2. ОСОБЕННОСТИ СЛУХОВОГО ВОСПРИЯТИЯ

Восприятие по частоте. Слух, воспринимая сложное звуковое колебание, действует подобно частотному анализатору, т. е. фиксирует амплитуды частоты спектральных составляющих колебания. Полосы пропускания элементарных резонаторов слуха, определяемые на уровне 0,707, на частотах выше 500 Гц составляют примерно 5% от средней частоты, на низких частотах — 7—10%. Эти полосы получили название критических полос слуха. В звуковом диапазоне частот, в зависимости от силы звука, ухо регистрирует от 150 до 250 градаций по частоте. Ухо очень чувствительно к изменениям частоты и может различать синусоидальные колебания, отличающиеся по частоте на 0,2%, в диапазоне 500—4000 Гц.

Гармонические и периодические колебания сложной формы воспринимаются органом слуха как звуки, имеющие определенную высоту тона. Чем больше основная частота, тем выше тон звука. На слух различие тона по соте между двумя .звуками будет одинаково, если одинаково отношение частот этих звуков. Например, звуки с частотами 100 и 200 Гц различаются высоте тона так же, как и звуки с частотами 3000 и 6000 Гц. Таким образом, координатная ось с логарифмическим масштабом по частоте является осью с линейным масштабом по высоте тона. Расстояние по высоте тона называется интервалом. Интервалы измеряют в октавах или ее частях. Если отношение частот равно 2, то такой интервал называется октавой, у полуоктавы отношение частот равно . В общем случае октавность (п) определяется как п =log₂(f₂/f₁). При п = 1/3 получим f₂/f₁ =, и такой интервал называется третьоктавой. Звуковой диапазон частот содержит примерно 10 октав.

Сложные звуковые колебания, имеющие одинаковые основные частоты, но отличающиеся по форме, воспринимаются на слух как звуки, имеющие разную «окраску», или, иначе говоря, разный тембр.

 

Восприятие по амплитуде. Звуковые колебания воспринимаются на слух как звуки, имеющие определенную громкость. Наименьшее значение интенсивности звука, которое вызывает ощущение громкости, называется порогом слышимости. Частотная зависимость порога слышимости изображена на рис. 1 [100]. Порог слышимости наименьший в диапазоне 1—5 кГц. На частоте 1000 Гц пороговое значение интенсивности звука равно 10^-12 Bt/m² а давления — 2 • 10^-5 Па. Как указывалось ранее, уровни этих величин приняты за нулевые. С увеличением интенсивности звука растет и ощущение ее громкости. Однако это происходит лишь до тех пор, когда дальнейшее повышение интенсивности звука, не изменяя ощущения громкости, вызывает болевые ощущения. Наименьшее значение интенсивности звука, которое вызывает ощущение боли, определяется порогом болевого ощущения (порогом осязания). Динамический диапазон слуха (D_c) есть разность уровней интенсивности звука, соответствующих порогу осязания и порогу слышимости. На средних частотах D_с≈120...130 дБ.

 

 

Рис. 1. Кривые равной громкости.

 

 

Изменение интенсивности звука вызывает изменение громкости лишь тогда, когда первая изменяется на определенную величину, т. е. при непрерывном изменении интенсивности звука, ощущение громкости меняется не непрерывно, а дискретно, т. е. скачками. Такие скачки называют порогом различения интенсивности [100]. При небольших громкостях величина скачка (градации) равна на 2—3 дБ, а с повышением громкости уменьшается до 0,4 дБ. Можно считать, что по диапазону от порога слышимости до порога осязания величина элементарного скачка составляет в среднем 0,8—1 дБ. Общее число различимых ухом градаций силы звука в диапазоне средних частот составляет 250, на низких и средних частотах оно уменьшается, так что в среднем по звуковому диапазону составляет 150.

Для количественной оценки громкости применяется метод субъективного сравнения [107]. В соответствии с этим методом эталонный звук (в качестве эталонного применяется тон с частотой 1000 Гц) уравнивается по громкости с исследуемым, полученный при этом уровень эталонного звука и принимается в качестве уровня громкости исследуемого звука. Единица измерения уровня громкости — фон. Таким образом, на частоте 1000 Гц уровень громкости (в фонах) совпадает с уровнем силы звука (в децибелах).

На рис. 1 показаны частотные зависимости кривых равной громкости. Параметром кривых является уровень громкости; каждая кривая показывает, каким образом с изменением частоты должен изменяться уровень интенсивности звука, чтобы громкость синусоидальных сигналов оставалась неизменной. Отметим одну особенность, которая определяется формой кривых равной громкости: при изменении уровня интенсивности уровень громкости на низких частотах изменяется сильнее, чем на средних и высоких частотах. Следовательно, частотно-независимая регулировка уровня в звуковоспроизводящих устройствах приводит к более резкому изменению громкости низкочастотных составляющих сигнала, т. е. к искажению тембра сигнала. Поэтому в высококачественных звуковоспроизводящих устройствах рекомендуется применять тонкомпенсированные регуляторы уровня.

При измерении различного рода акустических шумов и помех необходимо также учитывать свойства слухового восприятия. В шумомерах, например, для этой цели используется три вида частотных характеристик — А, В, С. Характеристика А применяется для измерения шумов с уровнем громкости 20—55 фон, В — с уровнем 55—85 фон, С — с уровнем выше-85 фон. Характеристика С прямолинейная, а характеристики А и В — обратны к изофонам с уровнями громкости, равными соответственно 40 и 70 фон.

Временные характеристики слуха. Орган слуха обладает определенной инерционностью при восприятии быстро нарастающих звуков. Ощущение громкости, близкое к предельному, возникает примерно через 50 мс после появления звукового импульса [40, 100], что свидетельствует об интегрирующей способности слуха.

Слух обладает и «памятью» — ощущение громкости исчезает лишь спустя некоторое время после исчезновения сигнала. Время, в течение кото­рого ощущение по уровню громкости уменьшается на 8—10 фон, называется постоянной времени слуха [100]. Постоянная времени слуха равна 150— 200 мс. Наличие у слуха «памяти» объясняет тот известный факт, что за­паздывающие повторения сигнала не воспринимаются как раздельный сигнал, если время запаздывания не превышает 50 мс. Происходит это потому, что за время 50 мс ощущение от прямого сигнала уменьшается незначительно (при мгновенном исчезновении сигнала ощущение уменьшилось бы примерно на 3 фона) и запаздывающий сигнал принимается как продолжение прямого.

Нелинейные свойства слуха. Синусоидальный сигнал с большим уровнем воспринимается на слух как сигнал, имеющий гармонические составляющие. Если, например, уровень исходного колебания 100 дБ, то уровни субъективно ощущаемых вторых и третьих гармоник равны соответственно 88 и 74 дБ [100]. Колебание сложной формы с достаточно высоким уровнем может привести к появлению субъективных комбинационных составляющих, причем разностные составляющие воспринимаются на слух как более мощные по сравнению с суммарными.

Маскировка звука. Мешающий сигнал повышает порог слышимости полезного сигнала. Это явление называется маскировкой. Количественно маскировка оценивается величиной, указывающей, на сколько децибел повышается порог слышимости полезного сигнала в присутствии шумов по сравнению с его порогом слышимости в тишине. Различают маскировку «снизу вверх» и «сверху вниз». В первом случае помеха по частоте находится ниже частот сигнала, во втором — выше. Маскировка «снизу вверх» оказывает большее мешающее действие. Если частота гармонического сигнала располагается внутри полосы шума, то маскировка увеличивается с возрастанием полосы шума, пока последняя не достигнет критической полосы. Дальнейший рост полосы шума приводит к незначительному увеличению маскировки.

Бинауральный эффект. Способность органа слуха определять направление на источник звука называется бинауральным эффектом. Точность, с которой может быть определено направление на источник звука в горизонтальной плоскости, достаточно высока, ошибка составляет 3—4. Можно указать три причины, которые способствуют правильному определению направления на источник звука. К уху, расположенному дальше от источника, сигнал приходит с небольшим запаздыванием во времени по отношению к другому уху, по этой разности во времени человек может судить о направлении на источник звука на низких частотах. На высоких частотах сигнал у одного и другого уха будет иметь разный уровень вследствие экранирующего действия головы. Форма спектра на высоких частотах из-за экранирующего действия головы у левого и правого уха также будет раз­лична. Бинауральные свойства слуха используются при построении стереофонической аппаратуры.