Психофизика слуха

Пороги слышимости. Чтобы звук был слышим, должен превышаться определенный уровень звукового давления (УЗД). Этот порог (рис. 12.8) зависит от частоты; человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне 2000-5000 Гц. За его пределами для достижения порога требуются значительно более высокие УЗД.

286 ЧАСТЬ III. ОБЩАЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

Рис. 12.7. Схема внутреннего уха в разрезе. Вверху-взаиморасположение улитки, спирального ганглия и слухового нерва. Внизу важнейшие элементы одного из витков спирали улитки и ее лимфатических пространств. Состав субтекториальной лимфы точно не установлен. Тут же показаны пространственные связи между текториальной мембраной и рецепторными клетками кортиева органа

Громкость. Тон какой-либо частоты при превышении порога слышимости звучит для нас громче по мере увеличения звукового давления. Связь между физическим значением УЗД и субъективно воспринимаемой громкостью можно описать количественно. Иными словами, у человека можно выяснить не только, слышит ли он данный тон, но и воспринимает ли он два последовательных тона одинаковой или различной частоты как одинаково громкие или различающиеся по этому показателю. Например, один за другим предъявляются тестируемый и эталонный тоны частотой 1 кГц, и испытуемому предлагают отрегулировать потенциометром громкость второго звука, чтобы она воспринималась им так

же, как предыдущая. Громкость любого звука выражают в фонах - УЗД тона с частотой 1 кГц с равной громкостью. Таким образом, если в приведенном выше примере субъективное ощущение уравнивается на уровне 70 дБ, значит, громкость тестируемого тона 70 фон. Поскольку частота 1 кГц используется как стандарт, значения в децибелах и фонах здесь одинаковые (рис. 12.8). На рис. 12.8 также приведены кривые равной слышимости, построенные по средней реакции молодых здоровых испытуемых (крупная международная выборка). Все юны на каждой кривой оцениваются как одинаково громкие независимо от их частоты. Такие кривые называют изофонами. Приведенная здесь же пороговая кри-

Глава 12. Физиология чувства равновесия, слуха и речи 287

Рис. 12.8. Кривые равных уровней громкости (изофоны) в соответствии с немецким стандартом DIN 45630. На осях ординат слева отложены эквивалентные значения звукового давления и УЗД. Красным обозначена речевая область (см. текст)

вая - также изофона, поскольку все ее тоны воспринимаются как одинаково громкие, т. е. едва слышимые. Средний порог слышимости у здорового человека равен 4 фон, хотя, конечно, возможны отклонения от этого значения в обе стороны.

Порог различения силы звука. Так как шкала фонов основана на субъективном восприятии, интересно установить, насколько оно точно, т.е. насколько должны различаться звуковые давления двух тонов (которые для простоты могут иметь одинаковую частоту), чтобы их громкость воспринималась неодинаково. В экспериментах по измерению порога различения силы звука эта разница оказалась очень небольшой. В области порога слышимости два тона равной частоты воспринимаются как неодинаково громкие, когда их УЗД различаются на 3-5 дБ. При силе звука примерно на 40 дБ выше порога слышимости эта величина снижается до 1 дБ [49].

Шкала фонов сама по себе ничего не говорит о субъективном увеличении громкости при повышении УЗД. Она основана только на словах испытуемого, определяющего, когда громкость тестируемого и эталонного тонов кажется ему одинаковой; насколько изменилась для него громкость, в этом случае вообще не исследуется. В то же время связь между ней и звуковым давлением представляет интерес, поскольку для оценки вредных для здоровья шумов необходимо учитывать изменения ощущаемой громкости. Для определения этой взаимосвязи испытуемому предлагали отрегулировать тестируемый тон частотой 1 кГц так, чтобы он казался в π раз громче (например, в 2 или 4 раза) эталонного с той же частотой и УЗД 40 дБ. Исходя из полученных таким образом УЗД, можно количественно описать интенсивность ощущения; такая единица громкости называется сон. Громкость тона, звучащего для челове-

ка в 4 раза громче стандартного, составляет 4 сон, вполовину тише 0,5 сон и т.д.

Оказалось, что при УЗД выше 30 дБ ощущение громкости связано со звуковым давлением степенной зависимостью с показателем 0,6 при частоте 1 кГц (степенная функция Стивенса; см. с. 291, а также [17, 49]).

Иными словами, при частоте 1 кГц и УЗД выше 30 дБ ощущение громкости удваивается при увеличении УЗД на 10 дБ. Поскольку удвоение звукового давления равносильно повышению УЗД на 6 дБ, ощущение громкости параллельно не удваивается-для этого звуковое давление должно быть почти утроено. Следовательно, так как I ~ р², для удвоения субъективной громкости сила звука должна вырасти в 10 раз. Значит, громкость десяти музыкальных инструментов, играющих в одном тоне с одинаковым УЗД, всего вдвое выше, чем у одного из них.

Поскольку для каждого громкость в фонах по определению выводится из звучания тона частотой 1 кГц, громкость любого тона в сонах можно вычислить по количеству в нем фонов и кривой громкости тона 1 кГц [49]. При технических измерениях вредных шумов применяется упрощенная процедура, дающая приблизительные значения громкости в фонах.

Приборы для измерения УЗД и уровня громкости. Как

говорилось выше, изофоны получены в психофизических экспериментах. Следовательно, определить громкость в фонах физическими методами, как это делается при измерении с помощью соответствующих микрофонов и усилителей звукового давления, невозможно. Чтобы хотя бы приблизительно измерить уровень громкости, можно использовать такие же приборы с частотными фильтрами, примерно соответствующими по характеристикам порогу слышимости или другим изофонам, т. е. устройства с почти такой же неодинаковой чувствительностью к различным частотам, как и человеческое ухо: менее чувствительные к низким и высоким частотам. Существуют три такие международные характеристики фильтров-А, В и С. Приводя результаты замеров, указывают, какая из них использована, добавляя к значению в децибелах соответствующую букву, например, 30 дБ (А), что означает приблизительно 30 фон. Характеристика фильтра А соответствует кривой порога слышимости и должна, по идее, применяться только при слабой силе звука, однако для простоты сейчас почти все результаты представляются в виде дБ (А), даже если это и вносит дополнительную ошибку. Той же шкалой пользуются при измерении вредных шумов, хотя, строго говоря, в данном случае должна быть использована шкала сонов. Например, шум работающей на холостом ходу автомашины составляет около 75 дБ(А).

Звуковая травма. Если резко повысить УЗД, в конечном итоге возникнет ощущение боли в ушах. Эксперименты показали, что для этого требуется уровень громкости около 130 фон. Более того, звук такой силы вызывает не только боль, но и обратимую утрату слуха (временное повышение порога слышимости) или, если воздействие было длительным, - его необратимую утрату (стойкое повышение порога слышимости, звуковая травма). При этом повреждаются сенсорные клетки и нарушается микроциркуляция в улитке. Звуковая травма может возникнуть и при достаточно длительном воздействии гораздо более слабых звуков интенсивностью не менее 90 дБ (А) [14].

Лицам, регулярно подвергающимся воздействию таких звуков, угрожает потеря слуха; и им

288 ЧАСТЬ III. ОБЩАЯ И СПЕЦИАЛЬНАЯ СЕНСОРНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ

следует пользоваться предохранительными приспособлениями (наушники, «беруши»). Если не принимать мер предосторожности, в течение нескольких лет развивается тугоухость (см. также с. 297).

Субъективные реакции на шум. Помимо звуковой травмы, т.е. объективно наблюдаемого повреждения внутреннего уха, звук может вызывать также некоторые неприятные ощущения субъективного характера (сопровождающиеся иногда и объективными симптомами-повышением артериального давления, бессонницей и т.д.). Дискомфорт, вызываемый шумом, в значительной степени зависит от психологического отношения субъекта к источнику звука. Например, жильца дома может сильно раздражать игра на пианино двумя этажами выше, хотя уровень громкости объективно невелик и у других жильцов жалоб не возникает. Найти общие правила, предотвращающие неприятные для человека шумы, трудно, а действующие на этот счет законодательные нормативы часто представляют собой лишь неудовлетворительные компромиссы [14].

Пределы слышимости и речевая область. Слышимость тона, как показывает рис. 12.8, зависит как от его частоты, так и от звукового давления. Молодой здоровый человек различает частоты от 20 до 16 000 Гц (16 кГц). Частоты выше 16 кГц называются ультразвуковыми, а ниже 20 Гц - инфразвуковыми. Пределы слышимости для человека, таким образом, составляют 20 Гц - 16 кГц и 4-130 фон. На рис. 12.8 зона слышимости расположена между верхней и нижней кривыми. Частоты и силы звука, характерные для речи, находятся в середине этой области (закрашено на рисунке красным); они соответствуют речевой зоне. Чтобы обеспечить адекватное понимание речи, системы связи (например, телефон) должны передавать частоты в диапазоне по крайней мере от 300 Гц до 3,5 кГц. Чувствительность к высоким частотам с возрастом постепенно снижается (так называемая старческая тугоухость).

Порог различения частот. Из повседневного опыта известно, что тоны различаются не только по громкости, но и по высоте, которая коррелирует с их частотой. Тон называется высоким, если его частота высока, и наоборот. Способность человека различать высоты последовательно слышимых тонов поразительно высока. В оптимальной области около 1 кГц порог различения частот составляет 0,3%, т.е. около 3 Гц [14, 49].

Музыкальным звукам, включающим несколько частот, также можно приписать определенную высоту; обычно ее считают такой же, как у чистого тона с основной частотой звука [25].

Обычный музыкальный звукоряд делится на октавы; одноименные звуки соседних октав различаются по часто-

те вдвое. Темперированная октава делится на 12 ступеней, каждая из которых отличается от последующей по частоте

в = 1,0595 раз. Эта разница существенно выше

упомянутого порога различения частот. Тем не менее для различения двух одновременно звучащих чистых тонов необходима значительно большая их разница по частоте, чем когда они следуют один за другим [17, 25, 49]. Очевидно, для этого два стимулируемых одновременно участка внутреннего уха (см. с. 291) должны быть разделены определенным минимальным расстоянием.

Отсюда вытекает концепция «критической частотной полосы». Например, установлено, что слуховая система не способна различать чистые тоны в пределах трети октавы (это и есть критическая полоса); они сливаются, создавая ощущение одного звука. С увеличением в этом частотном диапазоне числа составляющих звук компонентов увеличивается только субъективная громкость, однако высота тона, воспринимаемая человеком, не меняется. Таким образом, звуковая энергия в критической полосе суммируется, вызывая единое ощущение.

Критическая полоса - удивительно широка: нельзя различить два одновременно звучащих чистых тона, разделенных почти третью октавы. В случае смешанных тонов ситуация, конечно, иная: легко определить, когда две соседние клавиши фортепиано нажаты одновременно, поскольку не все гармоники, накладывающиеся на основную частоту каждой ноты, входят в единую критическую полосу.

В пределы слышимости человека укладывается около 24 критических полос. Более подробно этот вопрос рассмотрен в работах [17, 49].

Когда два тона звучат одновременно, пороги слышимости обоих меняются. Например, на фоне постоянного тона частотой 500 Гц с УЗД 80 дБ другие тоны с силой звука, соответствующей порогу их слышимости на рис. 12.8, не воспринимаются. Для их слышимости необходим значительно более высокий УЗД, в частности около 40 дБ для частоты 1 кГц [17, 49]. Это явление называется маскированием. Оно имеет большое практическое значение, поскольку в повседневной жизни важная акустическая информация, например разговор, может настолько маскироваться фоновым шумом, что становится совершенно непонятной. Более подробно психоакустические феномены описаны в работах [17, 25, 49].