Физиологические характеристики слуха

Физиологические свойства слуха определяются многими понятиями, численными параметрами и характеристиками. К ним относятся динамический и частотный диапазоны, чувстви­тельность слуха и ее АЧХ, абсолютные и дифференциальные пороги восприятия, явление маскировки, нелинейные, времен­ные и пространственные свойства и многое другое.

Динамический диапазон слуха ограничен со стороны ма­лых уровней порогом слышимости сверху - болевым порогом Разумный порог слышимости, по-видимому, установился в процессе эволюции. Значение звукового давления на пороге слышимости всего лишь на порядок более давления, со­ответствующего тепловому движению молекул воздуха. Если бы слух был более чувствительным, люди непрерывно бы слышали шум, обусловленный этим хаотическим движением молекул. Превышение болевого порога приводит к разрушению органа слуха.

Амплитудно-частотная характеристика слуха, как вид­но из рис.2.4, сильно изменяется с изменением интенсивности сигнала и лишь при интенсивностях 90... 110 дБ приближается к горизонтали. Уменьшение чувствительности на крайних часто­тах при небольших интенсивностях звука приводит к тому, что при слушании звучания с небольшой громкостью происходит сужение частотного диапазона слышимых звуков.

Нижней границей диапазона слышимых звуков называют 16... 20 Гц, верхней - 16... 20 кГц. Нижняя граница довольно ус­тойчива, верхняя заметно снижается с возрастом. Многие люди в возрасте старше 50 лет не слышат звуков с частотами более 10... 12 кГц.

Механические (акустические) колебания с частотой менее 16... 20 Гц (инфразвуки) и более 20 кГц (ультразвуки) не воспри­нимаются слухом, но при большой интенсивности оказывают на человека вредное физиологическое воздействие. В области нижних частот находятся резонансные частоты некоторых внут­ренних органов: желудка - 27 Гц, сердца - 17 и 23 Гц, корпуса человека - примерно 10 Гц. При частотах 6... 7 Гц у человека возникает чувство страха, тревоги.

Ультразвуковые колебания вызывают нагрев тканей, а при большой интенсивности - т.н. "холодный ожог".

Слуховые ощущения S находятся в не линейной зависи­мости от изменения стимулов по интенсивности I и частоте f. В 1841 г. Э.Вебер (E.Weber) показал, что одинаковые относи- тельнь/е_изменения стимула вызывают одинаковые абсолют­ные изменения ощущения. В 1880 г. Г.Фехнер (G.Fechner) сформулировал это положение в виде S=K logl. Эта зависи­мость получила наименование основного психофизиологиче­ского закона Вебера и Фехнера.

Примерно логарифмическая зависимость ощущения от раздражения {стимула) привела к введению логарифмических величин интенсивности - уровней, единиц их выражения - децибелов и неперов - и логарифмического масштаба частот. Каж­дое удвоение частоты звука вызывает одинаковое изменение высоты тона, называемое октавой.

Рис. 2.4. Амплитудно-частотная характеристика слуха

Последующие исследования уточняли установленную Вебером и Фехнером связь между ощущением и раздражением. С.Стивене (S.Stevens) в исследованиях 1936-51 гг. дал сле­дующие трактовки: S=Ktⁿ и S=K(I - l₀)ⁿ, где l₀ - пороговое значе­ние интенсивности, а п=0,3 для слуховых ощущений, п=0,33 для зрительных при темновой адаптации и п=0,45 при световой (яркостной) адаптации. При раздражении кожи электрическим током п=3,5.

Не всякие изменения стимула приводит к изменению ощу­щения. Слуху, как другим органам чувств свойственно кванто­вание ощущений. Существуют т.н. дифференциальные_(разно стные) пороги ощущения. Для слуха они относятся к изменению раздражителя по интенсивности и частоте. Большинство людей замечают изменения громкости при изменении звукового давле­ния на 6... 12%, т.е. при изменении уровня на 0,5... 1,0 дБ. Под­счетами определено, что на частоте 1000 Гц человек различает 374 скачка (градации) громкости. Другие источники называют 250 градаций. К краям частотного диапазона слуха число разли­чаемых градаций уменьшается: до 34 на частоте 62 Гц и 119 на частоте 8000 Гц.

Интересно, что дифференциальный порог различения яр­костей близок к названным значениям и составляет 1... 5%.

Дифференциальный порог различения слуха по частоте равен примерно 4%, т.е. чуть меньше интервала полутон. Без сличения с исходной частотой это изменение частоты не заме­чается. Считается, что избирательные свойства нервных волокон невелики. Полосы слухового анализатора, определенные на уровне 0,7 от максимального значения на частотах 250, 1000 и 4000 Гц составляют соответственно 35, 50 и 200 Гц, т.е. 14, 5 и 5%. Эти полосы называют критическими поносками слуха. Вследствие ограниченного количества нервных окончаний, рас­положенных вдоль основной мембраны, человек различает во всем диапазоне слышимых частот не более 250 градаций вы­соты. При уменьшении интенсивности звука число градаций уменьшается примерно до 150, т.е. соседние градации отлича­ются друг от друга в среднем на 4%. Интегрирующие (накапливающие) свойства слуха ос­нованы на закономерностях нарастания и спада электрохимиче­ских процессов в слуховых нервах и слуховом центре мозга. В первом приближении считается, что интенсивность ощущений зависит от произведения интенсивности нервных импульсов на их длительность. Численные значения, характеризующие инерционность процессов слухового восприятия, полученные различными ис­следователями, заметно отличаются: от 50... 70 до 165 мс, т.е. почти в 3 раза. Объясняется это различными условиями опытов. Примерно такие же численные значения приводятся для инер­ционности зрения. Совпадению значений не следует удив­ляться. Процессы передачи и преобразования слуховой и зри­тельной информации имеют общую природу и близки.

Нелинейные свойства объясняют несимметричной формой колебаний барабанной перепонки и других частей органов слу­ха. На чистых тонах нелинейность проявляется в появлении гармоник, на колебаниях со сложным спектром - в появлении комбинационных частот. На чистом тоне с интенсивностью 100 дБ вторая гармоника ощущается с уровня 88 дБ, а третья - 74 дБ. При одновременном звучании двух чистых тонов с уровнем 80 дБ ощущается разностный тон с уровнем также 80 дБ. При уровне тонов 60 дБ разностный тон ощущается с уровнем 40 дБ.

Нелинейные искажения слуха особенно заметны на слож­ных звуках со многими частотными составляющими. Их можно наблюдать на речи пассажиров в шумных транспортных средст­вах, когда вибрации двигателя нелинейно накладываются на речевой спектр, создавая "рычащий" тембр.

Маскирующее действие помех проявляется в ухудшении художественного впечатления от музыки, а на речи - в снижении разборчивости. При помехе с равномерным спектром с составляющими от 100 до 5000 Гц, тон будет услышан, даже если уровень помехи пре­вышает уровень тона на 15 дБ.

Важное свойство слуха - бинауральный эффект - воспри­ятие звуков двумя ушами. Он основан на тонком анализе посту­пающей в мозг информации. Естественно, он возможен с по­мощью тех отделов мозга, в которые поступает информация и от левого, и от правого уха.

На частотах менее 150 Гц локализация невозможна.

Минимальная погрешность локализации слуха в горизон­тальной плоскости составляет на частотах 0,05... 0,5 кГц 3,8°, в области частот 0,5... 7 кГц - 0,5°, в полосе частот 0,05... 7 кГц в среднем - 0,7°. Погрешность локализации в вертикальной пло­скости гораздо больше и составляет примерно 10... 15°.