2.3. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ

Порог слышимости. Если волокно основной мембраны при своих колебаниях не достает до ближайшего к нему нервного окончания, то человек такой звук не слышит. Но как только при увеличении амплитуды колебаний волокна оно коснется нервного окончания, произойдет это раздражение. Нервное окончание сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга, и звук будет услышан. Этот скачкообразный переход из слышимого состояния в неслышимое и обратно называют порогом слышимости. Абсолютное значение слухового ощущения на пороге слышимости мало, но все же имеет вполне конечное значение.

Порог слышимости зависит от частоты. На рис. 2.8 приведены эти зависимости, причем по оси ординат для удобства отложены уровни звукового давления. Часто приходится иметь дело с различными зависимостями порога слышимости от частоты (см. рис. 2.8). Разница между ними обусловлена различием в условиях измерений порога. Так, например, кривая 2 на рис. 2.8 дана, для случая измерения уровня тона в точке звукового поля до размещений в ней головы человека и при слушании двумя ушами (этот порог называется бинауральным порогом по полю). Кривая 1 дает порог слышимости для уровней звука, измеренных около ушной раковины при слушании через телефон (моноуральный порог по давлению). Кривая 2 представляет порог для фронтального падения звуковой волны (фронтальный порог), кривая 3 — для всестороннего (диффузный порог).

На рис. 2.9 приведена частотная зависимость разности уровней звукового давления в свободном поле, измеренном в точке, соответствующей центру головы, и в слуховом канале. На рис. 2.10 приведена частотная зависимость разности уровней порога слышимости при бинауральном и моноуральном слушании.

Пороги слышимости имеют значительный разброс в первую очередь из-за возрастных изменений, а также из-за условий работы. Статистическое исследование порогов слышимости посетителей Всемирной выставки в Нью-Йорке в 1931 г. дало результаты, приведенные на рис. 2.11. Пороги слышимости определялись для бинаурального слушания в свободном поле в случае фронтального падения звуковой волны.

Уровень ощущения. При плавном увеличении интенсивности звука выше пороговой слуховое ощущение нарастает скачками по мере увеличения числа возбужденных нервных окончаний.

Рис. 2.8. Частотная зависимость уровней порога слышимости: 1 — для бинаурального слушания, когда давление создается множеством источников звука, беспорядочно расположенных в горизонтальной плоскости вокруг головы (диффузный порог); 2 — для бинаурального слушания, когда давление создается источником звука, расположенным на некотором расстоянии перед слушателем (фронтальный порог); 3 — для моноурального слушания, когда давление в ушной раковине создается с помощью телефона (порог по давлению)

Значения скачков могут быть найдены из рнс. 2.12, на котором приведены едва заметные относительные изменения интенсивности звука в зависимости от частоты тона. Из рисунка следует, что на высоких и средних уровнях порог заметности изменения интенсивности звука составляет 0,05 на частоте 1000 Гц; 0,15 — на 100 Гц и 0,12 — на 8000 Гц. На низких уровнях

Рис. 2.9. Частотная зависимость уровней звукового давления у входа в слуховой канал и звукового давления в свободном поле, измеренного в точке, соответствующей центру головы под разными углами прихода звуковой волны: 1 — кривая разности уровней звукового давления у барабанной перепонки и звукового давления в поле для кривая разности уровней звукового давления у барабанной перепонки и звукового давления у входа в слуховой канал. Параметр кривых — угол между направлением звука и срединной плоскостью головы

Рис. 2.10. Частотная зависимость разности уровней порога слышимости при монауральном и биноуральном слушании

Рис. 2.11. Статистическая частотная зависимость порога слышимости при бинауральном слушании в свободном поле для случая фронтального падения звуковой волны (параметр кривых — процент лиц, пороги которых лежат ниже величины параметра)

Рис. 2.12. Частотная зависимость порога за метности относительно изменения интенсивности тона (параметр кривых — уровень ощущения тона)

ощущения эти значения значительно больше: для уровня они соответственно составляют 0,6 на частоте 100 Гц; 0,35 — на 1000 Гц и 0,4 — на 8000 Гц. Следовательно, порог заметности изменения интенсивности на высоких и средних уровнях ощущения составляет на низких уровнях он доходит до нескольких децибел, а в среднем немного менее

Увеличение уровня интенсивности тона в конце концов приводит к появлению ощущения боли, наступает болевой порог, который на максимуме составляет по интенсивности около тогда как минимальный порог слышимости составляет на частоте около поэтому динамический диапазон по уровню звука от порога слышимости до болевого порога равен

Между болевым порогом и порогом слышимости несколько сотен элементарных скачков ощущения, причем на низких и высоких частотах их значительно меньше, чем на средних. Дискретность восприятия слуха по частоте и амплитуде дает около 22 000 элементарных градаций во всей области слухового восприятия, ограниченных снизу порогом слышимости, сверху — болевым порогом и охватывающей диапазон частот Гц.

Вебер и Фехнер сформулировали следующий закон ощущения звука: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение попорционально логарифму раздражающей силы: Раздражающая сила на пороге слышимости.

Величину называют уровнем ощущения. При уровень ощущения выражается в децибелах: Уровень ощущения где уровень порога слышимости; уровень интенсивности звука Уровень ощущения представляет собой уровень над порогом слышимости, т. е. относительный уровень.

Громкость и уровень громкости. Уровень ощущения неточно характеризует субъективное ощущение. Введено понятие уровня громкости. Условились за уровень громкости любого звука (или шума) принимать уровень в децибелах равногромкого с ним чистого тона 1000 Гц. За единицу уровня громкости принят фон, поэтому фон при Гц, где — громкости испытуемого звука и тона 1000 Гц. Чтобы определить уровень громкости какого-либо звука, достаточно взять чистый тон и изменять его уровень до тех пор, пока его громкость не будет на слух одинаковой с громкостью определяемого звука. При этом искомая величина уровня громкости этого звука будет численно равна уровню эталонного тона (1000 Гц). На рис. 2.13 приведены кривые равной громкости,

Рис. 2.13. Кривые равной громкости для бинаурального (а) и моноурального (б) слушания. Параметр кривых — уровень громкости

определенные для чистых тонов при слушании двумя ушами.

Пример. Задан чистый тон с частотой 100 Гц и уровнем звукового давления, равным 60 дБ. Найти его уровень громкости при слушании в свободном поле, Линии, соответствующие абсциссе 100 Гц и ординате 60 дБ, на рис. 2.13, а пересекаются между кривыми с параметрами 30 и 40 фон. Следовательно, уровень громкости определяемого тона равен 35 фон.

По мере повышения уровня кривые равной громкости приближаются к прямой линий, параллельной оси частот, т. е. уровни громкости и звукового давления сближаются.

Если слушание радиопередачи ведется в среднем на уровне громкости 80 фон, то при этом почти все частотные составляющие звучат одинаково громко независимо от их Положения В частотном диапазоне. При умень шении усиления приемника на 30 дБ, если хотим, чтобы громкость низкочастотных составляющих около 100 Гц осталась в Том же соотношении с громкостью средних частот, необходимо поднять их уровень на 17 дБ (см. рис. 2.13, а). Поэтому в радиоприемниках высшего класса для слушания на низких уровнях вводится соответствующая коррекция на низких частотах.

