Percepția undelor sonore de diferite frecvențe și amplitudini. Câți decibeli poate rezista urechea umană?Percepută de ureche

Psihoacustica, un domeniu al științei la granița dintre fizică și psihologie, studiază datele despre senzația auditivă a unei persoane atunci când un stimul fizic - sunet - este aplicat urechii. S-a acumulat o cantitate mare de date despre reacțiile umane la stimulii auditivi. Fără aceste date, este dificil să se obțină o înțelegere corectă a funcționării sistemelor de transmisie audio. Să luăm în considerare cele mai importante caracteristici ale percepției umane a sunetului.
O persoană simte modificări ale presiunii sonore care apar la o frecvență de 20-20.000 Hz. Sunetele cu frecvențe sub 40 Hz sunt relativ rare în muzică și nu există în limbajul vorbit. La frecvențe foarte înalte, percepția muzicală dispare și apare o anumită senzație sonoră vagă, în funcție de individualitatea ascultătorului și de vârsta acestuia. Odată cu vârsta, sensibilitatea auditivă a unei persoane scade, în primul rând în frecvențele superioare ale intervalului de sunet.
Dar ar fi greșit să concluzionăm pe această bază că transmiterea unei benzi largi de frecvență de către o instalație de reproducere a sunetului este lipsită de importanță pentru persoanele în vârstă. Experimentele au arătat că oamenii, chiar dacă abia pot percepe semnale de peste 12 kHz, recunosc foarte ușor lipsa frecvențelor înalte într-o transmisie muzicală.

Caracteristicile de frecvență ale senzațiilor auditive

Gama de sunete audibile de om în intervalul 20-20.000 Hz este limitată ca intensitate de praguri: sub - audibilitate și deasupra - durere.
Pragul de auz este estimat prin presiunea minimă, sau mai precis, creșterea minimă a presiunii față de limită este sensibilă la frecvențe de 1000-5000 Hz - aici pragul de auz este cel mai scăzut (presiunea sonoră aproximativ 2-10 Pa). Spre frecvențe de sunet mai mici și mai mari, sensibilitatea auzului scade brusc.
Pragul de durere determină limita superioară a percepției energiei sonore și corespunde aproximativ unei intensități a sunetului de 10 W/m sau 130 dB (pentru un semnal de referință cu o frecvență de 1000 Hz).
Pe măsură ce presiunea sonoră crește, crește și intensitatea sunetului, iar senzația auditivă crește în salturi, numită pragul de discriminare a intensității. Numărul acestor salturi la frecvențe medii este de aproximativ 250, la frecvențe joase și înalte scade și în medie pe intervalul de frecvență este de aproximativ 150.

Deoarece intervalul de modificare a intensității este de 130 dB, saltul elementar al senzațiilor în medie pe intervalul de amplitudine este de 0,8 dB, ceea ce corespunde unei modificări a intensității sunetului de 1,2 ori. La niveluri scăzute de auz aceste sărituri ajung la 2-3 dB, la niveluri ridicate scad la 0,5 dB (de 1,1 ori). O creștere a puterii căii de amplificare de mai puțin de 1,44 ori nu este practic detectată de urechea umană. Cu o presiune sonoră mai scăzută dezvoltată de difuzor, chiar și dublarea puterii etajului de ieșire poate să nu producă un rezultat vizibil.

Caracteristicile subiective ale sunetului

Calitatea transmisiei sunetului este evaluată pe baza percepției auditive. Prin urmare, este posibil să se determine corect cerințele tehnice pentru calea de transmisie a sunetului sau legăturile sale individuale numai prin studierea tiparelor care leagă senzația de sunet percepută subiectiv și caracteristicile obiective ale sunetului sunt înălțimea, volumul și timbrul.
Conceptul de înălțime implică o evaluare subiectivă a percepției sunetului în intervalul de frecvență. Sunetul este de obicei caracterizat nu de frecvență, ci de înălțime.
Un ton este un semnal cu o anumită înălțime care are un spectru discret (sunete muzicale, sunete vocale ale vorbirii). Un semnal care are un spectru larg continuu, ale cărui componente de frecvență au aceeași putere medie, se numește zgomot alb.

O creștere treptată a frecvenței vibrațiilor sonore de la 20 la 20.000 Hz este percepută ca o schimbare treptată a tonului de la cel mai scăzut (bas) la cel mai înalt.
Gradul de acuratețe cu care o persoană determină înălțimea unui sunet după ureche depinde de acuitatea, muzicalitatea și pregătirea urechii sale. Trebuie remarcat faptul că înălțimea unui sunet depinde într-o oarecare măsură de intensitatea sunetului (la niveluri ridicate, sunetele de intensitate mai mare apar mai mici decât cele mai slabe.
Urechea umană poate distinge clar două tonuri apropiate în înălțime. De exemplu, în intervalul de frecvență de aproximativ 2000 Hz, o persoană poate distinge între două tonuri care diferă unul de celălalt ca frecvență cu 3-6 Hz.
Scara subiectivă a percepției sunetului în frecvență este apropiată de legea logaritmică. Prin urmare, dublarea frecvenței de vibrație (indiferent de frecvența inițială) este întotdeauna percepută ca aceeași modificare a înălțimii. Intervalul de înălțime corespunzător unei modificări de 2 ori a frecvenței se numește octavă. Gama de frecvențe percepute de oameni este de 20-20.000 Hz, care acoperă aproximativ zece octave.
O octava este un interval destul de mare de schimbare a tonului; o persoană distinge intervale semnificativ mai mici. Astfel, în zece octave percepute de ureche, se pot distinge mai mult de o mie de gradații de înălțime. Muzica folosește intervale mai mici numite semitonuri, care corespund unei schimbări de frecvență de aproximativ 1.054 ori.
O octava este impartita in jumatate de octave si o treime de octava. Pentru acesta din urmă este standardizat următorul interval de frecvențe: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3:8; 10, care sunt limitele de o treime de octave. Dacă aceste frecvențe sunt plasate la distanțe egale de-a lungul axei frecvenței, obțineți o scară logaritmică. Pe baza acestui fapt, toate caracteristicile de frecvență ale dispozitivelor de transmisie a sunetului sunt reprezentate pe o scară logaritmică.
Intensitatea transmisiei depinde nu numai de intensitatea sunetului, ci și de compoziția spectrală, de condițiile de percepție și de durata expunerii. Astfel, două tonuri sonore de frecvență medie și joasă, având aceeași intensitate (sau aceeași presiune sonoră), nu sunt percepute de o persoană ca fiind la fel de puternice. Prin urmare, conceptul de nivel de sonoritate în fundal a fost introdus pentru a desemna sunete cu aceeași intensitate. Nivelul volumului sunetului în fundal este considerat nivelul presiunii sonore în decibeli a aceluiași volum al unui ton pur cu o frecvență de 1000 Hz, adică pentru o frecvență de 1000 Hz nivelurile de volum din fundal și decibeli sunt aceleași. La alte frecvențe, sunetele pot apărea mai puternice sau mai silențioase la aceeași presiune sonoră.
Experiența inginerilor de sunet în înregistrarea și editarea lucrărilor muzicale arată că pentru a detecta mai bine defectele de sunet care pot apărea în timpul lucrului, nivelul volumului în timpul ascultării controlate trebuie menținut ridicat, aproximativ corespunzător nivelului volumului din sală.
Odată cu expunerea prelungită la sunet intens, sensibilitatea auzului scade treptat și, cu cât mai mult, cu atât volumul sunetului este mai mare. Scăderea detectată a sensibilității este asociată cu reacția auzului la suprasolicitare, adică. cu adaptarea sa naturală.După o pauză în ascultare, sensibilitatea auzului este restabilită. La aceasta trebuie adăugat că aparatul auditiv, atunci când percepe semnale de nivel înalt, introduce propriile distorsiuni, așa-zise subiective (ceea ce indică neliniaritatea auzului). Astfel, la un nivel de semnal de 100 dB, prima și a doua armonică subiectivă ajung la niveluri de 85 și 70 dB.
Un nivel semnificativ de volum și durata expunerii acestuia provoacă fenomene ireversibile în organul auditiv. S-a remarcat că pragurile de auz ale tinerilor au crescut brusc în ultimii ani. Motivul pentru aceasta a fost o pasiune pentru muzica pop, caracterizată prin niveluri ridicate ale volumului sonor.
Nivelul volumului este măsurat folosind un dispozitiv electroacustic - un sonometru. Sunetul măsurat este mai întâi convertit în vibrații electrice de către microfon. După amplificare cu un amplificator special de tensiune, aceste oscilații sunt măsurate cu un instrument indicator reglat în decibeli. Pentru ca citirile dispozitivului să corespundă cât mai precis cu percepția subiectivă a sonorității, dispozitivul este echipat cu filtre speciale care își modifică sensibilitatea la percepția sunetului de diferite frecvențe în conformitate cu caracteristicile sensibilității auditive.
O caracteristică importantă a sunetului este timbrul. Capacitatea auzului de a-l distinge vă permite să percepeți semnale cu o mare varietate de nuanțe. Sunetul fiecărui instrument și voci, datorită nuanțelor lor caracteristice, devine multicolor și bine recunoscut.
Timbre, fiind o reflectare subiectivă a complexității sunetului perceput, nu are evaluare cantitativă și se caracterizează prin termeni calitativi (frumos, moale, suculent etc.). La transmiterea unui semnal de-a lungul unei căi electroacustice, distorsiunile rezultate afectează în primul rând timbrul sunetului reprodus. Condiția pentru transmiterea corectă a timbrului sunetelor muzicale este transmiterea nedistorsionată a spectrului de semnal. Spectrul de semnal este o colecție de componente sinusoidale ale unui sunet complex.
Cel mai simplu spectru este așa-numitul ton pur; conține o singură frecvență. Sunetul unui instrument muzical este mai interesant: spectrul său constă din frecvența tonului fundamental și mai multe frecvențe „impurite” numite armonizări (tonuri mai înalte). Hartonurile sunt un multiplu al frecvenței tonului fundamental și sunt de obicei mai mici ca amplitudine. .
Timbrul sunetului depinde de distribuția intensității supratonelor. Sunetele diferitelor instrumente muzicale variază ca timbru.
Mai complex este spectrul de combinații de sunete muzicale numite acord. Într-un astfel de spectru există mai multe frecvențe fundamentale împreună cu tonurile corespunzătoare
Diferențele de timbru se datorează în principal componentelor de frecvență joasă-medie ale semnalului, prin urmare, o mare varietate de timbre este asociată cu semnalele aflate în partea inferioară a intervalului de frecvență. Semnalele aparținând părții sale superioare, pe măsură ce cresc, își pierd din ce în ce mai mult culoarea timbrală, ceea ce se datorează plecării treptate a componentelor lor armonice dincolo de limitele frecvențelor audibile. Acest lucru poate fi explicat prin faptul că până la 20 sau mai multe armonice sunt implicate activ în formarea timbrului sunetelor joase, medii 8 - 10, înalte 2 - 3, deoarece restul sunt fie slabe, fie se încadrează în afara intervalului sonor. frecvente. Prin urmare, sunetele înalte, de regulă, sunt mai sărace ca timbru.
Aproape toate sursele naturale de sunet, inclusiv sursele de sunete muzicale, au o dependență specifică a timbrului de nivelul volumului. Auzul este de asemenea adaptat acestei dependențe – este firesc ca acesta să determine intensitatea unei surse după culoarea sunetului. Sunetele mai puternice sunt de obicei mai dure.

Surse de sunet muzical

O serie de factori care caracterizează sursele primare de sunet au o mare influență asupra calității sunetului sistemelor electroacustice.
Parametrii acustici ai surselor muzicale depind de compoziția interpreților (orchestră, ansamblu, grup, solist și tip de muzică: simfonică, folk, pop etc.).

Originea și formarea sunetului pe fiecare instrument muzical are propriile sale specificități asociate cu caracteristicile acustice ale producției de sunet într-un anumit instrument muzical.
Un element important al sunetului muzical este atacul. Acesta este un proces de tranziție specific în timpul căruia se stabilesc caracteristicile stabile ale sunetului: volum, timbru, înălțime. Orice sunet muzical trece prin trei etape - începutul, mijlocul și sfârșitul, iar atât etapele inițiale, cât și cele finale au o anumită durată. Etapa inițială se numește atac. Durează diferit: la instrumente ciupite, percuție și unele instrumente de suflat durează 0-20 ms, la fagot durează 20-60 ms. Un atac nu este doar o creștere a volumului unui sunet de la zero la o valoare constantă; el poate fi însoțit de aceeași modificare a înălțimii sunetului și a timbrului acestuia. Mai mult, caracteristicile de atac ale instrumentului nu sunt aceleași în diferite părți ale gamei sale cu stiluri de joc diferite: vioara este instrumentul cel mai perfect în ceea ce privește bogăția posibilelor metode expresive de atac.
Una dintre caracteristicile oricărui instrument muzical este gama sa de frecvență. Pe lângă frecvențele fundamentale, fiecare instrument este caracterizat de componente suplimentare de înaltă calitate - armături (sau, după cum este obișnuit în electroacustică, armonici superioare), care determină timbrul său specific.
Se știe că energia sonoră este distribuită neuniform pe întregul spectru de frecvențe sonore emise de o sursă.
Majoritatea instrumentelor se caracterizează prin amplificarea frecvențelor fundamentale, precum și a tonurilor individuale, în anumite (una sau mai multe) benzi de frecvență (formanți) relativ înguste, diferite pentru fiecare instrument. Frecvențele de rezonanță (în herți) ale regiunii formanților sunt: ​​pentru trompetă 100-200, corn 200-400, trombon 300-900, trompetă 800-1750, saxofon 350-900, oboi 800-1500, clarin 9 fagot 02, 300 -600 .
O altă proprietate caracteristică a instrumentelor muzicale este puterea sunetului lor, care este determinată de amplitudinea (intervalul) mai mare sau mai mică a corpului lor de sunet sau a coloanei de aer (o amplitudine mai mare corespunde unui sunet mai puternic și invers). Valorile de vârf ale puterii acustice (în wați) sunt: ​​pentru orchestră mare 70, tobă 25, timpani 20, tobă 12, trombon 6, pian 0,4, trompetă și saxofon 0,3, trompetă 0,2, contrabas 0.( 6, flaut mic 0,08, clarinet, corn și triunghi 0,05.
Raportul dintre puterea sonoră extrasă dintr-un instrument când este cântat „fortissimo” și puterea sunetului când este cântat „pianissimo” este de obicei numit intervalul dinamic al sunetului instrumentelor muzicale.
Gama dinamică a unei surse de sunet muzical depinde de tipul grupului de interpretare și de natura spectacolului.
Să luăm în considerare gama dinamică a surselor individuale de sunet. Gama dinamică a instrumentelor și ansamblurilor muzicale individuale (orchestre și coruri de diferite compoziții), precum și voci, este înțeleasă ca raportul dintre presiunea sonoră maximă creată de o anumită sursă și minimul, exprimat în decibeli.
În practică, atunci când se determină intervalul dinamic al unei surse de sunet, se operează de obicei doar pe niveluri de presiune acustică, calculând sau măsurând diferența lor corespunzătoare. De exemplu, dacă nivelul maxim de sunet al unei orchestre este de 90 și cel minim este de 50 dB, atunci se spune că intervalul dinamic este 90 - 50 = 40 dB. În acest caz, 90 și 50 dB sunt niveluri de presiune sonoră relativ la nivelul acustic zero.
Intervalul dinamic pentru o anumită sursă de sunet nu este o valoare constantă. Depinde de natura lucrării care se execută și de condițiile acustice ale încăperii în care are loc spectacolul. Reverberația extinde intervalul dinamic, care de obicei atinge maximul în camere cu volume mari și absorbție minimă a sunetului. Aproape toate instrumentele și vocile umane au o gamă dinamică neuniformă între registrele de sunet. De exemplu, nivelul volumului celui mai scăzut sunet de pe un forte pentru un vocal este egal cu nivelul celui mai ridicat sunet de la un pian.

Gama dinamică a unui anumit program muzical este exprimată în același mod ca și pentru sursele individuale de sunet, dar presiunea maximă a sunetului se notează cu un ton dinamic ff (fortissimo), iar cel minim cu un pp (pianissimo).

Cel mai mare volum, indicat în notele fff (forte, fortissimo), corespunde unui nivel de presiune acustică a sunetului de aproximativ 110 dB, iar cel mai mic volum, indicat în notele ppr (piano-pianissimo), aproximativ 40 dB.
Trebuie remarcat faptul că nuanțele dinamice ale performanței în muzică sunt relative și relația lor cu nivelurile de presiune sonoră corespunzătoare este într-o oarecare măsură condiționată. Gama dinamică a unui anumit program muzical depinde de natura compoziției. Astfel, intervalul dinamic al lucrărilor clasice de Haydn, Mozart, Vivaldi depășește rar 30-35 dB. Gama dinamică a muzicii pop de obicei nu depășește 40 dB, în timp ce cea a muzicii dance și jazz este de doar aproximativ 20 dB. Majoritatea lucrărilor pentru orchestra de instrumente populare rusești au și un interval dinamic mic (25-30 dB). Acest lucru este valabil și pentru o fanfară. Cu toate acestea, nivelul maxim de sunet al unei benzi într-o cameră poate atinge un nivel destul de ridicat (până la 110 dB).

Efect de mascare

Evaluarea subiectivă a sonorității depinde de condițiile în care sunetul este perceput de ascultător. În condiții reale, un semnal acustic nu există în tăcere absolută. În același timp, zgomotul străin afectează auzul, complicând percepția sunetului, mascând într-o anumită măsură semnalul principal. Efectul mascării unei undă sinusoidală pură prin zgomot străin este măsurat prin valoarea indicatoare. cu câți decibeli crește pragul de audibilitate a semnalului mascat peste pragul percepției sale în tăcere.
Experimentele pentru a determina gradul de mascare a unui semnal sonor de către altul arată că un ton de orice frecvență este mascat de tonuri mai joase mult mai eficient decât de cele mai înalte. De exemplu, dacă două diapazon (1200 și 440 Hz) emit sunete cu aceeași intensitate, atunci încetăm să auzim primul ton, acesta este mascat de al doilea (prin stingerea vibrației celui de-al doilea diapazon, îl vom auzi pe primul din nou).
Dacă două semnale sonore complexe constând din anumite spectre de frecvență sonoră există simultan, atunci apare un efect de mascare reciprocă. Mai mult, dacă energia principală a ambelor semnale se află în aceeași regiune a intervalului de frecvență audio, atunci efectul de mascare va fi cel mai puternic.Astfel, la transmiterea unei piese orchestrale, din cauza mascării de către acompaniament, rolul solistului poate deveni slab. inteligibile și inaudibile.
Obținerea clarității sau, după cum se spune, a „transparenței” sunetului în transmisia sunetului orchestrelor sau ansamblurilor pop devine foarte dificilă dacă un instrument sau grupuri individuale de instrumente de orchestră cântă în unul sau în registre similare în același timp.
Regizorul, atunci când înregistrează o orchestră, trebuie să țină cont de caracteristicile camuflajului. La repetiții, cu ajutorul dirijorului, stabilește un echilibru între puterea sonoră a instrumentelor unui grup, precum și între grupurile întregii orchestre. Claritatea liniilor melodice principale și a părților muzicale individuale este obținută în aceste cazuri prin amplasarea strânsă a microfoanelor pentru interpreți, selectarea deliberată de către inginerul de sunet a celor mai importante instrumente dintr-un anumit loc al lucrării și alte sunet speciale. tehnici de inginerie.
Fenomenului de mascare i se opune capacitatea psihofiziologică a organelor auditive de a distinge din masa generală de sunete unul sau mai multe care poartă cele mai importante informații. De exemplu, când cântă o orchestră, dirijorul observă cele mai mici inexactități în interpretarea unei părți pe orice instrument.
Mascarea poate afecta semnificativ calitatea transmisiei semnalului. O percepție clară a sunetului primit este posibilă dacă intensitatea acestuia depășește semnificativ nivelul componentelor de interferență situate în aceeași bandă cu sunetul primit. Cu interferențe uniforme, excesul de semnal ar trebui să fie de 10-15 dB. Această caracteristică a percepției auditive își găsește aplicație practică, de exemplu, în evaluarea caracteristicilor electroacustice ale mediilor. Deci, dacă raportul semnal-zgomot al unei înregistrări analogice este de 60 dB, atunci intervalul dinamic al programului înregistrat nu poate fi mai mare de 45-48 dB.

Caracteristicile temporale ale percepției auditive

Aparatul auditiv, ca orice alt sistem oscilator, este inerțial. Când sunetul dispare, senzația auditivă nu dispare imediat, ci treptat, scăzând la zero. Timpul în care nivelul de zgomot scade cu 8-10 fundaluri se numește constantă de timp de auz. Această constantă depinde de o serie de circumstanțe, precum și de parametrii sunetului perceput. Dacă la ascultător ajung două impulsuri sonore scurte, identice ca compoziție de frecvență și nivel, dar unul dintre ele este întârziat, atunci ele vor fi percepute împreună cu o întârziere care nu depășește 50 ms. La intervale mari de întârziere, ambele impulsuri sunt percepute separat și apare un ecou.
Această caracteristică a auzului este luată în considerare la proiectarea unor dispozitive de procesare a semnalului, de exemplu, linii electronice de întârziere, reverbere etc.
Trebuie remarcat faptul că, datorită proprietății speciale a auzului, senzația de volum a unui puls sonor pe termen scurt depinde nu numai de nivelul acestuia, ci și de durata impactului pulsului asupra urechii. Astfel, un sunet de scurtă durată, care durează doar 10-12 ms, este perceput de ureche mai liniștit decât un sunet de același nivel, dar afectând auzul pentru, de exemplu, 150-400 ms. Prin urmare, atunci când ascultați o emisiune, volumul este rezultatul mediei energiei undei sonore pe un anumit interval. În plus, auzul uman are inerție, în special, atunci când percepe distorsiuni neliniare, nu le simte dacă durata pulsului sonor este mai mică de 10-20 ms. De aceea, în indicatorii de nivel ai echipamentelor radio-electronice de uz casnic de înregistrare a sunetului, valorile semnalului instantaneu sunt mediate pe o perioadă selectată în funcție de caracteristicile temporale ale organelor auditive.

Reprezentarea spațială a sunetului

Una dintre abilitățile umane importante este capacitatea de a determina direcția unei surse de sunet. Această abilitate se numește efect binaural și se explică prin faptul că o persoană are două urechi. Datele experimentale arată de unde provine sunetul: unul pentru tonuri de înaltă frecvență, unul pentru tonuri de joasă frecvență.

Sunetul parcurge o distanță mai mică până la urechea îndreptată spre sursă decât către cealaltă ureche. Ca urmare, presiunea undelor sonore în canalele urechii variază în fază și amplitudine. Diferențele de amplitudine sunt semnificative doar la frecvențe înalte, când lungimea de undă a sunetului devine comparabilă cu dimensiunea capului. Când diferența de amplitudine depășește o valoare de prag de 1 dB, sursa de sunet pare să fie pe partea în care amplitudinea este mai mare. Unghiul de abatere al sursei de sunet de la linia centrală (linia de simetrie) este aproximativ proporțional cu logaritmul raportului de amplitudine.
Pentru a determina direcția unei surse de sunet cu frecvențe sub 1500-2000 Hz, diferențele de fază sunt semnificative. O persoană i se pare că sunetul vine din partea din care valul, care este înainte în fază, ajunge la ureche. Unghiul de abatere al sunetului de la linia mediană este proporțional cu diferența de timp de sosire a undelor sonore la ambele urechi. O persoană instruită poate observa o diferență de fază cu o diferență de timp de 100 ms.
Capacitatea de a determina direcția sunetului în plan vertical este mult mai puțin dezvoltată (de aproximativ 10 ori). Această caracteristică fiziologică este asociată cu orientarea organelor auditive în plan orizontal.
O caracteristică specifică a percepției spațiale a sunetului de către o persoană se manifestă în faptul că organele auditive sunt capabile să simtă localizarea totală, integrală, creată cu ajutorul mijloacelor artificiale de influență. De exemplu, într-o cameră, două difuzoare sunt instalate de-a lungul față la o distanță de 2-3 m una de cealaltă. Ascultătorul este situat la aceeași distanță de axa sistemului de conectare, strict în centru. Într-o cameră, prin difuzoare sunt emise două sunete de fază, frecvență și intensitate egale. Ca urmare a identității sunetelor care trec în organul auzului, o persoană nu le poate separa; senzațiile sale dau idei despre o singură sursă de sunet aparentă (virtuală), care este situată strict în centru pe axa de simetrie.
Dacă acum reducem volumul unui difuzor, sursa aparentă se va deplasa către difuzorul mai puternic. Iluzia unei surse de sunet în mișcare poate fi obținută nu numai prin schimbarea nivelului semnalului, ci și prin întârzierea artificială a unui sunet față de altul; în acest caz, sursa aparentă se va deplasa către difuzorul care emite semnalul în avans.
Pentru a ilustra localizarea integrală, dăm un exemplu. Distanța dintre difuzoare este de 2 m, distanța de la linia din față până la ascultător este de 2 m; pentru ca sursa să se deplaseze cu 40 cm la stânga sau la dreapta este necesar să se transmită două semnale cu o diferență de nivel de intensitate de 5 dB sau cu o întârziere de 0,3 ms. Cu o diferență de nivel de 10 dB sau o întârziere de 0,6 ms, sursa se va „deplasa” la 70 cm de centru.
Astfel, dacă modificați presiunea sonoră creată de difuzor, apare iluzia de a muta sursa sonoră. Acest fenomen se numește localizare sumară. Pentru a crea localizarea rezumată, se utilizează un sistem de transmisie a sunetului stereofonic cu două canale.
În camera principală sunt instalate două microfoane, fiecare dintre ele funcționând pe propriul canal. Secundarul are două difuzoare. Microfoanele sunt situate la o anumită distanță unul de celălalt de-a lungul unei linii paralele cu plasarea emițătorului de sunet. La mutarea emițătorului de sunet, presiunea sonoră diferită va acționa asupra microfonului, iar ora de sosire a undei sonore va fi diferită din cauza distanței inegale dintre emițătorul de sunet și microfoane. Această diferență creează un efect de localizare totală în camera secundară, în urma căruia sursa aparentă este localizată într-un anumit punct din spațiu situat între două difuzoare.
Ar trebui spus despre sistemul de transmisie binaurală a sunetului. Cu acest sistem, numit sistem de cap artificial, două microfoane separate sunt plasate în camera primară, distanțate unul de celălalt egală cu distanța dintre urechile unei persoane. Fiecare dintre microfoane are un canal independent de transmisie a sunetului, a cărui ieșire în camera secundară include telefoane pentru urechea stângă și dreaptă. Dacă canalele de transmisie a sunetului sunt identice, un astfel de sistem transmite cu acuratețe efectul binaural creat lângă urechile „capului artificial” în camera principală. A avea căști și a fi nevoit să le folosești pentru o perioadă lungă de timp este un dezavantaj.
Organul auzului determină distanța până la sursa sonoră folosind un număr de semne indirecte și cu unele erori. În funcție de faptul că distanța până la sursa semnalului este mică sau mare, evaluarea subiectivă a acesteia se modifică sub influența diverșilor factori. S-a constatat că, dacă distanțele determinate sunt mici (până la 3 m), atunci evaluarea subiectivă a acestora este aproape liniar legată de modificarea volumului sursei de sunet care se deplasează de-a lungul adâncimii. Un factor suplimentar pentru un semnal complex este timbrul acestuia, care devine din ce în ce mai „greu” pe măsură ce sursa se apropie de ascultător.Acest lucru se datorează amplificării tot mai mari a tonurilor joase în comparație cu tonurile înalte, cauzată de creșterea rezultată a nivelului volumului.
Pentru distanțe medii de 3-10 m, îndepărtarea sursei de ascultător va fi însoțită de o scădere proporțională a volumului, iar această modificare se va aplica în mod egal frecvenței fundamentale și componentelor armonice. Ca rezultat, există o întărire relativă a părții de înaltă frecvență a spectrului și timbrul devine mai luminos.
Pe măsură ce distanța crește, pierderile de energie din aer vor crește proporțional cu pătratul frecvenței. Pierderea crescută a tonurilor înalte de registru va duce la scăderea luminozității timbrale. Astfel, evaluarea subiectivă a distanțelor este asociată cu modificări ale volumului și timbrului acestuia.
Într-o încăpere închisă, semnalele primelor reflexii, întârziate față de reflexia directă cu 20-40 ms, sunt percepute de organul auditiv ca venind din direcții diferite. În același timp, întârzierea lor crescândă creează impresia unei distanțe semnificative față de punctele din care apar aceste reflexii. Astfel, după timpul de întârziere se poate aprecia distanța relativă a surselor secundare sau, ceea ce este la fel, dimensiunea încăperii.

Câteva caracteristici ale percepției subiective a emisiunilor stereofonice.

Un sistem de transmisie a sunetului stereofonic are o serie de caracteristici semnificative în comparație cu unul monofonic convențional.
Calitatea care distinge sunetul stereofonic, volumul, i.e. perspectiva acustică naturală poate fi evaluată folosind niște indicatori suplimentari care nu au sens cu o tehnică de transmisie monofonică a sunetului. Astfel de indicatori suplimentari includ: unghiul de auz, i.e. unghiul în care ascultătorul percepe imaginea sonoră stereofonică; rezoluție stereo, adică localizarea determinată subiectiv a elementelor individuale ale imaginii sonore în anumite puncte din spațiu în unghiul de audibilitate; atmosferă acustică, adică efectul de a oferi ascultătorului un sentiment de prezență în camera primară în care are loc evenimentul sonor transmis.

Despre rolul acusticii camerei

Sunetul colorat se realizează nu numai cu ajutorul echipamentelor de reproducere a sunetului. Chiar și cu un echipament destul de bun, calitatea sunetului poate fi slabă dacă camera de ascultare nu are anumite proprietăți. Se știe că într-o încăpere închisă are loc un fenomen sonor nazal numit reverberație. Afectând organele auzului, reverberația (în funcție de durata sa) poate îmbunătăți sau înrăutăți calitatea sunetului.

O persoană dintr-o cameră percepe nu numai unde sonore directe create direct de sursa de sunet, ci și unde reflectate de tavanul și pereții camerei. Undele reflectate sunt auzite o perioadă de timp după ce sursa de sunet sa oprit.
Uneori se crede că semnalele reflectate joacă doar un rol negativ, interferând cu percepția semnalului principal. Cu toate acestea, această idee este incorectă. O anumită parte a energiei semnalelor inițiale de ecou reflectate, ajungând la urechile umane cu întârzieri scurte, amplifică semnalul principal și îi îmbogățește sunetul. În schimb, ecouri reflectate mai târziu. al căror timp de întârziere depășește o anumită valoare critică, formează un fundal sonor care face dificilă perceperea semnalului principal.
Camera de ascultare nu ar trebui să aibă un timp lung de reverberație. Camerele de zi, de regulă, au o reverberație redusă din cauza dimensiunilor limitate și a prezenței suprafețelor fonoabsorbante, a mobilierului tapițat, a covoarelor, a draperiilor etc.
Obstacolele de natură și proprietăți diferite sunt caracterizate de un coeficient de absorbție a sunetului, care este raportul dintre energia absorbită și energia totală a undei sonore incidente.

Pentru a crește proprietățile de absorbție fonică ale covorului (și a reduce zgomotul în camera de zi), este indicat să atârnați covorul nu aproape de perete, dar cu un spațiu de 30-50 mm).

Omul este cu adevărat cel mai inteligent dintre animalele care locuiesc pe planetă. Cu toate acestea, mintea noastră ne lipsește adesea de abilități superioare, cum ar fi perceperea împrejurimilor prin miros, auz și alte senzații senzoriale.

Astfel, majoritatea animalelor sunt cu mult înaintea noastră când vine vorba de gama lor auditivă. Intervalul de auz uman este intervalul de frecvențe pe care urechea umană le poate percepe. Să încercăm să înțelegem cum funcționează urechea umană în relație cu percepția sunetului.

Interval de auz uman în condiții normale

În medie, urechea umană poate detecta și distinge undele sonore în intervalul de la 20 Hz la 20 kHz (20.000 Hz). Cu toate acestea, pe măsură ce o persoană îmbătrânește, intervalul auditiv al unei persoane scade, în special, limita sa superioară scade. La persoanele în vârstă este de obicei mult mai scăzută decât la tineri, sugarii și copiii având cele mai înalte abilități de auz. Percepția auditivă a frecvențelor înalte începe să se deterioreze de la vârsta de opt ani.

Auzul uman în condiții ideale

În laborator, raza de auz al unei persoane este determinată folosind un audiometru, care emite unde sonore de diferite frecvențe și căști reglate în consecință. În astfel de condiții ideale, urechea umană poate detecta frecvențe în intervalul de la 12 Hz la 20 kHz.

Gama de auz la bărbați și femei

Există o diferență semnificativă între intervalul de auz al bărbaților și al femeilor. S-a constatat că femeile sunt mai sensibile la frecvențele înalte în comparație cu bărbații. Percepția frecvențelor joase este mai mult sau mai puțin la același nivel la bărbați și femei.

Diverse scale pentru a indica raza de auz

Deși scara de frecvență este cea mai comună scară pentru măsurarea intervalului de auz uman, este adesea măsurată în pascali (Pa) și decibeli (dB). Cu toate acestea, măsurarea în pascali este considerată incomod, deoarece această unitate implică lucrul cu numere foarte mari. Un microPascal este distanța parcursă de o undă sonoră în timpul vibrației, care este egală cu o zecime din diametrul unui atom de hidrogen. Undele sonore parcurg o distanță mult mai mare în urechea umană, ceea ce face dificilă indicarea intervalului de auz uman în pascali.

Cel mai slab sunet care poate fi detectat de urechea umană este de aproximativ 20 µPa. Scara decibeli este mai ușor de utilizat deoarece este o scară logaritmică care face referire directă la scara Pa. Este nevoie de 0 dB (20 µPa) ca punct de referință și apoi continuă să comprime această scară de presiune. Astfel, 20 de milioane μPa este egal cu doar 120 dB. Se pare că intervalul urechii umane este de 0-120 dB.

Gama de auz variază semnificativ de la persoană la persoană. Prin urmare, pentru a detecta pierderea auzului, cel mai bine este să măsurați gama de sunete audibile în raport cu o scară de referință, mai degrabă decât în ​​raport cu o scară standardizată convențională. Testele pot fi efectuate folosind instrumente sofisticate de diagnosticare a auzului care pot determina cu exactitate amploarea și diagnostica cauzele pierderii auzului.

Este un organ complex specializat format din trei secțiuni: urechea externă, medie și internă.

Urechea exterioară este un aparat de colectare a sunetului. Vibrațiile sonore sunt captate de urechi și transmise prin canalul auditiv extern către timpan, care separă urechea externă de urechea medie. Percepția sunetului și întregul proces de ascultare cu două urechi, așa-numita auz biniural, este importantă pentru determinarea direcției sunetului. Vibrațiile sonore care vin din lateral ajung la cea mai apropiată ureche cu câteva zecimale de secundă (0,0006 s) mai devreme decât cealaltă. Această diferență extrem de mică în momentul sosirii sunetului la ambele urechi este suficientă pentru a determina direcția acestuia.

Urechea medie este o cavitate de aer care se conectează la nazofaringe prin trompa lui Eustachio. Vibrațiile din timpan prin urechea medie sunt transmise prin 3 osicule auditive conectate între ele - ciocanul, incusul și staplele, iar acesta din urmă, prin membrana ferestrei ovale, transmite aceste vibrații fluidului situat în urechea internă - perilimfă. Datorită osiculelor auditive, amplitudinea vibrațiilor scade și puterea acestora crește, ceea ce permite mișcarea coloanei de fluid din urechea internă. Urechea medie are un mecanism special de adaptare la modificările intensității sunetului. Cu sunete puternice, mușchii speciali cresc tensiunea timpanului și reduc mobilitatea stâlpilor. Acest lucru reduce amplitudinea vibrațiilor și protejează urechea internă de deteriorare.

