Будко В.Н. Человек - интерфейс

Подождите немного. Документ загружается.

5.2 Громкость звука

5.2.1 Кривые равных громкостей

Громкость звука – субъективное впечатление . Оно зависит от интенсивности звука ,

основной частоты и спектрального состава . Так как человек способен точно оценивать

равенство громкостей, то шкалу громкостей удобно характеризовать кривыми равных

возможностей, рис. 5.8

За единицу уровня громкости принят фон, определяемый путем субъективного

сравнения громкости данного звука с громкостью стандартного 1000 Гц тона , для

которого уровень интенсивности в дБ условно принимается за уровень громкости в фонах.

По шкале уровней громкости можно определить условия, при которых звуки

разных частот будут слышны как разногромкие . Но по этой шкале нельзя количественно

сравнивать разные громкости . Для этого используют натуральную (субъективную) шкалу

громкости в сонах.

1 сон – это громкость звука , равная громкости тона 1000 Гц при уровне

интенсивности 40 дБ над ПС (шепот на расстоянии 0,3м). Затем экспериментально ,

методом фиксации ощущения удвоения громкости , измеряют шкалу в сонах. Поэтому

отношения громкостей двух звуков, выраженных в сонах, показывают во сколько раз один

из них субъективно воспринимается громче другого .

Натуральная шкала громкости , т.е . зависимочть громкости чистых тонов звука в

сонах от уровня в фонах, нелинейна , рис. 5.9

Эмпирическая формула Стивенса (пунктир на рисунке ) аппроксимирует основную

область натуральной шкалы громкостей (от 40 до 10 фон).

сон

= 10

(N-40)/33

, N

фон

= 33*lgS + 40

Для увеличения громкости в сонах в 10 раз надо увеличить интенсивность звука на

73-40=33дБ, т.е . в 10

33/40

≈46раз .

Громкость звука некоторых источников иллюстрируется таблицей 5.1

Таблица 5.1

источник звука рассто -

яние , м

уровень

громкости , фон

громкость ,

сон

характеристика

громкости звука

-ход карманных часов

-шепот

0,1

0,4

тишина

-шепот

-разговор вполголоса

0,3

слабый звук

-разговор средним по

громкости голосом

-машинописное бюро

-громкая речь

60-65

70-75

4-6

8-12

умеренный звук

-громкий крик 1 90 40 громкий звук

-шум в кабине самоле -та 100 90 очень громкий звук

-шум многооборотного

дизеля

-шум вблизи работаю-

щего авиамотора

1 110-115

120-130

200-320

500-1200

оглушительно

громкий звук

(болевой)

5.2.2 Дифференциальная чувствительность к изменению громкости .

∆ J/J ≅ K

зависит от интенсивности и частоты и индивидуальна

J, фон F, Гц

20 крайние частоты

0,1...0,3

40...100 500...3000

0,04...0,05

70 800 0,02...0,065

От ПС до болевого порога ощущается на F = 1кГц 270...300 градаций. Формула ∆ J/J

= const означает, что градации изменяются по логарифмическому закону . Отсюда

вытекает, что в технике цифрового преобразования звуковых сигналов предпочтительнее

применять логарифмическое квантование . Однако логарифмические АЦП довольно

сложны. Микросхемы логарифмических АЦП появились совсем недавно и еще не

получили широкого распространения.

5.2.3 Критические полоски слуха .

Рассмотрим восприятие громкости шума и сложных (состоящих из нескольких

сложных частотных составляющих) звуков. Экспериментально установлено , ПС группы

близко (но не создающих отчетливых биений) расположенных чистых тонов одинаковой

интенсивности зависит от числа тонов, если они расположены в пределах некоторой

полосы частот. ПС такой группы равна ПС одиночного чистого тона суммарной

интенсивности с некоторой частотой в полосе смеси : ухо суммирует интенсивности

компонент смеси . Но , если компоненты смеси выходят за пределы определенной ширины

полосы, то свойство суммирования интенсивностей не действует.