Когда измеряют высокие уровни громкости шумов, то частотная характеристика измерителя шумов (шумомера) берется близкой к равномерной, что соответствует субъективному восприятие на высоких уровнях громкости (см. рис. 2.13, а, кривые от 80 фон и зыше). Но когда измеряют уровни громкости шумов низкого уровня, то показания шумомера близки к субъективному ощущению громкости только в случае, если в шумомере введена коррекция, учитывающая то, что при этом слух воспринимает низкие частоты хуже, чем средние. Поэтому в шумомерах при измерении низких уровней громкости шумов вводятся коррекции на низких частотах в виде снижения усиления в сторону низких частот. Так, если измерение проводится на уровне громкости около 50 фон, то на частоте 100 Гц усиление должно быть снижено по сравнению с частотой 1000 Гц на 17 дБ (см. рис. 2.13, а, кривая 50 фон). Вследствие этого в шумомерах имеются три вида частотных характеристик: шкала А — для уровней громкости около 40 фон (пользуются для измерения уровней в пределах 30 ... 55 фон); шкала В — для уровня громкости около 70 фон (пользуются для измерения уровней в пределах 55 ... 85 фон) и шкала С — для уровней громкости выше 85 фон.

Однако шумомеры дают правильные показания уровня громкости только для чистых тонов или узкополосных шумов, а для спектров, состоящих из нескольких составляющих, и для широкополосных спектров их показания соответствуют уровню звукового давления с поправкой по кривой равной громкости без учета взаимодействия составляющих (см. § 2.3). Поэтому, чтобы не смешивать показания с действительным уровнем громкости, такие показания шумомера указывают не в фонах, а в децибелах (т. е. для шкалы А). Соответствующий уровень называют уровнем звука в децибелах.

Уровень громкости, хотя и характеризует субъективное восприятие звука по уровню, но масштаб уровней не соответствует действительному субъективному масштабу. Например, увеличение уровня громкости на 10 фон в диапазоне уровней выше 40 фон соответствует субъективному ощущению увеличения громкости вдвое. Кстати, каждая градация громкости в музыке больше или меньше соседней вдвое (форте-фортиссимо, пиано-пианиссимо и т. п.). На рис. 2.14 приведена зависимость между уровнем громкости в фонах и громкостью в сонах, измерения для чистых тонов. Сон — единица громкости, равная громкости тона с уровнем громкости 40 фон. В табл. 2.3 приведены измеренные

Рис. 2.14. Зависимость громкости тона (в со-нах) от уровня громкости (в фонах): 1 — экспериментальная; 2 — нормализованная

уровни громкости и громкость для наиболее типовых звучаний.

Для фон зависимость между громкостью в сонах и уровнем громкости в фонах для чистых тонов может быть выражена в следующем приближенном виде:

Заметим, что по этой формуле и табл. 2.3 получаются несколько заниженные значения громкости, особенно для ее больших значений, по сравнению с экспериментальными данными рис. 2.14.

Введено понятие кривых равной неприятности. Они представляют собой частотную зависимость уровней интенсивности тона или узкополосного шума, субъективно ощущаемых с одинаковой неприятностью. Эти уровни определяют путем подбора такого уровня чистого тона 1000 Гц, который будет слышаться одинаково неприятно с заданным уровнем тона (или шума) на заданной частоте. На рис 2.15 приведены кривые неприятности для различных уровней (параметром кривых служит уровень тона 1000 Гц). Для широкополосных шумов кривые равной неприятности соответствуют уровням шума в полосах частотных групп. Для удобства эти кривые пересчитывают в октавные уровни и относят к средней частоте октавы.

Рис. 2.15. Частотные зависимости уровня звукового давления тона одинаково неприятного с тоном 1000 Гц заданного уровня (параметр кривых — уровень тона 1000 Гц)

Соответствующие кривые названы предельными спектрами. Для каждого предельного спектра определяют общий уровень громкости, измеренный шумомером по шкале А. В табл. 2.4 приведены предельные спектры для разных уровней. Число при них означает уровень шума в октавной полосе со средней частотой 1000 Гц. В этой же таблице приведены суммарные уровни громкости всего шума для данного спектра. (Эти кривые используются при определении уровня шума по санитарным нормам.)

В табл. 2.5 даны санитарные нормы для ряда учреждений и территорий.

