Электроакустика и звуковое вещание: Конспект лекций

 

УДК 621.396.7 
ББК 32.884.8 
     М71 

 
Р е ц е н з е н т ы :  доктор техн. наук, профессор  В. Н. Безруков; доктор техн. 
наук, профессор  А. А. Волков 

Мишенков С. Л., Попов О. Б.  
М71   Электроакустика и звуковое вещание: конспект лекций. Учебное 
пособие для вузов. – М.: Горячая линия – Телеком, 2011. –  156 с., ил. 
ISBN 978-5-9912-0161-2. 
Звуковое вещание было и будет востребованным в общем ряду с   большим 
количеством альтернативных источников информации. Обработка «сопровождает» звуковой вещательный сигнал (ЗВС) от пульта звукорежиссера до абонентского приемника и при аналоговой, и при цифровой передаче.  Цель обработки заключается в согласовании свойств сигнала, как с особенностями слухового восприятия в помещении прослушивания, так и с возможностями канала 
передачи. В книге рассмотрены основные характеристики сигналов и каналов 
звукового вещания; базовые процедуры, используемые при цифровой обработке ЗВС; способы представления и основные алгоритмы обработки сигнала в канале звукового вещания, включая анализ искажений сигнала на всех этапах его 
передачи – при первичном цифровом преобразовании и компактном представлении, в процессе ручного регулирования уровня и аудиопроцессорной обработки. Особое внимание уделено алгоритмам обработки ЗВС, а также проблемам объективной оценки качества вещательного сигнала в системах, не нормируемых в рамках современного метрологического обеспечения и не отраженных в известных нам учебных изданиях. 
Для студентов, обучающихся по специальностям 201100 – «Радиосвязь, радиовещание и телевидение» и 201200 – «Средства связи с подвижными объектами», будет полезно соискателям магистерской степени по системам телекоммуникаций, а также специалистам эксплуатационных служб радиосвязи, радиовещания и телевидения. 

 
Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 

 
Учебное издание 

Мишенков Сергей Львович, Попов Олег Борисович 
Электроакустика и звуковое вещание: конспект лекций 
Учебное пособие  

Редактор  Ю. Н. Чернышов 
Компьютерная верстка  Ю. Н. Чернышова 
Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано в печать  20.08.2010.  Печать офсетная. Формат 60×88/16. Уч. изд. л. 9,75.  Тираж 500 экз. 
 
ISBN  978-5-9912-0161-2                                   © С. Л. Мишенков, О. Б. Попов, 2011 
   © Оформление издательства 
                                                                                          Горячая линия–Телеком, 2011
 

Список сокращений

АКСО — аппаратура комплексного статистического оценивания
АМ — амплитудная модуляция
АП — аудиопроцессор
АРГО — автоматический регулятор уровня по гильбертовской огибающей
АРУР — автоматический регулятор уровня
АЦП — аналого-цифровое преобразование
АЧХ — амплитудно-частотная характеристика
БПФ — быстрое преобразование Фурье
ВЧ — высокочастотный, высокие частоты
ГО — гильбертовская (аналитическая) огибающая
ДВРФ — дискретно—временной ряд Фурье
ДКП — дискретное косинусное преобразование
ДПФ — дискретное преобразование Фурье
ЗВ — звуковое вещание
ЗС / ЗВС — звуковой сигнал / звуковой вещательный сигнал
ИАОС — интегральное абсолютное отклонение статистик
ИКМ — импульсно-кодовая модуляция
ИО — интегральное отклонение
КЗВ — канал звукового вещания
МАС — мгновенный амплитудный спектр (спектральный параметр
сигнала)
МДКП — модифицированное дискретное косинусное преобразование
МК — мгновенное компандирование
МКЗВ — междугородный канал звукового вещания
МКСО — метод комплексного статистического оценивания
НЧ — низкочастотный, низкие частоты
ОВЧ — диапазон очень высоких частот (30...300 МГц)
ОСКО — относительное среднеквадратическое отклонение
ОСМ — относительная средняя мощность (энергетический параметр сигнала)
ОСШ — отношение сигнал-шум
ПАМ — психоакустическая модель
ПГ — преобразование Гильберта
ПК — персональный компьютер
ПМК — почти мгновенное компандирование
ПО — программное обеспечение
ПТЭ — правила технической эксплуатации
РВ — радиовещание
РВС — радиовещательная станция
РС — речевой сигнал
СКО — среднеквадратическое отклонение

Список сокращений

СП — сигнал придыхания
СЗВ — сигнал звукового вещания
СПМ — спектральная плотность мощности
ССИ — субъективно-статистические испытания
СЧ — среднечастотный, средние частоты
ТВРП — тракт вторичного распределения
ТПРП — тракт первичного распределения
ТФП — тракт формирования программ
ФВЧ — фильтр высоких частот
ФНЧ — фильтр низких частот
ФОС — фронт огибающей сигнала (параметр формы сигнала)
ФЧХ — фазо-частотная характеристика
ЦАП — цифро-аналоговое преобразование
ЦСП — цифровая система передачи
ЦУМСК — цифровое устройство маскирования в стереофонических
каналах
ЧМ — частотная модуляция
ЭКЗВ — электрический канал звукового вещания
AES — Audio Engineering Society — общество аудиоинженеров
ACR — absolute category rating — шкала абсолютного шкалирования
CCR — Comparison Category Rating — сравнительная оценка
качества
CELP — Code-Excited Linear Prediction — линейное предсказание с
кодовым возбуждением
DCR — Degradation Category Rating — оценка деградации качества
DNL — Dynamic Noise Limiter — пороговый шумоподавитель
DSD — Direct Stream Digital — однобитный цифровой формат
FFT — Fast Fourier Transform — быстрое преобразование Фурье
ISO — International Organization for Standardization — Международная организация по стандартизации
ITU — International Telecommunications Union — Международный
союз электросвязи (МСЭ)
LPC — Linear predictive coding — кодирование (речи) методом линейного предсказания
MELP — Mixed Exitation Linear Prediction — кодек LPC со смешанным
возбуждением
MOS — Mean Opinion Score — средняя оценка мнений; средняя субъективная оценка
MPEG — Moving Picture Expert Group and associated audio (при ISO) —
формат сжатия данных
RMS — Root Mean Square — среднеквадратическое значение (аналог
ОСМ)
SBR — spectral band replication — расщепления полосы спектра

Введение

Звуковое вещание (ЗВ) и телевидение (ТВ) стали неотъемлемой
частью жизни общества, важным средством политического, эстетического и нравственного воздействия на население.
Одним из главных преимуществ ЗВ является первичность слухового восприятия перед визуальным как средства доставки смысловой информации. Просмотр ТВ передач предполагает прекращение
всякой полезной деятельности, в отличие от ЗВ, при прослушивании
программ которого возможно продолжение работы. В ряде случаев
такое прослушивание просто необходимо, например передачи для водителей знакомят их с дорожной обстановкой и помогают не заснуть.
Специально подобранные музыкальные программы позволяют увеличить производительность труда на конвейере на 5...7 %, удои коров на
20 %, яйценоскость кур на 10...15 %, урожайность зерновых на 30 %.
Еще в древней Греции отмечали благотворное влияние музыки
на организм человека. Комплексное воздействие гармонического ряда частот является катализатором для выработки ряда необходимых
организму гормонов. На основе звуковых вибраций работает популярный медицинский прибор «Витафон». Мурлыканье кошек не только
является мощным стимулятором жизнедеятельности для самого животного, но и благотворно воздействует на человека.
Так называемая «плотная», физиологическая музыка (металл, рок
и т.д.) действует угнетающе, но способствует выработке организмом
человека эндоморфинов (внутренних наркотиков). Все дальнейшее —
как при приеме обычных наркотиков:
привыкание, необходимость
увеличения громкости и дозы. При прослушивании такой музыки 4–5
месяцев через головные телефоны происходит необратимое снижение
слуха в области высоких частот, а через 3 месяца — снижение коэффициента умственного развития IQ на 20–30 пунктов (при среднем их
количестве 130–140).
Возможности РВ в деле формирования единомыслия были по достоинству оценены В.И. Лениным, писавшим, что вся страна должна
слушать газету и декреты, читаемые в Москве. Рупор, непрерывно
воспроизводящий звуковой сигнал, стал неотъемлемой частью пейзажа любой деревни, а так как большая часть современного населения
городов — горожане первых поколений, то потребность в непрерыв

Введение

. B.1.
«Слушаете ли вы радио?»
Данные опроса 1500 респондентов из 65
городов России, проведенного в марте
1999 г. [1]

ном прослушивании, при максимальной громкости, радиопрограмм у
многих заложена генетически и, по-видимому, необходима для функционирования организма.
Большая часть вопросов, которые могут возникнуть у студентов
при изучении курса радиовещания, подробно рассмотрена в учебниках и пособиях преподавателей кафедры: В.В. Фурдуева, И.Е. Горона, М.А. Сапожкова, В.А. Нюренберга, Н.Т. Молодой, Л.З. Папернова,
М.В. Гитлица, А.П. Ефимов, С.Л. Мишенкова, О.Б. Попова, в которых
кратко и доходчиво изложены основные понятия курса. Некоторые
вопросы, тщательность изложения которых в литературе вызывает
затруднения при изучении, в силу недостатка времени у обучающихся будут кратко изложены в электронном конспекте лекций.
Под вещанием подразумевается циркулярная передача необходимой обществу информации неограниченному количеству территориально рассредоточенных пользователей. Исторически термин «звуковое вещание» часто подменяется бытовым термином «радиовещание»,
хотя доставка программ слушателю происходит по радио- и проводным (кабельным) каналам.
. Радиовещание по-прежнему, несмотря на популярность телевидения, остается основным источником информации для миллионов людей, ежедневно включающих свои радиоприемники.
Российское радиовещание, отметившее свой 75-летний юбилей,
переходит на современные цифровые технологии производства.
В стране сосуществуют общероссийское, региональное и местное
вещание с государственными, муниципальными и частными формами
собственности. Однако объединяет всех российских радиовещателей
то, что подавляющее большинство из них не являются владельцами
радиопередающих средств с соответствующими вещательными частотами, а арендуют их. Радиовещание в России регулярно слушает более
80 % населения нашей страны (рис. B.1).
Радиовещание в стране ведется в диапазонах километровых, гектометровых, декаметровых и метровых волн (длинных, средних, коротких, ультракоротких) и через сети одно- и трехпрограммного проводного звукового вещания. Передачи эфирного радиовещания ведутся более чем через 2200 вещательных передатчиков по всей России.

Введение
7

. B.2. Охват аудитории общероссийскими радиостанциями

Суммарный охват населения радиовещанием приближается к 100 %
(рис. B.2).
Сеть проводного вещания охватывает до 90 % городского населения страны, и, по прежнему, влияние программ проводного вещания
на слушательскую аудиторию очень велико.
Но для сельской и малонаселенной местности основными каналами охвата населения радиопрограммами является уже не проводное,
а эфирное радиовещание в диапазонах длинных, средних и метровых
волн. В городах также есть причины для снижения роли проводного
вещания как основного канала. С появлением коммерческого радиовещания в крупных российских городах большую популярность приобрели частоты верхней части метрового диапазона волн, выделенные
для вещания 88...108 МГц (или, в обиходе, ФМ) (рис. B.3).
Во всех крупных городах нашей страны практически исчерпан
имеющийся частотный ресурс для развития этого вида радиовещания.
Основные пути увеличения числа распределяемых программ радиовещания — увеличение числа диапазонов для звукового вещания и
применение новых видов модуляции. Необходимы:
• демилитаризация частотного спектра (в этом направлении организациями, отвечающими в России за распределение и использование частотного спектра, ведется работа по снижению ограничений на использование частот для телевизионного и звукового
радиовещания);
• переход к европейской системе Т-DAB многопрограммного цифрового радиовещания, для чего в Российской Федерации выделен
диапазон 215...240 МГц, и к цифровому радиовещанию DRM в
диапазонах ниже 30 МГц.

