Основные свойства слуха

2.1. СТРОЕНИЕ УХА

Все передачи по системам вещания и связи предназна­чены для приема их человеком. Поэтому для правильного проектирования и эксплуатации этих систем необ­ходимо знать свойства слуха человека, тем более что органы слуха являются своеобразным приемником звука.

Ухо состоит из трех частей: наружного, среднего и внутреннего. Две первые части уха служат передаточ­ным устройством для подведения звуковых колебаний к слуховому анализатору, находящемуся во внутрен­нем ухе — улитке. Это передаточное устройство слу­жит рычажной системой, превращающей воздушные колебания с большой амплитудой скорости колебаний и небольшим давлением в механические колебания с ма­лой амплитудой скорости и большим давлением. Коэф­фициент трансформации в среднем равен 50—60 (см. [4], с. 15).Кроме того, передаточное устройство вносит коррекцию в частотную характеристику следую­щего звена восприятия — улитки.

Продольный и поперечный разрезы улитки даны на рис. 2.1, причем продольный разрез дан для улитки в развернутом виде, при этом опущены некоторые дета-

ли, без которых можно обойтись при рассмотрении про­цессов восприятия звука. Улитка сообщается со сред­ним ухом через две мембраны, закрывающие отверстия овального 2 и круглого 9 окон, находящихся у основа­ния улитки. К мембране овального окна прикреплено стремечко /. Внутреннее пространство улитки заполне­но жидкостью — лимфой. Вестибулярный 3 и барабан­ный 8 ходы (каналы) соединяются между собой у вершины улитки через небольшое отверстие, называемое геликотремой 6. По всей длине улитки от основания ее до геликотремы расположена основная мембрана 7, состоящая из нескольких тысяч волокон, натянутых поперек улитки. Волокна слабо связаны друг с другом и поэтому могут колебаться независимо. Вдоль основ­ной мембраны расположен орган Корти 5, содержа­щий около 22 000 чувствительных нервных окончаний в виде волосковых клеток. Клетки расположены как вдоль основной мембраны на некотором расстоянии от нее, так и по глубине органа Корти в несколько рядов (см. [4], с. 10—15).

2.2. 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.

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 изби-

рательности 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.

Вследствие ограниченного числа нервных оконча­ний, расположенных вдоль основной мембраны, человек запоминает во всем диапазоне частот не более 250 гра­даций частоты, причем число этих градаций резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука и в среднем составляет около 150, т. е. соседние градации в среднем отличаются друг от друга по частоте не ме­нее, чем на 4%, что в среднем приближенно равно ши­рине критических полосок слуха. Поэтому фильмы, снятые для кино со скоростью 24 кадров в секунду, можно демонстрировать на телевидении со скоростью 25 кадров в секунду и наоборот. При этом самые луч­шие музыканты с абсолютным слухом не замечают разницы в звучании, так как расхождение в частотах колебаний не превосходит 4%. При расхождении на два кадра в секунду эту разницу уже можно обнару­жить. При непосредственном сравнении двух тонов слушатель может обнаружить разницу в частотах то­нов по их биениям до 0,5 Гц.

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 понятиевысоты 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 всечастотные 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. Введены едини­цы высоты звука под названием «мел» и «барк» (100 мел=1 барку). В общем случае высота сложного звука не поддается точному расчету.

2.3. ПОРОГ СЛЫШИМОСТИ

Если волокно основной мебраны при своих колебаниях недостает до ближайшей волосатой клетки (см. / рис. 2.4, на котором утрированно представлены волок­на основной мебраны и клеток органа Корти), то чело­век не воспринимает звук. При увеличении амплитуды колебаний волокна, как только оно коснется ближай­шей клетки (см. // рис. 2.4), произойдет раздражение нервного окончания, которое сразу же начнет посылать электрические импульсы в слуховой центр мозга; звук

будет услышан. Этот скачкообразный переход из слы­шимого состояния в неслышимое и обратно называется порогом слышимости.Заметим, что абсолютная величи­на слухового ощущения на пороге слышимости невели­ка, но имеет конечное значение.

Порогом слышимости также называют наименьшее значение раздражающей силы чистого тона, которое вызывает ощущение звука. Под раздражающей силой подразумевают интенсивность звука или звуковое давле­ние. Порог 'слышимости зависит от частоты: при 1000 Гц он равен около 10-12 Вт/м2. На рис. 2.5 приведены зависимости порогов слышимости от частоты, причем по оси ординат отложена интен­сивность звука в логариф­мическом масштабе. В сторону низких частот по­рог слышимости резко повышается (начиная с частоты 500 Гц), т. е. для появления слухового ощу­щения на низких часто­тах необходима более вы­сокая интенсивность, чем, скажем, на частоте 1000 Гц. Так, на частоте 100 Гц порог слышимости по интенсивности в 104раз выше, чем на частоте 1000 Гц. В сторону высоких ча­стот порог слышимости сначала снижается (чувстви­тельность слуха повышается) в 8—10 раз по интенсив­ности (на частоте 2000—4000 Гц), а затем начинает повышаться так же, как и на низких частотах.

В ряде учебных пособий и справочников даются различные абсолютные значения и частотные зависимо­сти порога слышимости. Эта разница обусловлена раз­личием в методах измерения порога слышимости. На рис. 2.5 приведены пороги для одноухого 1 и двуухого слушания 2

Тоном называют гармоническое колебание, в общем случае состоящее из ряда гармоник; чистый тон—простое синусоидальное колебание. В дальнейшем, если не оговорено, под. тоном будем, подразумевать чистый тон.

пороги, измеренные по давлению около ушной раковины 3 (для слушания на телефоне) и по давлению в точке звукового поля 1 (до введения туда головы человека, т. е. для слушания через громкогово­ритель) существуют пороги, измеренные для фрон­тального падения звуковой волны (для приема звука спереди) и при всестороннем ее падении (при слуша­нии в помещении).

2.4. ВОСПРИЯТИЕ ПО АМПЛИТУДЕ

При увеличении интенсивности звука выше пороговой, пока амплитуда колебаний волокон не увеличится на­столько, чтобы коснуться еще одной клетки, слуховое ощущение остается постоянным. Как только одно из волокон прикоснется к следующей клетке (см. III рис. 2.4), слуховое ощущение еще раз повысится скач­ком, так как и эта клетка будет посылать электриче­ские импульсы в слуховой центр. По мере увеличения интенсивности звука расширяется зона возбуждения основной мембраны — начинают колебаться и сосед­ние волокна, также возбуждающие нервные клетки од­ну за другой. Каждая из них будет посылать свои им­пульсы в слуховой центр. Слуховое ощущение при этом будет нарастать скачками по мере увеличения числа возбужденных клеток. Такие скачки называют порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних частотах не превышает 250, причем на низ­ких и высоких частотах это число резко уменьшается и в среднем по частотному диапазону составляет около 150. Наконец, при дальнейшем увеличении интенсивно­сти появляется ощущение боли — наступает болевой порог (порог осязания). Болевой порог соответствует очень большой интенсивности. Наибольшая величина болевого порога наблюдается на частоте 800 Гц (около 1 Вт/м2). В сторону низких и высоких частот он мед­ленно снижается.

Таким образом, и по амплитуде имеет место дис­кретное восприятие звука. Учитывая дискретность по частоте и по амплитуде, насчитывают во всей области слухового восприятия около 22 000 элементарных гра­даций, что соответствует числу нервных окончаний.

Установлено, что для средних и высоких интенсив-ностей звука скачок получается при одинаковых относительных изменениях интенсивности. Вебер и Фехнер так сформулировали этот закон: одинаковые относи­тельные изменения раздражающей силы вызывают оди­наковые абсолютные изменения слухового ощущения, т. е. слуховое ощущение пропорционально логарифму раздражающей силы

На пороге слышимости, т. е. при I=Iп.с, слуховое ощу­щение равно нулю, поэтому имеем

откуда получаем

Для оценки величины слухового ощущения была предложена единица под названием «бел» (а=1). Эта единица соответствует десятикратному отношению ин-тенсивностей, поэтому была введена еще и более мел­кая единица — децибел (дБ), равная 0,1 бела. В этом случае слуховое ощущение в децибелах

(2.2)

Так как диапазон изменения интенсивностей от мини­мального порога слышимости до максимального боле­вого порога составляет 1013 раз, т. е. слуховое ощуще­ние изменяется на 130 дБ, то величина элементарного скачка ощущения в среднем по диапазону амплитуд равна 0,8 дБ, т. е. соответствует изменению интенсив­ности звука в 1,2 раза. На самом деле элементарные скачки ощущения для средних и высоких значений слу­ховых ощущений получаются при изменении интенсив­ности в 1,10 раза, т. е. скачки ощущения равны 0,4 дБ. Для низкого слухового ощущения скачки получаются равными 2—3 дБ.

2.5.УРОВНИ

Вследствие логарифмического закона восприятия и ши­рокого диапазона интенсивностей слышимых звуков для объективной оценки введено понятие уровня интен­сивности

(2.3)

За нулевой уровень условились принимать интенсив­ность Iо, близкую к пороговой интенсивности для нор­мального слуха на частоте 1000 Гц. Эта интенсивность приблизительно равна 10~12 Вт/м2. Следовательно, бо­левой порог интенсивности находится около 120 дБ.

В соответствии с квадратичным соотношением меж­ду интенсивностью звука и звуковым давлением (1.12) уровень звукового давления

где ро — звуковое давление на нулевом уровне