Слух и восприятие звука. Курс лекций СанктПетербург 2012
 Скачать 450.25 Kb.
|
|
Такой вид маскировки, когда звуки не перекрываются по времени, называется временной маскировкой. Она разделяется на предмаскировку и послемаскировку. Послемаскировка проявляется на интервале времени 100–200 мс после окончания маскирующего звука. Предмаскировка проявляется на значительно более короткие временные интервалы около 10 мс. Длительность предмаскировки в очень сильной степени зависит особенностей конкретных людей. По этой причине механизмы временной маскировки при цифровом кодировании звука пока не используются. Однако, звукорежиссерам эти механизмы надо знать. Основные особенности временной маскировки: • послемаскировка более эффективна, чем предмаскировка, • более высокий уровень маскировки наблюдается при поступлении маскирующего звука через короткий временной интервал вслед за маскируемым звуком, • маскировка выражена сильнее когда маскирующий и маскируемый звуки подаются в одно ухо, • уровень маскировки обычно резко падает при увеличении временного интервала свыше 15 мс, • увеличение уровня интенсивности маскирующего звука на 10 дБ вызывает сдвиг порога маскировки на 3 дБ, • длительность маскирующего звука влияет на степень предмаскировки, но не на послемаскировку, • временная маскировка зависит от частотного соотношения маскирующего и маскируемого звуков, маскировка проявляется сильнее, когда частоты этих звуков близки. 13. Высота звука Высотой звука называется субъективная количественная мера его ощущения, для которого главным параметром раздражения является частота. Высотой обладают только чистые тоны и периодические звуки, причем у последних высота определяется частотой основного тона. Высота может в некоторой степени меняться от громкости звука, его спектрального состава и длительности. Музыкальный строй. В музыке система звуков, отобранных по высотному признаку, называется звукорядом или музыкальным строем. Существуют два вида музыкальных строев: слуховой отбор (ладовый, народный) и теоретический строй (расчетный). Второй является общепризнанным. В основе этого строя лежит особенность: при любом абсолютном значении частоты звука F одинаковые относительные изменения частоты создают ощущение одинакового прироста высоты. Например, изменение частоты со 132 до 264 Гц и с 524 до 1048 Гц 25 воспринимается на слух как увеличение высоты тона на одну и ту же величину или на один и тот же высотный интервал – октаву. Октавой в музыке называется разница по высоте между двумя тонами, при которой они воспринимаются как тождественные. Октава является основным интервалом, определяющим периодичность музыкального строя. Помимо октавного разбиения музыкальный строй разбивается на 3 регистра: низкий, средний и высокий. Октава состоит из 7 основных тонов и 5 дополнительных – всего 12. Они образуют высотный интервал, называемый полутоном. Интервальные коэффициенты для полутона и треть октавного звуков h 12 = 2 1/12 = 1.06 ; h з = 2 1/3 = 1.26. В электроакустике и аудиотехнике в основном используются октавные и треть октавные шкалы частот. Это позволяет сразу по графикам АЧХ определять крутизну среза фильтров в дБ/октаву. Частотный интервал в октавах n = 3.33 lg ( F В /F Н ). Если задано число октав n, то (F В /F Н ) = 2 n Таким образом, восприятие высоты тона пропорционально логарифму изменения частоты звука. Мелодическая высота тона. Проведенные недавно исследования показали, что область пригодности логарифмического закона ограничена третьей октавой (1048 Гц). Выше этой частоты надо увеличивать интервальные коэффициенты и тем больше, чем больше высота тона. Поэтому различают два вида октав: гармоническую (точно по формулам) и мелодическую, когда октава определяется на слух. До частоты 500 Гц мелодические октавы не отличаются от гармонических. Свыше 500 Гц мелодическая октава не равна отношению частот 1:2 и в верхней части диапазона составляет 1:10. Поэтому в качестве субъективной единицы высоты тона была принята величина мел. При этом условились, что 315 Гц соответствуют 315 мел. Зависимость между этими величинами линейная примерно до 2000 Гц (рис. 22). Дальше эта зависимость становится резко нелинейной и высота тона в мелах не превышает 3000. Высота тона в барках. Высоту тона можно также определять путем измерения порога слышимости при маскировке по частотным группам. При увеличении любой частоты на частотную группу приводит к возрастанию высоты тона на 1 барк 26 или 100 мел. График рис. 22 можно использовать для перехода от частотной шкалы высоты тона в герцах к шкале высоты тона звука в барках. 14. Нелинейность слуха. Субъективные гармоники. Слуховой аппарат человека является нелинейной системой. Нелинейность слуха проявляется в том, что при громких звуках в слуховом аппарате возникают гармоники: 2, 3 и вплоть до 9(рис. 23). Эти гармоники называются субъективные, так как их нет в исходном звуке. Пока уровень звукового давления не превышает 40 дБ субъективные нелинейные искажения не возникают. При увеличении уровня интенсивности первичного тона свыше 60 дБ величина субъективных гармоник резко возрастает до 10…50% и может превысить интенсивность основного тона. Это имеет существенное значение для восприятия низких частот 16…100 Гц. Предполагается, что звуки с частотой ниже 100 Гц воспринимаются не сами по себе, а из-за создаваемых ими гармоник, т.е. из-за нелинейности слуха. Субъективные гармоники 2, 3, 4 и 5 порядков не приводят к заметному ухудшению качества звучания, они только меняют тембр. Благодаря ним звучание часто становится лучше. Гармоники более высокого порядка, особенно нечетные, заметно ухудшают качество звучания. Еще до войны фирма Филипс разработала малогабаритный ламповый радиоприемник, в котором хорошо воспроизводились низкие частоты. Это достигалось за счет введения "синусоидальных" нелинейных искажений – второй и третьей гармон 15. Тембр звука Тембром звука называется его особая окраска, позволяющая отличить данный звук от других звуков такой же высоты и громкости. Тембр – это субъективная качественная характеристика звука. На тембр оказывают влияние следующие факторы: Спектр звука. Музыкальные звуки являются периодическими колебаниями, спектр которых дискретен и содержит кроме основного тона ряд обертонов (гармоники). Количество обертонов и соотношение их амплитуд является наиболее важным фактором, определяющим тембр звука. Установлено, что обертоны выше 8 не улучшают тембр. Пере-груженность обертонами создает ощущение тяжести звучания. Чрезмерная обедненность состава обертонов приводит к бесцветности тембра. 27 Временные факторы. Другим физическим фактором, определяющим тембр, является длительность атаки (нарастания) звука и длительность его затухания. При этом обертоны и основной тон могут иметь разные длительности атаки и затухания. Звук фортепиано характеризуется короткой атакой и длительным затуханием, тогда как для органа наоборот. Поэтому тембр этих инструментов совершенно различны. Вибрато. Очень существенное влияние на тембр имеет вибрато. Этим термином обозначается небольшая амплитудная или частотная модуляция основного тона звука или его обертонов, происходящая с частотой не выше 10…12 Гц. Чаще всего такая модуляция осуществляется механическим способом, например, колебаниями пальца, прижимающего струну. Созвучие. Интересные особенности тембра возникают при одновременном воспроизведении целой группы звуков. Например, унисонное звучание. Под этим понимают одновременное воспроизведение несколькими музыкальными инструментами звуков одной и той же высоты. В этом случае никогда нет полного тождества звуков всех инструментов. Это связано со следующими факторами: • нельзя воспроизвести звук одной и той же высоты с абсолютной точностью, в результате имеет место разброс по частоте, то есть воспроизводится не одна частота, а узкая группа дискретных частот, • нельзя осуществить полную синхронность атаки и затухания, поэтому возникает временная зона звучания, • музыкальные инструменты не идентичны и они имеют существенные отличия по тембру. 16. Разрешающая способность слуха Под разрешающей способностью слуха понимаются минимальные изменения звукового давления или частоты, которые могут быть замечены слухом. Разрешающую способность иногда называют дифференциальным порогом восприятия. Амплитудные слуховые пороги определяются как минимально заметная на слух амплитудная модуляция. Наибольшая чувствительность слуха к амплитудной модуляции имеет место при частоте модуляции 4 Гц. Графики на рис. 24 иллюстрируют как меняется пороговое значение уровня звукового давления N пор , при котором заметна на слух амплитудная модуляция заданной величины от 1,5 до 20%. 28 Как видно из этих графиков: • чем меньше глубина амплитудной модуляции, тем выше пороговое значение уровня звукового давления, при котором эта модуляция заметна; • уровень порога заметности амплитудной модуляции по звуковому давлению минимален в области частот 1…2 кГц, к нижним и верхним частотам он существенно возрастает; • кривые равной заметности амплитудной модуляции почти повторяют форму кривых равного уровня громкости. Разрешающая способность слуха к амплитудной модуляции определяется отношением приращения звукового давления к среднему значению давления – ∆ P/P. В зависимости от уровня громкости и частоты амплитудно-модулированного колебания разрешающая способность может быть от 2 до 40 %. На рис. 25 представлена зависимость разрешающей способности слуха к амплитудной модуляции от уровня громкости модулированного звука и его частоты. Как видно: • разрешающая способность слуха к амплитудной модуляции очень сильно зависит от уровня громкости модулированного звука; • чем ниже уровень громкости, тем больше зависимость разрешающей способности слуха от частоты. Частотные слуховые пороги определяются как минимально заметная на слух частотная модуляция. Наибольшая чувствительность слуха к частотной модуляции имеет место при частоте модуляции 4 Гц. Графики на рис. 26 иллюстрируют как меняется пороговое значение уровня звукового давления N пор , при котором заметна на слух частотная модуляция заданной величины от 0,2 до 10%. Как видно из этих графиков: • значения глубины частотной модуляции, которая заметна, значительно меньше, чем при амплитудной модуляции; • чем меньше глубина частотной модуляции, тем выше пороговое значение уровня звукового давления, при котором эта модуляция заметна; 29 • уровень порога заметности частотной модуляции по звуковому давлению минимален в области частот 2…4 кГц, к верхним и особенно к нижним частотам он существенно возрастает; • абсолютные значения заметных изменений частоты составляют от 2 до 10 Гц. Как видно из рис. 27: • частотная разрешающая способность определяется отношением удвоенной глубины модуляции к частоте несущей; • она сильно зависит от уровня громкости звука, чем меньше уровень громкости модулированного звука, тем меньше разрешающая способность слуха к частотной модуляции; • с уменьшением уровня громкости звука резче становится частотная зависимость частотной разрешающей способности слуха. 30 Амплитудная и частотная модуляция звука могут иметь как положительное, так и отрицательное значения. Поэтому вопрос, что лучше – высокая или низкая разрешающая способности не имеет однозначного ответа. В музыке для обогащения звучания часто используется преднамеренная амплитудная и частотная модуляция (тремоло, амплитудное и частотное вибрато). С другой стороны, из-за несовершенства технической аппаратуры записи и воспроизведения звука имеет место паразитная амплитудная и частотная модуляция, например, детонация в магнитофонах, которая резко ухудшает качество звучания. Желательно, чтобы такая паразитная модуляция была незаметна на слух. В какой то мере это реализуется выбором частоты модуляции и ограничением ее глубины ниже порога слышимости. В музыке частота модуляция должна быть ближе к 4 Гц, а в магнитофонах – как можно выше или ниже этой частоты. 17. Бинауральный слух Бинауральным слухом называется его способность определять направление прихода звуковой волны, т.е. локализовать положение источника звука в пространстве. Эта способность достигается благодаря пространственной не совмещенности двух ушей в сочетании с экранирующим влиянием головы. Поэтому всегда имеет место не идентичность возбуждения правого и левого уха. Этот факт обеспечивает человеку возможность воспринимать пространственный звуковой мир и оценивать перемещение источников звука в этом пространстве. К числу основных свойств бинаурального слуха можно отнести: • пространственную локализацию • эффект предшествования, • бинауральное суммирование громкости, • бинауральную демаскировку. Такие возможности слуха достигаются благодаря 3 факторам: 1. Временным – возникающим из-за несовпадения моментов воздействия одинаковых фаз звука на левое и правое ухо. 2. Амплитудным – возникающим из-за неодинаковой величины звуковых давлений на левое и правое ухо вследствие дифракции звуковой волны вокруг головы, например, образования акустической тени со стороны обратной источнику звука. 