Основы акустики и электроакустики
Слух и его свойства
Ухо человека, являясь приемником звуковых колебаний, обладает свойствами частотного анализатора, дискретизатора по частоте и по динамическому диапазону колебаний. Важное свойство приема звуковых колебаний расположенными на расстоянии ушами назвали бинауральным эффектом.
Бинауральный эффект основан на восприятии звуков ушами и тонком анализе мозгом поступающей информации. На частотах ниже 150 Гц локализация звуков с помощью бинаурального эффекта человека невозможна и это позволило создавать трехкомпонентную акустическую аппаратуру с одним низкочастотным громоздким громкоговорителем и двумя небольшими громкоговорителями средних и верхних частот.
Слуховой аппарат человека состоит из наружного, среднего и внутреннего уха. Наружное ухо улавливает звуки и через звуковой проход передает перепады давления на барабанную перепонку, отделяющую среднее ухо от наружного. Схематично устройство слухового аппарата человека показано на рис. 1.
Среднее ухо состоит из механического усилителя, образованного системой косточек, выполняющих роль рычажков (молоточек, наковальня, стремечко). Эта система рычажков многократно усиливает давление, которое воздействует на внутреннее ухо, названное за внешнее сходство улиткой. Улитка с помощью множества волоконцев, дифференцированно реагирующих на частоту и силу давления, формирует цифровой поток импульсов по первичным волокнам, передающихся к полушариям мозга, где и формируется звуковая картина сообщения.
Слуховой аппарат – исключительно совершенный механизм, позволяющий успешно выделять сигналы на фоне шума (реакция на речь определенного лица в общем разговоре), улавливать звуки, различающиеся на десятки и сотни децибел по уровню (шепот человека и рев самолета). Рычажное устройство преобразовывает акустические колебания с высокой колебательной скоростью и небольшим давлением в колебания лимфы с малой скоростью и высоким давлением.
Основная мембрана является анализатором частоты. Резонансная частота каждого нервного волокна определяется расстоянием от овального окна и массой лимфы, а также параметрами волокна как натянутой струны. На низких частотах расстояние до овального окна большое и масса лимфы, участвующая в колебаниях, увеличена.
Процесс передачи нервных раздражений имеет электрохимический характер и изучен пока недостаточно. Из левого уха большая часть информации поступает в правое полушарие головного мозга, отвечающее за эстетическое восприятие, а из правого уха – в левое полушарие головного мозга, отвечающее за смысловую обработку информации.
Общепризнанной электрической модели слуха пока нет. Обычно наружное ухо уподобляют антенне, среднее ухо – трансформатору тока и напряжения, внутреннее ухо – многоканальному анализатору спектра.
Сложная обработка сигналов в слуховом аппарате позволяет решать множество задач – распознавать фонемы, слоги, слова; определять направление на источник звука (биноуральная локализация, звуковая локализация), адаптироваться к шумам и тишине (автоматическая регулировка чувствительности), опознавать (идентифицировать) говорящего; выделять речь на фоне сильных шумов.
В речи есть непрерывные отрезки речи (в среднем 0,3 с) и паузы (в среднем 0,06 – 0,11 с). В общей длительности слитной речи паузы занимают около 16 % времени, а при дуплексной связи каждый абонент еще половину времени молчит, слушая собеседника.
Речь и музыка занимают лишь часть области слухового восприятия. Зоны области весьма индивидуальны и с возрастом уменьшаются, так как чувствительность слуха падает (особенно на высоких частотах).
Наименьшее звуковое давление чистого тона, воспринимаемое ухом, называют порогом слышимости (βo на рис. 2). Порог слышимости ( 5 12 2 00 2 10 Па, 10 Вт/м PI −− = ⋅ = ) таков, что значение звукового давления всего на порядок больше давления, соответствующего тепловому движению молекул воздуха. При более чувствительном слухе человек слышал бы шум от движения молекул. Наибольшее звуковое давление до появления болевого ощущения называется болевым порогом, или порогом осязания (кривая γ на рис. 2). Область между порогом осязания и порогом слышимости (шепот, звук комара) называют областью слухового восприятия. Превышение болевого порога приводит к разрушению органа слуха, может вызвать шок и привести человека к смертельному исходу.
