Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает
данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой
объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление
о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия
звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц.
Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи.
На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение,
зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается
и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна
передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже
едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность
верхних частот.
Частотные характеристики слуховых ощущений
Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности
порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением
давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий
(звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко
падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует
примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое
ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних
частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону
составляет около 150.
Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.
Субъективные характеристики звука
Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно
определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив
закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками
звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному
диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки,
гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого
имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.
Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается
как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты,
музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от
интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот
примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6
Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону.
Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как
одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется
октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять
октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно
меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты
тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты
приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий
ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти
частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя
из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального
состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты,
имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково
громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости.
За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости
чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают.
На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более
тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает,
что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости,
при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости
в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается,
и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха
на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность
слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого
уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха).
Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые
явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости.
Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый
звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем
напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания
прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными
фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой
чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет
воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря
характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет
количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.).
При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр
воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача
спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только
одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты
основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны
кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных
инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом.
В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала,
следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного
диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску
тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это
можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник,
средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот.
Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных
звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен
и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие
звуки обычно являются и более резкими.
Музыкальные источники звука
Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов,
характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр,
ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).
Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику,
связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный
процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота.
Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии
имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых,
ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание
громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением
высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона
при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный
инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания.
Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими
- обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический
тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых
частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных
обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных
для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200,
валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900,
кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается
большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует
более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для
большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4,
трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника
0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо",
к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания
музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского
коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном
отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов
понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное
в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют
только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный
уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен
90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического
уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит
от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение.
Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях,
имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов
динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука
на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".
Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).
Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует
акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах
ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их
связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон
той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических
произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки
обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для
оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо
и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать
достаточно большого уровня (до 110 дБ).
Эффект маскировки
Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается
слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с
ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной
мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной,
указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия
в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают,
что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например,
если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать
первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных
спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих
сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее
сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может
стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания
при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные
группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки.
На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы,
а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий
достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером
наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять
из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра
дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие
принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих
помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала
должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например,
при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки
60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.
Временные характеристики слухового восприятия
Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении
звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого
ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная
зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят
два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает,
то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания
оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки
сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного
звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на
ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но
уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость
является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух
человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если
продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей
бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток,
выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.
Пространственное представление о звуке
Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.
До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем
до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде.
Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой
с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется,
что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от
средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны
фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе,
достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых
волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно
слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной
плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется
в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных
средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две
АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении
через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков,
проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся
(виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону
более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только
изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае
кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м,
расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево
или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием
в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится"
на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия
перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации
применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на
свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг
от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон
будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового
расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект
суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства,
находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы,
называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона,
располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов
имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для
левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный
эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных
телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков
и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала,
субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые
расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося
по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится
все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением
обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением
уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться
пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте
и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра
и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату
частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким
образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно
прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим
все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти
отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных
источников или, что то же, о размерах помещения.
Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.
Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению
с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую
перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической
технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол,
под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность,
т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства
в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия
в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.
О роли акустики помещения
Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.
Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны,
создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные
волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая
помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии
начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал
и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает
некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты,
как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих
поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения
звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.
Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).
Если вы слышите какие-то звуки, которых не слышат другие люди, это вовсе не значит, что у вас слуховые галлюцинации и пора к психиатру. Возможно, вы относитесь к категории так называемых хамеров. Термин происходит от английского слова hum, означающего гул, гудение, жужжание.
Странные жалобы
Впервые на феномен обратили внимание в 50-х годах прошлого столетия: люди, проживающие в разных концах планеты, жаловались на то, что постоянно слышат некий равномерный гудящий звук. Чаще всего об этом рассказывали жители сельской местности. Они утверждали, что непонятный звук усиливается в ночное время (видимо, потому, что в это время снижается общий звуковой фон). У тех, кто слышал его, нередко наблюдались и побочные эффекты – головная боль, тошнота, головокружение, носовые кровотечения и бессонница.
В 1970 году на загадочный шум пожаловались сразу 800 британцев. Подобные эпизоды происходили также в Нью-Мексико и Сиднее.
В 2003 году специалист по акустике Джефф Левенталь обнаружил, что странные звуки способны слышать лишь 2% всех жителей Земли. Преимущественно это люди в возрасте от 55 до 70 лет. В одном случае хамер даже покончил жизнь самоубийством, так как не мог выносить непрекращающийся гул.
