|
Скачать 1.64 Mb.
|
|
2.2.2. Субъективная высота тона. Критические полосы Для понимания многих особенностей субъективного слухового восприятия важную роль играет субъективная высота тона. Она соответствует одинаковым расстояниям на базилярной мембране. Высота тона определяется областью максимального возбуждения базилярной мембраны, размеры которой приблизительно пропорциональны числу расположенных в этой области воло-сковых клеток. Ее можно также характеризовать числом различаемых градаций высоты. Субъективное восприятие высоты тона измеряется в единицах «Барк» или «мел» ,и тесно связано с критическими или тональными полосами слуха1. Приближенно 1 критическая полоса=1 Барк~100 мел~З6 градаций высоты тона А 1 область максимального возбуждения базиляриой мембраны ~ 1,3 мм A 1000 волосковых клеток. Эти соотношения поясняются рис. 2.3. Критические полосы не имеют определенной, постоянной ширины. Рассмотрение кривых на рис. 2.4 показывает, что субъективная высота тона z не связана прямой пропорциональной зависимостью с частотой / ни при 1Критические полосы иногда также называют частотными группами. — Прим. ред. 23 логарифмическом (а), ни при линейном (б) масштабе частот. Логарифмическому масштабу частот соответствует линейный масштаб частотных индексов Fи (рис. 2.4,а). Но и эти единицы измерения интервалов не позволяют получить линейную зависимость для субъективной высоты тона. Рисунок 2.4,в иллюстрирует увеличение ширины критической Аfкр полосы с ростом частоты. На рис. 2.4,г схематично показано распределение областей максимального возбуждения, соответствующих критическим полосам, вдоль развернутого внутреннего уха от овального окна (О. о.) до гсликотрсмы (Г). Па рисунке отражен и тот факт, что критические полосы имеют различную Рис. 2.3. Расстояние s от овального окна вдоль базилярной мембраны и гра-Дации высоты тона (минимально вос-принимаемые изменения высоты тона); область максимального возбуждения определяется частотой / (кГц), индексом FH (окт.) и субъективной высотой тона {14] ширину. Из рис. 2А,а следует, что в области низких частот (до 500 Гц) субъективная высота тона приближенно пропорциональна частоте, а на более высоких частотах такая зависимость наблюдается, если частота измеряется в единицах интервалов Fи. Рис. 2.4. Зависимости логарифмической шкалы частот f и индексов Fи (а), линейной шкалы частот (б) и ширины критических полос AfKp (в) от равномерно распределенных вдоль баз'илярной мембраны (г) субъективных высот тона z Отсюда можно сделать вывод о том, что при измерениях на частотах выше 500 Гц критические полосы с достаточной точностью совладают с полосой пропускания третьоктавных фильтров, а на более низких частотах — с полосой пропускания октавных фильтров 1. Пользуясь рис. 2.5, можно найти поправки на уровни звукового давления, измеренные в октавных или третьоктавных полосах, которые необходимо вносить для оценки уровней в критических полосах. Рис. 2.5. Поправки по уровню звукового диплопии AL,, которые необходимо вводить при оценке уровня Lкр и критических полосах по результатам намерений с помощью октавных (L-окт) или третьоктавных (L1/3окт) фильтров с теми же средними частотами fcp [7] Субъективное восприятие высоты тона оказывается существенным в тех случаях, когда необходимо оценить ощутимые на слух колебания высоты тона. На частотах выше 500 Гц вместо единиц «мел» для такой оценки можно пользоваться центами, но на низких частотах девиацию частоты,— если хотят получить объективную меру,— необходимо измерять в герцах. Субъективная высота тона D мелах или барках будет справедлива в обоих случаях. Еще большее значение, чем при оценке колебаний высоты тона, критические полосы имеют при определении уровня громкости, так как субъективно воспринимаемые громкости спектральных компонент сигналов в пределах одной критической полосы суммируются (см. разд. 2.3). 2.2.3. Смещение по частоте При проектировании систем озвучения субъективное восприятие высоты топа служит основой для оценки дефектов звучания, которые могут быть обусловлены смещением частот в электроакустическом канале звукоусиления. Транспонирование спектра происходит лишь в системах, где смещение по частоте вводится для подавления паразитной акустической обратной связи. В основном применяется постоянное смещение примерно на 5 Гц, но нередко вводится и частотная модуляция с частотой 4 Гц и девиацией частоты ± 4 Гц. В обоих случаях изменяются частотные интервалы, что воспринимается слушателями как искажения зву- 1Это не совсем так. На низких частотах ширина критических полос прогрессивно возрастает с понижением частоты и на частоте, скажем, 50 Гц составляет уже около 3 октав. — Прим. ред. 25 чания. На рис. 2.6 показаны два примера для октав. Из рисунка видно, что более существенные изменения происходят в области низких частот. Для октавы от 100 до 200 Гц смещение на 5 Гц приведет к отношению частот f2/f1 = l,95, приближающемуся к большой септиме (f2/f1 = 1,8878). Интервал в чистую актаву уже не может быть услышан; можно ожидать при этом дисгармоничного звучания. Рис. 2.6. Примеры смещения октавы на 5 Гц Рис. 2.7. Допустимая крутизна частотной характеристики канала, при которой возникает опасность, что неощутимая частотная модуляция будет преобразована в слышимую амплитудную [28]: —-—- в дБ/Гц;-----------в дБ/окт Опыт транслирования радиопередач с использованием одной боковой полосы показал, что разность несущих частот передатчика и приемника не должна превышать Af=1 ... 2 Гц. Лишь в этом случае удается полностью исключить дисгармоничное звучание. На речевом сигнале, напротив, смещение частоты может достигать 10 Гц без заметного снижения разборчивости (см. также разд. 5.3.3). Диссонансы в звучании музыки могут быть смягчены, если, как уже говорилось, вместо постоянного смещения по частоте использовать частотную модуляцию. Однако и при этом появляются заметные искажения. Для. объяснения причин их возникновения необходимо рассмотреть ряд явлений. Прежде всего необходимо отметить, что из-за неравномерности с большой крутизной спадов и подъемов) частотной характеристики коэффициента передачи системы, которая может быть обусловлена громкоговорителями или помещением, возможно преобразование частотной модуляции в амплитудную. А к амплитудной модуляции — и именно в пределах критических полос — наше ухо гораздо чувствительнее, чем к частотной. При одной и той же частоте модуляции fмод боковые полосы различаются только их фазой. При частотной модуляции боковая полоса сдвигается по фазе относительно боковой полосы амплитудно-модули-рованного сигнала на П рад. Если человек вообще не в состоянии различить на слух оба вида модуляции, то это свидетельствует о том, что в пределах критической полосы (при наличии таковой) мы в состоянии реагировать и на фазовые различия. Было изу- 26 чено, при какой глубине модуляции (в зависимости от частоты модуляции) становится слышна паразитная амплитудная модуляция. На рис. 2.7 показано, при какой крутизне частотной характеристики тракта на данной частоте fо неслышимая сама по себе частотная модуляция становится слышимой из-за преобразования в амплитудную. Для объяснения причин искажений в звучании музыки при использовании частотной модуляции необходимо указать далее на то обстоятельство, что при fмод = 4 Гц, оказавшейся наиболее эффективной, обеспечиваются и условия наилучшей слышимости возникающих искажений [7, с. 411, 412]. Для достижения той же эффективности подавления паразитной обратной связи при более низкой частоте приходится увеличивать девиацию частоты, а если выбрать частоту модуляции более высокой, то индекс модуляции p="Af/fмод становится больше 1, что ведст к нелинейным искажениям; возрастает уровень помех. То, что смещение по частоте на 4 Гц ощутимо на слух, не вызывает сомнений. На частотах ниже 500 Гц слышен сдвиг на 1,5 Гц, а на более высоких частотах—относительное изменение частоты, равное 3% [14]. Не возникают ли такие же по порядку величины колебания частоты непосредственно при игре на музы-канальных инструментах? Дополнительные изменения частоты не вызвали бы в этом случае заметных искажений. Ни один музыкант, и тем более ни один певец, не может «держать» ноту с такой высокой точностью. Для пояснения можно сказать, что изменение высоты тона с частотой 440 Гц, по которому настраивают инструменты, на 4 Гц означает расстройку на 16 центов, т. е. меньше чем на 1/6 полутона. В [29] показано, что такого рода колебания частоты представляют собой типичное явление в музыке и отнюдь не только при вибрато; колебания высоты тона обусловлены самим процессом извлечения звука, будь то смычковый, ударный, духовой или щипковый инструмент. В первые две секунды после нажатия на фортепиано клавиши а1 наблюдаются колебания основной частоты тона на ±45 Гц (183 цента). Однако принципиально неверно было бы делать на этом основании вывод, что такого же порядка или еще меньшие колебания частоты, вносимые техническими средствами, не представляют практического интереса. Как раз по этим колебаниям различают музыкальные инструменты и ими же определяется художественная выразительность исполнения! Искажения сигналов, соизмеримые с теми их параметрами, которые формируют эстетическое впечатление, совершенно недопустимы. Помимо всего сказанного на длительных нотах появляются слышимые и неприятные биения между сигналом от первичного источника и сигналом смещенным по частоте. Исключить же в залах зоны, в которых оба эти сиг-пала имеют приблизительно одну и ту же амплитуду, практиче-ски невозможно. 2.3. МЕРЫ ГРОМКОСТИ 2.3.1. Уровень громкости Неточные, приблизительные субъективные оценки вызвали и в отношении громкости желание найти объективно измеряемый физический параметр. Известным компромиссом является уровень громкости Ln. Он измеряется в фонах и определяется выражением (2.9) Здесь pN представляет собой эффективное значение звукового давления синусоидального сигнала с частотой 1 кГц, который при фронтальном падении звуковой волны и прослушивании двумя ушами воспринимается как равногромкий с оцениваемым звуком; ро = 20мкПа = 20 мкН/м2 — пороговое звуковое давление. Субъективная оценка, таким образом, не исключается, но тем не менее значение LN можно найти, так как для синусоидальных тонов известны значения рN{f), а следовательно, и LN. Рис. 2.8. Кривые равных уровней громкости в фонах для синусоидальных тонов [30] По данным измерений, имевшихся к 1958 г., ИСO (1) рекомендовала воспроизводимые на рис. 2.8 изофоны, (кривые равного уровня громкости в фонах) [30], которые почти все страны включили в свои национальные стандарты. 1International Standartisation Organisation — ИСО — Международная организация по стандартизации. — Прим. ред. 28 2.3.2. Громкость или С чистыми синусоидальными тонами мы почти никогда не встречаемся. Суммирование большого числа синусоидальных тонов, составляющих спектр реального сигнала, осуществляется, как уже упоминалось, суммированием громкостей в 24 критических полосах слуха. Сама по себе громкость определяется только как субъективный параметр. Условлено (тоже в международном масштабе [30]) считать, что уровню громкости LN = 40 фон соответствует громкость, равная 1 сон, а громкость п сон будет иметь место в том случае, если слушатель оценивает предъявляемый сигнал как в п раз более громкий. Такую оценку громкости N можно заменить следующим пересчетом уровня громкости: (2.10) Для пересчета удобно пользоваться номограммами на рис. 2,9. Численные значения громкости лучше соответствуют субъек-тивному слуховому восприятию. Уменьшение уровня громкости LN, например, на 10 фон всегда соответствует снижению громкости N на 50%, т. с. N1 в этом слу-чае будет в 2 раза больше N2. Если разность между LN1 и LN2 равна 20 фон, то N2 составляет лишь 25%, от N1, или, иначе говоря, N1, в 4 раза больше N2. Эти соотношения не зависят от того, снижается ли уровень громкости со 100 до 90 либо 80 фон или же с 50 до 40 либо 30 фон. Рис. 2.9. Номограммы для пересчета ypoвней громкости LN в громкости N и их разности или отношения: LN1>LN2 и N1 >N2 [31] 2.3.3. Суммирование громкостей Если известно эффективное значение звукового давления рлт, измеренное в критических полосах (или же с помощью третьок-тавных и октавных фильтров, приближенно обеспечивающих ту же ширину полосы пропускания), то, используя соотношения (2.9) и (2.10), можно найти громкости Ni в каждой критической полосе, а затем просуммировать их и рассчитать общую гром- 29 кость которую воспользовавшись формулой (2.10), легко пересчитать затем в общий уровень громкости /^общ. Это трудоемкая процедура, не позволяющая к тому же получить достаточно точные результаты. Дело в том, что громкости можно суммировать лишь в том случае, если сигналы в соседних критических 'полосах не маскируют друг друга. Надо учитывать далее, что громкость зависит от того, приходит ли к слушателю диффузный звук или же речь идет о фронтальном падении звуковой волны. Стивенсом [32, 65—67], Цвикером [33, 65, 66, 68] и Низе [65, 69] разработаны графические методы расчета, учитывающие все эти тонкости. Ограничимся здесь лишь ссылками на литературу. Метод, предложенный Низе, позволяет рассчитывать громкости и для импульсных сигналов. В целом вопросы расчета громкостей наиболее полно рассмотрены в [7]. Несмотря на то, что упомянутые методы расчета громкости дают наилучшее приближение к субъективному ощущению громкости, они используются — в связи с большой трудоемкостью —• только в научных целях. Разработаны, правда, приборы, позволяющие непосредственно измерять уровень громкости и громкость [70, 71], но они не вошли пока в практику электроакустических измерений. |
|
Поиск на сайте Главная страница Литература Доклады Рефераты Курсовая работа Лекции |