Психоакустические характеристики слуха

Адаптация (слуховая чувствительность)

Орган слуха обладает адаптационной способностью, сущность которой заключается в том, что в результате воздействия звуково­го раздражителя происходит повышение или понижение слуховой чув­ствительности. Под влиянием сильных звуков чувствительность уха падает, а в тишине происходит адаптация к ней и чувст-

вительность обостряется. Характер и степень понижения слуха, т. е. повышения порогов, определяются интенсивностью, частотой и продолжительностью воздействия экспериментального тона. Ука­занное изменение функциональных свойств органа слуха имеет характер целесообразного физиологического приспособления орга­низма, защищающего звуковой анализатор и центральную нервную систему от травмирующего действия звукового раздражителя, а также способствующего повышению работоспособности органа слуха.

Охранительный физиологический механизм действует при по­мощи нервно-мышечного аппарата среднего уха и слуховых цент­ров звукового анализатора.

Адаптационное понижение слуховой функции, наступающее в результате воздействия звукового раздражителя, исчезает в тиши­не после прекращения влияния экспериментального тона на орган слуха, но происходит это не сразу (последействие), затем чув­ствительность восстанавливается.

При воздействии звука небольшой интенсивности (20 — 30 дБ) адаптационное понижение слуха характерно в основном для тона раздражения, а при воздействии звукового раздражителя высокой интенсивности (70—100 дБ) отмечается повышение порогов слу­ха для широкого спектра частот. Адаптационные изменения обла­дают двумя параметрами: величиной понижения порогов слухо­вой функции (в децибелах) и длительностью времени (в секун­дах), в течение которого слуховая чувствительность восстанавли­вается до исходного уровня (время обратной адаптации). Слуховая адаптация изучалась отечественными учеными П.П.Лазаревым, Г. В. Гершуни, Г. И. Гринбергом, В. Ф. Ундрицем, С. М. Комарович, К.Л.Хиловым и др.

Если интенсивность звука очень велика и продолжительность его воздействия значительна, то адаптационные изменения слу­ховой чувствительности переходят в следующую стадию этого динамического процесса — утомление. Состояние утомления зву­кового анализатора в отличие от адаптации значительно снижа­ет его работоспособность, но обычно оно проходит после пре­кращения воздействия звука. Однако частые и продленные пе­рераздражения органа слуха экспериментальным тоном боль­шой силы в течение длительного времени могут привести к его повреждению в виде атрофико-дегенеративных изменений нервных элементов. Аналогичными адаптационными изменениями облада­ют также зрительный, вкусовой и обонятельный анализаторы.

Маскировка

В условиях тишины слышны писк комара, жужжание мухи, ти-кание часов, а в условиях шума и помех можно не услышать даже

громкий разговор. При посторонних шумовых помехах (маскиру­ющем влиянии звука) слуховая способность понижается. Под мас­кировкой понимается одновременное воздействие на орган слуха двух или нескольких звуков различной громкости и частоты, при котором происходит заглушение одного тона другим. Звук, который оказыва­ет заглушающее (маскирующее) действие на другой тон, называ­ется маскирующим; тон, исследуемый на фоне воздействия мас­кирующего звука, — маскируемым. Совершенно естественно, чем больше интенсивность маскирующего звука, тем сильнее прояв­ляется его маскирующее влияние. В результате изучения влияния маскирующего действия звуков различных частот установлено, что для тонов, частотная характеристика которых лежит ниже экспе­риментального маскируемого звука, характерно небольшое пони­жение слуховой способности — на 15 — 20 дБ. Если же произво­дится воздействие маскирующего тона на звуки более высокой ча­стоты, то отмечается значительное падение слуховой функции. Та­кое понижение слуха по своей величине примерно равняется ин­тенсивности маскирующего тона (по количеству децибел). Наиболь­шее влияние оказывает маскирующий звук, если маскируемый тон имеет аналогичную с ним частоту или близкую тональность. Силь­ным маскирующим эффектом обладают низкочастотные звуки, которые при достаточной интенсивности могут замаскировать (рез­ко понизить слух) звуки всех вышележащих частот. В частности, звуковые раздражители тональностью 200—400 Гц при значитель­ной их силе маскируют все звуки более высокой тональности.

