Лекции по дисциплине «психоакустика»
Психоакустика — наука о количественных зависимостях между внешними стимулами (физическими параметрами звука) и ощущениями (психологическими параметрами),
которые они вызывают.
Характеристика - свод параметров.
Нелинейность системы – отличие выходного сигнала от входного.
ОБЩИЙ ЗАКОН ПСИХОАКУСТИКИ:
Связь между изменениями объективных параметров сигнала и возникающими при этом ощущениями носит нелинейный характер.
АБСОЛЮТНЫЕ И ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ЗВУКОВЫЕ ПОРОГИ
Порог = предел, граница
Абсолютные слуховые пороги определяются минимальным значением объективного параметра звукового сигнала (интенсивности, частоты, длительности и др.), при котором возникают
слуховые ощущения. Они характеризуют чувствительность слухового аппарата к данному параметру: чем ниже слуховой порог, тем выше чувствительность.
Дифференциальные слуховые пороги определяются способностью обнаруживать небольшие различия между сходными по тем же объективным параметрам звуками.
Динамический диапазон слуховой системы - 120 дБ, частотный диапазон - 20 Гц-20 кГц.
Стандарт = стабильный образ.
Метрология – наука об измерениях.
Аудиограмма – изображение в виде графика кривой слышимости.
Абсолютные пороги слышимости зависят от длительности предъявляемого сигнала: если длительность сигнала мала (меньше 250 мс), пороги возрастают.
-Порог неприятного ощущения: 10 Па (100 дБ),
-Порог осязания (ощущение давления на уши): 60-80 Па (132 дБ),
-Болевой порог: 150-200 Па (140 дБ)
После воздействия громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Процесс восстановления обычных порогов 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.
Дифференциальные слуховые пороги определяют разрешающую способность слуховой системы по интенсивности (амплитуде), по частоте и по длительности звука.
-Амплитудные дифференциальные слуховые пороги
-Частотные дифференциальные слуховые пороги
-Временные дифференциальные слуховые пороги*
*Анализ минимального времени, в течение которого слух способен различать два сигнала. Измерения, выполненные на тональных посылках, показали, что дифференциальный порог в оценке времени поступления двух следующих друг за другом сигналов составляет 2 мс. Эта величина не сильно зависит от частоты тонального звука, а также от его интенсивности. Однако для определения, какой из сигналов поступает первым, необходимо время в 20 мс.
Для распознавания звуков речи (фонем) необходимо время 35 мс, для определения высоты тона требуется также определенное время: для низких частот ~ 60 мс, для высоких ~ 15 мс.
ГРОМКОСТЬ. КРИТИЧЕСКИЕ ПОЛОСЫ СЛУХА
Громкость - субъективное ощущение, позволяющее слуховой системе располагать звуки по определенной шкале: от звуков низкой интенсивности («тихих») к звукам большой интенсивности («громким»).
Громкость зависит от интенсивности звука, его частоты, спектрального состава, длительности.
Под уровнем громкости данного звука понимается уровень звукового давления эталонного звука на частоте 1000 Гц, равногромкого данному.
Уровень громкости измеряется в специальных единицах — фонах.
Для количественной оценки абсолютной громкости была принята специальная единица сон, которая определяется следующим образом: громкость в 1 сон — это громкость синусоидального звука с частотой 1кГц (1000 Гц) и уровнем 40 дБ.
Определение уровня громкости тонов других частот производится по графику кривых равного уровня громкости. Эти графики, называются изофонами.
Слуховая система обладает свойством адаптации, т. е. под воздействием длительных громких, постоянных по величине звуков ощущаемая громкость звука постепенно уменьшается (слух
адаптируется).
В основе адаптации лежат процессы, происходящие в среднем и во внутреннем ухе: акустический рефлекс и нелинейная компрессия. Рефлекс начинает срабатывать для звуков с уровнем 90 дБ и выше. Кроме того, он обладает определенной инерционностью: акустический рефлекс начинает срабатывать только через 20 мс после начала звука, а полная защита еще не достигается
и при 150 мс, поэтому наряду с общей опасностью для слуховой системы воздействия длительных громких звуков наиболее опасным является воздействие коротких громких импульсов
Ощущение громкости не исчезает сразу после прекращения звука, а продолжается определенное время. Период, в течение которого ощущаемый уровень громкости уменьшается на 9-10 фон, называется временной постоянной слуха и составляет обычно 35 мс.
Этапы обработки звукового сигнала:
Фильтрация (=дефракция) внешним ухом (ушной раковиной и слуховым каналом);
Регулировка интенсивности средним ухом
Регулировка частоты, интегрирование (избирательность) сигналов внутренним ухом
Фильтр – регулятор – анализатор
При восприятии звука слуховой аппарат человека разделяет его на частотные группы, называемые критическими полосами (зоны на бизилярной мембране). Эта особенность слуха является одним из важнейших его свойств. В диапазоне от 20 до 16000 Гц число критических полос равно 24. Ширина этих полос меняется от низких к высоким частотам нерегулярным образом: 80,100,100,100,110,120,140,150,160...Гц, на 20 кГц ширина полосы увеличивается до 5 кГц.
Переход от одной критической полосы к другой соответствует изменению высоты тона в 100 мел, или 1 барк.
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.
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:
Если сигналы близки по частоте (т. е. находятся внутри критической полосы): при увеличении общего уровня звукового давления сигналов с близкими частотами на 10 дБ воспринимаемая громкость удваивается.
Если сигналы имеют разность частот шире критической полосы, тогда действует другое правило: суммарная громкость равна сумме громкостей каждого из составляющих.
Если частоты различных сигналов разнесены по частоте друг от друга достаточно далеко, тогда определение суммарной громкости значительно усложняется: слушатель обычно фокусирует свое внимание на каком-то одном компоненте — или самом громком, или одном из самых высоких, — назначая общую громкость суммарного сигнала примерно равной этому компоненту.
МАСКИРОВКА
Эффект маскировки связан с процессом взаимодействия сигналов, благодаря которому происходит изменение слуховой чувствительности к одному сигналу (маскируемому — maskee) в присутствии другого (маскирующего — masker).
Это взаимодействие тонов постоянно присутствует в музыке и речи и приводит к тому, что восприятие громкости, тембра и других признаков одного сигнала в присутствии другого меняется
вплоть до полного отсутствия его слышимости (например, речь на фоне проходящего поезда).
Степень (уровень) маскировки - разность в децибелах между уровнем порога слышимости данного тона в присутствии маскирующего тона и уровнем порога слышимости в тишине.
Эффекты слуховой маскировки проявляются по-разному в зависимости от вида сигнала и способа его воздействия и могут быть разделены на следующие основные группы: