Физические особенности звуковой волны

Лекция 9. Слуховое восприятие.

Резюме: формирование восприятия человека, в том числе зрительного, происходит по законам, запечатленным в культуре (человеческая практика + сенсорные эталоны).

Основная литература к главе 8

Шиффман Х.Р. Ощущения и восприятия. СПб.: Питер, 2003, с. 445-491, 389-444

Запорожец А.В. Развитие восприятия и деятельность // Хрестоматия по ощущению и восприятию // Под ред. Ю.Б.Гиппенрейтер, М.Б.Михалевская. М.: Изд. Мос. унив., 1975, с. 197-204

Практикум по психологии / Под ред. А.Н.Леонтьева, Ю.Б.Гиппенрейтер. М.: Изд-во МГУ, 1976, с. 76-86

Будут рассмотрены следующие вопросы:

25. Физические особенности звуковой волны.

26. Строение слухового аппарата.

27. Звуковая чувствительность.

28. Теории звуковысотного восприятия.

Звуковые волны являются частным случаем механических волн. Они образуются за счет чередования сжатия и разряжения воздуха, обусловленного периодическими колебаниями частиц, распространяющихся в упругих средах в виде продольных волн с частотой от 16 до 20000 Гц (что соответствует диапазону чувствительности человеческого уха). Для звуковых волн справедливы те же характеристики, что и для любого волнового процесса. Прежде всего, это – интенсивность и форма колебаний звуковой волны.

1. Для описания интенсивности звуковых волн используется величина, которая называется звуковым давлением. Звуковое или акустическое давление – добавочное давление (избыточное над средним давлением окружающей среды) в местах наибольшего сгущения частиц в звуковой волне. В системе СИ интенсивность измеряется в Паскалях, а внесистемной единицей является 1акустический бар=10^-1Па. Интенсивность звуковой волны определяется силой звука на единицу площади.

J=P_s/S

В качестве единиц используются Вт/м²или дин/см².

Для удобства выражения интервала интенсивностей – в соответствие с психофизическим законом Вебера-Фехнера – используют логарифмическую шкалу давления, для чего приняты специальные единицы измерения: белы и их десятые доли – децибелы (дБ). Сила звука, выраженная в дБ, откладывается на логарифмической шкале, таким образом что выполняется следующая формула перевода из системы СИ в логарифмические единицы:

N_дБ=20´lg (P^e/P^r)

где N_дБ – число децибел, P^e – звуковое давление, которое нужно выразить в децибелах, P^r – эталонное давление, равное 0,00002 дин/см². Выбор этого эталонного значения обусловлен тем, что оно наиболее близко подходит к значению абсолютного порога человека для звука с частотой 1000 Гц.

Шкала децибел.

0,0002 дин/см^2	0 дБ		Порог чувствительности
	10 дБ		Шорох листьев
0,002 дин/см^2	20 дБ	´10	Шепот
0,02 дин/см^2	40 дБ	´100	Фоновой шум в комнате
0,2 дин/см^2	60 дБ	´1000	Нормальный разговор
2 дин/см^2	80 дБ	´10000	Интенсивное уличное движение
	85 дБ		Длительное воздействие приводит к потере слуха
20 дин/см^2	100 дБ	´100000	Поезд на расстоянии 10 м, крик
200 дин/см^2	120 дБ	´1000000	Удар грома
	120 дБ		Временное смещение порога (обратимая потеря слуха)
2000 дин/см^2	140 дБ	´10000000	Рок-ансамбль вблизи (болевой порог)

2. Важное значение имеет так же форма колебаний частиц в звуковой волне, которая определяется гармоническим спектром звуковых колебаний.

Эти физические характеристики звука называются объективными, т.е. не зависящими от нашего восприятия. Они определяются с помощью физических приборов.

Слуховое восприятие - способность воспринимать звуки при помощи слухового анализатора и ориентироваться по ним в окружающей среде. Слуховой аппарат человека способен различать звуки по громкости, высоте тона и тембру. Это субъективные характеристики слухового ощущения, которые связаны с изменением физических параметров звуковой волны. Таким образом, отражение процессов окружающего мира с помощью слуховой системы происходит в форме звукового образа, в котором можно выделить, прежде всего, три параметра:

- громкость, которая соотносится с интенсивностью звукового раздражителя;

- высоту, соответствующей частоте звуковой волны,

- тембр, или «окраску», который соответствует высотной структуре звукового спектра (для сложных звуков).

Громкость - субъективная мера восприятия звуков в аспекте их силы. Громкость восприятия звука зависит от силы звука (при неизменной частоте). В соответствии с законом Вебера-Фехнера, при возрастании силы звука в геометрической прогрессии (J,J², J³,...) ощущение громкости увеличивается в арифметической прогрессии (Е, 2Е, ЗЕ,...).

Е=k lg (J/J₀)

где k - коэффициент, зависящий от частоты звука.

В силу того, что и шкала децибел, и шкала субъективной громкости выражаются в логарифмических единицах (по отношению к силе звука, представленной на линейной шкале), можно было бы ожидать прямо пропорциональное соответствие между ними. В действительности же лишь для частоты 1000 Гц шкалы громкости и силы звука полностью совпадают, т.е. k=1. При уровне звукового давления в один децибел уровень субъективной громкости назван фоном (в отличие от децибела силы звука). Фон - единица измерения субъективной громкости, которая численно равна уровню звукового давления тона 1000 Гц. Так, уровень громкости в 20 фон соответствует громкости тона 1000 Гц, имеющего интенсивность 20 дБ над порогом слуха. Увеличение на 20 дБ приводит к увеличению громкости в 10 раз. Но субъективная громкость звуков зависит не только от интенсивности сигнала, но и от его частоты. Громкость на других частотах измеряется с помощью сравнения исследуемого звука с громкостью звука, данного на частоте 1000 Гц. На этом основании строятся кривые субъективной громкости. Так, когда интенсивность тона 100 Гц увеличивается на 50 дБ, громкость увеличивается в два раза. При этом шумы, имеющие сложный спектр, вызывают другое ощущение громкости, чем чистые тоны.

Поражение периферического рецептора может приводить к тому, что увеличение громкости происходит с большей скоростью, что может быть использовано для диагностического заключения. Это обозначается как рекрутмент (от англ. recrutment - пополнение, вовлечение). Рекрутмент - клиническое нарушение, выраженное в неравномерном нарастании воспринимаемой громкости, связанном с нарушениями слуха, в частности с поражениями клеток кортиева органа. В его основе лежит процесс вовлечения в ответную реакцию на раздражитель, достигающий известной силы, значительно большего числа нейронов слухового анализатора, чем в норме.

Высота звука. Высота звука, или тон - субъективное качество звуков, обусловленное их частотой, т. е. числом колебаний в секунду воздушного столба. Высота тона определяется главным образом частотой колебаний в звуковой волне и незначительно зависит от силы звука. На этом основании звуки могут быть определены как низкие или высокие: чем больше частота, тем выше тон звука. В качестве единицы высоты звука выступает мел. В этом отношении диапазон звуков, воспринимаемых слуховым аппаратом, делится на октавы: 1 - (16-32 Гц); 2 - (32-64 Гц); 3 - (64-128 Гц); и т.д., всего 10 воспринимаемых октав. Самый низкий звук, воспринимаемый человеком, – звук органа (16 Гц); среднее «до» соответствует 256 Гц, самая высокая нота рояля – 4214 Гц. При частоте выше 15000 теряется способность дифференцировать высоту звука. Как предполагается, переходной формой между слуховой (в диапазоне низких частот) и тактильной чувствительностью является вибрационная чувствительность.

Самая низкая нота органа	16 Гц
Самая низкая нота рояля	27 Гц
Самая низкая нота контрабаса	29 Гц
Самая низкая нота баса	80 Гц
Самая низкая нота баритона	96 Гц
Среднее «до»	256 Гц
Самая высокая нота альта	640 Гц
Самая высокая нота сопрано	1152 Гц
Самая высокая нота флейты-пикколо	3951 Гц
Самая высокая нота рояля	4214 Гц

Для животных диапазоны воспринимаемых частот могут быть другими: так, например, для собаки верхний порог равен 38000 Гц.

Тембр. Если колебания частиц в звуковой волне гармонические, то такой тон звука называется простым или чистым. Такие звуки дают камертон и звуковой генератор. Если колебания не гармонические, но периодические, то такой тон звука называется сложным. (Пример: одна нота на рояле). Если сложные звуковые колебания периодически не меняют свою интенсивность, частоту и фазу, то такой звук принято называть шумом. Сложные тона одной и той же высоты, в которых форма колебаний различна, по-разному воспринимаются человеком (например, одна и та же нота на различных музыкальных инструментах). Это различие в восприятии носит название тембра звука. Тембр - субъективно воспринимаемая особенность звука, его окраска, связанная с одновременным воздействием различных звуковых частот. Он определяется спектром частот гармонических колебаний, из которых состоит сложный звук.

Дата добавления: 2014-01-07