Възприемане на звукови вълни с различни честоти и амплитуди. Колко децибела може да възприеме човешкото ухо
Психоакустиката - област на науката, граничеща между физиката и психологията, изучава данните за слуховото усещане на човек, когато физически стимул - звук - действа върху ухото. Натрупано е голямо количество данни за човешките реакции към слухови стимули. Без тези данни е трудно да се постигне правилно разбиране на работата на системите за сигнализиране с аудио честота. Помислете за най-важните характеристики на човешкото възприятие на звука.
Човек усеща промени в звуковото налягане, възникващи при честота 20-20 000 Hz. Звуци под 40 Hz са относително редки в музиката и не съществуват в говоримия език. При много високи честоти музикалното възприятие изчезва и възниква определено неопределено звуково усещане, в зависимост от индивидуалността на слушателя, неговата възраст. С възрастта чувствителността на слуха при хората намалява, особено 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 едва възприемащи сигнали над 12 kHz, много лесно разпознават липсата на високи честоти в музикално предаване.
Честотни характеристики на слуховите усещания
Зоната на звуците, чуваеми от човек в диапазона 20-20000 Hz, е ограничена по интензитет от прагове: отдолу - чуваемост и отгоре - усещане за болка.
Прагът на слуха се оценява от минималното налягане, по-точно от минималното увеличение на налягането спрямо границата; той е чувствителен към честоти от 1000-5000 Hz - тук прагът на слуха е най-нисък (звуковото налягане е около 2 -10 Pa). По посока на по-ниски и по-високи звукови честоти чувствителността на слуха рязко спада.
Прагът на болката определя горната граница на възприятието на звуковата енергия и съответства приблизително на интензитет на звука от 10 W / m или 130 dB (за референтен сигнал с честота 1000 Hz).
С увеличаване на звуковото налягане, интензитетът на звука също се увеличава, а слуховото усещане се увеличава на скокове, наречено праг на разграничаване на интензитета. Броят на тези скокове при средни честоти е около 250, при ниски и високи честоти той намалява и средно в честотния диапазон е около 150.
Тъй като обхватът на промяна на интензитета е 130 dB, тогава елементарният скок на усещанията средно в диапазона на амплитудата 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 усилващия път с по-малко от 1,44 пъти практически не се фиксира от човешкото ухо. При по-ниско звуково налягане, развивано от високоговорителя, дори двукратното увеличение на мощността на изходния етап може да не даде осезаем резултат.
Субективни характеристики на звука
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, които свързват субективно възприеманото усещане за звук и обективните характеристики на звука са височина, сила и тембър.
Понятието височина предполага субективна оценка на възприемането на звука в честотния диапазон. Звукът обикновено се характеризира не с честота, а с височина.
Тонът е сигнал с определена височина, имащ дискретен спектър (музикални звуци, гласни 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 ухото, зависи от остротата, музикалността и подготовката на ухото му. Трябва да се отбележи, че височината до известна степен зависи от интензивността на звука (при високи нива звуците с по-голяма интензивност изглеждат по-ниски от по-слабите..
Човешкото ухо различава добре два тона, които са близки по височина. 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 отношение на честотата е близка до логаритмичния закон. Следователно, удвояването на честотата на трептене (независимо от първоначалната честота) винаги се възприема като същата промяна на височината. Интервалът на височината, съответстващ на промяна на честотата от 2 пъти, се нарича октава. Възприеманият от човек честотен диапазон е 20-20 000 Hz, обхваща приблизително десет октави.
Октава е доста голям интервал за промяна на височината; човек различава много по-малки интервали. И така, в десет октави, възприемани от ухото, можете да различите повече от хиляда степени на височина. Музиката използва по-малки интервали, наречени полутонове, които съответстват на промяна на 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 се поставят на равни разстояния по честотната ос, тогава ще се получи логаритмична скала. Въз основа на това всички честотни характеристики на устройствата за предаване на звук се изграждат в логаритмична скала.
Силата на предаване зависи не само от интензивността на звука, но и от спектралния състав, условията на възприемане и продължителността на експозицията. И така, два звукови тона със средна и ниска честота, които имат еднакъв интензитет (или същото 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 звуково налягане в децибели на същия обем на чист тон с честота 1000 Hz се приема за ниво на силата на звука във фони, т.е. за честота от 1000 Hz нивата на звука във фони и децибели са еднакви. При други честоти, за същото звуково налягане, звуците може да изглеждат по-силни или по-тихи.