Пример. Найти уровень шума для октавных полос со средними частотами 125 и 8000 Гц, одинаково неприятные со звучанием полосы частот средней частотой 1000 Гц, имеющей уровень интенсивности Из табл. 2.5 для находим, что эти уровни соответственно равны

Пример. Найти уровни тонов 125 и 8000 Гц, звучащих одинаково неприятно с тоном 1000 Гц, имеющим уровень Из рис. 2.15 находим для кривой значения таких уровней:

Эффект маскировки. В условиях тишины слышны писк комара, жужжание мухи, тикание часов и другие звуки, а в условиях шума и помех можно не услышать даже громкий разговор. Другими словами, в условиях шума и помех порог слышимости для приема слабого звука возрастает. Это повышение порога слышимости называют маскировкой, Величина маскировки определяется величиной повышения порога слышимости для принимаемого звукового сигнала где и -уровни порога слышимости в тишине и при помехах.

При повышении порога слышимости соответственно изменяется и уровень ощущения. В этом случае уровень ощущения

— где уровень ощущения того же звука в тишине. Уровень ощущения звукового сигнала изменяется при изменении уровня шумов и помех даже при неизменном уровне сигнала.

Низкочастотные тоны сильнее маскируют высокочастотные, чем наоборот. На рис. 2.16 приведены кривые маскировки для ряда частот и уровней тонов. При разности частот около нескольких десятков герц величина маскировки начинает уменьшаться (из-за биений), и при равенстве частот она имеет минимум. Точно такие же минимумы наблюдаются и на частотах, кратных частоте маскирующего тона. (Это вызывается появлением биений между маскируемым тоном и субъективными гармониками маскирующего тона.)

Пример. Мешающий тон имеет частоту 400 Гц и уровень Найти минимальный уровень для тона 1200 Гц, который может быть услышан на фоне мешающего тона. Из кривой рис. 2.16 для параметров 400 Гц и находим для частоты 1200 Гц величину маскировки, равную Так как для

(см. скан)

(см. скан)

Таблица 2.5. (см. скан) Санитарные нормы по уровню шумов для учреждений связи

частоты 1200 Гц порог слышимости в тишине (см. кривую 2 на рис. 2.8) равен порог слышимости в шуме будет равен Поэтому уровень интенсивности тона 1200 Гц должен быть не менее Если же мешающий тон будет иметь частоту 2400 Гц и уровень то величина маскировки на 1200 Гц (см. кривые на рис. 2.16 для параметров 2400 Гц и 80 дБ) будет равна 5 дБ. Следовательно, можно не считаться с маскировкой от действия тона 2400 Гц.

На рис. 2.17, а приведены кривые маскировки узкополосной шумовой помехи. Кривые отличаются от тональных только отсутствием провала из-за биений. На рис. 2.17, б приведены кривые маскировки для широкополосного шума флуктуационного типа. В этом случае величина маскировки чистого тона определяется интенсивностью шумов, попадающих в одну и ту же критическую полоску слуха: порог слышимости для тона численно равен интенсивности этих шумов. Для шума с достаточно равномерным спектром и уровнем выше пороговая интенсивность где спектральная плотность на частоте ширина критической полоски.

Если взять белый шум, то его общая интенсивность будет превышать интенсивность в каждой из критических полосок. Например, для равномерного (белого) шума со спектральной плотностью, равной 10 единицам, в диапазоне до 4000 Гц общая интенсивность будет составлять единиц, а в критической полоске около 1000 Гц интенсивность будет единиц ( Гц). Следовательно, уровень порога слышимости на частоте 1000 Гц будет на ниже общего уровня интенсивности.

Громкость сложных звуков. Если тональные или шумовые составляющие попадают

в одну и ту же частотную группу, то их суммирование происходит по интенсивности. Громкость такого сложного звука определяется суммарной интенсивностью, т. е. суммарный уровень для двух составляющих с одинаковым уровнем будет на 3 дБ выше и на столько же увеличится уровень громкости, если уровень составляющих выше При более низких уровнях следует считаться с кривыми равной громкости.

