6. Психоакустика, её основные цели и задачи.

Психоакустика это наука о количественных зависимостях между внешними стимулами (физическими параметрами звука) и ощущениями (психологическими параметрами), которые они вызывают. Психоакустика занимается изучением воздействия всех видов звуков на сенсорные органы слуха ( в том числе шумов, сигнальных звуков и др.), изучая музыкальные звуки, она входит как составная часть в музыкальную акустику. Как самостоятельное направление внакки она начала своё развитие в конце 19 – начале 20 века. Основные этапы её развития связаны с трудами таких известных учёных как Ом, Гельмгольц, Флетчер, Пломп, Мур. Установление связей и определение количественных соотношений между такими субъективными параметрами, как высота, громкость, тембр маскировка, локализация и т.д., и есть одна из основных задач психоакустики. Исследования Вебера, Фехнера и Стивенса послужили базой для многочисленных исследований в области психоакустике, позволивших установить к концу 20 века количественные связи с физическими параметрами для таких субъективных ощущений звука как громкость, высота, локализация, маскировка тембр (частично).

Слуховую систему условно можно разделить на две подсистемы: периферическую часть и высшие отделы, включающие слуховые зоны коры головного мозга, центральные слуховые пути.

Периферийная часть: ушная раковина, слуховой проход, барабанная перепонка, молоточек, наковальня, стремечко, улитка…

Высшие отделы слуховой системы выполняют функции логического процессора, который выделяет (декодирует) полезные звуковые сигналы на фоне шумов, группирует их по определённым признакам, сравнивает с имеющимися в памяти образами, определяет их информационную ценность, производит смысловую расшифровку, формирует целостный звуковой образ, принимает решение об ответных действиях.

Ушная раковина играет роль дифракционного фильтра, изменяя характеристику сигнала в области 3-10 кГц и формируя определённую характеристику направленности слуховой системы. Это позволяет обеспечить локализацию сигналов в горизонтальной плоскости с точность 3 градуса и в вертикальное плоскости – 10-12.

Слуховой канал защищает барабанную перепонку от механических повреждений, согласовывает акустические сопротивления барабанной перепонки и внешней среды и повышает чувствительность слуха в области средних частот за счёт продольных резонансов. Первый резонанс будет на частоте 2870 Гц, второй на 8610 Гц. Совместное действие ушной раковины, головы и слухового канала за счёт дифракционных и резонансных эффектов позволяет усилить звук. Поступающий на барабанную перепонку , на 15-20 дБ в области 2-5 кГц в зависимости от угла его падения.

Барабанная перепонка. Тонкая полупрозрачная мембрана, которая отделяет слуховой канал от среднего уха. Средняя часть представляет собой внутренний конус, вершина которого сращена с рукояткой молоточка. Звуковые волны, попадающие в слуховой проход, вызывают колебания барабанной перепонки, которая на своих резонансных частотах так же усиливает звук. Именно здесь происходит преобразование акустического сигнала в механические колебания мембраны, которые дальше обрабатываются и преобразуются в среднем и внутреннем ухе.

Среднее ухо представляет собой воздушную полость, в которой находятся три маленькие косточки: молоточек, наковальня и стремечко. Молоточек прикреплён своим основанием к барабанной перепонке, наковальня с одной стороны подвижно скреплена с молоточком, с другой со стремечком, которое передаёт звуковую энергию во внутреннее ухо через овальное окно. Среднее ухо выполняет три функции: согласование импеданса воздушной среды с жидкой средой внутреннего уха (улитки); усиление звука за счёт рычажного механизма работы косточек; защиту внутреннего уха от громких звуков за счёт акустического рефлекса.

Внутреннее ухо (улитка) представляет собой конусообразную трубку переменного сечения, расположенную в височной кости. Общий механизм преобразования звукового сигнала во внутреннем ухе заключается в следующем: после того как звуковые волны прошли звуковой канал и вызвали механические колебания барабанной перепонки, они через систему косточек трансформируются в движение стремечка, а оно в свою очередь толкает мембрану овального окна и вызывает движение жидкости (импульс давления), которая переливается из верхней половины в нижнюю барабанную лестницу через геликотрему и оказывает давление на перепонку круглого окна, вызывая при этом его смещение в сторону, противоположную движению стремечка. Движение жидкости вызывает колебания базилярной мембраны, в которой возникает бегущая волна, перемещающаяся от основания к вершине (к геликотреме).Исследования Г. Бекши показали, что место расположения её максимумов зависит от частоты звука. Для низких звуков максимумы располагаются вблизи вершины мембраны, для высоких – вблизи её основания. Именно таким способом происходит предварительный спектральный анализ звукового сигнала.

Дальнейшее преобразование механических колебаний в электрические разряды в нервных волокнах происходит в волосковых клетках, изгиб ресничек и стимулирует возникновение в них электрического потенциала. Это в свою очередь, генерирует поток дискретных электрических импульсов в нервных волокнах слухового нерва, передающего таким образом информацию в высшие отделы головного мозга.

7. Пороги слуха – порог слышимости, болевые пороги, пороги по частоте, пороги по времени.

Слуховым порогом называется установленный предел возникновения слуховых ощущений. Является в настоящее время одной из самых актуальных проблем в аудио технике, т.к. технические возможности значительно выросли, а возможности слуховой системы практически не изменились (чувствительность в настоящее время даже несколько снизилась).

Абсолютные слуховые пороги определяются минимальным значением объективного параметра звукового сигнала (интенсивность, частота длительность), при котором возникают слуховые ощущения. Они характеризуют чувствительность слухового аппарата к данному параметру: чем ниже слуховой порог, тем выше чувствительность. Определяются, прежде всего, по следующим объективным параметрам звукового сигнала: интенсивности (звуковому давлению), частоте и длительности.

Абсолютный порог слышимости определяется как «минимальный уровень звукового давления (в дБ), при котором возникает слуховое ощущение». Он характеризует чувствительности слуха к интенсивности звуковой энергии. Величина порога зависит от особенностей звукового сигнала, параметров звукового источника. Опыты проводятся в условиях свободного поля (т.е. в заглушенной камере), где звуковой сигнал подается через громкоговоритель, помещённый перед слушателем, или с помощью сигналов, подаваемых на телефоны. Порог слышимости изменяется в очень широких пределах в зависимости от частоты. Наибольшей чувствительностью слух обладает в области частот 2500-3000 Гц, где порог слышимости имеет наименьшую величину. Следует отметить, что при бинауральном слушании слуховые пороги на 3 дБ ниже, чем при моноауральном.

Если перемещать ГГ под разными углами к голове слушателя, то абсолютные пороги существенно меняются в зависимости от его азимутального положения. что объясняется фильтрующим влиянием ушной раковины и головы за счёт дифракционных эффектов. Пороги при предъявлении сигнала через телефоны получаются выше, т.е. слуховая система чувствительней к сигналам, поступающим из свободного внешнего пространства. Это объясняется фильтрующим действием ушной раковины и слухового канала. Пороги слышимости отличаются у индивидуальных слушателей в зависимости от возраста, состояния слуховой системы и наличия заболеваний. АПС зависят от длительности предъявляемого сигнала: если длительность сигнала мала (меньше 250 мс), пороги возрастают, причём скорость этого возрастания зависит от частоты. Это связано с особым свойством слуховой системы, называемым временной интеграцией. Чем короче сигнал, тем больше должна быть его интенсивность.

Болевой порог и область слышимости. Ограничение области слухового восприятия со стороны громких звуков, хотя и не такое чёткое, как порог слышимости. 10 Па-100дБ – порог неприятного ощущения. Начинаются нелинейные свойства слуха, ухо теряет свою чувствительность. При достижении 60-80 Па (132 дБ) возникает ощущение давления на уши – порог осязания. Давление в 150-200 Па (140 дБ) – болевой порог. Частотная зависимость болевого порога и общая область слышимости, ограничивается по частоте и интенсивности. Громкие звуки с уровнем выше 100 дБ приводят к изменению порогов слуха и к необратимым изменениям свойств слуховой системы вплоть до полной глухоты. Процесс восстановления обычных порогов слышимости, после воздействия громких звуков высокой интенсивности может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется временный сдвиг порога слуховой чувствительности, или «постстимульное утомление». Этот сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причем наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала. Величина сдвигов порогов пропорциональна логарифму времени воздействия (поэтому и нормируется время прослушивания в день). Однако если время нахождения под воздействием громких звуков превышает допустимые нормы, то полного восстановления порогов чувствительности не происходит, постепенно чувствительность слуха снижается, что может привести к полной глухоте, особо опасной, потому что она связана с повреждением волосковых клеток и поэтому практически не поддаётся лечению. На самых низких и высоких частотах болевой и абсолютные пороги слышимости пересекаются, т.е. чтобы достичь порогов слышимости, требуются настолько высокие уровни звукового давления, что они совпадают сразу с болевыми порогами, не создавая ощущения «звука». Только звуки попадающие в диапазон частот 20-20000Гц. Воспринимаются в виде слуховых ощущений.

Дифференцированные слуховые пороги определяются способностью обнаружить небольшие различия между сходными по тем же объективным параметрам звуками. Дифференциальные слуховые пороги определяют (JND) разрешающую способность слуховой системы по интенсивности (амплитуде), по частоте и длительности звука.

При сравнении 2 синусоидальных сигналов одинаковой частоты, но разной интенсивности (громкости), их разница в уровнях принимается за амплитудный дифференциальный слуховой порог. Разница в уровнях существенно зависит от частоты сигнала: наименьшие значения получаются на средних частотах (500-4000 Гц), на низких и высоких частотах они возрастают: для частоты 1000 Гц составляет 0,8 дБ, а для частоты 200Гц – 1,3 дБ при общем уровне 60 дБ. Кроме того, они сильно зависят от общего сигнала: чем громче сигнал, тем меньшую разницу между сигналами можно услышать.

При использовании амплитудно-модулированного синусоидального сигнала, наибольшая чувствительность слуха отмечена при частотах модуляции около 4000Гц. Амплитудная разрешающая способность слуха зависит от уровня громкости звука. На частоте 1000 Гц для звуков с уровнем 80 фон заметно изменение давления на 3%, в то время как модуляция давления для тихих звуков (40 фон) становится заметна лишь при изменении на 10 %.

В результате для чистых тонов с уровнями звукового давления от 40-до 80 дБ амплитудные дифференциальные слуховые пороги в области средних частот, измеренные обоими способами, оказались в интервале от 0,5 до 1 дБ.

Для сложных музыкальных сигналов дифференциальные пороги существенно зависят от вида музыкальных программ, от опыта слушателя, свойств помещения и т.д. Учитывая, что динамический диапазон слуховой системы примерно 120 дБ, при такой тонкой дифференциальной чувствительности слуха можно применять достаточно много градаций по громкости при создании музыкальных композиций. Современные компьютерные технологии позволяют использовать 128 градаций громкости.