ВОСПРИЯТИЕ ПО ЧАСТОТЕ

При звуковых колебаниях стремечко приводит в движение мембрану овального окна. Под действием этих колебаний мембрана круглого окна колеблется в такт с мембраной овального, так как лимфа практиче­ски несжимаема. Лимфа колеблется касательно к по­верхности основной мембраны, поперек к ее волокнам. На колебания лимфы отзываются (резонируют) в за­висимости от частоты колебаний только вполне опре­деленные волокна. Около геликотремы расположены наиболее длинные волокна, резонирующие на низких частотах, а в основании улитки (между овальным и круглым окнами) расположены наиболее короткие во­локна, и они резонируют на высоких частотах. Слож­ный звук, состоящий из нескольких составляющих, да­леко отстоящих по частоте друг от друга, возбуждает несколько групп волокон (в соответствии с частотами составляющих). Таким образом, основная мембрана служит частотным анализатором. Согласно теории Флетчера резонансная частота каждого из волокон определяется не только параметрами волокна как на­тянутой струны, но и массой лимфы, соколеблющейся с волокном. Эта масса определяется расстоянием резо­нирующего волокна от овального окна. Поэтому на низких частотах в колебаниях участвует большая мас­са лимфы, а на высоких — меньшая.На рис. 2.2 при­ведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора. Ток в каждом из параллельных звеньев (которые по параметрам эквивалентны волокнам ос­новной мембраны) соответствует скорости колебаний волокна, последовательные индуктивности Lk — массе соколеблющейся лимфы.

Слуховой аппарат человека не способен абсолютно линейно ощущать воздействия звуков в значительном диапазоне интенсивностей. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии громких тонов с уровнем интенсивности более 40 дБ, например с частотой f1, в слуховом аппарате образуются гармоники этого тона с частотами 2f1, 3f1, 4f1 и т.д. При уровне интенсивности звука менее 40 дБ субъективные гармоники не образуются. Оптимальным уровнем, при котором заметность и порядковый номер гармоники относительно невелики, можно считать 80...90 дБ. Особенно диссонансы 7-я и 9-я гармоники. 2-я субъективная гармоники почти в 5 раз превосходит 3-ю. Этот факт иногда является основой для утверждения, что SE-усилители, в которых обычно преобладает уже объективная 2-я гармоника, более импонируют слуху, нежели РР-усилители, где доминирует 3-я объективная гармоника, к которой слух более чем в 1,5...2,0 раза чувствительнее. Термин "импонирует" следует понимать в том смысле, что слух не может отделить объективно привнесенные гармоники от собственных субъективных того же 2-го порядка, а потому их восприятие не вызывает дискомфорта. Попыткой воспользоваться этим свойством слуха явилось создание РР-усилителей со специально увеличенной 2-й гармоникой, что достигалось разбалансом драйверного каскада.

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.

. Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше 20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания, образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих, соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости, а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте. Если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления LP=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка 0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона (ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической зависимости (рис. 2.4). За единицу высоты тона как параметра ощущения выбран "мел". Тон частотой 131 Гц (нота "до" малой октавы) имеет высоту тона z=131 мел. Более крупной величиной измерения высоты тона принят "барк": 1 барк = 100 мел.

Рис. 2.2.1 Высота тона и шкала частотных групп (критических полосок) в зависимости от частоты.

Из рис. 2.2.1 следует, что между высотой тона и 24 критическими полосками (правая шкала) существует тесная связь. Увеличению частоты на одну критическую полоску соответствует возрастание высоты тона на один барк.

Звуковое раздражение передается на базилярную мембрану, имеющую длину 32 мм. Вдоль мембраны в кортиевом органе располагаются связующие волокна по 3500 в каждом. Раздражение тоном определенной частоты вызывает возбуждение некоторых волокон. При малых уровнях воздействия число возбуждаемых волокон меньше, при больших - больше. При изменении частоты тона изменяется локализация максимального возбуждения на базилярной мембране. На рис. 2.2.2 показано соотношение и расположение различных шкал относительно протяженности базилярной мембраны.

Основная (базилярная) мембрана, мм

Число осязающих волокон в ряду, шт

Число допустимых градаций высоты тона, шт

Частота, Гц

Высота тона, мел

Высота тона, барк (число и нумерация критических полосок).

