Глава 4.

СЛУХОВОЕ ВОСПРИЯТИЕ

И ЕГО СВЯЗЬ С АКУСТИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СИГНАЛОВ

4,1. Восприятие интенсивности сигналов

Как известно, основные параметры ощущения (громкость звука, высота тона и др.), будучи нелинейно связанными с соответствую- щими параметрами раздражения, зависят еще и от других его па- раметров. Так, громкость звука нарастает непропорционально уве- личению интенсивности сигнала, и на эту связь дополнительно вли- яет частота и длительность последнего.

Трансформирующее действие системы восприятия показывает, что информация, которую несут с собой сигналы, создаваемые на- туральными источниками звука, заметно видоизменяется и может быть избыточной. По степени же избыточности, можно найти опти- мальные технические характеристики электроакустического тракта. Кроме того, выявление тех акустических параметров слухового вос- приятия, которые повышают семантическую и эстетическую инфор- мативность, позволяет творчески использовать систему, управления сигналами в процессе звукопередачи.

Слуховой аппарат воспринимает уровни^ силы звукам диапазоне до 120-7-130 дБ. В эти пределы вполне укладываются сигналы,всех реальных источников звука. Однако для правильного суждения tf связи ощущения звука — его громкости с раздражением, т. е. с уровнем силы звука, нужно помнить, что изменение чувствительнос- ти слухового аппарата далеко не точно подчиняется логарифмиче- скому закону, принятому при построении кривых одинаковых уров- ней громкости (пунктирные линии на'рис. 4.1). Фактически субъ- ективно воспринимаемая громкость (в сонах)¹, как видно по кривым,

п оказанным сплошными линия- ми, при малых уровнях силы звука изменяется медленнее, а при больших — быстрее, чем уровень громкости, измеряемой в фонах. Мелким пунктиром показаны изменения кривых уровней громкости для случая диффузного звукового поля, т. е, для звукопередач, веду- щихся из помещений.

Ряс. 4.1. Сравнение кривых равного уровня громкости (в фонах) и субъек- тивной громкости (в сонах)

Как видно по рис. 4.1, для мощных источников различие между субъективной гром- костью и ее уровнем невелико,

тогда как для источников малой мощности это различие становится очень большим.. Непропорциональное увеличение громкости вместе повышением уройня заметно сказывается на натуральных сигна- лах в том, что слух как бы подчеркивает усиленные по уровню фор- мантные области,- делая речь более четкой, увеличивая носкость.го- лоса, выделяя характерные особенности каждого из музыкальных инструментов.- Очевидно, это свойство слуха может быть использо- вано при управлении -сигналами в процессе звукопередачи.

Кривые рис. 4.1 показывают, что соотношение между объектив-- ным акустическим стимулом и Субъективно воспринимаемой гром- костью не является постоянным при различных частотах сигнала^ Сигнал натуральных источников представляется в виде некоторого набора чистых тонов. Поэтому важно установить, какие изменения претерпевают эти сигналы при изменении их общей интенсивности. -При высоких уровнях силы звука (80—-90 дБ) кривые равной громкости почти параллельны оси частот и частотные составляющие сложных сигналов претерпевают наименьшие изменения громкости. Воспроизведение таких сигналов с пониженным уровнем усиления, как это бывает при слушании радиопередач в домашних условиях, вызывает потери низко- и высокочастотных составляющих. Более слабые сигналы с уровнями ЗО-т-60 дБ слуховой аппарат восприни- мает с ослаблением низких и высоких частот. Увеличение же гром- кости за счет общего усиления, как это практикуется при звукопе- редаче в кинематографе, нарушает естественные для таких сигналов соотношения, обнаруживаемые слухом как подчеркивание низких и высоких частот. Следовательно, и усиление и ослабление нату- ральных сигналов при записи или воспроизведении звука требует соответствующей частотной коррекции.

Рис. 4.2. Зависимость критической по- лосы слуха Д/ от частоты сигнала при слушании одним U) и двумя (а) ушами.

С убъективно воспринимаемая громкость нескольких тонов, а сле- довательно, и сложных сигналов зависит от их когерентности. Если они некогерентны, что наблюдается, когда частоты одновременно звучащих тонов отличаются не менее чем в четыре раза (на две ок- тавы), то субъективная громкость их будет арифметически склгГ- дываться (39}.*'Это соответствует таким натуральным источникам, которые имеют только нечетные гармонические составляющие (на- пример, кларнет), или двойным созвучиям, взятым, ^например,, на фортепиано. Когда же разли- чие в частотах невелико и оба тона..лежат в пределах одной критической полосы слуха А/, значение которой можно Опре- делить по рис. 4.2, складывают- ся уже не. громкости, а только соответствующие им звуковые давления, что дает максималь- ное увеличение уровня громко- сти только на .6 фон. И в этом случае реальные сигналы по сравнению с чистыми тонами

52

имеют увеличение громкости особенно для тех источников, у кото- рых амплитуды первых гармоник заметно больше, чем у основной частоты (скрипка, валторна и др.).

Таким образом, реальные сигналы имеют громкость большую, .чем^близкие к ним чистые тоны, что подтверждается эксперимен- тальными кривыми зависимости громкости чистого тона (7), равно- мерно воздействующего (2) и белого (3} шума от уровня звукового давления (рис. 4.3),

Очевидно, и для групповых источников будут сохраняться те же закономерности, которые существуют для одиночных или для труп-

Рис. 4.3. Зависимость громкости чистого тона (1) и сложных сигналов (2, з) от уровня звукового давления

Рис. 4.4. Кривые порога слышимости то- на при маскировке белым шумом (В) узкополосными шумами (А, Б) и звука- ми скрипки (195 и 1500 Гц)

пы чистых тонов. Следовательно, каждое удвоение числа одинако- вых источников (например, в унисон играющих скрипок) будет приводить к увеличению их уровня громкости не более чем на 6 фон. Если же источники неодинаковы и их звучания заметно от- личаются по частоте {например, скрипка и контрабас), то при одно- временной игре громкости таких инструментов могут складываться.

В практике телевидения и кинематографа встречаются передачи, в которых одиночные или групповые источники должны звучать на фоне шумов и других мешающих звуков, чаще всего негармониче- ского характера, В этом случае фоновые сигналы будут полностью или частично маскировать основной сигнал. Степень маскировки зависит от уровня маскирующего "сигнала и его характера. По сво- ему характеру маскирующие звуки могут быть близкими к белому или узкополосному шуму_г представляться созвучиями или чистыми тонами. Граница, у которой полезный сигнал начинает прослуши- ваться . на фоне мешающего, называется порогом слышимости при маскировке- Он лежит на несколько децибел выше уровня полезного сигнала.

На рис. 4.4 показаны кривые порога слышимости тона при мас- кировке белым и узкополосным шумом при средних частотах по- следнего — 250 (А) и 1000.Гц (Б) — и уровнях 40, 60 и 80 дБ. По- роговые кривые для белого шума (В} параллельны, имея подъем

54 ^:

иа 10 дБ в пределах частот от 1000 до 10.000 Гц. Это указывает на большее маскирующее действие высокочастотных составляющих бе- лого шума по сравнению с низкочастотными. Маскирующее дейст- вие низкочастотных шумовых пблос шириной 160 Гц и уровнем 60 дБ охватывает частоты в пределах от 80 до 1000 Гц, тогда как полосы высокочастотных шумов с теми же параметрами оказывают маскирующее действие в более узком диапазоне частот — от 500 Гц до 2000 Гц. Увеличение уровня маскирующего сигнала заметно рас- ширяет зону маскирующего действия в сторону высоких частот,

Волнистыми линиями на рис. 4.4 показаны пороги слышимости для случаев, когда маскирующими сигналами являются тоны скрип- ки с основными частотами 195 Гц и 1500 Гц. Судя по этим кри- вым, эффект маскировки сказывается на частотном спектре полез- ного сигнала, начиная с основной, частоты маскирующего тона. От- сюда следует, что .ширина полосы маскировки будет возрастать по мере понижения этого тона. Расширение маскирующего действия низкочастотных сигналов в известной мере учитывается при уста- новлении численности отдельных групп исполнителей. Так, в сим- фоническом оркестре число виолончелей уменьшают по сравнению со скрипками. Так же поступают и при определении количества низкочастотных ударных инструментов в оркестре и соотношения мужских и женских голосов в хоре. Эту особенность маскировки следует принимать во внимание и при повышении уровня усиле- * ния воспроизводимой музыки, так как уровень низкочастотных сиг- налов при этом заметно увеличивается. При наложении узкополос- ного шума на формаптные области музыкальные сигналы будут те- рять свою узнаваемость, а речевые — понятность отдельных звуков.. Как показывает опыт, отношение уровня шума Nm, к уровню по- лезного сигнала N для хорошего или удовлетворительного восприя- тия речи должно быть не больше 0,5-7-0,7.

Нужно отметить, что слуховой аппарат при восприятии сигна*- лов высокого уровня привносит свои, так называемые субъектив- ные искажения. Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вто- рая субъективные гармоники достигают уровня соответственно 85 ж 70 дБ.

В заключение можно сделать следующие общие выводы.

1. Диапазон уровней интенсивности звука, воспринимаемого''слу- хом, равен 120-7-130 дБ, что достаточно для приема полного дина- мического диапазона любого реального источника звука,

2. Резкое повышение громкости при увеличении уровня силы звука способствует подчеркиванию формант, что улучшает четкость речи и делает звучание каждого натурального источника более ха- рактерным.

3. Уменьшение или увеличение уровня усиления при передаче сложных сигналов вызывает соответственно потери или подчерки-' вание их низко- и высокочастотных составляющих.

< 4. Субъективная громкость натуральных сигналов выше, чем у чистых тонов той же интенсивности, и так же, как для групповых источников, или несколько увеличивается при близком расположе-

55

нии _их частотных составляющих, или складывается, если они раз- мещаются далеко.

5. Увеличение уровня шумовых сигналов повышает их маски- рующее действие. Наиболее ойасными являются низкочастотные шу- мы или тоны, имеющие широкую полосу маскировки.