Логарифмический характер шкалы ощущений человека

По закону, открытому немецким анатомом и физиологом Э. Вебером (1795—1878) и сформулированному немецким же физиком и психологом Г. Фехнером (1801—1887), величина ощущений человека, и амплитуда, вызвавшего его раздражения, связаны логарифмической формулой. Данный закон справедлив для всех видов ощущений человека: слуха, зрения, обоняния, осязания. Закон Вебера-Фехнера звучит так: «Сила ощущения пропорциональная логарифму силы раздражения».

Ощущения, воспринимаемые органами чувств человека, могут вызываться различными раздражениями, отличающимися друг от друга в миллиарды раз. Удары молота о мокрую плиту в сотни раз громче, чем шелест листьев, а яркость вольтовой дуги в миллионы раз превосходит яркость какой-нибудь слабой звезды на ночном небосклоне. Но никакие физиологические процессы не дают такого диапазона ощущений. Опыты показали, что организм как бы «логарифмирует» полученные им раздражения, т.е. величина ощущений приблизительно пропорциональна десятичному логарифму величины раздражения.

В своей книге The Acoustics of Crime/The New Science of Forensic Phonetics (Акустика преступности/Новая наука судебной фонетики Автор Гарри Холлиен) дает таблицу положения некоторых обычных звуков на шкале восприятия громкости звуков человеком. (Таблица 1).

Таблица 1 Положение некоторых обычных звуков на шкале восприятия громкости звуков человеком

Для большей наглядности шкалы измерения в децибелах приведем таблицу звуковых давлений для некоторых объектов (Таблица 2).

Таблица 2 Звуковых давлений для некоторых объектов

Удивительно, что сигналы с равными звуковыми давлениями, но разными частотами вызывают разные ощущения уровня громкости. На основании многочисленных экспериментов было составлено множество графиков — так называемых «семейств равной громкости». Некоторые из них стандартизованы. Так, например, на Рис. 8 изображено семейство кривых равной громкости в плоскости слышимости в плоском звуковом поле для тональных сигналов. При составлении кривых равной громкости брали чистый тон частотой 1000 Гц с необходимым уровнем громкости. Затем сравнивали этот сигнал со звуком другой частоты, доводя громкость последнего до громкости, такой же, как у 1000 Гц. В результате измерений получали искомые значения звукового давления и интенсивности звука.

Кривые равной громкости принято называть изофонами, а уровень громкости измерять в фонах (phone в переводе с греческого — звук). По предложению Баркгаузена уровень громкости L_N. тона частотой I кГц в фонах приравнивают к уровню звукового давления в децибелах. Так, например, давлению 50 дБ на I кГц соответствует громкость 50 фон, 80 дБ — 80 фон и так далее для других значений. По этой причине тон частотой I кГц принято считать опорным или стандартным тоном.

Рис. 8 Семейство кривых равной громкости в плоскости слышимости в плоском

Кривые равной громкости наглядно иллюстрируют частотную нелинейность слуха. Как видно из Рис. 8, для профессионального прослушивания предпочтительны уровни громкости, равные 85...95 фон. С повышением громкости слух значительно быстрее устает. При более тихом прослушивании появляется эффект сужения воспринимаемого диапазона частот, причём тем значительнее, чем ниже громкость. Это особенно характерно для низких частот.

Тем не менее, даже очередное уточнение — учет кривых равной громкости — не дает полной картины для объективного моделирования ощущения громкости. Для описания характера субъективной оценки громкости звука с достаточной степенью точности можно применить описанную ниже модель.

Весь спектр слышимого звука разбивается на 24 частотные полосы, получившие название «критических». Наличие критических полос слуха отражает (фундаментальную способность слуховой системы к частотному анализу, который выполняется во внутреннем ухе. Базилярная мембрана в улитке действует как линейка полосовых фильтров, ширина полосы которых зависит от частоты: выше 500 Гц она равна примерно 1/3 октавы, ниже 500 Гц она составляет примерно 100 Гц. Внутри критической полосы слух производит интегрирование поступившей звуковой информации. Несмотря на то что существует специальная единица измерения 1 Барк, равная ширине критической полосы, строго фиксированных границ у этих полос не существует. Для музыки и речи будут справедливы одни значения. Если сигнал приобретает периодический, тональный или импульсный характер, ширина полос может несколько изменяться. То же самое происходит, когда сигналы в соседних полосах маскируют друг друга.