150176 (Восприятие звуков человеком)

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).

а

1

2

3

8

7

4

4

5

а

6

По а - а

1- мембрана овального окна, 2 – вестибулярный ход, 3 – геликотрема, 4 – базилярная мембрана, 5 –орган Корти, 6 – барабанный ход, 7 – мембрана круглого окна, 8 – рейснерова мембрана.

Рисунок 1. Схема строения улитки

Базилярная мембрана состоит из нескольких тысяч волокон, натянутых поперек улитки, и слабо связанных между собой. Базилярная мембрана расширяется по мере удаления от овального окна. С базилярной мембраной связан орган Корти, состоящий из~23500 нервных клеток, которые называют волосковыми. С каждым волокном слухового нерва связано несколько волосковых клеток, так что в центральную нервную систему приходит около 10000 волокон. При появлении звука мембрана овального окна возбуждает колебания лимфы в вестибулярном ходе, которые заставляют колебаться волокна базилярной мембраны. Колебания волокон, в свою очередь, возбуждают волосковые клетки. Информация о возбуждении клеток, т.е. о наличии звука, по нервным волокнам передаётся в головной мозг.

2. Восприятие частоты звуковых колебаний

Волокна базилярной мембраны имеют разную длину и, соответственно, разную резонансную частоту. Самые короткие волокна расположены около овального окна, их резонансная частота ~ 16000 Гц. Самые длинные – около геликотремы, имеют резонансную частоту ~ 20 Гц.

Таким образом, внутреннее ухо осуществляет параллельный спектральный анализ приходящих колебаний и позволяет ощущать звуки с частотами от ~20 Гц до ~ 20000 Гц. Эквивалентную электрическую схему анализатора можно изобразить следующим образом (см. рис. 2).

С₀

L₀

L'₁

L'₂

L'_n-1

L'_n

L"₀

L"₁

L"₂

L"₃

L'_n

I₃

I_n

С"₁

С"₂

С"₃

С"_n

R"₁

R"₂

R"₃

R"_n

R₀

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.

3. Восприятие амплитуды звуковых колебаний

Порог слышимости. Звуки вызывают колебания волокон базилярной мембраны. Если колеблющееся волокно не касается волосковых клеток, то клетки не возбуждаются и звук не воспринимается. При увеличении амплитуды колебаний волокна начинают касаться волосковых клеток и они начинают посылать сигналы в головной мозг.

Звук будет услышан. Этот скачкообразный переход называют порогом слышимости. Порог слышимости оценивают величиной звукового давления или интенсивностью звука. Стандартному порогу слышимости на частоте 1000 Гц соответствует звуковое давление Па или интенсивность звука Вт/м². При понижении частоты порог слышимости растет и на частоте 100 Гц он в 10⁴ раз выше. При повышении частоты от 1000 Гц порог слышимости сначала понижается в 8 – 10 раз на частотах 2000 – 4000 Гц, а затем начинает расти.

Порог различения интенсивности звука. При дальнейшем увеличении амплитуды начнут колебаться соседние волокна базилярной мембраны и, как только они коснутся волосковых клеток, слуховое ощущение снова возрастет.

Постепенно область возбуждения базилярной мембраны расширяется и слуховые ощущения скачками нарастают. Величину приращения звукового давления или интенсивности звука, соответствующую скачку, называют порогом различения интенсивности звука.

Число градаций интенсивности, различаемое на средних частотах, не превышает 250, на низких и высоких частотах резко уменьшается и в среднем по диапазону составляет ~150.

Болевой порог. Дальнейшее увеличение амплитуды колебаний приводит к появлению болевых ощущений. Они наблюдаются при звуковом давлении ~ 20 Па или интенсивности звука ~ 1 Вт/м². Эти значения характеризуют болевой порог.

Уровень звукового давления и уровень интенсивности. Ощущение силы звука подчиняется закону Вебера-Фехнера: абсолютное приращение ощущения пропорционально относительному приращению раздражения, т.е.:

,

где - абсолютное приращение ощущения, А – постоянная величина. Проинтегрировав это выражение, получим: