Психоакустика. Пространственные характеристики слуха. Явления адаптации и инерционности слуха. Явление маскировки. Дифференциальные пороги. Психология распознавания музыкальных образов.

Психоакустика — наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.

Во многих приложениях акустики и обработки звуковых сигналов необходимо знать, что люди слышат. Звук, который образуют волны давления воздуха, может быть точно измерен современным оборудованием. Однако понять, как эти волны принимаются и отображаются в нашем головном мозге — задача не такая простая. Звук это непрерывный аналоговый сигнал, который (в предположении, что молекулы воздуха бесконечно малы) может теоретически переносить бесконечное количество информации (может быть бесконечное число частот, содержащих информацию об амплитуде и фазе).

Понимание процессов восприятия позволит учёным и инженерам сосредоточиться на возможностях слуха и не учитывать менее важные возможности других систем. Важно также отметить, что вопрос «что человек слышит» не только вопрос о физиологических возможностях уха, но во многом также вопрос психологии, чёткости восприятия.

Человеческое ухо номинально слышит звуки в диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Верхний предел имеет тенденцию снижаться с возрастом. Большинство взрослых людей не могут слышать выше 16 кГц. Ухо само по себе не реагирует на частоты ниже 20 Гц, но они могут ощущаться через органы осязания.

Частотное разрешение звука в середине диапазона около 2 Гц. То есть изменение частоты более чем на 2 Гц ощущается. Однако есть возможность слышать ещё меньшую разницу. Например, в случае, если оба тона приходят одновременно, в результате сложения двух колебаний возникает модуляция амплитуды сигнала с частотой, равной разности исходных частот. Этот эффект известен также как биение.

Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Наша барабанная перепонка в ухе чувствительна только к изменению давления. Громкость звука принято измерять в децибелах (дБ). Нижний порог слышимости определён как 0 Дб, а определение верхнего предела слышимости относится скорее к вопросу, при какой громкости начнётся разрушение уха. Этот предел зависит от того, как долго по времени мы слушаем звук. Ухо способно переносить кратковременное повышение громкости до 120 дБ без последствий, но долговременное восприятие звуков громкостью более 80 дБ может вызвать потерю слуха.

Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность понижается выше 2 кГц.

Кривая абсолютного порога слышимости является частным случаем более общих — кривых одинаковой громкости. Кривые одинаковой громкости — это линии, на которых человек ощущает звук разных частот одинаково громкими. Кривые были впервые получены Флетчером и Мэнсоном (H Fletcher and W A Munson), и опубликованы в труде «Loudness, its definition, measurement and calculation» в J.Acoust. Soc Am.5, 82-108 (1933). Позже более точные измерения выполнили Робинсон и Датсон (D W Robinson and R S Dadson «A re-determination of the equal-loudness relations for pure tones» in Br. J. Appl. Phys. 7, 166—181 ,1956). Полученные кривые значительно различаются, но это не ошибка, а разные условия проведения измерений. Флетчер и Мэнсон в качестве источника звуковых волн использовали наушники, а Робинсон и Датсон — фронтально расположенный динамик в безэховой комнате.

Измерения Робинсона и Датсона легли в основу стандарта ISO 226 в 1986 г. В 2003 году стандарт ISO 226 был обновлён с учётом данных, собранных из 12 международных студий.

Существует также способ восприятия звука без участия барабанной перепонки — так называемый микроволновый слуховой эффект, когда модулированное излучение в микроволновом диапазоне (от 1 до 300 ГГц) воздействует на ткани вокруг улитки, заставляя человека воспринимать различные звуки.

Наличие постороннего источника звука или шума изменяет ход зависимости и наблюдается эффект маскировки полезного сигнала, т.е. вблизи частоты мешающего источника звука существенно повышается порог слышимости. При существенном уровне помехи полезный сигнал может быть совсем не слышен. Явление маскировки проявляется по-разному для различных уровней мешающего сигнала и его спектральных характеристик. Резонансные характеристики слухового резонатора несимметричны. Со стороны высоких частот спад резонансной кривой более пологий. Эта особенность слуха проявляется в том, что в смешанном хоре мужских голосов обычно меньше чем женских, но, не смотря на это, их очень даже хорошо слышно.

Следует отметить, что при совпадении частот полезного сигнала и помехи порог чувствительности человеческого уха примерно на 4–5 дБ меньше, чем уровень помехи. Полезный сигнал слышен даже при некотором превышении его помехой.

