Нелинейные свойства слуха

Абсолютные слуховые пороги по частоте.

Слуховые пороги.

Все современные звуковые системы обработки и передачи музыкальных и речевых сигналов вносят определенные искажения в обрабатываемый сигнал, главная задача их проектирования состоит в том, чтобы эти искажения были «незаметны» для слуха, т. е. лежали ниже порогов слуховой чувствительности. Поэтому знание слуховых порогов имеет огромное значение для современной звукотехники, а соответственно и для работы звукорежиссера.

Абсолютные слуховые пороги определяются минимальным значением объективного параметра звукового сигнала (интенсивности, частоты, длительности и др.), при котором возникают слуховые ощущения. Они характеризуют чувствительность слухового аппарата к данному параметру: чем ниже слуховой порог, тем выше чувствительность.

Дифференциальные слуховые пороги определяются способностью обнаруживать небольшие различия между сходными по тем же объективным параметрам звуками.

Динамический диапазон слуховой системы 120 дБ, частотный диапазон 20 Гц-20 кГц.

Абсолютный порог слышимости определяется как «минимальный уровень звукового давления (в дБ), при котором еще возникает слуховое ощущение».

Болевой порог и область слышимости. Существует ограничение области слухового восприятия и со стороны громких звуков, хотя и не такое четкое, как слышимости от длительности сигнала. Например, синусоидальное звуковое давление со значением 10 Па (100 дБ) соответствует одному из порогов, называемому порогом неприятного ощущения. При достижении 60-80 Па (132 дБ) возникает ощущение давления на уши. Эта величина называется порогом осязания. Наконец, давление 150-200 Па (140 дБ) причиняет боль и называется болевым порогом. Частотная зависимость болевого порога и общая область слышимости, ограниченная по частоте и по интенсивности звука, приведена на рис. 3.2.6.

В среднем чувствительность слуха к высоким частотам снижается каждые десять лет примерно на 1000 Гц. К шестидесяти годам слышимый частотный диапазон в среднем не превышает по высоким частотам 10-12 кГц. Однако, музыкальные и речевые сигналы занимают только часть слышимой области как по частоте, так и по амплитуде. Основная энергия музыкальных звуков сосредоточена в частотной области от 40 Гц до 5000 Гц, поэтому нормальное возрастное изменение частотных порогов приводит к некоторому уменьшению яркости звучания за счет высокочастотных обертонов, но не мешает воспринимать музыку и речь.

Нелинейность слуха проявляется прежде всего в появлении «субъективных», или «слуховых» гармоник. При воздействии на барабанную перепонку достаточно громкого синусоидального звука с частотой /0 в процессе его обработки в слуховом аппарате возникают гармоники этого звука с частотами 2f0, 3f0 и т. д. Например, если подать первичный тон с частотой 500 Гц, то можно услышать звуки с частотами 1000 Гц, 1500 Гц и т. д.

Это обстоятельство имеет существенное значение для восприятия слухом низкочастотных колебаний в диапазоне от 16 Гц до примерно 100 Гц. Как уже было показано в разделе 3.1, звук с частотой 100 Гц воспринимается почти самым крайним участком базилярной мембраны у ее верхушки, так что на базилярной мембране фактически нет участков, воспринимающих колебания более низких частот. Однако об-ласть слышимых звуков простирается значительно ниже. Предполагается, что звуки с частотой менее 100 Гц ощущаются не сами по себе, а из-за создаваемых ими серий субъективных гармоник, попадающих в область частот свыше 100 Гц, т. е. в конечном счете из-за нелинейности слуха.

Вторая форма проявления нелинейности слуха — возникновение «комбинационных субъективных тонов». Как известно, если к нелинейной системе подвести два сигнала достаточно большого уровня с частотами fx и f2 (например, 800 Гц и 1000 Гц), то нелинейные искажения создадут комбинационные тоны с различными частотами, т. е. появляются вторичные комбинационные тоны (200 и 1800) кубичные комбинационные (600, 1200, 2600, 2800)

Экспериментально доказано, что преобразование сигнала во внешнем и среднем ухе при средних уровнях сигнала есть линейный процесс; только при очень больших уровнях начинает проявляться нелинейность работы среднего уха.

Основная причина нелинейности как при больших, так и при малых уровнях сигнала заключается в механизме работы внутреннего уха (улитки). Первый источник нелинейности заключен в гидродинамике улитки: при ударе стремечка по мембране овального окна в жидкости возникает звуковой импульс, который распространяется из верхнего отдела в нижний и озбуждает базилярную мембрану. При высоких уровнях сигнала в жидкости улитки образуются вихревые потоки (рис. 3.5.2). Появление этих завихрений искажает форму звукового импульса, а поскольку базилярная мембрана выполняет его спектральный анализ, то эти искажения и приводят к появлению дополнительных гармоник и комбинационных тонов.

Вторая причина нелинейности при малых уровнях сигнала связана с процессами элекрического преобразования сигнала в волосковых клетках. Как уже было отмечено в разделе 3.1, внутренние волосковые клетки связаны в основном с восходящими волокнами, они сообщают информацию в мозг, а наружные волосковые клетки получают информацию от мозга. В последние годы удалось установить, что именно HBK и играют основную роль в нелинейной компрессии звука во внутреннем ухе.

При больших уровнях сигнала они удлиняются (до 10% от основной длины) (рис. 3.5.3) и тем самым придерживают смещения базилярной мембраны, предохраняя внутренние волосковые клетки от слишком большого изгиба, а при малых — усиливают смещения базилярной мембраны. В ходе современных экспериментов было выявлено, что на очень низких уровнях сигнала происходит излучение звука от внутреннего уха (отоакустическая эмиссия).

По-видимому, это результат воздействия НВК, которое также вызывает на низких уровнях аномальное поведение кубичных комбинационных тонов.

Нужно отметить, что этот механизм работает только в определенном диапазоне сигналов: при очень длительном воздействии громких звуков (что сейчас очень распространено) HBK повреждаются, и зависимость смещения мембраны от уровня сигнала приобретает чисто линейный характер (что приводит к дальнейшему разрушению ВВК). Появление слышимых «слуховых» гармоник и комбинационных тонов является признаком нормальной работы слухового аппарата и свидетельствует о хорошем состоянии слуха.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *