Percepția undelor sonore de diferite frecvențe și amplitudini. Câți decibeli poate percepe urechea umană

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 - acționează asupra urechii. S-a acumulat o cantitate mare de date despre reacțiile umane la stimulii auditivi. Fără aceste date, este dificil să obțineți o înțelegere corectă a funcționării sistemelor de semnalizare cu frecvență audio. Luați 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 sub 40 Hz sunt relativ rare în muzică și nu există în limba vorbită. La frecvențe foarte înalte, percepția muzicală dispare și apare o anumită senzație sonoră nedefinită, în funcție de individualitatea ascultătorului, de vârsta acestuia. Odată cu vârsta, sensibilitatea auzului la om scade, mai ales la frecvențele superioare ale gamei 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 și abia percepând semnale de peste 12 kHz, recunosc foarte ușor lipsa frecvențelor înalte într-o transmisie muzicală.

Caracteristicile de frecvență ale senzațiilor auditive

Zona sunetelor audibile de o persoană în intervalul 20-20000 Hz este limitată în intensitate de praguri: de jos - audibilitate și de sus - senzații de durere.
Pragul de auz este estimat prin presiunea minimă, mai precis, prin creșterea minimă a presiunii față de limită; este sensibil la frecvențe de 1000-5000 Hz - aici pragul de auz este cel mai scăzut (presiunea sonoră este de aproximativ 2 -10 Pa). În direcția frecvențelor sonore 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).
Odată cu creșterea presiunii sonore, crește și intensitatea sunetului, iar senzația auditivă crește în sărituri, 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, peste intervalul de frecvență este de aproximativ 150.

Deoarece intervalul de variație a intensității este de 130 dB, atunci 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 fixată de urechea umană. Cu o presiune sonoră mai scăzută dezvoltată de difuzor, chiar și o creștere de două ori a puterii etajului de ieșire poate să nu dea un rezultat tangibil.

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 percepută subiectiv a sunetului și caracteristicile obiective ale sunetului sunt înălțimea, volumul și timbrul.
Conceptul de înălțime implică o evaluare subiectivă a percepției sunetului în domeniul de frecvență. Sunetul este de obicei caracterizat nu de frecvență, ci de înălțime.
Tonul este un semnal de o anumită înălțime, având un spectru discret (sunete muzicale, vocale de vorbire). 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 după ureche depinde de claritatea, muzicalitatea și pregătirea urechii sale. Trebuie remarcat faptul că înălțimea depinde într-o oarecare măsură de intensitatea sunetului (la niveluri ridicate, sunetele de intensitate mai mare par mai scăzute decât cele mai slabe..
Urechea umană este bună să distingă două tonuri apropiate în ton. 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 termeni de frecvență este apropiată de legea logaritmică. Prin urmare, o dublare a frecvenței de oscilație (indiferent de frecvența inițială) este întotdeauna percepută ca aceeași modificare a înălțimii. Intervalul de înălțime corespunzător unei schimbări de frecvență de 2 ori se numește octavă. Gama de frecvență percepută de o persoană este de 20-20.000 Hz, acoperă aproximativ zece octave.
O octava este un interval destul de mare de schimbare a tonului; o persoană distinge intervale mult mai mici. Deci, 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 a fost standardizat următorul interval de frecvențe: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; patru; 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, atunci se va obține o scară logaritmică. Pe baza acestui fapt, toate caracteristicile de frecvență ale dispozitivelor de transmisie a sunetului sunt construite 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. Deci, 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 volum în fundal a fost introdus pentru a desemna sunete de aceeași intensitate. Nivelul presiunii sonore în decibeli ai aceluiași volum al unui ton pur cu o frecvență de 1000 Hz este luat ca nivel de volum al sunetului în foni, adică pentru o frecvență de 1000 Hz, nivelurile de volum în foni și decibeli sunt aceleași. La alte frecvențe, pentru aceeași presiune sonoră, sunetele pot apărea mai puternice sau mai silentioase.
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. Reducerea detectabilă a sensibilității este legată de răspunsul auditiv la suprasolicitare, adică cu adaptarea sa naturală, După o pauză de ascultare, sensibilitatea auzului este restabilită. La aceasta trebuie adăugat că proteza auditivă, 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. Se observă că în ultimii ani, pragurile de auz au crescut brusc în rândul tinerilor. Motivul pentru aceasta a fost pasiunea pentru muzica pop, caracterizată prin niveluri ridicate de sunet.
Nivelul volumului este măsurat folosind un dispozitiv electro-acustic - un sonometru. Sunetul măsurat este mai întâi convertit de microfon în vibrații electrice. După amplificarea cu un amplificator special de tensiune, aceste oscilații sunt măsurate cu un dispozitiv indicator reglat în decibeli. Pentru a se asigura că citirile dispozitivului corespund cât mai aproape cu percepția subiectivă a sonorității, dispozitivul este echipat cu filtre speciale care își modifică sensibilitatea la percepția sunetului de diferite frecvențe în conformitate cu caracteristica sensibilității auzului.
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 fiecăruia dintre instrumente și voci, datorită nuanțelor caracteristice, devine multicolor și bine recunoscut.
Timbre, fiind o reflectare subiectivă a complexității sunetului perceput, nu are o evaluare cantitativă și se caracterizează prin termeni de ordin calitativ (frumos, moale, suculent etc.). Când un semnal este transmis printr-o cale electro-acustică, 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 semnalului este un set de componente sinusoidale ale unui sunet complex.
Așa-numitul ton pur are cel mai simplu spectru, conține o singură frecvență. Sunetul unui instrument muzical se dovedește a fi mai interesant: spectrul său este format din frecvența fundamentală și mai multe frecvențe „impurate”, numite harmonice (tonuri mai înalte).Harmonicele sunt multipli ai frecvenței fundamentale și sunt de obicei mai mici ca amplitudine.
Timbrul sunetului depinde de distribuția intensității peste tonuri. Sunetele diferitelor instrumente muzicale diferă ca timbru.
Mai complex este spectrul combinației de sunete muzicale, numită acord. Într-un astfel de spectru, există mai multe frecvențe fundamentale împreună cu tonurile corespunzătoare.
Diferențele de timbru sunt împărtășite în principal de componentele 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 legate de partea sa superioară, 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 cad în afara regiunii. frecvențele audibile. 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 sursei după culoarea sunetului. Sunetele puternice sunt de obicei mai dure.

Surse de sunet muzical

O serie de factori care caracterizează sursele primare de sunete 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 formării sunetului într-un anumit instrument muzical.
Un element important al sunetului muzical este atacul. Acesta este un proces specific tranzitoriu 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: pentru ciupit, percuție și unele instrumente de suflat 0-20 ms, pentru fagot 20-60 ms. Un atac nu este doar o creștere a volumului sunetului de la zero la o valoare constantă, el poate fi însoțit de aceeași modificare a înălțimii și a timbrului. Mai mult, caracteristicile atacului 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 de frecvență a sunetului. Pe lângă frecvențele fundamentale, fiecare instrument este caracterizat de componente suplimentare de înaltă calitate - armături (sau, așa 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 sursă.
Majoritatea instrumentelor se caracterizează prin amplificarea frecvențelor fundamentale, precum și prin acorduri individuale în anumite benzi de frecvență (una sau mai multe) relativ înguste (formanți), care sunt 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-fagot 900300 250-600 .
O altă proprietate caracteristică a instrumentelor muzicale este puterea sunetului lor, care este determinată de o amplitudine (span) 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). Valoarea puterilor acustice de vârf (în wați) este: 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, piccolo). 0,08, clarinet, corn și triunghi 0,05.
Raportul dintre puterea sonoră extrasă din instrument la executarea „fortissimo” și puterea sunetului la executarea „pianissimo” este denumit în mod obișnuit intervalul dinamic al sunetului instrumentelor muzicale.
Gama dinamică a unei surse de sunet muzical depinde de tipul de grup care interpretează și de natura spectacolului.
Luați în considerare gama dinamică a surselor individuale de sunet. Sub gama dinamică a instrumentelor și ansamblurilor muzicale individuale (orchestre și coruri de diferite compoziții), precum și voci, înțelegem raportul dintre presiunea sonoră maximă creată de o anumită sursă și minimul, exprimat în decibeli.
În practică, la determinarea intervalului dinamic al unei surse de sunet, se operează de obicei doar cu 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 nivelurile de presiune sonoră în raport cu nivelul acustic zero.
Intervalul dinamic pentru o anumită sursă de sunet nu este constant. Depinde de natura lucrării efectuate și de condițiile acustice ale încăperii în care are loc spectacolul. Reverb extinde intervalul dinamic, care de obicei atinge valoarea maximă în încăperi cu volum mare 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 „forte” al vocalistului este egal cu nivelul celui mai înalt sunet de pe „pian”.

