Основы физиологической акустики. Сопоставление физических объективных и субъективных (психофизических) характеристик звука.

Физиологическая акустика (биоакустика, психофизиологическая акустика) - раздел акустики, изучающий устройство и действие звуковоспринимающих и звукообразующих органов у человека и животных.

Методы физиологической акустики могут быть как физическими - аппаратурный анализ звуков биологического происхождения, изучение прохождения звуков из среды к рецепторным клеткам (например, у наземных млекопитающих через наружное и среднее ухо к кортиеву органу внутреннего уха) или от звукоизлучающих структур в среду (например, от гортани через ротовую полость в воздух), так и психофизиологическими - исследование реакций человека и животных на звук, регистрация соответствующих биоэлектрических потенциалов.

Физиологическая акустика - раздел физиологии органов чувств, основы коего заложены Г. Гельмгольцем. Посвящена изучению закономерностей процесса восприятия звуков и построения речи. Ее составными частями являются:

- физика и биофизика восприятия простых и сложных тональных сигналов - исследуются: пороги слуховые - абсолютные и разностные; формирование ощущений громкости и высоты; восприятие звуков сложных, бинауральный эффект и прочее;

- физиологию построения и восприятия речи - исследуются: физиологические аспекты построения речи и восприятия речевых и речеподобных сигналов (шумов); количественные показатели разборчивости речи и ее маскировки; условия распознания речевых сигналов; вопросы моделирования акта речевого;

- нейродинамика слуха - исследуются: нейродинамические аспекты системы слуховой; восприятие звуковых последовательных стимулов - в зависимости от интервалов между ними, при учете интенсивностей, частот и длительностей.

 

 

Основы физиологической акустики. Сопоставление объективных (физических) и субъективных (психофизических) характеристик звука.

Психофизические характеристики звуковых сигналов

Звуковые волны представляют собой передаваемые от источника звука механические смещения молекул воздуха (или иной упругой среды). Скорость распространения звуковых волн в воздухе около 343 м/с при 20 "С (в воде и металлах она значительно выше). Правильно чередующиеся участки сжатия и разрежения молекул упругой среды можно представить в виде синусоид, которые различаются частотой и амплитудой. При суперпозиции звуковых волн с различными частотами и амплитудами они наслаиваются друг на друга, образуя комплексные волны. Физическим понятиям амплитуды, частоты и комплексности соответствуют ощущения громкости, высоты и тембра звука (рис. 17.12). Звук, образованный синусоидальными колебаниями только одной частоты, вызывает ощущение определенной его высоты и определяется как тон. Комплексные тоны состоят из основного тона (самая низкая частота колебаний) и определяющих тембр обертонов, или гармоник, представляющих более высокие частоты, кратные основной. В повседневной жизни тоны всегда бывают комплексными, т. е. составленными из нескольких синусоид. Индивидуальное сочетание комплексных волн определяет характерный тембр человеческого голоса или музыкального инструмента. Слуховая система человека способна различать высоту звука лишь у периодических звуковых сигналов, тогда как звуковые раздражители, состоящие из беспорядочного сочетания частотных и амплитудных компонентов, воспринимаются как шум.

Диапазон частотного восприятия

Дети воспринимают звуковые волны в диапазоне от 16 до 20 000 Гц, но приблизительно с 15—20 лет диапазон частотного восприятия начинает суживаться в связи с утратой чувствительности слуховой системы к самым высоким звукам. В норме независимо от возраста человек легче всего воспринимает звуковые волны в диапазоне от 100 до 2000 Гц, что имеет для него особенное значение, поскольку человеческая речь и звучание музыкальных инструментов обеспечиваются передачей звуковых волн именно в этом диапазоне.

Чувствительность слуховой системы к минимальному изменению высоты звука определяется как разностный порог частоты. В оптимальном для восприятия частотном диапазоне, приближающемся к 1000 Гц, порог различения частот составляет около 3 Гц. Это значит, что изменение частоты звуковых волн на 3 Гц в большую или меньшую сторону человек замечает как повышение или понижение звука.

Громкость звука

Амплитуда звуковых волн определяет величину звукового давления, под которым понимают силу сжатия, действующую на перпендикулярно расположенную к ней площадь. Акустическим эталоном, близким к абсолютному порогу слухового восприятия, принято считать 2 • Ю-5 Н/м2, а сравнительной единицей измерения громкости, выражаемой в логарифмической шкале, служит децибел (дБ). Громкость измеряется в децибелах как 201g(Px/Po), где Рх — действующее звуковое давление, а Р0 — эталонное давление. Также в децибелах принято измерять интенсивность различных источников звука, понимая под интенсивностью звука мощность или плотность звуковых волн в единицу времени. Принимая за эталонную интенсивность Ю-12 Вт/м2 (10), количество децибел для измеряемой интенсивности (1х) определяют по формуле 101g(Ix/Io). Интенсивность звука пропорциональна квадрату звукового давления, поэтому 101g(Ix/Io) = 201g(Px/Po). Сравнительная характеристика интенсивности некоторых источников звука представлена в табл. 17.3.

Субъективно воспринимаемая громкость звучания зависит не только от уровня звукового давления, но и от частоты звукового стимула. Чувствительность слуховой системы максимальна для раздражителей с частотами от 500 до 4000 Гц, при других частотах она снижается.