2.3. Порог слышимости.

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение.

Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 2.3.1 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление pmax=150...200 Па, что превосходит величину p0=2*10 00000 Па в 107 раз.

Рис. 2.3.1 Кривые, ограничивающие область слышимости

Для более удобного оперирования столь значительными абсолютными величинами, но в большей степени потому, что слуховое ощущение раздражающей силы звукового сигнала пропорционально ее логарифму (согласно закону Вебера-Фехнера). Чаще используются величины, называемые уровнем интенсивности звука, уровнем ощущения, уровнем звукового давления, уровнем плотности звуковой энергии, которые также пропорциональны логарифму относительного значения параметра и измеряются в децибелах:

Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Эта особенность слуха также измерена: порог заметности изменения интенсивности чистых тонов на высоких и средних уровнях ощущения составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он доходит до нескольких децибел, а среднее значение около 1 дБ. Таким образом, между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность слуха по ощущению изменений интенсивности звука имеет еще и частотную зависимость: она наиболее высока на средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Физически это происходит так. Если волокно основной мебраны при своих колебаниях недостает до ближайшей волосатой клетки (см. рис. 2.4, на котором утрированно представлены волок­на основной мебраны и клеток органа Корти), то чело­век не воспринимает звук. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближай­шей клетки (см. рис. 2.4), произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук будет услышан.

Этот скачкообразный переход из слы­шимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости. Заметим, что абсолютная величи­на слухового ощущения на пороге слышимости невели­ка, но имеет конечное значение.

Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука или звуковое давле­ние. Порог слышимости зависит от частоты: при 1000 Гц он равен около 10-12 Вт/м2. На рис. 2.5 приведены зависимости порогов слышимости от частоты, причем по оси ординат отложена интен­сивность звука в логариф­мическом масштабе. В сторону низких частот по­рог слышимости резко повышается (начиная с частоты 500 Гц), т. е. для появления слухового ощу­щения на низких часто­тах необходима более вы­сокая интенсивность, чем, скажем, на частоте 1000 Гц. Так, на частоте 100 Гц порог слышимости по интенсивности в 104 раз выше, чем на частоте 1000 Гц. В сторону высоких ча­стот порог слышимости сначала снижается (чувстви­тельность слуха повышается) в 8—10 раз по интенсив­ности (на частоте 2000—4000 Гц), а затем начинает повышаться так же, как и на низких частотах.

В ряде учебных пособий и справочников даются различные абсолютные значения и частотные зависимо­сти порога слышимости. Эта разница обусловлена раз­личием в методах измерения порога слышимости. На рис. 2.5 приведены пороги для одноухого 1 и двуухого слушания 2

Тоном называют гармоническое колебание, в общем случае состоящее из ряда гармоник; чистый тон—простое синусоидальное колебание. В дальнейшем, если не оговорено, под тоном будем, подразумевать чистый тон.

2.4. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ.

При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда колебаний волокон не увеличится на­столько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон прикоснется к следующей клетке (см. III рис. 2.4), слуховое ощущение еще раз повысится скач­ком, так как и эта клетка будет посылать электриче­ские импульсы в слуховой центр. По мере увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной мембраны — начинают колебаться и сосед­ние волокна, также возбуждающие нервные клетки од­ну за другой. Каждая из них будет посылать свои им­пульсы в слуховой центр. Слуховое ощущение при этом будет нарастать скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низ­ких и высоких частотах это число резко уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Наконец, при дальнейшем увеличении интенсивно­сти появляется ощущение боли — наступает болевой порог (порог осязания). Болевой порог соответствует очень большой интенсивности. Наибольшая величина болевого порога наблюдается на частоте 800 Гц (около 1 Вт/м2). В сторону низких и высоких частот он мед­ленно снижается.

Таким образом, и по амплитуде имеет место дис­кретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей области слухового восприятия около 22 000 элементарных гра­даций, что соответствует числу нервных окончаний.

Установлено, что для средних и высоких интенсивностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности. Вебер и Фехнер так сформулировали этот закон:

Одинаковые относи­тельные изменения раздражающей силы вызывают оди­наковые абсолютные изменения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы

На пороге слышимости, т. е. при I=Iп.с, слуховое ощу­щение равно нулю, поэтому имеем

откуда получаем

Для оценки величины слухового ощущения была предложена единица под названием «бел» (а=1). Эта единица соответствует десятикратному отношению интенсивностей, поэтому была введена еще и более мел­кая единица — децибел (дБ), равная 0,1 бела. В этом случае слуховое ощущение в децибелах

Так как диапазон изменения интенсивностей от мини­мального порога слышимости до максимального боле­вого порога составляет 1013 раз, т. е. слуховое ощуще­ние изменяется на 130 дБ, то величина элементарного скачка ощущения в среднем по диапазону амплитуд равна 0,8 дБ, т. е. соответствует изменению интенсив­ности звука в 1,2 раза. На самом деле элементарные скачки ощущения для средних и высоких значений слу­ховых ощущений получаются при изменении интенсив­ности в 1,10 раза, т. е. скачки ощущения равны 0,4 дБ. Для низкого слухового ощущения скачки получаются равными 2—3 дБ.