Основы ФАп. Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности

• Название: Учебное пособие для студентов высших учебных заведений по специальности
• Дата: 19.04.2022
• Размер: 7.93 Mb.
• Имя файла: Основы ФАп.doc
• Тип: Учебное пособие; #485368
• страница: 3 из 28

2.3.2. Передача слуховых раздражений в мозг

Процесс передачи нервных раздражений от волосковых клеток в головной мозг имеет электрохимический характер [4, 5,11].

Механизм передачи нервных раздражений в мозг представлен схемой рис.2.3, где Л и П - левое и правое ухо, 1 - слуховые нервы, 2 и 3 - промежуточные центры распределения и обработки информации, расположенные в стволе головного мозга, причем 2 - т.н. улитковые ядра, 3 - верхние оливы.



Рисунок 2.3. Механизм передачи нервных раздражений в мозг
Частота возникающих нервных импульсов зависит только от интенсивности раздражения, т.е. от значения уровня звуково­го давления. Механизм формирования ощущения высоты тона до сих пор подвергается дискуссиям. Известно лишь, что на нижних частотах за каждый полупериод звукового колебания возникают несколько импульсов. На верхних частотах импульсы возникают не в каждый полупериод, а реже, например, один импульс за каждый второй период, а на более высоких даже за каждый третий.

Большая часть информации, поступающей от левого уха, передается в правое полушарие мозга и, наоборот, большая часть информации, поступающей от правого уха, передается в левое полушарие. В слуховых отделах ствола головного мозга определяются высота тона, интенсивность звука и некоторые признаки тембра, т.е. производится первичная обработка сигналов. В коре головного мозга идут сложные процессы обработки. Многие из них являются врожденными, многие формируются в процессе общения с природой и людьми, начиная с младенческого возраста.

Установлено, у большинства людей (95% правшей и 70% левшей) в левом полушарии выделяются и обрабатываются смысловые признаки информации, а в правом - эстетические. Этот вывод получен в опытах по биотическому (раздвоенному, раздельному) восприятию речи и музыки. При слушании левым ухом одного, а правым ухом другого набора цифр слушатель отдает предпочтение тому из них, который воспринимается правым ухом и информация, которая поступает в левое полушарие. Наоборот, при слушании разными ушами разных мелодий предпочтение отдается той, которую слушают левым ухом, и информация от которой поступает в правое полушарие.

2.3.3. Физиологические характеристики слуха

Физиологические свойства слуха определяются многими понятиями, численными параметрами и характеристиками. К ним относятся динамический и частотный диапазоны, чувствительность слуха и ее АЧХ, абсолютные и дифференциальные пороги восприятия, явление маскировки, нелинейные, временные и пространственные свойства и многое другое [1,4,5,11].

Динамический диапазон слуха ограничен со стороны малых уровней порогом слышимости P₀ = 2x10^-5 Па I₀ = 10^-12 Вт/м² N_a = 0 дБ сверху - болевым порогомP_max = 20 Па I_max = 1 Вт/м² N_a = 120 дБ Разумный порог слышимости, по-видимому, установился в процессе эволюции. Значение звукового давления на пороге слышимости всего лишь на порядок более давления, соответствующего тепловому движению молекул воздуха. Если бы слух был более чувствительным, люди непрерывно бы слышали шум, обусловленный этим хаотическим движением молекул. Превышение болевого порога приводит к разрушению органа слуха.

Амплитудно-частотная характеристика слуха, как видно из (рис.2.4.) сильно изменяется с изменением интенсивности сигнала и лишь при интенсивностях 90...110 дБ приближается к горизонтали. Уменьшение чувствительности на крайних часто­тах при небольших интенсивностях звука приводит к тому, что при слушании звучания с небольшой громкостью происходит сужение частотного диапазона слышимых звуков. Нижней границей диапазона слышимых звуков называют 16...20 Гц, верхней - 16...20 кГц. Нижняя граница довольно устойчива, верхняя заметно снижается с возрастом. Многие люди в возрасте старше 50 лет не слышат звуков с частотами более 10...12 кГц.

