Сенсорные системы

Высота звуковых сигналов является субъективным отражением их частоты (периодичности). Слышимый человеком  диапазон частот составляет от 16 Гц  до 20 кГц. За единицу высоты тона принят мел. Высота в 1000 мел соответствует  высоте тона с частотой 1000 Гц при  интенсивности 40 дБ над порогом слышимости. Различение частоты тонов характеризуется  дифференциальным порогом по частоте, который зависит от частоты звука. При средних частотах звуковых сигналов человек способен различать их, если они отличаются на 1-2 Гц. После 40 лет  происходит  повышение порогов  слышимости на высоких частотах.

Изложенные  сведения о восприятии высоты звука  относятся к чистым тонам. В процессе жизнедеятельности человеку приходится анализировать сложные по частотному спектру звуки. Установлено, что  многокомпонентный (разночастотный) сигнал воспринимается как многовысотный, если составляющие его частоты не имеют гармонических отношений и достаточно далеко отставлены друг от друга. Если же частоты сложного сигнала связаны гармоническим отношением, то воспринимается высота, соответствующая самой низкой ее частоте. Если в многокомпонентном сигнале составляющие сравнительно близки по частоте, то высота определяется некоторой средней частотой. Исследование восприятия высоты звуковых сигналов позволило обнаружить феномен абсолютного слуха. Под ним понимают способность человека к абсолютному узнаванию высоты, обозначенной каким-либо знаком (например, нотное обозначение) при отсутствии звука сравнения. Наличие у человека абсолютного слуха рассматривается как свидетельство его музыкальных способностей.

Длительность  звукового сигнала влияет на его  восприятие. Абсолютный порог слышимости снижается до некоторой критической  величины при увеличении длительности до 100-150 мс, после чего дальнейшее возрастание длительности неэффективно. При короткой длительности звука (около 10мс) не определяется его высота и громкость, такой звук воспринимается как щелчок. Увеличение длительности сигнала повышает точность работы слуховой системы при измерении дифференциальных порогов по частоте и интенсивности. После длительного действия звука средней или большой интенсивности происходит повышение порогов слышимости (снижение слуховой чувствительности), которое называют слуховой адаптацией. Степень этого снижения слуховой чувствительности зависит от длительности, интенсивности и частоты звука.

Восприятие звука зависит не только от его частоты и интенсивности, но и других одновременно поступающих  звуков. Общее правило таково - если одновременно  присутствуют два  звуковых стимула, имеющих приблизительно равную частоту, но разные интенсивности, более интенсивный тон снизит или полностью исключит восприятие менее интенсивного тона. Подобный эффект называется маскировкой. В отношении  разных частот маскирующий эффект проявляется  по-разному, он сильнее проявляется  в отношении тех тестовых тонов, частоты которых превышают частоту  маскирующего звука.

Пространственный  слух. Способность человека и животных локализовать источник звука, т.е. определить его местоположение в пространстве, называется пространственным слухом. Данное определение подразумевает  способность локализовать источник звука в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также определять его удаленность от организма. Локализация звука происходит с помощью симметричных половин слуховой системы (бинауральный) слух. Наряду с этим человек с помощью движений головы способен локализовать источник звука в горизонтальной плоскости и определить его удаленность и при слушании одним ухом (моноурально).

Основой бинаурального  механизма локализации в горизонтальной плоскости являются межушные (интерауральные) различия стимуляции по времени и по интенсивности. Такие различия по времени (интерауральная задержка) оказываются существенными, если источник звука смещен от средней линии головы, а длина звуковой волны больше расстояния между ушами (частоты звука менее 1500Гц). Поскольку расстояние между ушами у человека в среднем равно 21 см, то в этом случае звуковая волна огибает голову слушателя и звуковой сигнал в одно ухо приходит раньше, чем в другое. Наибольших значений (около 0,6 мс) задержка достигает при положении источника звука у одного из ушей и равна 0 при положении источника звука спереди или сзади по средней линии головы, когда интерауральные различия отсутствуют. Следовательно, пространственная размерность при низкочастотных звуках воспринимается за счет способности слуховой системы функционировать как анализатор времени.

При частоте  звука выше 1,5 кГц у человека действует  другой механизм, оценивающий интерауральную разность по интенсивности. Эта разность возникает в связи с тем, что высокие частоты выше не огибают голову слушателя, а поглощаются и отражаются ею как экраном В результате возникает разница в интенсивности звука, попадающего в правой и левое ухо.

В локализации  источника звука в вертикальной плоскости важную роль играет ушная  раковина, которая играет роль акустического  фильтра. При помещении источника  звука на разную высоту перед головой  наблюдателя в спектре сложных  звуковых сигналов возникают определенные западения по уровню интенсивности  ( т.е. уменьшается интенсивность определенной спектральной полосы в широкополосном сигнале). Такие западения связаны с углом смещения звука, перемещаясь в сторону более высоких частот при увеличении этого угла. Именно эти западения являются существенными признаками положения источника звука в вертикальной плоскости. Что касается оценки удаленности источника звука от  человека, то факторы ее определяющие, связаны с ослаблением звука при удалении источника.

В реальных условиях источники звука локализуются  слушателем правильно , что свидетельствует о высокой помехоустойчивости слуховой системы при определении локализации звука. Механизмы пространственного слуха позволяют выделять один источник звука на фоне других, не представляющих в данный момент интерес для слушателя. Так например, удается выделить речь собеседника при наличии совокупности одновременно разговаривающих людей.