|
Скачать 1.64 Mb.
|
|
2.5.5. Процесс установления громкости в помещениях Последовательности импульсов играют определяющую роль и при оценке процесса установления заданного уровня громкости в помещениях. Дело в том, что помещение непрерывно «повторяет» импульсы, излучаемые источником сигнала. Выяснилось, что очень короткие импульсы воспринимаются раздельно уже при па- узах между ними длительностью всего 5... 10 мс, чего не происходит при более длительных импульсах (с короткими паузами). Им-/ пульсные звуки музыки и речи тоже сливаются в помещениях т единое звучание, и уровень громкости определяется при этом их суммарной энергией. Так, собственно, и должно быть в помеще/-ниях с хорошей акустикой, так как в противном случае появляется опасность возникновения эха. Можно, таким образом, оценивать уровень громкости, измеряя общую энергию (при одном и том же импульсном возбуждении), приходящую к тому или иному слушательскому месту. Даже при большом времени реверберации доля энергии, приходящей спустя примерно 300 мс после прямого звука и позднее, оказывается очень невелика, хотя она и ощущается на слух еще в течение довольно продолжительного отрезка времени. Необходимо, чтобы, по крайней мере, половина общей энергии сигнала приходила к слушателю за первые 80 мс. Если исходить из экспоненциального закона спада, то оставшаяся половина энергии через 1/10 времени реверберации (при Т = 2 с это составляет 200 мс) уменьшится еще на 6 дБ, т. е. на 3/4 этой половины или на 3/8 общей энергии. К слушателю поступит тогда 7/8 общей энергии. В связи с этим можно измерять относительное распределе-энергии в помещении, оценивая долю общей энергии, приходящую за первые примерно 300 мс, либо используя стационарные шумовые сигналы. 2.5.6. Постоянная времени спада слуховых ощущений Если согласиться с гипотезой, что процесс формирования ощущений громкости определяется накоплением и расходованием энергии реактивными элементами внутреннего уха, то постоянную времени уха можно определить не только по времени установления ощущения, но и по времени его спада, поскольку временна накопления и расходования энергии зависят от одних и тех же элементов потерь. Время спада слуховых ощущений было измерено Штойделем [54]. Это время удалось очень точно измерить по порогу маскировки после отключения сильного возбуждения. Оно составляет 25 мс, т. е. соответствует «внутреннему» времени реверберации 350 мс, которое оказывается, таким образом, меньше, чем времена реверберации в обычных помещениях. Обе постоянные времени (для нарастания и спада слуховых ощущений) не зависят от частоты сигнала и его уровня [49, 50, 55, 56]. Стандартизованная постоянная времени импульсных шумомеров, равная 35 мс [74], представляет собой поэтому удачный компромисс между совокупной (большие длительности) и раздельной оценками сигналов (короткие импульсы с паузами). 2.5.7.Восприятие эха. Временной порог восприятии «Внутреннее» время реверберации, составляющее около 350 мс, (время спада накопленной энергии на 60 дБ), говорит о том, что уровень возбуждения спадает на 6 дБ по истечении 35 мс. Если по истечении этих 35 мс поступит новый импульс того же уровня, что и первоначальное возбуждение, то он будет услышан раздельно. Иначе говоря, он не увеличивает уровня громкости, а ощущается как эхо. Более короткие последовательности импульсов, хотя и воспринимаются, объединяются в единое звучание и в единый уровень громкости. Ощущение эха по истечении 35 мс воз-никает лишь в том случае, если длительность приходящего импульса меньше 35 мс и если между первым и вторым импульсами имеется пауза, не заполненная какими-либо другими сигналами. Оба эти условия очень часто выполняются как в речи, так и в музыке. Если пауза до прихода «эха» заполнена другими, хотя и слабыми, повторениями сигнала, то возбуждение уха не спадает вообще или спадает гораздо медленнее и вероятность восприятия дальнейших повторений сигнала как самостоятельных звуков уменьшается. В возникновении эха определяющую роль играют, таким образом, длительность импульсного возбуждения, промежуток времени до прихода повторения, уровень повторяющегося сигнала и заполнение паузы повторениями сигнала с меньшими уровнями. Под эхом принято понимать лишь осознанно воспринимаемое повторение сигнала. Как показывает опыт, эхо наблюдается при временах запаздывания порядка 100 мс. Но и при меньших временах запаздывающие повторения вредны, так как от них страдает разборчивость речи. Запаздывание на 50 мс может ориентировочно считаться пороговым значением, при котором эхо на речевых сигналах становится практически незаметным. Запаздыванию на 100 мс соответствует разность хода звуковых волн, равная 34 м, а на 50 мс— 17 м. Более тщательные исследования порога восприятия эха проведены Хаасом [7, с. 483—485, 76, 77]. При времени реверберации (в аудитории) 0,8 с, скорости речи 5,3 слога/с и разности уровней сигнала и эха 0 дБ он получил значение порога восприятия эха, равное 68 мс. При этом 50% слушателей отмечали неприятный характер звучания, обусловленный задержанным на 68 мс повторением сигнала. Слушатели понимали текст, но это требовало от них значительного напряжения. Затем Хаас изменял отдельные параметры и получил следующие данные: Порог восприятия 44 мс 78 мс Время реверберации: 0 (свободное пространство) 40 мс 92 мс 1,6 с Скорость речи: 47
59 мс 108 мс 175 мс Эхо от- сутствует Разность уровней первоначального и запаздывающего сигналов: +10 дБ -3 дБ —6 дБ — 10 дБ Те параметры, которые не упомянуты здесь как переменный, сохранили свое первоначальное значение. Тот факт, что большее время реверберации повышает разборчивость— только в данном случае!—удивляет, но легко объясним, так как для экспериментов было выбрано небольшое помещение и пауза до излучения запаздывающего повторения оказывалась заполненной многократными повторениями, обусловленными отражением звука в помещении. В больших помещениях на это, как правило, нельзя надеяться. Интересно, что мешающее влияние повторения быстро падает с уменьшением уровня запаздывающего сигнала. В обычных помещениях можно всегда рассчитывать на спад уровня. При времени реверберации 2 с уровень снижается за 200 мс на 6 дБ, но паузы между отдельными повторениями практически отсутствуют, так как они заполнены отражениями и можно не опасаться возникновения эха. Система звукоусиления может, однако, создать уровень запаздывающего повторения такой же по порядку величины или даже больший, чем у прямого звука, и тем самым обеспечит все условия для появления эха. Если же в помещении обеспечивается равномерный спад отзвука, то эхо на музыке исключается. Опыт показывает, что на речи, напротив, и при равномерном спаде реверберационного сигнала опасно увеличивать время реверберации. Это означает, что не так важно приближение к порогу восприятия, как маскировка последующих звуков предыдущими. Вновь излучаемые звуки могут быть даже значительно слабее предыдущих, но они должны быть тем не менее слышны. Такая ситуация возможна в тех случаях, когда «внешнее» время реверберации помещения значительно превосходит «внутреннее» время реверберации уха (0,35 с), даже если реверберациониый звук в помещении спадает идеально равномерно. Соответствующие количественные параметры приводятся в разд 3.6.2. При интегрировании приходящей последовательности звуков необходимо прежде всего выяснить, идет ли речь о коротких, затухающих повторениях одного и того же сигнала. В этом случае можно в измерительных приборах интегрировать спадающий отзвук вплоть до того уровня, когда звук становится уже неслышимым (примерно до 500 мс). Приходящую к слушателю общую энергию, определяющую уровень громкости, можно измерять при этом даже при стационарном возбуждении. Этого нельзя, однако, делать, если процессы нарастания и спада звука характеризуются значительными паузами (или эти паузы создаются системой звукоусиления). Продолжительность допустимых пауз определяется спадом слухового возбуждения во внутреннем ухе, т. е. временем реверберации, равным 0,35 мс. 48 Если спадающий уровень после паузыэ не заполненной отражениями, возрастает снова на 6 дБ5 возникает опасность появления эха. 2.5.8, Восприятие новых сигналов Гораздо более короткими граничными временами ухо характеризуется в том случае, когда речь идет о новых сигналах. Здесь уже порядок величин составляет около 1 мс. Нет ничего плохого в том, что люди способны реагировать на столь кратковременные звуковые явления. Более того, эти явления должны уверенно восприниматься в излучаемых источниками сигналах. Если же они обусловлены техническим несовершенством системы звукоусиления, то ощущаются как помехи даже при очень низких уровнях. Надо всегда учитывать наличие пауз, в которых такого рода помехи могут быть услышаны без маскирования их полезным сигналом. С интервалами порядка 1 мс встречаются и в тех случаях, когда усилительный канал может внести изменения в характер установления полезного сигнала. 2.6. ЛОКАЛИЗАЦИЯ Наша способность локализовать источники звука в пространстве обусловлена в основном слушанием двумя ушами, Большую роль при этом играют различия во времени прихода сигналов к левому и правому уху, составляющие от 30 до 600 мкс. Однако если звук приходит в медианной плоскости, то все различия между правой и левой стороной, имеющиеся при боковом падении звука, исключаются. Тем не менее люди способны локализовать источники, расположенные спереди, сверху или сзади. 2.6.1. Монауральная локализация Хотя уже давно было известно, что локализация в медианной плоскости (опереди — сверху — сзади) осуществляется человеком главным образом на основе спектральных изменений сигнала (при неподвижной или зафиксированной голове), соответствующие количественные соотношения были найдены лишь недавно. Они обобщены Блауэртом [16], внесшим большой самостоятельный вклад в исследование пространственных свойств слуха. Как следует из рис. 2.22, существуют «пеленговые полосы» частот, которым соответствует определенное кажущееся направление прихода звука (сзади, спереди или сверху) независимо от того, в какой части медианной плоскости фактически находится источник сигнала. Отчетливо это проявляется лишь в том случае, если спектр сигнала не выходит за пределы пеленговой полосы. В повседневной жизни редко встречаются, однако, с узкополосными шумами. Более широкополосные шумы сравниваются со спектрами таких сигналов, которые известны слушателю как приходящие спереди или сзади. Поэтому точность локализации повышается, если слушатель воспринимает шум от известного ему источника и знает заранее, как изменяется окраска звучания этого источника в зависимости от направления прихода звука, или же имел раньше склонность упражняться в локализации, например, применительно к широкополосным шумам. Но и без обучения оценка направления прихода звука значительно облегчается (как показал Дамаске [57]) благодаря тому, что звук, приходящий к слуховому каналу сзади (9=120... 180°), имеет уровень на 4 дБ ниже, чем звук, приходящий спереди (9 = 0... 30°). Дамаске установил это на широкополосных шумах. При использовании же третьоктавных полос шума от 0 до 500 Гц и от 2 до 6 кГц при падении звука спереди, а также от 0,7 до 2 кГц, если звук приходит сзади, напротив, наблюдаются области «подъемов» (нормирование осуществляется каждый раз относительно противоположного направления прихода звука [16, с. 91]). Эти данные очень хорошо согласуются с «пеленговыми полосами» Блауэрта (см. рис. 2.22). Рис. 2.22. Относительное число экспертов, дававших с достоверностью 95% один из трех ответов: «сзади» (сз), «сверху» (ев) или «спереди» (сп) при прослушивании третьоктав-ных полос шума. Средние частоты полос отложены по оси абсцисс (в затемненном заглушённом помещении на расстоянии 3,3 м от источника). Положение излучателя слушателям было неизвестно. Уровень шума изменялся по случайному закону в пределах от 30 до 60 дБ. Для «пеленговых полос»: а— достоверность 90%; //////— наиболее вероятный случай [16, с. 89] Человек имеет еще одно важное средство для того, чтобы различать направление прихода звука спереди или сзади. Небольшими поворотами головы он автоматически создает незначительную долю бокового звука и благодаря вызванным таким образом различиям во времени прихода и уровнях сигнала на левом и правом ухе получает дополнительную информацию о местонахождении источника. Такой способ непригоден, правда, если звук приходит сверху. Среди пеленговых полос имеется лишь очень узкая область вблизи 8 кГц, с которой связана информация о приходе звука сверху. При проектировании систем озвучения почти всегда стремятся к тому, чтобы нельзя было локализовать «искус-ственные» источники звука. Очень часто громкоговорители располагают на потолке. В таких случаях надо всегда внимательно следить за тем, чтобы область частот вблизи 8 кГц не подчеркивалась, а еще лучше, была бы несколько ослаблена, так как в противном случае слушателям может казаться, что источник сигнала располагается на потолке. На громкоговорителях, расположенных вблизи линии, соединяющей слушателя с первичным источником звука, надо очень тщательно выбирать уровень сигнала в указанной полосе частот. Здесь лучше обеспечить некоторый избыток высоких частот (вблизи 8 кГц), чем недостаток. Во всяком случае эти громкоговорители должны эффективнее излучать высокие частоты, чем все остальные громкоговорители, распределенные по залу. 50 2.6.2. Бинауральная локализация 2.6.2.1. Один источник сигнала. При боковом падении звука в ухе, обращенном к источнику сигнала, создается избыточное давление, а противоположное ухо оказывается «затененным» головой. Ухо чувствительнее к звукам, приходящим сбоку, чем к поступающим спереди. По разности уровней звуковых давлений в центральной нервной системе принимается решение о направлении прихода звука. Рисунки 2.23 и 2.24 дают представление о монауральных и бинауральных диаграммах направленности слуха, полученных в результате измерения звукового давления у барабанной перепонки (с помощью зонда) и нормированных относительно звукового давления в невозмущенном свободном поле. Можно предполагать, что одно и то же звуковое давление обусловливает и равные уровни громкости [60]. Рис, 2,23. Диаграммы направленности правого уха на четырех частотах [58]: —■—— — 7©0 Гц; — 3,5 кГц; — 5 кГц; .— 7 кГц Рис. 2.24. Диаграммы направленности при слушании двумя ушами, полученные из диаграмм направленности для одного уха путем энергетического сложения на двух частотах [59]: 4,5 кГц; 8 кГц На более низких частотах диаграммы направленности слуха постепенно приближаются к круговым. Средняя разность уровней у обоих ушей для речи показана на рис. 2.25, а на рис. 2.26 представлена аналогичная зависимость от частоты при падении звука под углами 30, 60 и 90°. Более поздние и более подробные данные измерений приведены в [16, с. 7i0—76]. Дополнительные результаты экспериментов с импульсными сигналами содержатся в [63]. В последней из названных работ раздельно рассмотрены передаточные функции каналов «свободное поле — вход слухового канала» и «вход слухового канала — барабанная перепонка». Полученные результаты свидетельствуют о том, что на участке «вход слухового канала — барабанная перепонка» уже не добавляется информация о направлении прихода звука. Это очень важно для систем пере- 51 дачи с искусственной головой и для оценки качества систем звукоусиления с помощью искусственной головы. По крайней мере, столь же важную роль, как разность уровней, играет и разность времен прихода сигналов к обоим ушам. Легко подсчитать, что максимальное бинауральное различие времени прихода звука при боковом падении Рис. 2.25. Разность уровней звукового давления AL между ближним и удаленным от источника ухом при перемещении источника речевого сигнала вокруг головы слушателя [61, 62] Рис, 2.26. Разность уровней звукового давления АL между удаленным и ближним ухом для чистых тонов при боковом падении звука под тремя углами в горизонтальной плоскости [61, 62] волны (9 = 90° для источника, расположенного справа, и 9 = 270°, если источник находится слева) может составлять 630 мкс, если среднее значение разности жода между ушами принять равным 21 ом. Разность хода, обусловленная небольшими поворотами головы (или незначительными изменениями направления прихода звука) максимальна при фронтальном падении звуковой волны. Опыт показывает, что в этом случае человек способен воспринимать изменение направления прихода звука, составляющее всего 3°. Это соответствует разности хода 1 см или наименьшему воспринимаемому блнауралыюму различию времени прихода звука, равному 30 мкс. При коротких импульсных сигналах (щелчки) ухо способно осуществлять еще более тонкий анализ. При одном и том же изменении угла прихода звука в случае бокового падееия разность хода и бинауральная разность времени оказываются меньшими, зато возрастает разность уровней (и спектральные различия). В среднем при падении звука в пределах 0... 5° насчитывается 15 тагов по 3°, а в пределах угла 45... 90° — 10 шагов по 4,5° каждый. Приведенные данные относятся к широкополосным шумам с сильно меняющейся огибающей, что характерно для речевых и музыкальных сигналов. Блауэрт приводит более точные значения для чистых тонов [16, с. 114—131] и обращает внимание на то обстоятельство, что по разности фаз чистых тонов однозначные выводы относительно стороны прихода звука могут быть сделаны только в том случае, если длительность полупериода не превышает 630 мкс, то е. до частоты 800 Гц. Так как наше ухо прежде всего подвергает приходящие сигналы спектральному анализу -и, возможно, сравнивает возбуждения, соответствующие одной и той же высоте тона в правом и левом ухе, то скорее всего на высоких частотах определение направления прихода звука по разности фаз принципиально невозможно; то же самое относится к длительным тонам и высокочастотным сложным звучаниям. При высокочастотных шумах, а еще в большей степени при высокочастотных импульсах направление прихода звука распознается по бинауральной разности времени. В таких случаях (начиная с частоты 1,6 кГц) сравниваются, по-видимому, изменения огибающих сигнала за малые интервалы времени. При проектировании систем звукоусиления учитывают, что слушатели чувствительнее к боковым сигналам, нежели к сигналам, приходящим сверху. Это касается как уровня (громкость, см. рис. 2.24), так и пространственного впечатления (см, § 3.7), если преобладает диффузный звук (см. рис. 3.14). В рас-четах, проведенных в данной книге и направленных на определение выигрыша по усилению и условий предотвращения самовозбуждения, не учитывались, однако, направленные свойства слуха. Склонность систем звукоусиления к самовозбуждению зависит не от свойств слуха человека, а от направленных свойств и размещения микрофоном. При расчете выигрыша .по усилению будем всегда предполагать, что восприятие звука слушателем не зависит от направления прихода сигналов. Тем самым обеспечивается некоторый запас по усилению. Если звук к слушателю приходит от громкоговорителя, расположенного не спереди, а сбоку, то уровень громкости еще выше, чем следует из приведенных далее расчетных соотношений. 2.6.2.2. Несколько источников звука, излучающих один и тот же сигнал. Общие положения. То, что локализация источника сигнала становится нечеткой, если одинаковые сигналы приходят с разных направлений, выявилось впервые лишь в связи с применением систем звукоусиления, где такого рода явления протекают необычным образом. Здесь подчеркивается «необычным образом» потому, что часто встречается обычная ситуация, когда одни и те же сигналы приходят к слушателю с разных направлений; так происходит, например, в помещениях с отражающими ограждающими поверхностями. При этом источник правильно локализуется с первого же момента прослушивания. Здесь помогает закон первой волны [19] или эффект опережения (Precedence-Effekt по Валлаху и др. [64]), заключающийся в том, что восприятие направления прихода звука определяется первым из приходящих сигналов; закон сохраняет свою силу даже в том случае, если «отражение» (последующий сигнал) имеет более высокий уровень (превышение до 10 дБ) и приходит с запаздыванием до 30 мс. Закон первого фронта имеет и свои ограничения. Если отражение значительно громче первичного сигнала или приходит позднее, чем через 30 мс, то слушатель не разделяет оба сигнала, а при еще большем времени запаздывания воспринимает второй сигнал как эхо (см. разд. 2.5.7). Если же временной сдвиг между сигналами составляет около 1 мс (но не более 3 мс), то они сливаются в единый сигнал и при оценке направления прихода звука; в этом случае говорят о локализации суммы. Поскольку временной сдвиг 1 мс соответствует разности хода 34 см, то при одном источнике сигнала и отражениях, обусловленных помещением, такие нарушения локализации не могут быть значительными. До применения электроакустических средств усиления именно так все всегда и обстояло. Но два громкоговорителя могут находиться под разными углами к слушателю (вплоть до 180°, спереди — сзади, справа — слева) и излучать одинаковые сигналы с задержкой порядка 1 мс. При этом слушатель распола- |
|
Поиск на сайте Главная страница Литература Доклады Рефераты Курсовая работа Лекции |