Слух и восприятие звука. Курс лекций СанктПетербург 2012
 Скачать 450.25 Kb.
|
|
Равномерно маскирующий шум. Это шум, который осуществляет одинаковую маскировку тональных звуков во всем звуковом диапазоне частот. Спектральная плотность мощности этого шума N(R) РМШ до частоты 500 Гц такая же как у белого шума N(R) БШ . Выше 500 Гц спектральная плотность мощности N(R) РМШ уменьшается пропорционально частоте, как у розового шума. Кривые маскировки тонального звука равномерно маскирующим шумом приведены на рис. 11. Расчет коэффициента маскировки производится также как и при белом шуме. Маскировка тона шумом внутри критической полосы слуха. При такой маскировке, предполагается, что ширина полосы белого шума равна ширине критической полосы слуха и маскируемый тон находится посередине этой полосы. В такой ситуации величина маскировки оценивается с помощью коэффициента 16 N(R) БШ,М , дБ маскировки K M , показывающего,на сколько децибел порог слышимости маскируемого тона с частотой F Т ниже уровня интенсивности маскирующего шума N МШ в рассматриваемой критической полосе слуха. Этот коэффициент маскировки тона шумом K М ТШ определяется равенством: K М ТШ = N пс – N МШ , где N пс – уровень порога слышимости тона при маскировке его шумом с уровнем интенсивности N МШ . Для белого шума с уровнем спектральной плотности мощности N(R) БШ уровень интенсивности маскирующего шума N МШ в критической полосе ∆ F кр , определяется двумя равенствами: N(R) БШ + 10 lg ( ∆ F кр1 /1 Гц) при F Т < 500 Гц, N(R) БШ + 10 lg( ∆ F кр2 /1 Гц) при F Т > 500 Гц. До частоты 500 Гц ∆ F кр1 равна 100 Гц, поэтому второе слагаемое в формуле равно 20 дБ и, следовательно, уровень маскирующего шума N МШ всегда выше уровня его спектральной плотности мощности на 20 дБ. Из графика на рис. 10 получаем, что коэффициент маскировки K МТШ равен минус 2 дБ. С увеличением ширины критической полосы слуха ∆ F кр2 (на частотах выше 500 Гц) коэффициент маскировки уменьшается, достигая на самых верхних частотах значения минус 5…6 дБ. Существенно хуже проявляется маскировка в ситуации, когда тон маскирует шум с полосой, равной критической полосе слуха. В этом случае коэффициент маскировки определяется равенством K М ШТ = N ПС Ш – N МТ , где N ПС Ш и N МТ – соответственно порог слышимости шума, маскируемого тоном, и уровень маскирующего тона в децибелах. Этот коэффициент маскировки изменяется от минус 5…7 дБ на самых низких частотах до значения минус 35…40 дБ для самых верхних. Графики маскировки при использовании шкалы высоты тона в барках. Частотные зависимости порога слышимости при маскировке в частотной шкале имеют очень сложную форму, поэтому их очень трудно представить в математической форме. При переходе от частотной шкалы к шкале высоты тона Z в барках эта проблема решается значительно проще. В этой шкале форма кривых маскировки не зависит от 17 МШ N = N(R) РМШ , дБ Рис. 11. Графики порога слышимости тона F T при маскировке равномерно маскирующим шумом со спектральной плотностью N(R) РМШ величины высоты тона Z маскирующего тона и полностью определяется только уровнем его интенсивности. Поэтому в стандартах кодирования MPEG величина маскировки задается именно в шкале высоты тона в барках. В качестве примера нарис. 12приведены графики для коэффициентов маскировки тона шумом и шума тоном внутри критической полосы слуха. На этих графиках по оси ординат откладывается величина коэффициента маскировки внутри критической полосы слуха. По оси абсцисс Z – откладывается высота тона в барках. Коэффициент маскировки рассчитывался с помощью аппроксимирующих функций: К МТШ = –2,025 – 0,175 z ( для графика 1), К МШТ = –5,025 – 0,275 z (для графика 2). 18 К М , дБ Как видно, с увеличением высоты тона Z коэффициент маскировки в обоих случаях уменьшается по линейному закону. Тон остается всегда слышимым, даже, если его уровень меньше уровня маскирующего звука. Маскировка шума тоном (график 2) проявляется значительно слабее. На рис. 13 приведены кривые маскировки вне критической полосы слуха. В этом случае рассматривается маскировка составляющими одной полосы составляющих в других критических полосах. Маскирующими могут быть тоны или узкополосный шум. Графики справедливы в обоих случаях. Как видно, форма кривых маскировки не зависит от высоты маскирующего тона Z М Под коэффициентом маскировки при этом понимается уровень порога слышимости тона N ПС при заданных значениях Z М и N М 8. Уровень громкости Звуковое давление и интенсивность тонального звука, измеренные приборами, не дают представления об ощущении громкости. Между тем человек может довольно точно установить равенство громкостей двух звуков любого частотного состава. Это было использовано для введения понятия уровня громкости, позволяющего определить громкость одного звука относительно другого, принятого в качестве опорного. За единицу уровня громкости приняли уровень интенсивности чистого тона с частотой 1000 Гц. Эта единица уровня громкости называется фон. Уровень громкости далее будем обозначать символом G. Численно уровень громкости в фонах равен уровню интенсивности звука в децибелах на частоте 1000 Гц. Определение уровня громкости тонов других частот производится по графику кривых равного уровня громкости. Эти графики, называются изофонами(рис. 14.). На этих графиках представлена частотная зависимость звукового давления при различных уровнях громкости от 3 до 120 фон. Каждая кривая получена путем субъективного сравнения громкости синусоидального звука произвольной частоты с громкостью звука с частотой 1 кГц. Если звук с частотой 100 Гц имеет уровень 50 дБ, а равногромкий ему звук с частотой 1 кГц имеет уровень 40 дБ, то уровень громкости звука с частотой 100 Гц равен 40 фон. Для всех изофон характерно небольшое снижение в области частот 3…4 кГц и равномерный подъем при понижении частоты ниже 500 Гц. Величина подъема на разных уровнях неодинакова. При повышении уровня изофоны спрямляются, и подъем становится менее крутым. Это значит, что частотная характеристика слуха при больших уровнях звукового давления более равномерна, чем при малых. При малых 19 уровнях громкости форма изофон приближается к кривой абсолютного порога слышимости, которой соответствует уровень громкости 3 фона. Для представления об уровне громкости звуков, с которыми мы постоянно сталкиваемся в жизни, приведем ряд примеров. Максимальный уровень громкости: в кабине самолета 125…130 фон, в поезде метро 85…90 фон, обычный разговор 55…60 фон, в библиотеке 25…30 фон. Из кривых равного уровня громкости следует, что сохранение естественного звучания, которое соответствует условиям записи, возможно только при условии воспроизведения записи с тем же уровнем. В противном случае нарушаются соотношения между частотными составляющими. При больших уровнях воспроизведения происходит субъективное усиление НЧ составляющих. При малых уровнях возникает их субъективное подавление. Для сохранения тембра независимо от уровня в радиотехнике применяют компенсированные регуляторы усиления, в которых при уменьшении усиления осуществляется подъем частотной характеристики в области НЧ и ВЧ. Свойство слуха по разному оценивать уровень громкости звука в зависимости от его частоты и уровня интенсивности используется в приборах. Например, в шумомерах при оценке шума в производственных помещениях и измерении отношения сигнал- шум c учетом слышимости низких частот. Для этого в шумомерах используют 3 взвешивающих фильтра, которые ослабляют НЧ, как это делает слуховая система. Эти фильтры имеют разные амплитудно-частотные характеристики: А, В и С (рис. 15): - кривая А со спадом 30 дБ на частоте 50 Гц по отношению к уровню на 1000 Гц, - кривая В со спадом –12 дБ на частоте 50 Гц, - кривая С со спадом –2 дБ на частоте 50 Гц. Если эти кривые перевернуть снизу вверх, то получим изофоны и тогда кривая А соответствует изофоне 30 фон. С помощью этих кривых мы как бы оцениваем уровень громкости при различных уровнях звука: А – слабый уровень (30 дБ на 1 кГц) – дБА, В – соответсвует изофоне 70 дБ – дБВ, С – соответствует изофоне 100 дБ (очень высокий уровень) – дБС График кривых равного уровня громкости существенно видоизменяется, если в качестве испытательного звука использовать полосы шума шириной ∆ F . На графике рис.16 по оси абсцисс откладывается ширина полосы шума от 20 до 4 000 Гц. Центральная частота этих полос 1000 Гц. Для этой частоты критическая полоса шума равна 160 Гц. По оси ординат графика откладывается уровень интенсивности шума N Ш в полосе, при которой достигается ощущение одной и той же громкости. 