Элементы психоакустики
Часть 1
Дифференциальные пороги устанавливают минимальные изменения признаков (параметров) звукового образа, которые способна уловить слуховая система, — изменения уровня, частоты, длительности звукового стимула; положения источника звука при бинауральном слушании.
Величина фиксируемых слухом минимальных изменений в уровнях звукового давления, определяемая в психоакустических опытах при прямом сравнении испытуемыми по громкости двух тональных сигналов одинаковой частоты, разумеется, зависит как от уровней, так и от частоты тестовых сигналов. Наиболее тонко слух чувствует разницу в уровнях приблизительно в середине (в геометрическом масштабе) частотного диапазона, где максимальным является динамический диапазон слуховой системы. Здесь мы способны уловить разницу в 0,5 дБ. На низких и высоких частотах разрешающая способность ушей хуже. В большей мере она зависит от уровня звукового давления — уменьшается с его понижением. Максимальное разрешение достигается при уровнях звукового давления около 100 дБ. Для совсем тихих звуков улавливаемая разница в уровнях сигналов составляет от 1,5 до 3 дБ. Отсюда самым непосредственным образом следуют обоснованность повышенных требований аудиолюбителей к гладкости амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) воспроизводящего электроакустического тракта и необоснованность пренебрежительного отношения к акустической обработке комнат прослушивания. Ведь эти последние доводят упомянутые АЧХ до неузнаваемости — перепады могут достигать 15—20 дБ.
Разрешающая способность по частоте также может определяться путем непосредственного сравнения испытуемым двух равных по амплитуде, но различающихся по частоте тональных посылок. Как и следовало ожидать, частотные дифференциальные пороги зависят от амплитуды и частоты звукового стимула. С повышением амплитуды сигнала разрешающая способность слуха растет. При комфортно высоком уровне громкости на низких и средних частотах, по данным разных авторов, разрешающая способность слуха составляет от 1 до 3 Гц. С повышением частоты разрешение ухудшается (в абсолютных значениях), в процентном же отношении (отношении замечаемой слушателем разницы частот сравниваемых тональных посылок к частоте опорного тона) оно выше 800 Гц выходит на приблизительно постоянный уровень около 0,5%. Вообще наш слух способен различить свыше 600 градаций высот тональных сигналов. Для сравнения: весь слуховой диапазон можно уложить в 10 октав (с запасом); в октаве — 12 полутонов; таким образом, в системе равномерно темперированного музыкального строя можно насчитать максимум 120 градаций. Есть куда расти.
Изучение способности человека чувствовать тонкие различия во временнóй структуре сигнала вызывают повышенный интерес. Слуховой анализатор является принципиально нелинейной системой, и мы не можем поставить во взаимно однозначное соответствие временные и амплитудно-частотные характеристики слуха с помощью стандартных методов анализа линейных систем, например, с помощью метода анализа Фурье. И именно исследования в этой области преподнесли немалые сюрпризы. Похоже, можно надеяться, что в ближайшем будущем появится шанс объяснить ряд, казалось бы, необъяснимых возможностей слуха…
Минимальный временной интервал между двумя одинаковыми сигналами (например, короткими тональными посылками), при котором слушатель начинает различать отдельные импульсы, можно считать нижним пределом временнóго интегрирования слуховой системы. Этот предел, как полагают многие исследователи, составляет всего 2 мс.
Не менее интересно выяснить, когда слух начинает чувствовать разницу в длительности двух излучаемых последовательно сигналов. Оказалось, необходимое для различения приращение длительности сильно зависит от длительности исходного импульса. Так, для коротких импульсов длительностью до 1 мс, чтобы различить два сигнала, длительность одного из них нужно приблизительно удвоить. Для сигналов длительностью 0,05—0,5 с приращение должно составлять 5—50 мс.
Продолжение следует
В дальнейшем мы планируем поговорить о нелинейных свойствах слуха, о смысле критических полос, о последствиях эффекта маскировки, о работе слуховой системы с короткими звуками, о нашей способности «видеть» ушами источник звука… и о том, какое отношение это имеет к акустике помещений.
Величина фиксируемых слухом минимальных изменений в уровнях звукового давления, определяемая в психоакустических опытах при прямом сравнении испытуемыми по громкости двух тональных сигналов одинаковой частоты, разумеется, зависит как от уровней, так и от частоты тестовых сигналов. Наиболее тонко слух чувствует разницу в уровнях приблизительно в середине (в геометрическом масштабе) частотного диапазона, где максимальным является динамический диапазон слуховой системы. Здесь мы способны уловить разницу в 0,5 дБ. На низких и высоких частотах разрешающая способность ушей хуже. В большей мере она зависит от уровня звукового давления — уменьшается с его понижением. Максимальное разрешение достигается при уровнях звукового давления около 100 дБ. Для совсем тихих звуков улавливаемая разница в уровнях сигналов составляет от 1,5 до 3 дБ. Отсюда самым непосредственным образом следуют обоснованность повышенных требований аудиолюбителей к гладкости амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) воспроизводящего электроакустического тракта и необоснованность пренебрежительного отношения к акустической обработке комнат прослушивания. Ведь эти последние доводят упомянутые АЧХ до неузнаваемости — перепады могут достигать 15—20 дБ.
Разрешающая способность по частоте также может определяться путем непосредственного сравнения испытуемым двух равных по амплитуде, но различающихся по частоте тональных посылок. Как и следовало ожидать, частотные дифференциальные пороги зависят от амплитуды и частоты звукового стимула. С повышением амплитуды сигнала разрешающая способность слуха растет. При комфортно высоком уровне громкости на низких и средних частотах, по данным разных авторов, разрешающая способность слуха составляет от 1 до 3 Гц. С повышением частоты разрешение ухудшается (в абсолютных значениях), в процентном же отношении (отношении замечаемой слушателем разницы частот сравниваемых тональных посылок к частоте опорного тона) оно выше 800 Гц выходит на приблизительно постоянный уровень около 0,5%. Вообще наш слух способен различить свыше 600 градаций высот тональных сигналов. Для сравнения: весь слуховой диапазон можно уложить в 10 октав (с запасом); в октаве — 12 полутонов; таким образом, в системе равномерно темперированного музыкального строя можно насчитать максимум 120 градаций. Есть куда расти.
Изучение способности человека чувствовать тонкие различия во временнóй структуре сигнала вызывают повышенный интерес. Слуховой анализатор является принципиально нелинейной системой, и мы не можем поставить во взаимно однозначное соответствие временные и амплитудно-частотные характеристики слуха с помощью стандартных методов анализа линейных систем, например, с помощью метода анализа Фурье. И именно исследования в этой области преподнесли немалые сюрпризы. Похоже, можно надеяться, что в ближайшем будущем появится шанс объяснить ряд, казалось бы, необъяснимых возможностей слуха…
Минимальный временной интервал между двумя одинаковыми сигналами (например, короткими тональными посылками), при котором слушатель начинает различать отдельные импульсы, можно считать нижним пределом временнóго интегрирования слуховой системы. Этот предел, как полагают многие исследователи, составляет всего 2 мс.
Не менее интересно выяснить, когда слух начинает чувствовать разницу в длительности двух излучаемых последовательно сигналов. Оказалось, необходимое для различения приращение длительности сильно зависит от длительности исходного импульса. Так, для коротких импульсов длительностью до 1 мс, чтобы различить два сигнала, длительность одного из них нужно приблизительно удвоить. Для сигналов длительностью 0,05—0,5 с приращение должно составлять 5—50 мс.
Продолжение следует
В дальнейшем мы планируем поговорить о нелинейных свойствах слуха, о смысле критических полос, о последствиях эффекта маскировки, о работе слуховой системы с короткими звуками, о нашей способности «видеть» ушами источник звука… и о том, какое отношение это имеет к акустике помещений.
Алексей Тихонов, кандидат физ.-мат. наук, генеральный директор компании Home Cinema Hall