Строение уха. Резонансная теория слуха. Восприятие по частоте. Восприятие по амплитуде. Громкость и уровень громкости

ЛЕКЦИЯ 2.

Строение уха.

Рис.1 Строение уха:

1 - ушная раковина; 2 - слуховой проход; 3 - барабанная перепонка; 4 - молоточек; 5 -наковаленка; 6 - мембрана овального окна; 7 - внутреннее ухо; 9 - вестибулярный аппарат; 10 - кость; 11 - мембрана круглого окна; 12 - основная мембрана - анализатор акустического сигнала; 13 - рейснерова мембрана; 14 - орган Корти; 15 - жгут нервных волокон.

Ушная раковина и слуховой проход составляют систему резонаторов. Барабанные перепонки и молоточек – трансформаторы колебаний. Внутреннее ухо заполнено лимфой.

Наружное и среднее ухо – это некоторая передаточная функция, которая проводит звук ко внутреннему уху – анализатору звука. Внутреннее ухо представляет собой улитку, которая завернута в 2,5 раза. Улитка превращает акустические колебания большой амплитуды колебательной скорости небольшим давлением в механические колебания с малой амплитудой колебательной скорости. Коэффициент трансформации – 50.

Таким образом акустические колебания превращаются в механические, затем механические в электрические, затем электрические в образ. Улитка настроена на определенные частоты. Например, участки у основания улитки резонируют с высокочастотными составляющими звуковых колебаний. Средние участки реагируют на средние частоты, вблизи вершины с низкочастотными составляющими.

По этому поводу существует много теорий, например Гельмгольца:

Резонансная теория слуха: ушная раковина и слуховой проход представляют собой резонаторы, настроенные на определенную частоту и возбуждающие соответствующие нервные окончания. Такое строение дает одновременное возбуждение разных частот. 

Восприятие по частоте.

Гармонические звуковые колебания некоторой частоты в восприятии называются тоном.

Расстояние по высоте тона – интервал.

Чем выше частота, тем выше тон. Расстояние по высоте тона между двумя звуками одинаково, если отношение частот одинаково.  На НЧ (менее 500 Гц) способность различения менее 1%, СЧ – 0,2-0,3%, ВЧ - 0,5%.

Унисон  1:1

Октава   2:1(1:2:4:8:16)

Ухо различает соседние частоты диапазона не с одной различимостью

Простейшие для слуха интервалы: унисон - 1:1; октава -1:2; квинта - 2:3; кварта - 3:4; большая терция - 4:5; малая терция - 5:6 или 6:7; большая   секунда (или тон) - 7:8 или 8:9; малая секунда (или полутон) - 15:16.

Октава - 1:2

Полуоктава –,

Третьоктава –.

 третьоктавный интервал

Музыкальный интервал для f₁ и f₂: ,

Единичный интервал - полутон = 100 центам.

Октава – 12 полутонов, что соответствует приращению частоты или тонам смещных клавиш рояля.

Df –  приращение частоты.

Для точного соответствия слуховому восприятию звука по частоте принят субъективный масштаб: почти линейный до 1 Гц и логарифмический выше. Так воспринимает человеческое ухо.

  третьоктава

Единицы высоты звука – мел и барк.

100 мел = 1 барк

	0,2   0,5   1         2                                  5                                                        10                          F, кГц

 

Разрешение на низких частотах  - 1%

Разрешение на средних частотах  - (0,2 – 0,3) %

Разрешение на высоких частотах  - 0,5%

Весь слышимый диапазон делится на 10 октав. Октавы  отличаются друг от  друга изменением частоты в два раза.

для сложных гармонических, но периодические колебания представляются в виде ряда Фурье.

          Порог слышимости.

Существует несколько определений порога слышимости:

1.Скочкообразный переход из слышимого диапазона в неслышимый и наоборот;

2.Эффеективное значение звукового давления, создаваемого гармоническими звуковыми колебаниями, с частотой 1000Гц, слышимых человеком со средним ухом.

Значения на пороге слышимости на частоте 1000Гц:

Вт/м²

Па

Для появления звукового ощущения необходима более высокая интенсивность чем на интервале от 1 до 4 кГц. С увеличением интенсивности расширяется зона возбуждения основной мембраны, и звуковые ощущения нарастают скачкообразно. Такие скачки называют порогом различения интенсивности.  

Рис 2. Пороги слышимости:

1 - по свободному полю (звуковое давление измеряли в точке размещения головы при одноухом слушании); 2 - тоже при двуухом слушании; 3 - по давлению (давление измерялось у ушной раковины).

          Восприятие по амплитуде.

Закон Вебера – Фехнера: одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые абсолютные изменения слухового ощущения.

Слуховое ощущение пропорционально lg раздражающей силы.

, (-слуховые ощущения)                             (2.1)

, ,   тогда , где J_пс – интенсивность на пороге слышимости.

Для оценки E вводится такая единица как Бел.

, .                 (2.2)

, [дБ].                                         (2.3)

Диапазон изменения интенсивности от минимального до максимального ощущения 10¹² раз, т.е. на f=1000Гц изменяется на 120 дБ.

,  ,                               (2.4)

(при частоте 1000 Гц), где  – уровень интенсивности который характеризует звук с физической стороны.

,                               (2.5)

(при частоте 1000 Гц), где L_p – уровень звукового давления.

,                                      (2.6)

,                             (2.7)

где L_e – уровень плотности энергии.

,                     (2.8)

Ощущение – уровень интенсивности звука, находящийся над уровнем порога слышимости на этой же частоте.

Громкость и уровень громкости.

Человек способен точно установить равенство громкости двух звуков разной частоты. Для профессионального прослушивания необходим уровень звучания 85-90 фон, так как с уменьшением частоты сужается воспринимаемый диапазон.

,             (2.9)

где E – уровень громкости;

L – уровень интенсивности;

L_П.С. – уровень интенсивности на пороге слышимости.

За эталон уровня громкости принимают уровень интенсивности чистого тона f=1000 Гц – это фон.

[фон]; G-громкость [сон].

 при                   (2.10)

где L_G,X – уровень громкости какого-то неизвестного звука;

L_J – уровень интенсивности чистого фона.

Уровень громкости неизвестного звука в фонах воспринимаем как уровень громкости чистого фона равногромкого с ним.

Могут быть скачки 2-3 дБ низкого фона (для человека с плохим восприятием звука).

Рис 3. Кривые равной громкости. Цифры на кривых означают уровень громкости в фонах.

Порог осязания соответствует болевому порогу слышимости.

Порог слышимости при уменьшении частоты резко повышается, с увеличением резко снижается в 8-10 раз по интенсивности (до 2-4 кГц), затем порог повышается.

На высоких уровнях громкости слух имеет частотную характеристику чувствительности, близкую к равномерной.

Для получения уровня громкости 80 фон уровни интенсивности тонов 100 и 500 Гц должны быть взяты » 80 дБ.

Слушание радиопередачи идет на уровне 80 фон, при этом все частотные составляющие (при одинаковой интенсивности) звучат одинаково громко. Уменьшаем на 30 дБ, следовательно, частота 100 Гц имеет уровень 50 фон. Чтобы звучание низких частот было такое же как и средних необходимо скорректировать частотную характеристику приемника путем подъема его чувствительности на нижних частотах на 20-30дБ.