Слух и восприятие звука. Курс лекций СанктПетербург 2012
 Скачать 450.25 Kb.
|
|
Э.И. ВОЛОГДИН СЛУХ И ВОСПРИЯТИЕ ЗВУКА Курс лекций Санкт-Петербург 2012 Содержание Содержание 2 1. Психоакустика и аудиотехника 3 2. Строение слуховой системы человека 4 3. Звуковые колебания 6 4. Объективные характеристики звука 8 5. Пороги слышимости 10 6. Критические полосы слуха 12 7. Пороги слышимости при маскировке 13 8. Уровень громкости 19 9. Громкость звука 22 10. Временные характеристики слуха 23 11. Адаптация слуха 24 12. Маскировка во временной области 25 13. Высота звука 25 14. Нелинейность слуха. Субъективные гармоники. 27 15. Тембр звука 27 16. Разрешающая способность слуха 28 17. Бинауральный слух 31 18. Эффект предшествования 35 19. Бинауральное маскирование и демаскирование 35 Список литературы 36 2 1. Психоакустика и аудиотехника Изучением слуха и восприятия звука занимается наука под названием психоакустика. В этой науке на основе субъективных наблюдений устанавливаются закономерности взаимосвязи между объективными характеристиками звука и ощущениями его восприятия. Эти взаимосвязи лишь иногда описываются с помощью эмпирических формул, чаще представляются в виде графиков, а иногда они носят лишь описательный характер, например, для тембра звука. Изучение психоакустики радиоинженерами, и особенно специалистами в области аудиотехники, в настоящее время необходимо потому, что результаты исследований в этой области используются в целом ряде разделов аудиотехники, которые изучаются как отдельные дисциплины. В области аналоговой аудиотехники результаты, полученные в психоакустике, позволяет разрабатывать регуляторы уровня и тембра, акустические головки и акустические системы, шумоподавители, эквалайзеры и усилители мощности с учетом слухового восприятия. Без знаний в области психоакустики нельзя понять почему мы не слышим 20% нелинейные искажения громкоговорителей на низких частотах и нас крайне раздражают нелинейные искажений менее 0.1%, возникающие в транзисторных усилителях из-за центральной осечки. Эти же знания необходимы при комплектовании звуковых студий и согласования между собой различной аудиоаппаратуры. Даже для того чтобы правильно измерить шум магнитофона, усилителя или целого звукового тракта требуется знание особенностей слуха человека и специальная аппаратура. В цифровой аудиотехнике до сих пор существует необходимость понижения шума квантования, возникающего при аналого-цифровом преобразовании. Этот шум действует на слух значительно более раздражающе, чем шум аналоговой аудиоаппаратуры. Хотя максимальное отношение сигнал-шум для цифровой аудиоаппаратуры достигает 96…120 дБ, при воспроизведении записи реальных музыкальных программ оно не превышает 50…70 дБ. Существенное снижение шума квантования при разработке цифровой аудиоаппаратуры также возможно только с учетом особенностей слуха человека. В проигрывателях компакт дисков помехоустойчивое кодирование звука, полная и частичная коррекция кодовых ошибок осуществляются без всякого учета особенностей слуха человека, почти также как в компьютерах. Как следствие, это исключает возможность существенного повышения скорости записываемых цифровых потоков. Поэтому на этих дисках не может быть записано больше двух звуковых каналов, что для современного качества звуковоспроизведения совершенно недостаточно. В системах связи и звукового вещания крайне ограничены возможности выбора свободных частотных диапазонов, поэтому остро стоит задача понижения скорости цифровых звуковых потоков без снижения субъективного качества звучания. В области цифровой звукозаписи для повышения качества воспроизведения звука требуется повышение частоты дискретизации и числа разрядов без увеличения размеров носителя и сокращения времени записи. Для решения этих проблем в этих областях техники необходимо осуществить значительное сжатие звука с уменьшением скорости цифрового потока в 4…10 раз. Поэтому в этих областях техники стали использовать субполосное кодирование, при котором звуковой звук разделяется на множество полос шириной близкой к критической полосе слуха, а кодирование осуществляется в каждой полосе отдельно с выбором числа разрядов так, чтобы шумы квантования не ощущались на слух. Были 3 разработаны множество систем сжатия, основанные на различных моделях слухового восприятия, такие как MUSICAM, ATRAC и другие. В настоящее время такое кодирование звука используется в европейской цифровой системе радиовещания DAB, оптических дисках системы DVD-Audio, магнитооптических мини-дисках, звуковых дисках системы MP-3 и для передачи высококачественного звука в сети Интернет. Стереофонические аудиосистемы строятся на основе знаний бинауральных особенностях слуха человека. Такая способность слуха позволяет воспринимать объемное звучание с локализацией источников звука в пространстве. 2. Строение слуховой системы человека Все передачи звуковых программ по системам вещания и связи предназначены для приема их человеком. Поэтому для правильного проектирования и эксплуатации этих систем необходимо понимать как устроена слуховая система человека и знать ее основные свойства. Ухо состоит из трех частей: наружного уха, среднего и внутреннего. Две первые части служат передаточным звеном для подведения звуковых колебаний к слуховому анализатору, находящемуся во внутреннем ухе – улитке. На рис. 1 приведена упрощенная схема органа слуха человека. Звуковые волны принимаются акустической рупорной антенной, функции которой выполняет ушная раковина 1. Далее через слуховой проход 2, который выполняет функции короткого волновода, звук воздействует на барабанную перепонку 3. Эта перепонка вогнута во внутрь и натянута. Эти три элемента образуют наружное ухо. В полости среднего уха расположены три слуховые косточки: молоточек 4, наковальня 5 и стремя 6, которые шарнирно соединены между собой суставами и оснащены мышечной тканью из двух мышц 7. Рукоятка молоточка прикреплена к барабанной перепонке, а мышца молоточка поддерживает ее в натянутом состоянии. Основание стремени закрывает собой овальное окно 8, за которым находится внутренне ухо. Стремя в овальном коне закреплено не жестко и может совершать возвратно-поступательные движения. 4 17 12 8 7 10 11 15 4 2 3 1 5 6 9 16 Наружное ухо Среднее ухо Внутреннее ухо 14 13 18 1 Рис. 1. Устройство уха человека Слуховые косточки образуют систему рычагов для передачи усилия от барабанной перепонки к стремени. Этот механизм превращает воздушные колебания с большой амплитудой колебательной скорости и небольшим давлением в механические колебания стремени с небольшой амплитудой колебательной скорости и высоким давлением. Евстахиева труба 9соединяет барабанную полость с носоглоткой и служит для выравнивания статических давлений по обе стороны барабанной перепонки. Когда из-за простуды Евстахиева труба закупоривается, в ухе появляются неприятные ощущения. Внутреннее ухо находится внутри височной кости, и оно полностью заполнено жидкостью – лимфой. Благодаря передаточному механизму среднего уха давление на эту жидкость уха со стороны стремени в 100 раз превосходит звуковое давление, действующее на барабанную перепонку. Внутреннее ухо объединяет в себе орган равновесия и орган слуха – улитку. На рисунке улитка показана спрямленной, длина канала улитки около 35 мм. Пространство улитки разделено на три заполненных жидкостью спиральных канала, разделенных двумя перепонками: основной мембраной 10 и мембраной Рейснера 11. Эти каналы называются лестницей предверия 12, срединной лестницей 13 и лестницей барабана 14. Между лестницей предверия и барабанной полостью находится овальное окно 8 (окно предверия), в котором расположено основание стремени, а между лестницей барабана и барабанной полостью среднего уха – круглое окно 16 (окно улитки), закрытое упругой мембраной. Срединная лестница заполнена эндолимфой, а две другие – перилимфой. Перелимфатические полости сообщаются между собой через отверстия вблизи вершины улитки, называемой геликотермой 15. Эндолимфа и перелимфа имеют разные значения вязкости и плотности. Основная мембрана представляет собой аморфную ненатянутую перепонку, закрепленную по краям. Длина ее примерно 32 мм, ширина вблизи овального окна, т.е. у стремени, около 0,1 мм и вблизи вершины около 0,5 мм. Основная мембрана состоит из нескольких тысяч волокон, натянутых поперек улитки. Волокна слабо связаны между собой и поэтому могут колебаться независимо. Со стороны эндолимфы на основной мембране расположен кортиев орган 17. Он содержит около 22 тысяч чувствительных волосковых клеток, чувствительных к давлению и деформациям основной мембраны. С волосковыми клетками контактируют окончания нервных волокон, которые объединяются в пучок, называемый слуховым нервом 18. Он направляется к улитковому ядру ствола головного мозга. При звуковых колебаниях стремечко приводит в движение мембрану овального окна. Под действием этих колебаний мембрана круглого окна колеблется в такт с мембраной овального, так как лимфа практически несжимаема. Лимфа колеблется касательно к поверхности основной мембраны, поперек ее волокнам. На колебания лимфы отзываются (резонируют) в зависимости от частоты колебаний только вполне определенные волокна. Около геликотермы расположены наиболее длинные волокна, резонирующие на низких частотах. В основании улитки ( между овальным и круглым окнами) расположены наиболее короткие волокна, которые резонируют на высоких частотах. Сложный звук, состоящий из нескольких составляющих, далеко отстоящих по частоте друг от друга, возбуждает несколько групп волокон. Таким образом, основная мембрана служит частотным анализатором. Границы воспринимаемого слухом частотного диапазона довольно широки (20… 20000 Гц), а избирательность слуха невелика. Полоса пропускания на уровне 0,71 у резонаторов слухового анализатора меняется от 35 Гц на низких частотах до 200 Гц на высоких. Вследствие ограниченности числа нервных окончания вдоль основной мембраны, человек запоминает во всем частотном диапазоне не более 250 градаций частоты. Число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности 5 звука и в среднем равно 150. Даже самые лучшие музыканты не замечают разницы в звучании, если частоты отличаются менее чем на 4%. Если волокно основной мембраны при своих колебаниях недостает до ближайшей волосатой клетки, то человек звук не воспринимает. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближайшей клетки, звук будет услышан. Этот скачкообразный переход от слышимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости. При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда колебаний волокон не увеличится настолько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон коснется следующей клетки, слуховое ощущение еще раз повысится скачком. Слуховое ощущение нарастает скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называются порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250. Таким образом, по амплитуде имеет место дискретное восприятие звука. Для средних и высоких интенсивностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности звука. 3. Звуковые колебания Мы слышим звук, который передается по воздуху и воспринимаем его как нечто первичное. Его воздействие на слух называется раздражением, а то что мы слышим – ощущением. Как раздражение, так и ощущение существенно зависят от характера звука, поэтому для изучения их взаимосвязи все звуки целесообразно разделить на группы в зависимости от их восприятия на слух. Чистые тоны. В этом случае звуковое давление описывается синусоидальной функцией времени с постоянной амплитудой, частотой и фазой. Тоны на слух воспринимаются как тихие или громкие, высокие или низкие. Созвучие. Это стационарный звук, состоящий из нескольких тонов, например, звук колокола. В большинстве случаев под созвучием понимается комбинация основного тона и нескольких обертонов. Звуковое давление созвучия представляет собой периодическую функцию времени: функция имеет несинусоидальную форму, спектр линейчатый с примерно одинаковыми составляющими – основное колебание не доминирует. К созвучиям также относятся гласные звуки речи. На рис. 2 приведен график спектра созвучия. По оси абсцисс графика откладывается текущая частота F, а по оси ординат – уровень звукового давления спектральных составляющих. Амплитудно-модулированные звуковые колебания. Большинство звуков, которые мы слышим, являются нестационарными, амплитуда колебаний у них меняется в функции времени. Спектр АМ имеет среднюю частоту и две боковые составляющие. Пример, свисток спортивных судей. У этого звука средняя частота 1…2 кГц, 6 Рис. 2. График спектра созвучия модулирующая частота 5…25 Гц. Модуляция периодическая, но несинусоидальная, спектр боковых составляющих не очень широкий. Частотно-модулированные (ЧМ) звуковые колебания. Такие колебания характеризуется средней частотой , частотой модуляции и девиацией средней частоты Важной характеристикой ЧМ-колебания является индекс модуляции, равный отношению девиации к модулирующей частоте. При малых индексах модуляции спектр ЧМ-колебания такой же, как у АМ-колебания. Чем больше этот индекс, тем больше число боковых составляющих спектра и шире спектр. Частотный интервал между составляющими спектра ЧМ-колебания равен модулирующей частоте. На рис. 3 приведен пример спектра ЧМ- колебания, возникающего при игре на скрипке. По осям графика используются те же обозначения, что и на рис. 2. В музыкальных звуках ЧМ проявляется в виде вибрато. В скрипичной игре девиация основного тона может достигать 10 Гц, при частоте модуляции 3 Гц. При этом индекс модуляции равен 3 и спектр имеет полосу 440 ± 13 Гц, в него входит 9 составляющих. Биения. Два тона с одинаковыми амплитудами и частотами, но с изменяющейся фазой, воспринимаются на слух как периодическое изменение громкости тона, что называется биением. Такой звук имеет орган. Шумы. Звуки, спектр которых непрерывен, называются шумами. В зависимости от характераогибающей спектральной плотности мощности шума они имеют условные названия: белый, розовый и равномерно маскирующий. В зависимости от ширины спектра шум может быть широкополосным, узкополосным, октавным, третьоктавными и др. Важнейшей характеристикой шума является частотная зависимость спектральной плотности мощности R Ш Белый шум.У данного шума уровень спектральной плотности мощности N(R) БШ не зависит от частоты. В линейной шкале частот его график имеет вид прямой линии, параллельной оси частот. В октавной шкале частот график уровня спектральной плотности мощности этого шума имеет вид наклонной прямой линии с подъемом в область высоких частот с крутизной 3 дБ/октаву. Розовый шум. У этого шума уровень спектральной плотности мощности N(R) РШ в октавной шкале не зависит от частоты и его график имеет вид прямой линии, параллельной оси частот. В линейной шкале частот график уровня спектральной плотности мощности этого шума имеет вид прямой линии, спадающей к высоким частотам с крутизной 3 дБ/октаву. Равномерно маскирующий шум. До частоты 500 Гц этот шум имеет характеристики белого шума, а выше он имеет характеристики розового шума. Это связано с критическими полосами слуха, которые до 500 Гц примерно одинаковы по ширине, а свыше 500 Гц их полоса линейно растет с частотой. Этот шум одинаково 7 Рис. 3. График спектра звука с частотной модуляцией маскирует во всем звуковом диапазоне частот. Он формируется из белого шума с помощью фильтра, который на частотах выше 500 Гц создает спад с крутизной 3 дБ/октаву . На рис.4. приведены графики частотной зависимости уровня спектральной плотности мощности N(R) Ш для всех рассмотренных звуковых шумов. Узкополосный шум сопровождает звуки почти всех вокальных инструментов. Играя на флейте, музыкант возбуждает не только периодический тон, но и узкополосный шум от вдувания воздуха. Это придает выразительность звучанию. Такие шумы возникают при игре на смычковых инструментах, а также в речи и пении. Импульсы и последовательности звуковых импульсов. Краткие звуки создают импульсы звукового давления. Речь человека представляет собой последовательность импульсов звукового давления различной амплитуды, частоты и длительности. Долгие гласные звуки сравнимы со стационарными тонами, краткие – лучше называть звуковыми импульсами. При длительности импульсов 50 мкс все спектральные составляющие лежат ниже 20 кГц. При уменьшении длительности до 20 мкс большая часть спектра находится за пределами 20 кГц. 4. Объективные характеристики звука Воздействуя на слух, звук вызывает раздражение. В свою очередь раздражение создает у человека субъективный эффект – ощущение. Раздражение и его параметры – это физические величины, которые могут быть измерены. Параметры ощущения 8 N(R) Ш , дБ N(R) Ш , дБ (1- белый шум, 2 – розовый шум, 3 – равномерно маскирующий шум) а) линейная шкала частот, б) октавная шкала частот (громкость, высота, тембр) измерить нельзя. О них можно лишь составить представление, на основании словесного описания испытуемого. |