Възприемане на звукови вълни с различни честоти и амплитуди. Колко децибела може да издържи човешкото ухо?Възприема се от ухото

Психоакустиката, научна област, граничеща между физиката и психологията, изучава данни за слуховото усещане на човек, когато физически стимул - звук - се приложи към ухото. Натрупано е голямо количество данни за човешките реакции към слухови стимули. Без тези данни е трудно да се получи правилно разбиране за работата на системите за аудио предаване. Нека разгледаме най-важните характеристики на човешкото възприятие на звука.
Човек усеща промени в звуковото налягане, възникващи при честота 20-20 000 Hz. Звуци с честоти под 40 Hz са относително редки в музиката и не съществуват в говоримия език. При много високи честоти музикалното възприятие изчезва и се появява известно неясно звуково усещане, в зависимост от индивидуалността на слушателя и неговата възраст. С напредването на възрастта слуховата чувствителност на човек намалява, предимно в горните честоти на звуковия диапазон.
Но би било погрешно да се заключи на тази основа, че предаването на широка честотна лента от звуковъзпроизвеждаща инсталация не е важно за възрастните хора. Експериментите показват, че хората, дори ако едва възприемат сигнали над 12 kHz, много лесно разпознават липсата на високи честоти в музикално предаване.

Честотни характеристики на слуховите усещания

Диапазонът на чуваемите от човека звуци в диапазона 20-20 000 Hz е ограничен по интензитет от прагове: отдолу - чуваемост и отгоре - болка.
Прагът на слуха се определя от минималното налягане или по-точно минималното увеличение на налягането спрямо границата е чувствително към честоти от 1000-5000 Hz - тук прагът на слуха е най-нисък (звуково налягане около 2-10 Pa). Към по-ниските и по-високите честоти на звука чувствителността на слуха рязко спада.
Прагът на болка определя горната граница на възприемане на звукова енергия и съответства приблизително на интензитет на звука от 10 W/m или 130 dB (за еталонен сигнал с честота 1000 Hz).
С увеличаването на звуковото налягане интензитетът на звука също се увеличава и слуховото усещане се увеличава на скокове, наречено праг на разграничаване на интензитета. Броят на тези скокове при средни честоти е приблизително 250, при ниски и високи честоти той намалява и средно в честотния диапазон е около 150.

Тъй като обхватът на промените в интензитета е 130 dB, елементарният скок в усещанията средно в амплитудния диапазон е 0,8 dB, което съответства на промяна в интензитета на звука с 1,2 пъти. При ниски нива на слуха тези скокове достигат 2-3 dB, при високи нива намаляват до 0,5 dB (1,1 пъти). Увеличаването на мощността на пътя на усилване с по-малко от 1,44 пъти практически не се открива от човешкото ухо. При по-ниско звуково налягане, развивано от високоговорителя, дори удвояването на мощността на изходното стъпало може да не доведе до забележим резултат.

Субективни звукови характеристики

Качеството на предаване на звука се оценява въз основа на слуховото възприятие. Следователно е възможно правилно да се определят техническите изисквания за пътя на предаване на звука или неговите отделни връзки само чрез изучаване на моделите, свързващи субективно възприеманото усещане за звук и обективните характеристики на звука са височина, обем и тембър.
Концепцията за височина предполага субективна оценка на възприемането на звука в целия честотен диапазон. Звукът обикновено се характеризира не с честота, а с височина.
Тонът е сигнал с определена височина, който има дискретен спектър (музикални звуци, гласни звуци на речта). Сигнал, който има широк непрекъснат спектър, всички честотни компоненти на който имат еднаква средна мощност, се нарича бял шум.

Постепенното увеличаване на честотата на звуковите вибрации от 20 до 20 000 Hz се възприема като постепенна промяна на тона от най-ниския (бас) към най-високия.
Степента на точност, с която човек определя височината на звука чрез ухо, зависи от остротата, музикалността и подготовката на ухото му. Трябва да се отбележи, че височината на звука зависи до известна степен от интензитета на звука (при високи нива звуците с по-голям интензитет изглеждат по-ниски от по-слабите.
Човешкото ухо може ясно да различи два близки по височина тона. Например, в честотния диапазон от приблизително 2000 Hz, човек може да различи два тона, които се различават един от друг по честота с 3-6 Hz.
Субективната скала на звуковото възприятие по честота е близка до логаритмичния закон. Следователно удвояването на честотата на вибрациите (независимо от първоначалната честота) винаги се възприема като същата промяна на височината. Интервалът на височината, съответстващ на 2-кратна промяна на честотата, се нарича октава. Обхватът на възприеманите от хората честоти е 20-20 000 Hz, което обхваща приблизително десет октави.
Октава е доста голям интервал на промяна на височината; човек различава значително по-малки интервали. Така в десет октави, възприети от ухото, могат да се разграничат повече от хиляда градации на височината. Музиката използва по-малки интервали, наречени полутонове, които съответстват на промяна в честотата от приблизително 1,054 пъти.
Една октава е разделена на половин октава и една трета от октава. За последното е стандартизиран следният диапазон от честоти: 1; 1,25; 1.6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, които са границите на една трета октави. Ако тези честоти са поставени на равни разстояния по честотната ос, получавате логаритмична скала. Въз основа на това всички честотни характеристики на устройствата за предаване на звук се изобразяват в логаритмична скала.
Силата на предаване зависи не само от интензивността на звука, но и от спектралния състав, условията на възприятие и продължителността на експозицията. Така два звучащи тона със средна и ниска честота, имащи еднакъв интензитет (или еднакво звуково налягане), не се възприемат от човек като еднакво силни. Поради това беше въведена концепцията за ниво на сила на звука във фонове, за да обозначи звуци с еднаква сила на звука. Нивото на силата на звука във фоновете се приема за нивото на звуково налягане в децибели на същия обем на чист тон с честота 1000 Hz, т.е. за честота от 1000 Hz нивата на звука във фоновете и децибелите са еднакви. При други честоти звуците може да изглеждат по-силни или по-тихи при същото звуково налягане.
Опитът на звуковите инженери при записване и редактиране на музикални произведения показва, че за по-добро откриване на звукови дефекти, които могат да възникнат по време на работа, нивото на звука по време на контролно слушане трябва да се поддържа високо, приблизително съответстващо на нивото на звука в залата.
При продължително излагане на интензивен звук, слуховата чувствителност постепенно намалява и колкото повече, толкова по-висока е силата на звука. Установеното намаляване на чувствителността е свързано с реакцията на слуха към претоварване, т.е. с естествената си адаптация.След известно прекъсване на слушането чувствителността на слуха се възстановява. Към това трябва да се добави, че слуховият апарат, когато възприема сигнали от високо ниво, въвежда свои собствени, така наречените субективни изкривявания (което показва нелинейността на слуха). Така при ниво на сигнала от 100 dB първият и вторият субективен хармоник достигат нива от 85 и 70 dB.
Значително ниво на силата на звука и продължителността на експозицията му причиняват необратими явления в слуховия орган. Беше отбелязано, че прагът на слуха на младите хора рязко се е увеличил през последните години. Причината за това е страстта към поп музиката, характеризираща се с високи нива на звука.
Нивото на звука се измерва с електроакустичен уред - шумомер. Звукът, който се измерва, първо се преобразува в електрически вибрации от микрофона. След усилване от специален усилвател на напрежението, тези трептения се измерват със стрелка, настроена в децибели. За да може показанията на устройството да съответстват възможно най-точно на субективното възприемане на силата на звука, устройството е оборудвано със специални филтри, които променят чувствителността му към възприемане на звук с различни честоти в съответствие с характеристиките на слуховата чувствителност.
Важна характеристика на звука е тембърът. Способността на слуха да го различава ви позволява да възприемате сигнали с голямо разнообразие от нюанси. Звукът на всеки от инструментите и гласовете, благодарение на техните характерни нюанси, става многоцветен и добре разпознаваем.
Тембърът, като субективно отражение на сложността на възприемания звук, няма количествена оценка и се характеризира с качествени термини (красив, мек, сочен и др.). При предаване на сигнал по електроакустичен път, получените изкривявания засягат предимно тембъра на възпроизвеждания звук. Условието за правилно предаване на тембъра на музикалните звуци е неизкривеното предаване на спектъра на сигнала. Спектърът на сигнала е колекция от синусоидални компоненти на сложен звук.
Най-простият спектър е така нареченият чист тон, той съдържа само една честота. Звукът на музикалния инструмент е по-интересен: неговият спектър се състои от честотата на основния тон и няколко „примесни” честоти, наречени обертонове (по-високи тонове).Обертоновете са кратни на честотата на основния тон и обикновено са с по-малка амплитуда .
Тембърът на звука зависи от разпределението на интензитета върху обертонове. Звуците на различните музикални инструменти се различават по тембър.
По-сложен е спектърът от комбинации от музикални звуци, наречен акорд. В такъв спектър има няколко основни честоти заедно със съответните обертонове
Разликите в тембъра се дължат главно на ниско-средночестотните компоненти на сигнала, следователно голямо разнообразие от тембри се свързва със сигнали, разположени в долната част на честотния диапазон. Сигналите, принадлежащи към горната му част, с нарастването си все повече губят оцветяването на тембъра, което се дължи на постепенното излизане на техните хармонични компоненти извън границите на звуковите честоти. Това може да се обясни с факта, че до 20 или повече хармоници участват активно във формирането на тембъра на ниски звуци, средни 8 - 10, високи 2 - 3, тъй като останалите са или слаби, или попадат извън обхвата на чуваемото честоти. Следователно високите звуци, като правило, са по-бедни в тембър.
Почти всички естествени звукови източници, включително източници на музикални звуци, имат специфична зависимост на тембъра от силата на звука. Слухът също е приспособен към тази зависимост - за него е естествено да определя интензивността на източника по цвета на звука. По-силните звуци обикновено са по-резки.

Източници на музикален звук

Голямо влияние върху качеството на звука на електроакустичните системи оказват редица фактори, характеризиращи първичните звукови източници.
Акустичните параметри на музикалните източници зависят от състава на изпълнителите (оркестър, ансамбъл, група, солист и вид музика: симфонична, народна, естрадна и др.).

