Характеристики слухового ощущения

Звуковой сигнал любой природы может быть описан определенным набором физических характеристик, в который входят частота, интенсивность, длительность, временная структура, спектр и др. Им соответствуют определенные субъективные ощущения, возникающие при восприятии звуков слуховой системой: громкость, высота, тембр, биения, консонансы-диссонансы, маскировка, локализация-стереоэффект и другие.

Слуховые ощущения связаны с физическими характеристиками неоднозначно и нелинейно. Например, громкость зависит от интенсивности звука, его частоты, спектра и т. п. Нелинейность связи выражается в том, что ощущения изменения громкости в первую очередь связаны с изменением логарифма интенсивности, высоты - с изменением логарифма частоты.

Частота колебаний оценивается ухом как высота звука, и чем больше частота колебаний, тем выше звук. Однако звуки одинаковой высоты, но от различных источников вызывают несколько отличные слуховые ощущения. Это отличие определяется как тембр звука. Звуки различного тембра отличаются формой звукового колебания или, вернее, его гармоническим спектром. Ухо как бы производит гармонический анализ сложных звуков и сигнализирует в центральную нервную систему о его гармоническом составе. Эти сигналы и воспринимаются как различный тембр звука.

Объективной характеристикой громкости звука является его среднеквадратичное давление p. При этом ухо человека неодинаково чувствительно к звукам различной высоты.

Чувствительность человеческого уха ограничивается пределами слышимости по частоте от 16 до 20 000 Гц. В этом диапазоне чувствительность уха постепенно повышается к частотам, близким 1 кГц, и затем опять снижается (начиная с 4-5 кГц). Звуки с частотой 1 кГц кажутся громче других, благодаря тому, что их длина волны сравнима с размерами головы человека . Ощущение высоты чистого тона (одной частоты) связано не только с частотой, но и с интенсивностью звука и его длительностью. Как показали различные исследования, при повышении интенсивности звука громкие низкие звуки кажутся еще ниже, а высокие звуки с повышением громкости кажутся слегка выше, для средних частот 1-2 кГц влияние интенсивности незаметно. Следует отметить, что эта зависимость незначительна, а для сложных музыкальных звуков почти незаметна.

Более сложной является связь между громкостью и силой звука. В отличие от интенсивности звука и среднеквадратичного давления, которые являются объективными характеристиками звуковой волны, громкость звука является субъективной оценкой слухового ощущения. Громкость характеризует интенсивность слухового ощущения, которая связана с особенностями чувствительности уха и зависит как от силы звука, так и от частоты колебаний.

Другой существенной особенностью уха является способность изменять чувствительность в зависимости от силы воспринимаемого звука. При сильном звуке чувствительность уха резко снижается, при слабом звуке повышается. Способность изменять чувствительность в зависимости от силы раздражения свойственна всем органам чувств. Это свойство представляет собой чисто физиологическое явление, однако с ним приходится считаться при любых физических измерениях или исследованиях этих органов. Кроме того, следует иметь в виду, что человек не может правильно оценивать абсолютную величину интенсивности ощущения, но достаточно точно устанавливает направление изменения или разницу при сравнении с другой ее величиной. Все это вызвало появление особого сравнительного метода измерения силы звука, а следовательно, и громкости.

При этом методе измеряют не абсолютную величину силы звука (или громкости), а отношение ее к некоторой исходной величине (порогу слышимости Р₀), принятой за начальный уровень. Подобной величиной принята сила звука, равная 10^-16 Вт/см² (10^-10 мкВт/см²), что равнозначно звуковому давлению 0,0002 бара, или соответствующая этой силе звука громкость тона частотой 1 кГц.

За уровень шкалы принята сила звука 10^-3 верхний Вт/см² (звуковое давление 64 бара) или соответствующая ей громкость тона 1 кГц, вызывающая уже ощущение давления, переходящее в боль.

В связи с тем, что отношение верхнего и нижнего уровней шкалы составляет 10¹³, вся шкала между этими уровнями разделена на 13 частей, каждая из которых соответствует увеличению силы звука в 10 раз. Однако в практике пользуются не самим этим отношением, а его десятичным логарифмом, который и принимается за единицу этой шкалы. Эта единица называется белом (Б). Десятая часть подобной единицы, наиболее часто применяющаяся на практике, называется децибелом (дБ).

Необходимо помнить, что децибел не является официальной единицей в системе единиц СИ, хотя по решению Генеральной конференции по мерам и весам допускается его применение без ограничений совместно с единицами СИ, а Международная палата мер и весов рекомендовала включить его в эту систему.

Количество децибел L, характеризующих силу данного звука, равняется удесятеренному логарифму отношения силы данного звука Р к силе звука начального уровня шкалы Р₀:

L=10log(P/P₀).

Так как для тона с частотой 1 кГц громкость и сила звука равны между собой, то для этого тона шкала в децибелах является одновременно и шкалой громкости. Практически она может использоваться как шкала громкости для тонов в пределах частоты от 300 до 4000 Гц.

На рис. 2.2 представлен график с кривыми равных громкостей. Каждая кривая на графике показывает уровень равной громкости с начальной точкой отсчета на частоте 1 кГц. Иначе говоря, каждая линия соответствует некоторому значению громкости, измеренной в фонах. Например, линия «10 фон» показывает уровни сигнала в дБ на разных частотах, воспринимаемых слушателем как равные по громкости сигналу с частотой 1 кГц и уровнем 10 дБ. Важно заметить, что приведенные кривые не являются эталонными, а приведены в качестве примера. Современные исследования ясно свидетельствуют, что вид кривых в достаточной степени зависит от условий проведения измерений, акустических характеристик помещения, а также от типа источников звука (громкоговорители, наушники). Таким образом, эталонного графика кривых равных громкостей не существует.

В практике используются различные подходы к изучению слуха. Наиболее широко употребляется метод измерения порога слышимости. На рис. 2.3 приведен график, показывающий зависимость от частоты колебаний порога слышимости, т. е. наименьшей силы звука, вызывающей еще заметное слуховое ощущение. Затем наблюдаемые пороги сравнивают с нормальным порогом. В простейшем из этих тестов используются чистые тона. Однако наибольшие трудности возникают при точном определении нормальных пороговых уровней звукового давления.

Порог слышимости ограничивает область слухового восприятия человека «снизу». Верхний предел слышимости имеет менее явный смысл. Когда уровень силы звука приближается к 110 дБ, возникает ощущение звука в наружном ухе. При еще более высоком уровне силы звука (около 130 дБ) испытуемый начинает чувствовать боль. Минимальное значение давления, при котором появляется это ощущение, называется порогом болевого ощущения. Он максимален при частотах 0,5-1 кГц и составляет примерно 200 Па. Если уровень звукового давления превышает 155-160 дБ, то барабанная перепонка человека разрушается.

Другой характеристикой слухового анализатора являются кривые равной громкости, также представленные на рис. 2.3. Каждая кривая на графике показывает уровень равной громкости с начальной точкой отсчета на частоте 1 кГц. Методика построения этих кривых следующая:

1. выставляют уровень звукового давления эталонного звука на частоте 1 кГц (например, 40 дБ);

2. испытуемому предлагают прослушать сигнал на другой частоте (например, 100 Гц) и отрегулировать его уровень таким образом, чтобы он казался равногромким эталонному;

3. проделывают это для разных частот и, отложив полученные значения уровня звукового давления, получают кривую равной громкости для 40 дБ.

Если теперь увеличить уровень эталонного звука до 60 дБ и повторить все эксперименты, то получится кривая равной громкости, соответствующая уровню 60 дБ . Семейство таких кривых для различных уровней звука и показано на рис. 2.3. Иначе говоря, каждая линия соответствует некоторому значению громкости, измеренной в фонах. Например, линия «20 фон» показывает уровни сигнала в дБ на разных частотах, воспринимаемых слушателем как равные по громкости сигналу с частотой 1000 Гц и уровнем 20 дБ. Поэтому каждую из представленных кривых также называют изофоной.

Если проанализировать эти кривые, то видно, что при малых уровнях звукового давления оценка уровня громкости очень сильно зависит от частоты - слух менее чувствителен к низким и высоким частотам, и требуется создать гораздо большие уровни звукового давления, чтобы звук стал звучать равногромко с эталонным звуком 1000 Гц. При больших уровнях изофоны выравниваются, подъем на низких частотах становится менее крутым - происходит более быстрое нарастание громкости звуков низкой частоты, чем средних и высоких. Таким образом, при больших уровнях низкие, средние и высокие звуки оцениваются по уровню громкости более равномерно. Кривые равной громкости используют в акустике для определения громкости звука по его физическим характеристикам: частоте колебаний и силе звука.

Возможности слуховой системы определяются не только наличием абсолютных порогов слышимости, но и ограниченной разрешающей способностью слуха. Под разрешающей способностью слуха подразумеваются минимальные изменения звукового давления, частоты, временных интервалов (и соответствующих им громкости, высоты, длительности), которые могут быть замечены слухом. Разрешающую способность называют еще дифференциальным порогом восприятия (в англоязычной литературе - «just noticeable difference» (JND)).

Многочисленные исследования были посвящены порогам различимости по высоте двух разных тонов, отличающихся по частоте. Из результатов, представленных на рис. 2.4, а, видно, что слуховая система может различить по высоте два звука, отличающихся по частоте всего на 0,2 %. В пределах до 500 Гц мы способны различить понижение или повышение частоты даже на 1 Гц. На более высоких частотах наш слуховой аппарат становится менее восприимчивым к такому не значительному изменению частоты. Так, после 2000 Гц большинство людей может отличить один звук от другого только при разнице в частоте не менее 5 Гц. Такая тонкая разрешающая способность слуха позволила установить, что ниже частоты 500 Гц можно выделить примерно 140 градаций высоты тона, в диапазоне от 500 Гц до 16 кГц – примерно 480 градаций высоты тона 6 (всего 620 градаций).

В европейской музыке инструменты с равномерно темперированной шкалой используют около 100 градаций высоты тонов. Но возможности слуховой системы гораздо больше - 620 градаций высоты, и это основа современной микротоновой и спектральной музыки, которая особенно продвинулась в своем развитии с появлением компьютерных технологий.

В одном из методов определения дифференциальных амплитудных порогов (рис. 2.4, 6) используют два синусоидальных сигнала одинаковой частоты, но разного уровня. Например, у входа в ушной канал подавался сигнал с частотой 1 кГц с уровнем звукового давления 40 дБ и второй сигнал той же частоты с изменяющимся уровнем. При поочередном прослушивании пары таких сигналов слушатель отмечает, какой из сигналов звучит громче. Таким образом, были получены характеристики зависимости дифференциальных порогов слышимости JND от частоты и общей интенсивности звукового сигнала (рис. 2.4, б). Как видим, эти пороги (т. е. едва замечаемая разница в уровне громкости) зависят от частоты сигнала: наименьшие значения получаются на средних частотах (500-4000 Гц), на низких и высоких частотах они возрастают. Например, пrи общем уровне 60 дБ JND для частоты 1000 Гц составляет 0,8 дБ, а для частоты 200 Гц - 1,3 дБ. Кроме того, они сильно зависят от общего уровня сигнала: чем громче сигнал, тем меньшую разницу между сигналами можно услышать. JND на частоте 1000 Гц при общем уровне 40 дБ составляет 1,25 дБ, при уровне 80 дБ - 0,6 дБ.

Задания для выполнения лабораторной работы

Задание 1. Определить порог слышимости для моноаурального и бинаурального слуха.

Задание 2. Получить кривые равной громкости для бинаурального слуха.

Задание 3. Определить дифференциальные частотные пороги.

Задание 4. Определить дифференциальные амплитудные пороги слухового анализатора.

Описание лабораторного оборудования

Аудиометрия (от лат. audio - слышу и греч. metron - мера) – это метод определения абсолютного порога чувствительности слухового анализатора человека к звукам различной частоты. В свою очередь, абсолютным порогом чувствительности слухового анализатора является та минимальная сила звука, которая способна вызвать слуховое ощущение или какую-либо ответную реакцию. Аудиометрия осуществляется с помощью электроакустических приборов, аудиометров, которые позволяют строго дозировать интенсивность звуковых сигналов, проводить исследование на всех звуковых частотах.

В качестве источника звуковых колебаний в данной лабораторной работе используется звуковая карта персонального компьютера. Управление выводом и конфигурация параметров выводимого звукового сигнала осуществляются посредством взаимодействия пользователя со специализированной программой, выполненной в среде графического программирования LabVIEW 8.2, в виде виртуального лабораторного стенда (ВЛС) «Аудиометр».

Выполнение лабораторных исследований по аудиометрии осуществляется посредством взаимодействия студента с ВЛС, запускается который в автоматическом режиме после активации соответствующего ярлыка на рабочем столе компьютера.

В свою очередь, функциональные панели содержат следующие элементы управления:

• панели «Генератор 1» и «Генератор 2»: элементы управления частотой F, Гц и уровнем силы звука генерируемых колебаний Р, дБ;

• элементы управления «Выводимый сигнал» типа «флажок» (checkbox) для выбора сигнала, подаваемого на выход звуковой карты: возможна подача сигнала только с одного из генераторов (активация элемента выбора «флажок» (checkbox) «Генератор 1» или «Генератор 2»), а также с двух генераторов одновременно («Генератор 1 и 2») и по очереди через 2 с («Генератор 1 или 2»);

Примечание: элемент выбора - «флажок» (checkbox) «Генератор 1 и 2» и «Генератор 1 или 2» функционируют только при закрытой панели «Измеритель частотных характеристик».

• элементы управления «Выбранный канал» типа «флажок» (checkbox) для выбора канала (левый/правый), позволяющие подавать сигнал либо в один из наушников, либо в оба сразу;

• панель «Осциллограф»: элементы управления типа «флажок» (checkbox) для выбора сигнала для отображения на графике (с генератора 1 и генератора 2 по отдельности или вместе).

В левой нижней части лицевой панели аудиометра расположены командные клавиши:

• «Запуск» - запускает процесс генерации сигнала;

• «Сохранить» - позволяет скопировать измеренные характеристики в виде копии лицевой панели и/или цифровые данные индикатора частотных характеристик в файл Microsoft Word;

• командная клавиша «Выход» - используется для завершения работы программы.

В связи с тем, что параметры различных звуковых карт и наушников не идентичны, перед началом работы необходимо установить минимально различимый уровень звука, который предварительно принимается за нулевой. Это осуществляется с помощью инструмента «Калибровка», запускаемого одноименной клавишей, которая расположена в правом верхнем углу ВЛС (см. рис. 2.5). Путем горизонтального перемещения движка регулятора уровня звука при частоте 1 кГц следует определить минимальный слышимый сигнал.

Посредством изменения параметров выводимого сигнала и нажатия клавиши «Фиксация» осуществляется сохранение значений частоты и уровня сигнала в окне и памяти графического индикатора виде отдельных точек частотной характеристики. После завершения снятия одной характеристики точки необходимо соединить линией с помощью клавиши «Соединить точки». Во всплывающее при этом окно вводится наименование измеренной характеристики.

Если соединение измеренных точек частотной характеристики проведено, то последующие измерения снова выведутся на графическом индикаторе в виде точек и будут условно соответствовать уже новой характеристике. Вновь полученные точки также могут быть соединены и т.д.

При нажатии клавиши «Нормировка ЧХ» производится автоматическое нормирование ранее измеренных и соединенных характеристик относительно минимального значения каждой характеристики, которое принимается на нулевой уровень.

Клавиша «Сохранить» позволяет зафиксировать результаты измерений в виде копии лицевой панели и/или цифровые данные индикатора частотных характеристик в виде документа Microsoft Word.

При нажатии клавиши «Выход» закрывается лицевая панель аудиометра.

Клавиши «Сохранить» и «Выход» доступны на всех этапах выполнения лабораторной работы.

Порядок выполнения работы

1. Внимательно изучить пункт «Описание лабораторного оборудования».

2. Произвести запуск виртуального лабораторного стенда «Аудиометр».

Определение порога слышимости

Определение порога слышимости производится для каждого уха по отдельности (моноауральный слух) и для двух ушей вместе (бинауральный слух).

Данное задание должно выполняться в паре (испытуемый и испытатель), чтобы исключить психологический эффект распознавания звука. Испытуемый должен надеть на голову наушники, следя за тем, чтобы они плотно прилегали к голове, но в то же время не создавали неприятных ощущений.

Порядок выполнения задания следующий:

1. Подключить наушники непосредственно к выходу звуковой карты.

2. С помощью инструмента «Калибровка» провести процедуру калибровки.

3. Переключить ВЛС в режим измерения частотных характеристик.

4. С помощью элемента выбора «флажок» на панели «Выводимый сигнал» выбрать генератор, с которого будет выводиться сигнал.

5. На соответствующей панели управления генератором установить уровень P=-20 дБ и необходимую частоту измерения. Для исследований рекомендуется использовать следующие значения частот: 20, 50, 100, 200, 500, ГЦ, 1, 2, 5, 10, 15, 20 кГц.

6. С помощью командной клавиши «Запуск» запустить процесс генерации сигнала.

7. Плавно увеличивая громкость звука, определить тот момент, когда испытуемый начинает слышать звук в наушниках. Порог слышимости необходимо оценивать, подходя к нему снизу.

8. С помощью командной клавиши «Фиксация» зафиксировать экспериментальную пороговую точку.

9. Повторить измерения согласно п.п. 6-8 во всем частотном диапазоне, сохраняя соответствующие значения порогов и частот на графическом индикаторе.

10. С помощью командной клавиши «Соединить точки» соединить полученные точки.

11. Сохранить полученные результаты измерения P(f), используя клавишу «Сохранить».

12. Провести изменения P(f) согласно п.п. 6-11 во всем частотном диапазоне, для каждого уха по отдельности и для бинаурального случая.

13. С помощью командной клавиши «Нормировка ЧХ» провести автоматическое нормирование измеренных и соединенных характеристик относительно минимального значения, которое принимается на нулевой уровень. Автоматически произойдет коррекция данных в таблице.

Испытуемый 1, Л			Испытуемый 1, П				Испытуемый 1, Б				Испытуемый 2, Б
	F, Hz	P, dB			F, Hz	P, dB			F, Hz	P, dB			F, Hz	P, dB
1	20	47,21		1	20	47,94		1	20	52,48		1	20	46,03
2	50	33,02		2	50	27,92		2	50	32,07		2	50	27,88
3	100	24,38		3	100	6,53		3	100	10,3		3	100	16,31
4	200	20,77		4	200	10,98		4	200	7,13		4	200	0
5	500	10,71		5	500	10,12		5	500	9,39		5	500	6,33
6	1000	0		6	1000	0		6	1000	0		6	1000	0,25
7	2000	3,44		7	2000	0,24		7	2000	1,48		7	2000	0,46
8	5000	1,05		8	5000	5,85		8	5000	0,37		8	5000	3,25
9	10000	11,72		9	10000	12,63		9	10000	6,65		9	10000	0,69
10	15000	17,55		10	15000	43,1		10	15000	32,42		10	15000	3,36
11	20000	50,95		11	20000	52,39		11	20000	52,83		11	20000	27,37

Таблица полученных значений.

Дальнейшая поправка по ЧХ наушников может осуществляться с помощью прибавления значения АЧХ наушников на частотах измерения.

Амплитудно-частотная характеристика наушников Sennheiser HD 202. (Sonarworks Reference 4).