Восприятие звука человеческим ухом. Информация частоты Частотный диапазон человеческого голоса в музыкальной терминологии
Восприятие звуков человеком
1. Особенности восприятия звуков ухом человека
Все программы, передаваемые по системам вещания, связи и звукозаписи предназначены для восприятия информации человеком. Поэтому требования к основным характеристикам этих систем не могут быть обоснованно сформулированы без точных сведений о свойствах слуха. Любое совершенствование системы, которое не будет ощущаться на слух, будет приводить к бессмысленной потере средств и времени. Следовательно, специалист, занимающийся разработкой или эксплуатацией систем звукозаписи и воспроизведения, должен знать основные особенности восприятия звуков ухом человека.
Орган слуха человека расположен в толще височных костей и делится на наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К наружному уху относят ушную раковину и слуховой проход, слепо заканчивающийся барабанной перепонкой. Слуховой проход имеет слабо выраженный резонанс на частоте около 3 кГц и усиление на частоте резонанса ~ 3. Барабанная перепонка образована упругой соединительной тканью, которая колеблется под действием звуковых волн. За барабанной перепонкой находится среднее ухо, в состав которого входят: барабанная полость, заполненная воздухом; слуховые косточки и слуховая (евстахиева) труба, которая соединяет полость среднего уха с полостью глотки. Слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя – образуют рычажную систему, которая передаёт колебания барабанной перепонки мембране овального окна, разделяющей среднее и внутреннее ухо. Эта рычажная система трансформирует колебания барабанной перепонки с большой амплитудой скорости и небольшой амплитудой давления в колебания мембраны с малой амплитудой скорости и большой амплитудой давления. Коэффициент трансформации этой системы около 50 – 60. Барабанная полость имеет слабо выраженный резонанс на частоте ~ 1200 Гц. За мембраной овального отверстия находится внутреннее ухо, состоящее из преддверия, трех полукружных каналов и улитки, заполненных жидкостью. Полукружные каналы входят в состав органа равновесия, а улитка – в состав органа слуха. Улитка представляет собой канал длинной ~32 мм, свернутый спиралью. Канал разделен по всей длине двумя перегородками: рейснеровой мембраной и базилярной (основной) мембраной (см. рис. 1).
| По а - а |
| L" 2 |
Рисунок 2. Эквивалентная электрическая схема слухового анализатора.
Эквивалентная схема содержит ~ 140 параллельных звеньев – резонаторов, моделирующих волокна базилярной мембраны, включенные последовательно индуктивности L" i эквивалентны массе лимфы, ток в резонаторах пропорционален скорости колебаний волокон. Избирательность резонаторов невелика.
Так, для частоты 250 Гц полоса пропускания резонатора равна ~ 35 Гц (Q = 7), для частоты 1000 Гц – 50 Гц (Q = 20) и для частоты 4000 Гц – 200 Гц (Q = 20). Эти полосы пропускания характеризуют т.н. критические полоски слуха. Понятие о критических полосках слуха используется при расчете разборчивости речи и т.п.
Поскольку с одним нервным волокном связано несколько волосковых клеток, то человек может запомнить во всём частотном диапазоне не более 250 градаций, С уменьшением интенсивности звука это число уменьшается и, в среднем, составляет 150 градаций.
Соседние значения частоты отличаются не менее чем на 4 %. Что примерно совпадает с шириной критических полосок слуха (По этой причине кинофильмы, снятые со скоростью 24 кадра в секунду, можно демонстрировать по телевидению со скоростью -25 кадров в секунду. Даже искушенные музыканты не замечают разницы в звучании).
Однако, при одновременном присутствии двух колебаний ухо обнаруживает разницу в частотах ~ 0.5 Гц благодаря появлению биений.
Частота звуковых колебаний вызывает ощущение такого качества звука, которое называют высотой тона. Постепенное повышение частоты колебаний вызывает ощущение изменения тона от низкого (басового) до высокого. Высота тона описывается музыкальной нотной шкалой, однозначно связанной со шкалой частот.
Интервал между двумя частотами определяет величину изменения высоты тона. Основной единицей изменения высоты тона является октава. Одной октаве соответствует изменение частоты в два раза: 1 октава
. Число октав, на которое изменился тон можно определить так: . Октава – крупный интервал высоты тона, поэтому используют более мелкие интервалы: терции, полутоны, центы. октава = 3 терции = 12 полутонов = 1200 центов. Отношение частот: в терции - 1.26, для полутона – 1.06, для цента – 1.0006.Представляет собой сложный специализированный орган, состоящий из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего уха.
