Зависимость громкости от интенсивности и частоты звука

Громкость звука прежде всего зависит от его интенсивности (уровня звукового давления на барабанную перепонку) и частот-

¹ Напомним, что результаты исследований нейрофизиологов показали, что рецептивные поля ганглиозных клеток сетчатки имеют форму двух концентри­ческих окружностей с оя-центром (клетка возбуждается) и о/Г-периферией (клетка тормозится).

ного состава. Если мы слушаем звуки одной частоты (например, тон частотой 1 000 Гц) или неменяющегося частотного состава (например, одну и ту же ноту музыкального синтезатора), то при увеличении интенсивности звука возрастает и его громкость. Как было отмечено выше (см. гл. 3), подобная психофизическая зави­симость описывается шкалой сонов. Если мы оставляем интенсив­ность звука постоянной, а изменяем его частоту или частотный состав, то обнаруживаем, что звуки низкой и высокой частоты кажутся нам более тихими, чем звуки среднечастотного диапазо­на. Существует известное ограничение слухового восприятия по частоте, кратко называемое «20—20», т.е. обычный молодой че­ловек как правило не слышит как низкочастотные звуки ниже 20 Гц, так и высокочастотные звуки свыше 20 кГц.

Зависимость нашего слухового восприятия от частоты и интен­сивности действующих звуков описывается так называемыми кри­выми равной громкости (рис. 57).

Такие эмпирические зависимости были получены в опытах американских психофизиков Х.Флетчера и У. Мансона (1933), когда испытуемого просили уравнять по громкости два тональных сигнала (стандартный — 1 000 Гц и переменный), различающихся

20 100 500 1000 5000 10000

Частота, Гц

Рис. 57. Кривые равной громкости:

по оси ординат — уровень звукового давления в дБ относительно стандартного порогового уровня; по оси абсцисс — частота звукового стимула в Гц [200]

по частоте. В результате были получены кривые, показывающие при какой интенсивности тоны разной частоты воспринимаются испытуемым как одинаково громкие. Например, кривая, отмечен­ная числом 50, представляет собой контур равной громкости, по­лученный при подравнивании громкости тонов различных частот к тону интенсивностью 50 дБ и частотой 1 000 Гц. Видно, что для того, чтобы низкочастотный звук 100 Гц воспринимался таким же громким, как и тон 1 000 Гц, его интенсивность должна быть увеличена на 8 дБ, для тона 5 000 Гц интенсивность звука нужно наоборот уменьшить на 7 дБ. Для сравнения по громкости звуков разных частот X. Флетчер и У. Мансон ввели единицу громкости — фон. Для каждой кривой равной громкости количество фонов рав­но интенсивности стандартного тона 1 000 Гц, выраженной в деци­белах. Например, для контура равной громкости под цифрой 30 гром­кость тонов 60, 300 и 6 000 Гц и вызывающих звуковое давление 65, 40 и 35 дБ, соответственно, будет одинаковой и равняться 30 фонам.

Самая нижняя кривая характеризует абсолютную слуховую чув­ствительность к тональным звукам различной частоты. В целом ана­лиз изменения кривых равной громкости показывает, что чем выше интенсивность звуков, тем более сходными по громкости они нами воспринимаются. Максимальные различия в восприятии звуков по частоте соответствуют самой нижней, пороговой, кривой.

Приведенные результаты имеют и конкретно практическое значение, особенно в сфере восприятия музыки и оценки каче­ства звучания музыки, поскольку диапазон изменения громкости звучания различных музыкальных инструментов определяет наши возможности восприятия звуков, издаваемых этими инструмен­тами. Дело в том, что большая часть звуков, воспроизводимых музыкальными инструментами, находится именно в той зоне, где восприятие громкости очень зависит от изменения их частоты. Для самой общей ориентировки укажем, что самый широкий частотный диапазон воспроизводимых звуков имеет рояль (от 30 до 4 000 Гц), у других музыкальных инструментов он существенно уже. Напри­мер, хорошая гитара воспроизводит частоты в диапазоне от 80 до 700 Гц. Из указанных ограничений следует, что музыкальные за­писи желательно слушать при том же уровне интенсивности вос­произведения, который был в концертном зале или студии звуко­записи, иначе мы просто не услышим многие частоты, издавае­мые музыкальными инструментами (рис. 58).

Это особенно касается классической музыки. Кроме того, при неадекватных уровнях громкости прослушивания музыки слуша­тель потеряет те особенности авторского замысла дирижера, ко­торые воплощаются в нюансах относительной громкости звуча­ния разных музыкальных инструментов. Иначе говоря, опасность заключается в том, что в домашних условиях мы слушаем музыку

20 0

тттттштттттттшт

I штШтттттттттттт

^ч^-'

**-- Порог слышимости

 

100 1000

Частота, Гц

10 000

Рис. 58. Воспринимаемый диапазон звучания различных музыкальных

инструментов:

ось ординат — уровень звукового давления относительно стандартного порогово­го уровня, дБ; ось абсцисс — частота звука, Гц; I — интенсивность звука при исполнении музыки в концертном зале; II — интенсивность звука при воспроиз­ведении музыки в домашних условиях [71]