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 чувствителността на слуха постепенно намалява и колкото повече, толкова по-висока е силата на звука. Откриваемото намаление на чувствителността е свързано със слуховата реакция при претоварване, т.е. с естествената си адаптация, След прекъсване на слушането чувствителността на слуха се възстановява. Към това трябва да се добави, че слуховият апарат, когато възприема сигнали с 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.
Значителното ниво на звука и продължителността на експозицията му причиняват необратими явления в слуховия орган. Отбелязва се, че през последните години праговете на слуха сред младите хора рязко са се увеличили. Причината за това е страстта към поп музиката, характеризираща се с високи нива на звука.
Нивото на звука се измерва с помощта на електроакустичен уред - шумомер. Измереният звук първо се преобразува от микрофона в електрически вибрации. След усилване от специален усилвател на напрежението, тези трептения се измерват със стрелка, настроена в децибели. За да се гарантира, че показанията на устройството съответстват възможно най-близо 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 характеристиката на чувствителността на слуха.
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, поради характерните им нюанси, става многоцветен и добре разпознаваем.
Тембърът, като субективно отражение на сложността на възприемания звук, няма количествена оценка и се характеризира с термини от качествен ред (красив, мек, сочен и др.). Когато сигналът се предава по електроакустичен път, получените изкривявания засягат предимно тембъра на възпроизвеждания звук. Условието за правилното предаване на тембъра на музикалните звуци е неизкривеното предаване на спектъра на сигнала. Спектърът на сигнала е набор от синусоидални компоненти на сложен звук.
Така нареченият чист тон има най-простия спектър, той съдържа само една честота. Звукът на музикалния инструмент се оказва по-интересен: спектърът му се състои от основната честота и няколко честоти на "примеси", наречени обертонове (по-високи тонове).Обертоновете са кратни на основната честота и обикновено са с по-малка амплитуда.
Тембърът на звука зависи от разпределението на интензивността върху обертоновете. Звуците на различните музикални инструменти се различават по тембър.
По-сложен е спектърът от съчетания на музикални звуци, наречен акорд. В такъв спектър има няколко основни честоти заедно със съответните обертонове.
Разликите в тембъра се споделят главно от ниско-средночестотните компоненти на сигнала, следователно голямо разнообразие от тембри се свързва със сигнали, разположени в долната част на честотния диапазон. Сигналите, свързани с горната му част, с нарастването си все повече губят тембърното си оцветяване, което се дължи на постепенното излизане на техните хармонични компоненти извън границите на чуваемите 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 изпадат от областта на звукови 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 силата на източника по цвета на звука. Силните звуци обикновено са по-резки.
Източници на музикален звук
Редица фактори, които характеризират първичните източници на звук, оказват голямо влияние върху качеството на звука на електроакустичните системи.
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 особености на звукообразуването 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: сила на звука, 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, ударни и някои духови инструменти 0-20 ms, за фагот 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 на височината и тембъра. Освен това характеристиките на атаката 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 честотният диапазон на звука. 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 по целия спектър от звукови честоти, излъчвани от източника.
Повечето инструменти се характеризират с усилване на основните честоти, както и на отделни обертонове в определени (една или повече) относително тесни честотни ленти (форманти), които са 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). Стойността на пиковите акустични мощности (във ватове) е: 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, пиколо 0,08, кларинет, валдхорна и триъгълник 0,05.
Съотношението на звуковата мощност, извлечена от инструмента при изпълнение на "фортисимо" към звуковата мощност при изпълнение на "пианисимо", обикновено се нарича динамичен диапазон на звука на музикалните инструменти.
Динамичният обхват на източника на музикален звук зависи от вида на изпълняващата група и естеството на изпълнението.
Помислете за динамичния обхват на отделните източници на звук. Под динамичния обхват на отделните музикални инструменти и ансамбли (оркестри и хорове с различен състав), както и на гласове, разбираме съотношението 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 нива 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 обхват е 90 - 50 = = 40 dB. В този случай 90 и 50 dB са нивата на звуково налягане спрямо нулевото акустично ниво.
