Вопрос 10. Характеристики слухового ощущения и их связь с физическими характеристиками звука. Звуковые измерения.

Объективные характеристики звука, такие как интенсивность, амплитуда звукового давления и т.д., могут быть оценены соответствующими приборами независимо от человека. Однако звук является объектом слуховых ощущений, поэтому оценивается человеком также и субъективно.

Воспринимая тоны, человек различает их по высоте.

Высота тона — субъективная характеристика, обусловленная прежде всего частотой основного тона.

В значительно меньшей степени высота зависит от сложности тона и его интенсивности: звук большей интенсивности воспринимается как звук более низкого тона.

Тембр звука почти исключительно определяется спектральным составом.

Разные акустические спектры могут соответствовать разному тембру, хотя основной тон и, следовательно, высота тона будут одинаковы.

Громкость — еще одна субъективная оценка звука, которая характеризует уровень слухового ощущения.

Несмотря на субъективность, громкость может быть оценена количественно путем сравнения слухового ощущения от двух источников.

В основе создания шкалы уровней громкости лежит важный психофизический закон Вебера—Фехнера: если раздражение увеличивается в геометрической прогрессии (т. е. в одинаковое число раз), то ощущение этого раздражения возрастает в арифметической прогрессии (т. е. на одинаковую величину). Применительно к звуку это означает, что если интенсивность звука принимает ряд последовательных значений, например аI₀, а²I₀, a³I₀ (а — некоторый коэффициент, а > 1) и т. д., то соответствующие им ощущения громкости звука Е₀, 2Е₀, ЗЕ₀ и т. д.

Математически это означает, что громкость звука пропорциональна логарифму интенсивности звука. Если действуют два звуковых раздражения с интенсивностями I и I₀, причем I₀ — порог слышимости, то на основании закона Вебера—Фехнера громкость относительно I₀ связана с интенсивностью следующим образом:

.

где k — некоторый коэффициент пропорциональности, зависящий от частоты и интенсивности.

Если бы коэффициент k был постоянным, то логарифмическая шкала интенсивностей звука соответствовала бы шкале громкостей. В этом случае громкость звука, так же как и интенсивность, выражалась бы в белах или децибелах. Однако сильная зависимость k от частоты и интенсивности звука не позволяет измерение громкости свести к простому использованию формулы.

Условно считают, что на частоте 1 кГц шкалы громкости и интенсивности звука полностью совпадают, т.е.k = 1 и E_Б = lg(I/I₀), или, по аналогии с интенсивностью

Для отличия от шкалы интенсивности звука в шкале громкости децибелы называют фонами (фон), поэтому введено обозначение Е_ф.

Громкость на других частотах можно измерить, сравнивая исследуемый звук со звуком частотой 1 кГц. Для этого с помощью звукового генератора создают звук частотой 1 кГц. Изменяют интенсивность звука до тех пор, пока не возникнет слуховое ощущение, аналогичное ощущению громкости исследуемого звука. Интенсивность звука частотой 1 кГц в децибелах, измеренная по прибору, равна громкости этого звука в фонах.

Д ля того чтобы найти соответствие между громкостью и интенсивностью звука на разных частотах, пользуются кривыми равной громкости (см рис). Эти кривые построены на основании средних данных, которые были получены у людей с нормальным слухом при измерениях, проводимых по описанному выше методу. Нижняя кривая соответствует интенсивностям самых слабых слышимых звуков — порогу слышимости: для всех частот E_ф = 0, для 1 кГц соответствующая интенсивность звука 1₀ = 10^-12 Вт/м². Каждая промежуточная кривая отвечает одинаковой громкости, но разной интенсивности звука для разных частот. По отдельной кривой равной громкости можно найти интенсивности, которые при определенных частотах вызывают ощущение этой громкости. Используя совокупность кривых равной громкости, можно найти для разных частот громкости, соответствующие определенной интенсивности.

Метод измерения остроты слуха называют аудиометрией.

При аудиометрии на специальном приборе (аудиометре) определяют порог слухового ощущения на разных частотах; полученная кривая называется аудиограммой. Сравнение аудиограммы больного человека с нормальной кривой порога слухового ощущения помогает диагностировать заболевание органов слуха.

Для объективного измерения уровня громкости шума используется шумомер. Структурно он соответствует схеме, изображенной на рис. Свойства шумомера приближаются к свойствам человеческого уха (см. кривые равной громкости), для этого для разных диапазонов уровней громкости используются корректирующие электрические фильтры.