не на тех контурах равной громкости, на которые рассчитывал дирижер и звукорежиссер. Это хорошо видно на приведенном ри­сунке: при звучании симфонического оркестра общая динамика интенсивности звука и в концертном зале, и в домашних услови­ях казалось бы одинакова, однако при воспроизведении записи громкость низкочастотных звуков может снизиться так, что не достигнет порога слухового восприятия. При проектировании со­временной звуковоспроизводящей аппаратуры эти особенности слухового восприятия учитываются с помощью специальных элек­тронных схем, компенсирующих эффект снижения громкости. Эти схемы частотной коррекции искусственно подчеркивают (т.е. уси­ливают) воспроизведение низких и высоких частот при малых уровнях интенсивности и снижают эту компенсацию при высоких уровнях регулятора громкости. Фактически работа этих электрон­ных схем моделирует кривые равной громкости.

Качественное воспроизведение музыкальных записей представ­ляет собой весьма непростую проблему, поскольку к отмеченным выше трудностям добавляются и другие: акустика помещения, ка­чество электронной аппаратуры и звуковоспроизводящих колонок.

Восприятие биений

Если человеку предъявляются два тональных звука одинаковой интенсивности и незначительно различающиеся по частоте, то

обычно это вызывает биения — восприятие тона одной высоты, равной среднему значению высот обоих звуков, с периодически изменяющейся громкостью. Периодичность изменения громкости, собственно и создающая биения, равна разности частот двух этих тонов. Причина появления такого феномена слухового восприя­тия, как биения, достаточно проста: при наложении двух колеба­ний с незначительно отличающимися частотами возникает сум­марное колебание с изменением амплитуды, периодичность ко­торого равна разности частот этих двух колебаний.

При увеличении частотного различия между тональными сиг­налами увеличивается частота изменения громкости, при разли­чии более 30 Гц биения начинают сливаться в один звук, воспри­нимаемый не как чистый тон, а как звук, имеющий некоторые искажения или шероховатость.

Эффекты маскировки

При одновременном действии нескольких звуков восприятие одного из них зависит не только от его собственной интенсивно­сти и частотного состава, но и от аналогичных параметров других звуков. Эффект маскировки заключается в том, что при действии

се

Я

О) г,

О

& О

8§ Й "

О (Я

X °

Й а

5»

X

ПО 100 90 80 70 60

50 40 30 20 10

Интенсивность маскирующего тона

 

					Л 1П
					Г100. \
				1/^ \
				//кяоч \
				//Йа\ N ш7ПЛ
				1я\\
	\|			•*\\
	Порог			||Го\\\	\
ель	шимс	СТИ\		////////А\\\ ///////Р°\\>
				/////////а\\\ ''Шшо\\\

20 50 100 200 500 1000| 2000 4000 8000

Частота маскирующего тона

Частота тестового тона, Гц

Рис. 59. Эффект маскировки звуков различной частоты тональным сигна­лом частотой 1 200 Гц и различной громкости:

по оси ординат — пороговая интенсивность тестового звука; по оси абсцисс — частота тестового звука [71]

одного звука (маскирующего или маскера), сложнее услышать другой (тестовый). Общая закономерность заключается в том, что чем более сходны по частоте тестовый и целевой стимулы, тем сложнее расслышать тестовый стимул. Результаты эмпирических исследований эффектов маскировки для стимулов разной часто­ты дают соответствующие кривые маскировки (рис. 59).

При построении этих кривых на фоне маскирующих стимулов фиксированной частоты (в разных опытах — различной) и раз­личной громкости предъявляют тестовый стимул определенной частоты и измеряют порог его слышимости. Результат построения такой пороговой кривой, полученной в экспериментах Е.Цвик-кера (1958) представлен на рис. 59. В этом случае частота маскиру­ющего тона была 1 200 Гц, а его интенсивность изменялась от 20 до 110 дБ, что соответствует 10 различным кривым маскировки. Видно, что повышение порога восприятия тестового стимула про­является особенно заметно в зоне непосредственной близости к маскирующему звуку. Асимметричность кривых маскировки, воз­растающая с увеличением интенсивности маскера, указывает на тот факт, что маскер значительно затрудняет восприятие тонов большей частоты и оказывает относительно небольшое влияние на тоны ниже собственной частоты. Иначе говоря, низкочастот­ные звуки более эффективно маскируют высокочастотные звуки, чем низкочастотные.

Эффект слуховой маскировки проявляется не только при од­новременном предъявлении двух стимулов, влияние маскера на тестовый стимул имеет место также и в ситуациях их последова­тельного предъявления, т.е. при прямой и обратной маскировках. Многие исследования показали, что эффект прямой маскировки возрастает с увеличением интенсивности маскера и уменьшается с увеличением межстимульного интервала. При межстимульных интервалах, превышающих 300 мс эффект маскировки исчезает. Маскер большей длительности оказывает и больший маскирую­щий эффект, особенно при коротких межстимульных интервалах. В целом установлено, что для низкочастотных стимулов эффект прямой маскировки более выражен. Та же самая асимметрия кри­вых маскировки, о которой сообщалось в случае одновременного предъявления стимулов, имеет место и при прямой маскировке: тестовые стимулы, частота которых меньше, чем у маскера, мас­кируются меньше, а если их частота выше, чем у маскера, то эффект маскировки значительно выше.

Феноменология и психофизиологические механизмы обратной маскировки изучены хуже, значительная часть результатов получе­на в экспериментах по восприятию громкости щелчков, а не то­нальных сигналов.

Физиологические механизмы маскировки связаны с интерфе­ренцией колебаний основной мембраны внутреннего уха, вызы-

ваемых тестовым звуком и маскером, и соответствующим возбуж­дением слухового нерва. Как полагает известный американский психофизик Б. Шарф, эффект маскировки обусловлен тем, что действие маскера вызывает возбуждение той же самой части во­локон слухового нерва, что и тестового стимула, поэтому воздей­ствие последнего попадает на уже «занятый» предшествующим возбуждением участок [205]. Это объяснение получило название гипотезы «занятого номера» или «занятой линии», подчеркивая тот факт, что отражение стимульного воздействия в паттерне нервно­го возбуждения подчиняется принципу кодирования номером ка­нала.

В литературе описан также феномен интеруральной или цент­ральное маскировки, который обнаруживается в случае, когда бо­лее интенсивный маскер, подаваемый в одно ухо, затрудняет вос­приятие тестового стимула, предъявляющегося в другое ухо. По сравнению с ситуацией предъявления тестового стимула и маске­ра в одно и то же ухо эффект интеруральной маскировки прояв­ляется только в том случае, когда маскер значительно превосхо­дит по интенсивности тестовый стимул (70—80 дБ). Подобная си­туация может возникнуть в ситуации, когда оператор-наблюда­тель или диспетчер в одном наушнике слушает речевое сообще­ние, а в другом неожиданно появляется громкий звук.

Эффекты слуховой адаптации

Аналогично световой адаптации в зрении в слуховом восприя­тии наблюдаются феномены снижения громкости звука при его длительном воздействии на человека. Результаты исследований показывают, что после 3 —5-минутного непрерывного предъяв­ления тонального сигнала весьма умеренной интенсивности (75 — 80 дБ) порог восприятия сигнала этой же частоты повышается на 10 — 20 дБ, и, следовательно, мы уже не услышим тихого звука интенсивностью 10 —20 дБ.

После воздействия на человека достаточно интенсивного адаптирующего звука наблюдается эффект временного снижения слуховой чувствительности. Такого рода последействие, выражен­ное в снижении слуховой функции, может оказаться весьма дли­тельным, и продолжаться в течение нескольких часов и даже дней. Степень снижения слуховой чувствительности зависит от интен­сивности и длительности адаптирующего звука, его частотного состава. На рис. 60 приводятся результаты классического экспери­ментального исследования американских психофизиков Л. Пост-мана и Дж.Игана (1949) по оценке степени снижения слуховой

¹ Такое название обусловлено тем, что эффект маскировки связан не с ин­терференцией возбуждений, возникающих на базилярной мембране, а с функ­ционированием центральных мозговых механизмов.

Рис. 60. Эффект слуховой адаптации в течение суток:

ось ординат — уровень снижения слуха в дБ (УЗД); ось абсцисс — частота звука,

Гц. Разные аудиограммы соответствуют снижению слуховой чувствительности в

различные периоды после окончания действия адаптирующего звука — от 0,5 мин

до 24 ч. Верхняя кривая — аудиограмма, снятая спустя четверо суток [120]

чувствительности после воздействия на испытуемых непрерывным белый шумом¹ интенсивностью 115 дБ в течение 20 мин.

На пороговых кривых — аудиограммах, представлена динамика изменения слуховой чувствительности к различным частотам (100— 8 000 Гц) в течение суток после окончания адаптационного воз­действия. Видно, что характерное снижение слуха преимущественно выражено на высоких частотах (2 000 —8 000 Гц), и оно постепен­но снижается с течением времени, достигая первоначального уров­ня сенсорной чувствительности (горизонтальная линия) лишь к четвертому дню.

При воздействии очень интенсивных звуков (мощный взрыв, момент взлета реактивного самолета) снижение слуховой чувстви­тельности может получить необратимый характер, достигая кли­нического уровня снижения слуховой функции или даже приводя к глухоте. В ряде случаев, например: при долговременной работе человека в условиях особенно шумного промышленного произ­водства, при техническом обслуживании авиационной техники,

¹ Белым шумом называется акустический стимул, в котором в равной степе­ни представлен весь набор звуковых частот в диапазоне 20 Гц—20 кГц. Распреде­ление интенсивности белого шума во времени представляет собой случайный процесс.

при систематическом прослушивании громкой музыки — можно заранее предположить у него появление закономерного снижения слуха, причем в зависимости от частотного состава шума сниже­ние слуховой чувствительности может быть весьма избиратель­ным. Например, в какой-то период времени человек понимает, что он стал хуже воспринимать речь при разговоре по телефону или он уже плохо слышит на концерте некоторые инструменты.