Динамичният диапазон за даден източник на звук не е постоянен. Това зависи от естеството на извършваната работа и от акустичните условия на помещението, в което се извършва изпълнението. Reverb разширява динамичния диапазон, който обикновено достига максималната си стойност в помещения с голям обем и минимално звукопоглъщане. Почти всички инструменти и човешки гласове имат динамичен диапазон, който е неравномерен в звуковите регистри. Например силата на звука на най-ниския звук на "forte" на вокалиста е равна на нивото на най-високия звук на "пианото".
Динамичният диапазон на музикалната програма се изразява по същия начин, както при отделните звукови източници, но максималното звуково налягане се отбелязва с динамичен нюанс ff (фортисимо), а минималното с pp (пианисимо).
Най-високата сила на звука, посочена в нотите fff (forte, fortissimo), съответства на ниво на акустично звуково налягане от приблизително 110 dB, а най-ниската сила на звука, посочена в нотите prr (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 обхват на определена музикална програма зависи от характера на композицията. Така динамичният обхват на класическите произведения на Хайдн, Моцарт, Вивалди рядко надвишава 30-35 dB. Динамичният диапазон на вариететната музика обикновено не надвишава 40 dB, докато на танците и джаза - само около 20 dB. Повечето произведения за руски оркестър за 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 звуковият сигнал не съществува при абсолютна тишина. В същото време външният шум засяга слуха, което затруднява възприемането на звука, маскирайки основния сигнал до известна степен. Ефектът от маскирането на чист синусоидален тон от външен шум се оценява чрез стойност, показваща. 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 тонът на всяка честота се маскира от по-ниски тонове много по-ефективно, отколкото от по-високи. Например, ако два камертона (1200 и 440 Hz) излъчват звуци с еднакъв интензитет, тогава спираме да чуваме първия тон, той се маскира от втория (след като изгасим вибрацията на втория камертон, ще чуем първият отново).
Ако има едновременно два сложни звукови сигнала, състоящи се от определени спектри от звукови честоти, тогава възниква ефектът на взаимно маскиране. Освен това, ако основната енергия на двата сигнала е в една и съща област на аудио честотния диапазон, тогава ефектът на маскиране ще бъде най-силен.Така, когато предавате оркестрово произведение, поради маскиране от акомпанимента, партията на солиста може да стане лоша четливо, неясно.
Постигането на яснота или, както се казва, "прозрачност" на звука при звукопредаване на оркестри или поп ансамбли става много трудно, ако инструментът или отделни групи инструменти на оркестъра свирят едновременно в едни и същи или близки регистри.
При запис на оркестър режисьорът трябва да се съобразява с особеностите на маскировката. На репетициите, с помощта на диригент, той определя баланса 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 разположение на микрофоните до изпълнителите, съзнателния подбор от звукорежисьора на най-важните инструменти на дадено място и други специални звукови техники .
Феноменът маскиране се противопоставя на психофизиологичната способност на слуховите органи да отделят един или повече звуци от общата маса, които носят най-важната информация. Например, когато оркестърът свири, диригентът забелязва и най-малките неточности в изпълнението на партията на всеки инструмент.
Маскирането може значително да повлияе на качеството на предаване на сигнала. Ясното възприемане на получения звук е възможно, ако интензитетът му значително надвишава нивото на компонентите на смущението, които са 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 носителите. 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 усещането по отношение на силата на звука намалява с 8-10 фона, се нарича времева константа на слуха. Тази константа зависи от редица обстоятелства, както и от параметрите на възприемания звук. Ако два кратки звукови импулса пристигнат при слушателя с еднакъв 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, възниква ехо.
Тази характеристика на слуха се взема предвид при проектирането на някои устройства за обработка на сигнали, например електронни линии за забавяне, реверберация и др.
Трябва да се отбележи, че поради специалното свойство на слуха, възприемането на силата на звука на краткотраен звуков импулс зависи не само от неговото ниво, но и от продължителността на въздействието на импулса върху ухото. И така, краткотраен звук, който продължава само 10-12 ms, се възприема от ухото по-тихо от звук със същото ниво, но засягащ ухото 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 усеща такива, 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 се определи 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: едно за високочестотни тонове, друго за нискочестотни.
