Порог слышимости и динамический диапазон слуха
Слуховой аппарат человека способен воспринимать звуковые колебания в широком диапазоне интенсивностей и частот. Однако физические параметры звука не всегда напрямую соотносятся с субъективным восприятием. Именно этим занимается психоакустика — раздел науки, исследующий взаимосвязь между физическими характеристиками звука и их психофизиологическим восприятием.
Порог слышимости — это минимальный уровень звукового давления, при котором человек начинает воспринимать звук. Для частоты 1000 Гц этот порог составляет около 20 мкПа (0 дБ SPL). Однако чувствительность слуха зависит от частоты: на низких и очень высоких частотах порог слышимости значительно выше. Порог болевого ощущения — около 120–130 дБ SPL. Таким образом, динамический диапазон слуха человека охватывает порядка 120 дБ, что эквивалентно изменению интенсивности в 12 порядков.
Громкость: субъективная интенсивность звука
Громкость — психоакустическая категория, отражающая субъективное ощущение силы звука. Она зависит не только от физической интенсивности, но и от частотного состава. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне 2–5 кГц, поэтому звуки этой частоты кажутся громче при одинаковом уровне давления, чем звуки низких или высоких частот.
Для количественной оценки громкости используется шкала фонов (phon), где 0 фон соответствует порогу слышимости на частоте 1000 Гц. При этой частоте значения в децибелах и фонах совпадают. Однако на других частотах необходима коррекция, учитывающая чувствительность уха. Это дало начало кривым равной громкости (изофонам), отражающим зависимости уровня звукового давления, вызывающего одинаковое ощущение громкости, от частоты.
Для измерения субъективной громкости была введена также шкала сонов (sone), где 1 сон определяется как громкость тона частотой 1 кГц при уровне 40 дБ SPL. При удвоении громкости в субъективном восприятии значение в сонах удваивается: 2 сона — в два раза громче, чем 1 сон, 4 сона — в четыре раза и т.д. Таким образом, громкость в сонах возрастает экспоненциально относительно фоновой шкалы.
Высота тона и его субъективное восприятие
Высота звука — это ощущение, связанное с восприятием частоты звуковой волны. В простейшем случае, при чистом тоне, высота прямо пропорциональна частоте: чем выше частота, тем выше воспринимается звук. Однако восприятие высоты имеет нелинейный характер. Интервал между частотами, воспринимаемый как равный по высоте, зависит от начальной частоты: увеличение от 200 до 400 Гц воспринимается как более выраженное, чем от 2000 до 2200 Гц.
Кроме того, высота тона может сохраняться даже при отсутствии фундаментальной частоты в спектре сигнала. Это явление называют восстановлением мнимой основной: если присутствуют только обертоны (например, 600, 800 и 1000 Гц), слуховой аппарат «восстанавливает» недостающий базовый тон (в данном примере — 200 Гц). Это указывает на то, что восприятие высоты связано с анализом интервалов между гармониками.
Для логарифмического описания высоты звука используется музыкальная шкала, в которой частота удваивается при переходе на октаву вверх. За единицу расстояния может приниматься цент — 1/100 полутона. Такая шкала позволяет более точно сравнивать изменения высоты звука при сложных акустических сигналах.
Тембр и спектральное восприятие
Тембр — это качество звука, позволяющее различать источники с одинаковой высотой и громкостью. Он определяется спектральным составом сигнала, характером огибающей, атакой и затуханием звука, а также фазовыми соотношениями компонентов. Психоакустически тембр связывают с воспринимаемым «окрасом» звука: теплый, яркий, тусклый, резкий и пр.
Ухо способно различать изменения в спектре сигнала с высокой чувствительностью. Присутствие гармоник, их амплитудные соотношения и наличие шумовых компонентов создают уникальную акустическую «подпись» каждого звукового источника. Анализ спектра проводится в слуховой системе с участием внутреннего уха, где базилярная мембрана функционирует как частотно-разделительный фильтр.
Разрешающая способность слуха: частотная и временная
Психоакустическая частотная избирательность уха выражается через понятие критической полосы. Это диапазон частот, внутри которого происходит конкуренция между звуками за восприятие. Если два сигнала лежат в пределах одной критической полосы, они могут маскировать друг друга. За пределами этой полосы — воспринимаются как раздельные. Ширина критической полосы зависит от частоты: около 100 Гц в области 500 Гц и до 1 кГц в области 5 кГц.
Критическая полоса лежит в основе модели Барк-спектра (Bark), логарифмической шкалы восприятия частоты. Маскирование внутри критических полос является важным механизмом слуховой фильтрации и активно используется в аудиокодировании (например, в форматах MP3), где звуки, которые не воспринимаются из-за маскировки, могут быть отброшены без потери качества восприятия.
Временное разрешение слуха — способность различать последовательные звуки во времени. Ухо способно различать временные промежутки порядка 2–3 мс, что особенно важно для распознавания речи, тембра музыкальных инструментов и локализации источников звука.
Бинауральное восприятие и локализация звука
Одно из важнейших направлений психоакустики — исследование бинаурального слуха, то есть восприятия звука двумя ушами. Благодаря сравнительному анализу сигналов, поступающих к левому и правому уху, слуховая система может оценивать:
На низких частотах доминирует анализ временных различий (ITD), тогда как на высоких — различий по уровню (ILD). Эти параметры позволяют точно определять направление на источник звука в горизонтальной плоскости.
Для оценки положения источника в вертикальной плоскости и по расстоянию используются дополнительные признаки: отражения от окружающих поверхностей, изменение спектра (из-за фильтрации ухом и телом), а также эффект доплера, связанный с движением источника.
Маскировка и взаимодействие звуков
Психоакустический эффект маскировки проявляется, когда присутствие одного звука делает другой звук менее различимым или вовсе незаметным. Различают:
Маскировка наиболее эффективна, когда маскирующий звук расположен выше по частоте. Это связано с направленностью распространения волн в улитке внутреннего уха: базилярная мембрана «обрабатывает» высокие частоты ближе ко входу, что приводит к быстрому подавлению сигналов более низкой частоты.
Эти явления широко используются в аудиотехнологиях, например, при кодировании аудиоинформации с потерями. Элементы, не воспринимаемые из-за маскировки, исключаются, что позволяет сократить объем данных без ухудшения качества звука в восприятии.
Слуховая иллюзия и когнитивная обработка звука
Психоакустика также исследует восприятие иллюзий, возникающих при нарушении стандартных связей между физическим сигналом и его восприятием. Примеры:
Механизмы когнитивной обработки включают память, внимание и обучаемость. Восприятие речи, музыки и акустических сцен опирается на активную интерпретацию, основанную на опыте слушателя.
Психоакустические характеристики являются ключом к пониманию того, как человек воспринимает сложный звуковой мир. Они лежат в основе инженерных решений в области аудиотехники, архитектурной акустики, звукового дизайна, а также медицины слуха.