Gama dinamică a unui program muzical este exprimată în același mod ca și pentru sursele de sunet individuale, dar presiunea sonoră maximă se notează cu o nuanță dinamică ff (fortissimo), iar cea minimă cu 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 prr (piano-pianissimo), aproximativ 40 dB.
Trebuie remarcat faptul că nuanțele dinamice ale performanței în muzică sunt relative și legătura 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 variate, de obicei, nu depășește 40 dB, în timp ce dance și jazz - 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 fanfara. 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, semnalul acustic nu există în tăcere absolută. În același timp, zgomotul străin afectează auzul, îngreunând perceperea sunetului, mascând semnalul principal într-o anumită măsură. Efectul mascării unui ton sinusoidal pur prin zgomot străin este estimat printr-o valoare care indică. cu câţi decibeli se ridică pragul de audibilitate a semnalului mascat peste pragul percepţiei sale în tăcere.
Experimentele pentru a determina gradul de mascare a unui semnal sonor de către altul arată că tonul oricărei frecvențe 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 nu mai auzim primul ton, acesta este mascat de cel de-al doilea (după ce a stins vibrația celui de-al doilea diapazon, vom auzi primul din nou).
Dacă există două semnale audio complexe simultan, constând din anumite spectre de frecvențe audio, atunci apare efectul 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 lucrări orchestrale, din cauza mascării de către acompaniament, rolul solistului poate deveni slab. lizibil, neclar.
Obținerea clarității sau, după cum se spune, a „transparenței” sunetului în transmisia sonoră a orchestrelor sau ansamblurilor pop devine foarte dificilă dacă instrumentul sau grupurile individuale de instrumente ale orchestrei cântă în același timp sau în registre apropiate.
Când înregistrează o orchestră, regizorul trebuie să țină cont de particularitățile deghizării. La repetiții, cu ajutorul unui dirijor, 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 microfoanelor în apropierea interpreților, selecția deliberată de către inginerul de sunet a celor mai importante instrumente dintr-un loc dat și alte tehnici speciale de inginerie a sunetului. .
Fenomenului de mascare i se opune capacitatea psihofiziologică a organelor auditive de a scoate în evidență unul sau mai multe sunete din masa generală care poartă cele mai importante informații. De exemplu, atunci când orchestra cântă, dirijorul observă cele mai mici inexactități în interpretarea piesei 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 care se află 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 purtătorilor. 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 senzația în ceea ce privește volumul scade cu 8-10 phon se numește constantă de timp de auz. Această constantă depinde de o serie de circumstanțe, precum și de parametrii sunetului perceput. Dacă două impulsuri sonore scurte ajung la ascultător cu aceeași 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. Pentru intervale mari de întârziere, ambele impulsuri sunt percepute separat, 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, percepția volumului unui impuls sonor pe termen scurt depinde nu numai de nivelul acestuia, ci și de durata impactului impulsului asupra urechii. Așadar, 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 urechea, de exemplu, 150-400 ms. Prin urmare, atunci când ascultați o transmisie, 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 se simte astfel 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 sursei 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 tonurile de înaltă frecvență, celălalt pentru cele de joasă frecvență.

Sunetul parcurge o cale mai scurtă către urechea orientată spre sursă decât către a doua ureche. Ca urmare, presiunea undelor sonore în canalele urechii diferă ca fază și amplitudine. Diferențele de amplitudine sunt semnificative doar la frecvențe înalte, când lungimea undei sonore devine comparabilă cu dimensiunea capului. Când diferența de amplitudine depășește pragul 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 sursei 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 a fiziologiei 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, două difuzoare sunt instalate într-o cameră de-a lungul față, la o distanță de 2-3 m una de alta. La aceeași distanță față de axa sistemului de conectare, ascultătorul este situat strict în centru. În cameră, prin difuzoare sunt emise două sunete de aceeași fază, frecvență și intensitate. Ca urmare a identității sunetelor care trec în organul auzului, o persoană nu le poate separa, senzațiile sale dau o idee despre o singură sursă de sunet aparentă (virtuală), care este situată strict în centru pe axă. de simetrie.
Dacă acum reducem volumul unui difuzor, atunci sursa aparentă se va deplasa către difuzorul mai puternic. Iluzia mișcării sursei de sunet 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 difuzor, care emite un semnal înainte de timp.
Să dăm un exemplu pentru a ilustra localizarea integrală. Distanța dintre difuzoare este de 2m, distanța de la linia din față până la ascultător este de 2m; pentru ca sursa să se deplaseze ca și cum cu 40 cm la stânga sau la dreapta, este necesar să se aplice 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 generată de difuzoare, atunci apare iluzia de a muta sursa sonoră. Acest fenomen se numește localizare totală. Pentru a crea o localizare totală, 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. În secundar - două difuzoare. Microfoanele sunt situate la o anumită distanță unul de celălalt de-a lungul unei linii paralele cu plasarea emițătorului de sunet. Când emițătorul de sunet este mutat, presiunea sonoră diferită va acționa asupra microfonului, iar timpul de sosire a undei sonore va fi diferit din cauza distanței inegale dintre emițătorul de sunet și microfoane. Această diferență creează efectul de localizare totală în încăperea secundară, în urma căreia sursa aparentă este localizată într-un anumit punct din spațiu situat între cele două difuzoare.
Ar trebui spus despre sistemul de transmisie a sunetului binoral. Cu acest sistem, numit sistem „cap artificial”, în camera primară sunt amplasate două microfoane separate, poziționate la o distanță unul de celălalt egală cu distanța dintre urechile unei persoane. Fiecare dintre microfoane are un canal independent de transmisie a sunetului, la ieșirea căruia telefoanele pentru urechea stângă și dreaptă sunt pornite în camera secundară. Cu canale identice de transmisie a sunetului, un astfel de sistem reproduce cu acuratețe efectul binaural creat lângă urechile „capului artificial” din camera primară. Prezența căștilor și necesitatea de a le folosi o perioadă lungă de timp este un dezavantaj.
Organul auzului determină distanța până la sursa sonoră printr-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 creșterii din ce în ce mai mari a tonurilor registrului joasă față de tonurile registrului înalt, cauzată prin creșterea rezultată a nivelului volumului.
Pentru distanțe medii de 3-10 m, îndepărtarea sursei de la 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 urmare, are loc o amplificare relativă a părții de înaltă frecvență a spectrului și timbrul devine mai luminos.
Pe măsură ce distanța crește, pierderea de energie în aer va crește proporțional cu pătratul frecvenței. Pierderea crescută a tonurilor înalte de registru va duce la o reducere a luminozității timbrului. Astfel, evaluarea subiectivă a distanțelor este asociată cu o modificare a volumului și a timbrului acesteia.
În condițiile unui spațiu închis, semnalele primelor reflexii, care sunt întârziate cu 20–40 ms față de cea directă, sunt percepute de ureche ca venind din direcții diferite. În același timp, întârzierea lor crescândă creează impresia unei distanțe semnificative față de punctele din care provin aceste reflexii. Astfel, în funcție de timpul de întârziere, se poate aprecia distanța relativă a surselor secundare sau, ceea ce este același, dimensiunea încăperii.

Câteva caracteristici ale percepției subiective a emisiunilor stereo.

Un sistem de transmisie a sunetului stereofonic are o serie de caracteristici semnificative în comparație cu unul monofonic convențional.
Calitatea care distinge sunetul stereofonic, surround, i.e. perspectiva acustică naturală poate fi evaluată folosind niște indicatori suplimentari care nu au sens cu o tehnică de transmisie monofonică a sunetului. Acești indicatori suplimentari includ: unghiul de auz, i.e. unghiul la care ascultătorul percepe imaginea stereo sonoră; 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 face ascultătorul să se simtă prezent în camera primară în care are loc evenimentul sonor transmis.

Despre rolul acusticii camerei

Strălucirea sunetului se realizează nu numai cu ajutorul echipamentelor de reproducere a sunetului. Chiar și cu un echipament suficient 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 de suprasunet, numit reverberație. Afectând organele auzului, reverberația (în funcție de durata acesteia) poate îmbunătăți sau degrada 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 încă audibile pentru ceva timp după terminarea sursei de sunet.
Uneori se crede că semnalele reflectate joacă doar un rol negativ, interferând cu percepția semnalului principal. Cu toate acestea, această viziune este incorectă. O anumită parte a energiei semnalelor inițiale de ecou reflectate, ajungând la urechile unei persoane cu întârzieri scurte, amplifică semnalul principal și îi îmbogățește sunetul. Dimpotrivă, ecouri reflectate mai târziu. al cărui 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 tind să aibă o reverberație scăzută datorită dimensiunilor lor limitate și a prezenței suprafețelor fonoabsorbante, a mobilierului tapițat, a covoarelor, a draperiilor etc.
Barierele de natură și proprietăți diferite sunt caracterizate de coeficientul 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 fură adesea superioritatea în abilități precum percepția mediului prin miros, auz și alte senzații senzoriale.

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

Interval de auz uman în condiții normale

Urechea umană medie poate capta 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 mică decât la persoanele mai tinere, în timp ce sugarii și copiii au 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 corespunzător. În aceste condiții ideale, urechea umană poate recunoaște frecvențe în intervalul de la 12 Hz la 20 kHz.

Gama de auz pentru 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 decât bărbații. Percepția frecvențelor joase este mai mult sau mai puțin aceeași la bărbați și la 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 µPa este distanța parcursă de o undă sonoră în timpul vibrației, care este egală cu o zecime din diametrul unui atom de hidrogen. Undele sonore din urechea umană parcurg o distanță mult mai mare, ceea ce face dificilă oferirea unui interval de auz uman în pascali.

Cel mai blând sunet care poate fi recunoscut 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 continuă să comprime această scară de presiune. Astfel, 20 de milioane µPa înseamnă doar 120 dB. Deci, se dovedește că intervalul urechii umane este de 0-120 dB.

Intervalul de auz variază considerabil 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 și nu în raport cu scara standardizată obișnuită. 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 captare a sunetului. Vibrațiile sonore sunt captate de auricule și transmise prin canalul auditiv extern către membrana timpanică, care separă urechea externă de urechea medie. Captarea sunetului și a întregului proces de auz 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 fracțiuni 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 de la membrana timpanică prin urechea medie sunt transmise prin 3 osicule auditive legate între ele - ciocanul, nicovala și etrierul, iar acesta din urmă prin membrana ferestrei ovale transmite aceste vibrații ale fluidului din urechea internă - perilimfa. . Datorită oscilelor auditive, amplitudinea oscilațiilor scade, iar puterea acestora crește, ceea ce face posibilă punerea în mișcare a unei coloane de lichid în 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 etrierului. Acest lucru reduce amplitudinea vibrațiilor, iar urechea internă este protejată de deteriorare.

Urechea internă cu cohleea situată în ea este situată în piramida osului temporal. Cohleea umană are 2,5 bobine. Canalul cohlear este împărțit de două pereți (membrana principală și membrana vestibulară) în 3 pasaje înguste: cel superior (scala vestibularis), cel mijlociu (canalul membranos) și cel inferior (scala timpanului). În partea superioară a cohleei există o gaură care leagă canalele superioare și inferioare într-unul singur, mergând de la fereastra ovală la vârful cohleei și mai departe 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.

Mecanism de percepție a sunetului. Mecanismul fiziologic al percepției 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 celulele receptor. 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 depinde de înălțimea sunetului. Astfel, la diferite sunete de înălțime, sunt excitate diferite celule de păr și diferite fibre nervoase. O creștere a intensității sunetului duce la o creștere a numărului de celule de păr și fibre nervoase excitate, 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 acțiunea sunetului duc la deplasarea membranei tegumentare în raport cu celulele receptore și la îndoirea firelor de păr. În celulele receptor, deplasarea mecanică a firelor de păr determină un proces de excitare.

conducerea sunetului. Distingeți între conducerea aerului și cea osoasă. În condiții normale, la o persoană 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 zonă corespunde celor mai frecvente frecvențe în vorbirea și muzica umană.

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

Pragul de sensibilitate al urechii umane în decibeli

O persoană percepe frecvența sunetului 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 peste 80 dB poate provoca auzul. pierderi.

O frecvență de până la 10-15 Hz este infrasunetele, nepercepute de ureche, care provoacă vibrații rezonante. Abilitatea de a controla vibrațiile pe care le creează sunetul este cea mai puternică armă de distrugere în masă. Inaudibil pentru ureche, infrasunetele este capabil să parcurgă distanțe lungi, transmițând ordine care îi fac pe oameni să acționeze după un anumit scenariu, să provoace panică și groază, îi fac să uite de tot ceea ce nu are nimic de-a face cu dorința de a se ascunde, de a scăpa de asta. frică. Și cu un anumit raport de frecvență și presiune sonoră, un astfel de aparat este capabil nu numai să suprime voința, ci și să ucidă, să rănească țesuturile umane.

Pragul de sensibilitate absolută a urechii umane în decibeli

Gama de la 7 la 13 Hz emit 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 zece 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 grave ale tractului gastrointestinal, iar creșterea presiunii la 150 dB duce la deteriorarea fizică. Rezonanțe ale organelor interne la frecvențe joase provoacă sângerări și spasme, la frecvențe medii - excitație 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 curs de desfășurare și, se pare, nu în zadar microbiologul german Robert Koch a prezis că va fi necesar să se caute o „vaccinare” împotriva zgomotelor precum ciumă sau holeră.

Adesea evaluăm calitatea sunetului. Când alegeți un microfon, un program 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 localizați pe membrana principală a urechii interne transformă vibrațiile sonore în potențiale electrice care excită fibrele nervului auditiv. Fibrele nervului auditiv au selectivitate în frecvență datorită excitației celulelor organului Corti situat în diferite locuri ale membranei principale: frecvențele înalte sunt percepute în apropierea ferestrei ovale, frecvențele joase - în vârful spiralei.

Strâns legat de caracteristica fizică a sunetului, frecvența, este înălțimea pe care o simțim. 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 printr-un set de oscilații sinusoidale. De obicei numim un astfel de set un ton. Adică un ton este un semnal de o anumită înălțime, având un spectru discret (sunete muzicale, sunete vocale ale vorbirii), în care se distinge frecvența unei unde sinusoidale, care are amplitudinea maximă în acest set. Un semnal care are 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 claritatea și pregătirea auzului său. Urechea umană este bună să distingă două tonuri apropiate în ton. De exemplu, în regiunea 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 frecvențe de bază, cea mai intensă dintre undele sinusoidale care alcătuiesc sunetul.

Sunetul (timbrul) special 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 o evaluare cantitativă și se caracterizează doar calitativ.

Într-un ton „pur”, există o singură frecvență. De regulă, sunetul perceput constă din frecvența tonului fundamental și mai multe frecvențe „impurate”, numite hartonisuri.Harmonicele sunt un multiplu al frecvenței tonului fundamental și mai mici decât amplitudinea acestuia.Timbrul sunetului depinde de intensitate. distribuția peste tonuri.Spectrul combinației de sunete muzicale, numită acord, se dovedește a fi mai complex.Într-un astfel de spectru, există 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 frecvență percepută de o persoană, 16-20.000 Hz, acoperă aproximativ zece până la unsprezece octave.

Amplitudinea vibrațiilor sonore și volumul.

Partea audibilă a gamei de sunete este împărțită în sunete cu frecvență joasă - până la 500 Hz, sunete cu frecvență medie - 500-10.000 Hz și sunete cu frecvență înaltă - peste 10.000 herți. 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, iar în intervalul de frecvență joasă sau înaltă - ca silențioase sau nu pot fi auzite deloc. Această caracteristică a percepției sunetului se datorează faptului că informațiile sonore necesare existenței unei persoane - vorbirea sau sunetele naturii - sunt transmise în principal în intervalul de frecvență medie. Astfel, zgomotul nu este un parametru fizic, ci intensitatea unei senzații auditive, o caracteristică subiectivă a sunetului asociată cu particularitățile percepției noastre.

Analizatorul auditiv percepe o creștere a amplitudinii unei unde 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 la cel mai puternic zgomot, care corespunde aproximativ unei creșteri de 1 milion de ori a amplitudinii mișcării membranei principale. Cu toate acestea, urechea interpretează această diferență uriașă în amplitudinea sunetului ca fiind de aproximativ 10.000 de ori modificarea. Adică scala de intensitate este puternic „comprimată” de mecanismul de percepție a sunetului a 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 modificarea volumului.

Pentru comparație, putem da un nivel aproximativ de intensitate a diferitelor sunete: un sunet abia audibil (pragul de auz) 0 dB; șoaptă lângă ureche 25-30 dB; vorbire de volum mediu 60-70 dB; vorbire foarte tare (strigăte) 90 dB; la concerte de muzică rock și pop în 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.