Механические (акустические) колебания с частотой менее 16...20 Гц (инфразвуки) и более 20 кГц (ультразвуки) не воспринимаются слухом, но при большой интенсивности оказывают на человека вредное физиологическое воздействие. В области нижних частот находятся резонансные частоты некоторых внутренних органов: желудка - 27 Гц, сердца - 17 и 23 Гц, корпуса человека - примерно 10 Гц. При частотах 6...7 Гц у человека возникает чувство страха, тревоги. Ультразвуковые колебания вызывают нагрев тканей, а при большой интенсивности т.e. "холодный ожог".

Слуховые ощущения S находятся в не линейной зависимости от изменения стимулов по интенсивности I и частоте f. В 1841 г. Э.Вебер (E.Weber) показал, что одинаковые относительно ее изменения стимула вызывают одинаковые абсолютные изменения ощущения. В 1880 г. Г.Фехнер (G.Fechner) сформулировал это положение в виде S = Klogl. Эта зависимость получила наименование основного психофизиологического закона Вебера и Фехнера. Примерно логарифмическая зависимость ощущения от раздражения (стимула) привела к введению логарифмических величин интенсивности - уровней, единиц их выражения - децибелов и неперов - и логарифмического масштаба частот. Каждое удвоение частоты звука вызывает одинаковое изменение высоты тона, называемое октавой

.

Рисунок 2.4. Амплитудно-частотная характеристика слуха
Последующие исследования уточняли установленную Вебером и Фехнером связь между ощущением и раздражением. С.Стивене (S.Stevens) в исследованиях 1936-51 гг. дал следующие трактовки: S = Ktⁿ и S = K(I - l₀)ⁿ, где l₀ - пороговое значение интенсивности, а п = 0,3 для слуховых ощущений, п=0,33 для зрительных при темповой адаптации и п = 0,45 при световой (яркостной) адаптации. При раздражении кожи электрическим током п = 3,5.

Не всякие изменения стимула приводит к изменению ощущения. Слуху, как другим органам чувств, свойственно квантование ощущений. Существуют т.н. дифференциальные (разностные) пороги ощущения. Для слуха они относятся к изменению раздражителя по интенсивности и частоте. Большинство людей замечают изменения громкости при изменении звукового давле­ния на 6...12%, т.е. при изменении уровня на 0,5...1,0 дБ. Под­счетами определено, что на частоте 1000 Гц человек различает 374 скачка (градации) громкости. Другие источники называют 250 градаций. К краям частотного диапазона слуха число различаемых градаций уменьшается: до 34 на частоте 62 Гц и 119 на частоте 8000 Гц.

Интересно, что дифференциальный порог различения яркостей близок к названным значениям и составляет 1...5%.

Дифференциальный порог различения слуха по частоте равен примерно 4%, т.е. чуть меньше интервала полутон. Без сличения с исходной частотой это изменение частоты не замечается. Считается, что избирательные свойства нервных волокон невелики. Полосы слухового анализатора, определенные на уровне 0,7 от максимального значения на частотах 250, 1000 и 4000 Гц составляют соответственно 35, 50 и 200 Гц, т.е. 14, 5 и 5%. Эти полосы называют критическими поносками слуха. Вследствие ограниченного количества нервных окончаний, расположенных вдоль основной мембраны, человек различает во всем диапазоне слышимых частот не более 250 градаций высоты. При уменьшении интенсивности звука число градаций уменьшается примерно до 150, т.е. соседние градации отличаются друг от друга в среднем на 4%. Интегрирующие (накапливающие) свойства слуха основаны на закономерностях нарастания и спада электрохимических процессов в слуховых нервах и слуховом центре мозга. В первом приближении считается, что интенсивность ощущений зависит от произведения интенсивности нервных импульсов на их длительность. Численные значения, характеризующие инерционность процессов слухового восприятия, полученные различными исследователями, заметно отличаются: от 50...70 до 165 мс, т.е. почти в 3 раза. Объясняется это различными условиями опытов. Примерно такие же численные значения приводятся для инерционности зрения. Совпадению значений не следует удивляться. Процессы передачи и преобразования слуховой и зрительной информации имеют общую природу и близки.

Нелинейные свойства объясняют несимметричной формой колебаний барабанной перепонки и других частей органов слуха. На чистых тонах нелинейность проявляется в появлении гармоник, на колебаниях со сложным спектром - в появлении комбинационных частот. На чистом тоне с интенсивностью 100 дБ вторая гармоника ощущается с уровня 88 дБ, а третья - 74 дБ. При одновременном звучании двух чистых тонов с уровнем 80 дБ ощущается разностный тон с уровнем также 80 дБ. При уровне тонов 60 дБ разностный тон ощущается с уровнем 40 дБ.

Нелинейные искажения слуха особенно заметны на слож­ных звуках со многими частотными составляющими. Их можно наблюдать на речи пассажиров в шумных транспортных средствах, когда вибрации двигателя нелинейно накладываются на речевой спектр, создавая "рычащий" тембр. Маскирующее действие помех проявляется в ухудшении художественного впечатления от музыки, а на речи - в снижении разборчивости. При помехе с равномерным спектром с составляющими от 100 до 5000 Гц, тон будет услышан, даже если уровень помехи превышает уровень тона на 15 дБ. Важное свойство слуха - бинауральный эффект - восприятие звуков двумя ушами. Он основан на тонком анализе поступающей в мозг информации. Естественно, он возможен с помощью тех отделов мозга, в которые поступает информация и от левого, и от правого уха. На частотах менее 150 Гц локализация невозможна. Минимальная погрешность локализации слуха в горизонтальной плоскости составляет на частотах 0,05...0,5 кГц 3,8°, в области частот 0,5...7 кГц - 0,5°, в полосе частот 0,05...7 кГц в среднем - 0,7°. Погрешность локализации в вертикальной плоскости гораздо больше и составляет примерно 10...15°.
2.5. Восприятие чистых тонов

Чистые тоны, т.е. синусоидальные акустические сигналы, лишены тэмбральных признаков, поэтому слуховой анализатор уподобляют преобразователю. Параметрами сигнала со стороны входа служат значение звукового давления и частота. Параметрами выходного сигнала являются громкость и высота тона. Экспериментально получены частотные характеристики восприятия чистых тонов человеком в установившемся режиме, т.е. при достаточно продолжительном слушании измерительного сигнала.

Связь между высотой тона Н и частотой F установлена немецкими акустиками Э.Цвиккером и Р.Фельдкеллером [11] (рис.2.5). Исходной точкой для построения зависимости H(F) послужил тон до малой октавы. Было принято, что основной частоте этого тона 131 Гц соответствует высота 131 мел. Кривые адекватно отражают восприятие высоты тона в основном частотном диапазоне музыкальных звуков и хорошо согласуются со способом кодирования частоты в слуховой системе уха.

Другая кривая H(F) предложена американским акустиком Г.Флетчером и уточнена позднее С.Стивенсом. В ней частоте 1000 Гц соответствует высота тона 1000 мел. Эта зависимость считается менее удобной. Широко используется музыкальная, шкала высот тона. В ее основе лежит высотный интервал октава, соответствующий изменению частоты в два раза. Октавный интервал делится в так называемой хроматической гамме на 12 полутонов. Каждый полутон соответствует изменению частоты в т.е. на 6%. Каждый полутон делится на 100 частей, называемых центами. Высота тона в музыкальной шкале обозначается символами до, ре, ми и т.д. (в итальянских обозначениях) и с, d, e и т.д. (в немецких) с наименованием октавы - субконтроктава, контроктава, большая, малая, первая, вторая, третья, четвертая. Частотный диапазон от 20 до 20000 Гц занимает примерно 10 октав.


Рисунок 2.5. Связь между высотой тона Н и частотой F
В терминах музыкальной шкалы описывают некоторые характеристики звукотехнической аппаратуры. Так, крутизну спада или подъема АЧХ выражают в децибелах на октаву (дБ/окт), пользуются понятиями: октавные, полуоктавные, третьоктавные фильтры с отношениями граничных частот соответственно 2:1, √2:1,

: 1. Между двумя описанными шкалами высоты тона есть существенная разница. Психоакустическая шкала, в которой частоту тона выражают в мелах, относится к ощущениям от звуков разной высоты. Музыкальная шкала относится не к ощущениям, а к стимулам. Итак, в психоакустике и музыкальной акустике одинаковым термином выражают разные понятия. Чувствительность слуха к звукам различных частот различна. Эта зависимость выражается кривыми равной громкости (изофонами). На (рис.2.6). изображены стандартные кривые равной громкости, полученные при прослушивании чистых тонов через громкоговоритель двумя ушами. Звуковое давление измерялось в свободном поле, т.е. при отсутствии слушателя в точке приема. Кривые равной громкости, построенные по результатам слушания одним ухом или при измерении звукового давления около ушных раковин, несколько отличаются от изображенных на (рис.10), хотя их общий вид аналогичен. За нуль шкалы децибелов принимают звуковое давлениеP₀ = 2x10^-5 Па (эффективное, действующее значение), которому соответствует интенсивность звукаI₀ = 10^-12 Вт/м². Это значение интенсивности звука получено расчетом по известному соотношению для плоской волны I = p² /p₀c₀ в котором волновое сопротивление воздуха ρ₀ принято равным 400 кг/м²с, причем ρ₀ - плотность воздуха,с₀- скорость звука в воздухе. Значения P₀иI₀ называют стандартным порогом слышимости на частоте 1000 Гц, соответственно по звуковому давлению и по интенсивности звука в отличие от среднестатистического значения порога слышимости, которое несколько больше и зависит от условий проведения экспериментов. По оси координат отложены уровни звукового давления:

N = 20Lg(p_/p₀)=10Lg(I/I₀)

Каждая кривая представляет множество точек с координатами N_i, F_i удовлетворяющими условию равной громкости с опорным тоном частоты 1000 Гц. Кривая 1 соответствует порогу слышимости, кривая 2 - порогу осязания (болевому порогу). Параметром семейства кривых служит психоакустическая (не физическая!) величина - уровень громкости. Единица уровня громкости - фон. Принято считать, что уровень громкости в фонах численно равен уровню звукового давления (уровню интенсивности звука) равногромкого тона частоты 1000 Гц

Lфон = N1000, дБ. Фон как единица уровня громкости неудобен тем, что, зная число фонов для двух, например, синусоидальных сигналов, нельзя простым их сложением найти уровень громкости двутонального сигнала.

Рисунок 2.6. Стандартные кривые равной громкости.
Условию аддитивности удовлетворяет другая единица громкости - сон. Зависимость громкости G от уровня громкости L изображена на (рис. 2.7)



Рисунок 2.7. Зависимость громкости G от уровня громкости
Для единообразия акустических расчетов зависимость G(L) стандартизирована международными соглашениями. Функция G в диапазоне уровней громкостей от 40 до 120 фонов аналитически выражается формулой G=2^(L-40)/10 Для частоты 1000 Гц, при которой число фонов совпадает с числом децибелов, эта формула приобретает вид: G₁₀₀₀ = 46p^0,6 = 256I^0,3 Здесь С выражено в сонах, р - в паскалях, I - в ваттах на квадратный метр. Данная зависимость носит название закона С.Стивенса. Из закона Стивенса следует, что в средней части диапазона звуковых частот громкость пропорциональна звуковому давлению в степени 0.6 или интенсивности звука в степени 0.3. Для приближенной оценки полагают, что громкость пропорцио­нальна кубическому корню из интенсивности звука (или мощности). Семейство кривых равной громкости (изофонов) можно рассматривать как совокупность частотных характеристик слуховой системы, измеренных н ее выходе. При подобных измерениях значение выходного сигнала (в данном случае громкость) поддерживают постоянным и регистрируют зависимость выходного сигнала от частоты. Из кривых, приведенных на (рис.2.6)., видно, что частотные характеристики слуха далеки от горизонтальной линии, причем неравномерность характеристик тем больше, чем меньше уровень звукового давления. Наибольшая чувствительность слуха отмечается в окрестностях частоты 3000 Гц. В этой области находится резонансная частота слухового прохода уха (рис.2.8.)


Рисунок 2.8. Резонансная частота слухового прохода уха.