Ii психофизические характеристики звука и света




Скачать 0.58 Mb.
Название Ii психофизические характеристики звука и света
страница 1/6
Дата публикации 15.06.2015
Размер 0.58 Mb.
Тип Документы
edushk.ru > Биология > Документы
  1   2   3   4   5   6

Глава II

Психофизические характеристики звука и света.

Звук.


Выше мы рассмотрели физические характеристики звуков. Это объективные физические показатели и величины. Далее, мы постараемся выяснить, насколько наши ощущения и представления о звуках совпадают с показаниями приборов, в чем они расходятся и почему.

Громкость и слуховые пороги.


Слуховая система чрезвычайно тонкий аппарат, но она имеет ограничения в восприятии частотного, динамического диапазона, в разрешающей способности, обладает нелинейными свойствами, очень чувствительна к перегрузкам и т. д.

Установление пределов возникновения слуховых ощущений, называемых слуховыми порогами, является в настоящее время одной из самых актуальных проблем в аудиотехнике, поскольку ее технические возможности значительно выросли за последние десятилетия, а возможности слуховой системы практически не изменились (а чувствительность даже несколько снизилась). Интервал громкостей охватываемый человеческим ухом лежит в пределах от 10-2 Вт/см2 до 10-16 Вт/см2. При этом нижний порог весьма существенно зависит от частоты звука. (Рис. 29)

picture-2 (1)
Рисунок 29. Кривая порогов абсолютной слуховой чувствительности.
Внутри этого диапазона психофизическим эквивалентом интенсивности звука является его громкость. Более интенсивные звуки воспринимаются как более громкие. Однако между психофизической характеристикой звука — громкостью и его физической интенсивностью — нет прямого соответствия. Для измерения громкости применяют метод сравнения стандартного тона определенной частоты с другим тоном той же частоты, но отличающегося от первого по интенсивности. Полученные в этих условиях оценки громкости свидетельствуют о том, что последняя (J) возрастает как кубический корень из интенсивности звука (I) и описывается формулой

.

Это правило можно переформулировать по другому, если интенсивность звука увеличивается на 10 дБ, то громкость увеличивается в 2 раза.

Международная организация по стандартизации ввела единицу громкости — сон, которая представляет собой громкость тона при частоте 1000 Гц и интенсивности 40 дБ. Зависимость громкости (в сонах) от интенсивности (в дБ) представлена на рис. 30.

кригром1


Рис. 30. Соотношение интенсивности и громкости звуков от разных источников (а) и кривые равной громкости для человека (б).

^ На а: по оси абсцисс — интенсивность звуков, в дБ, по оси ординат — громкость звуков, в сонах.

На б: по оси абсцисс — частота тонов, в Гц; по оси ординат — интенсивность тонов, в дБ,




Громкость звука зависит не только от интенсивности, но и от частоты. Абсолютная чувствительность слуха к разным частотам различна. Звуки, интенсивность которых меньше, чем возможности абсолютной чувствительности слуха, не слышны. Порог, т. е. едва слышимый звук, наличие которого человек определяет с вероятностью 0.5, можно считать равным по громкости для разных частот. Если сохранять постоянную интенсивность, но менять частоту в поле восприятия их ухом, то громкость разных тонов будет различна.

Для того чтобы определить интенсивности разных тонов, вызывающих ощущение равной громкости, пользуются методом сравнения стандартного тона частотой 1000 Гц, интенсивностью 40 дБ и длительностью 0.5 с тоном другой частоты той же длительности. Слушатель должен сам подобрать такую интенсивность сравниваемого тона, при которой его громкость будет такая же, как и стандартного тона. Таким образом, получают кривые равной громкости тонов разной частоты во всем диапазоне интенсивностей — от едва слышимых до вызывающих болевое ощущение. Чем больше интенсивность тонов, тем меньше их различия по громкости. Последняя «выравнивается» при возрастании интенсивности звука (рис. 30, б). В психофизических единицах — сонах можно выражать громкость не только чистых тонов, но и сложных звуков.

Но с ними дело обстоит значительно сложнее. Для сложных звуков, ощущение громкости, как меры распределения звуков от тихих до громких по определенной шкале, зависит от таких объективных параметров, как интенсивность звука (звуковое давление), частота, длительность, спектр, маскирующее действие других звуков и др. Зависимость уровня громкости (выраженного в фонах) от частоты была представлена в виде кривых равной громкости. Из практики, например, известно, что широкополосные сигналы кажутся громче, чем узкополосные сигналы с таким же уровнем звукового давления.

Механизм ощущения громкости продолжает оставаться предметом многочисленных исследований психоакустиков, однако расшифровка этого процесса по-прежнему представляет значительные трудности.

Одна из самых последних компьютерных моделей слухового анализа громкости сигналов, выполненная учеными Кембриджского Университета (Б. Мур, Б. Гласберг и др.), включает в себя следующие последовательные этапы обработки звукового сигнала в процессе формирования ощущения громкости:

- фильтрация сигнала внешним ухом (ушной раковиной и слуховым каналом);

- фильтрация сигнала средним ухом;

- фильтрация с помощью линейки полосовых фильтров на базилярной мембране;

- преобразование возбуждения на базилярной мембране в кривые распределения удельной громкости;

- интегрирование площади под кривыми удельной громкости.

Важным для практики является вопрос о восприятии шума и сложных звуков. Прежде всего, рассмотрим, каков порог слышимости для сложных звуков и шумов. Было установлено, что порог слышимости для близко расположенных по частоте групп чистых тонов одинаковой интенсивности зависит от числа этих тонов, если они расположены в пределах некоторой определенной полосы частот. Зависимость эта такова, что порог для такой группы соответствует порогу одиночного чистого тона суммарной интенсивности с некоторой средней частотой в полосе смеси тонов. Дело обстоит так, как если бы ухо суммировало интенсивности компонент смеси. Однако, если компоненты смеси выходят за пределы определенной ширины полосы, то свойство суммирования интенсивностей уже не действует. Полоса частот, в пределах которой еще проявляется свойство суммирования, носит название критической полосы слуха.


Рисунок 31. Зависимость ширины критической полосы слуха от средней частоты полосы.
На рис. 31 приведена зависимость ширины критической полосы ∆fкр от средней частоты в полосе. Как видно, ∆fкр сильно возрастает при увеличении частоты. Важно отметить, что группа чистых тонов, о которой идет речь, не должна создавать отчетливых периодических биений, которые можно было бы сосчитать на слух. По своим свойствам смесь тонов в группе должна соответствовать шумовому колебанию. Порог слышимости для шумов следует определять именно в критических полосах слуха. Естественно предположить, что и уровень громкости для шума следует определять относительно порога слышимости в критических полосах. рис
^

Уровень громкости сложных звуков


Возникает вопрос, как же определить уровень громкости (или громкость) сложного звука или шума, если его составляющие выходят за пределы критической полосы или создают медленные биения, т. е., наоборот, очень близко расположены по частоте.

Ухо воспринимает медленные биения, когда чистые тоны, составляющие сложный звук, разнятся менее чем на 7—10 Гц, как звук, периодически меняющийся по громкости. Если, например, интенсивность обоих звуков одинакова, то в момент противофазного сложения интенсивность суммарного тона падает до нуля и ухо перестает слышать звук, а в моменты синфазного — интенсивность учетверяется, уровень интенсивности возрастает на 6 дБ и, пользуясь кривыми равной громкости, можно найти насколько увеличивается в эти моменты уровень громкости по сравнению с уровнем громкости одного из составляющих тонов. При частоте 1 кГц, например, уровень громкости в приведенном примере будет возрастать также на 6 дБ. На частоте ниже 300—500 Гц кривые равной громкости расположены теснее, чем на частоте 1 кГц, и уровень громкости будет возрастать даже больше чем на 6 дБ.

При разности частот больше 10 Гц, но меньше ширины критической полосы наступает случай: ухо реагирует на уровень суммарной интенсивности составляющих. В приведенном примере с двумя одинаковыми по интенсивности чистыми тонами это соответствует уровню интенсивности, на 3 дБ превышающему уровень интенсивности каждого из составляющих тонов.

Исследования показывают, что в случае, когда звуки разнятся по частоте более чем на одну критическую полосу, ухо суммирует громкости этих звуков. Таким образом, для определения суммарного уровня громкости сложного звука в этом случае следует с помощью кривой S(N) определить громкости каждого из звуков S1(N1) и S2(N2) и, сложив их, найти уровень суммарной громкости N, по формуле:



Точно также следует поступать и при определении уровня громкости широкополосного шума, захватывающего две или более критические полосы слуха. Весь спектральный состав шума следует разбить на частотные полосы, соответствующие критическим, и определить уровни громкости N1, N2..., Ni..Nk в этих полосах, по ним найти S1, Si, Sk, суммировать громкости полос шума, после чего искать уровень громкости по суммарной громкости.

Высота.


^ Психофизическим эквивалентом частоты тона является его высота, единицей которой считается мел. В соответствии с общепринятым определением, тон частотой 1000 Гц при 60 дБ имеет высоту 1000 мелов. Высота тона связана с его частотой зависимостью, представленной на рис. 32. Психофизические характеристики звука имеют большое значение для оценки качества исполнения музыкальных произведений, а также при прослушивании записей музыки и речи, сделанных в концертных залах. Большая часть звуков различных музыкальных инструментов находится как раз в том диапазоне частот, в котором изменения частоты особенно заметно сказываются на громкости. Именно поэтому столь существенны уровни громкости разных инструментов, продуманно регулируемые дирижером. С другой стороны, если после записи прослушивание ведется на ином контуре громкости, чем тот, на который рассчитывал дирижер, то исполнение музыкального произведения отличается от задуманного и реализованного в концертном зале. Снижение общего уровня громкости может привести к тому, что сила некоторых звуков окажется ниже порога слышимости. На знании этих психофизических параметров основана конструкция высококачественных усилителей, которая предусматривает компенсацию громкости наиболее низких и высоких частот при малых уровнях воспроизведения.

