Сприйняття звукових хвиль різної частоти та амплітуди. Скільки децибел витримує людське вухо Сприймається вухом
Психоакустика - область науки, що межує між фізикою та психологією, вивчає дані про слухове відчуття людини при дії на вухо фізичного роздратування - звуку. Накопичено великий обсяг даних про реакції людини на слухові подразнення. Без цих даних важко отримати правильне уявлення роботи систем передачі сигналів звукової частоти. Розглянемо найважливіші особливості сприйняття звуку людиною.
Людина відчуває зміни звукового тиску, що відбуваються із частотою 20-20 000 Гц. Звуки з частотою нижче 40 Гц порівняно рідко зустрічаються в музиці і не існують у розмовній мові. На дуже високих частотах музичне сприйняття зникає і виникає якесь невизначене звукове відчуття, що залежить від особливості слухача, його віку. З віком чутливість слуху в людини зменшується і в області верхніх частот звукового діапазону.
Але було б неправильно робити на цій підставі висновок, що для людей похилого віку неважлива передача звуковідтворювальної установки широкої смуги частот. Експерименти показали, що люди, що навіть ледве сприймають сигнали вище 12 кГц, дуже легко розпізнають у музичній передачі недостатність верхніх частот.
Частотні характеристики слухових відчуттів
Область чутних людиною звуків у діапазоні 20-20000 Гц обмежується інтенсивністю порогами: знизу - чутності і зверху - больових відчуттів.
Поріг чутності оцінюється мінімальним тиском, точніше, мінімальним збільшенням тиску щодо кордону чутливий до частот 1000-5000 Гц - тут поріг чутності найнижчий (звуковий тиск близько 2-10 Па). У бік нижчих та найвищих звукових частот чутливість слуху різко падає.
Поріг больових відчуттів визначає верхню межу сприйняття звукової енергії і приблизно відповідає інтенсивності звуку 10 Вт/м або 130 дБ (для опорного сигналу з частотою 1000 Гц).
При збільшенні звукового тиску збільшується інтенсивність звуку, причому слухове відчуття наростає стрибками, званими порогом розрізнення інтенсивності. Число цих стрибків на середніх частотах приблизно 250, на низьких і високих частотах воно зменшується і в середньому частотного діапазону становить близько 150.
Оскільки діапазон зміни інтенсивностей 130 дБ, то елементарний стрибок відчуттів у середньому діапазону амплітуд дорівнює 0,8 дБ, що відповідає зміні інтенсивності звуку в 1,2 рази. При низьких рівнях слуху ці стрибки досягають 2-3 дБ, при високих рівнях зменшуються до 0,5 дБ (в 1,1 разу). Збільшення потужності підсилювального тракту менше ніж у 1,44 рази практично не фіксується вухом людини. При нижчому звуковому тиску, що розвивається гучномовцем, навіть дворазове збільшення потужності вихідного каскаду може дати відчутного результату.
Суб'єктивні характеристики звуку
Якість звукопередачі оцінюється з урахуванням слухового сприйняття. Тому правильно визначити технічні вимоги до тракту звукопередачі або окремим його ланкам можна лише вивчивши закономірності, що пов'язують суб'єктивно відчуття звуку і об'єктивними характеристиками звуку є висота, гучність і тембр.
Поняття висоти звуку має на увазі суб'єктивну оцінку сприйняття звуку за частотним діапазоном. Звук прийнято характеризувати не частотою, а заввишки тону.
Тон - це сигнал певної висоти, що має дискретний спектр (музичні звуки, голосні звуки мови). Сигнал, що має широкий безперервний спектр, всі частотні складові якого мають однакову середню потужність, називається білим шумом.
Поступове збільшення частоти звукових коливань від 20 до 20 000 Гц сприймається як поступова зміна тону від найнижчого (басового) до найвищого.
Ступінь точності, з якою людина визначає висоту звуку на слух, залежить від гостроти, музичності та тренування його слуху. Слід зазначити, що висота звуку певною мірою залежить від інтенсивності звуку (при більших рівнях звуки більшої інтенсивності здаються нижчими, ніж слабкі.).
Вухо людини добре розрізняє два близькі за висотою тони. Наприклад, в області частот приблизно 2000 Гц людина може розрізняти два тони, які відрізняються один від одного за частотою 3-6 Гц.
Суб'єктивний масштаб сприйняття звуку за частотою близький до логарифмічного закону. Тому збільшення частоти коливань удвічі (незалежно чи початкової частоти) завжди сприймається як однакову зміну висоти тону. Інтервал висоти, який відповідає зміні частоти в 2 рази, називається октавою. Діапазон частот, що сприймаються людиною, 20-20 000 Гц, він охоплює приблизно десять октав.
Октава – досить великий інтервал зміни висоти тону; людина розрізняє значно менші інтервали. Так, у десяти октавах, що сприймаються вухом, можна розрізнити понад тисячу градацій висоти тону. У музиці використовуються менші інтервали, які називають півтонами і відповідні зміні частоти приблизно в 1,054 рази.
Октаву ділять на напівоктави та третину октави. Для останніх стандартизовано наступний ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, що є межами третьоктав. Якщо ці частоти розташувати рівних відстанях по осі частот, то вийде логарифмічний масштаб. Тому всі частотні властивості пристроїв передачі звуку будують в логарифмічному масштабі.
Гучність передачі залежить не тільки від інтенсивності звуку, а й від спектрального складу, умов сприйняття та тривалості дії. Так, два тони середньої і низької частоти, що звучать, мають однакову інтенсивність (або однаковий звуковий тиск), сприймаються людиною не як однаково гучні. Тому введено поняття рівня гучності у фонах для позначення звуків однакової гучності. За рівень гучності звуку у фонах приймають рівень звукового тиску децибелах такої ж гучності чистого тону частотою 1000 Гц, тобто для частоти 1000 Гц рівні гучності у фонах і децибелах збігаються. На інших частотах при тому самому звуковому тиску звуки можуть здаватися більш гучними або тихішими.
Досвід роботи звукорежисерів із запису та монтажу музичних творів показує, що для кращого виявлення дефектів звучання, які можуть виникнути в процесі роботи, рівень гучності, при контрольному прослуховуванні слід підтримувати високим, що приблизно відповідає рівню гучності в залі.
При тривалому впливі інтенсивного звуку чутливість слуху поступово знижується, тим більше, що вище гучність звуку. Виявлене зниження чутливості пов'язані з реакцією слуху перевантаження, тобто. з природною його адаптацією, після деякої перерви у прослуховуванні чутливість слуху відновлюється. До цього слід додати, що слуховий апарат при сприйнятті сигналів високого рівня привносить свої, звані суб'єктивні, спотворення (що свідчить про нелінійності слуху). Так, при рівні сигналу 100 дБ перша та друга суб'єктивні гармоніки досягають рівня 85 та 70 дБ.
Значний рівень гучності та тривалість його впливу викликають незворотні явища у слуховому органі. Наголошено, що у молоді за останні роки різко зросли пороги чутності. Причиною цього стало захоплення поп-музикою, що вирізняється високими рівнями гучності звучання.
Рівень гучності вимірюють за допомогою електроакустичного приладу – шумоміра. Вимірюваний звук спочатку перетворюється мікрофоном на електричні коливання. Після посилення спеціальним підсилювачем напруги цих коливань вимірюють стрілочним приладом, відрегульованим децибелах. Щоб показання приладу якнайточніше відповідали суб'єктивному сприйняттю гучності, прилад забезпечений спеціальними фільтрами, що змінюють його чутливість до сприйняття звуку різних частот відповідно до характеристики чутливості слуху.
Важливою характеристикою звуку є тембр. Здатність слуху розрізняти його дозволяє сприймати сигнали з великою різноманітністю відтінків. Звучання кожного з інструментів та голосів завдяки характерним для них відтінкам стає багатобарвним і добре впізнаваним.
Тембр, будучи суб'єктивним відображенням складності звучання, що сприймається, не має кількісної оцінки і характеризується термінами якісного порядку (красивий, м'який, соковитий та ін.). При передачі сигналу електроакустичному тракту виникають спотворення в першу чергу впливають на тембр відтворюваного звуку. Умовою правильної передачі тембру музичних звуків є перекручена передача спектра сигналу. Спектром сигналу називають сукупність синусоїдальних складових складного звуку.
Найпростішим спектром має так званий чистий тон, у ньому є тільки одна частота. Більш цікавим виявляється звук музичного інструменту: його спектр складається з частоти основного тону і кількох "домішних" частот, званих обертонами (вищими тонами), обертові кратні частоті основного тону і зазвичай менше його за амплітудою.
Від розподілу інтенсивності обертонів залежить тембр звуку. Звуки різних музичних інструментів відрізняються тембром.
Складнішим виявляється спектр поєднання музичних звуків, званий акордом. У такому спектрі є кілька основних частот разом з відповідними обертонами.
Відмінності в тембрі onрозподіляються в основному низько-середньо частотними складовими сигналу, отже, і велика різноманітність тембрів пов'язана з сигналами, що лежать в нижній частині частотного діапазону. Сигнали ж, що відносяться до верхньої його частини, у міру підвищення все більше втрачають своє забарвлення тембру, що зумовлено поступовим відходом їх гармонійних складових за межі частот, що чують. Це пояснити тим, що у освіті тембру низьких звуків беруть активну участь до 20 і більше гармонік, середніх 8 - 10, високих 2 - 3, оскільки інші або слабкі, або випадають із області чутних частот. Тому високі звуки, як правило, за тембром бідніші.
Майже у всіх природних джерел звуку, зокрема й у джерел музичних звуків, спостерігається специфічна залежність тембру від рівня гучності. До такої залежності пристосований і слух – для нього є природним визначення інтенсивності джерела забарвлення звуку. Гучні звуки зазвичай є і різкішими.
Музичні джерела звуку
Великий вплив на якість звучання електроакустичних систем має низку факторів, що характеризують первинні джерела звуків.
Акустичні параметри музичних джерел залежать від складу виконавців (оркестр, ансамбль, гурт, соліста та типу музики: симфонічна, народна, естрадна та ін.).
Зародження та формування звуку кожному музичному інструменті має власну специфіку, що з акустичними особливостями звукообразования у тому чи іншому музичному інструменті.
Важливим елементом музичного звуку є атака. Це – специфічний перехідний процес, протягом якого встановлюються стабільні характеристики звуку: гучність, тембр, висота. Будь-який музичний звук проходить три стадії - початок, середину і кінець, причому і початкова, і кінцева стадії мають деяку тривалість. Початкова стадія називається атакою. Триває вона по-різному: у щипкових, ударних та деяких духових інструментів 0-20 мс, у фаготу 20-60 мс. Атака - це не просто наростання гучності звуку від нуля до деякого значення, вона може супроводжуватися такою ж зміною висоти звуку і його тембру. Причому характеристики атаки інструменту неоднакові в різних ділянках його діапазону при різній манері гри: скрипка багатством можливих виразних способів атаки - найбільш досконалий інструмент.
