Характеристики слухового ощущения. Понятие об аудиометрии.
В § 6.1 рассматривались объективные характеристики звука, которые могли быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком также и субъективно.
Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.
Высота тона — субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.
В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.
Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом.
На рис. 6.1, а, б разные акустические спектры соответствуют Разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона одинаковы.
Громкость — еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.
Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.
В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину).Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например aI0, a2I0, a3I0
(а — некоторый коэффициент, а > 1) и т. д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е0, 2Е0, 3 Е0 и т. д.
Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I0, причем I0 — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно I0 связана с интенсивностью следующим образом:
Е = klg(I /I0), (6.3)
где k — некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.
Если бы коэффициент k был постоянным, то из (6.1) и (6.3) следовало бы, что логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствует шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы (6.3).
Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т. е. k = 1 и ЕБ = lg(I / I0), или, по аналогии с (6.2),
(6.4)
Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначение Еф.
Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора1 создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.
1 Звуковым генератором называют электронный прибор, генерирующий электрические колебания с частотами звукового диапазона. Однако сам звуковой генератор не является источником звука. Если же создаваемое им колебание подать на динамик, то возникает звук, тональность которого соответствует частоте генератора. В звуковом генераторе предусмотрена возможность плавного изменения амплитуды и частоты колебаний.
Для того чтобы найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (рис. 6.4). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше методу.
Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков — порогу слышимости: для всех частот Еф = 0, для 1 кГц соответствующая интенсивность звука I0 = 10-12 Вт/м2. Из приведенных кривых видно, что среднее человеческое ухо наиболее чувствительно к частотам 2500—3000 Гц. Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивности. Например, пусть интенсивности звука частотой 100 Гц соответствует L = 60 дБ. Какова громкость этого звука? На рис. 6.4 находим точку с координатами 100 Гц, 60 дБ. Она лежит на кривой, соответствующей уровню громкости 30 фон, что и является ответом.
Чтобы иметь определенные представления о различных по характеру звуках, приведем их физические характеристики (табл. 13). Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.
Таблица 13
Примерный характер звука | Интенсивность звука, Вт/м2 | Звуковое давление, Па | Уровень интенсивности звука относительно порога слышимости, дБ (или уровень громкости звука для частоты 1 кГц, фон) |
Порог слышимости | 10-12 | 0,00002 | |
Сердечные тоны через | |||
стетоскоп | 10-11 | 0,000064 | |
10-10 | 0,0002 | ||
Шепот | 10-9 | 0,00064 | |
Разговор: | |||
тихий | 10-8 | 0,002 | |
нормальный | 10-7 | 0,0064 | |
громкий | 10-6 | 0,02 | |
Шум на оживленной улице | 10-5 | 0,064 | |
Крик | 10-4 | 0,2 | |
Шум: | |||
в поезде метро | 10-3 | 0,64 | |
мотоцикла (максимальный) | 10-2 | ||
двигателя самолета | 10-1 | 6,4 | |
то же, вблизи | 100 | ||
Порог болевого ощущения | 101 |
При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.
Для объективного измерения уровня громкости шума используется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображенной на рис. 6.3. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости на рис. 6.4), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.