Наружное ухо является звукоулавливающим аппаратом. Звуковые колебания улавливаются ушными раковинами и передаются по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от среднего. Улавливание звука и весь процесс слушания двумя ушами, так называемый биниуральный слух, имеют значение для определения направления звука. Звуковые колебания, идущие сбоку, доходят до ближайшего уха на несколько десятичных долей секунды (0,0006 с) раньше, чем до другого. Этой предельно малой разницы во времени прихода звука к обоим ушам достаточно, чтобы определить его направление.
Среднее ухо представляет собой воздушную полость, которая через евстахиеву трубу соединяется с полостью носоглотки. Колебания от барабанной перепонки через среднее ухо передают 3 слуховые косточки, соединенные друг с другом, - молоточек, наковальня и стремечко, а последнее через перепонку овального окна передает эти колебания жидкости, находящейся во внутреннем ухе - перилимфе. Благодаря слуховым косточкам амплитуда колебаний уменьшается, а сила их увеличивается, что позволяет приводить в движение столб жидкости во внутреннем ухе. В среднем ухе имеется особый механизм адаптации к изменениям интенсивности звука. При сильных звуках специальные мышцы увеличивают натяжение барабанной перепонки и уменьшают подвижность стремечка. Тем самым снижается амплитуда колебаний, и внутреннее ухо предохраняется от повреждений.
Внутреннее ухо с расположенной в нем улиткой находится в пирамидке височной кости. Улитка у человека образует 2,5 спиральных витка. Улитковый канал разделен двумя перегородками (основной мембраной и вестибулярной мембраной) на 3 узких хода: верхний (вестибулярная лестница), средний (перепончатый канал) и нижний (барабанная лестница). На вершине улитки имеется отверстие, соединяющее верхний и нижний каналы в единый, идущий от овального окна к вершине улитки и далее к круглому окну. Полость их заполнена жидкостью - перилимфой, а полость среднего перепончатого канала заполнена жидкостью иного состава - эндолимфой. В среднем канале расположен звуковоспринимающий аппарат - кортиев орган, в котором находятся рецепторы звуковых колебаний - волосковые клетки.
Механизм восприятия звука. Физиологический механизм восприятия звука основан на двух процессах, происходящих в улитке: 1) разделение звуков различной частоты по месту их наибольшего воздействия на основную мембрану улитки и 2) преобразование рецепторными клетками механических колебаний в нервное возбуждение. Звуковые колебания, поступающие во внутреннее ухо через овальное окно, передаются перилимфе, а колебания этой жидкости приводят к смещениям основной мембраны. От высоты звука зависит высота столба колеблющейся жидкости и, соответственно, место наибольшего смещения основной мембраны. Таким образом, при различных по высоте звуках возбуждаются разные волосковые клетки и разные нервные волокна. Увеличение силы звука приводит к увеличению числа возбужденных волосковых клеток и нервных волокон, что позволяет различать интенсивность звуковых колебаний.
Преобразование колебаний в процесс возбуждения осуществляется специальными рецепторами - волосковыми клетками. Волоски этих клеток погружены в покровную мембрану. Механические колебания при действии звука приводят к смещению покровной мембраны относительно рецепторных клеток и изгибанию волосков. В рецепторных клетках механическое смещение волосков вызывает процесс возбуждений.
Проводимость звука. Различают воздушную и костную проводимость. В обычных условиях у человека преобладает воздушная проводимость: звуковые волны улавливаются наружным ухом, и воздушные колебания передаются через наружный слуховой проход в среднее и внутреннее ухо. В случае костной проводимости звуковые колебания передаются через кости черепа непосредственно улитке. Этот механизм передачи звуковых колебаний имеет значение при погружениях человека под воду.
Человек обычно воспринимает звуки с частотой от 15 до 20 000 Гц (в диапазоне 10-11 октав). У детей верхний предел достигает 22 000 Гц, с возрастом он понижается. Наиболее высокая чувствительность обнаружена в области частот от 1000 до 3000 Гц. Эта область соответствует наиболее часто встречающимся частотам человеческой речи и музыки.
Понятие звука и шума. Сила звука.
Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Частотой звука называется количество колебаний воздуха в секунду. Частота измеряется в Герцах (Гц).
Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты. Звук частотой ниже 16 – 20 Гц (диапазона слышимости человека) называют инфразвуком; от 15 – 20 кГц до 1 ГГц, – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Среди слышимых звуков можно выделить фонетические (речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.
Шум является разновидностью звука, он воспринимается людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор, создающие акустический дискомфорт.
Для количественной оценки звука используют усредненные параметры, определяемые на основании статистических законов. Сила звука - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Она зависит от длины волны. Единица измерения силы звука - бел (Б) . Уровень звука чаще всего измеряют в децибелах (это 0,1Б). Человек на слух может обнаружить разницу в уровне громкости приблизительно в 1 дБ.
Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом, была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд». Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука.
Звуки различной силы оказывают на организм человека различные воздействия. Так звук силой до 40 дБ оказывает успокаивающее действие. От воздействия звука 60-90 дБ возникает чувство раздражения, утомляемость, головная боль. Звук силой 95-110 дБ вызывает постепенно ослабление слуха, нервно-психический стресс, различные заболевания. Звук от 114 дБ вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного опьянения, нарушает сон, разрушает психику, приводит к глухоте.
В России действуют санитарные нормы допустимого уровня шума, где для различных территорий и условий нахождения человека даны предельные значения уровня шума:
· на территории мкр-она 45-55 дБ;
· в школьных классах 40-45 дБ;
· больницы 35-40 дБ;
· в промышленности 65-70 дБ.
В ночное время (23:00-7:00) уровни шума должны быть на 10 дБ меньше.
Примеры силы звука в децибелах:
· Шорох листьев: 10
· Жилое помещение: 40
· Разговор: 40–45
· Офис: 50–60
· Шум в магазине: 60
· Телевизор, крик, смех на расстоянии 1 м: 70–75
· Улица: 70–80
· Фабрика (тяжелая промышленность): 70–110
· Цепная пила: 100
· Старт реактивного самолёта: 120–130
· Шум на дискотеке: 175
Восприятие звуков человеком
Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.
У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.
Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.
Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.
Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.
Влияние шума на человека
Сложно переоценить воздействие шума на состояние здоровья людей. Шум относится к тем факторам, к которым нельзя привыкнуть. Человеку лишь кажется, что он привык к шуму, но акустическое загрязнение, действуя постоянно, разрушает здоровье человека. Шум вызывает резонанс внутренних органов, постепенно изнашивая их незаметно для нас. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.
Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. В первую очередь от шума страдают нервная, сердечно-сосудистая системы и органы пищеварения. Существует зависимость между заболеваемостью и длительностью проживания в условиях акустического загрязнения. Рост болезней наблюдается после проживания в течение 8-10 лет при воздействии шума с интенсивностью выше 70 дБ.
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Регулярное и длительное воздействие производственного шума в 85-90 дБ приводит к появлению тугоухости (постепенной потере слуха). Если сила звука выше 80 дБ, появляется опасность потери чувствительности находящихся в среднем ухе ворсинок – отростков слуховых нервов. Отмирание половины из них еще не ведет к ощутимой потере слуха. А если погибает больше половины - человек погрузится в мир, в котором не слышно шелеста деревьев, жужжания пчел. С потерей всех тридцати тысяч слуховых ворсинок человек попадает в мир безмолвия.
Шум обладает аккумулятивным эффектом, т.е. акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма. Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях. Поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшаются настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха , а при высокой интенсивности - чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. В Великобритании, например, один из четырёх мужчин и одна из трёх женщин больны неврозами из-за высокого уровня шума.
Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы. Изменения, происходящие в сердечнососудистой системе человека под воздействием шума, имеют следующие симптомы: болевые ощущения в области сердца, сердцебиение, неустойчивость пульса и артериального давления, иногда наблюдается наклонность к спазмам капилляров конечностей и глазного дна. Функциональные сдвиги, возникающие в системе кровообращения под влиянием интенсивного шума, со временем могут привести к стойким изменениям сосудистого тонуса, способствующим развитию гипертонической болезни.
Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови). Шум оказывает вредное влияние на зрительные и вестибулярные анализаторы, снижает рефлекторную деятельность , что часто становится причиной несчастных случаев и травм. Чем выше интенсивность шума, тем хуже человек видит и реагирует на происходящее.
Шум также влияет на способность к интеллектуальной и учебной деятельности. Например, на успеваемость учеников. В 1992 году в Мюнхене аэропорт перенесли в другую часть города. И выяснилось, что проживавшие рядом со старым аэропортом ученики, которые до его закрытия демонстрировали плохие показатели по чтению и запоминанию информации, в тишине стали показывать намного лучшие результаты. Зато в школах того района, куда аэропорт перенесли, успеваемость, наоборот, ухудшилась, а дети получили новое оправдание для плохих оценок.
Исследователи установили, что шум может разрушать растительные клетки. Например, эксперименты показали, что растения, подверженные обстрелу звуками, засыхают и гибнут. Причиной гибели является чрезмерное выделение влаги через листья: когда уровень шума превышает определённый предел, цветы буквально исходят слезами. Пчела теряет способность ориентироваться и перестаёт работать при шуме реактивного самолёта.
Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания. У 20 процентов юношей и девушек, часто слушающих модную современную музыку, слух оказался притупленным в такой степени, как у 85 летних стариков. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Ухудшение слуха из-за шума относится к неизлечимым заболеваниям. Восстановить поврежденный нерв хирургическим путем практически невозможно.
Негативно влияют на нас не только те звуки, которые мы слышим, но и те, которые находятся за пределами диапазона слышимости: прежде всего – инфразвук. Инфразвук в природе возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. В городе источники инфразвука - тяжелые станки, вентиляторы и любое оборудование, которое вибрирует. Инфразвук с уровнем до 145 дБ вызывает физическое напряжение, переутомление, головные боли, нарушения работы вестибулярного аппарата. Если инфразвук более сильный и длительный, то человек может ощущать вибрации в грудной клетке, сухость во рту, нарушения зрения, головную боль и головокружение.
Опасность инфразвука в том, что от него сложно защититься: в отличие от обычного шума, он практически не поддается поглощению и распространяется намного дальше. Для его подавления необходимо снизить звук в самом источнике с помощью специального оборудования: глушителей реактивного типа.
Полная тишина также оказывает вред на организм человека. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность.
Конкретным примером воздействия шума на живые организмы, можно считать следующее событие. Тысячи не вылупившихся птенцов погибли в результате дноуглубительных работ, ведущихся немецкой компанией «Мебиус» по распоряжению Минтранса Украины. Шум от работающей техники разносился на 5-7км, оказывая негативное влияние на прилегающие территории Дунайского биосферного заповедника. Представители Дунайского биосферного заповедника и еще 3 организаций вынуждены были с болью констатировать гибель всей колонии пестроносой крачки и речной крачки, которые располагались на косе Птичья. Дельфины и киты выбрасываются на берег из-за сильных звуков военных гидролокаторов.
Источники шума в городе
Самое вредное воздействие оказывают звуки на человека в больших городах. Но даже в загородных поселках можно страдать от шумового загрязнения, вызванного работающими техническими приспособлениями у соседей: газонокосилкой, токарным станком или музыкальным центром. Шум от них может превышать предельно допустимые нормы. И все же основное загрязнение шумовое происходит в городе. Источником его в большинстве случаев являются транспортные средства. Самая большая интенсивность звуков исходит от автомагистралей, метро и трамваев.
Автотранспорт . Наибольшие уровни шума отмечаются на магистральных улицах городов. Средняя интенсивность движения достигает 2000-3000 транспортных единиц в час и больше, а максимальные уровни шума – 90-95 дБ.
Уровень уличных шумов определяется интенсивностью, скоростью и составом транспортного потока. Кроме того, уровень уличных шумов зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума до 10 дБ.
В промышленном городе обычен высокий процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение, в общем потоке автотранспорта, грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к росту уровней шума. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но вглубь жилой застройки.
Рельсовый транспорт. Повышение скорости движения поездов также приводит к значительному росту уровня шума в жилых зонах, расположенных вдоль железнодорожных путей или близ сортировочных станций. Максимальный уровень звукового давления на расстоянии 7,5 м от движущегося электропоезда достигает 93 дБ, от пассажирского – 91, от товарного состава –92 дБ.
Шум, возникающий при прохождении электропоездов, легко распространяется на открытой территории. Наиболее значительно звуковая энергия снижается на расстоянии первых 100 м от источника (в среднем на 10 дБ). На расстоянии 100-200 снижение шума равно 8 дБ, а расстоянии от 200 до 300 всего на 2-3 дБ. Основной источник железнодорожного шума – удары вагонов при движении на стыках и неровностях рельсов.
Из всех видов городского транспорта наиболее шумный трамвай . Стальные колёса трамвая при движении по рельсам создают уровень шума на 10 дБ выше, чем колёса автомобилей при соприкосновении с асфальтом. Трамвай создаёт шумовые нагрузки при работе двигателя, открывании дверей, подаче звуковых сигналов. Высокий уровень шума от движения трамвая – одна из основных причин сокращения трамвайных линий в городах. Однако трамвай обладает и целым рядом преимуществ, поэтому при снижении создаваемого им шума он может выиграть в соревновании с другими видами транспорта.
Большое значение имеет скоростной трамвай. Он может с успехом использоваться как основной вид транспорта в малых и средних городах, а в крупных – как городской, пригородный и даже как междугородный, для связи с новыми жилыми массивами, промышленными зонами, аэропортами.
Воздушный транспорт. Значительный удельный вес в шумовом режиме многих городов занимает воздушный транспорт. Нередко аэропорты гражданской авиации оказываются расположенными в непосредственной близости от жилой застройки, а воздушные трассы проходят над многочисленными населёнными пунктами. Уровень шума зависит от направления взлётно-посадочных полос и трасс пролётов самолётов, интенсивности полётов в течение суток, сезонов года, от типов самолётов, базирующихся на данном аэродроме. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов эквивалентные уровни звука на жилой территории достигают в дневное время 80 дБ, в ночное – 78 дБ, максимальные уровни шума колеблются от 92 до 108 дБ.
Промышленные предприятия. Источником большого шума в жилых кварталах городов являются промышленные предприятия. Нарушение акустического режима отмечается в тех случаях, когда их территория непосредственно к жилым массивам. Изучение промышленного шума показало, что по характеру звучания он постоянный и широкополосный, т.е. звук различных тонов. Наиболее значительные уровни наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне наибольшей чувствительности органа слуха. В производственных цехах устанавливается большое количество разнотипного технологического оборудования. Так, ткацкие цехи могут быть охарактеризованы уровнем звука 90-95 дБ А, механические и инструментальные - 85-92, кузнечнопрессовые – 95-105, машинные залы компрессорных станций – 95-100 дБ.
Домашняя техника. С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.
В механизме восприятия звуков принимают участие различные структуры: звуковые волны, представляющие собой вибрацию молекул воздуха, распространяются от источника звука, улавливаются внешним, усиливаются средним и трансформируются внутренним ухом в нервные импульсы, поступающие в головной мозг .
Звуковые волны улавливаются ушной раковиной и по внешнему слуховому каналу достигают барабанной перепонки - мембраны, отделяющей внешнее ухо от среднего. Вибрации барабанной перепонки передаются косточкам среднего уха, которые сообщают их овальному окну, чтобы вибрации достигли внутреннего уха, наполненного жидкостью. Вибрируя, овальное окно генерирует движение перилимфы, в которой возникает особый вид «волны», пересекающей всю улитку сначала по лестнице преддверия, а затем по барабанной, пока не достигнет округлого окна, в котором «волна» затихает. Из-за колебаний перилимфы происходит стимуляция кортиевого органа, расположенного в улитке, который обрабатывает движения перилимфы и на их основе генерирует нервные импульсы, передающиеся в мозг по слуховому нерву.
Передвижение перилимфы заставляет вибрировать основную мембрану, составляющую поверхность завитка, где расположен кортиев орган. Когда сенсорные клетки перемещаются за счет вибраций, маленькие реснички на их поверхности задевают покровную мембрану и производят метаболические изменения, которые трансформируют механические стимулы в нервные, передающиеся по нерву улитки и достигающие слухового нерва, откуда поступают в мозг, где распознаются и осознаются как звуки.
ФУНКЦИИ КОСТОЧЕК СРЕДНЕГО УХА.
Когда барабанная перепонка вибрирует, двигаются и косточки среднего уха: каждая вибрация вызывает сдвиг молоточка, который приводит в движение наковальню, передающую движение стремечку, далее основа стремечка ударяет по овальному окну и таким образом создает волну в жидкости, содержащейся во внутреннем ухе. Поскольку барабанная перепонка имеет поверхность большую, чем овальное окно, звук концентрируется и усиливается, проходя по косточкам среднего уха, чтобы компенсировать энергетические потери во время перехода звуковых волн из воздушной среды в жидкую. Благодаря этому механизму можно воспринимать очень слабые звуки.
Человеческое ухо может воспринимать звуковые волны, имеющие определенные характеристики интенсивности и частотности. Что касается частоты, человек может улавливать звуки в диапазоне от 16000 до 20000 герц (вибраций в секунду), также слух человека особо чувствителен к человеческому голосу, который колеблется в диапазоне от 1000 до 4000 герц. Интенсивность, которая зависит от амплитуды звуковых волн, должна иметь определенный порог, а именно 10 децибел: звуки ниже этой отметки не воспринимаются ухом.
Слуховая травма - это ухудшение способности воспринимать звуки вследствие возникновения какого-то единичного сильного источника шума (например, взрыв) или длительного (дискотеки, концерты, место работы и т. д.). В результате слуховой травмы человек будет хорошо слышать лишь низкие тона, тогда как способность слышать высокие тона ухудшится. Однако можно защитить слуховой аппарат, используя специальные наушники.
Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает
данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой
объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление
о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия
звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц.
Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи.
На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение,
зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается
и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна
передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже
едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность
верхних частот.
Частотные характеристики слуховых ощущений
Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности
порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением
давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий
(звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко
падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует
примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое
ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних
частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону
составляет около 150.
Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.
Субъективные характеристики звука
Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно
определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив
закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками
звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному
диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки,
гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого
имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.
Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается
как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты,
музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от
интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот
примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6
Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону.
Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как
одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется
октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять
октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно
меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты
тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты
приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий
ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти
частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя
из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального
состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты,
имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково
громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости.
За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости
чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают.
На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более
тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает,
что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости,
при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости
в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается,
и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха
на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность
слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого
уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха).
Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые
явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости.
Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый
звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем
напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания
прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными
фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой
чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет
воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря
характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет
количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.).
При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр
воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача
спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только
одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты
основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны
кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных
инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом.
В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала,
следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного
диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску
тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это
можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник,
средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот.
Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных
звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен
и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие
звуки обычно являются и более резкими.
Музыкальные источники звука
Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов,
характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр,
ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).
Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику,
связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный
процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота.
Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии
имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых,
ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание
громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением
высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона
при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный
инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания.
Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими
- обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический
тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых
частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных
обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных
для каждого инструмента. 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.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается
большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует
более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для
большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4,
трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника
0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо",
к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания
музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского
коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном
отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов
понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное
в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют
только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный
уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен
90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического
уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит
от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение.
Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях,
имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов
динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука
на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".
Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).
Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует
акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах
ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их
связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон
той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических
произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки
обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для
оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо
и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать
достаточно большого уровня (до 110 дБ).
Эффект маскировки
Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается
слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с
ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной
мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной,
указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия
в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают,
что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например,
если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать
первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных
спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих
сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее
сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может
стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания
при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные
группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки.
На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы,
а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий
достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером
наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять
из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра
дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие
принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих
помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала
должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например,
при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки
60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.
Временные характеристики слухового восприятия
Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении
звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого
ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная
зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят
два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает,
то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания
оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки
сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного
звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на
ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но
уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость
является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух
человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если
продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей
бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток,
выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.
Пространственное представление о звуке
Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.
До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем
до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде.
Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой
с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется,
что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от
средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны
фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе,
достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых
волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно
слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной
плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется
в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных
средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две
АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении
через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков,
проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся
(виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону
более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только
изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае
кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м,
расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево
или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием
в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится"
на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия
перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации
применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на
свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг
от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон
будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового
расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект
суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства,
находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы,
называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона,
располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов
имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для
левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный
эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных
телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков
и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала,
субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые
расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося
по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится
все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением
обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением
уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться
пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте
и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра
и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату
частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким
образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно
прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим
все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти
отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных
источников или, что то же, о размерах помещения.
Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.
Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению
с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую
перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической
технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол,
под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность,
т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства
в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия
в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.
О роли акустики помещения
Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.
Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны,
создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные
волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая
помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии
начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал
и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает
некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты,
как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих
поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения
звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.
Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).