20 Как видно, в полосе шириной до 160 Гц, уровень громкости шума не зависит от его полосы. Он полностью определяется уровнем интенсивности шума N Ш . При увеличении полосы шума выше критической для обеспечения постоянного уровня громкости необходимо уменьшать уровень шума примерно на 3 дБ при каждом удвоении ширины полосы шума. График кривых равного уровня громкости шума можно привести к виду, показанному на рис. 17. Из этих графиков видно, что пока ширина полосы шума меньше 160 Гц, а это критическая полоса для 1 кГц, уровень громкости шума при всех уровнях интенсивности шума от ширины полосы не зависит. При очень малых уровнях шума уровень громкости шума вообще не зависит от его полосы. При больших уровнях шума уровень его громкости увеличивается с расширением полосы . В случае широкополосного шума при больших уровнях интенсивности шума уровень его громкости значительно превышает уровень громкости тона такого же уровня интенсивности, как и шума. Так, при уровне интенсивности тона с частотой 1 кГц 60 дБ уровень его громкости составляет 60 фон. При таком же уровне интенсивности широкополосного шума его уровень громкости значительно выше и равен 79 фон. При малых уровнях интенсивности тона и шума (15 дБ и ниже) различие в уровнях громкости тона и широкополосного шума очень мало. При очень малых уровнях интенсивности (менее 5 дБ) уровень громкости шума уже меньше уровня громкости тона. 21 9. Громкость звука Громкостью называется субъективное ощущение, позволяющее слуховой системе располагать звуки по шкале от тихих до громких звуков. Громкость звука связана, прежде всего, с давлением звука. Обычно, чем больше звуковое давление, тем громче звучит акустическая система. Однако, это не всегда так. Громкость также зависит от частоты, спектрального состава, длительности звука и его локализации в пространстве. Термин громкость иногда заменяют абсолютной громкостью, относительной или субъективной громкостью - это все одно и тоже. Необходимость введения понятия громкости связана с тем, что на практике часто представляет интерес не уровень громкости, выраженный в фонах, а величина, показывающая во сколько раз данный звук громче другого. Представляет интерес также вопрос о том, как складываются громкости двух разных тонов. Так, если имеются два тона разных частот с уровнем 70 фон, это не значит, что суммарный уровень громкости равен 140 фон. Для оценки громкости принята специальная единица СОН. Громкость 1 сон – это громкость тонального звука с частотой 1 кГц с уровнем 40 дБ. Зависимость громкости от уровня звукового давления является сугубо нелинейной, у нее логарифмический характер. При увеличении уровня давления звука на 10 дБ громкость его возрастает в 2 раза. Это значит, что уровням громкости 40, 50 и 60 фон соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона. График на рис. 18 позволяет вычислить уровень громкости сложного звука с дискретным спектром. Пусть мы имеем 3 тона: 100, 500 и 3500 Гц с уровнями звукового давления 84, 77 и 71 дБ. Требуется определить уровень громкости сложного звука. По кривым равного уровня громкости (рис. 14) определяем уровень громкости каждой составляющей. Они все попадают на одну кривую, поэтому у всех один уровень громкости 80 фон. По графику на рис. 18 определяем громкость каждой составляющей – 21,5 сон. Общая громкость равна сумме – 64,5 сон. По этому же графику находим общий уровень громкости – 93 фона. 22 Приведенный на рис. 18 график громкости S для уровней громкости G выше 40 фон хорошо аппроксимируется формулой S = 2 (G–40)/10 сон, G > 40 фон. Для меньших значений уровней громкости можно воспользоваться формулой Стивенса для частоты 1 кГцS(1000 Гц) = 42 Р 0,6 S(1000 Гц) = 42 Р 0,6 С помощью этих формул приведенный выше график кривых равного уровня громкости, может быть пересчитан в график кривых равной громкости (рис. 19). Для этого требуется заменить значения уровня громкости в фонах соответствующим значением громкости в сонах. Для представления о громкости звуков, с которыми мы постоянно сталкиваемся в жизни, приведем ряд примеров. Максимальная громкость звука в кабине самолета 600…800 сон, громкость шума в поезде метро 30…45 сон, громкость обычного разговора 3…5 сон, громкость шума в библиотеке 0,2…0,4 сона. В