Звук і форми його представлення
Як ми вже з'ясували, звук - це чутні людиною коливання, що поширюються в просторі. Що ж є звуком в аудіо апаратурі?
У звуковій апаратурі звук представляється або безперервним електричним сигналом або набором цифр (нулів і одиниць). Апаратура, в якій робочий сигнал є безперервним електричним сигналом, називається аналоговою апаратурою (наприклад, побутовий радіо приймач або стерео підсилювач), а сам робочий сигнал - аналоговим сигналом.
Перетворення звукових коливань в аналоговий сигнал можна здійснити, наприклад, наступним способом. Мембрана з тонкого металу з намотаною на неї котушкою індуктивності, підключена в електричний ланцюг і така, що знаходиться в полі дії постійного магніта підкоряючись коливанням повітря і коливаючись разом з ним, викликає відповідні коливання напруги в ланцюзі. Ці коливання як би моделюють оригінальну звукову хвилю. Приблизно так працює звичний для нас мікрофон. Отриманий в результаті такого перетворення аналоговий аудіо сигнал може бути записаний на магнітну стрічку і згодом відтворений.
Аналоговий сигнал за допомогою спеціального процесу (про нього ми говоритимемо пізніше) може бути представлений у вигляді цифрового сигналу - деякої послідовності чисел. Таким чином, аналоговий звуковий сигнал може бути "введений" в комп'ютер оброблений цифровими методами і збережений на цифровому носії у вигляді деякого набору дискретних значень, що описують його.
Важливо зрозуміти, що аналоговий або цифровий аудіо сигнал - це лише форми представлення звукових коливань матерії, придумана людиною для того, щоб мати можливість аналізувати і обробляти звук. Безпосередньо аналоговий або цифровий сигнал в його початковому виді не може бути "почутий". Щоб відтворити закодоване в цифрових даних звучання, необхідно викликати відповідні коливання повітря, тому що саме ці коливання і є звук. Це можна зробити лише шляхом організації вимушених коливань деякого предмета, розташованого в повітряному просторі (наприклад, дифузора гучномовця). Коливання предмета викликають коливаннями напруги в електричному ланцюзі. Ці самі коливання напруги і є аналоговий сигнал. Так, щоб "прослухати" цифровий сигнал, необхідно повернутися від нього до аналогового сигналу. А щоб "почути" аналоговий сигнал треба з його допомогою організувати коливання дифузора гучномовця.
Як ми чуємо? Психоакустика.
Слухова система людини - складний і в той же час дуже цікаво влаштований механізм. Щоб ясніше уявити собі, що для нас є звук, треба розібратися з тим, що і як ми чуємо.
У анатомії вухо людини прийнято ділити на три складові частини: зовнішнє вухо, середнє вухо і внутрішнє вухо. До зовнішнього вуха відноситься вушна раковина, що допомагає сконцентрувати звукові коливання, і зовнішній слуховий канал. Звукова хвиля, потрапляючи у вушну раковину проходить далі, по слуховому каналу (його довжина складає близько 3 см, а діаметр - близько 0.5) і потрапляє в середнє вухо, де ударяється об барабанну перетинку, що є тонкою напівпрозору мембрану.
Барабанна перетинка перетворить звукову хвилю у вібрації (посилюючи ефект від слабкої звукової хвилі і послабляючи від сильної). Ці вібрації передаються по приєднаних до барабанної перетинки кісточках - молоточку, ковадлі і стремінці - у внутрішнє вухо що є завитою трубкою з рідиною діаметром близько 0.2 мм і довгою близько 4 см Ця трубка називається равликом. Усередині равлика знаходиться ще одна мембрана, що називається базилярною, яка нагадує струну завдовжки 32 мм уздовж якої розташовуються чутливі клітини (більше 20 тисяч волокон). Товщина струни на початку равлика і у її вершини різна. В результаті такої будови мембрана резонує різними своїми частинами у відповідь на звукові коливання різної висоти. Так високочастотний звук зачіпає нервові закінчення, розташовані на початку равлика, а звукові коливання низької частоти - закінчення в її вершині. Механізм розпізнавання частоти звукових коливань досить складний. В цілому він полягає в аналізі місцерозташування нервових закінчень, що торкнулися коливаннями, а також в аналізі частоти імпульсів, що поступають в мозок від нервових закінчень.
Основну інформацію про звукові коливання мозок отримує в області до 4 кГц. Цей факт виявляється цілком логічним, якщо врахувати, що усі основні життєво необхідні людині звуки знаходяться саме в цій спектральній смузі, до 4 кГц (голоси інших людей і тварин шум води, вітри і інш.). Частоти вище 4 кГц являються для людини лише допоміжними, що підтверджується багатьма дослідами. В цілому, прийнято вважати, що низькі частоти "відповідальні" за розбірливість, ясність аудіо інформації а високі частоти - за суб'єктивну якість звуку. Слуховий апарат людини здатний розрізняти частотні складові звуку в межах від 20-30 Гц до приблизно 20 КГц. Вказана верхня межа може коливатися залежно від віку слухача і інших чинників.
Гучність звуку - це одно з тих понять, які ми вживаємо щодня, не замислюючись при цьому над тим, який фізичний сенс воно несе. Гучність звуку - це психологічна характеристика сприйняття звуку, що визначає відчуття сили звуку. Гучність звуку хоча і жорстко пов'язана з інтенсивністю, але наростає непропорційно збільшенню інтенсивності звукового сигналу. На гучність впливає частота і тривалість звукового сигналу. Щоб правильно судити про зв'язок відчуття звуку (його гучність) з роздратуванням (рівнем сили звуку), треба враховувати, що зміна чутливості слухового апарату людини не точно підкоряється логарифмічному закону.
Існують декілька одиниць виміру гучності звуку. Перша одиниця - "фон" (у англ. позначенні - " phon"). Говорять, "рівень гучності звуку складає n фон", якщо середній слухач оцінює сигнал як рівний по гучності тону з частотою 1000 Гц і рівнем тиску в n дБ. Фон, як і децибел, по суті не є одиницею виміру, а є відносною суб'єктивною характеристикою інтенсивності звуку. На мал. представлений графік з кривими рівної гучності.
Кожна крива на графіці показує рівень рівної гучності з початковою точкою відліку на частоті 1000 Гц. Інакше кажучи, кожна лінія відповідає деякому значенню гучності, виміряної у фонах. Наприклад, лінія "10 фон" показує рівні сигналу в дБ на різних частотах сприйманих слухачем як рівні по гучності сигналу з частотою 1000 Гц і рівнем 10 дБ. Важливо помітити, що приведені криві не є еталонними, а приведені в якості прикладу. Сучасні дослідження ясно свідчать що вид кривих достатньою мірою залежить від умов проведення вимірів, акустичних характеристик приміщення, а також від типу джерел звуку (гучномовці, навушники). Таким чином, еталонного графіку кривої рівної гучності не існує.
Важливою деталлю сприйняття звуку слуховим апаратом людини є так званий поріг чутності - мінімальна інтенсивність звуку, з якою починається сприйняття сигналу. Як ми бачили рівні рівної гучності звуку для людини не залишаються постійними зі зміною частоти. Іншими словами, чутливість слухової системи сильно залежить як від гучності звуку, так і від його частоти. Зокрема, і поріг чутності також не однаковий на різних частотах. Наприклад, поріг чутності сигналу на частоті близько 3 кГц складає трохи менше 0 дБ, а на частоті 200 Гц - близько 15 дБ. Навпаки, больовий поріг чутності мало залежить від частоти і коливається в межах 100 - 130 дБ. Графік порогу чутності представлений на мал. 6. Звернемо увагу що оскільки, гострота слуху з віком міняється, графік порогу чутності у верхній смузі частот різний для різних віків.
Частотні складові з амплітудою нижче порогу чутності (тобто що знаходяться під графіком порогу чутності) виявляються непомітними на слух.
Цікавим і виключно важливим є той факт, що поріг чутності слухової системи, також як і криві рівної гучності, є непостійним в різних умовах. Представлені вище графіки порогу чутності справедливі для тиші. У разі проведення дослідів по виміру порогу чутності не в повній тиші, а, наприклад, в зашумленной кімнаті або за наявності якогось постійного фонового звуку, графіки виявляться іншими. Це, загалом, зовсім не дивно.
Адже йдучи по вулиці і розмовляючи із співрозмовником, ми вимушені переривати свою бесіду, коли повз нас проїжджає яку-небудь вантажівку, оскільки шум вантажівки не дає нам чути співрозмовника. Цей ефект називається частотним маскуванням. Причиною появи ефекту частотного маскування є схема сприйняття звуку слуховою системою. Потужний по амплітуді сигнал деякої частоти f m викликає сильні обурення базилярної мембрани на деякому її відрізку. Близький по частоті але слабкіший по амплітуді сигнал з частотою f вже не здатний вплинути на коливання мембрани, і тому залишається "непоміченим" нервовими закінченнями і мозком.
Ефект частотного маскування справедливий для частотних складових, присутніх в спектрі сигналу в один і той же час. Проте з причини інерційності слуху, ефект маскування може поширюватися і в часі. Так деяка частотна складова може маскувати іншу частотну складову навіть тоді, коли вони з'являються в спектрі не одночасно, а з деякою затримкою в часі. Цей ефект називається тимчасовим маскуванням. У випадку коли маскуючий тон з'являється за часом раніше маскованого, ефект називають пост-маскировкой. У разі ж, коли маскуючий тон з'являється пізніше за масковане (можливий і такий випадок), ефект називає пре-маскировкой.