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 ОбО Гц. Такой частотный диапазон слухового восприятия
почти полностью охватывает частотные диапазоны натуральных ис-
точников, звука- (см. рис. 2.22). Вместе с тем следует отметить_г 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 1а и 2а, 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
^эяда 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, что 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 (К_т), соответствующих определенному музыкаль-
ному интервалу (например, оятаве), 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 ' ' • • ' ' ',V

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

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

Влияние интенсивности сигнала на высоту воспринимаемого зву-
ка выражается в том, 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

ионического 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 сгйростымй той же интенсивности и чис-
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-
ральную 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 (J) 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 равной 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 почас-
т,оте 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 гармоник и
формант на тембр звука расширяется в сторону этих частот.

6. Повышение диффузности звукового поля способствует более
равномерному восприятию частот в полосе 500-4-5000 Гц.

4.3. Временные характеристики .
слухового восприятия

' Слуховой механизм, как и любая другая колебательная система,
является инерционным, -и, следовательно, при возбуждении у него

Рис. 4.8. Кривые, ограничивающие зову интегрирующего эффекта для простых (1) и сложных (2) звуков

Рис. 4.9. Частотная кривая времени, не-
обходимого для слухового восприятия
высоты тона

должны возникать переходные процессы. Время нарастания и зату-
хания воспринимаемого звука будет зависеть от особенностей этого
механизма и некоторых параметров действующего на него сигнала.

Для простых сигналов с уровнями громкости 20, 40, 60, 80 и
100 фон эти уровни (рис. 4.8) устанавливаются не сразу, а в тече-
ние около 100 мс. В процессе нарастания менее громкий звук (при
Ъ_г=80 фон) может восприниматься как одинаковый по сравнению с
другим более громким (L₁= 100 фон) при условии, что длительность
этих звуков будет связана неравенством t₁<^t_z , Это свойство слуха
носит название интегрирующего эффекта. Опыты показали, что ука-
занное свойство может быть выражено в виде равенства I • t =
~ const и сохраняется в пределах малых времен звучания i, огра-
ниченных на рис. 4.8 для простых сигналов кривой 7, а для слож-
ных — кривой 2 [30]. Справа от этих кривых громкость звука стано-
вится независимой от длительности сигнала.

"'Рассматривая кривые процесса нарастания для таких музыкаль-
ных инструментов, как скрипка (см. рис. 2.8) или орган (см.
рис. 2.14) совместно с кривыми рис. 4.8, можно заметить,-что слух
на начальном этапе значительно видоизменяет характер кривых на-
растания гармонических составляющих данных инструментов. Все

они для слуха растут с большей скоростью, чем в действительности,
и опережающие гармоники дополнительно подчеркиваются за счет
интегрирующего эффекта. Слух не разрушает своеобразную картину
процесса нарастания, характерную для каждого натурального источ-
ника звука, а делает ее более четкой. И эта четкость, как показы-
вает эксперимент, очень влияет на тембр звучаний.

Инерционность слуха выража-
ется ив том, что, как это видно по
графику рис. 4.9, для определения
высоты тона слуху требуется не-
которое зависящее от частоты вре-
мя.,Это время, особенно для низ-
ких частот, находится в пределах
того начального этапа звучания,
которое связано с восприятием
тембра. Отсюда можно предполо-
жить, что инерционность может
повлиять на окраску звучания.

Рнс. 4.10. Различия в уровнях AL иво времениприхода Дт— йвух сигналов, при которых звуки сливаются (7) или создают эхо (2)

При прекращений сигнала он
будет восприниматься слухом как
постепенно затухающий со ско-
ростью примерно 10 фон за 150-г-
-7-300 мс. Это время, называемое

постоянной времени слуха, изменяется в зависимости от характера-
сигнала и его уровня интенсивности. Замедленное затухание вос-
принятого звука приводит к тому, что идупщй за ним с опозданием
на время меньше 50 мс второй звук, одинаковый по уровню, будет
маскироваться первым и казаться его продолжением. Если первый
звук по громкости больше второго, его маскирующее действие будет
происходить при времени запаздывания, большем 50 мс. Различие
во времени запаздывания, при котором будет происходить слияние
звуков, отличающихся но уровню на Л£, показано на рис. 4.10 .
(кривая 1).

Таким⁴образом, затухание, обусловленное слухом, накладываясь
на затухание самого сигнала, делает этот процесс несколько более
продолжительным. Это усиливает взаимную маскировку звуков я
способствует слитному восприятию одинаковых по тональности сиг-
налов, звучащих с интервалами в пределах до 150 мс. Явление слит-
ного восприятия усиливается еще и тем,'что значительная часть
повторных сигналов, обусловленных отражением энергии от поверх-
ностей помещения, становятся при восприятии неотделимыми от
исходных сигналов и повышают их общую громкость. Все это не-
одинаково сказывается на качестве. воспринимаемого звучания. Так,
при длительном затуханий быстрая речь будет терять четкость, а
распевные звуки органа приобретут дополнительную красоч-
ность. Отсюда следует, что переходные процессы тесно связаны с
другим временным параметром звучания— его темпом.

Временные процессы имеют большое значение при игре несколь-
ких инструментов в унисон. Некоторое различие во времени атаки

6в

игзатухания, в длительности звука каждого из инструментов, кото-
рые неизбежны при такой игре, создают-особую выразительность и
тембральную насыщенность совместного звучания. Это хорошо об-
наруживается^ например, при унисойном звучании скрипок.

Опыты показывают, что при длительном воздействии сигнала
чувствительность слуха постепенно снижается* и тем больше, чем вы-
ше громкость звука (см. рис. 4.8). Обнаруживаемое снижение чув-
ствительности связано с реакцией слуха на перегрузку, т. е. с- есте-
ственной _лего адаптацией. После паузы чувствительность слуха вос-
станавливается, поэтому новые сигналы кажутся очень громкими.

Сказанное позволяет сформулировать ряд общих положений.

1. Слух суммирует звуковую энергию, поступающую от источни-
ка, в течение 50 мс. Это способствует слиянию звучаний отдельных
источников в единое звучание ансамбля, связывает его с акустикой
помещения. ,

2. Нарастание и спадание громкости, воспринимаемой слухом, не
соответствует ходу временных процессов для реальных сигналов.
Это несоответствие — один из факторов, определяющих тембр зву-
чания.

3. Тембр звучания в некоторой мере зависит, от времени, необхо-
димого слуху для определения высоты звука,

4. Тембр, являясь субъективным отображением сложности вос-
принимаемого звучания, не имеет количественной оценки и характе-
ризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, соч-
ный и др.).,