2.4.1. Восприятие по амплитуде. Громкость

При определенном звуковом давлении и, соответственно, амплитуде колебаний слуховой мембраны произойдет возбуждение нервного окончания клетки звукового аппарата и возникает звуковое ощущение. Минимальное звуковое давление, при котором возникает (и еще существует) звуковое ощущение, называется порогом слышимости. Это своеобразный скачкообразный переход из ощущения слышимости в неслышимость и обратно. Порогом слышимости также называется минимальное значение интенсивности звука или давления чистого тона, которое вызывает звуковое ощущение. Тон — это гармоническое колебание, состоящее из ряда гармоник, чистый тон — простое синусоидальное колебание. Порог слышимости зависит от частоты колебаний, на рис. 2.4 [7] представлены частотные зависимости интенсивности звука в логарифмическом масштабе, характеризующие уровни порога слышимости.

Рис. 2.4. Зависимости от частоты уровней порога слышимости:

1 — уровень порога в свободном поле, когда интенсивность измеряется в точке поля, где будет находиться голова слушателя при моноуральном слушании;

2 — то же при бинауральном слушании;

3 — для моноурального прослушивания через один наушник

Максимальная чувствительность уха проявляется на средних частотах 2…5 кГц, в этой области порог слышимости меньше 10−12 Втм2 , что соответст-

вует давлению меньше 10−5 Па .

При превышении порога слышимости и возрастании интенсивности звука раст т и число дискретных возбужденных нервных окончаний, поэтому звуковое ощущение также возрастает дискретными скачками. На низких и высоких частотах количество таких скачков не велико и составляет примерно 160, на средних частотах это число возрастает и достигает 240. Эти дискретные скачки называются порогом различия интенсивности звука. Следовательно, наблюда-

ется дискретное восприятие звука по амплитуде. При звуковых давлениях 65–85 Па достигается порог осязания, при котором ощущается давление на уши. Дальнейшее повышение звукового давления вызывает неприятные ощущения. При достижении звукового давления 150 Па, что соответствует очень

22

высокой интенсивности звука, порядка 1Вт/м2, наступает болевой порог. Учитывая, что на средних частотах порог слышимости составляет 10–13 Вт/м2, разница по уровню звукового давления между этими двумя крайними порогами составляет более 130 дБ.

Согласно закону Вебера-Фехнера, при высоких и средних интенсивностях звука одинаковые изменения звукового ощущения вызываются такими же одинаковыми изменениями силы, воздействующей на нервные окончания. Таким образом, уровень ощущения Е равен:

где Iп.с. — раздражающая сила на пороге слышимости. При а=10 уровень ощущения выражается в децибелах:

где Lп.с. — уровень интенсивности звука на пороге слышимости.

Уровень ощущения неточно характеризует восприятие звука по амплитуде, кроме того, интенсивность и звуковое давление, фиксируемые приборами, определяют звук с физической стороны. Тем не менее субъективно слух позволяет достаточно точно определить равенство громкостей звуков с различными спектрами. Это свойство слуха позволяет использовать понятия громкости и уровня громкости звука для более точного восприятия по амплитуде.

Громкость — это субъективное слуховое восприятие интенсивности или силы звука, которое в основном зависит от силы (давления) воздействия звука на слуховую мембрану.

За уровень громкости условились принимать уровень интенсивности звука чистого тона частотой 1 кГц. Единицей измерения уровня громкости является 1 фон — уровень громкости звука, для которого уровень интенсивности равногромкого с ним звука частотой 1 кГц равен 1 дБ.

где GX и G1000Гц — громкости испытуемого звука и тона 1000Гц. Специфика человеческого слуха заключается в неодинаковой чувстви-

тельности к звукам разных частот. Максимальная чувствительность обнаруживается на средних частотах 500–5000 Гц, что, возможно, связано с эволюционными процессами выживания и голосового общения. На рис. 2.5 [7] показаны кривые равной громкости, которые показывают изменение чувствительности слуха в зависимости от частоты, уровня звукового давления и громкости.

23

Рис. 2.5. Кривые равной громкости: цифры не кривых означают уровень громкости в фонах

При повышении уровней звукового давления и громкости кривые становятся более равномерными, а при уровнях выше порога осязания — почти линейными. Отсюда следует, что при таких уровнях субъективные и физические характеристики почти совпадают.

Уровень громкости хотя и характеризует субъектное восприятие звука по уровню, но масштаб уровней не соответствует действительному субъектному масштабу. Например, увеличение уровня громкости на 10фон в диапазоне уровней выше 40фон соответствует субъектному ощущению увеличения громкости в двое. Кстати каждая градация громкости в музыке больше или меньше соседней вдвое (форте — фортиссимо, пиано — пианиссимо и т.д.). Для сред-

них и высоких уровней LG (LG > 40фон) громкость G может быть приближенно определена из формулы:

При этом громкость измеряют в сонах (один сон соответствует громкости звука с уровнем громкости 40фон).

В табл. 2.3 представлены громкости и уровни громкости некоторых источников звука.

Таблица 2.3 Громкости и уровни громкости некоторых звучаний

24

2.4.2. Восприятие по частоте. Высота звука

Человеческое ухо способно различать звуковые колебания по частоте в довольно широком диапазоне частот 20–20000 Гц. Чтобы понять механизм восприятия звука по частоте, следует рассмотреть схему улитки — основного слухового анализатора, расположенного во внутреннем ухе (рис. 2.3) [7].

Каждый волосок резонирует на определенной частоте, зависящей от его длины, поэтому волоски у основания улитки резонируют на высоких частотах, а более далекие – на низких. Электрическим аналогом улитки является ряд параллельно включенных последовательных контуров, каждый из которых имеет собственную частоту и соответствует определ нным волоскам, т.е. мембрана представляет собой своеобразный частотный фильтр.

Частоты ниже 60 Гц воспринимаются по субъективным гармоникам. Избирательность слухового анализатора невелика, его полоса пропуска-

ния на уровне – 3 дБ составляет примерно 30 Гц на частоте 200 Гц, 50 Гц на 1 кГц и 250 Гц на 5 кГц, такие полосы пропускания называются критическими полосами слуха. В диапазоне частот 20–16000 Гц число критических полос слуха равно 24, их ширина увеличивается с ростом частоты и не зависит от уровня интенсивности звука.

Из-за конечного числа нервных окончаний человеческий слух в диапазоне 20 Гц – 20 кГц фиксирует примерно 260 дискретных частот. При снижении интенсивности звука число градаций уменьшается до 160, при этом они разделены частотным интервалом, примерно равным ширине критических полосок слуха, что соответствует отличию по частоте в 4%. Именно поэтому даже люди, обладающие абсолютным слухом, не могут обнаружить разницы звука по частоте, если разница не превышает 4%.

Следовательно, человеческий слух воспринимает частоту звука, как и амплитуду, дискретно, с уч том этого во всей области восприятия существует до 22000 элементарных градаций, что соответствует числу нервных окончаний.

Ширину критических полос слуха удобно использовать для оценки субъективного восприятия звука по частоте — высоты звука.

В следствие того, что ширина критических полосок слуха в области средних и высоких частот пропорциональна частоте звука, субъективное восприятие по частоте близко к логарифмическому закону. Поэтому за объективную единицу высоты звука, приближенно отражающей субъективное восприятие принята октава — двукратное отношение частот (2;4;8;16 и т.д.). Для более точного соответствия слуховому восприятию звука по частоте принят особый, субъективный масштаб: высота тона на низких и средних частотах до 1000Гц почти пропорциональна его частоте (линейный масштаб), на высоких частотах эта зависимость логарифмическая. Условились высоту тока с частотой 1000Гц и с уровнем ощущения 40дБ считать равной 1000мел или 10барк (1барк = 100мел). В общем случае высота сложного звука не поддается точному расчету.

25