Андрей смирнов музыкальная акустика Звук. Основные понятия и определения



Скачать 266.63 Kb.
Дата28.10.2016
Размер266.63 Kb.
Андрей СМИРНОВ

Музыкальная акустика

1. Звук. Основные понятия и определения

Звук – это особый вид механических колебаний в упругих средах и телах (твердых, жидких, газообразных), способный вызывать слуховые ощущения (слышимый звук).

Частоты слышимых колебаний лежат в пределах 20 - 20000 гц,


Колебания на частотах меньше 20 гц – инфразвук.
Колебания на частотах больше 20000 гц - ультразвук.

Изучением звука как физического явления занимается наука акустика.

Закономерности восприятия звука человеком имеют нелинейный характер. Часто мы слышим то, чего нет на самом деле, даже не отдавая себе в этом отчета. Изучением законов восприятия звуковых явлений человеком занимается наука психоакустика.

Любые исследования в области музыкальной теории, а также акустики музыкальных инструментов, возможны только при условии объединения данных обеих наук. Именно этим и занимается наука музыкальная акустика.

Изучение музыкальной акустики является неотъемлемой частью любого курса композиции электроакустической музыки, главным материалом которой является собственно природа звука и его восприятия человеком.

В обыденной акустической ситуации те или иные объекты (мембраны, деки, струны и т.п.), совершая механические колебания в воздушной среде, создают области повышенного и пониженного давления, что приводит к формированию распространяющихся в пространстве звуковых волн. Измеряя с помощью приборов (например, микрофона) временную зависимость изменения давления в определенной точке пространства, можно построить график, иллюстрирующий колебательный процесс - так называемое волновое представление звука. Тем же способом осуществляется запись звука на различные носители: магнитные, оптические, цифровые и т.п.



Громкость звука определяется амплитудой звуковых колебаний;
высота звука определяется частотой этих колебаний;
тембр звука, вообще говоря, определяется амплитудой колебаний обертонов, хотя, строго говоря, это понятие не имеет однозначного определения.

«Самым сложным субъективно ощущаемым параметром является тембр. 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» (И.Алдошина).





Фазой колебания называют стадию или состояние движения колеблющегося тела относительно какого-либо его положения, например, относительно положения равновесия; это положение можно принять за начало отсчета фазы. Любое другое положение тела при его колебаниях будет иметь определенную стадию движения или фазу относительно выбранного начала отсчета.

Скорость распространения звуковой волны (Скорость звука) - 340 м / сек при нормальной температуре. Длина звуковой волны на различных частотах:

340 гц - 1 м.
1700 гц. - 20 см.
10200 гц - 3,3 см.


2. Динамический диапазон. Единицы измерения.


Относительное изменение интенсивности звука измеряют в децибелах.

Величина в децибелах (по интенсивности) =

6 db - изменение в 2 раза
6 + 6 = 12 db - изменение в 4 раза
6 + 6 + 6 = 18 db - изменение в 8 раз и т.п.

0 db - предел чувствительности уха


10 db - шорох листьев
20 db - тихий сад
30 db - тихая комната
40 db - тихая музыка, шум в жилом помещении
50 db - шум в ресторане
60 db - средний уровень разговорной речи на расстоянии 1 м., громкий радиоприемник
70 db - шум мотора грузового автомобиля
80 db - шумная улица
90 db - fff симфонического оркестра, автомобильный гудок
100 db - сирена
110 db - пневматический молот
120 db - реактивный двигатель на расстоянии 5 м.
130 db - болевой порог

Относительное изменение мощности также измеряют в децибелах, но в этом случае число децибел равно десятичному логарифму отношения мощностей, умноженному на 10


Величина в децибелах (
по мощности) =

Предположим, что мощность P2 в два раза больше начальной мощности P1, тогда


10 log10(P2/P1) = 10 log10 2 ≈ 3 dB,

т. е. изменение мощности на 3 dB означает её увеличение в 2 раза.


Аналогично изменение мощности в 10 раз:
10 log10(P2/P1) = 10 log10 10 = 10 dB,

а в 1000 раз:


10 log10(P2/P1) = 10 log10 1000 = 30 dB,

Вычисления вполне реально производить в уме, для этого достаточно помнить примерную несложную таблицу (для мощностей):


1dB = 1.25
3dB = 2
6dB = 4
9dB = 8
10dB = 10
20dB = 100
30dB = 1000


3. Восприятие звука. Нелинейности.


Закономерности восприятия человеком громкости, высоты и тембра звука имеют
существенно нелинейный характер.




