Важнейшие характеристики звука и психофизика слухового восприятия

Звук представляет собой продольные волны давления (расширения и сжатия), распространяющиеся в какой-либо упругой среде – например, в воздухе или воде (рис. [1328] ____). Источником звука обычно являются колеблющиеся предметы, которые создают вблизи себе участки с чередующимися моментами расширения и сжатия среды. Слуховая система чрезвычайно чувствительна: на пороге слышимости человека смещения частиц воздуха составляют всего 0,01 нм, а многие животные обладают намного более тонким слухом, чем человек.

Звуковым давлением называется амплитуда изменения давления воздуха в какой-либо точке среды при распространении звуковой волны. Как и любое другое давление, его выражают в Н/м² (Па). Воспринимаемое нашим ухом звуковое давление ничтожно в сравнении с атмосферным давлением.

Поскольку восприятие амплитуда звука достаточно хорошо соответствует закону Фехнера, для ее выражения на практике часто используют уровень звукового давления (УЗД) – логарифмическую единицу, выражаемую в децибелах (Дб). Обычно за эталонное давление p₀ принимают значение 2 · 10^-5 Н/м², которое примерно соответствует нижнему пределу слышимости человека. В этом случае для измеряемого звукового давления p_x

[Дб]

Нетрудно заметить, что увеличение амплитуды звукового давления в 10 раз соответствует повышению УЗД на 20 Дб. Болевому порогу соответствует УЗД около 130 Дб; это означает, что мы нормально слышим звуки в пределах более чем шести порядков по амплитуде.

Сила звука - это количество энергии, проходящей через единицу поверхности за единицу времени; она выражается в Вт/м². Сила звука пропорциональна квадрату амплитуды давления:

I ~ р²

Частоту звука выражают в герцах (Гц), т.е. количестве циклов колебаний в секунду. Субъективно воспринимаемую частоту звуковых колебаний называют высотой звука. Удвоение частоты звука воспринимается как повышение его высоты на одну октаву. Соответственно, изменение высоты звука на полутон происходит при изменении частоты в  раза. При наличии тренировки и способностей человек может различить частоты в 1000 и 1002 Гц, т.е. разницу в 1,002 раза.

Здоровый человек слышит в диапазоне от 20 Гц до 16 кГц, хотя с возрастом верхняя граница слышимого диапазона постепенно снижается. Звук с частотой ниже 20 Гц называют инфразвуком, а выше 16 кГц – ультразвуком. Многие млекопитающие, включая грызунов, кошек и собак, слышат звуки в пределах до 25-35 кГц и выше, а у животных, пользующихся эхолокацией – рукокрылых и китообразных – верхний предел простирается еще дальше в область ультразвука (до 100 кГц). Заметим, что для разборчивой трансляции речи необходимо передавать частоты по крайней мере от 300 Гц до 3,5 кГц (желательно – больше). Качественная аудиоаппаратура способна передать практически весь диапазон воспринимаемых человеком частот.

Звук, образованный колебаниями одной частоты, называется чистым тоном (рис. [1329] ____). На практике чистые тоны никогда не встречаются, так как любой естественный звук представляет собой смесь из колебаний нескольких частот. Если частоты, входящие в такую смесь, связаны друг с другом определенными математическими закономерностями, то возникает музыкальный звук; в его составе обычно присутствуют основной тон и кратные ему гармоники. В противном случае говорят о шуме, который представляет собой хаотическую смесь из колебаний различных частот и не имеет периодичности. Структура звуковых колебаний, составляющих звук, субъективно воспринимается как тембр звука.

Чувствительность человеческого уха весьма неравномерна в пределах слышимого диапазона. Лучше всего человек слышит звуки в пределах 2 – 5 кГц, а к границам слышимого диапазона чувствительность сильно ухудшается. На рисунке (рис. [1330] ____) представлено семейство изофон, или кривых равной слышимости, для слуха здорового человека. Каждая изофона получена путем выравнивания субъективной громкости звуков разной частоты с эталонными звуками частотой 1 кГц. Нижняя из изофон описывает абсолютный порог слышимости человека (на частоте 1 кГц ему соответствуют 4 Дб УЗД), а последующие построены относительно эталонных звуков на частоте 1 кГц с УЗД 20, 40, 60 и т.д. Дб УЗД. Громкость звука выражают на основе данного семейства кривых как УЗД равного ему по громкости звука на частоте 1 кГц и выражают в фонах. Например, если тестируемый звук кажется испытуемым столь же громким, как звук амплитудой 70 Дб УЗД на частоте 1 кГц, то ему приписывают громкость в 70 фон. Фактически УЗД такого звука может оказаться ниже 70 Дб (если он располагается в области наилучшей слышимости) или выше этого значения (у границ слышимого диапазона звуковых частот).

При измерениях громкости звука в практических целях необходимо учитывать нелинейность частотных характеристик человеческого уха, и в соответствующие приборы, называемые шумомерами, встроены электронные фильтры, имитирующие нелинейность восприятия человеческого уха. Чаще всего используется так называемый фильтр "A" с характеристиками порога слышимости человека; иногда применяют и некоторые другие фильтры с фиксированными характеристиками ("B" и "С"). Следует иметь в виду, что подобные фильтры, встроенные в шумомеры, могут оказаться совершенно неадекватными при физиологических исследованиях слуха животных, так как изофоны, характеризующие слух других видов животных, могут сильно отличаться от таковых для человека.

В психофизических исследования громкости и высоты звука по методике межмодального сравнения сформированы соответствующие единицы субъективной громкости и высоты звука – соны и мелы, однако более подробное рассмотрение психофизических основ слуховой рецепции выходит за пределы задач настоящей книги.