«Это своего рода пытка, иногда просто хочется закричать, - так описывала свои ощущения Кэти Жак из Лидса (Великобритания). - Трудно уснуть, потому что я слышу этот пульсирующий звук непрерывно. Начинаешь ворочаться и еще больше думаешь об этом».
Откуда шум?
Отыскать источник шума исследователи пытались давно. В начале 1990-х сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории университета Нью-Мексико пришли к выводу, что хамеры слышат звуки, которые сопровождают движение транспорта и производственные процессы на заводах. Но эта версия спорна: ведь, как уже говорилось выше, большинство хамеров проживают в сельской местности.
По другой версии, никакого гула на самом деле нет: это иллюзия, порожденная больным мозгом. И наконец самая интересная гипотеза гласит, что у некоторых людей повышенная чувствительность к низкочастотным электромагнитным излучениям или сейсмической активности. То есть они слышат «гул Земли», на который большинство людей внимания не обращают.
Парадоксы слуха
Дело в том, что среднестатистический человек способен воспринимать звуки в диапазоне от 16 герц до 20 килогерц, если звуковые колебания передаются по воздуху. При передаче звука по костям черепа диапазон возрастает до 220 килогерц.
Например, колебания человеческого голоса могут варьироваться в пределах 300-4000 герц. Звуки выше 20 000 герц мы слышим уже хуже. А колебания ниже 60 герц воспринимаются нами как вибрации. Высокие частоты называются ультразвуком, низкие – инфразвуком.
Не все люди одинаково реагируют на различные звуковые частоты. Это зависит от множества индивидуальных факторов: возраста, пола, наследственности, наличия слуховых патологий и проч. Так, известно, что есть люди, способные воспринимать звуки высокой частоты - до 22 килогерц и выше. В то же время животные порой могут слышать акустические колебания в диапазоне, недоступном человеку: летучие мыши используют ультразвук для эхолокации во время полетов, а киты и слоны предположительно общаются между собой при помощи инфразвуковых колебаний.
В начале 2011 года израильские ученые выяснили, что в человеческом мозге имеются особые группы нейронов, которые позволяют оценить высоту звука вплоть до 0,1 тона. У большинства видов животных, за исключением летучих мышей, таких «приспособлений» не имеется. С возрастом из-за изменений во внутреннем ухе люди начинают хуже воспринимать высокие частоты и развивается нейросенсорная тугоухость.
Но, видимо, не все так просто с нашим мозгом, раз кто-то с годами перестает слышать даже обычные звуки, а кто-то, напротив, начинает слышать то, что недоступно слуху окружающих.
Чем же можно помочь хамерам, ведь они так страдают от своего «дара»? Ряд специалистов считают, что излечить их могла бы так называемая когнитивно-поведенческая терапия. Но сработать она может лишь в том случае, если проблема связана исключительно с психическим состоянием человека.
Джефф Левенталь отмечает, что на сегодняшний день феномен хамеров является одной из тайн, разгадка которых пока не найдена.
К наружному уху относятся ушная раковина, слуховой проход и барабанная перепонка, которая закрывает внутренний конец слухового прохода. Слуховой проход имеет неправильную изогнутую форму. У взрослого человека длина его составляет около 2,5 см, а диаметр около 8 мм. Поверхность слухового прохода покрыта волосками и содержит железы, выделяющие ушную серу, которая необходима для поддержания влажности кожи. Слуховой проход обеспечивает также постоянную температуру и влажность барабанной перепонки.
- Среднее ухо
Среднее ухо – это заполненная воздухом полость за барабанной перепонкой. Эта полость соединяется с носоглоткой посредством евстахиевой трубы – узкого хрящевого канала, который обычно находится в закрытом состоянии. Глотательные движения открывают евстахиеву трубу, что обеспечивает поступление воздуха в полость и выравнивание давления по обе стороны барабанной перепонки для ее оптимальной подвижности. В полости среднего уха находятся три миниатюрные слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя. Одним концом молоточек соединен с барабанной перепонкой, другой его конец связан с наковальней, которая, в свою очередь соединена со стременем, а стремя с улиткой внутреннего уха. Барабанная перепонка постоянно колеблется под действием улавливаемых ухом звуков, а слуховые косточки передают ее колебания во внутреннее ухо.
- Внутреннее ухо
Во внутреннем ухе содержится несколько структур, но к слуху отношение имеет только улитка, получившая свое название из-за спиральной формы. Улитка разделена на три канала, заполненные лимфатическими жидкостями. Жидкость в среднем канале отличается по составу от жидкости в двух других каналах. Орган, непосредственно ответственный за слух (Кортиев орган), находится в среднем канале. Кортиев орган содержит около 30000 волосковых клеток, которые улавливают колебания жидкости в канале, вызванные движением стремени, и генерируют электрические импульсы, которые по слуховому нерву передаются к слуховой зоне коры головного мозга. Каждая волосковая клетка реагирует на определенную звуковую частоту, причем высокие частоты улавливаются клетками нижней части улитки, а клетки, настроенные на низкие частоты, располагаются в верхней части улитки. Если волосковые клетки по каким-либо причинам гибнут, человек перестает воспринимать звуки соответствующих частот.
- Слуховые проводящие пути
Слуховые проводящие пути – это совокупность нервных волокон, проводящих нервные импульсы от улитки к слуховым центрам коры головного мозга, в результате чего возникает слуховое ощущение. Слуховые центры расположены в височных долях головного мозга. Время, потраченное на прохождение слухового сигнала от внешнего уха к слуховым центрам мозга, составляет около 10 миллисекунд.
Как устроено ухо человека (рисунок предоставлен фирмой Siemens)
Восприятие звука
Ухо последовательно преобразует звуки в механические колебания барабанной перепонки и слуховых косточек, затем в колебания жидкости в улитке и, наконец, в электрические импульсы, которые по проводящим путям центральной слуховой системы передаются в височные доли мозга для распознавания и обработки.
Мозг и промежуточные узлы слуховых проводящих путей извлекают не только информацию о высоте и громкости звука, но и другие характеристики звука, например, интервал времени между моментами улавливания звука правым и левым ухом – на этом основана способность человека определять направление, по которому приходит звук. При этом мозг оценивает как информацию, полученную от каждого уха в отдельности, так и объединяет всю полученную информацию в единое ощущение.
В нашем мозгу хранятся «шаблоны» окружающих нас звуков – знакомых голосов, музыки, опасных звуков и т.д. Это помогает мозгу в процессе обработки информации о звуке быстрее отличить знакомые звуки от незнакомых. При снижении слуха мозг начинает получать искаженную информацию (звуки становятся более тихими), что приводит к ошибкам в интерпретации звуков. С другой стороны, нарушения в работе мозга в результате старения, травмы головы или неврологических болезней и расстройств могут сопровождаться симптомами, похожими на симптомы снижения слуха, например, невнимательность, отрешенность от окружения, неадекватная реакция. Для того чтобы правильно слышать и понимать звуки, необходима согласованная работа слухового анализатора и мозга. Таким образом, без преувеличения можно сказать, что человек слышит не ушами, а мозгом!
Каждый видел на аудиограммах или аудиотехнике такой параметр громкости или с ним связанный -- . Это единица измерения громкости. Когда-то люди договорились и обозначали, что в норме человек слышит от 0дБ, что фактически означает некое звуковое давление, которое воспринимается ухом. Статистика же говорит, что диапазон нормы -- это как незначительное падение до 20дБ, так и слух выше нормы в виде -10дБ! Дельта "нормы" -- составляет 30дБ, что как-то и немало.
Что такое динамический диапазон слуха? Это возможность слышать звуки с разной громкостью. Обычно принимается как факт, что человеческое ухо может слышать от 0дБ до 120-140дБ. Крайне не рекомендуют долго слушать звуки уже от 90дБ и выше.
Динамический диапазон работы каждого уха говорит нам о том, что при 0дБ ухо слышит хорошо и детально, при 50дБ слышит хорошо и детально. Можно и при 100дБ. На практике все бывали в клубе или концерте, где играла музыка громко -- и детализация чудесная. Слушали еде-едва тихонечко через наушники запись, лежа в тихой комнате -- и тоже все детали на местах.
Фактически падение слуха можно обозначить как сокращение динамического диапазона. По факту человек с плохим слухом не слышит деталей при низкой громкости. Его динамический диапазон зауживается. Вместо 130дБ -- становится 50-80дБ. Именно поэтому : никак нельзя "засунуть" информацию, которая в реальности находится в диапазоне 130дБ в диапазон 80дБ. А если еще и вспомнить что децибелы - нелинейная зависимость, то становится понятна вся трагичность ситуации.
Но теперь вспомним о хорошем слухе. Вот кто-то слышит все на уровне около 10дБ падения. Это нормально и социально приемлемо. На практике такой человек может услышать речь с 10 метров обычную. Но тут появляется человек с идеальным слухом -- выше 0 на 10дБ -- и он слышит эту же речь с 50 метров с равными условиями. Динамический диапазон шире -- деталей и возможностей больше.
Широкий динамический диапазон заставляет работать мозг совершенно, качественно иначе. Гораздо больше информации, гораздо точнее и детальнее она, т.к. слышно все больше различных обертонов и гармоник, которые при узком динамическом диапазоне пропадают: ускользают от внимания человека, т.к. невозможны их услышать.
Кстати, раз уж и доступен динамическими диапазон в 100дБ+, так это еще и означает, что человек может постоянно его использовать. Только что послушал на уровне громкости в 70дБ, потом резко начал слушать -- 20дБ, потом 100дБ. Переход должен занимать минимальное время. И фактически можно сказать, что человек с падением не позволяет себе иметь динамический диапазон большой. Тугоухие люди как бы подставляют идею о том, что сейчас все очень громко -- и ухо готовится услышать громкое или очень громкое, вместо реальной ситуации.
Заодно динамический диапазон своим наличием показывает, что ухо не только записывает звуки, но и подстраивается под текущую громкость, дабы слышать все хорошо. Параметр общей громкости точно также передается к мозгу, как и звуковые сигналы.
А вот человек с идеальным слухом очень гибко может варьировать свой динамический диапазон. И чтобы нечто услышать -- не напрягается, а сугубо расслабляется. Таким образом слух остаётся отличным как в динамическом диапазоне, так заодно и в частотном.
Интернет снова разделился на два лагеря, чего не бывало со времен знаменитого «платья раздора», цвет которого люди воспринимали по-разному. Теперь пользователей занимает новая загадка, в основе которой лежит аудиофрагмент.
Впервые о новом феномене заговорили на форуме Reddit 13 апреля. К публикации автора было приложено видео, на котором роботизированный голос произносит имя. Вот только пользователи никак не могут сойтись во мнении, какое именно — дело в том, что половина форума слышит Yanny («Йенни»), а вторая — Laurel («Лорел»).
Самый популярный комментарий к этой записи называет видео «черной магией». Мистики этой ситуации добавляет не только тот факт, что «Йенни» и «Лорел» в принципе звучат по-разному, но и то, что один и тот же человек может услышать два разных имени, если послушает запись несколько раз.
Некоторые пользователи искренне не могут понять, как такое возможно, и не верят тем, кто слышит иное имя. Разумеется, к разгадке феномена уже подключились несколько ученых из разных научных сфер, которые пока не могут сойтись во мнении.
Одной из самых популярных версий является та, которая связана с частотой звука. Доцент Маастрихтского университета Ларс Рики рассказал порталу The Verge, что «Йенни» звучит на более высоких частотах, а «Лорел» — на низких. В результате люди, которые более чутко воспринимают звуки высокой частоты, слышат «Йенни», а остальные — «Лорел».
Такая же ситуация наблюдается с теми, кто слушает запись на разных устройствах или в разных наушников — из-за частоты восприятие одного и того же человека может кардинально измениться.
Кроме того, некоторые пользователи считают, что все дело в скорости воспроизведения — загадочную запись поместили в видеоредактор и проиграли в разном темпе. Таким образом, большинство пользователей в начале видео слышат «Йенни», а ближе к концу — «Лорел». К сожалению, тут тоже не все однозначно — редакция «Газеты.Ru» провела эксперимент и выяснила, что люди начинают слышать имя «Лорел» на разных скоростях, а некоторые не слышат его вообще.
Есть и другая версия. Группа ученых полагает, что из-за плохого качества записи слуховой аппарат разных людей воспринимает аудио двусмысленно — мозгу не хватает информации и он самостоятельно «додумывает» недостающие звуки.
Также сообщается, что люди более старшего возраста слышат только один вариант (как правило, «Йенни»), так как со временем слух ухудшается и уже не может трактовать звуки неоднозначно.
Наконец, еще одно обстоятельство — это ожидание самого слушателя. Автор текста несколько раз слышал и «Йенни», и «Лорел», если накануне прослушивания сосредоточиться только на одном возможном варианте.
Какого цвета платье
Новая звуковая иллюзия является продолжателем дела «платья раздора», которое рассорило весь интернет в феврале 2015 года. Тогда люди не могли определиться, какого цвета платье, изображенное на фотографии — сине-черное или же бело-золотое.
wired.com
К обсуждению подключились обычные пользователи, ученые и даже знаменитости. Как выяснилось впоследствии, всему виной биологические особенности организма человека — люди по-разному воспринимают свет на фотографии. Те, которые видят сине-черное платье, предполагают, что черный цвет под воздействием яркого цвета кажется коричневатым или даже золотистым.
Другая «команда», которая утверждает, что платье на самом деле белое, подразумевает, что оно находится в тени, так как источник света расположен позади него. В таком случае чистый белый цвет начинает отдавать синевой и поэтому выглядит голубоватым.
Спустя два года появились и «кроссовки раздора», которые снова заставили людей ссориться из-за разного цветовосприятия. Британка опубликовала фото обуви, которая ей казалась розово-белой. Ее подруга, напротив, утверждала, что кроссовки серые с бирюзовыми вставками. Девушка выложила снимок в Facebook, чтобы узнать мнение своих друзей, что опять раскололо интернет на два лагеря.
