Восприятие звука. Закон Вебера – Фехнера.
Диапазон интенсивности звука, в котором работает наш слух, чрезвычайно широк. На частоте звука 1кГц для среднестатистического человека характерны следующие энергетические границы:
- порог слышимости - 10 -12 Вт/м2;
- порог болевого ощущения - 10 Вт/м2.
Следовательно, самый тихий и самый громкий звук отличаются по интенсивности в 10 13 раз! Во столько же раз отличаются значения массы
1 миллиграмм и 10 000 тонн!
Э. Вебер сумел понять, как человек приспособился к условиям, в которых внешнее воздействие может меняться в столь широком диапазоне. Свое понимание этого приспособительного механизма он сформулировал в виде закона, согласно которому если интенсивность раздражителя возрастает по закону геометрической прогрессии, (например, так: 1, 10, 100, 1000, …),
то ощущения будут усиливаться по закону арифметической прогрессии, (1, 2, 3, 4, …).
Г. Фехнер выразил эту особенность ощущений на языке логарифмической функции, и в итоге закон Вебера - Фехнера состоит в следующем:
Нашим ощущениям соответствуют логарифмы относительных изменений внешних воздействий.
Присмотритесь: в нашем примере числа 1, 2, 3, … действительно являются десятичными логарифмами чисел ряда 10, 100, 1000. …
Закону Вебера-Фехнера соответствуют наши ощущения как звуковых, так и световых ощущений. Ведь наше зрение тоже функционирует в широчайшем диапазоне: от единичных квантов на колбочку или палочку до громадных световых потоков в солнечный день.
А вот в тактильных ощущениях диапазон внешних воздействий, от «чуть-чуть» до болевого ощущения, гораздо более узкий, и приспособительные логарифмические реакции на уровне ощущений не потребовались.
Децибельная шкала интенсивности звука
Закон Вебера - Фехнера подсказывает, что при работе с величинами, способными отличаться друг от друга на много порядков, целесообразно перейти от этих чисел к их логарифмам.
Единица измерения интенсивности звука в логарифмической шкале - бел (в честь Белла, изобретателя телефона). Но практически более удобной оказалась единица, в 10 раз меньшая – децибел: 1Б = 10дБ.
Интенсивность звука I , измеренная в Вт/м2, и интенсивность звука Е, измеренная в децибелах связаны друг с другом следующим образом:
Е = 10 lg I / I 0
Здесь под знаком логарифма – дробь, которая как раз и представляет собой относительное изменение внешнего воздействия от порогового значенияI0 до некоторого обсуждаемого значения интенсивности I .
Приведем пример использования децибельной шкалы. Пусть при измерении уровня шума в помещении интенсиметр показал 10 мкВт/м2. Найдем, сколько это будет в децибельной шкеле.
Решение: Показания интенсиметра: I = 10 мкВт/м2 = 10-5 Вт/м2.
Порог слышимости: I0 = 10 -12 Вт/м2.
Следовательно, интенсивность звука в децибелах:
E = 10 lg I/I0= 10 lg 10-5/10-12 = 10 lg 107 = 10 ‧7 = 70 дБ
Другой пример: человек имеет повышенную остроту слуха и способен слышать звуки более тихие, чем среднестатистический порог слышимости. Если он слышит при I = 10-14 Вт/м2, то в децибельной шкале такой сверхтихий звук имеет интенсивность:
E = 10 lg 10-14/10-12 = 10 lg 10-2 = 10‧(-2) = -20 дБ
Порогу болевых ощущений соответствует уровень интенсивности
130 дБ.
Звуки, интенсивность которых превосходит 130 дБ, как звуки нами уже не воспринимаются.
Звуку с интенсивностью I0 = 10 -12 Вт/м2 (порог слышимости)
в децибельной шкале соответствует Е = 0 дБ.
Табл. 1. Сведения об уровнях интенсивности звука в некоторых случаях.
| Происхождение звука | Интенсивность | |
| Вт/м2 | дБ | |
| Принятый порог слышимости | 10-12 | 0 |
| Сердечные тоны через стетоскоп | 10-11 | 10 |
| Шепот | 10-10 - 10-9 | 20 - 30 |
| Разговор | 10-8 - 10-6 | 40 - 60 |
| Шум на оживленной улице | 10-5 | 80 |
| Шум в вагоне метро | 10-3 | 90 |
| Шум двигателя самолета, музыка на дискотеке | 0,1 - 1 | 110 - 120 |
| Порог болевого ощущения | 10 | 130 |
Восприятие звука: продолжение.
Наибольшая острота слуха у мужчин – в среднем на частоте 4 кГц, а у женщин – в диапазоне от 4 до 6 кГц. При этом имеет значение индивидуальная протяженность слухового прохода.
Существование частот, характерных повышенной остротой слуха, объясняется явлением акустического резонанса. Вот как все происходит. Звуковая волна проходит сквозь слуховой проход и отражается от барабанной перепонки. При этом отражении перепонка испытает импульс акустического давления как первый вклад колебаний этого цикла в наше ощущение звука. Но отраженная волна, выходя из слухового прохода, накладывается на колебания следующего цикла, идущие в сторону перепонки. На обсуждаемых резонансных частотах имеет место счастливое стечение обстоятельств: длина звуковой волны, длина слухового прохода и длительность прохождения этого прохода туда и обратно таковы, что накладываются колебания, одинаковые по фазе. Отраженная волна предыдущего цикла резонансно усиливает прямую волну следующего цикла, и это будет ее второй вклад в наше ощущение звука.
Параметр «длина волны» имеет следующую особенность: если волна переходит из одной среды в другую, то значение длины волны меняется. Так, если скорость звука в воздухе составляет 330 м/с, а в воде – 1480 м/с, то при переходе из воздуха в воду значение длины волны возрастает почти в пять раз. Однако наше восприятие звука при этом не изменится: тенор басом не запоет. Ощущение высоты тона определяется частотой звука, а она при этом не меняется.
Аналогично обстоят дела и со световыми волнами при их переходе из одной среды в другую. При переходе из воздуха в воду красный свет зеленым не становится.
Бинауральный эффект. Так называется наша способность определять направление на источник звука. Лучше всего это удается, когда звуки или шумы имеют резкое начало или обладают повторяющимися характерными особенностями. Решающим фактором является разность во времени появления звукового ощущения в левом и правом ухе. Мы уверенно различаем запаздывания по времени до 10-4 с; для звука на частоте 1000 Гц это составляет 0,1 периода колебаний. Этим данным и тому факту, что расстояние между ушами – около 20 см, соответствует точность определения направлений Δφ = ± 10˚ (на частоте 1000 Гц).
«Разностные тоны». При большой интенсивности звука мы можем слышать даже звуки, которых нет. Наряду с ощущениями, соответствующими реально действующим частотам ν1 и ν2 мы начинаем слышать разностные тоны (ν1 - ν2) и комбинированные тоны (ν1 + ν2) или (2ν1 - ν2). Благодаря этим причудам восприятия, мы из плохонького динамика в наушниках слышим низкие частоты, на воспроизведение которых он не способен.
Стереофоническое звучание технически обеспечивается от двух акустических колонок, каждая из которых воспроизводит звук, специально для нее записанный. Звуки от двух колонок накладываются друг на друга, создавая в нашем восприятии иллюзию «живого» звучания группы музыкальных инструментов, группы участников разговора, рассредоточенных в пространстве.
Менее известно, что получая монофонический звук от одной колонки, мы и его воспринимаем как стереофонический; кто-то в большей степени, кто-то – в меньшей.
Колебания одной гармоники мы воспринимаем как определенный тон. Каждый тон имеет некоторую высоту. Высота тона – это качество ощущения, и как таковое физическому измерению не доступно и относится к категории психофизических характеристик звука. Наше ощущение высоты тона зависит от частоты звуковых волн, но в некоторой степени и от их интенсивности.
На несинусоидальные колебания мы реагируем ощущением сложного звука, обладающего тембром. Наше ощущение тембра соответствует линейчатому спектру источника звука и распределению энергии по линиям спектра. При этом изменение частоты основного тона не меняет наших ощущений тембра. Мы различаем голоса людей и музыкальные инструменты по их тембру.
Свойства акустического спектра как категории физической, определяют наши ощущения тембра как категории психофизической, физическим измерениям не доступной.
Если звук, произнесенный в помещении, затухает быстро, он воспринимается как приглушенный, как бы не до конца расслышанный. Если же произнесенный звук, многократно отражаясь, долго не затухает, то помещения с таким звучанием мы называем гулкими. Приглушенность, гулкость – оценки психофизические. Им соответствует измеряемая физическая величина – время реверберации, под которым понимается время, за которое затухающий звук уменьшает свою интенсивность в 106 раз. В хороших концертных залах время реверберации на средних частотах составляет 1-2 секунды. Для достижения оптимального времени реверберации стены и перекрытия отделываются элементами, сочетающими свойства декоративные со свойствами поглотителей или отражателей звука.
В состав современных электронных музыкальных комплексов входят ревербераторы – устройства, с помощью которых «длительность послезвучания» может меняться по усмотрению исполнителей.
На рис. 9 представлены амплитудно-частотные диапазоны звуков речи и музыки.
.
Нижняя кривая соответствует порогу слышимости, а верхняя - порогу болевых ощущений.
Из графиков следует, что диапазон частот речевого общения приходится на частоты от 100Гц до 8 кГц
Рис. 9. Амплитудно-частотные диапазоны речи и музыки.
Звуки в животном мире.
Все познается в сравнении. Диапазон слышимых частот человека:
16 Гц - 20 кГц. А как у братьев наших меньших? По – разному:
Кошки 45 Гц - 60 кГц
Собаки 15 Гц - 40 кГц
Дельфины 40 Гц -200 кГц
Летучие мыши 2 кГц - 180 кГц
Слоны от 1 Гц
Медузы 8 Гц - 15 Гц
Бабочки 10 кГц - 260 кГц.
Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 2766; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!