Восприятие частоты сигнала

Ilq кривым рис. 4.1 видно, что орган слуха сохраняет чувстви-
тельность к сигналам, частоты которых лежат в широких пределах
от 30 до 20 000 Гц. Такой частотный диапазон слухового восприятия
почти полностью охватывает частотные диапазоны натуральных ис-
точников, звука- (см. рис. 2.22). Вместе с тем следует отметить,- что
при увеличении частоты постоянного по уровню сигнала его гром-
кость сначала нарастает до некоторого максимума у средних час-
тот, потом падает. Орган слуха, как бы осуществляет частотную кор-
рекцию на низких и высоких частотах, причем тем большую, чем
ниже уровень сигнала. Подтверждением этого вывода являются кри-
вые рис. 4.5, показывающие, как трансформируются спектральные
крийые мужского (1) и женского (2) голосов в процессе слухового
восприятия. Кривые Id и #а, построенные в единицах громкости,
убеждают, что спектр сложного сигнала воспринимается с замет-
ными потерями низкочастотных составляющих.

Изменение частоты сигнала воспринимается слухом как измене-
ние высоты звука. Высота звука, будучи, как и громкость, субъек-
тивным качеством, зависит не только от частоты, сигнала, но и от
^ряда дополнительных факторов, таких, как громкость, длительность,
спектральный состав звучания. Высота звука сложного сигнала оп-
ределяется самой низкой (основной) частотой, или присутствующей
в самом сигнале, или обусловленной формой его огибающей кривой.
Если огибающая высокочастотного. сигнала изменяется с частотой
40-7-200 Гц, то сигнал воспринимается как звук, соответствующий
частоте огибающей.

• Нужно подчеркнуть, что зависимость между частотой сигнала и
высотой звука, т. е. между раздражением и ощущением, близко со-
ответствует общим для слуха закономерностям. Так, субъективный
масштаб восприятия различных по частоте сигналов с достаточной
.точностью отвечает логарифмическому, и повышение звука на один
и тот же_интервал (на октаву, тон) происходит при увеличении час-
тоты в одно'и то же число раз (в 2 и 1,12 раза). Как показано
сплошной линией на рис. 4.6, для всех сложных гармонических сиг-
налов — речевых и музыкальных — изменение ступеней гармониче-
ской высоты звука (Кг), соответствующих определенному музыкаль-
ному интервалу (например, октаве), происходит пропорционально
изменению частоты сигнала в логарифмической мере. Такое деление
на интервалы, как известно, лежит в основе музыкального строя.
В случае простых гармонических сигналов связь между их частотой
и высотой звука, называемой мелодической, показана на рис. 4.6.
пунктирной линией. Можно видеть, что эта кривая, совпадая снача-

56 ' '. - ' ' Х-

ла с кривой гармшйческой высоты, начинает потом заметно откжь
няться от нее. При девяти гармонических октавах число мелодиче-
ских октав (JK_M) сокращается до 4,3, а мелодическая высота звука
(в нотах), на интервале частот от 1000 до 10000 Гц увеличивается
чуть больше чем на одну октаву.

Рис. 4.5. Спектры мужского (1) и жен- ского (2) голосов, выраженные в едини- цах громкости (1a, 2а)

Влияние интенсивности сигнала на высоту воспринимаемого зву-
ка выражается в три, что увеличение'интенсивности простого гар-

Рис. 4.6* Зависимость гармонической (К_г)
и мелодической (К_м) высоты звука (с по-
октавным делением) от частоты; по верти-
кали указаны номера октав

монического сигнала, при его частоте меньшей 2000 Гц, сопровож-
дается понижением воспринимаемого звука» а при частоте, большей
2000 Гц, — повышением его. Такая же зависимость, хотя и менее
заметно, обнаруживается и для сложных,сигналов. Кроме того, слож-
ные сигналы по сравнению (ГТгростьгмй той же интенсивности и час-
тоты воспринимаются слухом не только как более громкие, что уже
отмечалось, но и как более высокие.

Сложные сигналы воспринимаются органом слуха как единый
звук, высота которого определяется основной частотой с дополни-
тельной окраской (тембром), зависящей от частоты и амплитуды
гармонических составляющих. Способность слуха различать тембр

'•'••••'. -' -..••; ' ' 57

позволяет.воспринимать сигналы с большим разнообразием оттен-
ков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря харак-
терным для них формантам становится многокрасочным, своеобыч-
ным и хорошо узнаваемым. Различия в тембре определяются в ос-
новном низко- и среднечастотными составляющими сигнала, следо-
вательно, и большее разнообразие тембров связано с сигналами, ле-
жащими в нижней части частотного
диапазона. Сигналы же, относящиеся
к верхней его части, по мере повыше-
ния'все больше теряют свою темб-
ралъную окраску, что обусловлено
постепенным уходом их гармониче-
ских составляющих за пределы слы-
шимых частот.

Рис. 4.,7. Восприятие спектра звуча- ния треугольника при уровне 60 дБ U) и 40 дБ (2)

В силу неодинаковой чувстви-
тельности слуха на разных частотах
изменение уровня сигнала порожда-
ет изменение тембра звучания нату-
рального источника. Это видно из
рис. 4.7, на котором помещен спектр
звучания треугольника. Изменение
его уровня отражается на спектре,
а следовательно, и на тембре звучания.

Так как звучание натурального сигнала чаще всего воспринима-
ется в помещениях, то наличие в них достаточно диффузного зву-
кового поля, как это видно по кривым рис. 4.1, вычерченным / мел-
кими штрихами, способствует выпрямлению кривых р'авной громкос-
ти и лучшему восприятию высоких частот. ^

В результате ознакомления с частотным восприятием сигнала
можно прийти к некоторым заключениям.

1. Основные частоты и гармоники натуральных источников сиг-
нала почти полностью размещаются в диапазоне воспринимаемых
частот.

2. Музыкальные интервалы и соответствующие им высоты звука
связаны между собой логарифмической зависимостью.

3. Присутствие в сигналах натуральных источников характерных
для них гармоник воспринимается слухом как специфическая окрас-
ка, очень разнообразящая звучания, делающая различимыми их ис-,
точники. Сигналы больших уровней изменяют тембральную окрас-
ку благодаря гармоникам, обусловленным самим слуховым аппа-
ратом.

4. Неравномерность чувствительности слухового аппарата по час-
тоте приводит к тому, что низко- и высокочастотные составляющие
натуральных'сигналов по мере-их приближения к границам вос-
приятия уменьшаются по громкости, а для некоторых из них (на-
пример, для флейты) и совсем не воспринимаются. В соответствии
с этим решающее влияние на /тембр приобретают те частотные со-
ставляющие, которые лежат ближе к средней области частотного
диапазона. •

5. Чем выше по уровню становится сложный сигнал, тем больше
при восприятии усиливаются низко- и высокочастотные его состав-
ляющие. Это обнаруживается в том; что основная частота воспри-
нимается несколько изменившейся по высоте, а влияние гармоники
формант на тембр звука расширяется в сторону этих частот.

6. Повышение диффузности звукового поля способствует более
равномерному восприятию частот в полосе 500-:-5000 Гц.