Произходът и формирането на звука на всеки музикален инструмент има своя специфика, свързана с акустичните характеристики на звукопроизводството на даден музикален инструмент.
Важен елемент от музикалния звук е атаката. Това е специфичен преходен процес, по време на който се установяват стабилни звукови характеристики: обем, тембър, височина. Всеки музикален звук преминава през три етапа - начало, среда и край, като както началният, така и крайният етап имат определена продължителност. Началният етап се нарича атака. Продължителността му е различна: за щипкови инструменти, ударни и някои духови инструменти е с продължителност 0-20 ms, за фагот е с продължителност 20-60 ms. Атаката не е просто увеличаване на силата на звука от нула до някаква постоянна стойност; тя може да бъде придружена от същата промяна в височината на звука и неговия тембър. Освен това атакуващите характеристики на инструмента не са еднакви в различните части на неговия диапазон с различни стилове на свирене: цигулката е най-съвършеният инструмент по отношение на богатството от възможни изразителни методи за атака.
Една от характеристиките на всеки музикален инструмент е неговият честотен диапазон. В допълнение към основните честоти, всеки инструмент се характеризира с допълнителни висококачествени компоненти - обертонове (или, както е прието в електроакустиката, висши хармоници), които определят специфичния му тембър.
Известно е, че звуковата енергия е неравномерно разпределена в целия спектър от звукови честоти, излъчвани от източника.
Повечето инструменти се характеризират с усилване на основни честоти, както и на отделни обертонове, в определени (една или повече) относително тесни честотни ленти (форманти), различни за всеки инструмент. Резонансните честоти (в херци) на формантната област са: за тромпет 100-200, валдхорна 200-400, тромбон 300-900, тромпет 800-1750, саксофон 350-900, обой 800-1500, фагот 300-900, кларинет 250 -600 .
Друго характерно свойство на музикалните инструменти е силата на техния звук, която се определя от по-голямата или по-малка амплитуда (размах) на звучащото им тяло или въздушен стълб (по-голямата амплитуда съответства на по-силен звук и обратно). Пиковите стойности на акустичната мощност (във ватове) са: за голям оркестър 70, бас барабан 25, тимпани 20, малък барабан 12, тромбон 6, пиано 0,4, тромпет и саксофон 0,3, тромпет 0,2, контрабас 0. ( 6, малка флейта 0,08, кларинет, валдхорна и триъгълник 0,05.
Съотношението на звуковата мощност, извлечена от инструмент, когато се свири „фортисимо“, към силата на звука, когато се свири „пианисимо“, обикновено се нарича динамичен диапазон на звука на музикални инструменти.
Динамичният обхват на източника на музикален звук зависи от вида на изпълняващата група и естеството на изпълнението.
Нека разгледаме динамичния диапазон на отделните източници на звук. Динамичният диапазон на отделните музикални инструменти и ансамбли (оркестри и хорове с различни състави), както и гласове, се разбира като съотношение на максималното звуково налягане, създадено от даден източник, към минималното, изразено в децибели.
На практика, когато се определя динамичният обхват на източник на звук, обикновено се работи само с нивата на звуково налягане, като се изчислява или измерва съответната им разлика. Например, ако максималното ниво на звука на оркестър е 90, а минималното е 50 dB, тогава се казва, че динамичният диапазон е 90 - 50 = 40 dB. В този случай 90 и 50 dB са нива на звуково налягане спрямо нулево акустично ниво.
Динамичният диапазон за даден източник на звук не е постоянна стойност. Това зависи от естеството на извършваната работа и от акустичните условия на помещението, в което се извършва изпълнението. Реверберацията разширява динамичния диапазон, който обикновено достига своя максимум в помещения с големи обеми и минимално звукопоглъщане. Почти всички инструменти и човешки гласове имат неравномерен динамичен диапазон в звуковите регистри. Например нивото на силата на звука на най-ниския звук на форте за вокалист е равно на нивото на най-високия звук на пиано.

Динамичният диапазон на определена музикална програма се изразява по същия начин, както при отделните звукови източници, но максималното звуково налягане се отбелязва с динамичен тон ff (фортисимо), а минималното с pp (пианисимо).

Най-високата сила на звука, посочена в нотите fff (форте, фортисимо), съответства на ниво на акустично звуково налягане от приблизително 110 dB, а най-ниската сила на звука, посочена в нотите ppr (пиано-пианисимо), приблизително 40 dB.
Трябва да се отбележи, че динамичните нюанси на изпълнение в музиката са относителни и връзката им със съответните нива на звуково налягане е до известна степен условна. Динамичният диапазон на определена музикална програма зависи от естеството на композицията. Така динамичният обхват на класическите произведения на Хайдн, Моцарт, Вивалди рядко надвишава 30-35 dB. Динамичният диапазон на поп музиката обикновено не надвишава 40 dB, докато този на денс и джаз музиката е само около 20 dB. Повечето произведения за оркестър на руски народни инструменти също имат малък динамичен диапазон (25-30 dB). Това важи и за духовия оркестър. Въпреки това, максималното ниво на звука на духовия оркестър в помещението може да достигне доста високо ниво (до 110 dB).