Нелинейные свойства слуха проявляются в том, что при достаточно большом уровне одночастотного тона ухо человека начинает воспринимать его вторую, третью гармонику и далее. При прослушивании двух тонов человек слышит суммарную и разностную частоты. Экспериментально это явление можно подтвердить по биениям фантомных звуков и вспомогательного пилот-сигнала.

Слуховой аппарат обладает определенной инерционностью. Время, в течение которого человек ощущает изменение уровня звукового сигнала на 10 фон, называемое постоянной времени слуха, составляет 150–200 мс. Время адаптации слуха при оценке высоты тона на низких частотах составляет 30 мс, на высоких немного меньше.

Определить направление, с которого распространяется звук, человек может благодаря так называемому бинауральному эффекту. Локализация источника осуществляется по уровню и запаздыванию звукового сигнала, приходящего в каждое ухо. Первое преобладает на средних и высоких частотах, второе – на низких. На частотах ниже 150 Гц локализация источника практически невозможна. Это допускает применение лишь одного излучателя низких частот в системах звуковоспроизведения. Достаточно одной акустической системы – саббуфера, чтобы в полной мере ощутить все краски музыкального произведения.

Чувствительность звукового анализатора характеризуется не только величиной абсолютного порога (т. е. различение тишины от едва заметного звукового ощущения), но и способностью определять надпороговые звуки по их частоте и силе. Для этого следует определить тот минимальный прирост по частоте или силе звука, который различается ухом. Поэтому разностным, или дифференциальным, порогом частоты звука называется отношение еле заметного прироста в частоте к первоначальной частоте звука. Эти пороги — наименьшие в зоне частот 500—5000 гц и равны 0,003. Это значит, что изменение частоты звука всего на 3 гц при тоне в 1000 гц уже различается ухом как другая высота. При 4000 гц требуется прирост в 12 гц, и т. д.

Разностные пороги в зоне низких частот выше и достигают для 50 гц 0,01.

Разностным порогом силы звука называется тот минимальный прирост силы звука, при котором ощущается еле заметное усиление громкости первоначального звука.

Разностные пороги силы звука в среднем составляют 0,1—0,12, т. е. для того, чтобы один звук казался громче другого, следует усилить звук на 1/10 его первоначальной величины. Однако это оказывается правильным только для звуков средней силы, например в 40—60 дб над уровнем ощущения. Согласно закону Вебера-Фехнера, эта величина должна была быть постоянной для звуков слабых и громких. Однако оказалось, что для слабых звуков (близких к порогам) еле ощущаемый прирост достигает 1/4 и более. Упомянутые величины соответствуют примерно 0,4—2 дб, и т. д.; 1 дб — это средняя величина прироста силы, которую мы воспринимаем. Следует отметить, что разностный порог силы зависит и от частоты исследуемых звуков; порог особенно велик в зоне басовых звуков и наименьший — в зоне 500—4000 гц.

Когда какой-то объект "издает звук", он заставляет волны давления распространяться через окружающую среду. Звук представляет собой изменение давления. Ухо человека имеет поразительно сложной устройство. Хотя измерение звукового давления во времени дает полное описание звука, часто удобное описывать волну, представив ее в виде ряда простых синусоид, полученных путем разложения ее в ряд Фурье. Представление сложных волн в виде их синусоидальных составляющих, по-видимому, наиболее близко соответствует тому, что в действительности происходит в ухе. В сущности, ухо как бы само проводит в общих чертах анализ Фурье. Если звучат одновременно два гармонических звука, то это сочетание воспринимается как аккорд, а не как сложный звук. В отличие от слуховой системы зрительная система не воспринимает по отдельности различные частоты, воздействующие на нее. Зрительные волны суммируются самим глазом, и от их индивидуальных компонентов не остается никакого следа. Характер воздействия звуковых колебаний на мембрану таков, что разные звуковые частоты преобразуются в активность, локализованную в различных типах основной мембраны. Это перекодирование частоты звукового сигнала в колебания в определенном месте на основной мембране и позволяет утверждать, что ухо как бы разлагает поступающий сигнал в ряд Фурье. В предыдущих разделах было отмечено, что нейроны зрительной системы реагируют на существенные черты зрительного сигнала. Они различают линии и углы, движение ицвет. А что можно сказать о звуковой системе. О природе перарботки слуховой информации в нервной системе известно очень мало. На основе знаний механики уха, понимания психологических параметров высоты и громкости, изучения явления маскировки и пространственного восприятия звука психолог может рассуждать о многих свойствах слухового восприятия, объяснять и предсказывать их.

