Материал: Проектирование и конструирование высококачественных акустических систем. Бадаев А.С

Совокупность частот и амплитуд сложного сигнала называют спектром амплитуд и частот или спектром сигнала.

Спектральной плотностью сигнала называют интенсивность звука в единичной полосе частот

Энергетическим спектром называется частотная зависимость спектральной плотности. По аналогии с уровнем интенсивности вводится понятие спек-

трального уровня:

где I0 =10−12 Вт/м2 — нулевой уровень интенсивности.

Спектр звуковых сигналов определяет качество звучания или тембр звука, характеризующий различие в звучании нот одной высоты тона, но воспроизводимые разными музыкальными инструментами или голосами. Поэтому говорят об индивидуальной окраске звучания или тембре скрипки, виолончели, органа и др. или о звонком или глухом голосе.

Частотная зависимость спектральных уровней (2.5) определяет диапа-

зон частот акустического сигнала, в табл. 2.2 приведены частотные диапазоны некоторых источников звука.

Таблица 2.2 Частотные диапазоны некоторых источников звука

Акустические шумы в некоторых случаях относят к акустическим сигналам, спектры некоторых их них приведены на рис. 2.2 [7].

«Белые» шумы характеризуются одинаковой спектральной плотностью во вс м диапазоне частот, спектральные уровни «розовых» шумов имеют крутизну спада 3 дБ/окт в сторону высоких частот, у «речевых» шумов эта крутизна составляет 6 дБ/окт.

20

Рис. 2.2. Частотные зависимости спектральных уровней шумов: 1 — белый; 2 — розовый; 3 — речевой

2.4. Восприятие звука

Конечным звеном любого тракта звуковоспроизведения является ухо человека, которое воспринимает звуковые волны, распространяющиеся в среде — воздухе от первичных источников (голос, музыкальный инструмент и т.д.) или вторичных — акустических систем (АС). Воздействие звука на ухо (а, возможно, и не только) называется раздражением, а то, что человек слышит, то, что передает ему слуховой анализатор в мозге, ощущением. Изучением этих вопросов занимается наука — психоакустика [2]. Человек, ощущает и различает звук по амплитуде, частоте, тембру, времени, фазе, местоположению (по сцене и глубине).

Для понимания механизмов восприятия звука необходимо, как минимум, знание строения и функционирования слухового аппарата человека. Не вдаваясь в биологию и анатомию, ограничимся упрощ нной схемой улитки человеческого уха (рис. 2.3 [7]).

Рис. 2.3. Упрощ нная схема разреза улитки человеческого уха вдоль основной мембраны

Вдоль основной мембраны расположено около 22 тысяч нервных окончаний волосковых клеток, чувствительных к давлению и деформации мембраны, их длина увеличивается с расстоянием от основания улитки.

На рис. 2.3 по оси абсцисс приведено расстояние от начала улитки до соответствующего волокна и частоты, на которых резонируют эти волокна.

21

2.4.1. Восприятие по амплитуде. Громкость

При определенном звуковом давлении и, соответственно, амплитуде колебаний слуховой мембраны произойдет возбуждение нервного окончания клетки звукового аппарата и возникает звуковое ощущение. Минимальное звуковое давление, при котором возникает (и еще существует) звуковое ощущение, называется порогом слышимости. Это своеобразный скачкообразный переход из ощущения слышимости в неслышимость и обратно. Порогом слышимости также называется минимальное значение интенсивности звука или давления чистого тона, которое вызывает звуковое ощущение. Тон — это гармоническое колебание, состоящее из ряда гармоник, чистый тон — простое синусоидальное колебание. Порог слышимости зависит от частоты колебаний, на рис. 2.4 [7] представлены частотные зависимости интенсивности звука в логарифмическом масштабе, характеризующие уровни порога слышимости.

Рис. 2.4. Зависимости от частоты уровней порога слышимости:

1 — уровень порога в свободном поле, когда интенсивность измеряется в точке поля, где будет находиться голова слушателя при моноуральном слушании;

2 — то же при бинауральном слушании;

3 — для моноурального прослушивания через один наушник

Максимальная чувствительность уха проявляется на средних частотах 2…5 кГц, в этой области порог слышимости меньше 10−12 Втм2 , что соответст-

вует давлению меньше 10−5 Па .

При превышении порога слышимости и возрастании интенсивности звука раст т и число дискретных возбужденных нервных окончаний, поэтому звуковое ощущение также возрастает дискретными скачками. На низких и высоких частотах количество таких скачков не велико и составляет примерно 160, на средних частотах это число возрастает и достигает 240. Эти дискретные скачки называются порогом различия интенсивности звука. Следовательно, наблюда-

ется дискретное восприятие звука по амплитуде. При звуковых давлениях 65–85 Па достигается порог осязания, при котором ощущается давление на уши. Дальнейшее повышение звукового давления вызывает неприятные ощущения. При достижении звукового давления 150 Па, что соответствует очень

22

высокой интенсивности звука, порядка 1Вт/м2, наступает болевой порог. Учитывая, что на средних частотах порог слышимости составляет 10–13 Вт/м2, разница по уровню звукового давления между этими двумя крайними порогами составляет более 130 дБ.

Согласно закону Вебера-Фехнера, при высоких и средних интенсивностях звука одинаковые изменения звукового ощущения вызываются такими же одинаковыми изменениями силы, воздействующей на нервные окончания. Таким образом, уровень ощущения Е равен:

где Iп.с. — раздражающая сила на пороге слышимости. При а=10 уровень ощущения выражается в децибелах:

где Lп.с. — уровень интенсивности звука на пороге слышимости.

Уровень ощущения неточно характеризует восприятие звука по амплитуде, кроме того, интенсивность и звуковое давление, фиксируемые приборами, определяют звук с физической стороны. Тем не менее субъективно слух позволяет достаточно точно определить равенство громкостей звуков с различными спектрами. Это свойство слуха позволяет использовать понятия громкости и уровня громкости звука для более точного восприятия по амплитуде.

Громкость — это субъективное слуховое восприятие интенсивности или силы звука, которое в основном зависит от силы (давления) воздействия звука на слуховую мембрану.

За уровень громкости условились принимать уровень интенсивности звука чистого тона частотой 1 кГц. Единицей измерения уровня громкости является 1 фон — уровень громкости звука, для которого уровень интенсивности равногромкого с ним звука частотой 1 кГц равен 1 дБ.

где GX и G1000Гц — громкости испытуемого звука и тона 1000Гц. Специфика человеческого слуха заключается в неодинаковой чувстви-

тельности к звукам разных частот. Максимальная чувствительность обнаруживается на средних частотах 500–5000 Гц, что, возможно, связано с эволюционными процессами выживания и голосового общения. На рис. 2.5 [7] показаны кривые равной громкости, которые показывают изменение чувствительности слуха в зависимости от частоты, уровня звукового давления и громкости.

23

Рис. 2.5. Кривые равной громкости: цифры не кривых означают уровень громкости в фонах

При повышении уровней звукового давления и громкости кривые становятся более равномерными, а при уровнях выше порога осязания — почти линейными. Отсюда следует, что при таких уровнях субъективные и физические характеристики почти совпадают.

Уровень громкости хотя и характеризует субъектное восприятие звука по уровню, но масштаб уровней не соответствует действительному субъектному масштабу. Например, увеличение уровня громкости на 10фон в диапазоне уровней выше 40фон соответствует субъектному ощущению увеличения громкости в двое. Кстати каждая градация громкости в музыке больше или меньше соседней вдвое (форте — фортиссимо, пиано — пианиссимо и т.д.). Для сред-

них и высоких уровней LG (LG > 40фон) громкость G может быть приближенно определена из формулы:

При этом громкость измеряют в сонах (один сон соответствует громкости звука с уровнем громкости 40фон).

В табл. 2.3 представлены громкости и уровни громкости некоторых источников звука.

Таблица 2.3 Громкости и уровни громкости некоторых звучаний

24