Субъективные характерные свойства сложных звуков
Акустически сложный звук, то есть такой, какой имеет более одного частотного компонента, может вызывать или не вызывать сложного ощущения. Сложность звука также может оказывать большое влияние на субъективные свойства: громкость, высоту и объем звука, а также может давать начало образованию новых характерных свойств.
Громкость сложных, звуков. Эксперименты, проводимые в области акустически сложных тонов (Флетчер и Мансон, 1933; Флетчер, 1935; Xауес, 1949), показали, что если на шкале частот компоненты удалены друг от друга на значительное расстояние, то общая громкость равняется сумме громкостей отдельных компонентов, представленных раздельно. Если же частотные компоненты сложных тонов находятся друг от друга на небольшом расстоянии, то общая громкость будет несколько меньше суммы отдельных громкостей.
Неудача метода простого сложения объясняется тем обстоятельством, что деятельность улитки или нервная деятельность вызывается перекрытием нескольких компонентов.
Интенсивность, по отношению к 0,0002 дин/кв.См,db
Фиг. 28. Увеличение громкости в зависимости от повышения интенсивности. Наиболее быстро громкость возрастает у равномерного маскирующего шума, распределяющего возбуждение так широко, как возможно. Чистые тоны показывают наименьшую скорость возрастания громкости, поскольку они создают максимальную концентрацию возбуждения. Шум с равномерным спектром (белый шум) является перемежающимся (по Флетчеру и Мансону, 1937; Поллаку, 1948).
Следуя данному заключению применительно к крайнему случаю, с увеличением интенсивности следует ожидать того, что увеличение громкости будет происходить для однокомпонентного тона медленно, поскольку вся активность будет сконцентрирована в участке основной мембраны и одного канала слуховой системы. Как показано на фиг. 28, шумы возрастают по громкости более быстро, чем чистые тоны.
Высота сложных звуков. Мы уже видели, что между высотой и частотой звука нет прямого отношения, выражающегося как 1:1, поскольку сила звука зависит от интенсивности. Однако изменение силы звука в зависимости от интенсивности менее заметно для сложных, чем для чистых тонов (Флетчер, 1935). Поэтому главной проблемой, которую следует рассмотреть, является следующий вопрос: к какому аспекту спектра звука ближе всего (хотя и не единственно) относится высота звука? Можно ли считать, что это основная частота?
Флетчер (1935) указывал на то, что почти каждый человек слышит комплексный тон, состоящий из компонентов с частотой 700, 800, 900 и 1000 гц, как имеющий примерно высоту чистого тона 100 гц. Хотя этот комплексный тон не содержит энергии на частоте 100 гц, он имеет, по определению, основную частоту 100 гц; причем наивысшая частота повторения колебаний составляет 100 гц. Однако поскольку общая разностная частота составляет также 100 гц, то установленное положение, заключающееся в том, что высота тона составляет примерно 100 гц, не может способствовать решению в пользу одного из двух возможных детерминант высоты звука (основная частота, с одной стороны, и общая разностная частота - с другой). Шаутен (1940) решал данный вопрос путем опроса испытуемых относительно высоты тона, состоящего из компонентов в 300, 500,700, 900, ... гц. Этот тон имеет основную частоту 100 гц и общую, разностную частоту 200 гц. Испытуемые утверждали, что высота тона равняется приблизительно высоте чистого тона с частотой 100 гц, решая, таким образом, вопрос в пользу предыдущей альтернативы, заключающейся в том, что основная частота (или, по определению Шаутена, периодичность волны) является очень важной независимо от наличия энергии в основном тоне (сложного звука). Если мы примем данное заключение относительно того, что высота тона зависит от основной частоты независимо от наличия энергии в основном тоне, мы оказываемся на грани отрицания "теории места", определяющей восприятие высоты звука. Мы можем принять обе теории только при подтверждении того, что, хотя при акустическом стимуле не имеется энергии на основной частоте, энергия перемещается в основной тон сложного звука путем нелинейного процесса, вклинивающегося между колебанием барабанной перепонки и возбуждением нейронов слухового нерва. Тем не менее Шаутен не считает, что "теорию места" спасти столь легко. Он указывает, что высота звука определяется "исчезающим основным тоном" даже и при таких низких уровнях интенсивности, при которых нелинейное искажение либо незначительно, либо совсем не наблюдается. Определение основной частоты для центральной нервной системы на основе нервных коррелятов наивысших гармоник может оказаться, конечно, возможным. Шаутен, однако, полагает, что ключом для определения высоты звука является нервная система в смысле фактической периодичности. На фиг. 29 показано, каким образом можно сохранить периодичность волны, несмотря на аналитическое действие механизма улитки. Фиг. 29 сходна с фиг. 4, за исключением того, что ряд колебаний на входе заменяется одиночным импульсом и что в данном случае каждый низкочастотный резонатор реагирует только в пределах узкой полосы импульсного спектра, в то время как каждый высокочастотный резонатор реагирует в пределах ширины, достаточной для включения нескольких гармоник. Поэтому периодичность волны сохраняется в ответной реакции высокочастотных резонаторов. Шаутен сообщает, что сложная волна, состоящая полностью из частотных компонентов свкше 3000 гц, воспринимается на слух так же, как волна, имеющая высоту звука 200 гц, если ее компоненты размещены по шкале частот как результаты перемножения частоты 200 гц.
Фиг. 29. Сохранение периодичности, соответствующей основной частоте сложного входного сигнала в 200 гц. Импульсы приложены к каждой из частотно-избирательных (резонансных) цепей, для которых показаны кривые селективности. Эти резонансные цепи отличаются от показанных на фиг. 4 тем, что они имеют скорее равные значения для Q, чем равные постоянные затухания. (Селективность слуховой системы является промежуточной между этими двумя.) Через низкочастотные резонаторы проходит только один компонент входной волны, а через более высокие резонаторы - несколько. Эти несколько компонентов сбиваются вместе и создают периодический, сложный сигнал на выходе. Если волокна слухового нерва реагируют на этот выход, то они могут сохранить периодичность первоначального ряда колебаний. Устранение низкочастотных компонентов из ряда колебаний не окажет никакого влияния на данную периодичность (по Шаутену, 1940).
Однако теория Шаутена применима только в определенных границах. Если период между повторениями сложной волны слишком большой, например 1 сек, то мы не должны ожидать того, чтобы высота звука могла определяться простым методом посредством периодичности. Экдал и Боринг (1934) показали, что высота тональной массы (например, 236, 244, 452, 260, 268, 276, 284 и 292 гц), как можно ожидать на основании "резонансно-местной теории", равняется высоте звука чистого тона, лежащего близ массы средней частоты. Тот же результат наблюдается для полос беспорядочного шума, основная частота которого равна 0, то есть когда звуковая волна не возвращается.
Возникает вопрос, с какой степенью точности следует интерпретировать термин Шаутена "периодичность".
Если частоты отдельных компонентов несоизмеримы, то сигнал с научной точки зрения не является периодическим, но тем не менее его огибающей может быть свойственно повторение. Данные экспериментов, приведенные Мэйтсом и Миллером (1947), позволяют заключить, что периодическое повторение огибающей является достаточным для сообщения звуку высоты или по меньшей мере субъективного свойства, очень похожего на высоту тона, и что строгая периодичность одного колебания ни в коем случае не является основной.
Миллером и Тэйлором (1948) описан случай, из которого явствует, что полностью апериодический звук имел определенную высоту тона. Они включали и выключали белый шум при различных скоростях. При небольшой скорости прерывания шум, конечно, приобретал характер последовательных всплесков. Но когда скорость была увеличена, то есть количества прерывав доведено до 40 в 1 сек, шум приобрел довольно определенную высоту, несмотря на то, что интенсивность компонента в 40 гц была ни сильнее, ни слабее интенсивности какого-либо другого компонента. Испытуемые с большой степенью точности сравнивали высоту звука прерванного шума с высотой чистого тона до тех пор, пока скорость прерывания не превышала 200 раз в 1 сек. Таким образом, имеетсй случай, из которого ясно, что высота звука зависит только от изменения среднеквадратической величины давления звуковой волны.
В силу очевидности вышесказанного мы можем искать две различные основы воспринимаемости высоты. А именно: высота чистого тона - высокочастотного тона при любой скорости - связана с определенным участком высших нервных центров, где возникает возбуждение; а высота звука сложного тона с основной частотой в пределах приблизително 25 и 300 гц может в основном зависеть от скорости, с которой происходят изменения этого возбуждения. (Участок частоты между 25 и 300 гц является участком слабого механического частотного анализа; см. гл. XXVII, фиг. 44.)
Объем сложных звуков. Работая над определением контуров равной громкости для различной ширины полосы белого шума, Томас (1949) просил испытуемых дать определение равнообъемности этих сигналов. По полученным контурам равнообъемности можно заключить, что с увеличением ширины полосы шума с равномерным сплошным спектром при сохранении общей энергии шума постоянный объем шума возрастает быстрее, чем громкость. Данное положение особенно справедливо для высоких уровней интенсивности. На основе результатов Томаса можно предположить, что по сравнению с громкостью объем звука в большей степени зависит от распространения нервного возбуждения и в меньшей - от интенсивности этого возбуждения.
Тембр сложных звуков. Тембр сложных звуков обычно определяется как субъективное качество, зависящее от сложности или структуры обертонов физического звука. Однако мы видели, что как на громкость, так и на высоту сложного тона до некоторой степени оказывает свое влияние структура обертонов. Поэтому мы должны вернуться, к определению, хотя и недостаточно точному, согласно которому тембр связан с распределением высоты звука и громкости в общем ощущении. До тех пор, пока в этой области не будет проведена тщательная исследовательская работа, сказать что-либо по данному вопросу, кроме того, что тембр представляет собой "многоразмерную" характеристику, едва ли возможно.
Неприметное раздражающее свойство сложных звуков. Шумы всегда раздражают. От каких факторов зависит это раздражение? Ежедневные наблюдения показывают, что это свойство вызывать неприятное чувство связано со значением (или смыслом) раздражающего звука (стук или шипенье автомобильного мотора, звуковой сигнал автомобиля, подъехавшего сзади), с состоянием слушающего (пение малиновки на лужайке ранним утром), с повторяемостью (тиканье часов, шаги на верхнем этаже), с интенсивностью звука (метро, железная дорога на эстакаде), с частотой (скрип мела по школьной доске или ножа по стеклу). Несмотря на очевидную практическую важность точного представления перечисленных моментов, лабораторным исследованиям подверглись только два последних фактора. Лэйрд и Кой (1929) изучали вопрос о величине раздражающей силы тонов по отношению к высоте и громкости. Риз и Крейтер (1944), а также Крейтер (1948b) определяли контуры равной раздражаемости и равной громкости для узких полос частот случайного шума. Данные двух экспериментов совпадают при оценке того момента, что раздражающая сила увеличивается по мере увеличения громкости и что высокочастотные звуки являются более раздражающими при данной громкости, чем