Основы психоакустики

Основы психоакустики

Поскольку психоакустике посвящено много публикаций [3.1, 3.23, 3.25, 3.26], мы обсудим только те факторы, которые важны для проектирования и работы звукоусилительных систем. Что касается психоакустических эффектов, мы кратко затронем один из них — нарушение слуха вследствие воздействия избыточной громкости.

. ВОСПРИЯТИЕ И ОЩУЩЕНИЕ ЗВУКА

ВЫСОТА ТОНА

Способность человека воспринимать звуковые тона ограничивается диапазоном примерно от 16 Гц до 16 кГц. Верхний предел имеет значительный

индивидуальный разброс, что связано с возрастом слушателей. Молодые люди с нормальным слухом могут воспринимать звуки даже до 20 кГц (см. также раздел 3.2.3), однако с возрастом верхний предел восприятия может снижаться до 10 кГц и даже ниже.

Для передачи речи необходим частотный диапазон от 200 Гц до 4 кГц. Музыка требует частотного диапазона по крайней мере от 100 Гц до 10 кГц, предпочтительно от 40 Гц до 15 кГц [3.27]. Как большинство других сенсорных восприятий, восприятие различий частоты тона зависит не от абсолютного, а от относительного изменения частоты. Это означает, что ощущение высоты тона человеком подчиняется не линейной, а логарифмической частотной шкале.

Вот почему в акустике и музыке используют логарифмические частотные шкалы. В различных сферах используют три частотных шкалы:

•  Физико-акустическую. Она базируется на отношении частот f1 и f2
(интервал F), составляющем одну октаву (F=l:2). Чтобы стандартизировать условия измерений, в Рекомендациях МЭК 225 установлены крайние и средние частоты.

Рекомендуемые материалы

•  Музыкальную. Также базируется на октаве, но подразделяется на 12 полутонов.
Диапазон слышимых частот состоит из 10 октав. Было сделано несколько
попыток присвоить музыкальным полутонам фиксированные частоты,
например, установить стандартный тон А частотою 440 Гц. Однако
существует тенденция, в частности в больших симфонических оркестрах,
настраивать инструменты чуть выше для получения особенного (яркого)
звука.

52    Акустика помещений и психоакустика

• Психоакустическую. Эта шкала определяется структурой органа восприятия частоты тона — базилярной мембраной. Шкала подразделяется на критические полосы частот, соответствующие примерно одной октаве для низких частот (до 200 Гц) и все более узким относительным полосам для более высоких частот Весь диапазон слышимых частот разделен на 25 частотных полос по одному барку каждая.

В диапазоне низких частот наблюдается небольшой сдвиг высоты тона в зависимости от громкости. При уменьшении или увеличении громкости на 50 дБ частота изменяется на 5% на 20 Гц и на 1 % на 1000 Гц. Этот эффект обусловлен тем, что при большой громкости более значительные области базилярной мембраны входят в резонанс, в результате чего сообщения о раздражителе передаются слуховыми нервами, которые обычно реагируют на другую частоту.

ВОСПРИЯТИЕ ГРОМКОСТИ И ЭФФЕКТ МАСКИРОВАНИЯ

Восприятие громкости ограничивается снизу порогом слышимости, а сверху -болевым порогом. Явление порога слышимости проистекает из того факта, что для создания слухового впечатления требуется определенное минимальное звуковое давление. Для частоты сигнала 1000 Гц это минимальное звуковое давление, усредненное по результатам испытаний большого числа людей, равно:

Согласно международной стандартизации, пороговые значения соответствуют уровню звукового давления 0 дБ. Порог слышимости сильно зависит от частоты, он значительно увеличивается для низких частот. (Вследствие того, что ухо менее чувствительно к слабым низкочастотным звукам, нас не раздражают такие естественные звуки, как турбулентность воздуха и низкие частоты, передаваемые на большое расстояние.)

Верхний предел восприятия звука определяется болью — реакцией («защита путем ограничения») слуховой системы (разъединение косточек). Этот предел в 10⁶ раз выше звукового давления или в 10¹² раз выше интенсивности звука для порогового значения частоты сигнала 1000 Гц. Но прежде чем достигается этот уровень, возникают нелинейные искажения, которые начинаются на уровне около 90 дБ. Восприятие громкости в широком смысле следует логарифмическому закону (закону Вебера-Фехнера).

Одна из шкал восприятия громкости — это шкала субъективного восприятия в фонах (Баркгаузен). Она была составлена путем сравнения тона данной частоты с опорным сигналом частотою 1000 Гц и подбора такого уровня испытуемого тона, при котором его громкость воспринималась бы как равная громкости опорного сигнала 1000Гц.

Рис. 3.29. Кривые равной громкости для чистых тонов

Если несколько различных тонов или шумов, близких по частоте и разного уровня громкости, возникают одновременно, при определенных условиях акустический стимул звука меньшего уровня может быть не слышим, даже если уровень его звука лежит выше порога слышимости. В этом случае слабый шум маскируется более громким.  Порог слышимости слабого акустического стимула определяется маскированным порогом слышимости.  На высоких частотах эффект проявляется более заметно. Этот эффект чрезвычайно важен для техники звукоусиления. Влияние маскирования объясняет тот факт, что провалы в частотной характеристике, проявляющиеся в узкой полосе частот и часто возникающие вследствие акустической интерференции звукового поля громкоговорителей, обычно не слышны, в то время как высокочастотные пики могут привести к заметному изменению тембра из-за маскирования соседних частот. Не слышны и слабые мешающие шумы, если сильный полезный звук создает эффект маскирования.

