Вы когда-нибудь задумывались о том, почему одни звуки нравятся нам, а другие невыносимы? Почему мы можем различить голос знакомого в толпе людей или почему низкий гул вызывает тревогу? Психоакустика — это наука о том, как наш мозг воспринимает и интерпретирует звуковые волны.
Психоакустика — это область исследований, связанная с физикой, биологией и психологией, и занимается изучением физических свойств звука в воздухе, тогда как акустика изучает то, что происходит в нашей голове. Его цель состоит в том, чтобы понять, как объективные колебания воздуха связаны с нашими собственными ощущениями, такими как громкость, высота и тембр, а также более сложные ощущения, такие как раздражение или гармония.
Психоакустика распространена по всему миру: инженеры создают эффективные форматы сжатия музыки вроде MP3, отфильтровывая звуки, которые наше ухо все равно не услышит, архитекторы проектируют концертные залы с идеальной акустикой, а дизайнеры автомобилей борются с шумом в салоне автомобиля, делая его не просто тише, но и комфортнее для человека.
Понимание основ психоакустики позволяет по-новому взглянуть на мир звуков. Это не только помогает создавать технологии, но и помогает осознавать, как звуковая среда влияет на наше самочувствие, концентрацию и эмоции. Это ключ к тому, чтобы слушать правильно.
Конструкция уха
Опишем вкратце, как устроена периферия слуховой системы. Как правило, ее представляют состоящей из трех отделов: наружного, среднего и внутреннего уха.
К наружному уху относится ушная раковина и наружный слуховой проход до барабанной перепонки. Среднее ухо — это воздушная полость, отделенная от наружного уха барабанной перепонкой, а от внутреннего — двумя мембранами овального и круглого окон. Есть также канал евстахиевой трубки, связывающий среднее ухо с дыхательной системой для выравнивания давления во внешней среде.
Кривые равной громкости Флетчера и Мансона (стандарт ISO 226)
Внутреннее ухо представляет собой сложный лабиринт связанных и заполненных жидкостью каналов, находящихся в височной кости. Часть лабиринта образует сенсорный отдел вестибулярной системы; один из каналов, имеющий спиралевидную форму (улитка), относится к слуховой системе. Вдоль улитки расположены прикрепленные к ее костным стенкам две мембраны — Рейснерова и базилярная. Они делят улитку на три части (канала). Средний канал замкнутый. Два внешних (вестибулярный и тимпанальный) соединяются между собой у вершины улитки. В среднем канале находится рецепторный аппарат улитки — кортиев орган: система волосковых клеток (рецепторов), равномерно распределенных вдоль базилярной мембраны. Имеются две группы рецепторов: одна группа состоит из внутренних волосковых клеток, выстроенных в ряд вдоль мембраны (3500 штук), другая — из трех рядов внешних (12 000 штук). Каждая внутренняя клетка (посредством синаптических контактов) соединяется приблизительно с 10 волокнами слухового нерва. Остальные нервные волокна связаны с внешними волосковыми клетками. Здесь ситуация обратная: каждое нервное волокно одновременно связано с большим количеством волосковых клеток. Такова, очень грубо, схема устройства периферического отдела слуховой системы.
Поговорим о том, как это работает. Сигнал звукового давления преобразуется в наружном ухе, который является единственным линейным звеном системы, и его характер определяется акустическими характеристиками ушной раковины и резонансными характеристиками наружного слухового прохода, который можно рассматривать в качестве четвертьволнового резонатора. В целом ровная частотная характеристика (передаточная функция) наружного уха достигает максимума в диапазоне около 3 кГц, что
Пульсации давления в наружном слуховом канале приводят в движение барабанную перепонку, которая через систему косточек возбуждает мембрану овального окна улитки. Передаточная функция совпадает с частотной характеристикой фильтра нижних частот: на нижних и средних частотах график идет практически параллельно частотной оси, после приблизительно 1 кГц начинает спадать с крутизной около 12 дБ на октаву. Смещения мембраны овального окна улитки приводят к пульсациям давления жидкости (перилимфы) в вестибулярном и тимпанальном каналах. Разность давлений в перилимфе у мембран овального и круглого окон провоцирует возникновение в базилярной мембране бегущей изгибной волны, распространяющейся от основания к вершине улитки. В силу специфики вязкоупругих свойств базилярной мембраны при возбуждении слуховой системы тональным сигналом амплитуда поперечных смещений имеет максимум в некоей точке, положение которой зависит от частоты входного сигнала. Чем выше частота, тем ближе этот максимум к основанию улитки.
Следующим шагом является внутриклеточный потенциал волосковых клеток, который преобразует механические смещения базилярной мембраны в электрический сигнал. На этом этапе происходит механоэлектрическое преобразование, которое имеет свои особенности: положительная часть «выходного» электрического сигнала почти полностью повторяет положительную часть входного воздействия (например, сигнала звукового давления), а отрицательная часть уменьшается в три раза (например, н
Когда амплитуда смещения базилярной мембраны увеличивается в определенной точке, плотность потока нервных импульсов увеличивается в окончаниях нервных волокон, связанных с этой точкой. Таким образом, когда произвольное акустическое воздействие находит выход периферического отдела слуховой системы, мы получаем пространственно-временной рельеф импульсации волокон слухового нерва, который можно
Признаки слухового образа
Основными параметрами простейшего звукового стимула — колебания звукового давления по синусоидальному закону — являются частота и амплитуда. Этим параметрам в пространстве слухового образа отвечают ощущения высоты и громкости тона.
Область слышимости
Когда частота элементарного стимула увеличивается, увеличивается и высота тона. Изменение высоты тона отнюдь не всегда пропорционально изменению частоты; обычно шкала объективной высоты измеряется в мелах (или барках), с учетом того, что высота тона составляет 1 кГц и уровень звукового давления 40 дБ составляет 1000 мел. Таким образом, если зависимость высоты тона от частоты считается пропорциональной на средних частот
С громкостью ситуация не лучше. Оказывается, что, во-первых, громкость тональных сигналов одинаковой амплитуды зависит от частоты, а во-вторых, она не пропорциональна изменению амплитуды звукового давления. То обстоятельство, что слуховая система человека способна выделять громкость как самостоятельный признак слухового образа, позволяет сравнивать по громкости звуки, в частности с различным спектральным содержанием, или, в простейшем случае, тональные сигналы разной частоты. В этой связи в качестве меры громкости произвольного сигнала логично принять, например, уровень звукового давления некоего эталонного сигнала, равногромкого исследуемому. Нетрудно догадаться, что эталоном был выбран синусоидальный сигнал с популярной частотой 1000 Гц. Единицу уровня громкости назвали фоном. Таким образом, уровень громкости тональной посылки частотой 1000 Гц и с уровнем звукового давления, скажем, 56 дБ составит ровно 56 фон. Чтобы определить громкость произвольного сигнала, достаточно определить уровень равногромкого ему килогерцевого тона.
В соответствии с каждым уровнем громкости известные кривые равной громкости показывают, как уровни звукового давления равногромких тональных сигналов зависят от их частоты. Эти кривые были впервые разработаны Флетчером и Мансоном в 1930-х годах, но с тех пор они значительно изменились, и в настоящее время используется вариант, стандартизованный в 2003 году (ISO226).
В качестве чисто субъективной шкалы громкости используется шкала, отградуированная в сонах. Сигнал с частотой 1 кГц и уровнем звукового давления 40 дБ имеет значение 1 сон, сигнал с частотой 2 сона имеет значение 2 сона, что означает, что он звучит в два раза громче (слух может устойчиво фиксировать субъективное ощущение удвоения громкости) и т. д.
Возрастные изменения чувствительности слуха человека
Психоакустика — это наука о том, как мы слышим и воспринимаем звуки. Она изучает, почему одни звуки нравятся, а другие раздражают, как мы определяем направление звука, откуда он идёт, и почему тихий звук может быть слышен в тишине, но теряется при фоновом шуме. По сути, это понимание помогает создавать качественную музыку, улучшать связь в телефонах, делать звук в наушниках более объёмным и да
Абсолютные пороги
Возможности слуховой системы грандиозны, но не безграничны. Границы обозначаются так называемыми слуховыми порогами. Различают абсолютные и дифференциальные пороги. Абсолютные определяют верхние и нижние границы слышимости. Дифференциальные — разрешающую способность слуха.
Нижняя кривая в системе кривых равной громкости соответствует нулевому уровню громкости (0 фон). Сигналы с уровнями звукового давления, лежащими ниже этой кривой, не воспринимаются слуховой системой. Это и есть порог слышимости в тишине. Самая верхняя кривая равной громкости устанавливает болевой порог, так что ее вполне можно трактовать как верхний предел возможностей нашего слуха. Диапазон уровней, ограниченный двумя этими кривыми, огромен — он достигает 140 дБ! Впрочем, критерии установления верхнего предела не так однозначны, как в случае с порогом слышимости в тишине. К примеру, кривую равной громкости 100 фон (что для тона частотой 1000 Гц соответствует уровню звукового давления 100 дБ) принято считать порогом возникновения неприятных ощущений. Звуки с уровнем громкости выше приблизительно 130 фон вызывают нетипичные для слуховой системы ощущения — здесь включаются неслуховые сенсорные системы. Этот уровень называют порогом осязания.
Строение уха человека
Если закрыть контур, указанный порогом слышимости в тишине, и построить кривую, соответствующую болевому порогу, мы получим фундаментальные границы слышимости в диапазоне от 20 до 20 000 Гц. То есть ни при каких уровнях громкости сигналы частотой ниже 20 Гц или выше 20 кГц человек не воспринимает как слуховые ощущения. Однако в этом случае также включаются инфра- и ультразвуковые стимулы с высокими амплитудами.
Пороговые кривые, конечно же, чрезвычайно индивидуальны, и стандартизованные характеристики являются результатом усреднения данных большого количества испытуемых. Кроме того, возможности слуха значительно сужаются с течением времени. Например, есть данные, которые указывают на то, что верхняя граница слышимости по частоте снижается на 1 кГц каждые десять лет после двадцатилетнего возраста. Кроме того, индивидуальные пороговые характеристики имеют решающее значение для
Когда вы находитесь в высокой шумности, порог слышимости постепенно увеличивается, и это только одна из причин, по которой истинный аудиолюбитель должен избегать прослушивания музыки при повышенной громкости. Другая причина заключается в том, что уменьшается динамический диапазон восприятия и исчезают детали.
Психоакустика изучает связь между физической звуковой волной и тем, что мы в конечном итоге слышим и чувствуем, поскольку мы видим, что восприятие звука — это сложный процесс, в котором наш мозг активно обрабатывает сигналы, дополняя пробелы и интерпретируя их на основе наших собственных опытов.
Понимание этих идей имеет большое практическое значение; оно позволяет инженерам разрабатывать более эффективные системы сжатия аудио, такие как популярные форматы MP3. Зная, какие звуки мозг игнорирует, можно сократить размер файла без потери качества слуха.
Эта информация охватывает области, не связанные с техникой. Они способствуют созданию более реалистичного звука для фильмов и видеоигр, а также улучшению звука в больницах или учебных классах. Это напоминание о том, что хороший звук основан на понимании человеческого восприятия, а не только на чистоте и громкости.
В конечном счете, психоакустика объясняет, почему звук так сильно влияет на наши эмоции и самочувствие. Она связывает точную науку с тем, что происходит внутри нашего сознания, демонстрируя, что слушание — это настоящее искусство, которому наш мозг обучается все наше жизнь.
