Восприятие по частоте

При звуковых колебаниях стремечко приводит в движение мембрану овального окна. Под действием этих колебаний мембрана круглого окна колеблется в такт с мембраной овального, так как лимфа практиче­ски несжимаема. Лимфа колеблется касательно к по­верхности основной мембраны, поперек к ее волокнам. На колебания лимфы отзываются (резонируют) в за­висимости от частоты колебаний только вполне опре­деленные волокна. Около геликотремы расположены наиболее длинные волокна, резонирующие на низких частотах, а в основании улитки (между овальным и круглым окнами) расположены наиболее короткие во­локна, и они резонируют на высоких частотах. Слож­ный звук, состоящий из нескольких составляющих, да­леко отстоящих по частоте друг от друга, возбуждает несколько групп волокон (в соответствии с частотами составляющих). Таким образом, основная мембрана служит частотным анализатором. Согласно теории Флетчера резонансная частота каждого из волокон определяется не только параметрами волокна как на­тянутой струны, но и массой лимфы, соколеблющейся с волокном. Эта масса определяется расстоянием резо­нирующего волокна от овального окна. Поэтому на низких частотах в колебаниях участвует большая мас­са лимфы, а на высоких — меньшая. На рис. 2.2 при­ведена эквивалентная электрическая модель слухового анализатора. Ток в каждом из параллельных звеньев (которые по параметрам эквивалентны волокнам ос­новной мембраны) соответствует скорости колебаний волокна, последовательные индуктивности Lk — массе соколеблющейся лимфы.

Слуховой аппарат человека не способен абсолютно линейно ощущать воздействия звуков в значительном диапазоне интенсивностей. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии громких тонов с уровнем интенсивности более 40 дБ, например с частотой f1, в слуховом аппарате образуются гармоники этого тона с частотами 2f1, 3f1, 4f1 и т.д. При уровне интенсивности звука менее 40 дБ субъективные гармоники не образуются. Оптимальным уровнем, при котором заметность и порядковый номер гармоники относительно невелики, можно считать 80...90 дБ. Особенно диссонансы 7-я и 9-я гармоники. 2-я субъективная гармоники почти в 5 раз превосходит 3-ю. Этот факт иногда является основой для утверждения, что SE-усилители, в которых обычно преобладает уже объективная 2-я гармоника, более импонируют слуху, нежели РР-усилители, где доминирует 3-я объективная гармоника, к которой слух более чем в 1,5...2,0 раза чувствительнее. Термин "импонирует" следует понимать в том смысле, что слух не может отделить объективно привнесенные гармоники от собственных субъективных того же 2-го порядка, а потому их восприятие не вызывает дискомфорта. Попыткой воспользоваться этим свойством слуха явилось создание РР-усилителей со специально увеличенной 2-й гармоникой, что достигалось разбалансом драйверного каскада.

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.

. Слуховая память позволяет удерживать до нескольких сотен градаций частоты. Их число уменьшается с понижением интенсивности звука. Поэтому среднее число градаций не более 150. Устройство органа слуха часто уподобляют цепочке резонаторов, настроенных на определенные полосы частот. Такая модель показывает хорошее приближение к устройству и результатам действия реальной слуховой улитки, в которой расположена базилярная мембрана, содержащая свыше 20000 осязающих волокон, которые передают возбуждающее воздействие через нервные окончания в слуховой центр мозга, где и происходит обработка полученных сигналов, вследствие чего слушатель воспринимает (субъективно) образовавшийся слуховой образ. Если слуховая память уже содержит предваряющую эмпирическую информацию о подобном или близком слуховом образе, то мозг идентифицирует ее как знакомую, идентичную или тождественную.

Частотную разрешающую способность слуха обеспечивают полосы пропускания, образованные специфическим устройством органа слуха. Их называют критическими полосками, иногда - частотными группами. Всего таких полосок 24. Поэтому считается, что слух как бы превращает широкополосный звук со сплошным спектром частот в дискретный, т.е. состоящий из конечного числа составляющих, соответствующих включенным в работу числу критических полосок. Ранее было отмечено, что разрешающая способность слуха по амплитуде составляет несколько сот ступеней ощущения.

Таким образом, совокупная разрешающая способность слуха по амплитуде и частоте в пределах области слышимости, ограниченной снизу порогом слышимости, а сверху - болевым порогом, составляет около 22000 элементарных градаций звуковых ощущений. Своего рода четкость звукового изображения. Заметим для справки, что число градаций зрительных ощущений составляет около 600000.

Как было отмечено, орган слуха имеет 24 критические полоски, определяющие дискретную избирательность слуха и его разрешающую способность по частоте. Если среднее число ощущаемых градаций по частоте около 150, то максимальное может доходить до 620 при высокой интенсивности звука.

При уровне звукового давления LP=70дБ на частотах менее 500 Гц слышны отклонения частоты тона на 1,8 Гц; выше же 500 Гц слышны отклонения порядка 0,35% от частоты тона. Частота тона является параметром раздражения органа слуха. Субъективным параметром ощущения частоты тона является высота тона. До частот 500 - 1000 Гц изменения частоты тона (раздражение) и высоты тона (ощущение) описывается логарифмическим законом, выше частоты 500 - 1000 Гц связь раздражения и ощущения все более отличается от логарифмической зависимости (рис. 2.4). За единицу высоты тона как параметра ощущения выбран "мел". Тон частотой 131 Гц (нота "до" малой октавы) имеет высоту тона z=131 мел. Более крупной величиной измерения высоты тона принят "барк": 1 барк = 100 мел.

Рис. 2.2.1 Высота тона и шкала частотных групп (критических полосок) в зависимости от частоты.

Из рис. 2.2.1 следует, что между высотой тона и 24 критическими полосками (правая шкала) существует тесная связь. Увеличению частоты на одну критическую полоску соответствует возрастание высоты тона на один барк.

Звуковое раздражение передается на базилярную мембрану, имеющую длину 32 мм. Вдоль мембраны в кортиевом органе располагаются связующие волокна по 3500 в каждом. Раздражение тоном определенной частоты вызывает возбуждение некоторых волокон. При малых уровнях воздействия число возбуждаемых волокон меньше, при больших - больше. При изменении частоты тона изменяется локализация максимального возбуждения на базилярной мембране. На рис. 2.2.2 показано соотношение и расположение различных шкал относительно протяженности базилярной мембраны.

Основная (базилярная) мембрана, мм

Число осязающих волокон в ряду, шт

Число допустимых градаций высоты тона, шт

Частота, Гц

Высота тона, мел

Высота тона, барк (число и нумерация критических полосок).

Рис. 2.2.2 Естественные шкалы основной (базилярной) мембраны

На рис. 2.2.3. показана зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране при воздействии узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем LШ. Из рис. 2.2.3. следует, что сигнал другой частоты, обеспечивающий на несколько децибел меньший уровень возбуждения базилярной мембраны, не будет услышан. Это явление называется Эффектом маскировки. Причем низкие тоны сильнее маскируют высокие, нежели наоборот. Громкие высокие тоны не маскируют низкие тоны даже малого уровня. Высокий тон, который при малой громкости отчетливо слышен одновременно с низким тоном, может оказаться полностью замаскирован низким тоном, если громкость увеличена чрезмерно. При LШ=100 дБ почти все критические полоски выше восьмой "загружены" маскирующим сигналом, для преодоления эффекта, воздействия которого на волокна базилярной мембраны потребуется такой уровень, который не свойственен натуральным звукам в высокочастотной области. На рис. 2.2.3. показано действие шума со средней частотой 1 кГц, что не равнозначно музыкальной программе, но тенденции эффекты маскировки сохраняются при любых типах сигналов.

Рис. 2.2.3. Зависимость уровня возбуждения LЕ на базилярной мембране от уровня шума LШ со средней частотой 1 кГц.

Это вторая причина (после увеличения субъективных гармоник), по которой громкие звуки не обязательно сопровождаются качественным звуком.

Из рис. 2.2.3. следует также, что два звука маскируют друг друга тем сильнее, чем ближе их основные частоты, например, в случае взятия одинаковых нот на разных инструментах. Слух различает в этом случае каждый инструмент раздельно лишь по признакам характерной окраски звука каждого инструмента (тембру), хранящимся в долговременной памяти слушателя.

Различия в тембрах определяются преимущественно низко- и среднечастотными составляющими звучаний инструментов. Большое разнообразие и богатство тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного диапазона, тем более, что в музыке основные тоны выше 1 кГц используются редко.

Границы воспринимаемого слухом частотного диапазо­на довольно широки (20—20 000 Гц). Избирательность слухового анализатора невелика, что следует из рис. 2.3, на котором приведено несколько кривых избирательности слуха для разных частотных диапазонов.

Полосы пропускания резонаторов слухового анализато­ра, определенные на уровне 0,71 от максимального зна­чения, составляют на частотах 250, 1000 и 4000 Гц около 35, 50 и 200 Гц соответственно. Эти полосы пропуска­ния носят название критических полосок слуха.

Звуки, имеющие широкополосные сплошные спект­ры, например шумы, возбуждают волокна всей основ­ной мембраны. Вследствие слабой избирательности слуха происходит интегрирование этого спектра в каж­дой из критических полосок слуха, т. е. слух как бы превращает сплошной спектр в дискретный, состоящий из конечного числа составляющих по числу критиче­ских полосок слуха, охватывающих частотный спектр этого шума.

Введено понятие высоты звука, под которой подра­зумевают субъективную оценку восприятия звука по частотному диапазону. Так как ширина критической полоски слуха на средних и высоких частотах пример­но пропорциональна частоте, то субъективный масштаб восприятия по частоте близок к логарифмическому за­кону. Поэтому за объективную единицу высоты звука, приближенно отражающей субъективное восприятие, принята октава: двукратное отношение частот (1; 2; 4; 8; 16 и т. Д.). Октаву делят на части: полуоктавы и третьоктавы. Для последних стандартизован следую­щий ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3,15; 4; 5; 6,3; 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти часто­ты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя из этого, для приближения к субъективному масштабу все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе. Для более точно­го соответствия слуховому восприятию звука по часто­те для этих характеристик принят особый, субъектив­ный масштаб — почти линейный до частоты 1000 Гц и логарифмический выше этой частоты.