8. Бинауральный слух – бинауральное слияние, бинауральная демаскировка.

Наличие двух приёмников слуха обеспечивает человеку возможность воспринимать пространственный звуковой мир и оценивать перемещение звуковых сигналов в пространстве. Информация, которая поступает на оба слуховых канала, обрабатывается в периферической части слуховой системы и затем передаётся в высшие отделы головного мозга, где за счёт сравнительного анализа этой информации из двух разных каналов формируется единый пространственный слуховой образ.

Наличие бинаурального слуха, даёт человеку огромные преимущества:

1. локализация сигналов, как от одиноких, так и от множественных источников, что позволяет формировать пространственную перспективу и оценивать пространственное звуковое поле.

2. Разделение сигналов, приходящих от разных источников из разных точек пространства.

3. Выделение сигналов выбранного звукового источника на фоне других звуковых сигналов, например выделение прямого звука на фоне реверберирующих сигналов в помещении, выделение речи на фоне шумов и т.д.

К числу основных свойств бинаурального слуха можно отнести: пространственную локализацию, эффект предшествования, бинауральную суммацию громкости, бинауральную демаскировку, бинауральное биение и слияние звуков, эффекты правого и левого уха при восприятии речи и музыки и др.

Бинауральная пространственная локализация. Способность отчетливое воспринимать и разделять расположение источников сигнала в горизонтальной плоскости и по глубине, а так же ощущать пространственность окружающего звукового образа. Механизмы локализации в горизонтальной, вертикальной плоскости и по глубине имеют существенные отличия.

Горизонтальная (азимутальная) локализация: Пространственная разнесённость двух слуховых приёмников и экранирующее влияние головы и торса за счёт дифракционных эффектов приводят к значительным различиям между сигналами, поступающими на правое и левое ухо, что позволяет произвести локализацию звукового источника в пространстве, обусловленную тремя физическими факторами:

1. временнОй (ITD) – возникает из-за несовпадения по времени моментов прихода одинаковых фаз звуковой волны к левому и правому уху.

2. интенсивностный (IDD) – возникает из-за неодинаковой величины интенсивностей звуковой волны, вследствие дифракции её вокруг головы и за счёт образования «акустической тени» со стороны, обратной источнику звука. Наибольшая разность уровней интенсивности (звукового давления), действующих на левое и правое ухо, возникает при боковом положении источника. Из-за анатомических особенностей головы и слуховой системы человек не в состоянии локализовать источники сигнала с частотой ниже 300 Гц, т.к. длина волны слишком велика. На частотах от 300 до 1500 Гц локализация определяется благодаря разности фаз. На частотах выше 1500 Гц длина волны становится слишком маленькой и разность фаз здесь не работает, Определение происходит за счёт громкости.

Исследования ошибок при локализации положения синусоидального источника показали, что наибольшие ошибки совершаются в области 2000-4000 Гц, где по-видимому, происходит смена механизмов локализации от временного к интенсивностному. Максимальная угловая различимость источников достигается на оси в передней плоскости перед испытуемым; минимальная – когда иточники находятся точно справа или слева от испытуемого. В последнем случае возникает так называемый «конус неопределённости» с каждой стороны уха. Внутри него изменение положения источника звука не вызывает соответствующего ощущения ( поскольку при расположении источника сбоку получается большая разница и в интенсивности и во времени, и небольшие сдвиги источника дают малое относительное изменение общей разности), поэтому для улучшения локализации очень важно движение головы, так как оно изменяет положение конуса и уменьшает его влияние.

3. спектральный – возникает из-за разницы в спектральном составе звуков, воспринимаемых левым и правым ухом, вследствие неодинакового экранирующего влияния головы ушных раковин на низкочастотные и высокочастотные составляющие сложного звука.

Наибольшая острота локализации достигается при восприятии сложных звуков и звуковых импульсов, когда, кроме временного и интенсивностного фактора сказывается ещё и спектральный фактор. Например, если звук приходящий под углом 90 градусов на ближайшее ухо, содержит как низкочастотные, так и высокочастотные составляющие , то в спектре звука, действующего на дальнее ухо, высокочастотных составляющих будет меньше, так как на этих частотах оказывает влияние теневое действие головы, кроме того, сами ушные раковины производят сложную фильтрацию звука, зависящую от его частоты. Существенное значение для локализации имеет так же энергия переходных процессов, причём наибольшее значение имеет наличие в звуке низкочастотных составляющих переходного процесса. Поэтому при прослушивании музыкальных и речевых сигналов изменение спектрального состава сигнала (а следовательно, и его тембра) в зависимости от расположения источника помогает в его локализации.