Соблюдение соотношения частоты и высоты звука весьма существенно для музыкальной композиции произведений. Известно, что в равномерно-темперированном звукоряде октава содержит двенадцать ступеней, разделенных равными интервалами. Каждый следующий звук, таким образом, в половину выше предыдущего, а каждая следующая октава вдвое превышает по частоте предыдущую. Казалось бы, изменение тональности и транспонирование произведения не должны сказываться на его восприятии. Анализ соотношения высоты и громкости показывает, однако, что характер произведения при транспонировании изменяется. Это полностью соответствует теории музыки.





Рис. 32. Соотношение частоты и высоты тонов.

^ По оси абсцисс — частота тона, в Гц; по оси ординат на а — условные обозначения музыкального звукоряда, на б — высота тона, в мелах.
В вопросе о взаимосвязи между высотой тона и частотой более существенно другое: если музыкальные звуки состоят из гармоник, то с какой частотой ассоциируется воспринимаемая высота звука? Оказывается, что это может быть и не та частота, которая соответствует максимальной энергии, и не самая низкая частота в спектре. Так, например, музыкальный звук, состоящий из набора частот 200, 300, 400 и 500 Гц, воспринимается как звук высотой 100 Гц. То есть высота звука ассоциируется с основной частотой гармонического ряда, даже если ее нет в спектре звука. Правда, чаще всего основная частота в той или иной мере в спектре присутствует.

Тембр.


Субъективным эквивалентом формы звуковой волны является тембр звука. Если звуковая волна имеет чисто синусоидальную форму, то звук определяется как слабоокрашенный «чистый тон».

Если звук содержит много гармоник основной частоты, он воспринимается как более или менее «окрашенный» тон. Именно по тембру человек оценивает звучание разных инструментов при исполнении одного и того же по высоте звука. От различий в форме звуковой волны и, соответственно, от числа гармоник зависят восприятие гласных и оценка тембра голоса говорящего. Например, при воспроизведении одной и той же музыкальной ноты на фортепьяно и скрипке звук последней имеет почти синусоидальную форму и содержит шесть гармоник, тогда как эта нота при исполнении на фортепьяно представляет собой сложную волну с той же основной частотой, однако в ее состав входит до восемнадцати гармоник.

Каковы же особенности восприятия, если звук не один, а два или несколько? Взаимодействие разных тонов характеризуется определенной психофизической единицей — критической полосой частот. В пределах этой полосы наблюдается взаимодействие звуковых энергий, и человек слышит либо биения, либо сложный хриплый звук — в зависимости от разности между частотами. При этом сохраняется постоянная громкость звука. Если разница по шкале частот между звуками увеличивается, то по достижении определенной критической величины этой разницы человек начинает слышать два разных тона, а общая громкость звука уменьшается. Критическая полоса частот имеет огромное значение для композиции музыкальных произведений. В частности, диссонансное звучание двух нот определяется часто тем, что их гармоники попадают в пределы одной и той же критической полосы слуха человека. Учитывая эту особенность человеческого слуха попробуем разобраться в закономерностях восприятия тембра.

Тембр является самым сложным субьективно ощущаемым параметром звука. С определением этого термина возникают сложности, сопоставимые с определением понятия "жизнь": все понимают, что это такое, однако над научным определением наука бьется уже несколько столетий. Аналогично с термином "тембр": всем ясно, о чем идет речь, когда говорят "красивый тембр голоса", "глухой тембр инструмента" и т. д., но о тембре нельзя сказать "больше-меньше", "выше-ниже", для его описания используются десятки слов: сухой, звонкий, мягкий, резкий, яркий и т. д. (О терминах для описания тембра поговорим отдельно).

Уже более двухсот лет многие выдающиеся ученые пытаются дать научное определение этого параметра, которое, естественно, меняется с расширением наших представлений о механизмах работы слуховой системы. Определение тембра дается в трудах таких всемирно известных ученых, как Гельмгольц (1877), Флетчер (1938), Ликлайде (1951), Плом (1976), Наутсм (1989), Россин (1990), Ханде (1995).

Тембр (timbre-фр.) означает "качество тона", "окраску тона" (tone quality).

Американский стандарт ANSI-60-дает такое определение: "Тембр - атрибут слухового восприятия, который позволяет слушателю судить, что два звука, имеющие одинаковую высоту и громкость, различаются друг от друга".

В 1973 г. к определению тембра, данному в вышеприведенном стандарте ANSI, было сделано следующее добавление: "тембр зависит от спектра сигнала, но он также зависит от формы волны, звукового давления, расположения частот в спектре и временных характеристик звука".

Как утверждает классическая теория, развиваемая, начиная с Гельмгольца почти все последующие сто лет, восприятие тембра зависит от спектральной структуры звука, то есть от состава обертонов и соотношения их амплитуд. Позволю себе напомнить, что обертоны - это все составляющие спектра выше фундаментальной частоты, а обертоны, частоты которых находятся в целочисленных соотношениях с основным тоном, называются гармониками.

Исследованию влияния спектрального состава обертонов на тембр посвящены сотни работ. Поскольку этих сведений чрезвычайно много и они часто противоречивы, приведем только некоторые из них. Анализ общей структуры спектров различных инструментов, позволяет сделать следующие выводы:

- при отсутствии или недостатке обертонов, особенно в нижнем регистре, тембр звука становится скучным, пустым - примером может служит синусоидальный сигнал от генератора; - присутствие в спектре первых пяти-семи гармоник с достаточно большой амплитудой придает тембру полноту и сочность;

- ослабление первых гармоник и усиление высших гармоник (от шестой-седьмой и выше) придает тембру резкость, скрипучесть.

Анализ огибающей амплитудного спектра для различных музыкальных инструментов позволил установить (Кузнецов "Акустика музыкальных инструментов"):

- плавный подьем огибающей (увеличение амплитуд определенной группы обертонов) в области 200…700 Гц позволяет получить оттенки сочности, глубины;

- подьем в области 2,5…3 кГц придает тембру полетность, звонкость;

- подьем в области 3…4,5 кГц придает тембру резкость, пронзительность и др.

Одна из многочисленных попыток классифицировать тембровые качества в зависимости от спектрального состава звука приведена в вышеуказанной книге (Рис. 33).



Рисунок 33. Классификация тембров.
Таким образом, безусловно справедливо утверждение классической теории, что воспринимаемый тембр звука зависит от его спектрального состава, то есть расположения обертонов на частотной шкале и соотношения их амплитуд.

Из этого следуют еще два очень важных вывода:

- тембр звучания музыки и речи изменяется в зависимости от изменения громкости и от транспонирования по высоте.

При изменении громкости меняется восприятие тембра. Во-первых, при увеличении амплитуды колебаний вибраторов различных музыкальных инструментов (струн, мембран, дек и др.) в них начинают проявляться нелинейные эффекты, и это приводит к обогащению спектра дополнительными обертонами.

Во-вторых, с увеличением уровня громкости изменяется чувствительность слуховой системы к восприятию низких и высоких частот (о кривых равной громкости было написано в предыдущих статьях). Поэтому при повышении громкости (до разумного предела 90…92 дБ) тембр становится полнее, богаче, чем при тихих звуках. При дальнейшем увеличении громкости начинают сказываться сильные искажения в источниках звука и слуховой системе, что приводит к ухудшению тембра.

Однако, накопленные к настоящему времени экспериментальные данные позволили выявить определенную инвариантность (стабильность) тембра при целом ряде условий. Например, при транспонировании мелодии по частотной шкале оттенки тембра, конечно, меняются, но в целом тембр инструмента или голоса легко опознается: при прослушивании, например, саксофона или другого инструмента через транзисторный радиоприемник можно опознать его тембр, хотя спектр его был значительно искажен. При прослушивании одного и того же инструмента в разных точках зала его тембр так же меняется, но принципиальные свойства тембра, присущие данному инструменту, остаются.

В соответствии с современными взглядами, важнейшую роль для восприятия тембра имеет изменение динамики распределения максимума энергии между обертонами спектра.

Для оценки этого параметра введено понятие "центроид спектра", который определяется как средняя точка распределения спектральной энергии звука, его иногда определяют как "балансную точку" спектра.

Подводя некоторые итоги, можно сказать, что основными физическими признаками, по которым определяется тембр инструмента, и его изменение во времени, являются:

- выстраивание амплитуд обертонов в период атаки;

- изменение фазовых соотношений между обертонами от детерминированных к случайным (в частности, за счет негармоничности обертонов реальных инструментов);

- изменение формы спектральной огибающей во времени во все периоды развития звука: атаки, стационарной части и спада;

- наличие нерегулярностей спектральной огибающей и положение спектрального центроида (максимума спектральной энергии, что связано с восприятием формант) и их изменение во времени.

Маскировка.


Эффект маскировки связан с процессом взаимодействия сигналов, что приводит к изменению слуховой чувствительности к маскируемому сигналу (maskee) в присутствии маскирующего (masker).

Это взаимодействие тонов постоянно происходит в речи, где одиночные тоны практически не употребляются, и в музыке и приводит к тому, что восприятие сигнала в присутствии другого сигнала изменяется: меняется громкость, или сигнал вообще перестает быть слышимым (например, речь на фоне проходящего поезда), или изменяется восприятие каких-то отдельных спектральных признаков сигнала, то есть его тембр. Процессы маскировки происходят в высших отделах головного мозга.


Рисунок 34. Кривая порога слышимости при маскировке чистым тоном.
Поэтому процессы слуховой маскировки достаточно сложное явление, и в настоящее время они находятся в стадии интенсивных исследований во многих мировых научных центрах, поскольку от их результатов в значительной степени зависит прогресс в современной цифровой звукотехнике.

Эффекты слуховой маскировки проявляются по-разному в зависимости от вида сигнала и способа его воздействия, и могут быть разделены на следующие основные группы:

- одновременное (моноуральное) маскирование;

- временное (неодновременное) маскирование;

- центральное (бинауральное) маскирование;

- бинауральное демаскирование;

- постстимульное утомление.