Люди с острым слухом различают звуки до 10 октав по частоте (16 – 20000 Гц), отличающиеся по давлению в 106 – 107 раз (120 – 140 дБ). Октава – это частотный интервал с отношением частот, равным двум. Слуховой аппарат обладает также дифференциальной чувствительностью – способностью различать изменения частоты ΔΩ и силы звука ΔI.
Нижняя граница слышимых звуков около 16 Гц, а верхняя около 20 кГц. Верхняя граница неустойчива и у многих людей старше 50 лет слуховое восприятие на частотах выше 12 кГц пропадает. Акустические колебания с частотой менее 16 Гц ( инфразвуки) человек не воспринимает слухом, но они негативны для его организма, так как на низких частотах находятся собственные резонансы некоторых внутренних органов (27 Гц – желудок, 17 и 23 Гц – сердце, 10 Гц – корпус человека и т.д.).
Слуховой аппарат человека обладает и определенной памятью к звукам продолжительностью более 250 мкс, он превращает сплошной спектр звуковых частот в дискретный.
На основании экспериментальных данных установлено, что ухо на частоте 1000 Гц может различать 370 градаций по уровню, а в диапазоне частот от 31 до 1000 Гц 1400 градаций чистого тона. Общее число градаций различимых ухом тонов превышает 300000. Порог различения слуха по частоте составляет 4 %, что близко к дифференциальному порогу различения яркости света (5 %).
Воздействие на слух посторонних неинформационных звуков мешает звуковому восприятию. Это называют маскировкой звука, которая эквивалентна изменению порога слышимости. Сигналы длительностью менее 250 мкс в слуховом аппарате человека обрабатываются плохо и становятся незаметными на слух.
Субъективную меру частоты колебаний звука называют высотой звука. На частотах до 1000 Гц высота тона почти пропорциональна его частоте, на высоких частотах эта зависимость близка к логарифмической. Условились частоту тона с частотой 1000 Гц и с уровнем ощущения 40 дБ считать равной 1000 мел или 1 сону = 10 барк (1 барк = 100 мел). Связь между частотой и высотой тона показана на рис. 3.
Широко применяется музыкальная шкала высот тона. Октава (изменение частоты в два раза) делится на 12 полутонов. Каждый полутон соответствует изменению частоты в 122 1,06 = раза. Полутона делятся на 100 частей, называемых центами. Октавы имеют названия от нижних частот: субконтроктава, контроктава, большая, малая, первая, вторая, третья, четвертая.
Приближенно масштаб высоты тона полагают логарифмическим, и за единицу высоты тона принимают октаву и ее доли. Уровень ощущения неточно характеризует субъективное ощущение. Введено понятие уровня громкости. Условились за уровень громкости принимать равногромкий со звуком чистый тон 1000 Гц. За единицу уровня громкости принят фон –уровень интенсивности звука на частоте 1000 Гц
L = 10lgI + 120 [фон], для f = 1000 Гц.
Для определения громкости звука берут сигнал частотой 1000 Гц и увеличивают его до равной громкости с измеряемым звуком, и искомая громкость будет равна уровню эталонного тона. Уровень громкости хотя и характеризует восприятие звука по уровню, но масштаб не соответствует субъективным ощущениям.
Например, увеличение уровня громкости на 10 фон в диапазоне выше 40 фон соответствует субъективному ощущению увеличения громкости только вдвое. Фон как единица неудобен также тем, что нельзя простым сложением громкости разных звуков найти суммарную громкость. Поэтому ввели сложную шкалу новых единиц – сон.
Уровень громкости в 40 фон назвали 1 сон. На рис. 4 приведен график пересчета уровня громкости в фонах в громкость в сонах. В табл. 1 приведены примеры уровней громкости звука. Так как шум – это нечистые тона, то измеряют шум не в фонах, а в децибелах по шкале А (шкала для уровней громкости 35 – 40 фон, где измерения и субъективные восприятия близки), то есть в единицах дБ/A – единицах шкалы шумомеров. Шумы пересчитывают в октавные уровни, отнесенные к средней частоте октавы, дБ/А.