В целом анализ способности к локализации в горизонтальной плоскости показывает, что наименьший ощутимый угол отклонения источника при восприятии звуковых импульсов составляет около 3 градусов. Эту величину следует считать угловой , или бинауральной, разрешающей способностью слуха. Однако слух замечает угловое смещение на 3 гр., но при определении направления совершает ошибку в среднем на 12 гр. Поэтому точность локализации имеет величину 12 гр. Для источников, находящихся в передней полуплоскости; для источников, расположенных позади слушателя, эта точность ещё меньше.

Вертикальная (высотная) локализация. способность определять направление прихода звука в вертикальной плоскости у человека развита значительно слабее, чем в горизонтальной. Она составляет 10-15 гр. (по сравнению с 3 гр. в горизонтальной). Эту способность связывают обычно с ориентацией и формой ушных раковин. Ушная раковина действует как фильтр внося максимальные искажения в области 6-16 кГц, причём форма этих искажений зависит от того, спереди или сзади находится источник звука и под каким углом подъема он расположен в медианной плоскости. Зависимость АЧХ звукового давления, поступающего на барабанную перепонку левого и правого уха, от положения источника используется для сравнения спектральных компонентов сигнала в вертикальной плоскости.

Глубинная локализация (оценка расстояния до источника). Чувствительность слуха к расстоянию до источника имеет жизненно важное значение. Среди основных факторов, определяющих оценку глубины, можно выделить следующие:

1. уменьшение уровня звукового давления с расстоянием – на низких частотах, где длина волны большая любой источник можно считать точечным и звуковые волны вокруг него сферическими. В сферической волне давление падает обратно пропорционально расстоянию, т.е. на 6 дБ при каждом удвоении расстояния. Однако при проведении эксперимента оказалось что ощущение удвоения расстояние до звукового объекта возникает только при уменьшении уровня звукового давления на 20 дБ ( а не на 6 дБ, как при объективном измерении). При этом точность локализации оказывается небольшой: ошибка составляет от 3,5 см до 30 см при изменении расстояния от 1 до 8 м для широкополосного сигнала. Если при увеличении расстояния повышать напряжение на громкоговорителе так, чтобы уровень звукового давления у слухового канала слушателя не менялся, то способность определять расстояние до источника исчезает. Таким образом, при отсутствии визуального контроля в условиях свободного поля решающим признаком, по которому оценивается расстояние до источника, является уровень звукового давления в месте расположения слушателя.

2. затухание звука, которое начинает сказываться при больших расстояниях, проходимых звуковой волной (больше 15 м). При этом высокочастотные составляющие затухают быстрее и спектральный состав сигнала при удалении источника меняется. Возможности слуха при определении глубины расположения источника ограничены, имеется «акустический горизонт».

3. на близком расстоянии (менее 3 м) на глубинную локализацию начинает оказывать влияние также дифракция на ушной раковине и голове, т.е. сказываются разности уровней интенсивностей (выше 1500 Гц) и временные задержки (ниже 1500 Гц). Как и в предыдущих случаях.

4. существенную роль для глубинной локализации играет личный опыт: если слушателю знаком сигнал или если он имеет возможность сделать визуальную оценку, тогда точность глубинной локализации многократно увеличивается.

5. точность глубинной локализации звукового источника значительно повышается в закрытом помещении. При перемещении звукового источника по глубине меняется отношение энергии прямого звука и энергии отраженного (реверберационного) звука, что помогает точнее определить расстояние до источника. Важнейшее значение имеет также разность по времени между приходом прямого звука и приходом первых отражений и соотношение их по уровням.

Таким образом, слуховой аппарат, используя разные механизмы обработки звуковых сигналов. Имеет возможность определить (локализовать) положение звукового источника в трёхмерном пространстве.

Бинауральная демаскировка. Под этим понимается снижение порога маскировки при выделении отдельных звуков из их общей окружающей звуковой среды. Он проявляется в том, что на фоне общего разговора (шума) можно выслушать интересующий слушателя разговор. Для объяснения этого явления было рассмотрено несколько вариантов подачи сигнала и шума на два слуховых приёмника: если подобрать комбинацию сигнала и шума с такими уровнями, что сигнал будет полностью замаскирован шумом, и подать его через стереотелефоны на одно ухо или на оба уха, то в обоих случаях сигнал невозможно будет услышать на фоне шума. Если послать в одно ухо идентичный шум, а в другое ухо сигнал и шум, тогда маскированный до этого сигнал вновь будет услышан и его уровень повышается субъективно на 9 дБ. Этот эффект и называется бинауральной демаскировкой. Суш и сигнал локализуется в разных местах головы: шум – в середине головы, сигнал – ближе к одному уху. Получается, что шум и сигнал слышны в разных местах и сигнал сразу обнаруживается из-за разной субъективной локализации.

В условиях экспериментальной ситуации слышимость маскированного сигнала можно ещё увеличить путём изменения фазы шума в одном ухе на противоположную по отношению к шуму в другом ухе или изменения фазы сигнала в одном ухе на противоположную. Результаты были получены как для тональных так и для речевых сигналов. Если определить «разность уровня маскировки» как различие в порогах маскировки при передаче разных сигналов или одинаковых сигналов на оба уха, то величина этой разности и определяет количественно уровень бинауральной демаскировки. Величина разности уровня маскировки в зависимости от изменения параметров сигнала и шума колеблется от 0 до 15 дБ. Наибольшая разность уровня маскировки обнаружена при противоположных по фазе в обоих ушах сигналах или шумах. Если сдвиг по фазе (например, для шума) меньше, то разность уровня маскировки уменьшается до 3-10 дБ. В случае подачи в оба уха одинакового шума, но разного по фазе сигнала величина разности уровня маскировки оказывается наибольшей для низких частот – около 15 дБ при 250 Гц; по мере нарастания частоты она уменьшается до величины в 3 дБ в области 1500-2000 Гц.

9. Критические полосы слуха. Зависимость ширины критических полос от частоты. Использование в современных системах компрессии сигнал.

Во внутреннем ухе происходит спектральный анализ поступившего звукового сигнала; при этом каждой частоте соответствует своё место максимального смещения базилярной мембраны, что аналогично механизму обработки сигнала линейкой полосовых («слуховых») фильтров, которые получили название «критические полосы слуха».

Ширина критических полос примерно соответствует ширине полосы пропускания слуховых фильтров и меняется в зависимости от частоты в соответствии с кривой. Если совместить критические полосы в один ряд, то их в слышимом диапазоне оказывается 24, каждой из них соответствует расстояние на базилярной мембране примерно 1,3 мм. Переход от одной критической полосы к другой соответствует изменению высоты тона в 100 мел, или 1 барк. С увеличением амплитуды сигнала возбуждение мембраны становится всё более несимметричным, и площадь критической полосы расширяется, поэтому широкополосный сигнал кажется громче, чем узкополосные сигналы с таким же уровнем звукового давления.

Внутри каждой критической частоты происходит интеграция энергии независимо от вида звукового сигнала. Отрезок шума или тональные сигналы, если они находятся внутри критической полосы и имеют одинаковый уровень интенсивности (звукового давления), создают одинаковый уровень громкости. Поэтому когда звуковой сигнал имеет сложный спектральный состав или одновременно звучат несколько сигналов, определение их суммарной громкости происходит тремя различными способами в зависимости от соотношения их частот:

1. сигналы близки по частоте (т.е. находятся внутри одной критической полосы), для определения создаваемой им суммарной громкости необходимо сложить их интенсивности и по суммарному значению уровня звукового давления, соответствующего этой суммарной интенсивности, определить из кривых равной громкости уровень громкости в фонах, а затем пересчитать в значение громкости в сонах. Для этого случая сформулировано правило: при увеличении общего уровня звукового давления сигналов с близкими частотами на 10 дБ воспринимаемая громкость удваивается.

2. сигналы имеют разность частот шире критической полосы (их взаимным маскированием можно пренебречь), тогда действует другое правило: суммарная громкость равна сумме громкостей каждого из составляющих.

3. частоты различных сигналов разнесены по частоте друг от друга достаточно далеко, тогда определение суммарной громкости значительно усложняется: слушатель обычно фокусирует своё внимание на каком-то одном компоненте – или самом громком, или одном из самых высоких, - назначая общую громкость суммарного сигнала примерно равной этому компоненту.

4. значительно более сложный метод для оценки громкости реальных звуковых сигналов (шума, музыки ит.д.) был разработан Е. Цвиккером. Он позволяет оценить громкость сложного сигнала с учётом взаимной маскировки его составляющих.

Таким образом, ощущаемая громкость сложного звука зависит не только от его уровня интенсивности, но и от его спектрального состава, что очень важно учитывать при создании музыкальной композиций: например, звучание инструмента можно сделать более громким при сохранении того же уровня звукового давления за счёт изменения его спектра ( при этом, правда, произойдёт и изменение тембра, так что всё нужно делать в разумных пределах).

Определение громкости сложных звуков представляет собой сложный многоступенчатый процесс, зависящий от спектрального состава, длительности и других параметров звуковых сигналов.

10. Процесс установления и спада звукового поля в помещении. Акустическое отношение и радиус гулкости.

Область пространства, в котором распространяются звуковые волны, называется звуковым полем.

Звуковые поля, излучаемые различными источниками (рояль, певец, ансамбль и т.д.) могут иметь очень сложную структуру. Для описания структуры звукового поля пользуются следующими понятиями:

1. фронт звуковой волны – поверхность, соединяющая точки среды находящиеся в одинаковой фазе колебаний (например, круги на воде от расходящейся волны);

2. звуковой луч – линия, перпендикулярная фронту волны и направленная в сторону распространения звуковых волн.

Для упрощения анализа структуры звуковых полей обычно пользуются следующими приближёнными понятиями: звуковое поле сферической волны, плоской волны, цилиндрической волны.

звуковое поле сферической волны – в области низких частот, где длина звуковой волны велика по отношению к размеру источника (например, на частоте 40 Гц, где длина волны равна 8,5 м, практически любой источник звука будет иметь размеры меньше длины волны), можно считать источник сигнала точечным, а расходящуюся вокруг него трёхмерную звуковую волну – сферической. Фронт такой волны представляет собой сферу, в центре которой находится источник звука, а звуковые лучи совпадают с радиусами.

Полная звуковая энергия (или мощность), излучаемая точечным источником, распространяется по всем направлениям равномерно и не меняется при удалении от источника (если не считать потери на вязкость, теплопроводимость и др.).

Интенсивность звука уменьшается с расстоянием, т.к. площадь поверхности расходящихся сфер увеличивается. Таким образом, интенсивность звуковой волны уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Уровень звукового давления уменьшается на 6 дБ каждый раз, когда расстояние до источника увеличивается. Следует так же отметить, что в сферической волне удельное акустическое сопротивление имеет комплексных характер, его модуль зависит от сдвига фазы между звуковым давлением и скоростью частиц. Сдвиг фаз зависит от длины волны и имеет существенное значение только на низких частотах.

Звуковое поле плоской волны – если длина волны становится значительно меньше размеров источника или если расстояние до источника увеличивается, то можно сферическую волну приближённо заменить плоской (радиус кривизны фронта становится настолько большим, что можно не учитывать его кривизну и заменить на плоскость). В плоской волне фронты звуковой волны – это плоскости, идущие друг за другом, звуковые лучи идут параллельно и при этом интенсивность и звуковое давление не зависят от расстояния.

На больших расстояниях звуковое поле от любого источника можно считать плоским.

В плоском звуковом поле удельное акустическое сопротивление среды чисто активное, т.е. никакого сдвига фазы между давлением и скоростью в плоской волне нет. Обычно данные, которые приводятся по удельному акустическому сопротивлению в различных средах, относятся именно к звуковому полю плоской волны.

Звуковое поле цилиндрической волны: если источник звука сильно вытянут в одном направлении (примером может служить звуковая колонка), то вокруг него формируется звуковое поле цилиндрической волны. В нем фронты звуковой волны представляют собой цилиндрические поверхности увеличивающихся размеров, звуковые лучи направлены по радиусу цилиндра. В таком поле интенсивность звука убывает обратно пропорционально расстоянию.

Реальное звуковое поле в помещении можно приближённо считать диффузным, только если энергия отражённых волн превышает энергию прямых волн.

Диффузное звуковое поле, предполагает, что энергия распределяется равномерно по всему объему помещения, т.е. поле однородное и изотропное.

1. средние по времени значения плотности звуковой энергии во всех точках помещения равны (это свойство называется однородностью).

2. направления прихода потоков энергии в каждой точке поля равновероятны и среднее значение энергии по различным направлениям одинаковы (это свойство называется изотропностью).

Когда источник звука начинает работать в замкнутом помещении, то происходит сложный процесс формирования звукового поля в нём – за счёт отражений от стен, потолка, пола и т.д. При этом звуковая энергия частично поглощается за счёт затухания в воздухе, в стенах и различных предметах, находящихся в помещении, а так же за счёт прохождения звука во внешнюю среду. Кроме того, имеет место процесс дифракции звуковых волн при наличии различных препятствий (сравнительно небольших размеров) внутри помещения – колонн, экранов, кресел.

В каждую точку помещения, например в ту, где находится микрофон или слушатель, приходит сначала прямой звук, затем первые отражённые звуки с некоторой задержкой во времени, затем двух-, трёх- и четырёхкратно отражённые звуки и т.д.. При каждом отражении часть энергии поглощается, а часть приходит в рассматриваемую точку и накладывается на прямой звук.

При этом происходит постепенный процесс нарастания плотности энергии в каждой точке. Но так как при каждом следующем приходе величина прибавки энергии уменьшается, поскольку за счёт поглощения отражённые звуки приходят всё с меньшим уровнем энергии, то через некоторый промежуток времени (называемый временем атаки) наступает установившийся режим. В этом режиме источник звука работает и восполняет ту часть энергии, которая поглощается стенами, мебелью воздухом и т.д., поэтому в помещении уровень плотности энергии устанавливается постоянным.

Если источник выключить, то происходит постепенный процесс спада энергии: сначала пропадает прямой звук, затем первые, вторые и т.д. отражения. Этот процесс послезвучания называется реверберацией, а время, в течении которого он происходит, - временем реверберации. Характер этого процесса зависит от размеров и формы помещения, от звукопоглощающих свойств поверхностей ( чем больше поглощается звук, тем короче время реверберации). Хорошо известно на практике, что в больших помещениях, отделанных твёрдыми материалами (кирпич, камень), звук гулкий, т.е. не исчезает сразу, а постепенно, медленно затухает. В таких помещениях речь звучит неразборчиво, но зато прекрасно может звучать органная музыка (например, в соборах). В помещениях, где много мебели, людей и д.р., звук затухает быстро; в переглушенном помещении звук становится сухим и глухим, музыкальное исполнение лишается сочности и выразительности.

От соотношения этих трёх периодов по длительности, а так же от структуры отражённых звуков ( их количества, соотношения амплитуд, направления прихода и др.) у слушателя и формируется субъективные ощущения «акустики» зала, т.е. ощущение пространственности, баланса, полноты, жизненности и т.д.

Для учёта взаимодействия прямого и отражённых звуков в реальном помещении было введено понятие «акустическое отношение», которое определяется как отношение плотности диффузной звуковой энергии к плотности энергии прямого звука. Акустическое отношение зависит от расстояния до источника, объёма помещения, времени реверберации в нем и среднего поглощения в помещении. Акустическое отношение (R) определяется для разных точек помещения. Оптимальное его значение для речи составляет примерно 0.5-1, для музыки – 6-8, ля органной музыки 10-12. Если R больше этих пределов, то речь становится неразборчивой, а музыка звучит слишком гулко; если R меньше 2, то музыка кажется слишком сухой. Поэтому в каждом зале имеются оптимальные расстояния для прослушивания речи и для прослушивания музыки.

На определённом расстоянии, где плотность энергии отражённых звуков равна плотности энергии прямого звука, акустическое отношение становится равным единице. Такое расстояние называется радиусом гулкости.

Радиус гулкости (иногда он обозначается как «радиус реверберации») связан с объемом помещения и временем реверберации следующим приближённым отношением (для направленного источника).

При расстояниях больше радиуса гулкости в помещении преобладает энергия диффузного звука, и для определения времени реверберации можно применять формулы Сэбина и Эйринга.

На расстояниях меньше радиуса гулкости субъективно ощущаемое время реверберации будет меньше, чем время стандартной реверберации, поскольку слушатель находится в основном в зоне прямого звука. Поэтому на основании субъективных экспертиз было введено «время эквивалентной реверберации».

При R больше 3, время эквивалентной реверберации будет равно времени стандартной реверберации. При малых R, т.е. ближе к источнику, время эквивалентной реверберации будет меньше стандартного времени реверберации, что лучше соответствует слуховым ощущениям.