§ 6.2. Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.

В § 6.1 рассматривались объективные характеристики звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком также и субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона— субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембрзвука почти исключительно определяется спектральным составом.

На рис. 6.1, а, б разные акустические спектры соответствуют Разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.

Громкость— еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину). Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например aI₀, a²I₀, a³I₀

(а — некоторый коэффициент, а > 1) и т. д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е₀, 2Е₀, 3 Е₀ и т. д.

Математически это означает, что громкость звука пропорци­ональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два зву­ковых раздражения с интенсивностями I и I₀, причем I₀ — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно I₀ связана с интенсивностью следующим образом:

Е = klg(I /I₀), (6.3)

где k — некоторый коэффициент пропорциональности, завися­щий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то из (6.1) и (6.3) сле­довало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука со­ответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибе­лах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому ис­пользованию формулы (6.3).

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и ин­тенсивности звука полностью совпадают, т. е. k = 1 и Е_Б = lg(I / I₀), или, по аналогии с (6.2),

(6.4)

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкос­ти децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначе­ние Е_ф.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая ис­следуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора¹ создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощу­щение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

¹ Звуковым генератором называют электронный прибор, генерирую­щий электрические колебания с частотами звукового диапазона. Однако сам звуковой генератор не является источником звука. Если же создавае­мое им колебание подать на динамик, то возникает звук, тональность ко­торого соответствует частоте генератора. В звуковом генераторе предус­мотрена возможность плавного изменения амплитуды и частоты колеба­ний.

Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интен­сивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 6.4). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше ме­тоду.

Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков — порогу слышимости: для всех частот Е_ф = 0, для 1 кГц соответствующая интенсивность звука I₀ = 10^-12 Вт/м². Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наи­более чувствительно к частотам 2500—3000 Гц. Каждая промежу­точная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интен­сивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определен­ных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя со­вокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивнос­ти. Например, пусть интенсивности звука частотой 100 Гц соот­ветствует L = 60 дБ. Какова громкость этого звука? На рис. 6.4 на­ходим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 30 фон, что и является отве­том.

Чтобы иметь определенные представления о различных по ха­рактеру звуках, приведем их физические характеристики (табл. 13). Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

Таблица 13

Примерный характер звука	Интенсив­ность зву­ка, Вт/м2	Звуковое давле­ние, Па	Уровень интенсивности звука относительно по­рога слышимости, дБ (или уровень громкости звука для частоты 1 кГц, фон)
Порог слышимости	10-12	0,00002	0
Сердечные тоны через
стетоскоп	10-11	0,000064	10
	10-10	0,0002	20
Шепот	10-9	0,00064	30
Разговор:
тихий	10-8	0,002	40
нормальный	10-7	0,0064	50
громкий	10-6	0,02	60
Шум на оживленной улице	10-5	0,064	70
Крик	10-4	0,2	80
Шум:
в поезде метро	10-3	0,64	90
мотоцикла (максимальный)	10-2	2	100
двигателя самолета	10-1	6,4	110
то же, вблизи	100	20	120
Порог болевого ощущения	101	64	130

При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) опре­деляют порог слухового ощущения на разных частотах; получен­ная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощуще­ния помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума исполь­зуется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображен­ной на рис. 6.3. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости на рис. 6.4), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.