, включая локализацию си гнала в каналах утечки информации пассивными, активными и компенсационными методами;
формирование маскирующих шумов для защиты речевой информации и оперативной оценки качества шума, метод снижения информативности демаскирующих признаков речи, метод диагностировали я каналов утечки информации в речевом диапазоне частот, теоретическое обоснование и практическая реализация совокупности научных положений и рекомендаций по созданию автоматизированной измерительной системы разборчивости речи и оценку ее погрешности; обоснование нормативного информационного показателя разборчивости речи для количественной оценки степени защищенности речи с учетом особенностей различных каналов утечки информации.
Принцип защиты информации заключается в снижении разборчивости речи в канале утечки информации ослаблением уровня излучаемого сигнала, увеличении затухания среды распространения, увеличении уровня маскирующих шумов, скрытности функционирования информационной системы. Для речевых сигналов критерием защищенности следует считать установленную величину разборчивости речи на выходе канала утечки информации. Факторами, учитываемыми при анализе защищенности акустических речевых сигналов, следует считать неравномерность спектральной плотности речевого сигнала [2], предельную бинауральную чувствительность уха в диапазоне речевого сигнала [19], затухание в элементах ограждающих конструкций [8], спектральную плотность фонового акустического шума [8, 20], исключая искусственные акустические шумы и реверберационные помехи.
Кроме того, разборчивость речи определяется отношением сигнал/ шум и шириной полосы речевого сигнала. Причем отношение сигнал /шум определяется на нескольких несовпадающих частотах для того, чтобы максимально учесть факторы, влияющие на величину разборчивости речи. Сужение полосы речевого сигнала снижает разборчивость речи. Качество передачи речи определяется величиной ее разборчивости. Корреляционный метод разборчивости речи учитывает: сужение полосы пропускания речевого сигнала; шумы высокого уровня и слабый сигнал; характеристики помещений;
неравномерности спектральной плотности речевого сигнала в диапазоне частот; чувствительность слуха в речевом диапазоне частот; затухание в диапазоне частот речевого сигнала элементами конструкции помещений; спектральную плотность шума и наличия искусственных составляющих шума.
Помещения искажают звуковые волны [22]. Акустическое поле определяется свойствами источника звука, геометрическими размерами помещений и их пропорциями, отражательными способностями элементов конструкции и фокусирующими способностями помещения. Многократные переотражения звуковых волн от элементов конструкции образуют сложное поле колебательного движения воздуха, которое затухает. Послезвучание, наблюдаемое в закрытых помещениях после выключения источника звука и обусловленное приходом в данную точку запоздавших или отраженных, или рассеянных звуковых волн, называют реверберацией [6]. В акустике принято измерять время реверберации как время с момента выключения источника до момента, когда уровень плотности звуковой энергии уменьшается на 60 дБ [23].
Плотность энергии определяется как отношение энергии Е, заключённой в элементе объема ДК, к величине этого объема [22]
Теория разборчивости речи построена в соответствии с физиологической особенностью человеческого уха по восприимчивости звуков различной тональности с различной интенсивностью. Метрологическая оценка разборчивости является наиболее объективной. Структура акустического сигнала весьма сложна по своему спектральному составу, поэтому при измерениях речь аппроксимируют совокупностью гармонических тонов и шумов различной интенсивности, оценка которых осуществляется в соответствии с артикулярной разборчивостью, в пределах октавных или треть-октавных полос.
Основным показателем эффективности оценивания речевого сигнала является порог минимальной разборчивости. Следовательно, основным критерием защищенности акустических каналов следует считать величину разборчивости речевого сигнала на выходе оцениваемого канала утечки информации. Помимо показателя разборчивости широко используется отношение сигнал/шум в заданной полосе. Очевидно, что сужение полосы анализа позволяет снизить абсолютное значение сигнал/шум, однако это ведь и к снижению общей разборчивости. Существенное значение на уровень разборчивости речи оказывает реверберация, обусловленная геометрическими особенностями замкнутых помещений. Корреляционные методы обработки лежат в основе теории оценивания речевых сигналов, поэтому основным показателем качества акустических сигналов, как правило, является коэффициент корреляционной разборчивости. Как правило оценка осуществляете я в 20 равноартикуляционных полосах, в крайнем случае - в 7 октавных полосах.
Показатель словесной разборчивости как производное общей разборчивости, служит основой методики оценки эффективности закрытия технических каналов утечки речевой информации. Для его расчета используется метод артикуляционных измерений на базе инструментально-расчетного подхода. Наиболее доступными, с точки зрения несанкционированного мониторинга, являются акустический, виброакустический и оптико-электронный каналы.
Выбор помехи при защите акустических каналов утечки осуществляется в соответствии с обеспечением минимума слоговой разборчивости речи. Следовательно, энергетический спектр оптимальной маскирующей помехи должен с точностью до постоянного множителя повторять спектр акустического сигнала.
# 6. Организация защиты речевой информации. Пассивные средства защиты выделенных помещений. Рекомендации и особенности установки.
При защите акустической информации необходимо выбирать максимально благоприятные условия расположения защищаемых помещений, установить длину контролируемой зоны, ограничить допуск сотрудников в защищаемые помещения, проводить специальные проверки как самих защищаемых помещений, так и технических средств расположенных в нем. Дополнительно можно применять системы защиты информации, звуко и виброизоляцию, экранирование, применение сертифицированных технических средств, локализацию соединительных линий в пределах контролируемой зоны, отключение технических средств от линии и питания.
К пассивным относятся:
При защите речевой информации от утечки за счет ВТСС, используют фильтрацию сигналов, зашумление и отключение цепи распространения сигнала.
studfiles.net
Добавить сайт в избранное
.jpg)