Одна з характеристик будь-якого музичного інструменту – це частотний діапазон звучання. Крім основних частот, кожен інструмент характеризується додатковими високоякісними складовими - обертонами (або, як прийнято в електроакустиці, - вищими гармоніками), що визначають його специфічний тембр.
Відомо, що звукова енергія нерівномірно розподіляється по всьому спектру звукових частот, що випромінюються джерелом.
Більшість інструментів характеризується посиленням основних частот, а також окремих обертонів у певних (однієї або декількох) відносно вузьких смугах частот (формантах), різних для кожного інструменту. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200, валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900, кларнета 250-600 .
Інша характерна властивість музичних інструментів - сила їхнього звуку, що обумовлюється більшою або меншою амплітудою (розмахом) їхнього звучного тіла або повітряного стовпа (більшій амплітуді відповідає сильніше звучання і навпаки). Значення пікових акустичних потужностей (у ВАТ) становить: для великого оркестру 70, великого барабана 25, літавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепіано 0,4, труби та саксофона 0,3, труби 0,2, контрабаса 0. 6, малої флейти 0,08, кларнета, валторни та трикутника 0,05.
Відношення потужності звуку, що витягується з інструмента при виконанні "фортисімо", до потужності звуку при виконанні "піаніссімо" прийнято називати динамічним діапазоном звучання музичних інструментів.
Динамічний діапазон музичного джерела звуку залежить від виду виконавського колективу та характеру виконання.
Розглянемо динамічний діапазон окремих джерел звуку. Під динамічним діапазоном окремих музичних інструментів та ансамблів (різні за складом оркестри та хори), а також голосів розуміють відношення максимальних звукових тисків, створюваних даним джерелом, до мінімальних, виражене в децибелах.
Насправді щодо динамічного діапазону джерела звуку зазвичай оперують лише рівнями звукового тиску, обчислюючи чи вимірюючи відповідну їх різницю. Наприклад, якщо максимальний рівень звучання оркестру становить 90, а мінімальний 50 дБ, кажуть, що динамічний діапазон дорівнює 90 - 50= = 40 дБ. При цьому 90 та 50 дБ – це рівні звукового тиску щодо нульового акустичного рівня.
Динамічний діапазон даного джерела звуку - величина непостійна. Вона залежить від характеру твору, що виконується, і від акустичних умов приміщення, в якому відбувається виконання. Реверберація розширює динамічний діапазон, який зазвичай досягає максимального значення у приміщеннях, що мають великий об'єм та мінімальне звукопоглинання. Майже у всіх інструментів та людських голосів динамічний діапазон нерівномірний за регістром звучання. Наприклад, рівень гучності найнижчого звуку на "форте" у вокаліста дорівнює рівню найвищого звуку на "піано".
Динамічний діапазон тієї чи іншої музичної програми виражається так само, як і для окремих джерел звуку, але максимальний звуковий тиск відзначається при динамічному ff (фортисімо) відтінку, а мінімальний при рр (піаніссимо).
Найбільшій гучності, що позначається в нотах fff (форте-, фортисімо), відповідає акустичний рівень звукового тиску приблизно 110 дБ, а найменшої гучності, що позначається в нотах ррр (піано-піаніссімо), приблизно 40 дБ.
Слід зазначити, що динамічні відтінки виконання у музиці відносні та його зв'язок із відповідними рівнями звукового тиску певною мірою умовна. Динамічний діапазон тієї чи іншої музичної програми залежить від характеру твору. Так, динамічний діапазон класичних творів Гайдна, Моцарта, Вівальді рідко перевищує 30-35 дБ. Динамічний діапазон естрадної музики зазвичай не перевищує 40 дБ, а танцювальної та джазової – всього близько 20 дБ. Більшість творів для оркестру російських народних інструментів також мають невеликий динамічний діапазон (25-30 дБ). Це справедливо й у духового оркестру. Однак максимальний рівень звучання духового оркестру у приміщенні може досягати досить великого рівня (до 110 дБ).
Ефект маскування
Суб'єктивна оцінка гучності залежить від умов, у яких звук сприймається слухачем. У реальних умовах акустичний сигнал не існує в абсолютній тиші. Одночасно з ним впливають на слух сторонні шуми, що ускладнюють звукове сприйняття, що маскують до певної міри основний сигнал. Ефект маскування чистого синусоїдального тону стороннім шумом оцінюється величиною, що вказує. на скільки децибел підвищується поріг чутності сигналу, що маскується над порогом його сприйняття в тиші.
Досліди щодо визначення ступеня маскування одного звукового сигналу іншим показують, що тон будь-якої частоти маскується нижчими тонами значно ефективніше, ніж вищими. Наприклад, якщо два камертони (1200 і 440 Гц) випромінюють звуки з однаковою інтенсивністю, ми перестаємо чути перший тон, він замаскований другим (погасивши вібрацію другого камертону, ми знову почуємо перший).
Якщо одночасно існують два складні звукові сигнали, що складаються з певних спектрів звукових частот, виникає ефект взаємної маскування. При цьому якщо основна енергія обох сигналів лежить в одній і тій же області діапазону звукових частот, то ефект маскування буде найбільш сильним. Так, при передачі оркестрового твору через маскування акомпанементом партія соліста може стати погано розбірливою, невиразною.
Досягнення чіткості чи, як кажуть, " прозорості " звучання при звукопередачі оркестрів чи естрадних ансамблів стає дуже важким, якщо інструмент чи окремі групи інструментів оркестру грають у одному чи близьких регістрах одночасно.
Режисер, здійснюючи запис оркестру, обов'язково враховує особливості маскування. На репетиціях він з допомогою диригента встановлює баланс між силою звучання інструментів однієї групи, і навіть між групами всього оркестру. Ясність основних мелодійних ліній та окремих музичних партій досягається у випадках близьким розташуванням мікрофонів до виконавців, навмисним виділенням звукорежисером найважливіших у цьому місці твори інструментів та інші спеціальними прийомами звукорежисури.
Яві маскування протистоїть психофізіологічна здатність органів слуху виділяти з загальної маси звуків один або кілька, що несуть найважливішу інформацію. Наприклад, при звучанні оркестру диригент зауважує найменші неточності у виконанні партії на будь-якому інструменті.
Маскування може суттєво впливати на якість передачі сигналу. Чітке сприйняття прийнятого звуку можливе в тому випадку, якщо його інтенсивність істотно перевищує рівень складових перешкод, що знаходяться в тій же смузі, що і звук, що приймається. При рівномірному перешкоді перевищення сигналу має бути 10-15 дБ. Ця особливість слухового сприйняття знаходить практичне застосування, наприклад, в оцінці електроакустичних характеристик носіїв. Так, якщо відношення сигнал-шум аналогової грамплатівки 60 дБ, динамічний діапазон записаної програми може бути не більше 45 - 48 дБ.
Тимчасові характеристики слухового сприйняття
Слуховий апарат, як і будь-яка інша коливальна система, є інерційним. При зникненні звуку слухове відчуття зникає відразу, поступово, зменшуючись до нуля. Час, протягом якого шум за рівнем гучності зменшується на 8-10 тло, називається постійною часу слуху. Ця постійна залежить від низки обставин, а також від параметрів звуку, що сприймається. Якщо до слухача приходять два короткі звукові імпульси, однакових пі частотному складу і рівню, але один з них запізнюється, то вони будуть сприйматися разом при запізнюванні, що не перевищує 50 мс. При великих інтервалах запізнення обидва імпульси сприймаються окремо, виникає луна.
Ця особливість слуху враховується при конструюванні деяких приладів обробки сигналів, наприклад, електронних ліній затримки, ревербератів та ін.
Слід зазначити, що завдяки особливій властивості слуху, відчуття гучності короткочасного звукового імпульсу залежить не тільки від його рівня, а й від тривалості впливу імпульсу на вухо. Так, короткочасний звук, що триває всього 10-12 мс, сприймається вухом тихіше, ніж звук такий самий за рівнем, але впливає на слух протягом, наприклад 150-400 мс. Тому при прослуховуванні передачі гучність є результатом усереднення енергії звукової хвилі протягом певного інтервалу. Крім того, слух людини має інерцію, зокрема, при сприйнятті нелінійних спотворень він не відчуває таких, якщо тривалість звукового імпульсу менше 10-20 мс. Саме тому в індикаторах рівня звукозаписної побутової радіоелектронної апаратури здійснюється усереднення миттєвих значень сигналу за проміжок, що вибирається відповідно до тимчасових характеристик органів слуху.
Просторове уявлення про звук
Однією з важливих здібностей людини є можливість визначати напрямок джерела звуку. Ця здатність називається бінауральним ефектом і пояснюється тим, що людина має два вуха. Дані експериментів показують, звідки надходить звук: один високочастотних тонів, інший низькочастотних.
До вуха, зверненого до джерела, звук проходить коротший за часом шлях, ніж до другого вуха. Внаслідок цього тиск звукових хвиль у вушних каналах відрізняється по фазі та амплітуді. Амплітудні відмінності значні лише на високих частотах, коли довжина звукової хвилі стає порівнянною із розмірами голови. Коли різниця в амплітудах перевищує граничне значення, що дорівнює 1 дБ, то здається, що джерело звуку знаходиться на тій стороні, де амплітуда більше. Кут відхилення джерела звуку від середньої лінії (лінії симетрії) приблизно пропорційний логарифму відношення амплітуд.
Для визначення напрямку джерела звуку із частотами нижче 1500-2000 Гц істотні фазові відмінності. Людині здається, що звук приходить з того боку, з якого хвиля, що випереджає фазою, досягає вуха. Кут відхилення звуку від середньої лінії пропорційний різниці часу приходу звукових хвиль до обох вух. Тренована людина може помітити різницю фаз при різниці в часі 100 мс.
Здатність визначати напрямок звуку у вертикальній площині розвинена значно слабше (приблизно в 10 разів). Цю особливість фізіології пов'язують із орієнтацією органів слуху у горизонтальній площині.
Специфічна особливість просторового сприйняття звуку людиною в тому, що органи слуху здатні відчувати сумарну, інтегральну локалізацію, створювану з допомогою штучних засобів впливу. Наприклад, у приміщенні фронтом з відривом 2-3 м друг від друга встановлено дві АС. На такій відстані від осі з'єднуючої системи строго по центру знаходиться слухач. У приміщенні через АС випромінюються два однакових по фазі, частоті та інтенсивності звуку. В результаті ідентичності звуків, що проходять в орган слуху, людина не може їх розділити, її відчуття дають уявлення про єдине, здавалося б (віртуальне) джерело звуку, яке знаходиться строго по центру на осі симетрії.
Якщо тепер зменшити гучність однієї АС, то джерело, що здається, переміститься в бік більш гучно працюючого гучномовця. Ілюзію переміщення джерела звуку можна отримати як зміною рівня сигналу, а й штучної затримкою одного звуку щодо іншого; в цьому випадку джерело, що здається, зміститься в бік АС, що випромінює сигнал з випередженням.
Для ілюстрації інтегральної локалізації наведемо приклад. Відстань між АС 2м; відстань від фронтальної лінії до слухача 2 м; щоб джерело хіба що змістився на 40 див вліво чи вправо, необхідно подати два сигналу з різницею за рівнем інтенсивності 5 дБ чи з тимчасовим запізненням в 0,3 мс. При різниці рівнів 10 дБ або затримці за часом 0,6 мс джерело "переміститься" на 70 см від центру.
Таким чином, якщо змінювати створюваний АС звуковий тиск, виникає ілюзія переміщення джерела звуку. Це називається сумарною локалізацією. Для створення сумарної локалізації використовується двоканальна стереофонічна система звукопередачі.
У первинному приміщенні встановлюються два мікрофони, кожен із яких працює на свій канал. У вторинному - два гучномовці. Мікрофони розташовуються на певній відстані один від одного по лінії, паралельній до розміщення випромінювача звуку. При переміщенні випромінювача звуку на мікрофон діятиме різний звуковий тиск і час приходу звукової хвилі буде різним через неоднакову відстань між випромінювачем звуху та мікрофонами. Ця різниця і створює у вторинному приміщенні ефект сумарної локалізації, в результаті чого джерело, що здається, локалізується в певній точці простору, що знаходиться між двома гучномовцями.
Слід сказати про біноуральну систему звукопередачі. При використанні цієї системи, званої системою "штучної голови", в первинному приміщенні розміщують два окремих мікрофони, розташовуючи їх на відстані один від одного, що дорівнює відстані між вухами людини. Кожен із мікрофонів має незалежний канал звукопередачі, на виході якого у вторинному приміщенні включені телефони для лівого та правого вуха. При ідентичності каналів звукопередачі така система точно передає бінауральний ефект, створюваний біля вух "штучної голови" у первинному приміщенні. Наявність головних телефонів та необхідність користування ними протягом тривалого часу є недоліком.
Орган слуху визначає відстань до джерела звуку за низкою непрямих ознак і з деякими похибками. Залежно від цього, мало чи велика відстань до джерела сигналу, суб'єктивна його оцінка змінюється під впливом різних чинників. Було встановлено, що й зумовлені відстані невеликі (до 3 м), їх суб'єктивна оцінка майже лінійно пов'язані з зміною гучності що переміщається глибиною джерела звуку. Додатковим фактором для складного сигналу є його тембр, який стає все більш "важким"" у міру наближення джерела до слухача. Це пов'язано з посиленням обертонів низького порівняно з обертонами високого регістру, викликаним підвищенням рівня гучності, що при цьому відбувається.
Для середніх відстаней 3-10 м. видалення джерела від слухача супроводжуватиметься пропорційним зменшенням гучності, причому ця зміна однаково ставитиметься до основної частоти і до гармонійних складових. В результаті відбувається відносне посилення високочастотної частини спектру та тембр стає яскравішим.
Зі зростанням відстані втрати енергії у повітрі зростатимуть пропорційно квадрату частоти. Збільшена втрата обертонів високого регістру призведе до зниження тембральної яскравості. Таким чином, суб'єктивна оцінка відстаней пов'язана зі зміною його гучності та тембру.
В умовах закритого приміщення сигнали перших відбитків, що запізнюються щодо прямого на 20-40 мс, сприймаються органом слуху як такі, що приходять з різних напрямків. Разом з цим все більше їх запізнення створює враження про значне видалення точок, від яких походять ці відбиття. Таким чином, за часом запізнення можна судити про відносну віддаленість вторинних джерел або, що ж, про розміри приміщення.
Деякі особливості суб'єктивного сприйняття стереофонічних передач.
Стереофонічна система звукопередачі має низку істотних особливостей порівняно із звичайною монофонічною.
Якість, що вирізняє стереофонічне звучання, об'ємність, тобто. Природну акустичну перспективу можна оцінити за допомогою деяких додаткових показників, що не мають сенсу при монофонічній техніці передачі звуку. До таких додаткових показників слід зарахувати: кут чутності, тобто. кут, під яким слухач сприймає звукову стереофонічну картину; стереофонічну роздільну здатність, тобто. що визначається суб'єктивно локалізацію окремих елементів звукового образу в певних точках простору в межах кута чутності; акустичну атмосферу, тобто. ефект виникнення у слухача відчуття присутності в первинному приміщенні, де відбувається звукова подія, що передається.
Про роль акустики приміщення
Яскравість звучання досягається не тільки за допомогою апаратури відтворення звуку. Навіть при досить хорошій апаратурі якість звучання може виявитися низьким, якщо приміщення, призначене для прослуховування, не має певних властивостей. Відомо, що в закритому приміщенні виникає явище носозвучання, яке називається реверберацією. Вплив на органи слуху, реверберація (залежно від її тривалості) може покращувати або погіршувати якість звучання.
Людина, що у приміщенні, сприймає як прямі звукові хвилі, створювані безпосередньо джерелом звуку, а й хвилі, відбиті стелею і стінами приміщення. Відбиті хвилі чути ще деякий час після припинення дії джерела звуку.
Іноді вважають, що відбиті сигнали грають лише негативну роль, створюючи перешкоди сприйняттю основного сигналу. Однак таке уявлення неправильне. Певна частина енергії початкових відбитих ехосигналів, досягаючи вух людини з малими затримками, посилює основний сигнал та збагачує його звучання. Навпаки, пізніші відбиті ехосигнали. час затримки яких перевищує деяке критичне значення, утворюють звукове тло, що ускладнює сприйняття основного сигналу.
Приміщення прослуховування не повинно мати багато часу реверберації. Житлові кімнати, як правило, мають мале воювання реверберації в силу обмеженості своїх розмірів та наявності звукопоглинаючих поверхонь, м'яких меблів, килимів, фіранок тощо.
Різні за характером і властивостями перешкоди характеризуються коефіцієнтом поглинання звуку, який є відношенням поглиненої енергії до повної енергії падаючої звукової хвилі.
Для підвищення звукопоглинаючих властивостей килима (і зниження шумів у житловому приміщенні) килим бажано вішати не впритул до стіни, а із зазором 30-50 мм.
Людина – це справді найрозумніша з тварин, що населяють планету. Однак наш розум нерідко позбавляє нас переваги в таких здібностях, як сприйняття оточуючого через нюх, слух та інші сенсорні відчуття.
Так, більшість тварин набагато випереджають нас, якщо йдеться про слуховий діапазон. Діапазон слуху людини – це низка частот, які може сприймати людське вухо. Спробуємо зрозуміти, як працює вухо людини щодо сприйняття звуку.
Діапазон слуху людини у нормальних умовах
У середньому людське вухо може вловлювати та розрізняти звукові хвилі в діапазоні від 20 Гц до 20 кГц (20000 Гц). Однак у міру старіння слуховий діапазон людини зменшується, зокрема знижується його верхня межа. У людей похилого віку вона зазвичай набагато нижча, ніж у молодих, при цьому максимально високими слуховими здібностями володіють немовлята і діти. Слухова сприйняття високих частот починає погіршуватися з восьмирічного віку.
Людський слух у ідеальних умовах
У лабораторії діапазон слуху людини визначається за допомогою аудіометра, що випускає звукові хвилі різної частоти, та налаштованих відповідним чином навушників. У таких ідеальних умовах людське вухо може розпізнавати частоти від 12 Гц до 20 кГц.
Діапазон слуху у чоловіків та жінок
Між слуховим діапазоном чоловіків та жінок існує значна різниця. Виявлено, що жінки, порівняно з чоловіками, більш чутливі до високих частот. Сприйняття низьких частот перебуває у чоловіків та жінок на більш менш однаковому рівні.
Різні шкали для вказівки діапазону слуху
Хоча частотна шкала є найбільш поширеною шкалою для вимірювання діапазону слуху людини, його також нерідко вимірюють у паскалях (Па) та децибелах (дБ). Проте вимір у паскалях вважається незручним, оскільки ця одиниця передбачає роботу з дуже великими цифрами. Один мкПа - це відстань, що долається звуковою хвилею під час коливання, яка дорівнює одній десятій діаметра атома водню. Звукові хвилі в людському вусі долають набагато більшу відстань, що робить вказівку діапазону слуху людини в паскалях скрутним.
Найм'якший звук, який може бути розпізнаний вухом людини, дорівнює приблизно 20 мкПа. Шкала децибел більш проста у використанні, оскільки вона є логарифмічною шкалою, яка безпосередньо посилається на шкалу Па. Вона приймає 0 дБ (20 мкПа) як точку відліку і далі продовжує стискати цю шкалу тиску. Таким чином, 20 мільйонів мкПа дорівнюють всього 120 дБ. Так виходить, що діапазон людського вуха становить 0-120 дБ.
Слуховий діапазон значно відрізняється від людини до людини. Тому для виявлення втрати слуху найкраще вимірювати діапазон чутних звуків по відношенню до опорної шкали, а не до звичайної стандартизованої шкали. Тести можуть проводитися за допомогою складних інструментів для діагностики слуху, які дозволяють точно визначати міру та діагностувати причини втрати слуху.
Являє собою складний спеціалізований орган, що складається з трьох відділів: зовнішнього, середнього та внутрішнього вуха.
Зовнішнє вухо є звукоуловлюючим апаратом. Звукові коливання уловлюються вушними раковинами і передаються по зовнішньому слуховому проходу до барабанної перетинки, яка відокремлює зовнішнє вухо від середнього. Уловлювання звуку і весь процес слухання двома вухами, так званий бініуральний слух, мають значення визначення напряму звуку. Звукові коливання, що йдуть збоку, сягають найближчого вуха на кілька десяткових часток секунди (0,0006 с) раніше, ніж до іншого. Цієї гранично малої різниці в часі приходу звуку до обох вух достатньо, щоб визначити його напрямок.
Середнє вухо є повітряною порожниною, яка через євстахієву трубу з'єднується з порожниною носоглотки. Коливання від барабанної перетинки через середнє вухо передають 3 слухові кісточки, з'єднані один з одним, - молоточок, ковадло і стремечко, а останнє через перетинку овального вікна передає ці коливання рідини, що знаходиться у внутрішньому вусі - перилимфе. Завдяки слуховим кісточкам амплітуда коливань зменшується, а сила їх збільшується, що дозволяє рухати стовп рідини у внутрішньому вусі. У середньому вусі є особливий механізм адаптації змін інтенсивності звуку. При сильних звуках спеціальні м'язи збільшують натяг барабанної перетинки та зменшують рухливість стремінця. Тим самим знижується амплітуда коливань, і внутрішнє вухо захищається від ушкоджень.
Внутрішнє вухо з розташованим у ньому равликом знаходиться в пірамідці скроневої кістки. Равлик у людини утворює 2,5 спіральних виток. Равликовий канал розділений двома перегородками (основною мембраною та вестибулярною мембраною) на 3 вузькі ходи: верхній (вестибулярні сходи), середній (перетинковий канал) і нижній (барабанні сходи). На вершині равлика є отвір, що з'єднує верхній і нижній канали в єдиний, що йде від овального вікна до вершини равлика і далі до круглого вікна. Порожнина заповнена рідиною - перилимфой, а порожнину середнього перетинчастого каналу заповнена рідиною іншого складу - ендолімфою. У середньому каналі розташований звукосприймаючий апарат – кортієвий орган, в якому знаходяться рецептори звукових коливань – волоскові клітини.
Механізм сприйняття звуку. Фізіологічний механізм сприйняття звуку заснований на двох процесах, що відбуваються в равлику: 1) поділ звуків різної частоти за місцем їх найбільшого впливу на основну мембрану равлика та 2) перетворення рецепторними клітинами механічних коливань на нервове збудження. Звукові коливання, що надходять у внутрішнє вухо через овальне вікно, передаються перилимфе, а коливання цієї рідини призводять до усунення основної мембрани. Від висоти звуку залежить висота стовпа рідини, що коливається і, відповідно, місце найбільшого зміщення основної мембрани. Таким чином, при різних за висотою звуках збуджуються різні волоскові клітини та різні нервові волокна. Збільшення сили звуку призводить до збільшення числа збуджених волоскових клітин та нервових волокон, що дозволяє розрізняти інтенсивність звукових коливань.
Перетворення коливань на процес збудження здійснюється спеціальними рецепторами - волосковими клітинами. Волоски цих клітин занурені в покривну мембрану. Механічні коливання при дії звуку призводять до зміщення покривної мембрани щодо рецепторних клітин та згинання волосків. У рецепторних клітинах механічне усунення волосків викликає процес збуджень.
Провідність звуку. Розрізняють повітряну та кісткову провідність. У звичайних умовах у людини переважає повітряна провідність: звукові хвилі вловлюються зовнішнім вухом, і повітряні коливання передаються через зовнішній слуховий прохід у середнє та внутрішнє вухо. У разі кісткової провідності звукові коливання передаються через кістки черепа безпосередньо равлику. Цей механізм передачі звукових коливань має значення при занурення людини під воду.
Людина зазвичай сприймає звуки із частотою від 15 до 20 000 Гц (в діапазоні 10-11 октав). У дітей верхня межа досягає 22 000 Гц, з віком вона знижується. Найбільш висока чутливість виявлено в області частот від 1000 до 3000 Гц. Ця область відповідає частотам людської мови і музики, що найчастіше зустрічаються.
Звук як сигнал має нескінченну кількість коливань і може переносити таку ж нескінченну кількість інформації. Ступінь сприйняття її буде різною залежно від фізіологічної можливості вуха, у разі виключаючи психологічні чинники. Залежно від роду шуму, його частоти та тиску, людина відчуває на собі її вплив.
Порог чутливості вуха людини у децибелах
Людина приймає частоту звуку від 16 до 20000 Гц. Вушні перетинки чутливі до тиску звукових коливань, рівень яких вимірюють децибелах (дБ). Оптимальний рівень від 35 до 60 дБ, шум у 60-70 дБ покращує розумову роботу, більше 80 дБ, навпаки, послаблює увагу та погіршує процес мислення, а тривале сприйняття звуку більше 80 дБ може спровокувати втрату слуху.
Частота до 10-15 Гц - це інфразвук, що не сприймається органом слуху, що викликає резонансні коливання. Здатність керувати коливаннями, які створює звук – найпотужніша зброя масового ураження. Нечутний вухом інфразвук здатний долати великі відстані, передаючи накази, які змушують людей діяти за певним сценарієм, викликають паніку і жах, змушують забувати про все, що не має відношення до бажання сховатися, врятуватися від цього страху. А при певному співвідношенні частоти і тиску звуку такий апарат здатний не тільки придушувати волю, а й вбивати, травмуючи тканини людини.
Поріг абсолютної чутливості вуха людини у децибелах
Діапазон від 7 до 13 Гц випромінюють стихійні лиха: вулкани, землетруси, тайфуни та викликають почуття паніки та жаху. Так як людське тіло так само має частоту коливань, яка становить від 8 до 15 Гц, за допомогою такого інфразвуку нічого не варто створити резонанс і збільшити амплітуду в десятки разів, щоб довести людину до самогубства або зашкодити внутрішнім органам.
При низьких частотах і високому тиску з'являється нудота та шлунковий біль, який швидко переходить у серйозні порушення шлунково-кишкового тракту, а збільшення тиску до 150дБ призводить до фізичних ушкоджень. Резонанси внутрішніх органів на низьких частотах викликають кровотечу та спазми, при середніх частотах – нервове збудження та травмування внутрішніх органів, при високих – до 30Гц- опік тканин.
У сучасному світі активно йде розробка звукової зброї і, мабуть, не дарма німецький мікробіолог Роберт Кох передбачав те, що від шуму треба буде шукати щеплення як від чуми чи холери.
Ми часто оцінюємо якість звуку. При виборі мікрофона, програми для обробки звуку або формату запису звукового файлу одне з найважливіших питань – наскільки добре це звучатиме. Але існують різницю між характеристиками звуку, які можна виміряти і тими, які можна почути.
Тон, тембр, октава.
Мозок сприймає звуки певних частот. Це з особливостями механізму внутрішнього вуха . Рецептори, розташовані на основний мембрані внутрішнього вуха, перетворюють звукові коливання в електричні потенціали, що збуджують волокна слухового нерва. Волокна слухового нерва мають частотну вибірковість, обумовлену збудженням клітин кортієва органу, що у різних місцях основний мембрани: високі частоти сприймаються поблизу овального вікна, низькі – біля вершини спіралі.
З фізичною характеристикою звуку, частотою, тісно пов'язана висота тону, що відчувається нами. Частота вимірюється як кількість повних циклів синусоїдальної хвилі за секунду (герц, Гц). Це визначення частоти полягає в тому, що з синусоїдальної хвилі форма коливань хвиль точно зберігається. У реальному житті дуже небагато звуків мають таку властивість. Однак будь-який звук можна уявити набором синусоїдальних коливань. Такий набір ми зазвичай називаємо тоном. Тобто, тон – це сигнал певної висоти, що має дискретний спектр (музичні звуки, голосні звуки мови), у якому виділяється частота синусоїдальної хвилі, що має в цьому наборі максимальну амплітуду. Сигнал, що має широкий безперервний спектр, всі частотні складові якого мають однакову середню інтенсивність, називають білим шумом.
Поступове збільшення частоти звукових коливань сприймається як поступова зміна тону від найнижчого (басового) до найвищого.
Ступінь точності, з якою людина визначає висоту звуку на слух, залежить від гостроти та тренування його слуху. Вухо людини добре розрізняє два близькі за висотою тони. Наприклад, в області частот приблизно 2000 Гц людина може розрізняти два тони, які відрізняються один від одного за частотою 3-6 Гц або навіть менше.
Спектр частот музичного інструменту чи голосу містить послідовність рівномірно розташованих піків - гармонік. Вони відповідають частотам, кратним деякою базовою частотою, найінтенсивнішою зі складових звук синусоїдальних хвиль.
Особливий звук (тембр) музичного інструменту (голосу) пов'язані з відносної амплітудою різних гармонік, а висота тону, що сприймається людиною, найбільш точно передає базова частота. Тембр, будучи суб'єктивним відображенням звуку, що сприймається, не має кількісної оцінки і характеризується тільки якісно.
У «чистому» тоні є лише одна частота. Зазвичай сприймається звук складається з частоти основного тону і кількох " " домішкових " частот, званих обертонами. Обертони кратні частоті основного тону і від його амплітуді. Від розподілу інтенсивності по обертонам залежить тембр звуку. Більш складним виявляється спектр поєднання музичних звуків, званий акордом .У такому спектрі присутні кілька основних частот разом із супутніми обертонами.
Якщо частота одного звуку рівно вдвічі перевищує частоту іншого, звукова хвиля вкладається одна в іншу. Частотна відстань між такими звуками називається октавою. Діапазон частот, що сприймаються людиною, 16-20 000 Гц, охоплює приблизно десять-одинадцять октав.
Амплітуда звукових коливань та гучність.
Чутну частину діапазону звуків поділяють на низькочастотні звуки – до 500 Гц, середньочастотні – 500-10000 Гц та високочастотні – понад 10000 герц. Найбільш чутливим є вухо до порівняно вузького діапазону середньочастотних звуків від 1000 до 4000 Гц. Тобто звуки однакової сили в середньочастотному діапазоні можуть сприйматися як гучні, а в низькочастотному або високочастотному - як тихі або зовсім не чути. Така особливість сприйняття звуку пов'язані з тим, що звукова інформація, необхідна існування людини – мова чи звуки природи – передається, переважно, в среднечастотном діапазоні. Отже, гучність – це фізичний параметр, а інтенсивність слухового відчуття, суб'єктивна характеристика звуку, що з особливостями нашого сприйняття.
Слуховий аналізатор сприймає підвищення амплітуди звукової хвилі рахунок збільшення амплітуди вібрації основний мембрани внутрішнього вуха і стимуляції все більшого числа волоскових клітин із передачею електричних імпульсів із більшою частотою і з більшому числу нервових волокон.
Наше вухо може розрізняти інтенсивність звуку в діапазоні від найслабшого шепоту до найгучнішого шуму, що приблизно відповідає збільшенню амплітуди руху основної мембрани в 1 млн. разів. Однак вухо інтерпретує цю величезну різницю у амплітуді звуку приблизно як 10000-кратна зміна. Тобто, шкала інтенсивності сильно «стиснута» механізмом сприйняття звуку слухового аналізатора. Це дозволяє людині інтерпретувати відмінності інтенсивності звуку в надзвичайно широкому діапазоні.
Інтенсивність звуку вимірюється в децибелах (дБ) (1 біл дорівнює десятикратному збільшенню амплітуди). Цю систему застосовують визначення зміни гучності.
Для порівняння можна навести приблизний рівень інтенсивності різних звуків: чутний звук (поріг чутності) 0 дБ; шепіт біля вуха 25-30 дБ; мова середньої гучності 60-70 дБ; дуже гучне мовлення (крик) 90 дБ; на концертах рок та поп музики у центрі залу 105-110 дБ; поряд з авіалайнером, що злітає, 120 дБ.
Величина збільшення гучності сприйманого звуку має поріг розрізнення. Число градацій гучності, що розрізняється на середніх частотах, не перевищує 250, на низьких і високих частотах різко зменшується і в середньому становить близько 150.