Звукът изминава по-къс път до ухото, обърнато към източника, отколкото до второто ухо. В резултат на това налягането на звуковите вълни в ушните канали се различава по 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 надхвърли прага 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 източника 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 особеност на физиологията 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, два високоговорителя са инсталирани в една стая по предната част на разстояние 2-3 м един от друг. На същото разстояние от оста на свързващата система, слушателят е разположен строго в центъра. В стаята 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 представа за един, привиден (виртуален) източник на звук, който е разположен строго в центъра на оста на симетрия.
Ако сега намалим силата на звука на един високоговорител, тогава видимият източник ще се премести към по-силния високоговорител. Илюзията за движение на източника 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, който излъчва сигнал преди време.
Нека дадем пример, за да илюстрираме интегралната локализация. Разстоянието между високоговорителите е 2 м, разстоянието от предната линия до слушателя е 2 м; за да може източникът да се измести сякаш с 40 cm наляво или надясно, е необходимо да се подадат два сигнала с разлика в нивото на интензитета от 5 dB или със закъснение от 0,3 ms. При разлика в нивата 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, генерирано от високоговорителите, тогава възниква илюзията за преместване на източника на звук. Това явление се нарича тотална локализация. За създаване на пълна локализация се използва двуканална стереофонична система за предаване на звук.
В основната стая са монтирани два микрофона, всеки от които работи на свой канал. Във втория - два високоговорителя. Микрофоните са разположени на определено разстояние един от друг по линия, успоредна на разположението на излъчвателя на звука. Когато звуковият излъчвател се премести, 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 ефекта на тотална локализация във вторичната стая, в резултат на което видимият източник се локализира в определена точка от пространството, разположена между двата високоговорителя.
Трябва да се каже за биноралната система за предаване на звук. При тази система, наречена система "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, на изхода на който се включват телефони за ляво и дясно ухо във вторичната стая. С идентични канали за предаване на звука, такава система точно възпроизвежда бинауралния ефект, създаден близо до ушите на "изкуствената глава" в основната стая. Наличието на слушалки и необходимостта от продължително използване е недостатък.
Органът на слуха определя разстоянието до източника на звук по редица косвени признаци 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 нарастване на обертоновете на ниския регистър в сравнение с обертоновете на високия регистър, причинени чрез произтичащото увеличение на нивото на звука.
За средни разстояния от 3-10 m, отстраняването на източника от слушателя ще бъде придружено от пропорционално намаляване на силата на звука и тази промяна ще се прилага еднакво както за основната честота, така и за хармоничните компоненти. В резултат на това има относително усилване на високочестотната част от спектъра и тембърът става по-ярък.
С увеличаване на разстоянието загубата на енергия във въздуха ще се увеличи пропорционално на квадрата на честотата. Повишената загуба на обертонове от висок регистър ще доведе до намаляване на яркостта на тембъра. По този начин субективната оценка на разстоянията е свързана с промяна в неговия обем и тембър.
В условията на затворено пространство сигналите на първите отражения, които са закъснели с 20–40 ms спрямо директния, се възприемат от ухото като идващи от различни посоки. В същото време нарастващото им забавяне създава впечатление за значително разстояние от точките, от които произлизат тези отражения. Така според времето на забавяне може да се съди за относителната отдалеченост на вторичните източници или, което е същото, за размера на помещението.
Някои особености на субективното възприемане на стерео предавания.
Стереофоничната система за предаване на звук има редица важни характеристики в сравнение с конвенционалната монофонична.
Качеството, което отличава стереофоничния звук, съраунд, 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. Тези допълнителни показатели включват: ъгъла на слуха, т.е. ъгълът, под който слушателят възприема звуковия стерео образ; стерео резолюция, т.е. субективно обусловена локализация на отделни елементи от звуковия образ в определени точки на пространството в рамките на ъгъла на чуваемост; акустична атмосфера, т.е. ефектът да накараш слушателя да се почувства присъстващ в основната стая, където се случва предаваното звуково събитие.
За ролята на акустиката на помещението
Блясъкът на звука се постига не само с помощта на оборудване за възпроизвеждане на звук. Дори и с достатъчно добро оборудване, качеството на звука може да бъде лошо, ако стаята за слушане няма определени свойства. Известно е, че в затворено помещение има феномен на преозвучаване, наречен реверберация. Като засяга слуховите органи, 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 все още се чуват известно време след прекратяване на източника на звук.
Понякога се смята, че отразените сигнали играят само отрицателна роля, пречейки на възприемането на основния сигнал. Това мнение обаче е неправилно. Определена част от енергията на първоначално отразените ехо сигнали, достигайки до ушите на човек с кратки закъснения, усилва основния сигнал и обогатява звука му. Напротив, по-късно отразено ехо. времето на забавяне на което 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 обикновено имат ниска реверберация поради ограничения си размер и наличието на звукопоглъщащи повърхности, мека мебел, килими, завеси и др.
Бариери с различно естество и свойства се характеризират с коефициента 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, които обитават планетата. Умът ни обаче често ни лишава от превъзходство в такива способности като възприемане на околната среда чрез обоняние, слух и други сетивни усещания.
По този начин повечето животни са далеч пред нас, когато става въпрос за слухов обхват. Обхватът на човешкия слух е диапазонът от честоти, които човешкото ухо може да възприеме. Нека се опитаме да разберем как човешкото ухо работи във връзка с възприемането на звука.
Обхват на човешкия слух при нормални условия
Средното човешко ухо може да улови 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 по-младите хора, докато бебетата и децата имат най-високи слухови способности. Слуховото възприятие на високите честоти започва да се влошава от осемгодишна възраст.
Човешки слух в идеални условия
В лабораторията обхватът на слуха на дадено лице се определя с помощта на аудиометър, който излъчва звукови вълни с различни честоти и съответно настроени слушалки. При тези идеални условия човешкото ухо може да разпознае честоти в диапазона от 12 Hz до 20 kHz.
Слухов диапазон за мъже и жени
Има значителна разлика между обхвата на слуха на мъжете и жените. Установено е, че жените са по-чувствителни към високите честоти от мъжете. Възприемането на ниските честоти е горе-долу еднакво 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 µPa е разстоянието, изминато от звукова вълна по време на вибрация, което е равно на една десета от диаметъра на водороден атом. Звуковите вълни в човешкото ухо преминават на много по-голямо разстояние, което затруднява да се даде диапазон на човешкия слух в паскали.
Най-тихият звук, който може да бъде разпознат 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. Той приема 0 dB (20 µPa) като своя референтна точка и продължава да компресира тази скала на налягане. Така 20 милиона µPa се равняват само на 120 dB. Така се оказва, че обхватът на човешкото ухо е 0-120 dB.
Обхватът на слуха варира значително от човек на човек. Следователно, за да откриете загуба на слуха, най-добре е да измерите обхвата на чуваемите звуци по отношение на референтна скала, а не по отношение на обичайната 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 загуба на слуха.
Това е сложен специализиран орган, състоящ се от три части: външно, средно и вътрешно ухо.
Външното ухо е апарат за улавяне на звук. Звуковите вибрации се улавят от ушните миди и се предават през външния слухов канал до тъпанчевата мембрана, която разделя външното ухо от средното ухо. Улавянето на звук и целият процес на чуване с две уши, така нареченият биниурален слух, е важен за определяне на 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 тъпанчевата мембрана през средното ухо се предават от 3 свързани помежду си слухови костици - чукче, наковалня и стреме, а последното през мембраната на овалното прозорче предава тези вибрации на течността във вътрешното ухо - перилимфата . Благодарение на слуховите костици амплитудата на трептенията намалява и тяхната сила се увеличава, което позволява да се задвижи стълб от течност във вътрешното ухо. 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 вътрешното ухо е защитено от увреждане.
Вътрешното ухо с разположената в него кохлея се намира в пирамидата на темпоралната кост. Човешката кохлея има 2,5 намотки. 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 дупка, свързваща горния и долния канал в един, преминаващ от овалния прозорец към върха на кохлеята и по-нататък 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 за възприемане на звука. Физиологичният механизъм на звуково възприятие се основава на два процеса, протичащи в кохлеята: 1) разделянето на звуци с различни честоти в мястото на най-голямото им въздействие върху основната мембрана на кохлеята и 2) трансформацията на механичните вибрации в нервно възбуждане. от рецепторни 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 вибриращия течен стълб и съответно мястото на най-голямото изместване на основната мембрана зависи от височината на звука. Така при различна височина на звуците 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 действието 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.
звукопроводимост. Разграничете въздушната и костната проводимост. При нормални условия в човека 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 на 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 намалява. Най-високата чувствителност е установена в честотния диапазон от 1000 до 3000 Hz. Тази област съответства на най-често срещаните честоти в човешката реч и музика.
