Частотные дифференциальные слуховые пороги

Частотная разрешающая способность слуха может быть определена с помощью методов, сходных с методами, которые использовались для определения разрешающей способности слуха по амплитуде.

В первом случае слушателям предъявляются два синусоидальных сигнала одинаковой интенсивности и одинаковой частоты, а затем просят изменять частоту одного из сигналов до тех пор, пока они не почувствуют разницу в высоте этих двух сигналов.

Во втором случае разрешающая способность по частоте определяется путем прослушивания частотно-модулированных сигналов - по минимально заметным на слух изменениям частоты. В качестве частоты модуляции здесь также используется частота 4 Гц.

Установлено, что частотная разрешающая способность человеческого слуха, также как и амплитудная, зависит и от частоты, и от интенсивности звукового сигнала.

На рис. 2.15 показано, как изменяется разрешающая способность слуха по частоте в зависимости от того к какому диапазону частот принадлежит рассматриваемый сигнал. По оси абсцисс здесь отложена частота f исследуемого сигнала, по оси ординат – минимально различимое слухом изменение частоты этого сигнала Δ f/f, где Δ f - девиация частоты, т.е. отклонение ее от исходного значения в ту или иную сторону. Следует отметить, что при частотной модуляции тоном частота синусоидального сигнала изменяется от величины f – Δ f до величины f + Δ f, т.е. амплитуда изменений частоты исследуемого сигнала составит 2Δ f. На рис. 2.15 представлено четыре кривые, соответствующие разным значениям уровня исследуемого тона.

Из рисунка видно, что в области низких частот – примерно до частоты 1 кГц, разрешающая способность слуха по частоте определяется почти одинаковым абсолютным значением изменения частоты тона, которое равно приблизительно 2-3 Гц, хотя в ряде случаев отмечалось значение всего в 1 Гц. В области более высоких частот (от 1 кГц и выше) отмечается постоянство относительного значения Δ f/f, которое составляет здесь величину примерно равную 0,004 (дробь Вебера). Например, на частоте 5 кГц Δ f = 20 Гц, на частоте 10 кГц Δ f = 40 Гц и т.д.

Из рис. 2.15 также видно, что уменьшение уровня рассматриваемого тона приводит к увеличению дифференциальных частотных порогов, т.е. чем тише звук, тем труднее его отличить по частоте от других звуков.

На рис. 2.16 показана зависимость порогового значения девиации частоты Δ f от уровня N исследуемого звукового сигнала в качестве которого использован тональный сигнал с частотой 1 кГц. Очевидно, что для сигналов малой интенсивности (N < 30 дБ) пороговое значение Δ f велико: чем слабее сигнал – тем хуже разрешающая способность слуха по частоте. Однако при увеличении уровня сигнала более 30 дБ пороговое значение девиации стабилизируется и в дальнейшем остается практически постоянным и равным примерно 2-3 Гц.

Временные дифференциальные пороги

Органы чувств человека, и слух в том числе, являются по своей природе инерционными. Даже для приблизительной оценки характера и меры ощущения требуется некоторое время. Для точной же количественной оценки того или иного параметра ощущения времени требуется гораздо больше. Кроме того, разные параметры требуют для точной оценки разного времени. Поэтому исследования разрешающей способности слуховой системы во временной области проводятся в нескольких направлениях.

1) Анализ минимального времени, в течение которого слух способен различить два сигнала. Исследования в данной области показали, что минимальный интервал времени между двумя следующими друг за другом тональными сигналами, необходимый для того чтобы слух распознал их именно как два сигнала, а не один, составляет около 2 мс. Оказалось, что эта величина почти не зависит ни от частоты тонального сигнала, ни от его интенсивности. Однако для определения какой из двух сигналов поступает первым, а какой вторым (если это сигналы двух разных частот), необходимо время порядка 20 мс. Для определения высоты тона в области низких частот требуется примерно 60 мс, в области высоких частот – примерно 15 мс.

2) Анализ дифференциальной чувствительности к изменению длительности звукового сигнала. Здесь в ходе эксперимента испытуемым предлагалась последовательность групп из двух сигналов каждая – один сигнал из каждой пары имел длительности Т мс, а другой несколько большую - (Т +Δ Т) мс. Сигналы подавались в случайном порядке и эксперт должен был определить, какой из двух сигналов в паре имеет большую длительность. Значения Δ Т при этом изменялись от одной пары к другой в случайном порядке. Наименьшую разницу, правильно определенную экспертами в 75% случаев, принимали за JND (дифференциальный порог) для длительности (Δ Т).

В результате эксперимента оказалось, что по мере уменьшения общей длительности Т воздействия сигнала Δ Т также начинает уменьшаться, т.е. чем короче сигналы, тем меньшую разницу между ними способен заметить человеческий слух. Например, при длительности Т сигнала вблизи 1 с пороговое значение Δ Т составляет примерно 50 мс, а при длительности Т сигнала 0,5 мс Δ Т также составляет 0,5 мс. Дифференциальная временная чувствительность Δ Т / Т (дробь Вебера) здесь константой не является, а изменяется вместе с изменением длительности Т таким образом, что при Т = 0,5-1 мс она равна 1, при Т = 10 мс - примерно 0,3 и при Т = 50-500 мс – приблизительно 0,1. Полученные результаты при этом почти не зависят ни от высоты, ни от интенсивности звукового сигнала.

3) Анализ чувствительности слуха к изменению времени установления (атаки) или спада звукового сигнала. Время установления и время спада звука являются чрезвычайно важными характеристиками звучания различных музыкальных инструментов, поскольку изменяя эти параметры, можно до неузнаваемости изменить тембр звучания инструмента. Исследования показали, что дифференциальный порог для времени установления (как и для времени спада) составляет: для частот ниже 1 кГц – 1 мс, для частот 1-10 кГц – 0,5 мс. Если изменения времени атаки и спада звукового сигнала меньше, то для слуха они оказываются незаметными. В реальных условиях эти пороги могут оказаться даже большими, поскольку каждая отдельно взятая нота, как правило, в той или иной степени маскируется одновременно исполняемыми соседними звуками.

4) Анализ дифференциальной слуховой чувствительности к фазовым искажениям. Долгое время считалось, что человеческий слух не способен ощущать текущие изменения фазовых соотношений между спектральными компонентами в сложных звуковых сигналах. В этом вопросе ученые всего мира полагались на авторитетное утверждение Германа фон Гельмгольца – немецкого физика, физиолога и психолога, сделанное им еще в середине XIX века. Однако уже в 70-х годах ХХ века, когда в исследованиях стали использовать компьютерную технику, выяснилось, что этот постулат не соответствует действительности. Изменения фазовых соотношений между спектральными составляющими сигнала способны очень существенно изменять его временную структуру, что, в свою очередь, выражается в изменении тембра звучания и четкости определения высоты музыкального сигнала. Выяснилось, что более всего слух чувствителен к скорости изменения фазы, т.е. к групповому времени задержки (ГВЗ):

Установлено, что минимальный дифференциальный слуховой порог для искажений ГВЗ наблюдается на частоте 2 кГц и составляет ~ 1 мс (рис. 2.17).

Знание дифференциальных слуховых порогов важно для проектирования звуковоспроизводящей и акустической аппаратуры, поскольку позволяет устанавливать искажения ниже порогов заметности человеческим слухом.

Следует, однако, заметить, что полной ясности в проблеме установления порогов чувствительности слуха к изменению временной структуры звукового сигнала пока еще нет. Поэтому исследования этого вопроса с использованием современных компьютерных технологий продолжаются во многих научных учреждениях различных стран мира.