Восприятие интенсивности сигналов

Глава 4.

СЛУХОВОЕ ВОСПРИЯТИЕ

И ЕГО СВЯЗЬ С АКУСТИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ СИГНАЛОВ

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,

показанным 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.

Субъективно 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

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-

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