Дифференциальные слуховые пороги

Чувствительность к изменению степени воздействия раздражителя называется относительной или дифференциальной чувствительностью. Минимальное различие между двумя раздражителями, которое вызывает чуть заметное различие ощущений, называется дифференциальным порогом данного ощущения.

Дифференциальные слуховые пороги характеризуют способность слуховой системы обнаруживать и оценивать разницу в значении одного из основных параметров звукового сигнала – амплитуды, частоты или длительности. В зарубежной, а также в отечественной специальной литературе минимальная разница одного из этих параметров обозначается аббревиатурой JND (JustNoticeableDifference – едва заметная разница).

Знание дифференциальных порогов весьма важно для музыкантов и звукорежиссеров. Современные процедуры компьютерной обработки звуковых сигналов позволяют вносить в него какие угодно изменения, однако при этом нужно твердо знать возможности слуховой системы человека, в том числе – пределы ее разрешающей способности. Иначе усилия, потраченные на улучшение звука, могут оказаться бесполезными – человеческий слух такого украшательства просто не заметит.

Амплитудные дифференциальные слуховые пороги

Исследования амплитудных дифференциальных порогов проводились в разное время разными учеными. Для этого можно использовать два метода.

Один из методов состоит в том, что для эксперимента используются два синусоидальных сигнала одной и той же частоты, но разного уровня интенсивности (громкости). Сигналы попеременно предъявляются группе экспертов. Вначале интенсивность обоих сигналов устанавливается одинаковой, а затем уровень одного из сигналов постепенно увеличивают. Когда разница в уровнях становится таковой, что ее замечают 75% слушателей, величина этой разницы принимается за дифференциальный слуховой порог на данной частоте. Такие же измерения, выполненные на разных частотах и при разных уровнях звукового сигнала, позволяют получить общую картину зависимости дифференциальных порогов слышимости JND от частоты и общей интенсивности звукового сигнала.

Другой метод состоит в том, что используется всего один сигнал, но этот сигнал модулируется по амплитуде. Как показали предварительные эксперименты, наибольшей чувствительностью к изменению амплитуды несущего сигнала человеческий слух обладает на частоте 4 Гц, поэтому в качестве модулирующей частоты в этом эксперименте используется частота 4 Гц. Глубина модуляции вначале устанавливается равной нулю, а затем постепенно увеличивается до тех пор, пока не становится заметной для 75% слушателей. Подобные эксперименты, проведенные на разных частотах несущего колебания и при разных уровнях громкости, показали, что полученные результаты примерно совпадают с результатами, полученными с использованием первого метода.

Закономерности, установленные в ходе экспериментов, можно выразить в виде соответствующих диаграмм. К примеру, из рис. 1 видно, что дифференциальные пороги по амплитуде существенно зависят от частоты звукового сигнала: наименьшие значения получаются в области средних частот (500 – 4000 Гц), а на низких и высоких частотах они возрастают: например, при общем уровне 60 дБ JND для частоты 1000 Гц составляет 0,8 дБ, для частоты 8 кГц – 1,0 дБ, а для частоты 200 Гц – 1,3 дБ. Кроме того, они сильно зависят от общего уровня сигнала: чем он выше, тем меньшую разницу между сигналами можно заметить: JND на частоте 1000 Гц при общем уровне 40 дБ составляет 1,25 дБ, при уровне 80 дБ – 0,6 дБ. Это хорошо заметно на рис. 3, где показана зависимость порогового значения коэффициента модуляции М _гртонального сигнала с частотой 1 кГц, модулируемого по амплитуде частотой 4 Гц, от уровня несущей частоты N.

Из рис. 2 видно, что при увеличении уровня несущего колебания чувствительность слуха к изменению амплитуды возрастает. При уровне звукового давления несущей N = 20 дБ коэффициент минимально заметной модуляции М _гр = 10%. При повышении уровня звукового давления N до 100 дБ коэффициент М _гр снижается до 1%, т.е. в 10 раз, что говорит о том, что при высоких уровнях звукового давления чувствительность слуха к изменению амплитуды тонального сигнала значительно обостряется.

Однако чистые тоны в повседневной жизни встречаются редко. Большинство звуков представляют собой созвучия и шумоподобные сигналы. Звуки, получаемые с помощью музыкальных инструментов, и гласные звуки речи – это созвучия, состоящие из основного колебания и целого ряда обертонов. Согласные и в особенности шипящие звуки по спектру ближе к шумам. Поэтому особенности слуха при восприятии шумовых сигналов также представляют значительный интерес для специалистов в области звукотехники.

200 Гц

8 кГц

1 кГц

0

0,5

1,0

1,5

JND, дБ

дБ

Уровень звукового давления

Рис. 1. Зависимость дифференциальных амплитудных слуховых порогов на частотах 200 Гц, 1 кГц и 8 кГц от уровня сигнала

М гр, %

N, дБ

Рис. 2. Зависимость коэффициента М гр минимально заметной амплитудной модуляции тонального сигнала с частотой 1 кГц от его уровня N

Эксперименты показали, что восприятие амплитудной модуляции шумовых сигналов существенно отличается от восприятия амплитудной модуляции тональных сигналов.

На рис. 3 показана зависимость коэффициента М _гр минимально заметной амплитудной модуляции при увеличении уровня N модулируемого сигнала в качестве которого использовался широкополосный белый шум. Модуляции осуществлялась синусоидальным сигналом с частотой 4 Гц (сплошная линия) и прямоугольными импульсами со скважностью 2, следующими с той же частотой. Видно, что здесь коэффициент М _гр уменьшается с повышением уровня модулируемого шума только до значения уровня примерно 30 дБ, а затем, при его дальнейшем увеличении, остается практически неизменным и составляет в случае модуляции синусоидальным сигналом приблизительно 4%, а в случае модуляции прямоугольными импульсами – около 2,5%. Как и в эксперименте с модуляцией тонального сигнала, наилучшей чувствительностью к модуляции белого шума слух обладает при частоте модулирующего сигнала 4 Гц.

М гр, %

N, дБ

Рис. 3. Зависимость коэффициента М гр минимально заметной амплитудной модуляции белого шумасинусоидальным модулирующим сигналом с частотой 4 кГц (сплошная линия)и прямоугольными импульсами с той же частотой (пунктирная линия) отуровня шума N