Пороги слышимости и болевого ощущения

Важная деталь восприятия звука слуховым аппаратом человека - так называемый порог слышимости. Это минимальная интенсивность звука, с которой начинается восприятие сигнала. Как мы видели, уровни равной громкости звука для человека не остаются постоянными с изменением частоты. Иными словами, чувствительность слуховой системы сильно зависит как от громкости звука, так и от его частоты. В частности, и порог слышимости также не одинаков на разных частотах. Например, порог слышимости сигнала с частотой около 3 кГц чуть менее 0 dB, а с частотой 200 Гц - около 15 dB. Напротив, болевой порог слышимости мало зависит от частоты и колеблется в пределах 100-130 dB. Обратим внимание, что, поскольку острота слуха с возрастом меняется, порог слышимости в верхней полосе частот различен для разных возрастов.



Кривые равных уровней громкости

Громкость звука соответствует субъективному восприятию силы звука. Ощущение приблизительно пропорционально логарифму раздражения. Восприятие интенсивности звука нелинейно и сильно зависит от частоты. При этом нормированная громкость звука измеряется в единицах, называемых фонами. Кривые, устанавливающие соответствие определенным уровням громкости соответствующие им интенсивности звука в зависимости от частоты называют кривыми равной громкости.
Восприятие громкости одного и того же тона также зависит и от интенсивности звука.


Зависимость субъективно воспринимаемой человеком высоты звука от его частоты



Высота тона
- субъективно воспринимаемая слухом частота звукового сигнала. Субъективно воспринимаемую высоту тона называют мелодической и измеряют в мелах.

Зависимость высота тона от его реальной частоты - нелинейна.

Субъективно воспринимаемая человеком высота звука сильно зависит от его частоты.


Этот феномен учитывают при настройке музыкальных инструментов. К примеру, настройка фортепиано производится с учетом так называемой "кривой Рейлсбека".



Зависимость ощущения высоты
звука от его интенсивности



Диаграмма настройки роялей
(кривая "Рейлсбека")

Линейность восприятия высоты звука


сильно зависит и от его интенсивности.

4. Взаимодействие звуковых волн

Интерференция волн — сложение в пространстве двух (или нескольких) волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Когда мы слышим звуки разных, но достаточно близких частот сразу от двух источников, к нам приходят то гребни обеих звуковых волн, то гребень одной волны и впадина другой. В результате наложения двух волн звук то усиливается, то ослабевает, что воспринимается на слух как биения. Этот эффект называется интерференцией во времени. Он используется при настройке двух музыкальных тонов в унисон (например, при настройке гитары): настройку производят до тех пор, пока биения перестают ощущаться.

Звуковая волна при падении на границу раздела с другой средой может отразиться от нее, пройти в другую среду, изменить направление движения, т. е. преломиться от границы раздела (это явление называют рефракцией), поглотиться или одновременно совершить несколько из перечисленных действий. Степень поглощения и отражения зависит от свойств сред на границе раздела.

Энергия звуковой волны в процессе ее распространения поглощается средой. Этот эффект называют поглощением звуковых волн. Важно отметить, что степень поглощения звуковой энергии зависит как от свойств среды (температура, давление, плотность), так и от частоты звуковых колебаний: чем выше частота, тем большее рассеяние претерпевает на своем пути звуковая волна.



Стоячая волна — колебания в распределенных колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) амплитуды. Практически такая волна возникает при отражениях от преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом, крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения. Примерами стоячей волны могут служить колебания струны, колебания воздуха в органной трубе.

Собственная резонансная частота - это такая частота колебаний, с которой данное физическое тело начнет колебаться, будучи выведенным из состояния покоя какой-либо внешней возбуждающей силой, например толчком, как качели, маятник часов и др., или ударом, как ножки камертона, корпус колокола, струна рояля, или потоком воздуха, как труба органа или бутылка, если подуть в ее горлышко и т.д.. Собственную резонансную частоту называют иногда частотой свободных колебаний.

Резонанс (фр. resonance, от лат. resono — откликаюсь) - это явление возникновения и усиления колебаний какого-либо тела или его части под действием возбуждающей эти колебания внешней силы, частота воздействия которой совпадает с собственной резонансной частотой данного тела.

Струны таких инструментов, как лютня, гитара, скрипка или фортепиано, имеют собственную резонансную частоту, напрямую зависящую от длины и силы натяжения струны. Длина волны первого резонанса струны равна её удвоенной длине. При этом, его частота зависит от скорости v, с которой волна распространяется по струне.

Три закона резонанса:

Первый закон. Резонатор является усилителем колебаний воздействующей на него возбуждающей силы. В этом легко убедиться, приставив звучащий камертон к корпусу резонатора: еле слышный звук камертона возрастает до такой силы, что становится слышным в большой аудитории.

Второй закон. Резонатор избирательно реагирует на частоту воздействующей на него возбуждающей силы: усиливает только те колебания, которые соответствуют его собственной резонансной частоте. Максимальный подъем (пик) резонансных кривых происходит только в точке совпадения частоты воздействующей силы и собственной резонансной частоты резонирующего тела.

Третий закон. Резонатор усиливает колебания, соответствующие его собственной частоте, не требуя практически никакой дополнительной энергии.

Формантами называют области устойчивых резонансов, характерных для той или иной акустической системы и существенно влияющих на тембр. Например, каждому звуку речи (простейший звук речи называется фонемой) соответствует своя форма вокального тракта, которая варьируется за счет изменения положения языка, губ, зубов и т.п. и, соответственно, свое положение формант на частотной шкале. Вместе с тем есть области частот, которые певческими резонаторами усиливаются наиболее значительно и постоянно. Это так называемые высокая и низкая певческие форманты.

Реверберация - сложный акустический процесс, возникающий при многократном отражении звуковой волны от различных объектов. Двигаясь в замкнутом пространстве (комната, зал), звуковая волна претерпевает многократные отражения от поверхности стен, различных объектов и т.п. Отраженные звуковые колебания, складываясь, могут сильно влиять на конечное восприятие звука — изменять его окраску, насыщенность, глубину, создавая характерное послезвучание, обусловленное приходом в точку измерения запоздавших отраженных или рассеянных звуковых волн.

Способность огибать препятствия — еще одно ключевое свойство звуковых волн, называемое дифракцией. Степень огибания зависит от соотношения между длиной звуковой волны (ее частотой) и размером стоящего на ее пути препятствия или отверстия. Если препятствие оказывается намного больше длины волны, то звуковая волна отражается от него. Если же размер препятствия сопоставим с длиной волны или меньше ее, то звуковая волна дифрагирует.




5. Обертоны и спектр

Французский математик Фурье (1768-1830) и его последователи доказали, что любое сложное колебание можно представить в виде суммы простейших колебаний, называемых собственными частотами, или, другими словами, что любую периодическую функцию, в случае ее соответствия некоторым математическим условиям, можно разложить в ряд (сумму) косинусов и синусов с некоторыми коэффициентами, называемый тригонометрическим рядом Фурье.



Обертоном называется любая собственная частота выше первой, самой низкой (основной тон), а те обертоны, частоты которых относятся к частоте основного тона как целые числа, называются гармониками, причем основной тон считается первой гармоникой.

Если звук содержит в своем спектре только гармоники, то их сумма является периодическим процессом и звук дает четкое ощущение высоты. При этом субъективно ощущаемая высота звука соответствует наименьшему общему кратному частот гармоник.

Совокупность обертонов, составляющих сложный звук, называют спектром этого звука.

Разложение сложного звука на простейшие составляющие называют спектральным анализом, осуществляемым с помощью математического преобразования Фурье.

Методы спектрального анализа могут быть применены не только к периодическим сигналам, но также и к сигналам, представленным в цифровой форме. В зависимости от типа сигнала используются различные виды спектрального анализа: ряд Фурье (для периодических сигналов), интеграл Фурье (для непериодических сигналов), дискретное преобразование Фурье (ДПФ) и быстрое преобразование Фурье (БПФ) для цифровых сигналов.

Периодический сигнал U(t) (например, звуковое давление или напряжение) должен удовлетворять условию: U(t) = U(t + nT) где Т — период колебаний, n — це­лое число.

Основная (фундаментальная) частота определяется как
Такой сигнал может быть представлен в виде ряда Фурье. т. е. в виде суммы гармоник:


Частоты этих гармонических составляющих равны:
Амплитуды этих составляющих определяются следующими формулами:




Ряд Фурье может быть записан и в другой форме:

Как видно из этой формулы, любой сложный периодический звуковой сигнал может быть представлен в виде суммы простых гармонических сигналов с соответствующими амплитудами и фазами. Совокупность всех амплитуд на шкале частот называется амплитудным спектром, совокуп­ность всех фаз - фазовым спектром. При этом, несмотря на то, что ряд Фурье может быть бесконечным, предлагаемая им форма записи оказывается очень удобной при проведении анализа и обработки.

Так можно поступить с периодическими функциями. Однако и на практике, и в теории далеко не все функции периодические. Чтобы получить возможность раскладывать непериодическую функцию f(x) в ряд Фурье, можно воспользоваться "хитростью". Как правило, при рассмотрении некоторой сложной непериодической функции нас не интересуют ее значения на всей области определения; нам достаточно рассматривать функцию лишь на определенном конечном интервале [x1, x2] для некоторых x1 и x2. В этом случае функцию можно рассматривать как периодическую, с периодом Т = x2- x1. Для ее разложения в ряд Фурье на интервале [x1, x2] мы можем искусственно представить f(x) в виде некоторой периодической функции f'(x), полученной путем "зацикливания" значений функции f(x) из рассматриваемого интервала. После этой процедуры непериодическая функция f(x) превращается в периодическую f'(x), которая может быть разложена в ряд Фурье.



Сонограмма:
сопрано с вибрато в
оркестровой фактуре
График, на котором изображен развернутый во времени спектр звука, называют спектральным представлением звука или сонограммой. Другими словами, сонограмма представляет собой диаграмму распределения спектральной энергии акустического источника в координатах частоты и времени. При этом по вертикали откладывают частоты обертонов, по горизонтали - время, а цвет (чаще всего оттенок серого), указывает на интенсивность обертонов.


Очевидно, что возможна обратная операция - конструирование сложного звука по его гармоническим составляющим - называемая синтезом Фурье или аддитивным синтезом, т.е. синтезом, основанным на принципе сложения. Другими словами, возможен синтез сложного звука из простейших синусоидальных тонов, частоты, амплитуды и фазы которых изменяются во времени по строго определенным законам. Своего рода виртуозом аддитивного синтеза был и остается французский композитор и пионер компьютерной музыки Жан Клод Риссе. Используют, также, и обратный метод: из сложного спектра с помощью специальных фильтров удаляют часть спектральных компонент, формируя желаемый тембр. Этот метод называют «субтрактивный синтез», т.е. синтез, основанный на принципе вычитания.


6. Сонограммы и акусмографическая нотация

«Если партитура является операционной схемой, то она предназначена исключительно для исполнителей, а не для слушателей. Последние, читая отрывки партитуры с целью выяснить, как был создан воспринимаемый ими эстетический объект, могут прийти только к эстетически бессмысленным выводам. Источником такой часто возникающей бессмыслицы … является смешение понятий функциональной схемы и схемы реализации. <...> Можно ожидать, что такое положение вещей изменится в результате последних достижений в решении проблемы зрительного представления звукового объекта или речи («сонограф» или «видимая речь», и искусствоведы получат в свое распоряжение наглядное цветное изображение звуковой материи во всей ее полноте, ни в какой мере не связанное с операционной схемой исполнения музыки».<Абраам Моль. Теория информации и эстетическое восприятие. Москва, «Мир» 1966>



В соответствие с предсказанием Абраама Моля, к середине 80-х годов ХХ века «проблема зрительного представления звукового объекта или речи» на основе техник спектрального анализа была решена. В результате, в акусматике появились новые типы нотации, имеющие не только описательные, но предписательные функции.
Примером такой партитуры может служить спектральное представление, основанное на «фотографиях спектра» или сонограммах. Напомним, что сонограмма представляет собой диаграмму распределения спектральной энергии акустического источника в координатах частоты и времени, соответствующих вертикали и горизонтали традиционной нотации. Тем не менее, несмотря на некоторое сходство с традиционной нотацией, следует отметить совершенно иную природу такого рода представления.


Сонограмма начала «Rising» Дж. Тэнни. Бесконечное глиссандо вверх



Сонограмма начала «Fall» Ж.К. Риссе. Бесконечное нисходящее глиссандо, на фоне которого- быстрые глиссандо сверху вниз, перемещающиеся по стерео панораме.


На примере пьес «Rising» Джэймса Тэнни (бесконечное глиссандо вверх) и «Fall», второй части из «Suite for Little Boy» Жан Клод Риссе, посвященной годовщине атомной бомбардировки Хиросимы (бесконечное нисходящее глиссандо, движение вниз, не имеющее ни начала ни конца), видно, что до создания сонограммы было очень трудно понять и описать все виды пространственных, временных и звуковых структурных связей (звуковые парадоксы, представляющие собой бесконечные глиссандо), ставших теперь очевидными.
Сонограмма, в данном случае, описывает спектральную структуру пьесы и способ, которым композитор достиг определенного слухового эффекта. Фактически, такая партитура является предписательной: она дает всю необходимую информацию, которая позволила бы нам повторно синтезировать подобный эффект.
Хотя сонограммы обеспечивают описание акусматического звука, они делают это иначе, нежели партитуры в традиционной нотации. Они предполагают, что функциональный анализ звука более важен, нежели его перцептивные (обусловленные восприятием) измерения; партитура выступает скорее в роли описания того, как что-то сделано, но не того, как это будет воспринято.