3. Спектральным – возникающим из-за разницы в спектральном составе звуков, воспринимаемых левым и правым ухом, вследствие не одинакового экранирующего влияния головы и ушных раковин на НЧ и ВЧ составляющие спектра сложного звука. Локализация источников звука. Прослушивая звучание симфонического оркестра в концертном зале слушатель отчетливо воспринимает и разделяет расположение инструментов в горизонтальной плоскости на сцене, их расположение по глубине, а также ощущает пространственность звукового образа. Механизмы локализации источников звука по глубине, в горизонтальной и вертикальной плоскостях различаются. Азимутальная локализация источников звука. Если под некоторым углом ϕ к медианной плоскости головы 1-1 слушателя находится источник звука (рис.28), то фронтальная локализация включает определение азимута (угла ϕ ) и расстояния l до источника звука. Вследствие дифракции звуковой волны вокруг головы слушателя и частотно-зависимого затухания этой волны с расстоянием звуки к правому и левому ушам слушателя приходят не одинаковыми. Они отличаются по уровню интенсивности 31 на величину ∆ N и по времени на величину ∆ t, а также являются функцией азимута и частоты ϕ . Эти параметры и являются носителями информации о локализации источника звука. Разность времени ∆ t прихода одинаковых фаз звука к ушам определяется равенством 0 x t C ∆ ∆ = , где ∆ x – разность хода звуковой волны до левого и правого уха, C 0 – скорость распространение звука в воздухе (340 м/c). В свою очередь ∆ x зависит от размеров головы человека, точнее от расстояния между ушами B , которое в среднем равно 18 см. 2 4 B B x ⋅ π ∆ = + Максимальная разность хода достигает 23 см при расположении источника под углом 90 градусов (сбоку). В этом случае она больше среднего расстояния между ушами В = 18 см и меньше наикратчайшего расстояния вокруг головы, равного 28 см (рис. 28). При такой разности хода максимальное время задержки равно 0,63 мс. Однако, это справедливо только для синусоидальных звуков с частотой не выше 800 Гц. На больших частотах время запаздывания становится больше половины периода колебания, поэтому понятие фазы теряет смысл. Низкие частоты имеют длину волны больше, чем диаметр головы слушателя, поэтому они огибают голову и не дают акустической тени. Звуки высокой частоты имеют длину волны меньше, чем диаметр головы слушателя, поэтому они не проходят к левому уху. Возникающая при этом вследствие явления дифракции акустическая тень, уменьшает интенсивность звука, поступающего в левое ухо (рис. 29). Из опыта следует, что чистые тоны высоких частот (свыше 8 кГц) почти не поддаются локализации. Также слабо выражена способность локализации на частотах ниже 300 Гц.На частотах меньше 150 Гц локализация отсутствует вообще. На этом 32 Звук ϕ Звук ∆ x Рис.28. Возникновение разности по времени прихода звуковой волны в левое и правое уши 1 1 1 1 ϕ Акустическая тень Рис.29. Образование акустической тени основании не важно, где размещать НЧ акустические системы при стерео воспроизведении звука . Наибольшая точность локализации достигается при восприятии сложных звукови звуковых импульсов. При этом важным фактором является спектральный состав звуков. Так, если звук содержит НЧ и ВЧ составляющие и действует под углом 90 градусов на правое ухо, то в левом ухе ВЧ составляющих не будет из-за тени головы. Наименьший ощутимый угол восприятия отклонения источника звуковых импульсов равен 3 0 .Эту величину следует считать бинауральной разрешающей способностью слуха для фронтального направления. Точность локализации источников звука, расположенных слева и справа, значительно меньше и составляет примерно 12 0 Для тылового направления эта величина равна около 6 0 При локализации источников звука параметры ∆ N и ∆ t полностью взаимозаменяемы. При оценке азимута орган слуха обменивает эквивалентное значение интенсивностной разности ∆ N ЭК на временную разность ∆ N ЭК = К э ∆ t, где К э – коэффициент эквивалентности. Суммарное значение эквивалентной интенсивности ∆ N СУМ определяется суммой ∆ N СУМ = ∆ N + K э ∆ t. Она является дополнительным фактором для определения азимута. Величины ∆ tи ∆ N являются не только линейными функциями азимутального угла, но зависят также от частоты. Они изменяются при переходе от одной частотной группы слуха к другой, оставаясь примерно постоянными в пределах одной частотной группы. На низких частотах (ниже 500 Гц) ∆ N << K э ∆ t, т.е. большую роль играет временной фактор. В диапазоне средних частот от 500 до 5000 Гц оба этих фактора примерно в равной степени способствуют создания ощущения направления. Таким образом, при оценке азимута источника звука голова и ушные раковины выполняют функцию пространственного фильтра. Суждение о величине углового смещения источника звука от медианной плоскости связано с оценкой слуховой системой временных и интенсивностных различий пары бинауральных звуков. Такая оценка осуществляется в каждой частотной группе слуха и сравнивается с заученными, приобретенными в результате опыта образцами, которые хранятся в слуховой памяти. Все это и позволяет определить азимут. |