ТЕМБР И ВОЗМУЩАЮЩИЕ ШУМЫ

Тембр обычно определяется спектром звука. Этот спектр, как показывают рис. 3.31 и 3.32, создает на базилярной мембране структуру возбуждений, в том числе соответствующее маскирование. Эта структура воспринимается центральной нервной системой, которая «опознает» звуки речи и музыкальных инструментов по их соответствующим структурам возбуждений. В этом процессе большую роль играет доминирование определенных гармоник.

            Рис.3.33.

Тембр относится по существу к линейным искажениям частотной характеристики, которые становятся заметными, например, при формировании гармоник или при подъеме и завале высоких и низких частот. Но они также могут возникнуть в случае кратких повторений (например, при формировании разностных тонов) или вследствие небольших нелинейных искажений отдельных инструментов или голосов (например, труб или голосов хора).

Тембры легко распознаются, если есть возможность сравнивать их непосредственно с исходным сигналом, что можно легко сделать, если используется звукоусиление. Абсолютно распознать тембры нетренированному человеку очень трудно, это могут сделать только люди с абсолютным слухом.

Шумы, которые совершенно не связаны с исходным звуком, не классифицируются как тембры. Это могут быть щелчки переключения, звуки при обжаривании пищи, сильные нелинейные искажения и изменения высоты тона, вызываемые детонацией в аналоговых механических устройствах записи и воспроизведения. Слушатель оценивает такие добавления как «новые сигналы» и мгновенно их распознает. 

 ВОСПРИЯТИЕ  ИСКАЖЕНИЙ

Любое звуковое событие на своем пути, от места возникновения до слуховой системы, подвергается влияниям, вызывающим искажения сигнала.

Рис. 3.38.

 Кажущееся положение фантомного источника при положении слушателя между двумя громкоговорителями, расположенными на рабочей линии А'—А" для обычной стереофонической установки (примерно под углом ±30° относительно центральной линии), как функция разности времени достижения сигналами ушей А/* (положительная при опережении слева) и разности уровней звука AL (положительная при более громком сигнале справа) акустических путей, или усилительной системы с головными телефонами и/или с промежуточным хранением на диске, ленте или другом носителе. Кроме того, само ухо вносит линейные и нелинейные искажения. Поскольку последние всегда присутствуют при соответствующих уровнях звука для отдельного слушателя, их почти невозможно обнаружить - может быть, только если значительно увеличить громкость.

         ЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Под линейными искажениями понимаются искажения (изменения) амплитудно-частотной характеристики. При идеальной передаче звука амплитуда не зависит от частоты сигнала, но в реальности наблюдаются отклонения большей или меньшей величины. Такие отклонения в частотных характеристиках от 1 дБ обнаруживаются при прямом А/В-сравнении. Поскольку такое сравнение при обычном прослушивании отсутствует, заметными на слух становятся только подъемы на 3...4 дБ или провалы >5 дБ (их слышимость меняется в зависимости от ширины зоны подъема или провала). Ограничение частотной характеристики рассматривается как линейное искажение.

Установлено, что в большинстве случаев в электроакустических системах фазово-частотную характеристику можно не учитывать. Это означает, что даже сильные изменения фазовой характеристики обычно не слышны. Они ощущаются на слух, только если вызывают амплитудные искажения при нарастании импульса или переходного процесса или если приводят к интерференциям.

         НЕЛИНЕЙНЫЕ ИСКАЖЕНИЯ

Если отсутствует линейная корреляция между возбуждением и воспроизведением звука системой, говорят о наличии нелинейности. Нелинейности в канале передачи приводят к появлению новых частот, которых не было в исходном звуке, то есть к искажению первоначального сигнала. Заметность на слух новых частот в значительной степени зависит от частотного диапазона, в котором расположен исходный сигнал, и от громкости воспроизведения. Это объясняется сильной частотной зависимостью пороговой кривой равной громкости, а также эффектами маскирования, зависящими от громкости. Слышимость нелинейных искажений определяется и положением гармоник относительно исходного основного тона. Слуховая система наименее чувствительна к частотам, кратным основной частоте. Изменения тембра отмечаются только, когда новые гармоники достигают уровня от 10 до 30% основного тона

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 13 Изъятие и принудительная реализация имущества.

Рис. 3.39. Коэффициенты разборчивости слогов К_л и К_л как функции передаваемых частот

Ухо значительно более критично реагирует в том случае, если двойные или сложные тона образуют суммарные или разностные тона, гармонически несвязанные с отдельными парциальными тонами. Особенно неприятными в этом отношении являются гармоники, имеющие отношение частот 2:3 по отношению к основному тону (в музыкальной терминологии это интервал квинты).

При воспроизведении звука музыкальных инструментов искажения более заметны для тех инструментов, которые создают небольшое число гармоник (таких, как флейта). Здесь порог слышимости для искажений по второй гармонике составляет 1%, а для искажений по третьей гармонике — 0,3%.