Звукът, като сигнал, има безкраен брой вибрации и може да носи същото безкрайно количество информация. Степента на неговото възприятие ще бъде различна в зависимост от физиологичните възможности на ухото, в този случай изключвайки психологическите фактори. В зависимост от вида на шума, неговата честота и налягане, човек усеща влиянието му върху себе си.
Праг на чувствителност на човешкото ухо в децибели
Човек възприема честотата на звука 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 причини слух загуба.
Честота до 10-15 Hz е инфразвук, който не се възприема от ухото, което причинява резонансни вибрации. Способността да се контролират вибрациите, които създава звукът, е най-мощното оръжие за масово унищожение. Недоловим за ухото, инфразвукът може да пътува на дълги разстояния, предавайки заповеди, които карат хората да действат според определен сценарий, предизвикват паника и ужас, карат ги да забравят за всичко, което няма нищо общо с желанието да се скрият, да избягат от това страх. И с определено съотношение на честота и звуково налягане, такъв апарат е способен не само да потиска волята, но и да убива, наранява човешките тъкани.
Праг на абсолютна чувствителност на човешкото ухо в децибели
Диапазонът от 7 до 13 Hz излъчва природни бедствия: вулкани, земетресения, тайфуни и предизвиква усещане за 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 десетократно амплитудата, 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 нарушения на стомашно-чревния тракт, 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 германският микробиолог Робърт Кох прогнозира, че ще трябва да се търси „ваксина“ срещу шум като от чума или холера.
Често оценяваме качеството на звука. Когато избирате микрофон, програма 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 - в горната част на спиралата.
Тясно свързана с физическата характеристика на звука, честотата, е височината, която усещаме. 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 чрез набор от синусоидални трептения. Такъв набор обикновено наричаме тон. Тоест, тонът е сигнал с определена височина, имащ дискретен спектър (музикални звуци, гласни звуци на речта), в който се разграничава честотата на синусоидална вълна, която има максимална амплитуда в този набор. Сигнал, който има 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 подготовката на ухото му. Човешкото ухо различава добре два тона, които са близки по височина. Например, в честотната област 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 някаква основна честота, най-интензивната от синусоидите, които изграждат звука.
Специалният 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 по-малки от неговата амплитуда. Тембърът на звука зависи от интензитета разпределение по обертоновете.Спектърът на комбинацията от музикални звуци, наречен акорд, се оказва по-сложен.В такъв спектър има 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. Честотният диапазон, възприеман от човек, 16-20 000 Hz, обхваща приблизително десет до единадесет октави.
Амплитуда на звуковите вибрации и силата на звука.
Чуваемата част от обхвата на звуците е разделена на нискочестотни звуци - до 500 Hz, средночестотни звуци - 500-10 000 Hz и високочестотни звуци - 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, а в нискочестотния или високочестотен диапазон - като тихи или изобщо да не се чуват. Тази особеност на звуковото възприятие се дължи на факта, че звуковата информация, необходима за съществуването на човек - речта или звуците на природата - се предава главно в средночестотния диапазон. По този начин силата на звука не е физически параметър, а интензивността на слухово усещане, субективна характеристика на звука, свързана с особеностите 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.
Ухото ни може да различи интензитета на звука в диапазона от най-слабия шепот до най-силния шум, което приблизително съответства на 1 милион пъти увеличение на амплитудата на движението на основната мембрана. Ухото обаче интерпретира тази огромна разлика в амплитудата на звука като приблизително 10 000 пъти промяната. Тоест скалата на интензитета е силно "компресирана" от механизма на звуково възприятие 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 промяната в обема.
За сравнение можем да дадем приблизително ниво на интензивност на различни звуци: едва доловим звук (праг на чуване) 0 dB; шепот близо до ухото 25-30 dB; реч със среден обем 60-70 dB; много силен говор (викове) 90 dB; на концерти на рок и поп музика в центъра на залата 105-110 dB; до излитащ самолет 120 dB.
Степента на увеличаване на силата на звука на възприемания звук има праг на дискриминация. Броят на различимите градации на силата на звука при средни честоти не надвишава 250, при ниски и високи честоти той рязко намалява и е средно около 150.