Как отмечал Ю.Холопов, «знак должен отражать смысл <…>. Именно знак – разумеется верный – функционирует как посредник между нематериальным, метафизическим мышлением и ощутимо реальным его звуковым и музыкально-логическим выражением. <…> При верной знаковой системе знак не дублирует ноты, а фиксирует смысловое значение гармонического элемента, то есть функцию . <…> «Смысл» и «мышление» - слова недаром близкие. Именно через функциональную нотацию оказывается возможным контакт с музыкальным мышлением».

Возможная альтернатива - акусмографическая нотация, представляющая собой сонограмму, в которую включены специальные графические символы, соответствующие характеру и динамике воспринимаемых на слух звуковых событий.

Пример создания акусмографической нотации (фрагмента композиции Франсуа Бэйля «Rosace V»):





1) Исходная сонограмма звукового фрагмента;

2) включение графических символов в сонограмму, в соответствие с музыкальными репликами, воспринимаемыми на слух;




3) окончательная символьная нотация.




Исходная сонограмма фрагмента композиции Оке Пармеруда.

Акусмографическая нотация - сочетание элементов исходной сонограммы и специальных графических символов.



7. Психоакустика  

Психоакустика - наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.

Слуховая система человека - сложный и очень интересно устроенный механизм. Чтобы более ясно представить себе, что для нас есть звук, нужно разобраться с тем, что и как мы слышим. В отдельном звуке восприятие выделяет пять основных свойств. Это громкость, тембр, высота, продолжительность и пространственная локализация. При этом громкость можно соотнести с амплитудой колебаний, тембр - с формой волны, высоту - с частотой колебаний.

В физическом мире частота, время и интенсивность считаются непрерывными измерениями, образующими своего рода континуум. Традиционная музыка строится на дискретных шкалах высоты и длительности. Очевидно при этом, что между любыми ступенями шкалы возможен непрерывный и, следовательно, бесконечный мир, требующий изучения и организации. Задумаемся над вопросом: каковы различия между спектром звука ноты, когда спектр определяет тембр, и спектром звука аккорда, рассматриваемого как элемент гармонии?

«Ухо приучается слышать сквозь определенную призму; его можно растревожить, привести в замешательство или даже повредить, предлагая ему объекты, среди которых оно не способно ориентироваться по привычным координатам. Действительно, переходя от анализа аккорда, сыгранного, на фортепиано, к анализу мультифонического звука, сыгранного на духовом инструменте, или воспроизведенного каким-либо ударным инструментом, вы испытываете трудности адаптации из-за самой природы предлагаемых вам объектов». (Пьер Булез)

«Самым сложным субъективно ощущаемым параметром является тембр. 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» (И.Алдошина).

Органы слуха, выполняют двойное кодирование звука, как спектральное, так и временное, таким способом, что все реплики в обоих видах представления могут быть доступны одновременно в сенсорном представлении, посланном мозгу. Механизм кодирования приводит к появлению некоторых парадоксов и двусмысленностей.

«С одной стороны, звук - это объективное физическое явление, колебательный процесс, порождающий в упругой среде быстро распространяющиеся волны. С другой же - субъективное психологическое: нечто воспринятое слухом и отразившееся в сознании в виде особого психического образа» (Е.Назайкинский).

Слуховой образ может быть определен как психологическое представление звуковой сущности, которая демонстрирует некоторую когерентность в своем акустическом поведении. Мы структурируем акустический мир в терминах когерентных звуковых объектов, которые мы можем обнаружить, выделить, локализовать, и идентифицировать.

Когерентность в данном случае – это согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, когда разность фаз этих процессов остается постоянной во времени или меняется по строго определенному закону.

Гештальт-психология (geschtalt, нем. - «образ») утверждает, что для разделения и распознавания различной звуковой информации, приходящей к слуховой системе от разных источников в одно и то же время (игра оркестра, разговор многих собеседников и др.) слуховая система (как и зрительная) использует некоторые общие принципы:



- сегрегация - разделение на звуковые потоки, т.е. субъективное выделение определенной группы звуковых источников, например, при музыкальной полифонии слух может отслеживать развитие мелодии у отдельных инструментов;

- подобие - звуки, похожие по тембру, группируются вместе и приписываются одному источнику, например, звуки речи с близкой высотой основного тона и похожим тембром определяются, как принадлежащие одному собеседнику;

- непрерывность - слуховая система может интерполировать звук из единого потока через маскер, например, если в речевой или музыкальный поток вставить короткий отрезок шума, слуховая система может не заметить его, звуковой поток будет продолжать восприниматься как непрерывный;

- «общая судьба» - звуки, которые стартуют и останавливаются, а также изменяются по амплитуде или частоте в определенных пределах синхронно, приписываются одному источнику. Таким образом, мозг производит группировку поступившей звуковой информации как последовательную («горизонтальную»), определяя распределение по времени звуковых компонент в рамках одного звукового потока, так и параллельную («вертикальную»), выделяя частотные компоненты, присутствующие и изменяющиеся одновременно. Память объединяет все эти процессы в результате слушания.