Рис. 2.2.2 Естественные шкалы основной (базилярной) мембраны

На рис. 2.2.3. показана зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране при воздействии узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем LШ. Из рис. 2.2.3. следует, что сигнал другой частоты, обеспечивающий на несколько децибел меньший уровень возбуждения базилярной мембраны, не будет услышан. Это явление называется Эффектом маскировки. Причем низкие тоны сильнее маскируют высокие, нежели наоборот. Громкие высокие тоны не маскируют низкие тоны даже малого уровня. Высокий тон, который при малой громкости отчетливо слышен одновременно с низким тоном, может оказаться полностью замаскирован низким тоном, если громкость увеличена чрезмерно. При LШ=100 дБ почти все критические полоски выше восьмой "загружены" маскирующим сигналом, для преодоления эффекта, воздействия которого на волокна базилярной мембраны потребуется такой уровень, который не свойственен натуральным звукам в высокочастотной области. На рис. 2.2.3. показано действие шума со средней частотой 1 кГц, что не равнозначно музыкальной программе, но тенденции эффекты маскировки сохраняются при любых типах сигналов.

Рис. 2.2.3. Зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране от уровня шума LШ со средней частотой 1 кГц.

Это вторая причина (после увеличения субъективных гармоник), по которой громкие звуки не обязательно сопровождаются качественным звуком.

Из рис. 2.2.3. следует также, что два звука маскируют друг друга тем сильнее, чем ближе их основные частоты, например, в случае взятия одинаковых нот на разных инструментах. Слух различает в этом случае каждый инструмент раздельно лишь по признакам характерной окраски звука каждого инструмента (тембру), хранящимся в долговременной памяти слушателя.

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.

Границы воспринимаемого слухом частотного диапазо­на довольно широки (20—20 000 Гц). Избирательность слухового анализатора невелика, что следует из рис. 2.3, на котором приведено несколько кривых избирательности слуха для разных частотных диапазонов.

Полосы пропускания резонаторов слухового анализато­ра, определенные на уровне 0,71 от максимального зна­чения, составляют на частотах 250, 1000 и 4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно. Эти полосы пропуска­ния носят название критических полосок слуха.

Звуки, имеющие широкополосные сплошные спект­ры, например шумы, возбуждают волокна всей основ­ной мембраны.Вследствие слабой избирательности слуха происходит интегрирование этого спектра в каж­дой из критических полосок слуха, т. е. слух как бы превращает сплошной спектр в дискретный, состоящий из конечного числа составляющих по числу критиче­ских полосок слуха, охватывающих частотный спектр этого шума.

Введено понятиевысоты звука, под которой подра­зумевают субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону.Так как ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах пример­но пропорциональна частоте, то субъективный масштаб восприятия по частоте близок к логарифмическому за­кону. Поэтому за объективную единицу высоты звука, приближенно отражающей субъективное восприятие, принята октава: двукратное отношение частот (1; 2; 4; 8; 16 и т. Д.). Октаву делят на части: полуоктавы и третьоктавы. Для последних стандартизован следую­щий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти часто­ты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого, для приближения к субъективному масштабу все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе. Для более точно­го соответствия слуховому восприятию звука по часто­те для этих характеристик принят особый, субъектив­ный масштаб — почти линейный до частоты 1000 Гц и логарифмический выше этой частоты.

ПОРОГ СЛЫШИМОСТИ.

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение.

Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 2.3.1 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление pmax=150...200 Па, что превосходит величину p0=2*10 00000 Па в 107 раз.

Рис. 2.3.1 Кривые, ограничивающие область слышимости

Для более удобного оперирования столь значительными абсолютными величинами, но в большей степени потому, что слуховое ощущение раздражающей силы звукового сигнала пропорционально ее логарифму (согласно закону Вебера-Фехнера). Чаще используются величины, называемые уровнем интенсивности звука, уровнем ощущения, уровнем звукового давления, уровнем плотности звуковой энергии, которые также пропорциональны логарифму относительного значения параметра и измеряются в децибелах:

Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Эта особенность слуха также измерена: порог заметности изменения интенсивности чистых тонов на высоких и средних уровнях ощущения составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он доходит до нескольких децибел, а среднее значение около 1 дБ. Таким образом, между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность слуха по ощущению изменений интенсивности звука имеет еще и частотную зависимость: она наиболее высока на средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Физически это происходит так. Если волокно основной мебраны при своих колебаниях недостает до ближайшей волосатой клетки (см. рис. 2.4, на котором утрированно представлены волок­на основной мебраны и клеток органа Корти), то чело­век не воспринимает звук. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближай­шей клетки (см. рис. 2.4), произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан.

Этот скачкообразный переход из слы­шимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости.Заметим, что абсолютная величи­на слухового ощущения на пороге слышимости невели­ка, но имеет конечное значение.

Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука или звуковое давле­ние. Порог слышимости зависит от частоты: при 1000 Гц он равен около 10-12 Вт/м2. На рис. 2.5 приведены зависимости порогов слышимости от частоты, причем по оси ординат отложена интен­сивность звука в логариф­мическом масштабе. В сторону низких частот по­рог слышимости резко повышается (начиная с частоты 500 Гц), т. е. для появления слухового ощу­щения на низких часто­тах необходима более вы­сокая интенсивность, чем, скажем, на частоте 1000 Гц. Так, на частоте 100 Гц порог слышимости по интенсивности в 104 раз выше, чем на частоте 1000 Гц. В сторону высоких ча­стот порог слышимости сначала снижается (чувстви­тельность слуха повышается) в 8—10 раз по интенсив­ности (на частоте 2000—4000 Гц), а затем начинает повышаться так же, как и на низких частотах.

В ряде учебных пособий и справочников даются различные абсолютные значения и частотные зависимо­сти порога слышимости. Эта разница обусловлена раз­личием в методах измерения порога слышимости. На рис. 2.5 приведены пороги для одноухого 1 и двуухого слушания 2

Тоном называют гармоническое колебание, в общем случае состоящее из ряда гармоник; чистый тон—простое синусоидальное колебание. В дальнейшем, если не оговорено, под тоном будем, подразумевать чистый тон.

2.4. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ.

При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда колебаний волокон не увеличится на­столько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон прикоснется к следующей клетке (см. III рис. 2.4), слуховое ощущение еще раз повысится скач­ком, так как и эта клетка будет посылать электриче­ские импульсы в слуховой центр. По мере увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной мембраны — начинают колебаться и сосед­ние волокна, также возбуждающие нервные клетки од­ну за другой. Каждая из них будет посылать свои им­пульсы в слуховой центр. Слуховое ощущение при этом будет нарастать скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низ­ких и высоких частотах это число резко уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Наконец, при дальнейшем увеличении интенсивно­сти появляется ощущение боли — наступает болевой порог (порог осязания). Болевой порог соответствует очень большой интенсивности. Наибольшая величина болевого порога наблюдается на частоте 800 Гц (около 1 Вт/м2). В сторону низких и высоких частот он мед­ленно снижается.

Таким образом, и по амплитуде имеет место дис­кретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей области слухового восприятия около 22 000 элементарных гра­даций, что соответствует числу нервных окончаний.

Установлено, что для средних и высоких интенсивностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности. Вебер и Фехнер так сформулировали этот закон:

Одинаковые относи­тельные изменения раздражающей силы вызывают оди­наковые абсолютные изменения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы

На пороге слышимости, т. е. при I=Iп.с, слуховое ощу­щение равно нулю, поэтому имеем

откуда получаем

Для оценки величины слухового ощущения была предложена единица под названием «бел» (а=1). Эта единица соответствует десятикратному отношению интенсивностей, поэтому была введена еще и более мел­кая единица — децибел (дБ), равная 0,1 бела. В этом случае слуховое ощущение в децибелах

Так как диапазон изменения интенсивностей от мини­мального порога слышимости до максимального боле­вого порога составляет 1013 раз, т. е. слуховое ощуще­ние изменяется на 130 дБ, то величина элементарного скачка ощущения в среднем по диапазону амплитуд равна 0,8 дБ, т. е. соответствует изменению интенсив­ности звука в 1,2 раза. На самом деле элементарные скачки ощущения для средних и высоких значений слу­ховых ощущений получаются при изменении интенсив­ности в 1,10 раза, т. е. скачки ощущения равны 0,4 дБ. Для низкого слухового ощущения скачки получаются равными 2—3 дБ.

УРОВНИ.

Вследствие логарифмического закона восприятия и ши­рокого диапазона интенсивностей слышимых звуков для объективной оценки введено понятие уровня интен­сивности

За нулевой уровень условились принимать интенсив­ность Iо, близкую к пороговой интенсивности для нор­мального слуха на частоте 1000 Гц. Эта интенсивность приблизительно равна 10~12 Вт/м2. Следовательно, бо­левой порог интенсивности находится около 120 дБ.

В соответствии с квадратичным соотношением меж­ду интенсивностью звука и звуковым давлением (1.12) уровень звукового давления

где ро — звуковое давление на нулевом уровне