Transcript 2. Психоакустика

Строеж на човешкото ухо
Свойствата на слуховото възприятие на човека са основният фактор
определящ изискванията към акустичните параметри на помещенията.
Науката, която се занимава със свойствата на сетивните органи на човека
в това число и на слуха се нарича психофизиология на възприемането или
психоакустика.
Слуховият орган на човека се състои от три основни части външно ухо, средно ухо и вътрешно ухо.
Външно ухо включва ушната мида и слуховия проход,
завършващ с тъпанчето. То служи за нещо като събирател на
звука.
Средно ухо представлява кухина, разположена в слепоочната кост.
В нея се намират три свързани помежду си малки костици - чукче,
наковалня и стреме, като чукчето е свързано с вътрешната страна
на тъпанчето, стремето с овалното прозорче на вътрешното ухо, а
наковалнята ги свързва. Те предават трептенето от тъпанчето към
вътпешното ухо и съгласуват на акустичния импеданс на въздуха с
високия импеданс на вътрешното ухо, което е запълнено с течност.
Механизмът на възбуждане на слуховия нерв е следният:
Звуковите вълни, достигайки до външното ухо създават
променливо налягане на въздуха пред тъпанчето, което се
преобразува в променлива сила, приложена върху тъпанчето и
то започва да трепти. Тези вибрации се предават на чукчето и
чрез наковалнята на стремето, а последното ги предава на
овалното прозорче, което задвижва течността във
вестибуларния канал. При това базиларната мембрана се
задвижва, дразни нервите на Кортиевия орган и те започвaт да
изпращат нервни импулси.
Броят на импулсите е пропорционален на силата
на дразнението, а мястото от което се изпращат
те-на честотата на звука.
Зона на слуховото възприятие
Аплитудата
на
звуковото
налягане, при което започва да се
получава усещане за звук при пълно
отсъствие на други смущаващи
шумове и звуци се нарича праг на
чуваемост. При нормално чуващ
млад човек е от порядъка на 10dB
SPL. Амплитудата на звуковото
налягане при което се получава
болезнено усещане се нарича праг
на болка с установена стойност
от 140 dB SPL. Разликата между
най-силния и най-слабия чуваем
звук
се
нарича
динамичен
диапазон на човешкия слух с
възприета стойност от 120 dB SPL
или 1,000,000 пъти.
Зона на слуховото възприятие
Аплитудата
на
звуковото
налягане, при което започва да се
получава усещане за звук при пълно
отсъствие на други смущаващи
шумове и звуци се нарича праг на
чуваемост. При нормално чуващ
млад човек е от порядъка на 10dB
SPL. Амплитудата на звуковото
налягане при което се получава
болезнено усещане се нарича праг
на болка с установена стойност
от 140 dB SPL. Разликата между
най-силния и най-слабия чуваем
звук
се
нарича
динамичен
диапазон на човешкия слух с
възприета стойност от 120 dB SPL
или 1,000,000 пъти.
Прагът на чуваемост зависи
от честотата. Той е найнисък за 1000 Hz - там той
отговаря на звуково налягане
2.10-5 Ра, а за 20 Hz и 20 kHz
е 3000 пъти по-висок. Когато
увеличаваме
звуковото
налягане се достига до едно
ниво, при което се усеща
болка - това е прагът на
болезненото усещане, и той е
при звуково налягане 3.106
пъти по-голямо от това на
прага на чуваемост.
Прагът на болезнено усещане е почти еднакъв за всички честоти,
включително и за честотите на инфразвука и ултразвука, близки до
границите на чуваемия диапазон, като на границите на честотния
диапазон на чуваемия звук се слива с прага на чуваемостта т.е. за тези
честоти, за които няма усещане за звук все пак се чувства болка при
достатъчно високи нива.
Закон на Вебер-Фехнер. През 1860 Вебер и Фехнер установяват, че
увеличаването на физическият стимул S с най-малката забележима
стъпка ΔS води до увеличаване на субективното възприятие за сила на
звука N с ΔN.
N = C1 • log(S) + C2 C1 и C2 са константи
Около 1940 Американският учен Стивънс, открива че отношението между
физичният стимул S и субективната реакция N се описва по-добре със
следната формула:
log(N) = C1 • log(S) + C2 C1 и C2 са константи
или записано като отношение:
e
N = (S / S0) ,S0 e референтно ниво на физичната величина
Степенния закон на Стивънс е валиден за всички човешки възприятия
(например температура, тежест, сол и т.н.). Той дава връзката между
силата на възприятие (субективна величина) и сила на стимула (физична
величина). Експонентата е представлява константа, различна за
различните усещания.
Логаритмични нива. Децибелна скала.
В техниката широко се използва децибелната скала точно поради нейното
съответствието на психо физичния закон на Стивънс. За енергетичните
величини като мощност, енергия, интензивност на звука и т.н.
логаритмичното ниво се определя по формулата:
N  10 lg
I
[dB]
I0
За звуковото налягане, колебателната скорост на частиците, силата,
електрическият ток и напрежение, заряда и т.н. логаритмичното ниво се
определя по формулата:
N  20 lg
p
p0
[dB]
Терминът гръмкост се отнася към субективното възприятие за сила на
звука. Единицата за гръмкост е Сон (Son или Sone). Единиците “Сон”
са въведени за да се разграничи субективното възприятие от
физичната мерна единица “ниво на звуковото налягане” (SPL) в
децибели (dB). Забележете че термините “гръмкост” и “ниво на
гръмкостта” се отнасят за различни концепции.
Гръмкост
Единица:Son
Ниво на гръмкостта
Единица:Phon
English
Loudness
Loudness level
Deutsch
Lautheit
Lautstärkepegel
Française
Sonie
Niveau de Sonie
Криви на равна гръмкост
140
S o u n d p re s s u re le ve l, d B
120
100
80
Еднаква гръмкост
60
40 phon
40
20
0
20
10
50
200
100
500
1000
Fre q u e n c y, H z
2000
5000
20000
10000
Предизвикващите еднакво усещане звуци за различна честота имат
различна интензивност. Понятието ниво на гръмкостта представлява
нивото на педизвикващия еднакво усещане звук с честота 1000
херца в децибели. За единица на нивото на гръмкостта е приета
единицата Фон.
100
По отношение на
звуковото възприятие
степенният закон на
Стивънс се описва със
следната формула:
L o u d n e ss, so n
10
1
Степенен закон
на Стивънс при
нормален слух
Правата част от кривата
на гръмкостта се
описва със следната
формула:
0 .1
0 .0 1
-2 0
0
20
40
60
Праг на чуваемост
L o u d n e ss L e v e l, p h o n
за нормален слух
(= S P L in d B a t 1 kH z )
80
100
100
Референтно ниво:
1 Son = 40 phon
L o u d n e ss, so n
10
2
10 dB увеличение
на нивото на
гръмкостта
водят до
удвояване на
гръмкостта
1
0 .1
0 .0 1
-2 0
0
20
40
60
L o u d n e ss L e v e l, p h o n
(= S P L in d B a t 1 kH z )
80
100
Критични ленти на слуха
Прагът на чуваемост за близо разположени по честота групи
чисти тонове с еднаква интензивност зависи от броя на тези
тонове, ако те са разположени в границите на определена
честотна лента. Прагът за такава група съответства на прага за
един чист тон с някаква средна честота в тази лента и със
сумарна интензивност - т.е. ухото като че ли сумира
интензивностите на компонентите.
Честотната лента, в границите на която се проявява
свойството на слуха да сумира интензивностите се
нарича критична лента на слуха.
Усещане за височина на тона
Чистите тонове и периодичните звукови колебания със сложна форма се
възприемат на слух като музикални звуци, имащи определена “височина”.
Колкото е по-голяма основната честота на звука, толкова по-висок ни
изглежда звука. Ухото е много чувствително към малки изменения на
честотата.
Усещането за височина на тона
също е логаритмично, също и
усещането за гръмкост. На слух
разстоянията по височина на тона
между два звука ни изглеждат
еднакви, ако отношението на
честотите на тези звуци е еднакво.
Разстоянието по височина на тона
се наричат интервали или
музикални интервали.
Откриването на слух на звуков сигнал при наличието на друг,
смущаващ звук е много по-трудно, отколкото в пълна тишина.
Това явление се нарича
маскировка на звука.
Маскировката е толкова посилна, колкото маскиращият тон
е по-близък по честотата до
маскирания, а също така
нискочестотните звуци много
по-силно маскират
високочестотните, отколкото
обратно.
Ефект на маскировка – маскиране от чист
тон
Един звук може да маскира друг т.е. да го направи нечуваем,
когато двата са близки по честота.
Ефект на маскировка
120
Разпростра
нение на
маскировка
100
SPL in dB
80
Праг на
чуваемост
Маскиран
праг на
чуваемост
60
40
20
0
100
1000
Frequency in Hz
10000
Ефекта на маскировка зависи от нивото на маскиращия и маскирания звуци.
Пространствен слух
Човешкото ухо определя посоката на идващия звук
посредством два механизма:
• Разлика във времето (долу в ляво)
• Разлика в нивото (долу в дясно)
Поради размера на човешката и двата механизма работят
за средни и високи честоти.
Механизъм на говорния тракт
Гласни струни
Формиране на речеви сигнал
Формиране на речеви сигнал
Източник
Спектър на гласни
струни
Формиране на речеви сигнал
Източник
Спектър на гласни
струни
Предавателна
функция
Тръбни резонанси
Формиране на речеви сигнал
Източник
Спектър на гласни
струни
Предавателна
функция
Тръбни резонанси
Изход
Спектър на
излъчения речеви
сигнал
Спектър на човешкия глас
Мъжки
Женски
Графиките показват усреднен за дълго време спектър на човешкия глас.
Женския глас е с по-висок спектър, но и в двата присъстват честоти до 100
Hz.
Спектър на човешкия глас
В зависимост от силата с която говорим, спектъра на човешкия глас се
променя. С увеличаване на силата на говор, се повишава честотата на
говора. Графиката е взета от стандарт ANSI-S3.5 – САЩ.
Обвивка на речеви сигнал
Звук
time

time
”Фина структура”
”Обвивка”
time