Сприйняття звуків людиною

Сприйняття звуків людиною

1. Особливості сприйняття звуків вухом людини

Усі програми, що передаються з систем мовлення, зв'язку та звукозапису призначені для сприйняття інформації людиною. Тому вимоги до основних характеристик цих систем не можуть бути обгрунтовано сформульовані без точних відомостей про властивості слуху. Будь-яке вдосконалення системи, яке не буде відчуватися на слух, буде приводити до безглуздої втрати коштів і часу. Отже, фахівець, що займається розробкою або експлуатацією систем звукозапису і відтворення, повинен знати основні особливості сприйняття звуків вухом людини.

Орган слуху людини лежить у товщі скроневих кісток і ділиться на зовнішнє вухо, середнє вухо і внутрішнє вухо. До зовнішнього вуха відносять вушну раковину і слуховий прохід, сліпо закінчується барабанною перетинкою. Слуховий прохід має слабо виражений резонанс на частоті близько 3 кГц і посилення на частоті резонансу ~ 3. Барабанна перетинка утворена пружною сполучною тканиною, яка коливається під дією звукових хвиль. За барабанною перетинкою знаходиться середнє вухо, до складу якого входять: барабанна порожнина, заповнена повітрям; слухові кісточки і слухова (евстахиева) труба, яка з'єднує порожнину середнього вуха з порожниною глотки. Слухові кісточки: молоточок, ковадло та стремено - утворюють систему важеля, яка передає коливання барабанної перетинки мембрані овального вікна, що розділяє середнє і внутрішнє вухо. Ця система важеля трансформує коливання барабанної перетинки з великою амплітудою швидкості і невеликою амплітудою тиску в коливання мембрани з малою амплітудою швидкості і великою амплітудою тиску. Коефіцієнт трансформації цієї системи близько 50 - 60. Барабанна порожнина має слабо виражений резонанс на частоті ~ 1200 Гц. За мембраною овального отвору знаходиться внутрішнє вухо, що складається з переддвер'я, трьох півколових каналів і равлики, заповнених рідиною. Напівкружні канали входять до складу органу рівноваги, а равлик - до складу органу слуху. Равлик являє собою канал довгою ~ 32 мм, згорнутий спіраллю. Канал розділений по всій довжині двома перегородками: рейснеровой мембраною і базилярній (основний) мембраною (див. рис. 1).

1 - мембрана овального вікна, 2 - вестибулярний хід, 3 - гелікотрема, 4 - базилярна мембрана, 5-орган Корті, 6 - барабанний хід, 7 - мембрана круглого вікна, 8 - рейснерова мембрана.

Малюнок 1. Схема будови равлики

Базилярна мембрана складається з декількох тисяч волокон, натягнутих поперек равлики, і слабко пов'язаних між собою. Базилярна мембрана розширюється у міру віддалення від овального вікна. З базилярній мембраною пов'язаний орган Корті, що складається з ~ 23500 нервових клітин, які називають волосовими. З кожним волокном слухового нерва пов'язано кілька волоскових клітин, так що в центральну нервову систему приходить близько 10000 волокон. При появі звуку мембрана овального вікна збуджує коливання лімфи в вестибулярному ході, які змушують коливатися волокна базилярної мембрани. Коливання волокон, у свою чергу, збуджують волоскові клітини. Інформація про порушення клітин, тобто про наявність звуку, по нервових волокнах передається в головний мозок.

2. Сприйняття частоти звукових коливань

Волокна базилярної мембрани мають різну довжину і, відповідно, різну резонансну частоту. Найкоротші волокна розташовані близько овального вікна, їх резонансна частота ~ 16000 Гц. Найдовші - близько гелікотреми, мають резонансну частоту ~ 20 Гц.

Таким чином, внутрішнє вухо здійснює паралельний спектральний аналіз приходять коливань і дозволяє відчувати звуки з частотами від ~ 20 Гц до ~ 20000 Гц. Еквівалентну електричну схему аналізатора можна зобразити наступним чином (див. рис. 2).

Малюнок 2. Еквівалентна електрична схема слухового аналізатора.

Еквівалентна схема містить ~ 140 паралельних ланок - резонаторів, моделюючих волокна базилярної мембрани, включені послідовно індуктивності L _'i еквівалентні масі лімфи, струм в резонаторах пропорційний швидкості коливань волокон. Вибірковість резонаторів невелика.

Так, для частоти 250 Гц смуга пропускання резонатора дорівнює ~ 35 Гц (Q = 7), для частоти 1000 Гц - 50 Гц (Q = 20) і для частоти 4000 Гц - 200 Гц (Q = 20). Ці смуги пропускання характеризують т.зв. критичні смужки слуху. Поняття про критичні смужках слуху використовується при розрахунку розбірливості мови і т.п.

