Особенности восприятия звука

Особенности восприятия звука

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.

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.