2.4.3.Восприятие гармонических сигналов («чистых» тонов)

По отношению к синусоидальным сигналам («чистым тонам») слуховой анализатор можно уподобить особому преобразователю, где со стороны входа параметрами сигнала являются звуковое давление и частота, а со стороны выхода - «громкость» и «высота» тона.

Экспериментально получены сенсорные характеристики передачи «чистых тонов» слуховой системой человека, т.е. в установившемся режиме при достаточно продолжительном звучании измерительного сигнала.

Существуют несколько принципов построения измерительных шкал Н-высоты тона от F- частоты звука:

1. Шкала Г.Флетчера : частоте 1000 Гц соответствует высота тона в 1000 мел (1 мел, единица измерения высоты тона). На практике она оказывается не всегда удобной;

2. Шкала Э.Цвиккера: частоте 131 Гц (нота «до» малой октавы) соответствует высота в 131 мел;

3. Музыкальная шкала: в ее основе лежит тональный интервал в одну октаву, при которой верхняя частота F_Ввдвое превышает нижнюю частотуF_Н, т.е.F_В/F_Н = 2. Интервал частотF₁иF₂в октавах равенF₁ -F₂(октав) =log₂. Октава делится на 12 полутонов так, что в каждом полутоне частоты соотносятся между собой как. Каждый полутон делится на 100 центов. Высота полутонов имеет свои обозначения (нотацию) – до (C), ре (D), ми (E), фа (F), соль (G), ля (А), си (B) с указанием октавы (большая, малая, первая и т.д.) и с добавлением знаковаллитерации(бемоль, диез, бекар). Диапазон 20 Гц…20 кГц составляет около 10 октав. Примерный вид сенсорной характеристики «высоты» тона по шкале Э.Цвиккера представлен на рис 2.22.

H, мел

Рис. 2. 22

На рис. 2.23 изображены стандартные кривые равной громкости («изофоны») при прослушивании чистых тонов. За «пороговое» значение принято давление , называемое стандартным порогом слышимости на частоте 1000 Гц. Легко показать, что значение «пороговой» интенсивности звука составитВт/м².Относительное значение слышимости определяется по формуле:

. (2.2)

В качестве примеров графиков на рис. 2.23 приведены: 1 – линия «порога» слышимости; 2- линия «порога» болевого ощущения, за пределами (выше) которой возможно механическое травмирование слухового аппарата человека; 3 - промежуточные линии «равной громкости». Обращает внимание, прежде всего подобие кривых, а также заметное снижение чувствительности на краях частотного диапазона. Громкость в «фонах» совпадает со слышимым уровнем громкости в «Б» на частотеГц:. «Провал» в области частот 3000 Гц – соответствует резонансу объема воздушного канала слухового хода.

Большое практическое значение имеет, помимо выделения соответствующих тональных составляющих, возможность пространственной локализации источников звуковых колебаний. Слуховые сенсоры, как и сенсоры визуальной информации, относятся к парным сенсорам. При этом, существенно важными оказываются бинауральныесвойства слуха.

К бинауральным относят свойства слуха по определению различий акустических сигналов, воспринимаемых правым и левым слуховыми органами по времени прихода и амплитуде.

Рис. 2.23

Физическая основа этих различий - разновременность прихода звуковых волн к разным сенсорам и разные уровни сигналов, что делает возможным образование «бинауральных разностей»: и.

К бинауральным свойствам слуха относят способность определять направление на «кажущийся» источник звука. При этом следует различать, по крайней мере, две ситуации:

1. Слуховая система выполняет роль акустического пеленгатора. Наблюдения и эксперименты позволяют утверждать, что слуховая система человека - не слишком хороший, а скорее плохой пеленгатор. Иногда, особенно для узкополосных сигналов возникает ошибка на 180- «фронт» - «тыл» - кажущийся источник «обнаруживается» в противоположной стороне от реального. Для широкополосного сигнала угловые погрешности (т.е. угловые разности направлений на мнимый и реальный источники) в горизонтальной плоскости могут доходить до 10…15, а в вертикальной плоскости (по углу наблюдения) еще больше. По этой причине ведущую роль в пространственной ориентации отводят зрительным органам, а слух выполняет вспомогательные функции.

2. Свойства слуховой системы изучаются и используются применительно к искусственно воспроизведенным условиям объемного звука: стереофонии, квадрофонии и т.д.

Еще слабее выражены способности слуховой системы к определению расстояния до кажущегося источника звука. Если слушатель хорошо знаком со звуковым сигналом, то точность оценки расстояния сильно возрастет. Для незнакомых звуков на дистанции более 3 метров оценка удаленности источника становится практически неосуществимой.

Даже при восприятии тональных сигналов возможности человеческого уха заметно ограничены. Так, в диапазоне слышимых звуков 20 Гц…20 кГц человек запоминает не более 150…200 градаций на частоте. Разница в частотах, которая свободно улавливается человеком, составляет примерно 4%. Разумеется, у отдельных индивидуумов, обладающих «музыкальным» слухом, эти данные могут существенно отличаться. Существенно изменяются эти возможности и с возрастом человека.

Если различия по частоте и интенсивности еще сравнительно доступны для слуховых сенсоров, то определить различия по фазе человек практически не в состоянии. Это справедливо до тех пор, пока фазовый сдвиг не приведет к сдвигу по времени. Если сдвиг фазы достигает 50 мс, то сигналы начинают восприниматься как раздельные. Если второй сигнал значительно громче или тише (на 20 ДБ и более), то ощущаемая разность времени прихода возрастает до 150…200 мс.

Подведем итоги…

• Действия оператора по принятию решений и исполнению управляющих действий осуществляются на основе информационной и концептуальной моделей объекта, формирование которых не требует непосредственного взаимодействия оператора с объектом;

• Различные по физическим принципам каналы, как правило, адаптированы к свойствам среды, вмещающей «информационный» тракт; наиболее эффективны для информационного обмена комбинированные системы, объединяющие каналы, основанные на разных физических принципах;

• Качество визуальной информации, воспринимаемой оператором, определяется пороговыми яркостными, контрастными и временными характеристиками зрительных сенсоров человека; их оптимальные значения сближены с предельными и адаптированы к условиям наблюдения; свойство парности зрительных сенсоров - необходимое условие «бинокулярного» зрения, обеспечивающего основную часть информационных потоков;

• Качество аудиоинформации, воспринимаемой оператором, определяется пороговыми «тональной» и «громкостной» сенсорной характеристиками, адаптированными для восприятия речевых сигналов; слуховые сенсоры, обладают «бинауральными» свойствами и выполняют роль дополнительной сигнальной системы.

В следующем разделе будут рассмотрены примеры основных моделей процессов, протекающих в звуковых полях, и определяющих систему параметров, важных для информационного обмена.