Оскільки з одним нервовим волокном пов'язано кілька волоскових клітин, то людина може запам'ятати у всьому частотному діапазоні не більше 250 градацій, Зі зменшенням інтенсивності звуку це число зменшується і, в середньому, становить 150 градацій.

Сусідні значення частоти відрізняються не менш ніж на 4%. Що приблизно збігається із шириною критичних смужок слуху (З цієї причини кінофільми, зняті із швидкістю 24 кадру в секунду, можна демонструвати по телебаченню зі швидкістю -25 кадрів в секунду. Навіть досвідчені музиканти не помічають різниці у звучанні).

Однак, при одночасній наявності двох коливань вухо виявляє різницю в частотах ~ 0.5 Гц завдяки появі биття.

Частота звукових коливань викликає відчуття такої якості звуку, яке називають висотою тону. Поступове підвищення частоти коливань викликає відчуття зміни тону від низького (басового) до високого. Висота тону описується музичної нотної шкалою, однозначно пов'язаної зі шкалою частот.

Інтервал між двома частотами визначає величину зміни висоти тону. Основною одиницею зміни висоти тону є октава. Однією октаві відповідає зміна частоти в два рази: 1 октава . Число октав, на яке змінився тон можна визначити так: . Октава - великий інтервал висоти тону, тому використовують більш дрібні інтервали: терції, півтонни, центи. октава = 3 терції = 12 півтонів = 1200 центів. Ставлення частот: в терції - 1.26, для півтони - 1.06, для цента - 1.0006.

3. Сприйняття амплітуди звукових коливань

Поріг чутності. Звуки викликають коливання волокон базилярної мембрани. Якщо вагалося волокно не стосується волоскових клітин, то клітини не порушуються і звук не сприймається. При збільшенні амплітуди коливань волокна починають стосуватися волоскових клітин і вони починають посилати сигнали в головний мозок.

Звук буде почутий. Цей стрибкоподібний перехід називають порогом чутності. Поріг чутності оцінюють величиною звукового тиску або інтенсивністю звуку. Стандартному порогу чутності на частоті 1000 Гц відповідає звуковий тиск Па або інтенсивність звуку Вт / м ^2. При зниженні частоти поріг чутності зростає і на частоті 100 Гц він в 10 ⁴ разів вище. При підвищенні частоти від 1000 Гц поріг чутності спочатку знижується у 8 - 10 разів на частотах 2000 - 4000 Гц, а потім починає зростати.

Поріг розрізнення інтенсивності звуку. При подальшому збільшенні амплітуди почнуть коливатися сусідні волокна базилярної мембрани і, як тільки вони торкнуться волоскових клітин, слухове відчуття знову зросте.

Поступово область порушення базилярної мембрани розширюється і слухові відчуття стрибками наростають. Величину збільшення звукового тиску або інтенсивності звуку, відповідну стрибка, називають порогом розрізнення інтенсивності звуку.

Число градацій інтенсивності, розрізняне на середніх частотах, не перевищує 250, на низьких і високих частотах різко зменшується і в середньому по діапазону складає ~ 150.

Больовий поріг. Подальше збільшення амплітуди коливань призводить до появи больових відчуттів. Вони спостерігаються при звуковому тиску ~ 20 Па або інтенсивності звуку ~ 1 Вт / м ^2. Ці значення характеризують больовий поріг.

Рівень звукового тиску і рівень інтенсивності. Відчуття сили звуку підпорядковується закону Вебера-Фехнера: абсолютна прирощення відчуття пропорційно відносному збільшенню роздратування, тобто:

,

де - Абсолютне збільшення відчуття, А - постійна величина. Проінтегрувавши цей вираз, отримаємо:

.

На порозі чутності, тобто при слухове відчуття дорівнює нулю. Тоді:

,

звідки:

і

.

Нехай зміни інтенсивності звуку в 10 разів відповідає одиниця збільшення відчуття, тобто А = 1. Цю одиницю назвали «Бел». Менша одиниця - децибел (дБ), рівна 0.1 Бела. Тоді:

(ДБ). (1)

Звуковий тиск, виражене в децибелах, називають рівнем звукового тиску , А інтенсивність звуку, виражену в децибелах, називають рівнем інтенсивності звуку

Гучність. Т.к. поріг чутності на різних частотах неоднаковий, то рівень звукового тиску або рівень інтенсивності звуку не зовсім правильно характеризують суб'єктивне відчуття звуків. Тому введено поняття гучність і рівень гучності.

Рівень гучності звуку будь-якої частоти дорівнює рівню гучності чистого тону з частотою 1000 Гц, що відчувається з такою ж гучністю, висловленим у Дб. Одиницю гучності називають фон. 1 фон дорівнює 1 Дб на частоті 1000 Гц.

Криві рівної гучності. У результаті дослідження слуху великої групи людей у віці 18 - 25 років були побудовані криві рівної гучності (ізофона). У 1958 році

Міжнародна організація по стандартизації (ISO) рекомендувала ці криві як стандарт (див. рис. 3).

Малюнок 3. Криві рівної гучності

З аналізу цих кривих слід:

1. Частотна характеристика слуху рівномірна при високих рівнях звукового тиску. Тому професійне прослуховування фонограм слід проводити при високих (85 - 95 Дб) рівнях.

1. . З пониженням рівня сигналу смуга сприйманих частот звужується. Тому при прослуховуванні фонограми необхідно піднімати високі і низькі частоти, щоб отримати однакове відчуття всіх складових спектра сигналу.

2. У сучасних підсилювачах це досягається за допомогою частотно-залежних регуляторів гучності.

Криві рівної гучності зручні при роботі з гармонійними сигналами. Реальні звуки мають більш-менш широким спектром. Додавання громкостей складових спектру відбувається в різних критичних смужках слуху.

Гучність при цьому виступає як суб'єктивний параметр. Для її кількісної оцінки ввели одиницю гучності - 1 сон рівний 40 фонам. Гучність в n сон відповідає випадку, коли слухач оцінює сигнал, як в n разів більш гучний. Для оцінки голосності можна скористатися формулою:

сон

де - Рівень гучності у фонах.

Рівень гучності деяких звуків наведено в таблиці 1.

Таблиця 2. Середній рівень гучності деяких звуків і шумів

4. Тимчасові характеристики слуху

Відповідно до проведених досліджень (Гельмгольц, Флетчер), вухо майже не реагує на фазові співвідношення в спектрі сигналу. Два сигналу з однаковим спектром амплітуд, але з різними спектрами фаз сприймаються однаково, якщо рівень сигналу не перевищує 60 Дб. При великих рівнях на сприйняття впливають нелінійні ефекти.

Слуховий апарат інерційний. При зникненні звуку відчуття зникає не відразу, а поступово спадає до нуля. Час, протягом якого рівень гучності зменшується на 8.7 фон (точніше - 8.6859), називається постійної часу слуху. Ця постійна дорівнює 150 - 200 мс.

Два короткі імпульсу одного рівня сприймаються разом, якщо інтервал часу між ними менш 50 мс. Однак, при величині інтервалу більше 30 мс з'являється зміна звучання. Цим пояснюється той факт, що явище відлуння спостерігається тільки тоді, коли відстань до відбиває звук перешкоди не менше 9 м.

5. Нелінійні властивості слуху

При дії чистого тону з рівнем інтенсивності 100 Дб прослуховується друга гармоніка з рівнем 88 Дб і третя гармоніка з рівнем 74 Дб. Їх виявляють за допомогою "шукає" тону, частота якого плавно змінюється. Ці гармоніки називають суб'єктивними. На кратних частотах прослуховують биття.

При дії двох чистих тонів з частотами, не потрапляють в одну критичну смужку, прослуховуються комбінаційні частоти.

Нелінійність дозволяє виявити різницю фазових спектрів сигналів з ​​однаковими спектрами амплітуд.

5. Ефект маскування

У тиші добре чутні навіть слабкі звуки (цокання годинника, писк комара і т.п.). У галасливій компанії можна не почути навіть дзвінок телефону. Отже, при наявності гучних звуків поріг чутності зростає. Підвищення порога чутності слабких звуків при наявності гучних називають маскуванням.

5. Бінауральной ефект

Бінауральним (від лат. Bini - два + auris - вухо) ефектом називають можливість визначати напрямок на джерело звуку завдяки сприйняттю звуку двома вухами. Цей ефект пояснюється тим, що звук приходить до вух не одночасно і з різною інтенсивністю. Бінауральной ефект дозволяє визначати напрямок на джерело звуку (з точністю 3 ⁰ ÷ 4 ^0), поперечні розміри і глибину джерела звуку, тобто створювати акустичну перспективу. Точність визначення напрямку на джерело у вертикальній площині гірше (~ 20 ^0).

При прослуховуванні двох джерел, розташованих на однаковій відстані від слухача і відстані один від одного в 3 ÷ 5 разів меншим відстані до слухача, виникає відчуття удаваного джерела звуку (КІЗ), розташованого посередині, якщо рівні звуку джерел однакові.

На бінауральному ефекті заснована можливість створення стереофонічних систем і систем просторового звучання.

5. Ефект першої хвилі (ефект Хааса)

Якщо різниця часів приходу сигналів від двох джерел не перевищує 30 мс, то напрямок на джерело визначається за першою з хвиль, що приходять. Ефект спостерігається і при більшій різниці, якщо відсутня луна. Цей ефект необхідно враховувати при озвучуванні приміщень, оскільки може статися відрив звуку від його джерела, що створить дискомфорт для слухачів.