Маскиращ ефект

Субективната оценка на силата на звука зависи от условията, при които звукът се възприема от слушателя. В реални условия акустичен сигнал не съществува при абсолютна тишина. В същото време външният шум засяга слуха, усложнява възприятието на звука, маскирайки до известна степен основния сигнал. Ефектът от маскирането на чиста синусоида от външен шум се измерва чрез показваната стойност. с колко децибела се повишава прагът на чуваемост на маскирания сигнал над прага на възприемането му в тишина.
Експериментите за определяне на степента на маскиране на един звуков сигнал от друг показват, че тон с всякаква честота се маскира от по-ниски тонове много по-ефективно, отколкото от по-високи. Например, ако два камертона (1200 и 440 Hz) издават звуци с еднакъв интензитет, тогава спираме да чуваме първия тон, той се маскира от втория (като изгасим вибрацията на втория камертон, ще чуем първия отново).
Ако два сложни звукови сигнала, състоящи се от определени звукови честотни спектри, съществуват едновременно, тогава възниква ефект на взаимно маскиране. Освен това, ако основната енергия и на двата сигнала е в една и съща област на звуковия честотен диапазон, тогава ефектът на маскиране ще бъде най-силен.По този начин, когато предавате оркестрова пиеса, поради маскиране от акомпанимента, партията на солиста може да стане лоша разбираеми и нечуваеми.
Постигането на яснота или, както се казва, „прозрачност“ на звука при звукопредаване на оркестри или поп ансамбли става много трудно, ако инструмент или отделни групи оркестрови инструменти свирят в един или подобни регистри едновременно.
Директорът, когато записва оркестър, трябва да вземе предвид характеристиките на камуфлажа. На репетициите с помощта на диригента той установява баланс между силата на звука на инструментите от една група, както и между групите на целия оркестър. Яснотата на основните мелодични линии и отделните музикални части се постига в тези случаи чрез близкото разполагане на микрофоните до изпълнителите, съзнателния избор от звуковия инженер на най-важните инструменти в дадено място на произведението и друг специален звук. инженерни техники.
Феноменът маскиране се противопоставя на психофизиологичната способност на слуховите органи да отделят от общата маса звуци един или повече, които носят най-важната информация. Например, когато свири оркестър, диригентът забелязва и най-малките неточности в изпълнението на дадена партия на който и да е инструмент.
Маскирането може значително да повлияе на качеството на предаване на сигнала. Ясното възприемане на получения звук е възможно, ако неговият интензитет значително надвишава нивото на компонентите на смущението, разположени в същата лента като приемания звук. При равномерни смущения превишението на сигнала трябва да бъде 10-15 dB. Тази характеристика на слуховото възприятие намира практическо приложение, например, при оценка на електроакустичните характеристики на медиите. Така че, ако съотношението сигнал / шум на аналогов запис е 60 dB, тогава динамичният обхват на записаната програма може да бъде не повече от 45-48 dB.

Времеви характеристики на слуховото възприятие

Слуховият апарат, както всяка друга осцилационна система, е инерционен. Когато звукът изчезне, слуховото усещане не изчезва веднага, а постепенно, намалявайки до нула. Времето, през което нивото на шума намалява с 8-10 фона, се нарича времеконстанта на слуха. Тази константа зависи от редица обстоятелства, както и от параметрите на възприемания звук. Ако до слушателя пристигнат два къси звукови импулса, еднакви по честотен състав и ниво, но единият от тях е забавен, тогава те ще бъдат възприети заедно със закъснение, не по-голямо от 50 ms. При големи интервали на забавяне и двата импулса се възприемат отделно и се получава ехо.
Тази характеристика на слуха се взема предвид при проектирането на някои устройства за обработка на сигнали, например електронни линии за забавяне, реверберации и др.
Трябва да се отбележи, че поради специалното свойство на слуха, усещането за силата на звука на краткотраен звуков импулс зависи не само от нивото му, но и от продължителността на въздействието на импулса върху ухото. Така краткотраен звук с продължителност само 10-12 ms се възприема от ухото по-тихо от звук със същото ниво, но засягащ слуха за например 150-400 ms. Следователно, когато слушате предаване, силата на звука е резултат от осредняване на енергията на звуковата вълна за определен интервал. В допълнение, човешкият слух има инерция, по-специално, когато възприема нелинейни изкривявания, той не ги усеща, ако продължителността на звуковия импулс е по-малка от 10-20 ms. Ето защо в индикаторите за ниво на звукозаписно битово радиоелектронно оборудване моментните стойности на сигнала се осредняват за период, избран в съответствие с времевите характеристики на слуховите органи.

Пространствено представяне на звука

Една от важните човешки способности е способността да определя посоката на източника на звук. Тази способност се нарича бинаурален ефект и се обяснява с факта, че човек има две уши. Експерименталните данни показват откъде идва звукът: един за високочестотни тонове, един за нискочестотни тонове.

Звукът преминава по-късо разстояние до ухото, обърнато към източника, отколкото до другото ухо. В резултат на това налягането на звуковите вълни в ушните канали варира във фаза и амплитуда. Разликите в амплитудата са значителни само при високи честоти, когато дължината на звуковата вълна стане сравнима с размера на главата. Когато разликата в амплитудата надвишава прагова стойност от 1 dB, източникът на звук изглежда е от страната, където амплитудата е по-голяма. Ъгълът на отклонение на източника на звук от централната линия (линията на симетрия) е приблизително пропорционален на логаритъма на отношението на амплитудата.
За да се определи посоката на източник на звук с честоти под 1500-2000 Hz, фазовите разлики са значителни. На човек му се струва, че звукът идва от страната, от която вълната, която е напред по фаза, достига до ухото. Ъгълът на отклонение на звука от средната линия е пропорционален на разликата във времето на достигане на звуковите вълни до двете уши. Обучен човек може да забележи фазова разлика с времева разлика от 100 ms.
Способността за определяне на посоката на звука във вертикалната равнина е много по-слабо развита (около 10 пъти). Тази физиологична особеност е свързана с ориентацията на слуховите органи в хоризонталната равнина.
Специфична особеност на пространственото възприятие на звука от човек се проявява във факта, че слуховите органи са в състояние да усетят цялостната интегрална локализация, създадена с помощта на изкуствени средства за въздействие. Например, в една стая два високоговорителя са монтирани отпред на разстояние 2-3 м един от друг. Слушателят се намира на същото разстояние от оста на свързващата система, строго в центъра. В една стая през високоговорителите се излъчват два звука с еднаква фаза, честота и интензитет. В резултат на идентичността на звуците, преминаващи в органа на слуха, човек не може да ги раздели, неговите усещания дават идеи за един, привиден (виртуален) източник на звук, който се намира строго в центъра на оста на симетрия.
Ако сега намалим силата на звука на един високоговорител, видимият източник ще се премести към по-силния високоговорител. Илюзията за движещ се източник на звук може да се получи не само чрез промяна на нивото на сигнала, но и чрез изкуствено забавяне на един звук спрямо друг; в този случай видимият източник ще се измести към високоговорителя, излъчващ сигнала предварително.
За да илюстрираме интегралната локализация, даваме пример. Разстоянието между високоговорителите е 2 м, разстоянието от предната линия до слушателя е 2 м; за да може източникът да се премести на 40 cm наляво или надясно, е необходимо да се подадат два сигнала с разлика в нивото на интензитет от 5 dB или с времезакъснение от 0,3 ms. При разлика в нивото от 10 dB или времезакъснение от 0,6 ms, източникът ще се „премести“ на 70 cm от центъра.
По този начин, ако промените звуковото налягане, създадено от високоговорителя, възниква илюзията за преместване на източника на звук. Това явление се нарича обобщена локализация. За създаване на обобщена локализация се използва двуканална стереофонична система за предаване на звук.
В основната стая са монтирани два микрофона, всеки от които работи на свой канал. Вторият има два високоговорителя. Микрофоните са разположени на определено разстояние един от друг по линия, успоредна на разположението на звуковия излъчвател. При преместване на звуковия излъчвател, различно звуково налягане ще действа върху микрофона и времето на пристигане на звуковата вълна ще бъде различно поради неравномерното разстояние между звуковия излъчвател и микрофоните. Тази разлика създава общ ефект на локализация във вторичната стая, в резултат на което видимият източник се локализира в определена точка в пространството, разположена между два високоговорителя.
Трябва да се каже за бинауралната система за предаване на звук. С тази система, наречена система с изкуствена глава, два отделни микрофона се поставят в основната стая, разположени на разстояние един от друг, равно на разстоянието между ушите на човек. Всеки от микрофоните има самостоятелен канал за предаване на звук, чийто изход във второто помещение включва телефони за ляво и дясно ухо. Ако каналите за предаване на звука са идентични, такава система точно предава бинауралния ефект, създаден близо до ушите на „изкуствената глава“ в основната стая. Да имаш слушалки и да ги използваш дълго време е недостатък.
Органът на слуха определя разстоянието до източника на звук с помощта на редица косвени знаци и с някои грешки. В зависимост от това дали разстоянието до източника на сигнала е малко или голямо, неговата субективна оценка се променя под въздействието на различни фактори. Установено е, че ако определените разстояния са малки (до 3 m), то субективната им оценка е почти линейно свързана с изменението на силата на звука на движещия се по дълбочина източник на звук. Допълнителен фактор за сложен сигнал е неговият тембър, който става все по-„тежък" с приближаването на източника към слушателя. Това се дължи на нарастващото усилване на ниските обертонове в сравнение с високите обертонове, причинено от произтичащото увеличаване на нивото на звука.
За средни разстояния от 3-10 m, преместването на източника от слушателя ще бъде придружено от пропорционално намаляване на силата на звука и тази промяна ще се прилага еднакво за основната честота и хармоничните компоненти. В резултат на това има относително засилване на високочестотната част на спектъра и тембърът става по-ярък.
С увеличаване на разстоянието загубите на енергия във въздуха ще се увеличат пропорционално на квадрата на честотата. Повишената загуба на обертонове от висок регистър ще доведе до намалена тембрална яркост. По този начин субективната оценка на разстоянията е свързана с промени в неговия обем и тембър.
В затворено помещение сигналите на първите отражения, закъснели спрямо директното отражение с 20-40 ms, се възприемат от органа на слуха като идващи от различни посоки. В същото време нарастващото им забавяне създава впечатлението за значително разстояние от точките, от които възникват тези отражения. Така по времето на забавяне може да се прецени относителното разстояние на вторичните източници или, което е същото, размерът на помещението.

Някои особености на субективното възприемане на стереофонични предавания.

Стереофоничната система за предаване на звук има редица важни характеристики в сравнение с конвенционалната монофонична.
Качеството, което отличава стереофоничния звук, силата на звука, т.е. естествената акустична перспектива може да бъде оценена с помощта на някои допълнителни индикатори, които нямат смисъл с техника за монофонично предаване на звук. Такива допълнителни показатели включват: ъгъл на слуха, т.е. ъгълът, под който слушателят възприема стереофоничната звукова картина; стерео резолюция, т.е. субективно обусловена локализация на отделни елементи от звуковия образ в определени точки от пространството в рамките на ъгъла на чуваемост; акустична атмосфера, т.е. ефектът да се даде на слушателя усещане за присъствие в основната стая, където се случва предаваното звуково събитие.

За ролята на акустиката на помещението

Цветен звук се постига не само с помощта на оборудване за възпроизвеждане на звук. Дори при сравнително добро оборудване качеството на звука може да е лошо, ако стаята за слушане няма определени свойства. Известно е, че в затворена стая възниква феномен на носов звук, наречен реверберация. Като засяга органите на слуха, реверберацията (в зависимост от нейната продължителност) може да подобри или влоши качеството на звука.

