2.2. Особливості слухового сприйняття звукових коливань

Орган слуху людини – це своєрідним звуковий приймач, і сприймання звуку людиною має деякі особливості, знання яких необхідне для вироблення технічних вимог до апаратури звукового мовлення.

Орган слуху людини складається із зовнішнього, середнього і внутрішнього вуха, причому зовнішнє і середнє вухо служать для передачі звукових коливанні до слухового аналізатора – равлика, що знаходиться у внутрішньому вусі. Равлик має декілька тисяч слабо пов'язаних між собою нервових волокон і близько 22 000 нервових закінчень. Під час збудження волокон відбувається роздратування нервових закінчень, які одразу ж починають посилати імпульси в слуховий центр мозку, викликаючи тим самим звукове відчуття.

Звукові коливання, що діють на вухо людини, можуть бути простими синусоїдальними (прості звуки) і складними. Останні є неперіодичними коливаннями з випадковим законом змінювання амплітуди і частоти.

Сприйняття простих звуків вухом людини таке.

Вухо людини здатне сприймати звуки в діапазоні звукових частот від 16... 20 до 20000 Гц.

Частоти, нижчі за 16 Гц називаються інфразвуковими, а вищі за 20 кГц – ультразвуковими. В діапазоні чутних частот вухо відчуває не всяке змінювання частоти звуку, оскільки число нервових закінчень, розташованих у внутрішньому вусі, обмежено. Існує диференціальний поріг відмінності звуків за частотою – мінімально помітна на слух різниця частот двох звуків однакової інтенсивності: в області низьких і високих частот вухо відчуває змінювання частоти в середньому на 4%, а в області середніх частот – на 0,2 ... 0,3%.

Змінювання частоти відчувається вухом як змінювання висоти звуку.

Одиницею вимірювання висоти звуку є октава, якій відповідає інтервал частот, верхня межа якого в 2 рази перевищує нижню. Октава є крупним інтервалом змінювання висоти звуку (в діапазоні звукових частот вухо сприймає всього 10 октав). На практиці використовуються менші інтервали, наприклад, півтони (1/12 октави).

Вухо людини може реагувати в діапазоні звукових частот на звукові коливання, які відповідають лише певній силі подразнення, під якою розуміють інтенсивність звуку або звуковий тиск.

Найменше значення силі подразнення чистого тону, яке викликає відчуття звуку, називається порогом чутності (рос. мовою – порог слышимости).

Поріг чутності індивідуальний для різних людей, він залежить від їх віку, методів вимірювань і частоти.

За наслідками ряду вимірювань прийнята крива залежності порогу чутності від частоти (рис. 2.1).

Порогу чутності на частоті 1000 Гц відповідає звуковий тиск р = 2·10^–5 Па, що становить лише 2·10^–10 атмосферного тиску. Для появи слухового відчуття на низьких і високих частотах необхідний більший звуковий тиск, ніж на середніх частотах.

Поступове збільшення амплітуди сили подразнення призводить до збудження більшого числа нервових закінчень, що суб'єктивно сприймається як змінювання гучності звучання. Зростання гучності звучання може призвести до дії подразнення і, врешті-решт, до відчуття болю у вухах.

Максимально допустиме значення сили подразнення чистого тону, яке викликає больове відчуття, називається порогом больового відчуття (рос. мовою – порог болевого ощущения).

Рис. 2.1 Крива залежності порогу чутності від частоти

Між порогом больового відчуття і порогом чутності знаходиться область слухового сприйняття. Дослідження, проведені на великих групах людей, показали, що в області слухового сприйняття одному і тому ж самому значенню звукового тиску на різних частотах відповідають різні значення гучності звучання. Для кількісної оцінки сприйняття на різних частотах гучність досліджуваного звуку на слух порівнювали з гучністю еталонного звуку з частотою 1000 Гц. Отримана таким чином величина називається рівнем гучності, що виміряється у фонах.

Результати порівняння гучності графічно представлені на рис. 2.1 у виді сімейства кривих рівної (однакової) гучності. Кожна крива – це геометричне місце точок, що зображають однаково гучні тони різних частот. Криві однакової гучності в області малих значень звукового тиску значною мірою залежать від частоти і зі збільшенням звукового тиску випрямляються.

Отже, при малих амплітудах звукового тиску слух має неоднакову, а при великих – приблизно однакову чутливість на різних частотах, що може призвести до зменшення гучності звучання низьких і високих частот, якщо раніше записана передача прослуховується на більш низькому рівні гучності.

Для усунення цього недоліку у високоякісній апаратурі мовлення при зменшенні коефіцієнта посилення змінюють закон регулювання регулятора посилення: низькочастотні і високочастотні складові послаблюють у меншій мірі, ніж средньочастотні складові сигналу. Такі регулятори називають тонокомпенсувальними регуляторами.

Важливою особливістю слухового сприйняття є так званий бінауральний ефект – ефект слухання двома вухами, завдяки чому слухач здатний визначати напрям приходу звуку.

На низьких частотах бінауральний ефект виникає за рахунок відмінності фаз, а на більш високих частотах – за рахунок відмінності амплітуд (внаслідок екрануючої дію голови) звукових коливань. Людина визначає напрям приходу звукових коливань в горизонтальній площині з точністю до 3...4°, а при переміщенні джерела звуку у вертикальній площині точність набагато менша – 40... 50°.

Ефект маскування – це ще одна особливість слухового сприйняття. Цей ефект, який спостерігається при одночасному звучанні декількох джерел звуку, проявляється в тому, що відбувається підвищення порогу чутності маскованого «корисного чистого тону» порівняно з порогом чутності його в тиші. Ефект маскування помітніший у разі однакових частот маскованого і маскуючого (тобто такого, що заважає) чистих тонів. Низькочастотні чисті тони сильніше маскують високочастотні. При маскуванні мовного сигналу шумом знижується розбірливість мови.

Розглянемо тепер особливості сприйняття вухом затримок у часі, коли слухач отримує сигнали від декількох віддалених джерел звуку. Помічено, що за однакової потужності ближнього і віддаленого джерел звуку відчувається і локалізується ближнє джерело звуку, що дає випереджаючий сигнал. При цьому забезпечується злитність звучання, якщо затримка в часі надходження запізнюючого сигналу не перевищує 50 мс. Якщо час затримки сигналу перевищує 50 мс, то наявність запізнюючого сигналу від віддаленого джерела звуку відчувається як луна (рос. мовою – эхо), хоча як і раніше локалізується ближнє джерело звуку. Зменшенням потужності ближнього джерела можна досягти роздільного звучання обох джерел звуку. Ця властивість слуху лежить в основі побудови систем стереофонічного мовлення.