Когнитивные процессы, связанные с восприятием музыки имеют непосредственное отношение к таким факторам, как внимание, культурное знание, временная организация в восприятии. Происходит преобразование стимулов в потенциальные представления, которые являются не воспроизведением, но скорее абстракциями свойств стимулов. Мозг все время проводит сравнение поступившей звуковой информации с «записанными» в процессе обучения в памяти звуковыми образами. Сравнивая поступившие сочетания звуковых потоков с имеющимися образами, он или легко их идентифицирует, если они совпадают с этими образами, или, в случае неполного совпадения, приписывает им какие-то особые свойства (например, назначает виртуальную высоту тона, как в звучании колоколов).

Вертикальные и горизонтальные механизмы группировки могут находиться в сложном взаимодействии. Между «конкурирующими» звуковыми образами возможна борьба и взаимный перехват энергии, что часто приводит к изменению признаков высоты, громкости, тембра, характера и т.п. в процессе слухового восприятия.

Все вышеизложенные соображения имеют прямое влияние на формирование музыкальных структур, если, конечно, мы хотим сделать их понятными.



В анатомии ухо человека принято делить на три составные части: наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К наружному уху относится ушная раковина, помогающая сконцентрировать звуковые колебания, и наружный слуховой канал. Звуковая волна, попадая в ушную раковину, проходит дальше, по слуховому каналу (его длина около 3 см, а диаметр - около 0,5 см), и попадает в среднее ухо, где ударяется о барабанную перепонку - тонкую полупрозрачную мембрану. Барабанная перепонка преобразует звуковую волну в вибрации, усиливая эффект от слабой звуковой волны и ослабляя от сильной. Эти вибрации передаются по присоединенным к барабанной перепонке косточкам (молоточку, наковальне и стремечку) во внутреннее ухо, представляющее собой завитую трубку с жидкостью диаметром примерно 0,2 мм и длиной 4 см. Эта трубка называется улиткой. Внутри улитки находится еще одна мембрана, называемая базилярной, которая напоминает струну длиной 32 мм, вдоль которой располагаются чувствительные клетки (более 20 тыс. волокон). Толщина струны в начале улитки и у ее вершины различна. В результате такого строения мембрана резонирует разными своими частями в ответ на звуковые колебания разной высоты. Так, высокочастотный звук затрагивает нервные окончания, располагающиеся в начале улитки, а звуковые колебания низкой частоты - окончания в ее вершине. Механизм распознавания частоты звуковых колебаний достаточно сложен. В целом это анализ месторасположения затронутых колебаниями нервных окончаний, а также частоты импульсов, поступающих в мозг от нервных окончаний.

Основную информацию о звуковых колебаниях мозг получает в области частот до 4 кГц. Это вполне логично, поскольку все основные жизненно необходимые человеку звуки находятся именно в этой спектральной полосе (голоса других людей и животных, шум воды, ветра и т. п.). Частоты выше 4 кГц являются для человека лишь вспомогательными, что подтверждается многими опытами. В целом принято считать, что низкие частоты "ответственны" за разборчивость, ясность аудиоинформации, а высокие частоты - за субъективное качество звука. Слуховой аппарат человека способен различать частотные составляющие звука в пределах от 20-30 Гц до 20 кГц. Указанная верхняя граница может колебаться в зависимости от возраста слушателя и других факторов.

Интересен и исключительно важен тот факт, что порог слышимости слуховой системы, также как и кривые равных громкостей, непостоянен в разных условиях. Представленные выше значения порога слышимости справедливы для тишины. В случае проведения опытов по измерению порога слышимости не в полной тишине, а, например, в зашумленной комнате или при каком-то постоянном фоновом звуке, показатели окажутся другими. Это, в общем, совсем не удивительно. Ведь идя по улице и разговаривая с собеседником, мы вынуждены прерывать свою беседу, когда мимо нас проезжает какой-нибудь грузовик, поскольку его шум не позволяет нам слышать собеседника. Этот эффект называется частотной маскировкой. Причина появления эффекта частотной маскировки - схема восприятия звука слуховой системой. Мощный по амплитуде сигнал некоторой частоты ?т вызывает сильные возмущения базилярной мембраны на некотором ее отрезке. Близкий по частоте, но более слабый по амплитуде сигнал с частотой ? уже не способен повлиять на колебания мембраны и поэтому остается "незамеченным" нервными окончаниями и мозгом.

Эффект частотной маскировки справедлив для частотных составляющих, присутствующих в спектре сигнала в одно и то же время. Однако ввиду инерционности слуха эффект маскировки может распространяться и во времени. Так, некоторая частотная составляющая может маскировать другую частотную составляющую даже тогда, когда они появляются в спектре не одновременно, а с некоторой задержкой во времени. Этот эффект называется временной маскировкой. В случае, когда маскирующий тон появляется по времени раньше маскируемого, эффект называют пост-маскировкой. Когда маскирующий тон появляется позже маскируемого (возможен и такой случай), эффект называют пре-маскировкой.

8. Пространственное восприятие

Человек слышит двумя ушами и поэтому способен различать направление прихода звуковых сигналов. Эту способность слуховой системы человека называют бинауральным эффектом. Механизм распознавания направления прихода звуков сложен, и надо сказать, что в его изучении и способах применения еще не поставлена точка.

Уши человека расположены на расстоянии друг от друга (по ширине головы). Скорость распространения звуковой волны невелика. Сигнал, приходящий от источника звука, находящегося напротив слушателя, приходит в оба уха одновременно, и мозг интерпретирует это как расположение источника сигнала либо позади, либо спереди, но не сбоку. Если же сигнал приходит от источника, смещенного относительно центра головы, то звук приходит в одно ухо раньше, чем во второе, что позволяет мозгу интерпретировать это как приход сигнала слева или справа и даже приблизительно определить угол прихода. Численно разница во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, составляющая от 0 до 1 мс, смещает мнимый источник звука в сторону того уха, которое воспринимает сигнал раньше. Такой способ определения направления прихода звука используется мозгом в полосе частот от 300 Гц до 1 кГц. Направление прихода звука для частот выше 1 кГц определяется мозгом человека путем анализа громкости звука. Дело в том, что звуковые волны с частотой выше 1 кГц быстро затухают в воздушном пространстве. Поэтому интенсивность звуковых волн, доходящих до левого и правого ушей слушателя, отличаются, что позволяет мозгу определять направление прихода сигнала по разнице амплитуд. Если звук в одном ухе слышен лучше, чем в другом, следовательно, источник звука находится со стороны того уха, в котором он слышен лучше. Подспорьем в определении направления прихода звука является способность человека повернуть голову в сторону кажущегося источника звука, чтобы проверить верность определения. Способность мозга определять направление прихода звука по разнице во времени прихода сигнала в левое и правое ухо, а также путем анализа громкости сигнала используется в стереофонии.

Имея всего два источника звука, можно создать у слушателя ощущение наличия мнимого источника звука между двумя физическими. Причем этот мнимый источник можно "расположить" в любой точке на линии, соединяющей два физических источника. Для этого нужно воспроизвести одну аудиозапись (например, со звуком рояля) через оба физических источника, но сделать это с некоторой временной задержкой в одном из них и соответствующей разницей в громкости. Грамотно используя описанный эффект, можно при помощи двухканальной аудиозаписи донести до слушателя почти такую картину звучания, какую он ощутил бы сам, лично присутствуя, например, на каком-нибудь концерте. Такую двухканальную запись называют стереофонической. Одноканальная же запись называется монофонической.

На самом деле для качественного донесения до слушателя реалистичного пространственного звучания обычной стереофонической записи не всегда достаточно. Основная причина этого кроется в том, что стереосигнал, приходящий к слушателю от двух физических источников звука, определяет расположение мнимых источников лишь в той плоскости, в которой расположены реальные физические источники звука. Естественно, "окружить слушателя звуком" при этом не удается. По той же причине заблуждением является и мысль о том, что объемное звучание обеспечивается квадрофонической (четырехканальной) системой (два источника перед слушателем и два позади него). В целом путем выполнения многоканальной записи нам удается лишь донести до слушателя тот звук, каким он был "услышан" расставленной нами звуковоспринимающей аппаратурой (микрофонами). Для воссоздания же более или менее реалистичного, действительно объемного звучания прибегают к принципиально другим подходам, в основе которых лежат более сложные приемы, моделирующие особенности слуховой системы человека, а также физические особенности и эффекты передачи звуковых сигналов в пространстве.

Спектральные различия

Наибольшая острота локализации достигается при восприятии сложных звуков и звуковых импульсов, когда, кроме рассмотрен­ных ранее причин, сказывается еще и спектральный фактор. Например, если звук, приходящий под углом 90° на ближайшее ухо, содержит как низкочастотные, так и высокочастотные состав­ляющие, то в спектре звука, действующего на дальнее ухо, высо­кочастотных составляющих будет меньше, так как на этих частотах оказывает влияние теневое действие головы. Кроме того, сами ушные раковины производят сложную фильтрацию звука, завися­щую от его частоты. Существенное значение для локализации имеет также энергия переходных процессов, причем наибольшее значение имеет наличие в звуке низкочастотных со­ставляющих переходного процесса. Поэтому при прослушивании музыкальных и речевых сигналов изменение спектрального соста­ва сигнала (а следовательно, и его тембра) в зависимости от рас­положения источника помогает в его локализации.

В целом анализ способности к локализации в горизонтальной плоскости показывает, что наименьший ощутимый угол отклонения источника при восприятии звуковых импульсов составляет около 3". Эту величину следует считать угловой, или бинауральной, раз­решающей способностью слуха. Однако слух замечает угловое смещение на 3", но при определении направления совершает ошибку в среднем на 12°. Поэтому точность локализации имеет величину 12" для источников, находящихся в передней полуплос­кости; для источников, расположенных позади слушателя, эта точ­ность еще меньше.
Вертикальная (высотная) локализация

Способность опре­делять направление прихода звука в вертикальной плоскости у че­ловека развита значительно слабее, чем в горизонтальной. Она со­ставляет 10-15° (по сравнению с 3° в горизонтальной). Эту способность связывают обычно с ориентацией и формой ушных ра­ковин. Ушная рако­вина действует как фильтр, внося максимальные искаже­ния в области 6-16 кГц, при­чем форма этих искажений зависит от того, спереди или сзади находится источник звука и под каким углом подъема он расположен в ме­дианной плоскости.


Глубинная локализация (оценка расстояния до источни­ка).

При изменении расстояния до источника меня­ются одновременно громкость и тембр, что и служит различи­тельными признаками. Общая точность глубинной локализации не очень велика, при смещении широкополосного звукового источни­ка от 50 до 150 см ошибки составляют 15-30%;

Среди основных факторов, определяющих оценку глубины, можно выделить следующие:

- уменьшение уровня звукового давления с расстоянием. При отсутствии визуального контроля в условиях свободного поля решающим признаком, по которому оценивается расстояние до источника, является уровень звуково­го давления в месте расположения эксперта.



- Затухание звука, которое начинает сказываться при больших расстояниях, проходимых звуковой волной (больше 15 м). При этом высокочастотные составляющие затухают быстрее и спектральный состав сигнала при удалении источника меняется (тембр становится «темнее»).

- на близком расстоянии (менее 3 м) на глубинную локали­зацию начинает оказывать влияние также дифракция на ушной раковине и голове, т. е. сказываются разности уровней интенсивностей (выше 1500 Гц) и временные задержки (ниже 1500 Гц), как и в предыдущих случаях.


Таким образом, существенную роль для глубинной локализации играет лич­ный опыт: если слушателю знаком сигнал или если он имеет воз­можность сделать визуальную оценку, тогда точность глубинной локализации многократно увеличивается.

Точность глубинной локализации звукового источника значи­тельно повышается в закрытом помещении. При пере­мещении звукового источника по глубине меняется отношение энергии прямого звука к энергии отраженного (реверберационного) звука, что помогает точнее определить расстояние до источника.

Важнейшее значение имеет также разность по времени между при ходом прямого звука и приходом первых отражений и соотношениях по уровням.
Эффект Доплера

Одним из важнейших факторов, связанных с восприятием звука, излучаемого движущимся в пространстве источником, является эффект, открытый в 1645 году австрийским ученым Доплером. Он состоит в том, что длина волны (а, значит, и ее частота) изменяется в соответствии со скоростью движения слушателя относительно источника волны. Чем быстрее слушатель (регистрирующий датчик) приближается к источнику звуковых колебаний, тем регистрируемая им длина волны становится меньше и наоборот. Если слушатель движется навстречу источнику звука, то в секунду он пересекает больше фронтов звуковых волн (встречает больше зон сжатия-разрежения), т. е. воспринимает более высокую частоту и слышит более высокий тон. Аналогичная картина имеет место, когда навстречу слушателю движется источник (например, гудок приближающегося поезда кажется выше, чем в действительности). В том случае, когда источник (или слушатель) удаляется, число звуковых волн, проходящих в секунду, уменьшается, и высота тона падает. По изменению частоты, а следовательно, и высоты тона можно определить скорость и, отчасти, направление движения источника (например, для контроля скорости движущегося транс­порта).

Если слушатель и источник движутся навстречу друг дру­гу, то изменение частоты можно определить как:

где С - скорость звука, vs - ско­рость источника, v0 – скорость движения слушателя,


f0 - частота источника, f - воспринимаемая слу­шателем частота.


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница