Общая характеристика речевого сигнала

Звук - это распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания, воспринимаемые органами слуха и техническими средствами приема акустических сигналов.

Звуки составляют основу речи, которая служит главным средством общения между людьми.

Под акустической информацией обычно понимается информация, носителями которой являются акустические сигналы. В том случае, если источником информации является человеческая речь, акустическая информация называется речевой [1].

Источники акустических колебаний разделяют на:

· первичные – механические колебательные системы, например, органы речи человека, музыкальные инструменты, работающие технические устройства;

· вторичные – электроакустические преобразователи, преобразующие акустические колебания в электрические и обратно (пьезоэлементы, микрофоны, телефоны, громкоговорители и др.).

В соответствии с [2], под утечкой информации по техническому каналу понимается неконтролируемое распространение информации от носителя защищаемой информации через физическую среду до технического средства, осуществляющего перехват информации.

В зависимости от физической природы возникновения информационных сигналов, среды их распространения технические каналы утечки акустической (речевой) информации можно разделить на прямые акустические (воздушные), вибрационные, акустооптические (лазерные), акусто-электрические и акусто-электромагнитные (параметрические) [3].

Органы слуха человека способны воспринимать колебания частотой от 16-20 Гц до 16-20 кГц. Колебания с указанными частотами называют звуковыми. Неслышимый звук с частотой ниже 16 Гц называют инфразвуком, выше 20 кГц в пределах 1,5*10⁴ – 10⁹ Гц - ультразвуком, 10⁹ – 10^13. Гц – гиперзвуком.

Звуковые колебания характеризуются звуковым давлением, интенсивностью звука, громкостью, мощностью звука.

Энергетической характеристикой звуковых колебаний является интенсивность звука, которая зависит от амплитуды звукового давления, а также от свойств среды распространения и формы волны.

Среднее по времени значение мощности звука, отнесенное к единице площади, называют интенсивностью звука (силой звука).

Интенсивность звука оценивается уровнем интенсивности по шкале децибел:

N = 10 lg (J/J₀), (1)

где J - интенсивность данного звука.

J₀ = 10^-12 Вт/м². (2)

Одной из характеристик любой произвольной точки звукового поля является звуковое давление, вызываемое переменной составляющей звуковой волны.

Звуковое давление – это переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Измеряется в паскалях [Па].

Звуковое давление в воздухе изменяется от 10^-5 Па вблизи порога слышимости до ~10³Па – болевого порога при самых громких звуках, например шуме реактивного самолета. При средней громкости разговора переменная составляющая звукового давления порядка 0,1 Па.

Иногда для характеристики звука применяется уровень звукового давления, выраженного в децибелах (дБ) - отношение величины данного звукового давления Р к пороговому значению звукового давления равному Р₀ = 2·10^-5 Па:

N = 20 lg (P/P₀) (3)

Плоскость между порогом слышимости и болевым порогом называют плоскостью слышимости. Эта плоскость характеризуется следующими данными (рис.1.1):

· по частоте колебаний 20Гц - 20 кГц;

· по звуковому давлению 0 -140 дБ.

Область разговорной речи (рис.1.1) обозначена горизонтальной штриховкой (по частоте колебаний 0,2-4,0 кГц, по звуковому давлению 35-85 дБ), негромкой музыки - вертикальной штриховкой.

Рис. 1.1. Плоскость слышимости уха

 

С интенсивностью звука связана громкость звука - величина, характеризующая слуховое ощущение от данного звука. Громкость звука сложным образом зависит от звукового давления (интенсивности звука). При неизменной частоте и форме колебаний громкость звука растет с увеличением интенсивности звука (звукового давления). При одинаковом звуковом давлении громкость звука гармонических колебаний различной частоты различна, т.е. на разных частотах одинаковую громкость могут иметь звуки разной интенсивности.

Громкость звука данной частоты оценивают, сравнивая ее с громкостью чистого тона частотой 1000 Гц. Уровень звукового давления (в дБ) чистого тона с частотой 1000 Гц, столь же громкого, как и измеряемый звук, называют уровнем громкости данного звука в фонах.

Весь диапазон интенсивностей, при которых волна вызывает в человеческом ухе звуковое ощущение (от 10^-12 до 10 Вт/м²), соответствует значениям уровня громкости от 0 до 130 дБ. В табл. 1.1 приведены ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков.

Таблица 1. 1

Ориентировочные значения уровня громкости для некоторых звуков

 

Оценка громкости звука на слух	Уровень звука, дБ	Источник звука
Очень тихий		Усредненный порог чувствительности уха Тихий шепот (1,5м)
Тихий		Тиканье настенных механических часов Шаги по мягкому ковру (3-4м) Тихий разговор
Умеренный		Легковой автомобиль (10-15м) Улица средней шумности
Громкий		Спокойный разговор (1м) Крик
Очень громкий		Шумная улица Симфонический оркестр
Оглушительный		Пневмомолот Гром над головой Звук воспринимается как боль