Модели слухового восприятия

Восприятием называется обусловленный внешним воздействием на органы чувств познавательный процесс, в котором предметы и явления отражаются в виде ощущений и образов.

От воздействия раздражителей на органы чувств субъект-человек испытывает ощущения: слуховые, зрительные, осязательные и т.д. Для определения количественных значений интенсивности ощущений необходимо построение шкалы ощущений или сенсорных характеристик:

1. зависимости громкости (параметр ощущения) от звукового давления или интенсивности звука (физической величины);

2. зависимости высоты тока от частоты сигнала;

3. зависимость громкости звукового импульса от его длительности при постоянстве звукового давления.

26. Свойства сенсоров визуальной информации.

На эффективность зрительного восприятия оператором определенного объекта влияют, в основном следующие факторы :

1. Угловые размеры объекта;

2. Уровень адаптирующей яркости;

3. Контраст между объектом и фоном;

4. Время наблюдения объекта;

5. Цветоощущение.

Под угловым размером объекта понимают угол между лучами, направленными от глаза наблюдателя к крайним точкам объекта

Адаптирующей яркостью называется яркость, на которую настроен (адаптирован) глаз оператора.

Наличие слепящих источников, так же как и недостаточная яркость вызывают быстрое зрительное, а, следовательно, и общее утомление оператора, а значит и возрастание времени формирования концептуальной модели.

В очень большой мере видимость объекта зависит от разницы в яркости между объектом и фоном. Отношение разности яркости объекта и фона к яркости фона называется яркостным контрастом. Различают два вида контраста: прямой и обратный. яркостного контраста К есть:

.

Однако сама по себе контрастность не определяет качества восприятия изображения - видимости. Последняя величина зависит от порогового значения контраста К_пор.

Видимость - есть отношение наблюдаемого контраста к пороговому:

V = . Оптимальное значение лежит в пределахV = 15…30.

Поскольку глаз человека воспринимает световые раздражители с некоторым запозданием, то имеют место особенности в зрительном восприятии прерывных сигналов.

В видимой части спектра от 400 нм (фиолетовый) до 700 нм (красный) возникает необходимость оценивать излучение по способности вызывать психофизиологические ощущения.

В связи с чем, возникают проблемы согласования поступающего потока информации с «пропускной способностью» оператора.

27. Линейные характеристики звукового поля.

Звуковое поле - одна из форм существования материи, проявляемая в виде кинетической и потенциальной энергии, колеблющихся материальных тел.Частоты звуковых колебаний находятся в полосе частот от 20 до 20000Гц.

Колеблющееся тело, являющееся источником звука, приводит в движение примыкающие к нему частицы упругой среды, которые, в свою очередь, заставляют колебаться соседние с ним частицы. Процесс распространения колебаний в упругой среде называют волной. Направление распространения звуковых волн называют звуковым лучом, а поверхность, соединяющую все точки с одинаковой фазой колебания частиц - фронтом волны. Фронт волны в каждый момент времени перпендикулярен звуковому лучу.

Расстояние между двумя соседними сгущениями (разрежениями) называется длиной волны . Разность между мгновенным давлением звукового поля в данной точке и статическим (атмосферным)называют звуковым давлением:. Звуковое давление- величина знакопеременная. В моменты сжатия среды оно положительно:>, а в момент разряжения - отрицательно, т.е.<.

Звуковое давление в системе СИ измеряется в Паскалях. Давление в 1 Паскаль (Па) создается при действии силы в 1 ньютон (Н) на поверхность площадью 1м². Ясно, что 1 Па в 10⁵ раз меньше 1 атмосферы. Скорость распространения звука в воздухе сильно зависит от метеорологических условий и температуры. В последнем случае с достаточной для практики точностью можно записать: , гдеТ – абсолютная температура, а размерность скорости звука – м/с.

28. Уравнение движения сплошной среды при передаче звука.

Расстояние между двумя соседними сгущениями называется длиной волны . Разность между мгновенным давлением звукового поля в данной точке и статическим (атмосферным)называют звуковым давлением:.

Колебательное движение частиц среды при распространении звуковой волны характеризуется также колебательным смещением (от положения покоя), которое происходит с определенной скоростью, именуемой колебательной: . Производная по времени от колебательной скорости образует колебательное ускорение.

Колебательную скорость считают положительной, если частицы среды смещаются в направлении движении волны, и отрицательной, если эти движения встречные. Если источник звука совершает колебания по гармоническому закону с линейной частотой , то за времяT, в течение которого происходит один период колебательного процесса, фронт звуковой волны перемещается на расстоянии, численно равное длине волны - . Очевидно, что одну секунду волна распространится на расстояния численно равные.

Выделим в звуковом поле элементарный объем воздуха, заключенный между боковыми поверхностями , находящимися на расстояниидруг от друга перпендикулярными к направлению звуковых лучей.

Масса воздуха в выделенном объеме равна , где- плотность среды. Среда в рассматриваемом объеме находится под действием разности давленийи. Следовательно, сила, под действием которой может происходить движение этого объема воздуха:.

Если под действием приложенной силы элементарный объем воздуха с массойприобретает ускорение, то по второму закону Ньютона сила инерции:, откуда переходя к производным, устремив, получим:

. (3.1)

Данное уравнение и называют уравнением движения среды при прохождении звука. При такой записи учитывается только одномерное движение по координате . При трехмерном движении, получим:

, (3.2)

где - единичные векторы – орты осей декартовой системы координат.

29. Характеристики поля плоской волны.

Колебательный процесс, распространяющийся в среде в виде волны, фронт которой представляет собой плоскость, называется плоской звуковой волной.

Если излучатель (поршень) совершает колебания по гармоническому закону с частотой , а размеры поршня (диаметр волновода) значительно меньше длины звуковой волны, то давление, создаваемое около его поверхности,. Очевидно, что на расстояниих давление будет , где– время пробега волны от излучателя до точкиx. Это выражение удобнее записать, как: , где- волновое число распространения волны. Произведение- определяемый фазовый набег колебательного процесса в точке, удаленной на расстояниех от излучателя.

Подставляя полученное выражение в уравнение движения (3.1), проинтегрируем последнее относительно колебательной скорости:

(3.8)

Вообще для произвольного момента времени оказывается, что:

. (3.9)

Правая часть выражения– характеристическое, волновое, или удельное акустическое сопротивление среды (импеданс). Как следует из решения, полученное уравнение справедливо в поле плоской волны.

Помимо скалярного потенциала, давления и колебательной скорости звуковое поле характеризуется и энергетическими характеристиками, важнейшей из которых является интенсивность - вектор плотности потока энергии, переносимой волной за единицу времени. По определению - есть результат произведения звукового давления на колебательную скорость.

31. Волновое уравнение Диссипация энергии.

ДИССИПАЦИЯ ЭНЕРГИИ- переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте - в теплоту.

.

В теоретической акустике показано, что при учете адиабатического характера звукового процесса для газовой среды уравнениеможет быть преобразовано в волновое уравнение:

,

где - скорость распространения звука в газовой среде;- оператор-лапласиан. Волновое уравнение может быть записано также для давления и колебательной скорости звука. Для гармонических процессов, протекающих с частотой, волновое уравнение можно преобразовать в уравнение Гельмгольца:

,

где - волновое число. Общее решение уравнения Гельмгольца имеет вид:

.

В уравнении каждое слагаемое соответствует волне, распространяющейся в «положительном» или «отрицательном» направлении оси «х». Выбор знака зависит от выбора знак во «временном» множителе .

32. Волны с неплоскими фронтами.

У сферической волны поверхность равных фаз является сферой. Источником такой волны также является сфера, все точки которой колеблются с одинаковыми амплитудами и фазами, а центр остается неподвижен (см. рис. 3.4, а).

Сферическая волна описывается функцией, являющейся решением волнового уравнения в сферической системе координат, для потенциала волны, распространяющейся от источника:

.

Действуя по аналогии с плоской волной, можно показать, что на расстояниях от источника звука значительно больше длины изучаемых волн: . «точечный» источник излучает, преимущественно, сферические волны. На больших расстояниях от источника или, как принято говорить, в «дальней» зоне сферическая волна применительно к ограниченным по размерам участкам волнового фронта ведет себя как плоская волна. Требования к малости участка определяются не только частотой, но- разностью расстояний между сравниваемыми точками. Отметим, что указанная функцияимеет особенность:при. В свою очередь цилиндрические волны (поверхность волнового фронта - цилиндр) излучаются бесконечно длинным пульсирующим цилиндром .В дальней зоне выражение для функции потенциала такого источника асимптотически стремится к выражению :

. (3.12)

Можно показать, что и в этом случае выполняется соотношение .

33. Преломление плоской упругой волны на границе раздела двух сред. Коэффициенты отражения и прохождения по давлению.

Граничное условие первого типа:

1. Равенство давлений по обе стороны границы

. (3.14)

Граничное условие второго типа:

2. Равенство нормальных компонент упругих смещения и колебательных скоростей, с учетом :

. (3.15)

Для удобства вычислений безразмерных выражений введем дополнительные обозначения:

, (3.16)

коэффициент отражения по давлению;

, (3.17)

коэффициент прохождения по давлению.

Подставив полученные выражения для системы волн в граничные условия, получим систему двух уравнений с двумя неизвестными R и D.

Решение этой системы: при - «нормальное» падение:

, (3.18)

. (3.19)

При этом было учтено, что по закону Снеллиуса:

(3.20)

Если в выражениях перейти к колебательным скоростям, то можно получить выражения для коэффициентов отражения и прохожденияпо колебательной скорости:

, (3.21)

. (3.22)

34. Виды коэффициентов отражения упругой волны на границе раздела двух сред. Частные случаи соотношений параметров сред.

Граничное условие первого типа:

1. Равенство давлений по обе стороны границы

. (3.14)

Граничное условие второго типа:

2. Равенство нормальных компонент упругих смещения и колебательных скоростей, с учетом :

.

, (3.16)

коэффициент отражения по давлению;

, (3.17)

коэффициент прохождения по давлению.

Если в выражениях (3.18, 3.19) перейти к колебательным скоростям, то можно получить выражения для коэффициентов отражения и прохожденияпо колебательной скорости:

, (3.21)

. (3.22)

Рассмотрим частные случаи соотношения импедансов прилегающих сред, от которых зависят значения, принимаемые выведенными коэффициентами:

1. абсолютно «мягкая» граница (вода – воздух):

(3.23)

2. абсолютно «жесткая» граница:

(3.24)

Коэффициенты отражения и прохождения для разных физических величин могут для одинаковых сочетаний сред принимать разные значения.

Коэффициенты отражения и прохождения для разных физических величин не зависят от частоты.

Рассмотренные частные случаи фактически определяют различия между двумя предельными состояниями «граничных» условий, широко используемых в «краевых» задачах математической физики:

Первое условие Дирихле, иначе называемое условием на абсолютно «мягкой» или «свободной» границе:

(3.25)

Второе условие Неймана, иначе называемое условием на абсолютно «жесткой» границе:

(3.26)

35. Преломление плоской упругой волны на границе раздела двух сред. Отражение от плоского слоя.

Граничное условие первого типа:

1. Равенство давлений по обе стороны границы

. (3.14)

Граничное условие второго типа:

2. Равенство нормальных компонент упругих смещения и колебательных скоростей, с учетом :

. (3.15)

Выражения системы (3.27) необходимо подставить в граничные условия:

, (3.28)

где ;;.

Рис. 3.6

Здесь, как и выше, выполняется закон Снеллиуса:

. (3.29)

Для упрощения преобразований введем безразмерные величины коэффициентов отражения и прохождения, для которых, в частном случае, можно показать, что:

, (3.30)

, (3.31)

где - так называемый «наклонный» импеданс. В качестве примера рассмотрим графики зависимостей (3.30, 3.31) от волновой толщины слоя при значении угла падения(нормальное падение, см. рис. 3.7а, б).

Как видно из графиков, зависимости имеют осциллирующий характер. Коэффициент отражения обращается в нуль при значениях волновой толщины, кратных, где.

Рис. 3.7

При этих же значениях волновой толщины коэффициент прохождения становится равным единице. При значениях волновой толщины, кратных , значения коэффициента отражения достигают максимума, равного значению коэффициента отражения от плоской границы. При этих же значениях волновой толщины коэффициент прохождения получает минимальные значения, равные коэффициенту отражения от плоской границы. Кроме того, коэффициент отражения от слоя обращается в нуль при равенстве импедансов слоя и окружающей среды:. Существует и еще одно условие равенства нулю коэффициента отражения независимо от волновой толщины слоя:- случай так называемого «просветляющего» слоя.

36. Преломление плоской упругой волны на границе раздела двух сред. Отражение от подвижной среды.

Одна из прилегающих к границе сред является подвижной.

Отличие в постановке задачи заключается в том, что если слева от границы, в неподвижной среде, выполняется обычное волновое уравнение:

,

то, справа от границы, где среда подвижна, вид уравнения (3.32) будет иной:

.

Выражение для закона Снеллиуса примет вид:

.

Из формулы (3.33, 3.34), при следует, что :

.

После подстановки выражений для волновых функций (3.13) в граничные условия (3.14 , 3.15), можно показать, что при и, выражения для коэффициентов отражения и прохождения:

,

.

37. Эффект полного внутреннего отражения.

Пусть скорость звука во 2-ой среде будет меньше, чем в 1-ой среде , тогда из закона Снеллиуса следует, что

.

Устремим значение угла падения , тогда можно утверждать, что выполнимо неравенство.

Пусть скорость звука во второй среде больше скорости звука в первой среде: , тогдабудет принимать следующие значения: придля,, а при,. Итак, при,. Найдем значениядля вычисления наклонного импеданса:

, (3.39)

где - вещественная величина.

Перейдем теперь к рассмотрению величин коэффициента отражения . Подставляя в формулы выражения получим:

где . Из выражения следует, что модуль коэффициента отражения равняется единице (отсюда название - «полное» отражение), а отраженная волна приобретает дополнительный фазовый сдвиг по сравнению с падающей.

Рассмотрим, теперь, поведения коэффициента прохождения . Используя выражение получим:

где фазовый сдвиг . Видно, из , что «просачивание» волны через границу все же происходит, и модуль коэффициента прохождения отличен от нуля при наличии дополнительного фазового сдвига. Попытаемся выяснить физический смысл появляющегося волнового процесса. Запишем более подробно выражение для волны давления во второй среде:

где - скорость следа (скорость пересечения фронтом падающей волны границы сред).

Рассмотрим изменение коэффициента отражения в зависимости от угла падения ₁.

38. Модели и свойства слухового восприятия.

Восприятием называется обусловленный внешним воздействием на органы чувств познавательный процесс, в котором предметы и явления отражаются в виде ощущений и образов.

Для определения количественных значений интенсивности ощущений необходимо построение шкалы ощущений или сенсорных характеристик:

1зависимости громкости (параметр ощущения) от звукового давления или интенсивности звука (физической величины);

2зависимости высоты тока от частоты сигнала;

3зависимость громкости звукового импульса от его длительности при постоянстве звукового давления.

Рассмотрим прохождение сигналов в модели процесса восприятия слухового образа.

Со стороны входа на субъект действуют исходящие от окружающих предметов раздражители - стимулы, имеющие физическую природу.

Раздражители (стимулы) – только те физические воздействия, которые могут быть восприняты органами чувств субъекта.

Приемниками стимулов являются специализированные рецепторы, совокупность которых образует рецепторные поля.

Основным источником формирования звуковых образов является слух. им поведения заняты память и внимание.

В памяти хранятся накопленные жизненным опытом образы и реакции, благодаря чему она участвует в распознавании образов и выработке модели поведения.

Внимание – это осознаваемое объектом ограничение поля восприятия, фокусирование восприятия на определенной его части. Благодаря вниманию человек выделяет голос собеседника из шума толпы или отдельное звучание конкретного инструмента в оркестре.

39. Строение и свойства слуховых сенсоров.

Воспринимаемые сигналы поступают в слуховую кору головного мозга по каналам связи, каковыми являются нервные волокна. На своем пути они встречают промежуточные центры распределения и обработки информации:

1) «внутреннее» ухо

2) нижняя часть ствола мозга

3) верхняя часть ствола мозга

Информация, поступающая по слуховому нерву от правового уха к правому «улитковому» ядру, распределяется в нем так, что большая ее часть передается в левую верхнюю оливу и оттуда - в левое полушарие головного мозга. Меньшая часть информации через правую верхнюю оливу передается в правое полушарие. Аналогично распределяются сигналы из левого уха.

40. Слух и восприятие звуковых сигналов.