Човек в стая възприема не само директни звукови вълни, създадени директно от източника на звук, но и вълни, отразени от тавана и стените на стаята. Отразените вълни се чуват известно време след като източникът на звук е спрял.
Понякога се смята, че отразените сигнали играят само отрицателна роля, пречейки на възприемането на основния сигнал. Тази идея обаче е неправилна. Определена част от енергията на първоначално отразените ехо сигнали, достигайки до ушите на човека с кратки закъснения, усилва основния сигнал и обогатява звука му. За разлика от това, по-късно отразено ехо. чието време на забавяне надвишава определена критична стойност, образуват звуков фон, който затруднява възприемането на основния сигнал.
Стаята за слушане не трябва да има дълго време на реверберация. Всекидневните като правило имат малко ехтене поради ограничения си размер и наличието на звукопоглъщащи повърхности, мека мебел, килими, завеси и др.
Препятствията с различно естество и свойства се характеризират с коефициент на звукопоглъщане, който е отношението на погълнатата енергия към общата енергия на падащата звукова вълна.

За да увеличите звукопоглъщащите свойства на килима (и да намалите шума в хола), препоръчително е да окачите килима не близо до стената, а с разстояние от 30-50 mm).

Човекът наистина е най-интелигентното от животните, обитаващи планетата. Умът ни обаче често ни лишава от превъзходни способности като възприемане на заобикалящата ни среда чрез обоняние, слух и други сетивни усещания.

По този начин повечето животни са далеч пред нас, когато става въпрос за техния слухов диапазон. Обхватът на човешкия слух е диапазонът от честоти, които човешкото ухо може да възприеме. Нека се опитаме да разберем как човешкото ухо работи по отношение на звуковото възприятие.

Обхват на човешкия слух при нормални условия

Средно човешкото ухо може да открие и различи звукови вълни в диапазона от 20 Hz до 20 kHz (20 000 Hz). Въпреки това, с напредване на възрастта, слуховият диапазон на човек намалява, по-специално, горната му граница намалява. При по-възрастните хора той обикновено е много по-нисък, отколкото при младите хора, като бебетата и децата имат най-високи слухови способности. Слуховото възприятие на високите честоти започва да се влошава от осемгодишна възраст.

Човешки слух при идеални условия

В лабораторията обхватът на слуха на човек се определя с помощта на аудиометър, който излъчва звукови вълни с различни честоти, и съответно настроени слушалки. При такива идеални условия човешкото ухо може да разпознае честоти в диапазона от 12 Hz до 20 kHz.

Диапазон на слуха при мъже и жени

Има значителна разлика между обхвата на слуха на мъжете и жените. Установено е, че жените са по-чувствителни към високите честоти в сравнение с мъжете. Възприемането на ниските честоти е горе-долу на едно и също ниво при мъжете и жените.

Различни скали за указване на обхвата на слуха

Въпреки че честотната скала е най-разпространената скала за измерване на обхвата на човешкия слух, тя също често се измерва в паскали (Pa) и децибели (dB). Измерването в паскали обаче се счита за неудобно, тъй като тази единица включва работа с много големи числа. Един микропаскал е разстоянието, изминато от звукова вълна по време на вибрация, което е равно на една десета от диаметъра на водороден атом. Звуковите вълни преминават на много по-голямо разстояние в човешкото ухо, което затруднява определянето на обхвата на човешкия слух в паскали.

Най-тихият звук, който може да се долови от човешкото ухо, е приблизително 20 µPa. Децибелната скала е по-лесна за използване, тъй като е логаритмична скала, която директно препраща към скалата Pa. Приема 0 dB (20 µPa) като референтна точка и след това продължава да компресира тази скала на налягане. Така 20 милиона μPa се равняват само на 120 dB. Оказва се, че обхватът на човешкото ухо е 0-120 dB.

Обхватът на слуха варира значително от човек на човек. Следователно, за да се открие загуба на слуха, най-добре е да се измери обхватът на чуваемите звуци по отношение на референтна скала, а не по отношение на конвенционална стандартизирана скала. Тестовете могат да се извършват с помощта на сложни инструменти за диагностика на слуха, които могат точно да определят степента и да диагностицират причините за загубата на слуха.

Това е сложен специализиран орган, състоящ се от три части: външно, средно и вътрешно ухо.

Външното ухо е апарат за събиране на звук. Звуковите вибрации се улавят от ушите и се предават през външния слухов канал до тъпанчето, което разделя външното от средното ухо. Възприемането на звука и целият процес на слушане с две уши, т. нар. биниурален слух, е важен за определяне посоката на звука. Звуковите вибрации, идващи отстрани, достигат до най-близкото ухо няколко десетични части от секундата (0,0006 s) по-рано от другото. Тази изключително малка разлика във времето на достигане на звука до двете уши е достатъчна, за да се определи неговата посока.

Средното ухо е въздушна кухина, която се свързва с назофаринкса чрез евстахиевата тръба. Вибрациите от тъпанчето през средното ухо се предават от 3 свързани помежду си слухови костици - чукче, инкус и стреме, а последното през мембраната на овалното прозорче предава тези вибрации на течността, намираща се във вътрешното ухо - перилимфа. Благодарение на слуховите костици амплитудата на вибрациите намалява и тяхната сила се увеличава, което позволява на колоната от течност във вътрешното ухо да се движи. Средното ухо има специален механизъм за адаптиране към промените в интензитета на звука. При силни звуци специални мускули увеличават напрежението на тъпанчето и намаляват подвижността на стремето. Това намалява амплитудата на вибрациите и предпазва вътрешното ухо от увреждане.

Вътрешното ухо с разположената в него кохлея се намира в пирамидата на темпоралната кост. Човешката кохлея образува 2,5 спирални навивки. Кохлеарният канал е разделен от две прегради (главна мембрана и вестибуларна мембрана) на 3 тесни прохода: горен (scala vestibularis), среден (мембранен канал) и долен (scala tympani). В горната част на кохлеята има отвор, който свързва горния и долния канал в един, преминавайки от овалния прозорец към върха на кохлеята и след това към кръглия прозорец. Тяхната кухина е изпълнена с течност - перилимфа, а кухината на средния мембранен канал е изпълнена с течност с различен състав - ендолимфа. В средния канал има звуковъзприемащ апарат - органът на Корти, в който има рецептори за звукови вибрации - космени клетки.

Механизъм на звуково възприятие. Физиологичният механизъм на звуково възприятие се основава на два процеса, протичащи в кохлеята: 1) разделяне на звуци с различни честоти в мястото на най-голямото им въздействие върху основната мембрана на кохлеята и 2) превръщане на механичните вибрации в нервно възбуждане от рецептора клетки. Звуковите вибрации, влизащи във вътрешното ухо през овалния прозорец, се предават на перилимфата, а вибрациите на тази течност водят до изместване на основната мембрана. Височината на колоната от вибрираща течност и съответно мястото на най-голямото изместване на основната мембрана зависи от височината на звука. Така при звуци с различна височина се възбуждат различни космени клетки и различни нервни влакна. Увеличаването на интензитета на звука води до увеличаване на броя на възбудените космени клетки и нервните влакна, което прави възможно разграничаването на интензитета на звуковите вибрации.
Трансформацията на вибрациите в процеса на възбуждане се осъществява от специални рецептори - космени клетки. Власинките на тези клетки са потопени в покривната мембрана. Механичните вибрации под въздействието на звука водят до изместване на покривната мембрана спрямо рецепторните клетки и огъване на космите. В рецепторните клетки механичното изместване на космите предизвиква процес на възбуждане.

Звукова проводимост. Има въздушна и костна проводимост. При нормални условия при хората преобладава въздушната проводимост: звуковите вълни се улавят от външното ухо, а въздушните вибрации се предават през външния слухов канал към средното и вътрешното ухо. В случай на костна проводимост звуковите вибрации се предават през костите на черепа директно към кохлеята. Този механизъм за предаване на звукови вибрации е важен, когато човек се гмурка под вода.
Човек обикновено възприема звуци с честота от 15 до 20 000 Hz (в диапазона 10-11 октави). При децата горната граница достига 22 000 Hz, с възрастта тя намалява. Най-високата чувствителност е установена в честотния диапазон от 1000 до 3000 Hz. Този регион съответства на най-често срещаните честоти на човешката реч и музика.

Звукът, като сигнал, има безкраен брой вибрации и може да носи същото безкрайно количество информация. Степента на неговото възприемане ще варира в зависимост от физиологичните възможности на ухото, като в този случай се изключват психологическите фактори. В зависимост от вида на шума, неговата честота и налягане, човек усеща неговото въздействие.

Праг на чувствителност на човешкото ухо в децибели

Човек възприема звукови честоти от 16 до 20 000 Hz. Тъпанчетата са чувствителни към натиска на звуковите вибрации, чието ниво се измерва в децибели (dB). Оптималното ниво е от 35 до 60 dB, шумът от 60-70 dB подобрява умствената работа, повече от 80 dB, напротив, отслабва вниманието и влошава мисловния процес, а дългосрочното възприемане на звук над 80 dB може да провокира загуба на слуха.

Честоти до 10-15 Hz са инфразвук, не се възприема от органа на слуха, което предизвиква резонансни вибрации. Способността да се контролират вибрациите, които създава звукът, е мощно оръжие за масово унищожение. Недоловим за ухото, инфразвукът е способен да пътува на големи разстояния, да предава заповеди, които принуждават хората да действат според определен сценарий, предизвикват паника и ужас и ги принуждават да забравят за всичко, което няма нищо общо с желанието да се скрият, да избягайте от този страх. И при определено съотношение на честота и звуково налягане, такова устройство е в състояние не само да потиска волята, но и да убива, наранява човешката тъкан.

Абсолютен праг на чувствителност на човешкото ухо в децибели

Диапазонът от 7 до 13 Hz се излъчва от природни бедствия: вулкани, земетресения, тайфуни и предизвиква чувство на паника и ужас. Тъй като човешкото тяло също има честота на трептене, която варира от 8 до 15 Hz, с помощта на такъв инфразвук не струва нищо да се създаде резонанс и да се увеличи амплитудата десетки пъти, за да доведе човек до самоубийство или увреждане на вътрешните органи.

При ниски честоти и високо налягане се появяват гадене и болки в стомаха, които бързо се превръщат в сериозни стомашно-чревни разстройства, а повишаването на налягането до 150 dB води до физически увреждания. Резонансите на вътрешните органи при ниски честоти предизвикват кървене и спазми, при средни честоти - нервна възбуда и увреждане на вътрешните органи, при високи честоти - до 30 Hz - изгаряне на тъканите.

В съвременния свят разработването на звукови оръжия е в ход и очевидно не напразно немският микробиолог Робърт Кох прогнозира, че ще трябва да се търси „ваксина“ срещу шума, както срещу чумата или холерата .

Често оценяваме качеството на звука. Когато избирате микрофон, софтуер за аудио обработка или формат за запис на аудиофайл, един от най-важните въпроси е колко добре ще звучи. Но има разлики между характеристиките на звука, който може да бъде измерен, и тези, които могат да бъдат чути.

Тон, тембър, октава.

Мозъкът възприема звуци с определени честоти. Това се дължи на особеностите на механизма на вътрешното ухо. Рецепторите, разположени на основната мембрана на вътрешното ухо, преобразуват звуковите вибрации в електрически потенциали, които възбуждат влакната на слуховия нерв. Влакната на слуховия нерв имат честотна селективност поради възбуждането на клетките на органа на Корти, разположени на различни места на основната мембрана: високите честоти се възприемат близо до овалния прозорец, ниските честоти се възприемат на върха на спиралата.

Физическата характеристика на звука, честотата, е тясно свързана с височината, която възприемаме. Честотата се измерва като броя на пълните цикли на синусоида за една секунда (херц, Hz). Това определение за честота се основава на факта, че синусоидата има точно същата форма на вълната. В реалния живот много малко звуци имат това свойство. Всеки звук обаче може да бъде представен като набор от синусоидални трептения. Обикновено наричаме този набор тон. Тоест, тонът е сигнал с определена височина, който има дискретен спектър (музикални звуци, гласни звуци на речта), в който се подчертава честотата на синусоида, която има максималната амплитуда в този набор. Сигнал с широк непрекъснат спектър, всички честотни компоненти на който имат еднакъв среден интензитет, се нарича бял шум.

Постепенното увеличаване на честотата на звуковите вибрации се възприема като постепенна промяна на тона от най-ниския (бас) към най-високия.

Степента на точност, с която човек определя височината на звука по ухо, зависи от остротата и обучението на неговия слух. Човешкото ухо може ясно да различи два близки по височина тона. Например, в честотния диапазон от приблизително 2000 Hz, човек може да различи два тона, които се различават един от друг по честота с 3-6 Hz или дори по-малко.

Честотният спектър на музикален инструмент или глас съдържа поредица от равномерно разположени пикове - хармоници. Те съответстват на честоти, които са кратни на определена основна честота, най-интензивната от синусоидите, които изграждат звука.

Конкретният звук (тембър) на музикален инструмент (глас) се свързва с относителната амплитуда на различни хармоници, а височината, възприемана от човек, най-точно предава основната честота. Тембърът, като субективно отражение на възприемания звук, няма количествена оценка и се характеризира само качествено.

В "чистия" тон има само една честота. Обикновено възприеманият звук се състои от честотата на основния тон и няколко "примесни" честоти, наречени обертонове. Обертоновете са кратни на честотата на основния тон и са с по-малка амплитуда. Тембърът на звука зависи от разпределението на интензитета между обертоновете.Спектърът от комбинации от музикални звуци, наречен акорд, зависи от разпределението на интензитета между обертоновете.Такъв спектър съдържа няколко основни честоти заедно с придружаващите ги обертонове.

Ако честотата на един звук е точно два пъти по-голяма от честотата на друг, звуковата вълна се „побира“ една в друга. Честотното разстояние между такива звуци се нарича октава. Диапазонът от честоти, възприемани от хората, 16-20 000 Hz, обхваща приблизително десет до единадесет октави.

Амплитуда на звуковите вибрации и обем.

Чуваемата част от звуковия диапазон се разделя на нискочестотни звуци - до 500 Hz, средночестотни - 500-10 000 Hz и високочестотни - над 10 000 Hz. Ухото е най-чувствително към сравнително тесен диапазон от средночестотни звуци от 1000 до 4000 Hz. Тоест звуци с еднаква сила в средночестотния диапазон могат да се възприемат като силни, но в нискочестотния или високочестотен диапазон могат да се възприемат като тихи или изобщо да не се чуват. Тази особеност на звуковото възприятие се дължи на факта, че необходимата за човешкото съществуване звукова информация - реч или звуци от природата - се предава главно в средночестотния диапазон. По този начин силата на звука не е физически параметър, а интензивността на слуховото усещане, субективна характеристика на звука, свързана с характеристиките на нашето възприятие.

Слуховият анализатор възприема увеличаване на амплитудата на звуковата вълна поради увеличаване на амплитудата на вибрациите на основната мембрана на вътрешното ухо и стимулиране на нарастващ брой космени клетки с предаване на електрически импулси с по-висока честота и по по-голям брой нервни влакна.

Нашето ухо може да различи интензивността на звука в диапазона от най-слабия шепот до най-силния шум, което приблизително съответства на увеличаване на амплитудата на движение на основната мембрана с 1 милион пъти. Но ухото интерпретира тази огромна разлика в амплитудата на звука като приблизително 10 000-кратна промяна. Тоест скалата на интензитета е силно „компресирана“ от механизма за възприемане на звука на слуховия анализатор. Това позволява на човек да интерпретира разликите в интензитета на звука в изключително широк диапазон.

Интензитетът на звука се измерва в децибели (dB) (1 бел е равен на десет пъти амплитудата). Същата система се използва за определяне на промените в обема.

За сравнение можем да дадем приблизително ниво на интензивност на различните звуци: едва доловим звук (праг на чуваемост) 0 dB; шепот близо до ухото 25-30 dB; среден обем на речта 60-70 dB; много силен говор (крещене) 90 dB; на концерти на рок и поп музика в центъра на залата 105-110 dB; до излитащ самолет 120 dB.

Големината на нарастване на силата на звука на възприемания звук има праг на дискриминация. Броят на разграничените градации на силата на звука при средни честоти не надвишава 250, при ниски и високи честоти той рязко намалява и е средно около 150.