Urechea internă cu cohleea situată în ea este situată în piramida osului temporal. Cohleea umană formează 2,5 spire spiralate. Canalul cohlear este împărțit de două partiții (membrana principală și membrana vestibulară) în 3 pasaje înguste: superior (scala vestibularis), mijlociu (canal membranos) și inferior (scala timpanului). În vârful cohleei există o deschidere care leagă canalele superioare și inferioare într-unul singur, mergând de la fereastra ovală la vârful cohleei și apoi la fereastra rotundă. Cavitatea lor este umplută cu un lichid - perilimfă, iar cavitatea canalului membranos mijlociu este umplută cu un lichid cu o compoziție diferită - endolimfă. În canalul din mijloc există un aparat de recepție a sunetului - organul lui Corti, în care există receptori pentru vibrațiile sonore - celulele părului.

Mecanismul de percepție a sunetului. Mecanismul fiziologic de percepție a sunetului se bazează pe două procese care au loc în cohlee: 1) separarea sunetelor de diferite frecvențe la locul celui mai mare impact asupra membranei principale a cohleei și 2) transformarea vibrațiilor mecanice în excitație nervoasă de către receptor. celule. Vibrațiile sonore care intră în urechea internă prin fereastra ovală sunt transmise perilimfei, iar vibrațiile acestui fluid duc la deplasări ale membranei principale. Înălțimea coloanei de lichid vibrant și, în consecință, locul celei mai mari deplasări a membranei principale depind de înălțimea sunetului. Astfel, cu sunete de diferite tonuri, diferite celule de păr și diferite fibre nervoase sunt excitate. O creștere a intensității sunetului duce la o creștere a numărului de celule de păr excitate și a fibrelor nervoase, ceea ce face posibilă distingerea intensității vibrațiilor sonore.
Transformarea vibrațiilor în procesul de excitare este realizată de receptori speciali - celulele părului. Firele de păr ale acestor celule sunt scufundate în membrana tegumentară. Vibrațiile mecanice sub influența sunetului duc la o deplasare a membranei tegumentare în raport cu celulele receptore și la îndoirea firelor de păr. În celulele receptorilor, deplasarea mecanică a firelor de păr determină un proces de excitație.

Conductibilitatea sunetului. Există conducție aeriană și osoasă. În condiții normale, la om predomină conducerea aerului: undele sonore sunt captate de urechea externă, iar vibrațiile aerului sunt transmise prin canalul auditiv extern către urechea medie și internă. În cazul conducerii osoase, vibrațiile sonore sunt transmise prin oasele craniului direct la cohlee. Acest mecanism de transmitere a vibrațiilor sonore este important atunci când o persoană se scufundă sub apă.
O persoană percepe de obicei sunete cu o frecvență de 15 până la 20.000 Hz (în intervalul 10-11 octave). La copii, limita superioară ajunge la 22.000 Hz, cu vârsta scade. Cea mai mare sensibilitate a fost găsită în intervalul de frecvență de la 1000 la 3000 Hz. Această regiune corespunde celor mai comune frecvențe ale vorbirii și muzicii umane.

Sunetul, ca semnal, are un număr infinit de vibrații și poate transporta aceeași cantitate infinită de informații. Gradul de percepție a acestuia va varia în funcție de capacitățile fiziologice ale urechii, excluzând în acest caz factorii psihologici. În funcție de tipul de zgomot, frecvența și presiunea acestuia, o persoană își simte influența.

Pragul de sensibilitate al urechii umane în decibeli

O persoană percepe frecvențe sonore de la 16 la 20.000 Hz. Timpanele sunt sensibile la presiunea vibrațiilor sonore, al căror nivel este măsurat în decibeli (dB). Nivelul optim este de la 35 la 60 dB, zgomotul de 60-70 dB îmbunătățește munca mentală, mai mult de 80 dB, dimpotrivă, slăbește atenția și afectează procesul de gândire, iar percepția pe termen lung a sunetului de peste 80 dB poate provoca pierderea auzului.

Frecvențele de până la 10-15 Hz sunt infrasunete, nepercepute de organul auditiv, ceea ce provoacă vibrații rezonante. Abilitatea de a controla vibrațiile pe care le creează sunetul este o armă puternică de distrugere în masă. Inaudibil pentru ureche, infrasunetele este capabil să parcurgă distanțe lungi, transmite ordine care obligă oamenii să acționeze conform unui anumit scenariu, provoacă panică și groază și îi obligă să uite de tot ceea ce nu are nimic de-a face cu dorința de a se ascunde, de a scapă de această frică. Și la un anumit raport de frecvență și presiune sonoră, un astfel de dispozitiv este capabil nu numai să suprime voința, ci și să ucidă, să rănească țesutul uman.

Pragul absolut de sensibilitate al urechii umane în decibeli

Gama de la 7 la 13 Hz este emisă de dezastre naturale: vulcani, cutremure, taifunuri și provoacă un sentiment de panică și groază. Deoarece corpul uman are, de asemenea, o frecvență de oscilație care variază de la 8 la 15 Hz, cu ajutorul unui astfel de infrasunete nu costă nimic pentru a crea o rezonanță și a crește amplitudinea de zeci de ori pentru a conduce o persoană la sinucidere sau deteriora organele interne.

La frecvențe joase și presiune ridicată apar greață și dureri de stomac, care se transformă rapid în tulburări gastro-intestinale grave, iar o creștere a presiunii de până la 150 dB duce la daune fizice. Rezonanțe ale organelor interne la frecvențe joase provoacă sângerări și spasme, la frecvențe medii - excitare nervoasă și leziuni ale organelor interne, la frecvențe înalte - până la 30 Hz - arsuri ale țesuturilor.

În lumea modernă, dezvoltarea armelor de sunet este în desfășurare activă și, se pare, nu în zadar microbiologul german Robert Koch a prezis că va fi necesar să se caute o „vaccinare” împotriva zgomotului, cum ar fi împotriva ciumei sau holerei. .

Evaluăm adesea calitatea sunetului. Când alegeți un microfon, un software de procesare audio sau un format de înregistrare a fișierelor audio, una dintre cele mai importante întrebări este cât de bine va suna. Există însă diferențe între caracteristicile sunetului care pot fi măsurate și cele care pot fi auzite.

Ton, timbru, octava.

Creierul percepe sunete de anumite frecvențe. Acest lucru se datorează particularităților mecanismului urechii interne. Receptorii situati pe membrana principala a urechii interne convertesc vibratiile sonore in potentiale electrice care excita fibrele nervoase auditive. Fibrele nervului auditiv au selectivitate de frecvență datorită excitației celulelor organului Corti situate în diferite locuri ale membranei principale: frecvențele înalte sunt percepute în apropierea ferestrei ovale, frecvențele joase sunt percepute la vârful spiralei.

Caracteristica fizică a sunetului, frecvența, este strâns legată de înălțimea pe care o percepem. Frecvența este măsurată ca numărul de cicluri complete ale unei unde sinusoidale într-o secundă (herți, Hz). Această definiție a frecvenței se bazează pe faptul că o undă sinusoidală are exact aceeași formă de undă. În viața reală, foarte puține sunete au această proprietate. Cu toate acestea, orice sunet poate fi reprezentat ca un set de oscilații sinusoidale. De obicei numim acest set un ton. Adică un ton este un semnal de o anumită înălțime care are un spectru discret (sunete muzicale, sunete vocale ale vorbirii), în care este evidențiată frecvența unei unde sinusoidale, care are amplitudinea maximă în acest set. Un semnal cu un spectru larg continuu, ale cărui componente de frecvență au aceeași intensitate medie, se numește zgomot alb.

O creștere treptată a frecvenței vibrațiilor sonore este percepută ca o schimbare treptată a tonului de la cel mai scăzut (bas) la cel mai înalt.

Gradul de acuratețe cu care o persoană determină înălțimea unui sunet după ureche depinde de acuitatea și antrenamentul auzului său. Urechea umană poate distinge clar două tonuri apropiate în înălțime. De exemplu, în intervalul de frecvență de aproximativ 2000 Hz, o persoană poate distinge între două tonuri care diferă unul de celălalt ca frecvență cu 3-6 Hz sau chiar mai puțin.

Spectrul de frecvență al unui instrument muzical sau al unei voci conține o secvență de vârfuri uniform distanțate - armonici. Ele corespund unor frecvențe care sunt multipli ai unei anumite frecvențe de bază, cea mai intensă dintre undele sinusoidale care alcătuiesc sunetul.

Sunetul (timbrul) particular al unui instrument muzical (voce) este asociat cu amplitudinea relativă a diferitelor armonici, iar înălțimea percepută de o persoană transmite cel mai precis frecvența de bază. Timbre, fiind o reflectare subiectivă a sunetului perceput, nu are evaluare cantitativă și se caracterizează doar calitativ.

Într-un ton „pur” există o singură frecvență. În mod obișnuit, sunetul perceput constă din frecvența tonului principal și mai multe frecvențe „impurite”, numite hartonii. Harmonisurile sunt multipli ai frecvenței tonului principal și sunt mai mici ca amplitudine. Timbrul sunetului depinde de distribuția intensității. între tonuri.Spectrul de combinații de sunete muzicale, numite acord, depinde de distribuția intensității între tonuri.Un astfel de spectru conține mai multe frecvențe fundamentale împreună cu tonurile însoțitoare.

Dacă frecvența unui sunet este exact de două ori mai mare decât frecvența altuia, unda sonoră „se potrivește” una în cealaltă. Distanța de frecvență dintre astfel de sunete se numește octavă. Gama de frecvențe percepute de oameni, 16-20.000 Hz, acoperă aproximativ zece până la unsprezece octave.

Amplitudinea vibrațiilor sonore și volumul.

Partea audibilă a gamei de sunet este împărțită în sunete de joasă frecvență - până la 500 Hz, frecvență medie - 500-10.000 Hz și frecvență înaltă - peste 10.000 Hz. Urechea este cea mai sensibilă la o gamă relativ îngustă de sunete cu frecvență medie, de la 1000 la 4000 Hz. Adică, sunetele de aceeași putere în intervalul de frecvență medie pot fi percepute ca puternice, dar în intervalul de frecvență joasă sau înaltă pot fi percepute ca silențioase sau nu pot fi auzite deloc. Această caracteristică a percepției sunetului se datorează faptului că informația sonoră necesară existenței umane - vorbirea sau sunete ale naturii - este transmisă în principal în intervalul de frecvență medie. Astfel, zgomotul nu este un parametru fizic, ci intensitatea senzației auditive, o caracteristică subiectivă a sunetului asociată cu caracteristicile percepției noastre.

Analizatorul auditiv percepe o creștere a amplitudinii undei sonore datorită creșterii amplitudinii vibrației membranei principale a urechii interne și stimulării unui număr tot mai mare de celule capilare cu transmiterea impulsurilor electrice la o frecvență mai mare și de-a lungul unui număr mai mare de fibre nervoase.

Urechea noastră poate distinge intensitatea sunetului în intervalul de la cea mai slabă șoaptă până la cel mai puternic zgomot, ceea ce corespunde aproximativ unei creșteri a amplitudinii mișcării membranei principale de 1 milion de ori. Cu toate acestea, urechea interpretează această diferență enormă de amplitudine a sunetului ca o schimbare de aproximativ 10.000 de ori. Adică, scala de intensitate este puternic „comprimată” de mecanismul de percepție a sunetului al analizorului auditiv. Acest lucru permite unei persoane să interpreteze diferențele de intensitate a sunetului într-un interval extrem de larg.

Intensitatea sunetului este măsurată în decibeli (dB) (1 bel este egal cu de zece ori amplitudinea). Același sistem este utilizat pentru a determina modificările de volum.

Pentru comparație, putem da un nivel aproximativ de intensitate a diferitelor sunete: sunet abia audibil (pragul de audibilitate) 0 dB; șoaptă lângă ureche 25-30 dB; volum mediu de vorbire 60-70 dB; vorbire foarte tare (țipete) 90 dB; la concertele de muzică rock și pop din centrul sălii 105-110 dB; lângă un avion de linie care decolează 120 dB.

Mărimea creșterii volumului sunetului perceput are un prag de discriminare. Numărul de gradații de sonoritate distinse la frecvențe medii nu depășește 250; la frecvențe joase și înalte scade brusc și are o medie de aproximativ 150.