Пример. Заданы два узкополосных шума, находящихся в частотной группе Гц, уровни интенсивности их равны Следовательно, их уровни громкости равны 53 фон (см. рис. 2.13, а), а громкости — 2,40 сон (см. табл. 2.3). Суммарный уровень интенсивности будет равен Уровень громкости такого сложного звука будет равен 59 фон (см. рис. 2.13, а), что соответствует громкости 3,73 сон (см.

Рис. 2.16. (см. скан) Кривые маскировки для ряда частот тонов и их уровней. По оси абсцисс отложена частота маскируемого тона, по оси ординат — величина маскировки (параметр кривых — уровень ощущения маскирующего тона; вверху каждого графика указана частота маскирующего тона)

Рис. 2.17. Кривые порога слышимости тона при маскировке узкополосным (а) и белым (б) шумами (параметр кривых — уровень интенсивности, дБ)

табл. 2.3). Если бы шумы находились в полосе около 1000 Гц, то соответственно табл. 2.3 уровня громкости их были бы равны 60 фон, громкости 4 сон, суммарные уровни интенсивности и громкости 63 фон и суммарная громкость 4,92 сон.

Если несколько тонов или узкополосных шумов расположены по частоте так далеко друг от друга, что их взаимной маскировкой можно пренебречь, то их суммарная громкость будет равна сумме громкостей каждой из составляющих. Так, например, если взять два тона с частотами 200 и 2000 Гц с громкостью 8 сон каждый, т. е. имеющих уровни громкости по 70 фон (см. табл. 2.3), то суммарная громкость этих тонов будет равна 16 сон, т. е. суммарный уровень громкости такого сложного звука будет равен 80 фон (см. табл. 2.3), а не 73 фон, как это следовало бы из простого сложения интёнсивностей.

Если состявляющие сложного звука расположены по частоте близко друг к другу и наблюдается взаимная маскировка между ними (см. рис. 2.16), то громкость такого сложного звука будет меньше суммы громкостей всех составляющих.

Если расширять спектр шумов, оставляя спектральную плотность постоянной, то в пределах частотной группы громкость будет определяться суммарной интенсивностью, так как в этих пределах интегрирует интенсивность. Если расширить спектр вдвое, то суммарная интенсивность увеличится вдвое (уровень интенсивности увеличится на и если полоса частот находится недалеко от частоты 1000 Гц, то уровень громкости возрастет более чем на 3 фон, но менее, чем на 10 фон, что получается при воздействии разнесенных по частоту полосок частот. Поэтому для широкополосного шума уровень громкости выше уровня его интенсивности. На рис. 2.18 дана экспериментальная зависимость между уровнем интенсивности тона с частотой 1000 Гц, уровнем белого шума и уровнем шума с одинаковой интенсивностью в каждой частотной группе (равномерно воздействующий шум — с одной стороны, и их уровнями громкости — с другой. Там же нанесена шкала громкостей. Как и полагается, для тона уровень громкости и уровень интенсивности совпадают друг с другом. Уровень громкости белого шума получается выше уровня его интенсивности на фон. Для равномерно воздействующего шума это приращение составляет около фон. Для сложных спектров шумов расчет громкости дан в [2.2].

При сложении основного и запаздывающего (например, отраженного) речевых сигналов наблюдается приращение уровня громкости речи. При этом для слабых, сигналов фон) это приращение для запаздывания на и более составляет около 3 фон, т. е. такое, какое должно быть при сложении некоррелированных сигналов. Для сигналов с уровнями громкости выше 55 фон приращение уровня громкости получается до 5 фон при запаздывании около При больших запаздываниях приращение снижается до 3 фон, т. е. как при энергетическом сложении

Рис. 2.18. Зависимости громкости тона 1 кГц, белого шума (БШ) и равномерно воздействующего шума (РШВ) от уровня звукового давления

Рис. 2.19. Приращение уровня громкости в зависимости от величины запаздывания при сложении речевого сигнала с его запаздывающим повторением: уровень громкости каждого из сигналов 55 фон; 2 — уровни громкости фон

сигналов. На рис. 2.19 показаны кривые приращения уровня громкости речи от величины запаздывания отраженного звука.