Полоса частот, в пределах которой еще появляется свойство

суммирования интенсивностей , называется критической полосой

(полоской ) слуха .

Ш ирина критических полосок слуха ∆ f

кр

зависит от средней частоты полоски моно -

или биноурального слуха . Полоски измерения разными авторами различаются в 2...3 раза .

На рис. 5.10 представлена усредненная кривая.

5.2.4 Уровень громкости сложных звуков.

По данным Гельмгольца и Флетчера в случае сложных колебаний, состоящих из

нескольких частотных составляющих, попадающих в разные критический полоски, слух

не реагирует на фазовые сдвиги составляющих. Например, звучание сложных звуковых

типов

ω )12sin(

)1(

−

∑

−

ω )12sin(

−

∑

различаются на слух только из-за нелинейности слуха , когда их интенсивности велики ,

хотя звуки имеют существенно различную форму , рис. 5.11

Рис. 5.11

Рис. 5.9 Зависимость громкости в сонах от уровня фона

Рис. 5.10 Зависимость ширины критических полосок от частоты

Рис. 5.12 Кривые порога слышимости при маскировке тоном 1000Гц для разных уровней

интенсивности маскирующего тона L

Если частотные составляющие очень близки (разнятся не более чем на 7...10 Гц ) и

создают медленные биения, но ухо воспринимает их как звук периодически меняющихся

по громкости , из-за фазового суммирования интенсивностей. При разности больще 10 Гц ,

но менее ∆f

кр

имеем суммирование интенсивностей.

При разнице больше ∆f

кр

ухо уже суммирует ощущение громкости этих звуков в сонах. По

кривой S(N), рис 5.9, определяем для каждого тона S

), S

),...

Находим сумму S

∑

= S

+ S

+... . Теперь находим уровень громкости

∑

=33lg(S

+ S

+...)+40 фон

Также рассчитываем уровень громкости широкополосного шума, занимающего

несколько критических полосок. Спектральный состав шума разбиваем на критические

полосы. Определяем уровни громкости в каждой полосе (как интеграл интенсивности

шума) N

, N

,... N

. Находим S

, S

,... S

. Суммируем S

∑

=∑S

и находим

∑=

33lgS

∑

+40 фон

Нелинейные свойства звука.

При большой интенсивности чистого тона порядка 100 фон ухо слышит

субъективно 2-ю гармонику с уровнем 88 фон, третью – с уровнем 74 фон и т.д. Это

явление обнаруживается в эксперименте с ‘ бегущим’ тоном.

При двух чистых тонах, не попадающих в ∆f

кр

ухо слышит тоны разностной и

суммарной частот. Например, при чистых тонах в 60 фон уровень громкости разностного

тона – около 40 фон, а при 80 дБ (f

=1000Гц ) громкость разностного тона достигает 80

фон.

При срезании частотного диапазона ниже 1000Гц ухо при высокой громкости

подчеркивает низкие частоты из-за нелинейности слуха . Этим объясняется то , что при

плохой передаче низких частот слушатель стремится их слушать на юольшей громкости ,

получая впечатление повышенной громкости звучания низких частот по сравнению со

средними частотами.

5.2.6 Эффект маскировки

Эффект маскировки заключается в том, что на фоне мешающего тона происходит

при восприятии звукового сигнала увеличение порога слышимости (ПС) этого сигнала ,

рис. 5.12. Например, если собеседники негромко разговаривают тет-а-тет у громко

журчащей воды из крана и сносно слышат друг друга , то уже с расстояния в несколько

метров услышать их разговор невозможно .

5.3 Восприятие высоты звука.

5.3.1 Общие характеристики.

Восприятие высоты звука и разницы высот тонов самое сложное субъективное

слуховое ощущение . Оно зависит от многих исходных условий: запоминаем ли мы

высоту тона или сравниваем тоны одномоменто или последовательно во времени;

слушаем ли чистый тон или сложный звук; слушаем ли девиацию частоты и др .

В диапазоне 16Гц – 20кГц человек может запомнить не более 250 градаций

частоты , причем число их резко уменьшается с уменьшением интенсивности звука . В

среднем человек с музыкальным слухом может запомнить 100...150 градаций частот. Это

число соответствует количеству критических полосок слуха . Эти соседние градации

отличаются не менее чем на 4%. Поэтому самые лучшие музыканты не могут по памяти

заметить разницу в звучании фильмов снятых для кино (24 кадра в сек) при демонстрации

их на телевидении (25 кадров в сек).

Однако при сравнении тонов человек может различать изменение частоты до

0,15...0,3%. А по биениям частот двух тонов можно обнаружить разницу частот до

десятых долей Гц .

При медленном изменении (девиации) частоты тона по синусоидальному закону

слух обнаруживает это изменение , когда девиация составляет около 2% от критической

ширины полоски слуха . Например, на частотах до 500Гц ∆ f

кр

= 100Гц , а минимальное

ощущение девиации равно 1,8Гц . На частотах больше 500Гц ∆ f

кр

составляет 17% от f

нес

, а

минимальное ощущение девиации равно 35% от f

нес

, т.е . 2% от ∆f

кр

. На рис. 5.13 и 5.14

представлены графики зависимости ∆ f

дев.min

от интенсивности L несущей, ее частоты f

нес

частоты модуляции F

мод

4Гц – наиболее заметная частота мобуляция

Рис. 5.13 Зависимость ∆ f

дев.min

от f

мод

и f

нес

при L = 70дБ

Рис. 5.14 Зависимость ∆ f

дев.min

от L при f

нес

= 1кГц , f

мод

= 4Гц .

Для L > 40дБ ∆f

дев.min

= const

ГцF

дев

min.

∆

кГцF

нес

кГцF

нес

кГцF

нес

2,0

ГцF

мод

min. дев

∆

Рис. 5.15 Зависимость дифференциального порога различения

частот от частоты при L = 70дБ

5.3.2 Дифференциальная чувствительность к изменению высоты тона.

На рис. 8.15 представлен график зависимости от частоты дифференциального

порога различения частот ∆F/F= k при сравнении тонов, снятых экспериментально для

интенсивности звука 70 фон.

Взяв в диапазоне частот 0,5...5кГц среднее значение k=0,0015 получим согласно

формуле (1-7.6) количество различимых градаций частоты

При уменьшении интенсивности звука величина k возрастает. Для сравнения чисел

различных градаций частоты при разных громкостях звука можно воспользоваться

приводимой ниже таблицей

Уровень громкости ∆ F/F=k Число различных градаций частоты

20 фон 0,0044 520

40 фон 0,0018 1270

70 фон 0,0015 1536

80 фон 0,00106 2180

∆

градаций

M 1536

)0015,01lg(

)1lg(

min

max

5.3.3 Шкала ощущения высоты тона.

Ощущение высоты тона измеряют в мелах. Высоту тона F=1000Гц при уровне 40дБ

над ПС принимают равной 1000 мел.

Изменение числа мел на какую-либо величину означает пропорциональное

изменение ощущения высоты тона , измеряемое методом сравнения ‘в 2 раза ’.

Зависимость Н

[ мел]

[Гц ]

) нелинейна , рис. 5.16

Приближенно , как видно по рисунку , этот масштаб линеен до частоты 800...1000Гц

и практически точно логарифмичен для частот 1000...10000Гц . Такой комбинированный

масштаб для практики неудобен, и применяют логарифмический масштаб.

За единицу высоты тона в этом случае применяют октаву и ее доли . Считают, что

на слух расстояние по высоте тона между двумя звуками кажутся одинаковыми, если

отношения частот их одинаковы.

Расстояния по высоте тона – интервалы музыкальные .

Отношения частот:

1/1 – унисон

1/2 – октава

2/3 – квинта

3/4 - кварта

4/5 – большая торция

5/6 или 6/7 – малая торция

7/8 или 8/9 – большая секунда (тон)

15/16 – малая секунда (полутон)

В технике используют отношения частот:

1/2 – октава

1/√ 2 – полуоктава

1/∛ 2 – третьоктава

Музыкальный интервал. Если взять интервал Н=12lg

то в этом случае единичный интервал равный

√ 2 с хорошей точностью соответствует

полутону и в октаве получаем 12 полутонов.

Сказанное относится к гармонической шкале ощущений высоты тона, т.е . к

ощущению связанному с одновременным звучанием нескольких музыкальных тонов.

Оценка разницы высот следующих друг за другом тонов оказывается

отличающейся от гармонической высоты . Например, частоты 100 и 150Гц кажутся

отстоящими по высоте дальше друг от друга , чем частоты 1000 и 3000Гц , хотя отношения

частот одинаковы –2/3 (квинта ).

Ощущение расстояния по высоте , вызываемое последовательными тонами

называют мелодичной высотой звука . До частоты 500Гц мелодические и гармонические

октавы совпадают.

А в интервале от 500 до 8000Гц укладываются 4 гармонические октавы

(lg

(8000/500)=4), и только около 2,5 мелодических октав.

На рис. 5.17 представлено сравнение всех рассмотренных шкал.

5.3.4 Восприятие тембра звука.

Ом установил, что ухо как бы анализирует периодический звук по отдельным

гармоническим составляющим и они вызывают раздельное ощущение . При определенной

тренировке можно мысленно разделить сложное периодическое колебание на гармоники ,

которые в нем присутствуют. Эта особенность слуха тесно связана со способностью

различать звуки речи. Спектр звука придает ощущению звучания характерную окраску .

Эту окраску называют тембром. Существуют понятия тембра скрипки , тромбона, органа и

т.п., а также тембра голоса : звонкий, когда подчеркнуты высокочастотные состовляющие ;

глухой, когда они подавлены и др .

Связь между физическими свойствами звука и слуховыми ощущениями удобно

представить в виде следующей наглядной диаграммы.

интенсивность уровни громкости

частота высота тона

спектр тембр

Рис. 5.16 Ш кала мел как функция частоты

Рис.5.17 Сравнение шкал

5.4 Инерция слуха (временные характеристики)

При исчезновении раздражающей силы слуховое ощущенея исчезает не сразу , а

постепенно уменьшается до нуля → это эффект слухового впечаления. Время, в течение

которого ощушение по уровню громкости уменьшается на 8,7 фон, называют постоянной

времени τ слуха . Она зависит от многих параметров. В среднем τ ≅ 150...200мс.

Слуховое впечатление дает возможность сравнивать частоты двух тонов при

быстром переключении с одного на другой и обнаруживать небольшую разницу частот.

Слуховое впечатление приводит к послемаскировке сигнала . Послемаскировка тем

длиннее, чем выше уровень предшествующего сигнала . Для речи это явление называется

самомаскировкой. Она для речи имеет порядок (-24)дБ. Поэтому уровень ощущения речи

по отношению к среднему ее уровню не превышает 24 дБ только из-за самомаскировки.

Восприятие импульсов звука

Для тонального импульса с длительностью Т > 200мс ПС такой же , как и для

непрерывного тона . При Т < 200мс:

пс

(T)= J

пс

(∞ )*(200/T) (J в Вт/м

)

Для периодически повторяющихся импульсов ПС при f

пов

> 200Гц равен порогу

непрерывного тона . При f

пов

< 200Гц ПС быстро увеличивается.

Будко В.Н. Человек - интерфейс - компьютер

Подождите немного. Документ загружается.