Биофизические основы восприятия звука. Понижение, потеря слуха

 

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 диссонансны 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. 

Разрешающая способность.

Хорошо известно, что  частотный диапазон слуха простирается от 16 до 20000 Гц. 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 L_P=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. 10). 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. 10. Высота тона и шкала частотных групп (критических полосок) в зависимости от частоты.

Из рис. 10 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. 11 показано соотношение и расположение различных шкал относительно протяженности базилярной мембраны.

1 - Основная (базилярная) мембрана, мм; 2 - Число осязающих волокон в ряду, шт; 3 - Число допустимых градаций высоты тона, шт; 4 - Частота, Гц; 5 - Высота тона, мел; 6 - Высота тона, барк (число и нумерация критических полосок).

Рис. 11. Естественные шкалы основной (базилярной) мембраны.

На рис. 12 показана зависимость уровня возбуждения L_Е на базилярной мембране при воздействии узкополосного шума со средней частотой 1 кГц и уровнем L_Ш. Из рис. 12 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 L_Ш=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. 2.6 показано действие шума со средней частотой 1 кГц, что не равнозначно музыкальной программе, но тенденции и эффекты маскировки сохраняются при любых типах сигналов.

Рис. 12. Зависимость уровня возбуждения L_Е на базилярной мембране от уровня шума L_Ш со средней частотой 1 кГц.

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

Из рис. 12 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. 

Звуковые эффекты.

Бинауральный  эффект.

Наличие у человека двух ушей, разнесенных  друг от друга на расстояние порядка 21 см, позволяет определять направления на источники звука, их удаленность, размеры. В обычных условиях слух способен определять угловое перемещение источника звука в горизонтальной плоскости с точностью около 3...4 градусов. При неподвижном источнике звука слух способен определить направление на него не точнее 12 градусов, а по вертикали - 17...20 градусов.

Такие локационные способности  слуха называют бинауральным эффектом и объясняют не одновременностью достижения звуковыми волнами каждого уха, неодинаковым уровнем звуковых давлений в слуховых проходах, особенностями тембров знакомых источников звуков и их изменений.

На самых низких частотах, ниже 300 Гц, бинауральный эффект практически  отсутствует и ухо не фиксирует  направление звука. На частотах от 300 до 1000 Гц становится заметным сдвиг фаз звуковых волн, попадающих в правое и левое ухо. Мозг мгновенно вычисляет, какому направлению может соответствовать эта разность, и таким образом определяет, откуда идет звук. На частотах более 1000 Гц сдвиг фаз становится очень небольшим (длина волны уменьшается) и поиск направления осуществляется за счет сравнения силы звука, приходящего с разных сторон.

Рис. 13. Акустическая система для создания эффекта интегральной локализации (локализации суммы).

На рис. 13 показаны два одинаковых громкоговорителя (АС) 1 и 2, расположенные на расстоянии 2L один от другого. На расстоянии Х от базы АС на оси симметрии расположен слушатель, уши которого находятся на расстоянии r₁ и r₂ от соответствующих АС.

Если на обе АС подать одинаковый сигнал, то звук от каждой АС достигнет  ушей одновременно: правого от АС₁, а левого - от АС₂. Идентичность звуков не позволит слуху разделить их в пространстве на левый и правый. Так создается слуховая иллюзия: визуальный (кажущийся) источник звука как бы находится в середине базы - между АС.

Если уменьшить громкость АС₁, то это будет воспринято слухом как перемещение КИЗ в сторону АС₂ и наоборот. Таким образом, варьируя громкость звучания левой и правой АС, можно вызывать и поддерживать иллюзию перемещения виртуального источника звука (КИЗ). Это явление называют интегральной локализацией (или локализацией суммы).

Рис. 14. Зависимость локализации от: а) разных уровней звуковой энергии сигналов в каналах; б) от временного сдвига сигналов в каналах.

Аналогичную иллюзию перемещения КИЗ можно получить, создавая запаздывание звука в одной из АС. При этом виртуальный источник звука перемещается в сторону АС, излучающей звук с опережением по времени ∆τ>1,1 мс. На рис. 14 показаны зависимости локализации КИЗ соответственно от разности уровней и временного сдвига сигналов в каналах. Оба эти эффекта широко используются при записи музыки.

Рис. 15. Влияние запаздывающего повторения сигнала на локализацию виртуального источника звука.

При одинаковых уровнях  основного и задержанного сигналов виртуальный источник звука ощущается  на месте физически существующего  источника, излучающего опережающий  сигнал. Источник звука, излучающий задержанный сигнал, не ощущается вовсе, но его присутствие проявляется в виде повышения общей гулкости звучания. При задержках одного из сигналов на время более 50 мс наличие запаздывающего сигнала ощущается как помеха в виде эха, хотя положение КИЗ остается неизменным. Отсюда следует, что опережающий сигнал при одинаковом уровне с задержанным полностью подавляет (маскирует) последний. Повышая уровень запаздывающего сигнала, можно добиться того, что оба источника звука будут восприниматься раздельно даже при запаздывании менее 50 мс. На рис. 15 показано необходимое превышение уровня (∆L) запаздывающего сигнала в зависимости от временной задержки. При τ = 15...20 мс уровень задержанного сигнала должен быть повышен на 11 дБ, чтобы оба источника звука воспринимались раздельно. При τ < 50 мс для этого эффекта достаточно превышение уровня всего на 6 дБ. При τ = 65 мс запаздывающий сигнал ощущается как эхо. При τ < 5 мс наблюдается неустойчивый режим: виртуальный источник звука как бы перепрыгивает из одной АС в другую, совпадая то с источником опережающего, то с источником задержанного сигнала.

Если источники звука  резко различаются по тембру, это  может привести к раздельному ощущению двух звуковых объектов даже при равных уровнях интенсивности обоих сигналов.

Эффект маскировки.

В определённых случаях  один звук может быть скрыт другим звуком. Например, разговор рядом с  железнодорожными путями может быть совершенно невозможен, если мимо проезжает поезд. Этот эффект называется маскировкой. Говорят, что слабый звук маскируется, если он становится неразличимым в присутствии более громкого звука.

Различают несколько  видов маскировки:

• По времени прихода маскирующего и маскируемого звука:
• одновре́менное (моноуральное) маскирование
• вре́менное (неодновременное) маскирование
• По типу маскирующего и маскируемого звуков:
• чистого тона чистым тоном различной частоты
• чистого тона шумом
• речи чистыми тонами
• речи монотонным шумом
• речи импульсными звуками и т. п.

Одновременная маскировка.

Любые два звука при  одновременном прослушивании оказывают  влияние на восприятие относительной  громкости между ними. Более громкий  звук снижает восприятие более слабого, вплоть до исчезновения его слышимости. Чем ближе частота маскируемого звука к частоте маскирующего, тем сильнее он будет скрываться. Эффект маскировки не одинаков при смещении маскируемого звука ниже или выше по частоте относительно маскирующего. Низкочастотный звук маскирует высокочастотные. При этом важно отметить, что высокочастотные звуки не могут маскировать низкочастотный.

Вре́менная  маскировка.

Это явление похоже на частотную маскировку, но здесь происходит маскировка во времени. При прекращении  подачи маскирующего звука маскируемый некоторое время продолжает быть неслышимым. В обычных условиях эффект от временной маскировки длится значительно меньше. Время маскировки зависит от частоты и амплитуды сигнала и может достигать 100 мс.

В случае, когда маскирующий  тон появляется по времени позже маскируемого, эффект называют постмаскировкой. Когда маскирующий тон появляется раньше маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют премаскировкой.

Постстимульное  утомление.

Нередко после воздействия  громких звуков высокой интенсивности у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс называется «временный сдвиг порога слуховой чувствительности» или «постстимульное утомление». Сдвиг порога начинает появляться при уровне звукового давления выше 75 дБ и соответственно увеличивается при повышении уровня сигнала. Причём наибольшее влияние на сдвиг порога чувствительности оказывают высокочастотные составляющие сигнала.

Фантомы.

Иногда человек может  слышать звуки в низкочастотной области, хотя в реальности звуков такой частоты не было. Так происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными и в ней могут возникать колебания с разностной частотой между двумя более высокочастотными.

Этот эффект используется в некоторых коммерческих звуковых системах, чтобы расширить область воспроизводимых низких частот, если невозможно адекватно воспроизвести такие частоты напрямую, например в наушниках. При долгом прослушивании это может быть вредно для слуха.