Введение

. B.3. Распределение предпочтений слушателей различных диапазонов
эфирных частот

В 1999 г. В России принята «Концепция и программа внедрения
цифрового вещания в стране», предусматривающая трехэтапный процесс перехода на цифровое радиовещание, который займет не менее
15 лет.
Для России актуально использование радиовещания в диапазонах
с АМ на длинных и средних волнах. В самых больших городах мира
наиболее популярны именно средневолновые радиостанции с АМ для
автоводителей, которые передают актуальную и оперативную информацию. Сети маломощных средневолновых радиопередатчиков, расположенных вдоль дорог и синхронно работающих на одной частоте,
способны пробить стену «радиомолчания» для аудитории автоводителей и пассажиров на протяженных российских автомагистралях.

Г Л А В А
1
СИГНАЛЫ ЗВУКОВОГО ВЕЩАНИЯ
И ИХ ВОСПРИЯТИЕ

1.1. Звуковое поле

Под звуковым полем понимают объем упругой среды, обычно
воздушной, в которой распространяются звуковые волны (колебания).
При деформации упругой среды в каком-либо элементарном участке
в соседних с ним участках возникают последовательные во времени
сжатия и разряжения среды. Этот процесс распространяется далее с
определенной скоростью так, что в объеме возникает звуковая волна.
В воздушной и жидкой среде направление распространения волны
совпадает с направлением излучения звука; такие волны называют
продольными. В твердотельных упругих средах, кроме продольных
волн, образуются поперечные и поверхностные.
Скорость распространения звуковых волн в атмосфере при нормальных температуре и давлении близка к значению cзв = 340 м/с,
принятому в вещании за расчетную. Однако в зависимости от изменения указанных параметров она может несколько изменяться. В средах с большой плотностью (жидких, твердых) скорость распространения соответственно повышается. В неограниченном пространстве
звук распространяется в виде бегущей волны. Длина звуковой волны
λ связана с частотой колебаний F и их периодом Т соотношением

λ = cзв/F = cзвT,
(1.1)

где T измерено в секундах, а F — в герцах.
Диапазон частот акустических колебаний F, слышимых человеком, от 16...25 Гц до 18...20 кГц. Ниже границы звукового диапазона
расположен диапазон инфразвуковых частот.
Выше звукового диапазона располагается диапазон ультразвуковых колебаний. Ультразвук для человека неслышим, но широко используется в радиоэлектронике для создания устройств, служащих для
обработки радиотехнических сигналов, например фильтров, линий задержки, преобразователей формы сигналов (в миниатюрном исполнении с использованием принципа поверхностных акустических волн —
ПАВ). При распространении звуковой волны в каждом из участков
звукового поля наблюдаются периодические колебания частиц среды:
сжатия и разряжения (рис. 1.1).

Г л а в а 1

. 1.1. Распространение звуковой
волны

Такие локальные колебания
характеризуются
знакопеременным (колебательным) смещением
частиц, отклонением их от первоначального статического положения.
Скорость колебательного
движения частиц среды при распространении в ней звуковой волны называется колебательной скоростью V . Не путать V со скоростью распространения cзв звуковой
волны.
Колебательная скорость возрастает при повышении частоты и амплитуды акустического сигнала, однако она на несколько порядков
меньше cзв. Если в заданной точке звукового поля в некоторый момент частицы среды смещаются в направлении распространения звуковой волны, то направление вектора колебательной скорости считают положительным, в противоположном случае — отрицательным.
Поочередное сжатие и разряжение в данном участке поля вызывает
изменение давления относительно его статического значения (атмосферного). Разность между мгновенными значениями давления при
сжатиях и разряжениях среды в данной точке относительно статического атмосферного давления называется звуковым давлением Pзв.
Таким образом, звуковое давление считают положительным в фазе
сжатия и отрицательным в фазе разряжения (рис. 1.2). Звуковое давление является скалярной знакопеременной величиной, измеряется в
паскалях; это функция текущего времени и координат точки измерения (1 Па = 1 Н/м2). Звуковые давления, характерные для звука,
воспринимаемого человеком, 10−5...20 Па.
Другим важным параметром звукового поля является интенсивность Iзв (или сила) звука. Под этим параметром понимают поток

. 1.2. Поле плоской (а) и сферической (б) звуковых волн