Остановимся на основных из них более подробно.

1.Одновременное (моноуральное) маскирование звуков.

Если в каждое ухо слушателя подавать основной тон с различной интенсивностью и частотой, то можно установить зависимость его порогов слышимости от частоты. Если теперь к этому основному тону добавить дополнительный тон определенной частоты и интенсивности, то будет происходить взаимодействие обеих тонов, в результате произойдет изменение порогов чувствительности к основному тону (действительно, на фоне шума приходится сильно повышать голос, чтобы можно было его услышать). Если менять частоту основного тона, и на каждой частоте оценивать, на сколько дБ надо повысить уровень основного тона, чтобы можно было слышать его на фоне дополнительного мешающего (маскирующего) тона, то можно количественно оценить степень маскировки.

Степень маскировки есть разность в децибелах между уровнем порога слышимости данного тона в присутствии маскирующего тона и его уровнем порога слышимости в тишине.

Маскировка, производимая определенным звуком, во многом зависит от его интенсивности и спектра. Еще в 1894 г. Мауег заметил, что, в то время как низкочастотные тоны эффективно маскируют звуки высокой частоты, высокочастотные тоны не обладают такими свойствами в отношении низких частот.

Маскировка, таким образом, является в отношении частот звука несимметричным эффектом.

Возможны следующие варианты взаимодействия и закономерности:

а) наиболее выраженная маскировка наблюдается, если частота маскируемого звука близка к частоте маскирующего звука: степень маскировки уменьшается по мере увеличения разницы между той и другой частотой;

б) степень маскировки увеличивается по мере нарастания интенсивности маскирующего звука;

в) по мере нарастания интенсивности маскера маскировка становится все более несимметричной, выраженной по отношению к звукам высокой частоты;

г) высокочастотные маскеры эффективно маскируют лишь звуки в относительно узком диапазоне частот, тогда как звуки низкой частоты являются эффективными маскерами для звуков в очень широком диапазоне частот.

Маскировка шумовыми сигналами - несмотря на то, что большую информацию об эффекте маскировки получают при исследованиях с тональными сигналами, при их использовании возникает ряд трудностей. Как известно, если два тона близки по частоте (разница меньше 15 Гц), между ними возникают биения. Кроме того, при больших интенсивностях могут отчетливо прослушиваться субьективные комбинационные гармоники, что затрудняет точные оценки эффектов маскировки. Поэтому были проведены исследования по количественному установлению степени маскировки, когда в качестве маскирующего сигнала выбирался узкополосный или широкополосный белый шум.

Результаты экспериментов узкополосным маскированием по существу подтверждают эффекты маскировки, наблюдаемые при исследованиях чистых тонов.

Результаты исследований эффектов маскировки при использовании широкополосного белого шума. Как видно из полученных данных, степень маскировки зависит от уровня интенсивности шума маскера почти прямо пропорционально: увеличение интенсивности шума на 10 дБ вызывает увеличение порога слышимости (т.е. степени маскировки) тоже на 10 дБ.

2.Временное (неодновременное) маскирование

Степень маскировки исследуемого сигнала при подаче последующего (рис. 6а) или предшествующего маскера определяется разными параметрами исследуемого сигнала и маскера. Этими параметрами являются:

- временной интервал между поступлением исследуемого сигнала и маскера * t;

- уровень интенсивности маскера, дБ;

- длительность воздействия маскера (мс) и др.

На основании данных, полученных далее, можно сделать следующие выводы:

- во-первых, обратная маскировка более эффективна, чем предшествующая. Другими словами, более высокий уровень степени маскировки наблюдается при поступлении маскера через короткий временной интервал вслед за сигналом по сравнению с маскировкой, выявляемой в том случае, когда исследуемый сигнал поступает через такой же интервал, но вслед за маскером.

- во-вторых, маскировка более выражена, когда сигнал и маскер подаются в одно ухо (моноаурально), чем тогда, когда исследуемый звук подают в одно ухо, а маскер - в другое (дихотически).

- в-третьих, сближение во времени подачи сигнала и маскера увеличивает маскировку. Наоборот, по мере увеличения временного разрыва между поступлением исследуемого сигнала и маскера степень маскировки уменьшается. Необходимо отметить, что степень маскировки резко падает при увеличении интервала от 0 до 15 мс, затем спад происходит плавно. Несмотря на то, что данные, представленные на рис.7, получены при временном разрыве "маскер/исследуемый сигнал" в 50 мс, была обнаружена значительная обратная маскировка для временных разрывов, превышающих 100 мс.

- в-четвертых, можно было ожидать, что временная маскировка будет увеличиваться по мере нарастания уровня интенсивности маскера. Однако для временной маскировки не найдено линейного повышения порога маскировки как функции уровня интенсивности маскера, характерного для описанной ранее одновременной маскировки. Таким образом, увеличение уровня интенсивности маскера на 10 дБ вызывает дополнительный сдвиг порога маскировки только приблизительно на З дБ.

- в-пятых, длительность действия маскера влияет на степень предшествующей маскировки, но не на обратную маскировку: так, маскер, длительность действия которого составляет 200 мс, вызывает большую маскировку, чем маскер, действующий в течение 25 мс.

- в-шестых, временная маскировка зависит от частотного взаимоотношения исследуемого сигнала и маскера точно так же, как и при одновременной маскировке. Другими словами, маскировка проявится в большей степени, если исследуемый сигнал и маскер весьма близки по частоте.

Бинауральность слуховой системы обеспечивает не только локализацию в пространстве, повышение порогов чувствительности и др., но и позволяет получить интересные эффекты маскировки, которые вызывают сейчас очень большой научный интерес, поскольку позволяют судить о работе центрального нервного процессора, и

могут найти большое прикладное применение.

Обычная маскировка происходит тогда, когда и маскируемый, и маскирующий сигналы поступают в одно и то же ухо, однако эффект маскировки возникает даже тогда, когда маскер и исследуемый сигнал подаются в разные уши. Этот процесс называется центральным (или бинауральным) маскированием.

Такое влияние маскера, вероятнее всего, обусловлено взаимодействием маскера и исследуемого сигнала на уровне центральной нервной системы, где имеются специальные "бинауральные" нейроны, которые проводят сравнение сигналов от обоих ушей.

Центральное маскирование в некотором отношении подобно рассмотренному ранее маскированию при моноуральном слухе, хотя имеются и значительные отличия. В целом, величина сдвига порога, вызванная центральным маскированием, гораздо меньше, чем при моноуральном маскировании, и проявляется в большей степени для звуков высокой частоты, чем низкой. Степень маскирования становится значительной, только если время воздействия маскера не менее, чем 200 мс.

Особый интерес представляет частотная зависимость центрального маскирования. Наиболее выраженное маскирование выявляется, когда маскер и исследуемый тон близки по частоте. Маскирование наиболее выражено в небольшом диапазоне частот, прилегающих к частоте маскера. Этот частотный диапазон совпадает с шириной критических полос слуха. Пик маскирования симметричен до 60 дБ (в отличие от моноурального маскирования), но при уровне выше70 дБ уже появляется ассимметрия.

Бинауральное демаскирование

Наибольший интерес в настоящее время вызывает эффект "бинауральной демаскировки", которому посвящены многочисленные статьи, доклады на конференциях, дипломы и диссертации.

Эффект это проявляется в таком загадочном явлении: на фоне общего разговора (шума) можно "выслушать" интересующий слушателя разговор. Этот эффект получил название "эффект вечеринки" (Cocktail Party Effect). Многочисленные исследования показали, что в основе этого явления лежит чувствительность к сдвигу фаз между сигналами при бинауральном слушании на частотах ниже 1500 Гц.
^

Особенности воздействия ультра- и инфразвуков.

Инфразвук.


Звуки с частотой колебаний ниже нижнего порога восприятия человеческого уха называются инфразвуками. Различают быстрые инфразвуки с частотой 1-20Гц и медленные инфразвуки (менее 1Гц).

Естественный инфразвук возникает повсюду – и в море, и на суше. Чаще всего исходной причиной его формирования является ветер. Под землёй инфразвук может формироваться вследствие так называемых микросейсм (микроколебаний пород). Для морских условий следует выделить два основных диапазона инфразвуковых колебаний: а) «быстрый» инфразвук, б) менее 1 Гц.

Источником «быстрого» инфразвука в морских условиях является приводный слой атмосферы. Генерация происходит вследствие взаимодействия ветра с взволнованной морской поверхностью. Сущность этого взаимодействия – срыв вихрей в загребневой зоне волн. Такой эффект широко известен в физике – за любым препятствием в потоке воздуха или воды может возникать цепочка вихрей, которые уносятся с потоком. В море частотный диапазон генерируемых колебаний зависит от скорости ветра, параметров волн и ряда других факторов. По имеющимся оценкам, максимум излучения сосредоточен в области 4–8 Гц.

Инфразвуковой «голос моря» (так его назвали сразу после обнаружения) впервые экспериментально был выявлен В.В.Шулейкиным в 30-е гг. прошлого века. Физическая интерпретация эффекта была предложена Н.А.Андреевым.

Интенсивность генерируемого инфразвука в штормовых зонах моря оценивается как 4–5 Вт/м2, то есть излучаемая морской поверхностью мощность эквивалентна мощности десяти тысяч электровозов. Тем не менее, моряки довольно регулярно попадают в штормы, и ничего «ужасного» не происходит. Дело в том, что инфразвуковое излучение рассредоточено по большой акватории. И на конкретное судно воздействует весьма ограниченная мощность, если, конечно, нет фокусировки этого излучения, которое может быть обусловлено различными естественными метеоусловиями.

о чём будет сказано в дальнейшем.

Кроме физического источника генерации, связанного с ветровыми волнами, в океане выявлен мощный биологический источник инфразвука. Это – китообразные. Зарегистрирована интенсивность их «выкриков» в стрессовых ситуациях до 135 дБ.

В условиях города возникновение «быстрых» инфразвуковых колебаний преимущественно обусловлено эффектами, аналогичными морским, т.е. взаимодействием ветра с препятствиями. Только здесь, в отличие от штормового моря, препятствия неподвижны – это городские сооружения. Огромное количество инфразвуков разнообразного спектра и мощности генерируют в городах различные механизмы и транспортные средства. Их воздействие может быть особо чувствительным при наличии резонансных явлений.

Интересен инфразвук, возникающий под землёй за счёт деформационных процессов в горных породах. Сам по себе он не очень интенсивный, но, попадая в подземные пустоты, способен резонировать. Тогда его интенсивность резко возрастает. Это особенно опасно в тех пещерах, где сочетаются узкий проход и последующая полость. Существуют даже математические модели возникновения резонансов в подобных акустических системах.

На биологическую значимость естественного инфразвука в море («голоса моря»), по-видимому, впервые было обращено внимание в статье проф. Степанюка. В ней выдвинуто предположение, что исчезновение либо гибель экипажей морских судов в известных и достоверно подтверждённых случаях вероятнее всего связаны с воздействием мощного инфразвука, генерируемого в штормовых зонах. Основой гипотезы явились известные работы по биологическому действию инфразвука.

Действие инфразвука сравнительно низкой интенсивности изучалось и на животных, и на человеке. Так, группа под руководством проф. Н.И.Карповой в 1973 г. проводила эксперименты по действию инфразвука частотой 10 Гц и уровнем 136 дБ на организм практически здоровых мужчин в возрасте от 20 до 25 лет с нормальным слухом при 15-минутной экспозиции. Обнаружено существенное изменение слуховой чувствительности. На 10-й минуте, а также сразу после 15-минутного воздействия отмечалась высокая специфическая чувствительность к низкочастотным колебаниям. Через 10 мин воздействия выявлялось снижение слуховой чувствительности на всех исследуемых частотах в среднем на 15 дБ. После прекращения действия инфразвука уровень слуховой чувствительности восстанавливался полностью до исходных значений лишь на высоких частотах, а на низких и средних частотах – частично. Для полного восстановления на низких частотах требовался большой промежуток времени.

Обнаружены существенные изменения в периферическом кровообращении. Сразу же после начала облучения возрастала частота сердечных сокращений в среднем на 11 ударов в минуту, а величина кровотока увеличивалась на 20–22% в сравнении с исходными данными. Максимальное артериальное давление увеличивалось незначительно, минимальное же – в среднем на 9–11 мм. Характер сосудистых изменений свидетельствовал о выраженной наклонности к расширению сосудов. Величина осцилляций давления увеличивалась на 19% по сравнению с данными до опытов.

Выявлены патологические изменения со стороны центральной нервной системы и внутренних органов при опытах на белых крысах, которых облучали инфразвуком с уровнем давления 165 дБ на частоте 10 Гц. Продолжительность облучения – до 50 мин. Установлено появление дистрофических изменений в отдельных отделах головного мозга.

Выбранная в описанных экспериментах частота 10 Гц не является специфичной для организма человека. Анализ имеющихся экспериментальных данных позволяет заключить, что в области инфразвука существует участок спектра, представляющий максимальную опасность из-за резонансных явлений внутренних органов. Это область 6–8 Гц (в некоторых источниках частота 7 Гц считается смертельной для человека при соответствующих уровнях звукового давления). Прямые исследования в столь опасной области при больших интенсивностях инфразвука либо вообще отсутствуют, либо проводились, но по вполне понятным причинам их результаты не публиковались.

В частности, следует сослаться на результаты исследования влияния на самочувствие человека вибрационных ускорений в инфразвуковом диапазоне частот, которые по характеру воздействия эквивалентны «чистому» инфразвуку. (См. рис. 35) Кривые на графике означают степень влияния (в баллах – от 1 до 5) при различных ускорениях, выраженных в относительных единицах (по отношению к ускорению свободного падения g) (ось ординат) и частотах (ось абсцисс). Отчётливо выражены максимумы чувствительности в области от 2 до 10 Гц, причём экстремумы на кривых смещаются с ухудшением самочувствия в более высокочастотную область, в частности, кривая 3 («сильно ощутимы; начало плохого самочувствия у большинства людей») имеет экстремум в области 5–8 Гц. Дополнительно следует обратить внимание на то, что шкала линейных ускорений представлена на рис. 4 в логарифмическом масштабе.

В связи с отмеченными выше особенностями воздействия (резонанс внутренних органов), по-видимому, мало показательны эксперименты, проводимые на животных. Похоже, что они представляют интерес лишь с точки зрения реакции на воздействие инфразвука со стороны центральной нервной системы и защитных систем организмов.14-05


Рисунок 35. Порог чувствительности большинства людей к инфразвуковым колебаниям различных частот: 1 – невыносимы; 2 – трудно переносимы; 3 – сильно ощутимы, начало плохого самочувствия; 4 – отчётливо ощутимы, появляются признаки морской болезни; 5 – едва ощутимы. Линейные ускорения выражены в относительных единицах по отношению к ускорению свободного падения g

Учитывая прямые и косвенные экспериментальные данные, можно сделать вывод, что инфразвуковые колебания в морских условиях являются одним из важнейших факторов, существенно влияющих на самочувствие и работоспособность людей. При этом нельзя пренебрегать высказанной нами гипотезой о возможности губительного действия инфразвука в области 6–7 Гц на экипажи судов (паника и покидание судна, смерть большинства членов экипажа).

Ультразвук.


Ультразвук, упругие колебания и волны с частотами приблизительно от 1,5— 2 ×104 гц (15—20 кгц) и до 109 гц (1 Ггц), область частот ультразвука от 109 до 1012-13 гц принято называть гиперзвуком. Область частот ультразвуков можно подразделить на три подобласти: Ультразвук низких частот (1,5×104—105 гц) — УНЧ, ультразвук средних частот (105 — 107 гц) — УСЧ и область высоких частот ультразвука (107—109 гц) — УЗВЧ. Каждая из этих подобластей характеризуется своими специфическими особенностями генерации, приёма, распространения и применения.

При действии ультразвука на биологические объекты в облучаемых органах и тканях на расстояниях, равных половине длины волны, могут возникать разности давлений от единиц до десятков атмосфер. Столь интенсивные воздействия приводят к разнообразным биологическим эффектам, физическая природа которых определяется совместным действием механических, тепловых и физико-химических явлений, сопутствующих распространению ультразвука в тканях организма. Изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структурах биологических объектов при воздействии на них ультразвука, определяется главным образом его интенсивностью и длительностью облучения и может оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность организмов. Так, возникающие при сравнительно небольших интенсивностях (до 1—2 вт/см2) механические колебания частиц производят своеобразный микро-массаж тканей, способствующий лучшему обмену веществ и лучшему снабжению тканей кровью и лимфой. Повышение интенсивности может привести к возникновению в биологических средах акустической кавитации, сопровождающейся механическим разрушением клеток и тканей (кавитационными зародышами служат имеющиеся в биологических средах газовые пузырьки).

При поглощении ультразвука в биологических объектах происходит преобразование акустической энергии в тепловую. Локальный нагрев тканей на доли и единицы градусов, как правило, способствует жизнедеятельности биологических объектов, повышая интенсивность процессов обмена веществ. Однако более интенсивные и длительные воздействия могут привести к перегреву биологических структур и их разрушению (денатурация белков и др.).

В основе биологического действия ультразвука могут лежать также вторичные физико-химические эффекты. Так, при образовании акустических потоков может происходить перемешивание внутриклеточных структур. Кавитация приводит к разрыву молекулярных связей в биополимерах и других жизненно важных соединениях и к развитию окислительно-восстановительных реакций. Ультразвук повышает проницаемость биологических мембран, вследствие чего происходит ускорение процессов обмена веществ из-за диффузии. Все перечисленные факторы в реальных условиях действуют на биологические объекты в том или ином сочетании совместно, и поэтому трудно, а подчас невозможно раздельно исследовать процессы, имеющие различную физическую природу.
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Ii психофизические характеристики звука и света icon История религии: часть 8
«философия» и разработал учение о гармонии и пропорции, основы теории звука и света, геометрии и математики. Гераклит утверждал,...
Ii психофизические характеристики звука и света icon Тесты по физике, 7-11 классы
Источники света. Прямолинейное распространение света. Закон отражения и преломления
Ii психофизические характеристики звука и света icon Астрономический метод измерения скорости света
Но эти попытки не дали результатов. Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния...
Ii психофизические характеристики звука и света icon "Дисперсия света."
Цель урока: сформировать у обучающихся единое, целое представление о физической природе явления дисперсии света, рассмотреть условия...
Ii психофизические характеристики звука и света icon Доклад на семинаре «Современные теоретические проблемы гравитации и космологии»
Отсутствие противоречия между изменяющейся скоростью света, и теорией относительности, необходимость проверки изменения скорости...
Ii психофизические характеристики звука и света icon Статья начинается с анализа явлений аберрации света, эффекта Доплера и явления «деформации»
Опираясь на эти результаты и постоянство скорости света в любых инерциальных системах отсчёта, проанализированы «мысленные эксперименты»...
Ii психофизические характеристики звука и света icon 1. Разложение белого света в спектр при прохождении через призму обусловлено
При попадании солнечного света на капли дождя образуется радуга. Объясняется это тем, что белый свет состоит из электромагнитных...
Ii психофизические характеристики звука и света icon Литература Введение
Целительное воздействие звука на организм ребенка при выполнении общеразвивающих упражнений
Ii психофизические характеристики звука и света icon Пояснительная записка основной образовательной программы дошкольного...
Значимые характеристики, в том числе характеристики особенностей развития детей раннего и дошкольного возраста
Ii психофизические характеристики звука и света icon «Отражение, преломление и дисперсия света», продолжить формирование...
Развивать мышление студентов, навыки поиска информации, способов коммуникации и методов представления информации через организацию...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
edushk.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов