3. Слуховая система. Слуховое восприятие

3.1. Физический стимул: частота, амплитуда, сложность, фаза звука

Звуком называется физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Механические колебания представляют собой последовательные возмущения давления (сжатие и разрежение среды). Паттерн изменений давлений воздуха называется звуковой волной. Природа воспринимаемых нами звуков напрямую зависит от физических характеристик звуковой волны. Основные физические характеристики звуковых волн и их психологические эффекты приведены в таблице 3.1.

Частота характеризует физическое свойство звука – число изменений звукового давления в секунду, психологическим параметром аудиального стимула, непосредственно связанным с его частотой, является абсолютная высота тона, и звуки разной высоты вызывают у слушателей разные ощущения: они могут казаться высокими или низкими (басовыми или дискантовыми).

Таблица 3.1
Физические характеристики звуковых волн и их психологические эффекты
Физические характеристики	Диапазон			Психологические эффекты
Давление (дин/см2, Н/м2, Па)	2х10-5 ÷ 2х105
Интенсивность (мощность) (Вт)	10-12 ÷ 10			Громкость (фон, дБ)
Смещение (фаза), м				Пространственная локализация источника звука
Частота, ν (Гц)	Инфразвук	0,01 ÷ 16—25 Гц	Высота (мел), тон
	Слышимый звук	16 Гц ÷ 22 кГц
	Ультразвук	2 х 104 ÷ 109 Гц
Длина волны, , (м)	21,5 ÷ 0,016			Пространственная локализация источника звука
Сложность (спектр, гармоники)				Тембр (обертоны)
Скорость распространения, с (м/с)	344 (воздух при 20оС)

Интервал амплитуд перепадов звукового давления, к которым чувствительно ухо, очень велик (см. табл. 3.1), поэтому для оценки интенсивности звука используют логарифмическую шкалу, называемую децибельной (дБ) или уровнем звукового давления (шкала УЗД). Сила звука в децибелах равна

,

где – число децибел, – звуковое давление, которые нужно выразить в децибелах, – эталонное давление, равное 0,0002 дин/см² или 2х10^-5 Па. Эталонное давление по своему значению близко к среднему слуховому порогу человека (для звука с частотой 1000 Гц). Зависимость между изменениями звукового давления и выражениями этих изменений в дБ имеет нелинейный характер: увеличение звукового давления на порядок одновременно означает и его увеличение на 20 дБ, а двукратное увеличение звукового давления – на 6 дБ.

Г ромкость – слуховое ощущение, или психологический параметр, определяемый величиной амплитуды. Ощущение громкости, однако, зависит не только от амплитуды, но и от частоты. Кроме того, между амплитудой и громкостью нет линейной зависимости. Используя методы психофизики, можно определить, при каких интенсивностях тоны с разными частотами будут восприниматься как одинаково громкие. Графически эти зависимости отражаются в виде кривых равной громкости или изофонов (стандартизированы в 2003 году: ISO226:2003) (см. рис. 3.1).

Большинство звуков, которые мы слышим в реальной жизни, – это сочетания акустических сигналов различной частоты, вследствие чего суммарный сигнал характеризуется сложностью. Самые низкие частоты, называемые фундаментальной частотой (или первой гармоникой) определяют высоту сложного звука. Дополнительными колебания с частотами, кратными фундаментальной частоте, называются гармониками (или обертонами). Психологическим аспектом восприятия звука, отражающим его сложность, является тембр – отличительное качество тона того или иного звука, являющееся результатом числа и интенсивности обертонов, входящих в этот звук.

Фаза – та часть цикла, который звуковая волна проделала к данному моменту времени (выражается в градусах от 0 до 360). Ситуация, приводящая к несовпадению звуков по фазе, возникает тогда, когда звук от одного источника звука, проходит разные расстояния, прежде чем достигает и правого и левого уха слушателя. Эта особенность используется слуховой системой для определения местоположения источника звука в окружающем пространстве.