По данным исследований, явление маскировки обусловлено физиологическими процессами, происходящими в центральных отделах звукового анализатора.

Ототопика

Ототопика представляет собой способность определения по слу­ху местонахождения источника и направления звука. Данная спо­собность объясняется тем, что при восприятии звуковых раздра­жений обоими ушами (бинауральный слух) возникает разность во времени, фазе и интенсивности звука при его попадании в каждое ухо. Люди, обладающие нормальным слухом на оба уха, довольно легко, быстро и с большой точностью определяют на­правление звука при неподвижном положении головы. Так, по горизонтальной плоскости оно определяется с незначительным отклонением — на 3 — 4°. При поражении хотя бы одного уха спо­собность определения направления звука резко затрудняется и тре­бует поворота головы.

Естественно, что при определении направления звука сигнал раньше и с большей силой попадает в то ухо, которое находится

ближе к источнику звука. Это свойство определения локализации и направления звука особенно хорошо выражено у животных, которые обладают способностью двигать ушными раковинами.

Сущность данного физиологического явления может быть объяс­нена на основе учения И. П. Павлова о высшей нервной деятель­ности. Важным условием точной ототопики служит наличие нор­мальной физиологической связи между обеими слуховыми зона­ми коры головного мозга. К.М.Быков доказал экспериментально с помощью методики условных рефлексов, что после перереза­ния мозолистого тела у собак нарушается функция ототопики.

Рассмотренные свойства звукового анализатора, такие, как спо­собность дифференциации силы звука, частоты, двойной гром­кости, явления адаптации, маскировки и ототопики, указывают на весьма высокие аналитические и синтетические свойства слу­ховой системы человека. Это совершенство как анатомического строения, так и функциональных возможностей звукового анали­затора обусловлено длительным процессом филогенетического раз­вития.

Громкость

Восприятие интенсивности звука реализуется в субъективном ощущении громкости. Несмотря на то что с увеличением интен­сивности звука громкость нарастает, прямой зависимости между ними нет. На ощущение громкости помимо интенсивности ока­зывают влияние и другие физические параметры звука, такие, как частота и длительность.

Зависимость громкости от частоты отражена в стандартизиро­ванных кривых равной громкости. Кривые равной громкости по­лучены при сравнении тонов разной частоты с эталонным тоном (обычно 1000 Гц), предъявляемым на постоянном уровне интен­сивности. Интенсивность сравниваемого тона регулируется до тех пор, пока оба тона не станут равногромкими. Измерения, прове­денные на разных уровнях интенсивности, дали серию кривых равной громкости.

Уровень интенсивности эталонного тона 1000 Гц выражается в единицах уровня громкости — фонах. Так, звук, равный по гром­кости тону 1000 Гц при уровне звукового давления (УЗД) 60 дБ, имеет уровень громкости 60 фон. Все звуки, равные в фонах, име­ют одинаковый уровень громкости, несмотря на различия в их физических параметрах. Кривые равной громкости выведены и для узких полос шума. На низких уровнях громкости кривые фонов почти совпадают с кривой минимально слышимого поля, но с повышением уровня громкости кривые фонов становятся более плоскими.

Поскольку кривые фонов не отражают прямого измерения гром­кости, взаимосвязь интенсивности и громкости, кроме того, оп­ределяется методами прямого шкалирования. За единицу громко­сти в чистом виде принята единица «сон». Один сон равен гром­кости тона 1000 Гц при 40 дБ УЗД. Нанесение на график громко­сти в сонах, как функции уровня интенсивности в логарифмиче­ских координатах, дает прямую линию, т.е. громкость может быть выражена как мощность уровня интенсивности звука. Ощущение громкости нарастает по экспоненте с показателем около 0,67, т.е. более медленно, чем нарастает УЗД. Таким образом, гром­кость, выраженная в сонах, увеличится в два раза при повыше­нии УЗД на 10 дБ.

Громкость сложных звуков, содержащих две или более часто­ты, зависит от ширины критической полосы. Громкость двухтоно-вого звука для частот, различающихся на величину, меньшую, чем ширина критической полосы, будет одинакова, но с увели­чением разницы между частотами до величины, превышающей критическую полосу, громкость станет нарастать. Такие соотно­шения установлены как для многокомпонентных комплексов то­нов, так и для полос шума. Эффект суммации громкости наибо­лее выражен при надпороговых уровнях интенсивности.

Изменяется громкость и при нарастании длительности корот­ких звуков, предъявляемых на фиксированном уровне интенсив­ности. Временная суммация для громкости проявляется в тех же величинах длительности, что и временная суммация для слуховой чувствительности. Нарастание громкости наиболее выражено для длительностей звука от 10 до 80 мс, затем с нарастанием длитель­ности звука рост громкости резко замедляется.

Определенное влияние на восприятие громкости оказывают маскирующие звуки. С нарастанием уровня интенсивности, пре­вышающего порог маскировки, отмечается быстрый рост громко­сти, получивший название феномена ускоренного нарастания гром­кости (ФУНГ) или выравнивания громкости.

В психоакустике существует понятие «адаптация громкости», отражающее снижение громкости звука, звучавшего на фиксиро­ванном уровне интенсивности в течение достаточно длительного отрезка времени. Измерения адаптации проведены при сравнении уровня восприятия громкости одного звука до и после длительно­го (минута) звучания адаптирующего звука той же или отличаю­щейся частоты. Однако в проведенных исследованиях не учитыва­лось вовлечение в процесс межушного взаимодействия при вос­приятии слитного образа в центре головы или латерализованного во фронтальной плоскости между ушами. При исключении бина-урального взаимодействия величина адаптации громкости в ис­следованиях уменьшалась или совсем отсутствовала. Таким обра­зом, адаптация громкости при измерении с одновременным ба-

лансом громкости одинаковых по частоте адаптирующего и срав­ниваемого тонов подвергается влиянию бинаурального взаимо­действия на определенных уровнях центральных отделов слухово­го анализатора.

2.2.5. Высота

'" -««

Механизм восприятия высоты как психологического коррелята частоты звука до настоящего времени остается одним из наиме­нее четко установленных разделов психоакустики. Методом срав­нения составлены шкалы, в которых высота определяется как функ­ция частоты. Высота выражается в единицах, называемых мелами: 1000 мел равны высоте тона 1000 Гц на уровне 40 фон. Частота, звучащая в два раза выше, имеет высоту 2000 мел, тогда как час­тота, воспринимаемая наполовину ниже, имеет высоту 500 мел. Взаимоотношения между частотой звука и воспринимаемой вы­сотой имеют нелинейный характер. Так, весь слышимый диапа­зон частот (до 20 кГц) имеет величину всего лишь около 3500 мел. Однако если сравнить высоту звука в мелах, а длину базилярной мембраны внутреннего уха принять за функцию частоты звука, то между тем и другим обнаруживается соотношение. Показано, что ширина критической полосы равняется примерно 150 мел. Пря­мая оценка высоты показывает, что самая низкая частота, под­дающаяся ощущению высоты, равна приблизительно 20 Гц. Шкала высоты в мелах не совпадает с музыкальной шкалой высоты, которая делит частотный диапазон в таких субъективных интер­валах, как октава (соотношение 1:2), квинта (соотношение 2:3) и т.д.

В отношении изменения интенсивности высота остается по­стоянной для тонов в диапазоне 1000 — 3000 Гц и незначительно изменяется с ростом интенсивности для тонов выше- и нижеле­жащей частот.

Высота комплексных звуков, содержащих две или более часто­ты, определяется более сложными закономерностями. Восприя­тие высоты, основывающееся не на частоте, а на временных фак­торах, таких, как периодичность огибающей комплексной волны стимула, получило название высоты периодичности, резидуаль-ной (разностной) высоты, высоты повторений и т.п. Если высо­кочастотный тон периодически прерывать, ухо воспринимает высоту, соответствующую частоте с периодом, равным ритму прерываний. Другими словами, начинает восприниматься высота тона, на частоте которого физическая энергия в ухе отсутствует. Различные подходы к изучению этого феномена до настоящего времени находят ему объяснение в особенностях функции цент­ральных отделов слухового анализатора.

Бинауральное восприятие

Бинауральное слуховое восприятие отличается от монаураль-ного по многим аспектам. При слушании в звуковом поле бина-уральный порог для различных стимулов (тоны, шум, речь) при­близительно на 3 дБ ниже монауральных. Такое преимущество би-наурального слуха получило название бинауралъной пороговой сум-мации. Измерения уровня громкости показывают, что на около­пороговом УЗД звук воспринимается бинаурально примерно в два раза громче, чем монаурально (3 дБ отражают удвоение мощно­сти). С повышением уровня интенсивности бинауральное преиму­щество нарастает от 6 дБ при уровне ощущения 35 дБ и остается таким на более высоких уровнях. Дифференциальная чувствитель­ность для бинаурального слуха и по интенсивности, и по частоте лучше, чем при слушании одним ухом.

В повседневной жизни звуки, поступающие в оба уха, не пол­ностью идентичны, однако в слуховой системе они сливаются в единый воспринимаемый образ. Этот процесс называется бина-уральным слиянием. При исследовании через наушники сливший­ся слуховой образ латерализуется в центре головы по средней ли­нии. Для бинаурального слияния слухового образа наиболее важ­ны частоты ниже 1500 Гц, особенно в диапазоне 300 — 600 Гц. Два высокочастотных тона, значительно отличающиеся по частоте и предъявленные раздельно в каждое ухо, будут восприниматься как два раздельных сигнала. Если оба тона модулировать одним и тем же низкочастотным тоном, то исследуемый начнет воспринимать слившийся слуховой образ. Таким образом, для бинаурального слияния слуховая система использует низкочастотные огибающие тоны.

Когда в одно ухо подается тон определенной частоты, а в дру­гое — тон, отличающийся от первого на несколько герц, в слив­шемся слуховом образе появляются биения. Бинауральные биения возникают при центральном взаимодействии возбуждения от каж­дого уха, так как в этом случае исключается прямое акустическое взаимодействие сигналов. Когда различие в частоте между тона­ми, предъявляемыми в каждое ухо, превышает 200 Гц, слив­шийся в центре головы слуховой образ расщепляется на два од­нородных тона, а затем, с дальнейшим увеличением разницы в частоте, восприятие каждого тона перемещается в соответствую­щее ухо.

Наиболее важным свойством бинаурального слуха является спо­собность локализовывать источник звука в пространстве. Бина-уральная локализация звуков основывается на межушных разли­чиях стимулов по времени (по фазе) и интенсивности. Решающее значение имеет «акустическая тень» головы, создающая разницу в сигналах, приходящих в каждое ухо. С учетом длины волны звука

и «акустической тени» головы низкие частоты локализуются за счет возникающих между ушами различий, во времени или фазе, тогда как локализация высоких частот зависит от возникающих различий в интенсивности поступающих сигналов. Минимально различимый угол при локализации в горизонтальной плоскости | выявляется при расположении источника звука сбоку от головы (когда создаются наибольшие межушные различия в сигналах) и при наличии высокочастотной энергии или переходных процес-|сов в сигнале.

В акустической ситуации, когда звуковые волны отражаются от ' стен, в уши помимо прямого сигнала от источника звука прихо­дят отраженные идентичные сигналы. Отраженные звуки достига­ют ушей с некоторой задержкой по времени и идут из разных направлений. Однако слуховая система локализует источник звука в направлении прямого, а не отраженного звука. В зависимости от времени прибытия отраженные звуки определяются как ревербе­рация или как эхо. Локализация источника звука в этих условиях основывается на так называемом эффекте предшествования. Если выразить мысль кратко, то эффект предшествования заключается в том, что в пределах определенного отрезка времени наше суж­дение об услышанном выделяет сигнал, прибывший первым, не­смотря на наличие последующего. Величина временной задержки между ранее и позже прибывшими сигналами отражается как на локализации источника звука, так и на разборчивости сложных сигналов, таких, как речь.