Громкость тона зависит от его интенсивности и частоты. При постоянной частоте интенсивные звуки кажутся более громкими, чем слабые. Но при постоянной интенсивности звуки очень высоой и очень низкой частоты кажутся более тихими, чем звуки средней частоты. Громкость зависит от частоты, хотя бы просто потому, что диапазон частот, воспринимаемых ухом,имеет пределы. Но громкость зависит от частоты и в пределах нормального диапазона слышимости. Взаимодействие частоты и интенсивности при восприятии громкости можно обнаружить экспериментально.

На рисунке представлено семейство кривых равной громкости. Кривые показывают интенсивности, при которых тоны различных частот имеют такую же громкость, как и стандартный тон. Для каждой кривой стандартный тон имел частоту 1000Гц, но интенсивности были различными. Самая нижняя (пунктирная) кривая показывает абсолютную чувствительность уха и различным частотам. Звуки, громкость которых ниже громкости, определяемой этой линией, услышать нельзя. Звуки, громкость которых лежит на этой линии, еле различимы. Если звуки достаточно интенсивны, они звучат одинаково громко независимо от частоты. Оказывается, что большая часть звуков, производимых музыкальными инструментами, находится в зоне, где восприятие громкости наиболее сильно зависит от изменений частоты. Из этого вытекают два следствия: во-первых, если слушать оркестр не на разумных уровнях интенсивности, многие частоты, издаваемые инструментами, услышать нельзя; во-вторых, относительная громкость звучания различных инструментов, столь тщательно продуманная и регулируемая дирижером, зависит от того, слушается ли музыка на той же громкости, которую имел ввиду дирижер при исполнении в концертном зале. Вы слушаете музыку не на тех уровнях громкости, на которые рассчитывал дирижер, следовательно, вы слышите музыкальные произведения в исполнении, отличающемся от того, что было им задумано. В настоящее время большинство высококачественной усилительной аппаратуры звука конструируется с учетом психологических факторов с использованием тон-компенсаторов громкости. Изменяя громкость звучания можно подчеркивать уровень высоких и низких звуков. При высоких уровнях частотная коррекция должна быть незначительной. Громкость звука зависит не только от его собстенной интенсивности, но и от других звуков, действующих одновременно, звуки маскируют друг друга. При наличии одного звука трудно услышать другой. Экспериментальные исследования показали, что маскирующий звук оказывает относительно небольшое влияние на тоны ниже его собственной частоты, но сильно затрудняет восприятие более высоких звуков. Одним из объяснений этого является то, что звуки низкой частоты вызывают активность на относительно обширном участке мембраны, тогда как высокие частоты действуют на более ограниченный ее участок. Маскировка добавляет еще один фактор к восприятию громкости звуков и музыки, громко звучащие, низкочастотные инструменты маскируют звуки тихих высокочастотных инструментов. Виолончели маскируют скрипки, ударные маскируют виолончели, медные духовые маскируют деревянные. Измерения громкости имеют большое значение для многих практических целей. Поскольку между психологическим восприятием громкость и физической интенсивностью звука нет прямого соответствия, нужно иметь возможность оценивать эти различия. Полученные экспериментальные данные показывают, что громкость возрастает как кубический корень из интенсивности звука. Получается, что если интенсивность звука выразить в децибелах, увеличение ее на 10 децибел всегда увеличивает громкость вдвое; при возрастании физической интенсивности в 10 раз психологическая громкость возрастает в 2 раза. Музыкальный звукоряд связан логарифмической зависимостью с частотой звука. Каждая следующая октава равномерно-темперированного звукоряда ровно вдвое превышает по частоте предыдущую октаву. Когда испытуемым предъявляют разные ноты и просят сравнить их по высоте, оказывается, что воспринимаемая высота не соответствует музыкальному звукоряду. При удвоении или уменьшении вдвое частоты ноты ее воспринимаемая высота не увеличивается и не уменьшается вдвое. Хотя этот результат может не соответствовать нашему интуитивному представлению о высоте, он точно соответствует некоторым законам музыкальной композиции. Если, например, пьеса написана в тональности до мажор, а затем транспортирована в ля мажор, будет ли это иметь значение? Если переход от одной ноты к другой психологически оценивается одинаково независимо от того, какие это ноты (и равным образом если повышение ноты на октаву удваивает высоту), то почему транспонирование в сей мелодии должно влиять на ее восприятие? Психологически различия между нотами останутся прежними независимо от того, в какой тональности исполняется пьеса. Но, по мнению большинства музыкантов при транспонировании характер произведения изменяется. Изменения эти очень тонкие, но тем не менее они существуют.

У человека два уха, но его акустическое восприятие едино. Именно на основе различий информации, получаемой при слушании двумя ушами (бинауральный слух), а не одним (моноуральный слух), мы определяем местоположение источников звука. Значение локализации звука трудно оценить. Это настолько обычное явление, что мы принимаем его как должное. Точное время и интенсивность, с которой звуки достигают обоих ушей, помогают локализовать источник звука. Самое длительное расхождение во времени между ушами при приеме звука от локализованного источника, составляет около 840 мкс, и любая звуковая частота, имеющая меньший интервал, начинает давать неясную информацию о местонахождении сигнала. Расхождения во времени дают хорошую возможность для локализации звуков только при наличии компонентов с частотой 1300 Гц. В сущности, пространственная локализация звука неточна даже при низких частотах, поскольку, если голова совершенно неподвижна, одно лишь расхождение во времени не может помочь различить, идет ли звук сверху или снизу и даже спереди или сзади. Звук, поступающий спереди и сбоку, характеризуется таким же отставанием, как звук, поступающий сзади и сбоку. В реальных условиях эти неясности могут быть устранены при помощи движений головы благодаря зрительным сигналам или различиям в качестве звука, зависящим от характера отражения и преломления различных частот головой и наружным ухом. Вторым фактором для определения локализации звука служит акустическая тень, образуемая головой. При низкочастотных звуках звуковая волна преломляется и "огибает" голову, которая отбрасывает при этом незначительную тень или совсем ее не отбрасывает. Но при высоких частотах, когда длина волны мала по сравнению с величиной головы, сколько-нибудь значительная дифракция отсутствует. Например, звук частотой 100Гц имеет длину волны 3,3 метра. Таким образом, он легко "огибает" голову. Но звук частотой 10 кГц имеет длину волны только 3,3 см, так, что он отражается головой; тем самым создается акустическая тень. Начиная с 3-4 кГц разница в интенсивностях достаточно велика, чтобы обеспечить надежное различие,и, таким образом, она дает полезные указания о локализации источника звука. Пространственная локализация звука осуществляется главным образом с помощью двойной системы: для низких частот - на основании расхождения по времени, а для высоких частот - расхождение по интенсивности. Переключение с одной системы на другую происходит в диапазоне 1....5 кГц,т.е. в той полосе звуковых частот, для которой характерно наибольшее число ошибок при локализации источников звука. Воздействие звуков одновременно на оба уха не только добавляет к восприятию звука пространственное измерение, но и увеличивает четкость восприятия. Способность к локализации дает нам возможность расположить в пространстве многие из звуков, которые мы слышим. Если, например, мы вынуждены поддерживать какой-то интересный разговор, мы можем кивать головой и соглашаться с собеседником, а на самом деле прислушиваться к разговору, ведущемуся рядом. Мы можем избирать частоту, интенсивность и местонахождение в пространстве, соответствующие звукам, которые мы хотим слушать. Иногда трудно бывает понять магнитофонную запись разговора. Мешают эхо и шумы. Звуки кашля и движения заглущают голос, который мы хотим услышать. В реальной обстановке человек не осознает эти шумы, даже если они существуют. Способность к локализации позволяет ему избирательно следить лишь за интересующими его звуковыми сигналами. Проблемы, возникающие при слушании одноканального магнитофона, прекрасно иллюстрируют трудности, которые возникают перед людьми, глухими на одно ухо. Эти трудности создаются не только понижением чувствительности к звуку, сколько уменьшением способности локализовать звуки. Чтобы получить запись, которая звучала бы так, как при оригинальном исполнении, следует применить бинауральную звукозапись. Бинауральная запись отличается от стереофонической записи в студии - зарегистрировать множество сечений фронтов звуковой волны, чтобы воспроизвести это при прослушивании в домашней обстановке. При наличии только двух микрофонов и двух динамиков точного воспроизведения получить нельзя. Этот способ не вполне хорош, так как он требует слишком точного воспроизведения при воспроизведении условий, в которых производилась запись. В итоге специалисты по звукозаписывающей аппаратуре научились использовать комбинации из многих микрофонов. Это позволяет получить хорошие результаты, и поэтому в настоящее время звукозапись производится именно таким образом. Обычно для получения действительно высококачественной записи в аудитории размещают много микрофонов, причем специалисты по звукозаписи определяют, как их надо скомбинировать для получения желаемого эффекта.