случае широкополосного шума при больших уровнях звукового давления громкость шума значительно превышает громкость тона. Так, при уровне звукового давления 60 дБ тона с частотой 1 кГц его громкость составляет 4 сона, а громкость широкополосного шума с таким же уровнем давления почти в 4 раза больше и равна 15 сон. При малых уровнях звукового давления (около 15 дБ) громкости тона и широкополосного шума практически одинаковы и равны 0.06 сона. При еще меньших звуковых давлениях громкость широкополосного шума становится меньше громкости тона. 10. Временные характеристики слуха Слуховой аппарат инерционен: при исчезновении звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время в течение, которого ощущение по уровню громкости уменьшается на 9…10 фон называется постоянной временем слуха. В среднем она равна 30…50 мс. Если к слушателю приходят два коротких звуковых импульса, одинаковые по составу и уровню, но один из них запаздывает, то они будут восприниматься слитно, когда запаздывание не превышает 50 мс. При больших интервалах запаздывания оба импульса воспринимаются раздельно. Это явление называется эхом, оно проявляется, когда разность хода прямого и отраженного звуков более 18 м. Если уровень запаздывающего звука намного меньше уровня первого, то он не будет принят раздельно, даже если время запаздывания больше 50 мс. Это обусловлено эффектом маскировки- ощущение от первого звука маскирует второй. К временным характеристикам слуха относится явление послемаскировки: слабые звуки, идущие сразу после громких звуков, оказываются полностью или частично замаскированными из-за последействия предыдущего звука. К этим характеристикам звука относится и время установления высоты тона звука. Для этого необходимо два – три периода колебаний, чтобы слух мог приближенно оценить высоту звука. На низких частотах время установления составляет около 30 мс, на высоких частотах – оно несколько меньше. 23 11. Адаптация слуха При воздействии на барабанную перепонку уха достаточно длительного звука большой интенсивности воспринимаемая громкость постепенно уменьшается. Это значит, что во время действия длительного громкого звука падает чувствительность уха. После прекращения действия звука чувствительность слуха постепенно восстанавливается. Это явление называется адаптацией слуха. Явление адаптации слуха поясняется рисунками 20 и 21. На этих рисунках в качестве примера приведено воздействие звука в виде импульсов длительностью по 2 минуты на чувствительность слуха. При уровне звукового давления 94 дБ (рис. 20, а) происходит плавное понижение воспринимаемого уровня громкости с 94 до 85 фон (рис. 20, б). Скорость падения уровня громкости по времени от 0 до 40 с высокая, затем она уменьшается почти до нуля. При последующем скачкообразном возрастании звукового давления на 6 дБ (рис. 20,б) уровень громкости сначала возрастает на 9 фон, а затем вновь начинает уменьшаться. Однако, уменьшение уровня громкости в этом случае заметно меньше с 95 до 88 фон. Это значит, что степень адаптации тем выше, чем громче утомляющий звук. На рис. 21,б показано изменение воспринимаемого уровня громкости при скачкообразном уменьшении звукового давления с 94 до 85 дБ. При этом скачок уменьшения уровня громкости составляет почти 20 фон. Затем происходит адаптация слуха к тишине и чувствительность уха частично восстанавливается, а воспринимаемый уровень громкости через 2 минуты возрастает на 12 фон. Таким образом, адаптация проявляется в виде потери чувствительности слуха при достаточно длительном воздействии громкого звука и восстановлении ее при уменьшении громкости утомляющего звука. Защитная способность уха обладает инерцией – этот механизм начинает работать через 30…40 мс после начала звука. Полная защита слуха от воздействия высоких уровней не достигается даже за 150 мс. Поэтому для слуха наиболее опасны очень короткие громкие звуки. 24 12. Маскировка во временной области До сих пор мы определяли коэффициент маскировки в предположении, что маскируемый и маскирующий звуки присутствуют одновременно. Однако, из-за явления адаптации слуха возникают ситуации, когда достаточно громкие звуки маскируют, делают практически неслышимыми, звуки, следующие за ними. В некоторых случаях маскируются предшествующие звуки. |