Критические полосы слуха

Восприятие тональных сигналов является наиболее простым случаем для количественного анализа. Однако с тональными сигналами в повседневной жизни человеку приходится сталкиваться довольно редко. Реальные музыкальные и речевые сигналы представляют собой сложную смесь гармонических составляющих и шумовых компонент, механизм восприятия которых до сих пор до конца не изучен и является предметом исследований многочисленных специалистов в области психоакустики. Тем не менее, уже известно, что при восприятии сложных звуковых сигналов слуховой аппарат человека разделяет их на частотные группы, которые называются критическими полосами. Анатомически им соответствуют различные участки базиллярной мембраны шириной приблизительно 1,3 мм. Эта особенность слуха является одним из важнейших его свойств.

Критической полосой слуха называется полоса частот, в пределах которой человеческое ухо интегрирует энергию звукового сигнала и не различает тонкой структуры возбуждения.

Поясним это на конкретном примере. Пусть в некоторой полосе частот Δ f _a содержится шум, интенсивность которого равна I, а спектральная плотность мощности S _a (рис. 2.30,a). Воспринимаемая громкость этого шума будет равна некоторой величине G _a. Если расширить полосу шума вдвое до величины Δ f _b = 2Δ f _a, а спектральную плотность мощности вдвое уменьшить до величины S _b = 0,5 S _a с тем чтобы интенсивность шума I осталась неизменной, то воспринимаемая громкость его также останется неизменной G _b = G _a (рис. 2.30,b). Дальнейшее расширение полосы шума вплоть до некоторой величины Δ f _c = Δ f _кр при одновременном уменьшении во столько же раз спектральной плотности его мощности (S _с) также не приведет к увеличению воспринимаемой громкости G _c = G _b = G _a, при условии, что интенсивность шума I останется постоянной (рис. 2.30,c). Однако если полоса шума превысит величину Δ f _кр, то громкость сразу начнет увеличиваться: G _e > G _d > G _c, несмотря на то что интенсивность шума I по-прежнему останется той же самой. Величина Δ f _кр и будет характеризовать ту самую критическую полосу слуха, внутри которой распределение частотных составляющих звукового сигнала не влияет на восприятие громкости звукового сигнала. При этом спектральные составляющие этого сигнала могут располагаться в любом месте критической полосы – необязательно вблизи ее центральной частоты. В их числе могут быть как узкополосные шумы, так и гармонические составляющие. Сигнал может быть также одним единственным тоном, расположенным в произвольной точке критической полосы. Громкость в любом случае определяется только суммарной интенсивностью всех сигналов, которые находятся внутри критической полосы.

Следствием такого интегрирования является случай, когда компоненты звукового сигнала (гармонические либо шумовые) внутри критической полосы очень слабы и уровни каждого из них в отдельности ниже порога слышимости, но благодаря их суммированию в слуховом аппарате они становятся заметными на слух как звуковое колебание некоей усредненной частоты внутри критической полосы. Однако прямого отношения к звуковысотной чувствительности частотные группы не имеют - в этом плане разрешающая способность слуха гораздо более высокая (человек с музыкальным слухом способен различать около 600 звуков различной высоты). Наличие же критических полос позволяет дифференцировать тембры звуков, коль скоро окраска адекватна спектральному акустическому составу. Индивидуальности в восприятии спектров объясняются как флуктуациями параметров критических полос у разных людей, так и влиянием резонаторов ушной полости, приводящих к индивидуальной для каждого человека частотной характеристики восприятия звуковых колебаний.

В диапазоне от 20 до 19500 Гц число критических полос равно 24 (табл. 2.5). Ширина этих полос увеличивается от низких частот к высоким – от 80 Гц на низких частотах до 3,5 кГц на высоких (рис. 2.31).

Таблица 2.5