Как мы воспринимаем звуки. Что и как мы слышим

Прежде чем перейти к ознакомлению с устройством радиоприемников, усилителей и других приборов, применяемых при радиовещании и радиосвязи, необходимо уяснить, что такое звук, как он возникает и распространяется, как устроены и работают микрофоны, познакомиться с устройством и работой громкоговорителей.

Звуковые колебания и волны. Если ударить по струне какого-либо музыкального инструмента (например, гитары, балалайки), то она начнет колебаться, т. е. совершать движения то в одну, то в другую сторону от своего начального положения (положения покоя). Такие механические колебания, вызывающие ощущение звука, называются звуковыми.

Наибольшее расстояние, на которое струна отклоняется в процессе колебаний от своего положения покоя, носит название амплитуды колебаний.

Передача звука от колеблющейся струны до нашего уха происходит следующим образом. В то время, когда средняя часть струны перемещается в сторону, где мы находимся, она «теснит» «находящиеся около нее с этой стороны частицы воздуха и этим создает «сгущение» этих частиц, т. е. около струны возникает область повышенного воздушного давления. Это увеличенное в некотором объеме воздуха давление передается соседним его слоям; в результате область «сгущенного» воздуха распространяется в окружающем пространстве. В следующий момент времени, когда средняя часть струны перемещается в обратную сторону, около нее возникает некоторое «разрежение» воздуха (область пониженного давления), которое распространяется вслед за областью «сгущенного» воздуха.

За «разрежением» воздуха следует опять «сгущение» (так как средняя часть струны опять будет двигаться в нашу сторону) и т. д. Таким образом, при каждом колебании (движении вперед и назад) струны в воздухе возникнут область повышенного давления и область пониженного давления, которые удаляются от струны.

Подобным же образом звуковые волны создаются при работе громкоговорителя.

Звуковые волны несут в себе энергию, полученную от колеблющейся струны или диффузора (бумажного конуса) громкоговорителя, и распространяются в воздухе со скоростью около 340 м/сек. Когда звуковые волны достигают уха, они приводят в колебание его барабанную перепонку. В тот момент, когда уха достигает область «сгущения» звуковой волны, барабанная перепонка несколько прогибается внутрь. Когда же до нее доходит область «разрежения» звуковой волны, барабанная перепонка выгибается несколько наружу. Так как сгущения и разрежения в звуковых волнах следуют все время друг за другом, то и барабанная перепонка то прогибается внутрь, то выгибается наружу, т. е. совершает колебания. Эти колебания передаются через сложную систему среднего и внутреннего уха по слуховому нерву в мозг, и в результате мы ощущаем звук.

Чем больше амплитуда колебаний струны и ближе к ней находится ухо, тем более громким воспринимается звук.

Динамический диапазон. При очень больших давлениях на барабанную перепонку, т. е. при очень громких звуках (например, при пушечном выстреле), ощущается боль в ушах. На средних звуковых частотах (см. ниже) болевое ощущение возникает, когда звуковое давление достигает величины примерно 1 г/см2, или 1 000 бар *. Увеличение ощущения громкости при дальнейшем усилении звукового давления уже не чувствуется.

*Бар — единица, применяемая для измерения величины звукового давления.

Очень слабое звуковое давление на барабанную перепонку не вызывает ощущения звука. Наименьшее звуковое давление, ‘при котором наше ухо начинает слышать, называется порогом чувствительности уха. На средних частотах (см. ниже) порог чувствительности уха составляет примерно 0,0002 бара.

Таким образом, область нормального ощущения звука лежит между двумя границами: нижней — порогом чувствительности и верхней, при которой возникает болевое ощущение в ушах. Эта область носит название динамического диапазона слуха.

Отметим, что увеличение звукового давления не дает пропорционального увеличения громкости звука. Ощущение громкости возрастает гораздо медленнее, чем звуковое давление.

Децибелы. В пределах динамического диапазона ухо может почувствовать увеличение «или уменьшение громкости простого однотонного звука (при слушании его в полной тишине), если звуковое давление на средних частотах соответственно увеличивается или уменьшается примерно на 12%, т. е. в 1,12 раза. Исходя из этого, весь динамический диапазон слуха разбит на 120 уровней громкости, подобно тому, как шкала термометра между точками таяния льда и кипения воды разделена на 100 градусов. Уровни громкости по этой шкале измеряются в особых единицах— децибелах (сокращенно пишут дб).

В любой части этой шкалы изменение уровня громкости на 1 дб соответствует изменению звукового давления в 1,12 раза. Нуль децибел («нулевой» уровень громкости) соответствует порогу чувствительности уха, т. е. звуковому давлению 0,0002 бара. При уровне свыше 120 дб возникает болевое ощущение в ушах.

Для примера укажем, что при тихом разговоре на расстояни 1 м от говорящего получается уровень громкости около 40—50 дб, что соответствует эффективному звуковому давлению 0,02—0,06 бара; наибольший уровень громкости звучания симфонического оркестра составляет 90— 95 дб (звуковое давление 7—12 бар).

При пользовании радиоприемниками радиослушатели, применяясь к размерам своих комнат, звучание громкоговорителя регулируют так, что при самых громких звуках на расстоянии 1 м от громкоговорителя получается уровень громкости 75—85 дб (соответственно звуковые давления примерно 1—3,5 бара). В условиях сельских местностей вполне достаточно иметь максимальный уровень громкости звучания радиопередачи не свыше 80 дб (звуковое давление 2 бара).
Шкалой децибел в радиотехнике широко пользуются также для сравнения уровней громкости. Чтобы узнать, во сколько раз одно звуковое давление больше другого, когда известна разница между соответствующими им уровнями громкости в децибелах, нужно число 1,12 умножить само на себя столько раз, сколько мы имеем децибел. Так, изменение уровня громкости на 2 (56 соответствует изменению звукового давления в 1,12 . 1,12, т. е. примерно в 1,25 раза; изменение уровня на 3 дб имеет место при изменении звукового давления в 1,12- 1,12 . 1,12, т. е. приблизительно в 1,4 раза. Подобным же образом можно определить, что 6 дб соответствуют изменению звукового давления примерно в 2 раза, 10 дб—приблизительно <в 3 раза, 20 дб — в 10 раз, 40 дб — в 100 раз и т. д.

Период и частота колебаний. Звуковые колебания характеризуются не только амплитудой, но также периодом и частотой. Периодом колебания называется время, в течение которого струна (или любое другое тело, создающее звук, например диффузор громкоговорителя) перемещается из одного крайнего положения в другое и обратно, т. е. совершает одно полное колебание.

Частотой звуковых колебаний называется число колебаний звучащего тела, совершаемых в течение 1 сек. Она измеряется в герцах (сокращенно пишут гц).

Если например, за 1 сек. (происходит 440 периодов колебаний струны (эта частота соответствует музыкальной ноте ля), то говорят, что она колеблется с частотой 440 гц. Частота и период колебаний являются величинами, обратными друг другу, например при частоте колебаний 440 гц период колебаний равен 1/440 сек.; если период колебания равен 1/1 000 сек., то частота этих колебаний 1000 гц.

Полоса звуковых частот. От частоты колебаний зависит высота звука или тона. Чем больше частота колебаний, тем выше звук (тон), а чем меньше частота колебаний, тем он ниже. Самый низкий звук, который может услышать человек, имеет частоту около 20 гц, а самый высокий—около 16 000—20 000 гц. В этих пределах или, как говорят, в этой полосе частот находятся создаваемые человеческими голосами и музыкальными инструментами звуковые колебания.

Заметим, что речь и музыка, а также разного рода шумы представляют собой звуковые колебания с очень сложней комбинацией различных частот (тонов различной высоты), непрерывно изменяющейся в процессе разговора или музыкального исполнения.

Гармоники. Звук, воспринимаемый ухом как тон одной определенной высоты (например, звук струны музыкального инструмента, свисток паровоза), на самом деле состоит из многих разных тонов, частоты которых относятся друг к другу как целые числа (один -к двум, один к трем и т. д.). Так, например, тон с частотой 440 гц (нота ля) одновременно сопровождается дополнительными тонами с частотами 440 . 2 = 880 гц, 440 -3=1 320 гц и т. д. Эти дополнительные частоты называются гармониками (или обертонами). Число показывающее, во сколько- раз частота данной гармоники больше основной частоты называется номером гармоники. Например, для основной частоты 440 гц частота 880 гц будет второй гармоникой, частота 1 320 гц — третьей и т. д. Гармоники всегда звучат слабее основного тона.

Наличием гармоник и соотношением амплитуд различных гармоник обусловливается тембр звука, т. е. его «окраска», отличающая данный звук от другого звука с той же основной частотой. Так, если наиболее сильной будет третья гармоника, звук приобретает один тембр. Если же наиболее сильной будет какая-либо другая гармоника, звук будет иметь другой тембр. Изменение силы звучания различных гармоник приводит к изменению или искажению тембра звука.

В. Н. ДОГАДИН и Р. М. МАЛИНИН
КНИГА СЕЛЬСКОГО РАДИОЛЮБИТЕЛЯ

Все процессы записи, обработки и воспроизведения звука, так или иначе, работают на один орган, которым мы воспринимаем Звуки - ухо. Без понимания того, что и как мы слышим, что нам важно, а что нет, в чем причина тех или иных музыкальных закономерностей - без этих и других мелочей невозможно спроектировать хорошую аудио аппаратуру, нельзя эффективно сжать или обработать звук. То, о чём я расскажу - лишь самые основы (Да всего описать и не получится в рамках этой публикации).
- процесс звуковосприятия еще далеко не до конца изучен, однако, изложенные здесь факты могут показаться интересными даже тем, кто знает, что такое децибел...

Немного анатомии
(устройство уха - коротко и ясно)

Снаружи мы видим так называемое внешнее ухо (ушная раковина). Затем идет канал - примерно 0.5 см в диаметре и около 3 см в длину (слуховой проход (если ухо загрязнено, страдает качество слуха)).
Затем - барабанная перепонка (мембрана), к которой присоединены косточки - среднее ухо. Эти косточки передают вибрацию барабанной перепонки далее - на другую перепонку,
во внутреннее ухо - трубку с жидкостью, около 0.2 мм диаметром и, приблизительно, 3-4 см длинной, закрученную как улитка. Смысл наличия среднего уха в том, что колебания воздуха слишком слабы, чтобы напрямую сниматься с барабанной перепонки, и среднее ухо вместе с барабанной перепонкой и перепонкой внутреннего уха составляют гидравлический усилитель - площадь барабанной перепонки во много раз больше площади перепонки (мембраны) внутреннего уха, поэтому давление (которое равно F/S) усиливается в десятки раз.
Во внутреннем ухе, по всей его длине, еще одна вытянутая мембрана, жесткая к началу уха и мягкая к концу. Каждый участок этой мембраны колеблется в определённом частотном диапазоне, низкие частоты - в мягком участке ближе к концу, самые высокие - в самом начале. Вдоль этой мембраны расположены нервы, которые воспринимают колебания и передают их в мозг, используя два принципа:
Первый - ударный принцип. Поскольку нервы еще способны передавать колебания (бинарные импульсы) с частотой до 400-450 Гц, именно этот принцип влоб используется в области низкочастотного слуха. Там сложно иначе - колебания мембраны слишком сильны и затрагивают слишком много нервов. Слегка расширенный ударный принцип позволяет воспринимать частоты до примерно 4 кГц, засчет того, что несколько (до десяти) нервов ударяют в разных фазах, складывая свои импульсы. Это хорошо тем, что мозг воспринимает информацию более полно - с одной стороны, мы всё-таки имеем легкое частотное разделение, а с другой - можем еще анализировать сами колебания, их форму и особенности, а не просто частотный спектр. Этот принцип действует на самой важной для нас части - спектре человеческого голоса. Да и вообще, до 4 кГц находится вся наиболее важная для нас информация.
Ну и второй принцип - просто местоположение возбуждаемого нерва, применяется для восприятия звуков более 4 кГц. Тут уже кроме факта нас вообще ничего не волнует - ни фаза, ни скважность... Голый спектр.
Таким образом, в области высоких частот мы имеем спектральный слух не очень высокого разрешения, а для частот близких к человеческому голосу - более полный, основанный не только на разделении спектра, а еще и на дополнительном анализе информации самим мозгом, давая более полную стерео картину.
Основное восприятие звука происходит в диапазоне от 1 до 4 кГц, корректная передача этого частотного отрезка - первое условие естественности звучания.

О чувствительности
(по мощности и частотной)
Теперь о децибелах. Я не буду с нуля объяснять, что это такое, вкратце - относительная логарифмическая мера громкости (мощности) звука, наиболее хорошо отражающая человеческое восприятие громкости, и в то же время достаточно просто вычисляемая.
В акустике принято измерять громкость в дБ SPL (Sound Pressure Level – уровень звукового давления). Ноль этой шкалы находится примерно на минимальном звуке, который слышит человек. Отсчет ведется, естественно, в положительную сторону. Человек может осмысленно слышать звуки громкостью примерно до 120 дБ SPL. При 140 дБ ощущается сильная боль, при 150 дБ наступает повреждение слуха. Нормальный разговор - примерно 60 - 70 дБ SPL. Далее, при упоминании дБ подразумевается дБ от нуля по SPL.
Чувствительность уха к разным частотам очень сильно отличается. Максимальна чувствительность в районе 1 - 4 кГц, основные тона человеческого голоса. Сигнал 3 кГц - это и есть тот звук, который слышен при 0 дБ. Чувствительность сильно падает в обе стороны - например, для звука в 100 Гц нам нужно уже целых 40 дБ (в 100 раз большая амплитуда колебаний), для 10 кГц - 20 дБ. Обычно мы можем сказать, что два звука отличаются по громкости, при разнице, примерно, в 1 дБ. Несмотря на это, 1 дБ - скорее много, чем мало. Просто у нас очень сильно компрессированное, (выровненное) восприятие громкости. Зато весь диапазон - 120 дБ - воистину огромен, по амплитуде это миллионы раз!
Кстати, увеличение амплитуды в два раза соответствует увеличению громкости на 6 дБ. Внимание! не путайте: 12 дБ - в 4 раза, но разница 18 дБ - уже 8 раз! (а не 6, как могло подуматься.) дБ - логарифмическая мера.
Аналогична по свойствам и спектральная чувствительность. Мы можем сказать, что два звука (простых тона) отличаются по частоте, если разница между ними составляет около 0.3% в районе 3 кГц, а в районе 100 Гц требуется различие уже на 4%! Для справки - частоты нот (если брать вместе с полутонами, то есть две соседние клавиши фортепьяно, включая черные) отличаются на, примерно, 6%.
В общем, в районе 1 - 4 кГц чувствительность уха по всем параметрам максимальна, и составляет не так уж и много, если брать не логарифмированные значения, с которыми приходится работать цифровой технике.
Примите на заметку - многое из того, что происходит при цифровой обработке звука, может выглядеть ужасно в цифрах, и при этом звучать неотличимо от оригинала.
При цифровом представлении звука, понятие дБ считается от нуля и вниз, в область отрицательных значений. Ноль - максимальный уровень, представимый цифровой схемой. Если, при цифровой записи, уровень входного сигнала выбран не правильно – происходит превышение максимально разрешенного уровня сигнала, все сигналы, превышающие 0 дБ, обрезаются до 0 дБ – образуются клипы - вместо синусоиды на сигналограмме возникают прямоугольники (на слух воспринимаемые как щелчки (если превышение незначительно). Для того чтобы клипов не возникало, необходимо записывать звук с небольшим запасом по уровню -3 дБ.

О фазовой чувствительности
Если говорить об органах слуха в целом - природа создала их такими, какими создала, руководствуясь прежде всего соображениями целесообразности. Фаза частот нам не важна абсолютно, так как совершенно не несет полезной информации. Фазовое соотношение отдельных частот кардинально меняется от перемещений головы, окружающей обстановки, эха, резонансов.... Эта информация никак не используется мозгом, и поэтому мы не восприимчивы к фазам частот. Надо, однако, отличать изменения фазы в малых пределах (до нескольких сот градусов) от серьезных фазовых искажений, которые могут изменить временные параметры сигналов, когда речь уже идет не об изменениях фаз, а скорее о частотных задержках - когда фазы отдельных компонент настолько варьируются, что сигнал распадается во времени, изменяет свою длительность. Например, если мы слышим только отраженный звук, эхо с другого конца в огромном зале - в некотором роде это лишь вариация фаз сигналов, но настолько сильная, что вполне воспринимается по косвенным (временным) признакам. И вообще глупо называть это изменениями фаз - грамотнее говорить о задержках.
В общем, к незначительным вариациям фаз (однако, как посмотреть), до противофазы наше ухо абсолютно не чувствительно. Но всё это касается лишь одинаковых фазовых изменений в обоих каналах! Несимметричные фазовые сдвиги очень важны, об этом - ниже.

Об объемном восприятии
Человек может воспринимать пространственное положение источника звука.
Есть два принципа стерео восприятия, которые соответствуют двум принципам передачи звуковой информации из уха в мозг (об этом
см. выше).
Первый принцип - для частот ниже 1 кГц, их слабо волнуют препятствия в виде человеческой головы - они просто огибают её. Эти частоты воспринимаются ударным способом, передавая в мозг информацию об отдельных звуковых импульсах. Временное разрешение передачи нервных импульсов позволяет использовать эту информацию для определения направления звука - если звук в одно ухо приходит раньше другого (разница порядка десятков микросекунд), мы можем засечь его
расположение в пространстве - ведь запаздывание происходит из-за того, что звуку пришлось пройти еще дополнительно расстояние до второго уха, затратив на это какое-то время. Этот фазовый сдвиг звука одного уха относительно другого и воспринимается как информация, позиционирующая звуки.
И второй принцип - используется для всех частот, но в основном - для тех, что выше 2 кГц, которые отлично затеняются головой и ушной раковиной - просто определение разницы в громкости между двумя ушами.
Еще один важный момент, который позволяет нам гораздо точнее определять местоположение звука - возможность повернуть голову и «посмотреть» на изменение параметров звучания. Достаточно буквально нескольких градусов свободы, и мы можем определить звук (источник звука) почти точно. Принято считать, что направление с легкостью определяется с точностью до одного градуса. Этот прием пространственного восприятия - то, что почти не дает сделать реалистичный объемный звук в играх - по крайней мере, до тех пор, пока наша голова не будет облеплена поворотными датчиками.. Ведь звук в играх, даже рассчитанный на современные 3д карты, не зависит от поворота нашей реальной головы, поэтому полная картина почти никогда не складывается, и, сложиться, к сожалению, не может.
Таким образом, для стерео восприятия во всех частотах важна громкость правого и левого канала, а в частотах, где это возможно, до 1 - 2 кГц, дополнительно оцениваются и относительные фазовые сдвиги. Дополнительная информация - подсознательный поворот головы и мгновенная оценка результатов.
Фазовая информация в районе 1 - 4 кГц имеет приоритет над разницей в громкости (амплитуде), хотя определенная разница уровней перекрывает фазовую разницу, и наоборот. Не совсем соответствующие или прямо противоречивые данные (например - правый канал громче левого, однако запаздывает) дополняют наше восприятие окружения - ведь эти несоответствия рождаются из окружающих нас отражающих/поглощающих поверхностей. Таким образом, в очень ограниченном объеме воспринимается характер помещения, в котором находится человек. Этому также помогают общие для обоих ушей фазовые вариации огромного уровня - задержки, эхо (реверберация).

О нотах и октавах
Гармоники
Слово «гармоника» здесь означает гармоническое колебание, или проще - синусоиду, простой тон. В аудио - технике, однако, применяют понятие - пронумерованные гармоники. Дело в том, что множество физических, акустических процессов дают дополнение какой-то определенной частоты частотами, ей кратными. Простой (основной) тон 100 Гц сопровождают гармоники 200, 300, 400 и так далее Гц. Звук скрипки, например - это почти одни сплошные гармоники, основной тон имеет лишь немного большую мощность, чем его гармонические дополнения - обертоны. Вообще говоря, характер звучания музыкального инструмента (тембр) зависит от наличия и мощностей его гармоник, тогда как основной тон определяет ноту.
Вспоминаем дальше. Октава в музыке - интервал изменения частоты основного тона в два раза. Нота ля суб-контр октавы, к примеру, имеет частоту примерно - 27.5 Гц, контр- 55 Гц. Состав гармоник этих двух разных звуков имеет много общего - в том числе это 110 Гц (ля большой октавы), 220 Гц (малой), 440 Гц (первой) - и так далее. В этом основная причина того, что одинаковые ноты разных октав звучат в унисон - складывается влияние одинаковых высших гармоник.
Дело в том, что гармоники нам обеспечены всегда - даже если музыкальный инструмент воспроизводит только один основной тон, высшие гармоники (обертоны) появятся уже в ухе, в процессе спектрального восприятия звука. Нота самой нижней октавы почти всегда включает в себя в качестве гармоник те же ноты всех вышестоящих октав.
Наше звуковосприятие почему-то устроено так, что нам приятны гармоники, и неприятны частоты, которые выбиваются из этой схемы - два звука, 1 кГц и 4 кГц, вместе будут звучать приятно - ведь это суть одна нота через две октавы, пусть и не калиброванного по стандартной шкале инструмента. Как уже упоминалось - это то, что часто встречается в природе как следствие естественных физических процессов. Но, если взять два тона 1 кГц и 3.1 кГц - будет звучать раздражающе!
Октава - понятие, полезное не только для музыкантов. Октава в акустике - это изменение частоты звука в два раза. Мы уверенно слышим примерно полных 10 октав, это на две октавы выше, чем последняя октава фортепьяно. Странное дело, но в каждой октаве содержится примерно одинаковое для нас количество информации, хотя последняя октава - это весь район с 10 до 20 кГц. В старости мы практически перестаем слышать эту последнюю октаву, и это дает потерю слуховой информации не в два раза, а всего на 10% - что не так уж и страшно. Для справки - самая высокая нота фортепьяно - около 4,186 кГц. Тем не менее, спектр звучания этого
инструмента далеко выходит за 4,186 кГц за счет гармоник, реально покрывая весь наш звуковой диапазон. Так почти с любым музыкальным инструментом - основные тона почти никогда не выходят за 5 кГц, можно быть совершенно глухим к более высоким тонам, и, тем не менее, слушать музыку...
Даже если бы и были инструменты с более высокими тонами - слышимый гармонический состав их звучания был бы очень бедным. Сами смотрите - у инструмента в 6 кГц основного тона есть только одна слышимая гармоника - 12 кГц. Этого просто мало для наполненного, приятного звучания, какой тембр мы бы ни хотели получить в результате.
Важный параметр всех звуковых схем - гармонические искажения. Почти все физические процессы приводят к их появлению, и в звукопередаче их стараются сделать минимальными, чтобы не изменять тональную окраску звука, и просто не засорять звук лишней, отягощающей информацией. Гармоники, однако, могут давать звуку и приятную окраску - например, ламповый звук - это наличие большого (сравнительно с транзисторной техникой) числа гармоник, дающих звуку приятный, теплый характер, практически не имеющий аналогов в природе.

Принципы цифрового звука
Прежде всего, сам принцип представления звука в цифровой форме предполагает уничтожение какой-то части информации в нем. Исходная, непрерывная кривая, описывающая амплитуду звуковой волны, подвергается дискретизации - разбиению на отдельные интервалы (отсчеты), внутри которых амплитуда считается постоянной; таким образом фиксируются временные характеристики волны. Затем эти мгновенные значения амплитуды еще раз разбиваются на конечное число значений - теперь уже по самой величине амплитуды - и выбирается наиболее близкое из этих дискретных значений; так фиксируются амплитудные характеристики. Если говорить по отношению к графику (осциллограмме) звуковой волны, то можно сказать, что на него накладывается некая сетка - крупная или мелкая, которая определяет точность преобразования волны в цифровую форму.
Мелкость временной сетки - частота дискретизации - определяет, прежде всего, частотный диапазон преобразуемого звука. В идеальных условиях для передачи сигнала с верхней частотой F достаточно частоты дискретизации 2F (по теореме Котельникова), в реальных же, приходится выбирать некоторый запас. Точность же представления самих значений амплитуды - разрядность отсчетов - определяет в первую очередь уровень шумов и искажений, вносимых при преобразовании. Естественно - снова для идеального
случая, поскольку шумы и искажения вносятся и другими участками схемы.
В начале 80-х, когда разрабатывалась система "компакт-диск", ориентированная для бытового применения, по результатам экспертных оценок была выбрана частота дискретизации 44.1 кГц и разрядность отсчета 16 бит (65536 фиксированных уровней амплитуды). Этих параметров достаточно для точной передачи сигналов с частотой до 22 кГц, в которые вносится дополнительный шум на уровне примерно -96 дБ.
Поток чисел (серий двоичных цифр), описывающий звуковой сигнал, называют импульсно-кодовой модуляцией или ИКМ (Pulse Code Modulation, PCM), так как каждый импульс дискретизованного по времени сигнала представляется собственным цифровым кодом.
Чаще всего применяют линейное квантование, когда числовое значение отсчета пропорционально амплитуде сигнала. Из-за логарифмической природы слуха более целесообразным было бы логарифмическое квантование, когда числовое значение пропорционально величине сигнала в децибелах, однако это сопряжено с трудностями чисто технического характера.
Временная дискретизация и амплитудное квантование сигнала неизбежно вносят в сигнал шумовые искажения. В большинстве современных цифровых звуковых систем используются стандартные частоты дискретизации 44.1 и 48 кГц, однако частотный диапазон сигнала обычно ограничивается возле 20 кГц для оставления запаса по отношению к теоретическому пределу. Также наиболее распространено 16-разрядное квантование по уровню, что дает предельное соотношение сигнал/шум около 98 дБ. В студийной аппаратуре используются более высокие разрешения - 18-, 20, 24 и 32-разрядное квантование при частотах дискретизации 56, 96 и 192 кГц. Это делается для того, чтобы сохранить высшие гармоники звукового сигнала, которые непосредственно не воспринимаются
слухом, но влияют на формирование общей звуковой картины.
Для оцифровки более узкополосных и менее качественных сигналов частота и разрядность дискретизации могут снижаться (например, в телефонных линиях применяется 7или 8-разрядная оцифровка с частотами 8..12 кГц).
Сам цифровой звук и относящиеся к нему вещи принято обозначать общим термином Digital Audio; аналоговая и цифровая части звуковой системы обозначаются терминами Analog Domain и Digital Domain.

Что такое АЦП и ЦАП?
Аналогово-цифровой и цифро-аналоговый преобразователи. Первый преобразует аналоговый сигнал в цифровое значение амплитуды, второй выполняет обратное преобразование.
В англоязычной литературе применяются термины ADC и DAC, а совмещенный преобразователь называют codec (coder-decoder).
Принцип работы АЦП состоит в измерении уровня входного сигнала и выдаче результата в цифровой форме. В результате работы АЦП непрерывный аналоговый сигнал превращается в импульсный, с одновременным измерением амплитуды каждого импульса. ЦАП получает на входе цифровое значение амплитуды и выдает на выходе импульсы напряжения или тока нужной величины, которые расположенный за ним интегратор (аналоговый фильтр) превращает в непрерывный аналоговый сигнал.
Для правильной работы АЦП входной сигнал не должен изменяться в течение времени преобразования, для чего на его входе обычно помещается схема выборки-хранения, фиксирующая мгновенный уровень сигнала и сохраняющая его в течение всего времени преобразования. На выходе ЦАП также может устанавливаться подобная схема, подавляющая влияние переходных процессов внутри ЦАП на параметры выходного сигнала.
При временной дискретизации спектр полученного импульсного сигнала в своей нижней части 0..Fa повторяет спектр исходного сигнала, а выше содержит ряд отражений (aliases, зеркальных спектров), которые расположены вокруг частоты дискретизации Fd и ее гармоник. При этом первое отражение спектра от частоты Fd в случае Fd = 2Fa располагается непосредственно за полосой исходного сигнала, и требует для его подавления аналогового фильтра (anti-alias filter) с высокой крутизной среза. В АЦП этот фильтр устанавливается на входе, чтобы исключить перекрытие спектров и их интерференцию, а в ЦАП - на выходе, чтобы подавить в выходном сигнале надтональные помехи, внесенные временной дискретизацией.

Что такое Dithering и Noise Shaping?
Методы обработки цифрового звукового сигнала, направленные на улучшение субъективного качества звучания ценой очевидного ухудшения его объективных характеристик (прежде всего - коэффициента нелинейных искажений и соотношения сигнал/шум).
Dithering (сглаживание) заключается в добавлении к сигналу небольшого количества шума (псевдослучайного цифрового сигнала) разного спектра (белый, розовый и т.п.). При этом заметно ослабляется корреляция ошибок квантования с полезным сигналом ("рассеиваются" ошибки округления) и, несмотря на некоторое увеличение шума, субъективное качество звучания заметно повышается. Уровень добавляемого шума выбирается в зависимости от задачи и колеблется от половины младшего разряда отсчета до нескольких разрядов.
Noise Shaping (формовка шума) заключается в преобразовании сильно зашумленного полезного сигнала с целью вытеснения чисто шумовых компонент в надтональную область с выделением в нижней части спектра основной энергии полезного сигнала. По существу, Noise Shaping является одним из видов PWM (Pulse Width Modulation - широтно-импульсная модуляция, ШИМ) с дискретной шириной импульса. Сигнал, обработанный этим методом, требует обязательной фильтрации с подавлением высоких частот - это выполняется либо цифровым, либо аналоговым способом.
Основное применение Noise Shaping находит в области представления цифровых сигналов отсчетами меньшей разрядности с повышенной частотой следования. В delta-sigma ЦАП для повышения частоты следования отсчетов увеличивается в десятки раз частота дискретизации, на которой из исходных многоразрядных отсчетов формируются серии отсчетов разрядностью 1..3. Низкочастотная часть спектра потока этих отсчетов с высокой точностью повторяет спектр исходного сигнала, а высокочастотная
содержит в основном чистый шум.

В случае преобразования цифрового сигнала к отсчетам более низкой разрядности на той же частоте дискретизации Noise Shaping выполняется вместе с операцией Dithering"а. Поскольку в этом случае повышение частоты дискретизации невозможно, вместо этого спектр добавляемого шума формируется таким образом, чтобы его низко и среднечастотная часть максимально точно повторяла слабую часть сигнала, заключенную в отсекаемых младших разрядах отсчетов. Благодаря этому основная энергия шума вытесняется в верхнюю часть рабочего диапазона частот, а в наиболее слышимой области остаются вполне разборчивые следы слабого сигнала,
который иначе оказался бы полностью уничтоженным. Несмотря на то, что объективные искажения сохраненного таким образом слабого сигнала очень велики, его субъективное восприятие остается вполне приемлемым, позволяя воспринимать на слух компоненты, уровень которых меньше младшего разряда отсчета.
По существу, Dithering и Noise Shaping являются частными случаями одной технологии - с той разницей, что в первом случае используется белый шум с равномерным спектром, а во втором - шум со спектром, специально сформированным под конкретный сигнал. Данная технология приводит к "нестандартному" использованию цифрового формата, основанному на особенностях человеческого слуха.

Все обо всем. Том 3 Ликум Аркадий

Как мы слышим различные звуки?

Все звуки производятся вибрирующими предметами, то есть предметами, которые совершают быстрые поступательные движения. Эта вибрация заставляет двигаться молекулы воздуха, которые вызывают движение у расположенных рядом с ними молекул, и вскоре начинается поступательное движение молекул в воздухе, которое производит то, что мы называем звуковыми волнами.

Но вибрации бывают разными, и звуки они производят разные. Звуки отличаются один от другого потрем основным характеристикам: громкости, высоте и тональности. Громкость звука зависит от расстояния между вибрирующим предметом и ухом человека, а также от размаха колебаний вибрирующего предмета. Чем больше размах этого движения, тем громче будет звук. Высота звука зависит от скорости вибрации (частоты) звучащего объекта.

Тональность зависит от количества и силы обертонов, присутствующих в звуке. Это происходит, когда высокие и низкие звуки перемешиваются. Мы ничего не услышим, пока звуковая волна не пройдет через ушное отверстие и не достигнет барабанной перепонки. Барабанная перепонка действует как поверхность барабана и заставляет двигаться три маленькие косточки в среднем ухе в ритме звука. Вследствие этого начинает перемещаться жидкость во внутреннем ухе.

Звуковые волны двигают жидкость, и начинают двигаться и маленькие клетки-волоски в этой жидкости. Эти волосковые клетки преобразуют движение в нервные импульсы, которые перемещаются в мозг, а мозг уже определяет их в качестве звука. Но разные звуки производят и разное движение в нашем ухе, которое ведет к разным нервным импульсам, поступающим в мозг, что и приводит к тому, чтомы слышим разные звуки!

Из книги Все обо всем. Том 1 автора Ликум Аркадий

Почему мы слышим эхо? В настоящее время, когда нас все интересует в природе, мы хотим получить правильный, научный ответ. В древности люди создавали легенды, чтобы объяснять всевозможные события. Древние греки придумали очень красивую легенду для объяснения эхо. Вот

Из книги Простые вопросы. Книга, похожая на энциклопедию автора Антонец Владимир Александрович

Как мы слышим? Известно, что человек обладает пятью органами чувств. Считается, что более 80 % информации поступает через зрение. Наверное, это правда. Каждый пользующийся компьютером знает, что картинки информационно очень емкие. Но информация, которую человек лучше

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1 [Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина] автора

Как мы слышим? Звук – это воспринимаемые ухом упругие волны в газах (воздухе), жидкостях и твердых телах. Человек способен слышать звуки с частотами от 16 герц до 20 килогерц, дельфин – от 100 герц до 200 килогерц. Пройдя через ушную раковину и наружное ухо, звук поступает на

Из книги Странности нашего тела – 2 автора Джуан Стивен

Влияет ли форма ушей на то, как мы слышим? Удивительно, но влияет. Форма ушей столь же уникальна, как отпечатки пальцев. Ученые выдвинули предположение, что поскольку ушные раковины у людей различные, то мозг каждого человека должен запоминать форму ушей, чтобы точно

Из книги Новейшая книга фактов. Том 1. Астрономия и астрофизика. География и другие науки о Земле. Биология и медицина автора Кондрашов Анатолий Павлович

Из книги Русский рок. Малая энциклопедия автора Бушуева Светлана

ЗВУКИ МУ «Звуки My» - культовая группа российского рок-сообщества 2-й половины 80-х годов.История «Звуков My» уходит в 60-е годы, когда Петр Мамонов, живший в центре Москвы, в районе Цветного бульвара, играл на гитаре в дворовой группе «Экспресс». В середине 80-х Петр Николаевич

Из книги Энциклопедический словарь (Г-Д) автора Брокгауз Ф. А.

Гласные звуки Гласные звуки – образуются из музыкального тона, результата деятельности голосовых связок (так называемого голосового тона), модифицируемого различными положениями полости рта, которая играет в данном случае роль надставной трубы у духовых инструментов,

Из книги Полная энциклопедия современных развивающих игр для детей. От рождения до 12 лет автора Вознюк Наталия Григорьевна

«Интересные звуки» Игра направлена на развитие внимания.Обращайте внимание ребенка на разные звуки, всегда называя их источник: телефон, дверной звонок, папины шаги, дождь, вода, текущая из крана, лай собаки и т. д.Реагируя на звуки, малыш научится слушать, что очень важно

Из книги Энциклопедический словарь (С) автора Брокгауз Ф. А.

Согласные звуки Согласные звуки (лат. consonantes). – Ходячее определение, унаследованное еще из античной грамматической теории и выраженное в латинском термине, получившем в переводе всеобщее употребление у разных новоевропейских народов (рус. согласный, нем. Mitlaut, фр. consonne,

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ЗВ) автора БСЭ

Из книги Большая Советская Энциклопедия (ФА) автора БСЭ

Из книги Аэростат. Воздухоплаватели и Артефакты автора Гребенщиков Борис Борисович

«Звуки Му» «Звуки Му» как Зеркало Русской Революции, или Советская Народная Галлюцинация {488} В энциклопедии сухо сказано: «„Звуки Му“ – музыкальная группа, основанная в Москве в начале 1980-х годов Петром Мамоновым и Александром Липницким. Лидер и автор текстов –

Из книги Энциклопедический словарь крылатых слов и выражений автора Серов Вадим Васильевич

Мы слышим звуки одобренья / Не в сладком ропоте хвалы, / А в диких криках озлобленья Из стихотворения «Блажен незлобивый поэт» (1852) Н. А. Некрасова (1821-1877): В оригинале: Его преследуют хулы: Он ловит звуки одобренья Не в сладком ропоте толпы, А в диких криках озлобленья. Смысл

автора Моховой Андрей

Из книги Лучшее для здоровья от Брэгга до Болотова. Большой справочник современного оздоровления автора Моховой Андрей

Из книги 365 советов беременным и кормящим автора Пигулевская Ирина Станиславовна

Первые звуки 2,5–3 месяца. Гуление: а-аа, г-у, ш-и, бу-у, эй и др.4 месяца. Свирель: аль-ле-е-лы, аты-аы и т. п.7-8,5 месяцев. Лепет, произносит слоги: баба, да-да-да и т. п.8,5–9,5 месяцев. Модулированный лепет: повторяет слоги с разнообразными интонациями.9,5–1 год 6 месяцев. Слова: мама,

Многих из нас иногда интересует простой физиологический вопрос, касающийся того, как мы слышим. Давайте рассмотрим, из чего же состоит наш орган слуха и как происходит его работа.

Прежде всего, отметим, что слуховой анализатор имеет четыре части:

  1. Наружное ухо. К нему относят слуховой привод, ушную раковину, а также барабанную перепонку. Последняя служит для изоляции внутреннего конца слухового провода от окружающей среды. Что касается слухового прохода, то он имеет совершенно изогнутую форму длиной около 2,5 сантиметров. На поверхности слухового прохода имеются железы, а также она покрыта волосками. Именно эти железы и выделяют ушную серу, которую мы вычищаем по утрам. Также слуховой проход необходим для поддержания необходимой влажности и температуры внутри уха.
  2. Среднее ухо. Та составляющая слухового анализатора, которая находится за барабанной перепонкой и заполнена воздухом, называется средним ухом. Оно соединяется при помощи евстахиевой трубы с носоглоткой. Евстахиева труба представляет собой достаточно узкий хрящевой канал, который в обычном состоянии закрыт. Когда мы совершаем глотательные движения, он открывается и через него в полость поступает воздух. Внутри среднего уха расположены три маленькие слуховые косточки: наковальня, молоточек и стремя. Молоточек при помощи одного конца соединяется со стременем, а оно уже с литкой во внутреннем ухе. Под действием звуков барабанная перепонка находится в постоянном движении, а слуховые косточки уже дальше передают её колебания внутрь. Она является одним из важнейших элементов, которое необходимо изучить при рассмотрении того, какое строение уха человека
  3. Внутреннее ухо. В этой части слухового ансамбля имеется сразу несколько структур, однако слух контролирует только одна из них – улитка. Такое название она получила из-за своей спиральной формы. Она имеет три канала, которые заполнены лимфатическими жидкостями. В среднем канале жидкость значительно отличается по составу от остальных. Тот орган, который отвечает за слух, называется Кортиев орган и расположен в среднем канале. Он состоит из несколько тысяч волосков, улавливающих колебания, которые создаёт жидкость, движущаяся по каналу. Здесь же генерируются электрические импульсы, передающиеся затем в кору головного мозга. Определенная волосковая клетка реагирует на особый вид звука. Если же происходит так, что волосковая клетка гибнет, то человек перестаёт воспринимать тот или иной звук. Также для того, чтобы понять, как человек слышит, следует рассмотреть еще и слуховые проводящие пути.

Слуховые пути

Ими являются совокупность волокон, которые проводят нервные импульсы от самой улитки и до слуховых центров вашей головы. Именно благодаря путям наш мозг воспринимает тот или иной звук. Находятся слуховые центры в височных долях мозга. Звук, который проходит через внешнее ухо к головному мозгу продолжается около десяти миллисекунд.

Как мы воспринимаем звук

Человеческое ухо перерабатывает получаемые из окружающей среды звуки в специальные механические колебания, которые потом преобразовывают движения жидкости в улитке в электрические импульсы. Они по путям центральной слуховой системы переходят в височные части мозга, чтобы затем быть распознанными и обработанными. Теперь уже промежуточные узлы и сам головной мозг извлекает некую информацию относительно громкости и высоты звучания, а также друге характеристики, такие как время улавливания звука, направление звука и другие. Таким образом, мозг может воспринимать полученную информацию от каждого уха по очереди или совместно, получая единое ощущение.

Известно, что внутри нашего уха хранятся некие «шаблоны» уже изученных звуков, которые наш мозг распознал. Именно они помогают мозгу правильно сортировать и определять первоисточник информации. Если звук снижается, то мозг соответственно начинает получать неправильную информацию, что может привести к неправильному толкованию звуков. Но не только звуки могут искажаться, со временем головной мозг тоже подвергается неправильной трактовке тех или иных звуков. Результатом может оказаться неправильная реакция человека или неверная трактовка информации. Чтобы правильно слышать и достоверно трактовать услышанное, нам понадобится синхронная работа, как мозга, так и слухового анализатора. Именно поэтому можно отметить, что человек слышит не только ушами, но и головным мозгом.

Таким образом, строение уха человека достаточно сложное. Только согласованная работа всех частей органа слуха и головного мозга позволит нам правильно понимать и трактовать услышанное.


Ультразвук в сельском хозяйстве
Ультразвук в пищевой промышленности
Ультразвук в биологии
Ультразвуковая диагностика заболеваний
Ультразвуковое лечение заболеваний
На суше и на море

Совокупность слышимых и неслышимых звуков напоминает в принципе спектр солнечных лучей, в котором есть видимая область - от красного до фиолетового цвета и две невидимые - инфракрасная и ультрафиолетовая. Именно по аналогии с солнечным спектром получили название звуки, не воспринимаемые человеческим ухом: инфразвук, ультразвук и гиперзвук.
Восприятие звуков людьми очень индивидуально. Каждый слышит, так сказать, по-своему. Дети, например, слышат звуки более высоких частот, чем пожилые люди.
Как уже упоминалось, звук следует рассматривать с объективной и субъективной точек зрения. Звук как субъективное явление более сложен и менее изучен, чем его объективная физическая сущность.
Как мы воспринимаем звук?
Наружное ухо состоит из ушной раковины и слухового прохода, соединяющего ее с барабанной перепонкой. Основная функция наружного уха - определение направления на источник звука. Слуховой проход, представляющий сужающуюся внутрь трубку длиной два сантиметра, предохраняет внутренние части уха и играет роль резонатора. Слуховой проход заканчивается барабанной перепонкой - мембраной, которая колеблется под действием звуковых волн. Именно здесь, на внешней границе среднего уха, и происходит преобразование объективного звука в субъективный, то есть звуковой волны в субъективное ее ощущение.
Непосредственно за барабанной перепонкой расположены три маленькие соединенные между собой косточки: молоточек, наковальня и стремя, с помощью которых колебания передаются внутреннему уху. Там, в слуховом нерве, они преобразуются в биоэлектрические сигналы. Малая полость, где находятся молоточек, наковальня и стремя, наполнена воздухом и соединена с полостью рта евстахиевой трубой. Благодаря последней поддерживается одинаковое давление на внутреннюю и внешнюю стороны барабанной перепонки. Обычно евстахиева труба закрыта, а открывается лишь при внезапном изменении давления (при зевании или глотании) для выравнивания его. Если у человека евстахиева труба блокирована, например, из-за простудного заболевания, то давление не выравнивается, и человек ощущает боль в ушах.
При передаче колебаний от барабанной перепонки к овальному окну, которое является началом внутреннего уха, энергия первоначального звука как бы концентрируется в среднем ухе. Это осуществляется двумя способами, в основе которых лежат хорошо известные принципы механики. Во-первых, уменьшается амплитуда, но одновременно увеличивается мощность колебаний. Здесь можно провести аналогию-с рычагом, когда для поддержания равновесия к большому плечу прикладывается меньшая сила, а к меньшему - большая. С какой точностью осуществляется такое превращение в человеческом ухе, видно из того, что амплитуда колебаний барабанной перепонки равна диаметру атома водорода (10~8 сантиметра), а молоточек, наковальня и стремя уменьшают ее в три раза. Во-вторых, и это более существенно, концентрация звука обусловливается разностью диаметров барабанной перепонки и овального окна внутреннего уха.
Сила, действующая на барабанную перепонку, равна произведению давления на площадь барабанной перепонки. Эта сила через молоточек, наковальню и стремя воздействует на овальное окно, с противоположной стороны которого находится жидкость. Площадь овального окна в 15-30 раз меньше площади барабанной перепонки, поэтому и давление на него в 15-30 раз больше. Кроме того (как уже было сказано, молоточек, наковальня и стремя увеличивают мощность колебаний в три раза), благодаря среднему уху давление на овальное окно превышает почти в 90 раз первоначальное давление, действующее на барабанную перепонку. Это очень важно, поскольку дальше звуковые волны распространяются уже 8 жидкости. Не будь увеличения давления, звуковые волны вследствие эффекта отражения не смогли бы проникнуть в жидкость. Молоточек, наковальня и стремя имеют крошечные мышцы, которые обеспечивают защиту внутреннего уха от повреждений при воздействии сильных шумов. Внезапные очень интенсивные звуки могут разрушить этот защитный механизм и вызвать серьезные повреждения уха.
Слуховой аппарат человека - необычайно сложный механизм. Особенно в той части, которая начинается с так называемого овального окна - порога внутреннего уха. Звуковые волны здесь уже распространяются в жидкости (перилимфе), которой наполнена улитка. Этот орган внутреннего уха, действительно напоминающим улитку, имеет длину три сантиметра и по всей длине разделен перегородкой на две части. Звуковые волны, попавшие на овальное окно улитки, доходят до перегородки, огибают ее и далее распространяются почти к тому же самому месту, где они впервые коснулись перегородки, но уже с другой стороны.
Перегородка улитки, по сути дела, состоит из основной мембраны, очень тонкой и тугой вблизи овального окна, но становящейся толстой и вялой ближе к <хвосту> улитки. Звуковые колебания создают на поверхности основной мембраны волнообразную рябь, при этом гребни для каждой данной частоты лежат в совершенно определенных участках мембраны. Высокочастотные звуки создают максимум колебаний на том участке основной мембраны, где она наиболее натянута, то есть вблизи овального окна, низкочастотные же звуки - на хвостовую часть улитки, где основная мембрана толстая и вялая. Этот механизм позволяет объяснить, как человек выделяет тоны различной частоты.
Механические колебания преобразуются в электрические в специальном органе (органе Корти), размещенном над верхней частью основной мембраны и представляющем собой набор из 23,5 тысячи <мясистых> ячеек, расположенных вдоль длины органа четырьмя рядами. Над органом Корти находится похожая на заслонку текто-риальная мембрана. Оба эти органа погружены в эндо-лимфу и отделены от остальной части улитки мембраной Рейснера. Волоски, растущие из ячеек органа Корти, почти пронизывают поверхность текториальной мембраны. Основная мембрана, на которой находится орган Корти вместе со своими волосистыми ячейками, как бы шарнирно подвешена на текториальной мембране. При деформации основной мембраны между ними возникают касательные напряжения, которые изгибают волоски, соединяющие две мембраны. Благодаря такому изгибу и происходит окончательное преобразование звука - теперь он уже закодирован в виде электрических сигналов. Изгибы волосков играют в некотором роде роль пусковых механизмов для электрохимических реакций в ячейках. Они и являются источниками электрических сигналов.
Что происходит далее со звуком и какую форму он приобретает, пока еще остается до конца неразгаданной тайной. Известно только, что теперь звук закодирован всплесками электрической активности, так как каждая волосистая ячейка выделяет электрический импульс. Природа этого кода тоже пока неизвестна. Расшифровка его усложняется тем, что волосистые ячейки излучают электрические импульсы даже тогда, когда никакого звука нет. Только разгадав этот код, можно будет попять истинную природу субъективного звука, понять, как мы слышим то, что слышим.
Основные физические характеристики любого колебательного движения - период и амплитуда колебания, а применительно к звуку - частота и интенсивность колебаний.
Периодом колебания называется время, в течение которого совершается одно полное колебание, когда, например, качающийся маятник из крайнего левого положения переместится в крайнее правое и вернется в исходное положение.
Частота колебаний - это число полных колебаний (периодов) за одну секунду. Эту величину в Международной системе единиц называют герц (Гц). Частота - одна из основных характеристик, по которой мы различаем звуки. Чем больше частота колебаний, тем более высокий звук мы слышим, то есть звук имеет более высокий тон.
Нам, людям, доступны звуки, ограниченные следующими частотными пределами: не ниже 15-20 герц и не выше 16-20 тысяч герц. Ниже этого предела находится инфразвук (меньше 15 герц), а выше - ультразвук и гиперзвук, то есть 1,5-10 4 - 10 9 герц и 10 9 -10 13 герц соответственно.
Ухо человека наиболее чувствительно к звукам с частотой от 2000 до 5000 герц. Наибольшая острота слуха наблюдается в возрасте 15-20 лет. Затем слух ухудшается. У человека до 40 лет наибольшая чувствительность находится в области 3000 герц, от 40 до 60 лет - 2000 герц, а старше 60 лет- 1000 герц. В пределах до 500 герц человек различает повышение или понижение частоты всего лишь на один герц. На более высоких частотах люди менее восприимчивы к такому незначительному изменению частоты. Так, например, при частоте более 2000 герц человеческое ухо способно отличить один звук от другого только тогда, когда разница в частоте будет не меньше 5 герц. При меньшей разнице звуки будут восприниматься как одинаковые. Однако правил без исключений не бывает. Есть люди, обладающие необычайно тонким слухом. Например, одаренный музыкант может отреагировать на изменение даже на какую-то долю одного колебания.
С периодом и частотой связано понятие о длине волны. Длиной звуковой волны называется расстояние между двумя последовательными сгущениями или разрежениями среды. На примере волн, распространяющихся на поверхности воды,- это расстояние между двумя гребнями (или впадинами).
Звуки могут отличаться один от другого и по тембру?. Это значит, что одинаковые звуки по высоте тона могут звучать по-разному, потому что основной тон звука сопровождается, как правило, второстепенными тонами, которые всегда выше по частоте. Они придают основному звуку дополнительную окраску и называются обертонами. Иными словами, тембр - качественная характеристика звука. Чем больше обертонов накладывается на основной тон, тем <сочнее> звук в музыкальном отношении. Если основной звук сопровождается близкими ему по высоте обертонами, то сам звук будет мягким, <бархатным>. Когда же обертоны значительно выше основного тона, появляется <металличность> в звуке или голосе.
Органы слуха благодаря своему замечательному устройству легко отличают особенности одного колебания от другого, голос близкого или знакомого человека от голосов других людей. По тому, как говорит человек, мы судим о его настроении, состоянии, переживаниях. Радость, боль, гнев, испуг, страх перед опасностью - все это можно услышать, даже не видя того, кому принадлежит голос.
Вторая основная характеристика - амплитуда колебаний. Это наибольшее отклонение от положений равновесия при гармонических колебаниях. На примере с маятником амплитуда - максимальное отклонение его от положения равновесия в крайнее правое или левое положение. Амплитуда колебаний, так же как и частота, определяет интенсивность (силу) звука. При распространении звуковых волн отдельные частицы упругой среды последовательно смещаются. Это смещение передается от частицы к частице с некоторым запозданием, величина которого зависит от инерционных свойств среды. Передача смещений от частицы к частице сопровождается изменением расстояния между этими частицами, в результате чего происходит изменение давления в каждой точке среды.
Акустическая волна несет в направлении своего движения определенную энергию. Благодаря этому мы слышим звук, создаваемый источником, находящимся на определенном расстоянии от нас. Чем больше акустической энергии достигает уха человека, тем громче слышится звук. Сила звука, или ее интенсивность, определяется количеством акустической энергии, протекающей за одну секунду через площадку в один квадратный.сантиметр. Следовательно, интенсивность акустических волн зависит от величины акустического давления, создаваемого источником звука в среде, которое, в свою очередь, определяется величиной смещения частиц среды, вызываемого источником. В воде, например, даже очень небольшие смещения создают большую интенсивность/ звуковых волн.
Интенсивность обычных, воспринимаемых человеческим ухом звуков очень мала. Громкому разговору, к примеру, соответствует интенсивность звука, равная приблизительно одной миллиардной доле ватта на квадратный сантиметр. Но так как площадь двух слуховых каналов ушей человека приблизительно равна одному квадратному сантиметру, то мощность в одну миллиардную долю ватта человек воспринимает как достаточно громкий звук. Если бы мы захотели вскипятить чайник с водой, используя энергию звуковой речи, превращенную в тепло без всяких потерь, то для этого потребовалась бы энергия непрерывного громкого разговора всех жителей Москвы в течение суток, в то время как на газовой плите такой чайник закипает в течение 10 минут. А мощность, которая получилась бы при одновременном крике всех людей земного шара, была бы в два раза меньше мощности двигателя автомобиля <Жигули>.
С интенсивностью звука связана громкость. Чем больше интенсивность звука, тем он громче. Однако понятия о громкости и интенсивности не равнозначны. Громкость звука - это мера силы слухового ощущения, вызываемого звуком. Звук одинаковой интенсивности может создавать у различных людей неодинаковые по своей громкости слуховые восприятия. Так, например, звуки, одинаковые по интенсивности, но различающиеся по высоте, воспринимаются ухом с разной громкостью в зависимости от особенностей слуховых восприятий. Мы не воспринимаем как очень слабые, так и очень громкие звуки. Каждый человек обладает так называемым порогом слышимости, который определяется наименьшей интенсивностью звука, необходимой для того, чтобы звук был услышан.
Наиболее хорошо воспринимаемые звуки по частоте лучше различаются и по громкости. При частоте 32 герца по громкости различаются три звука, при частоте 125 герц - 94 звука, а при частоте 1000 герц - 374. Увеличение это не беспредельно. Начиная с частоты 8000 герц, число различимых звуков по громкости уменьшается. При частоте 16 000 герц человек может различать только 16 звуков.
Звуки очень большой интенсивности человек перестает слышать и воспринимает их как ощущение давления или боли. Такую силу звука называют порогом болевого ощущения. Исследования показали, что интенсивность, при которой звуки разной частоты вызывают болевое ощущение, различна. Если силу звука увеличить в миллион раз, громкость возрастает только в несколько сотен раз. Выяснилось, что ухо преобразует силу звука в громкость по сложному логарифмическому закону, ограждая свои внутренние части от чрезмерных воздействий.
Наиболее мощные звуки, с которыми большинству людей приходится сталкиваться в своей повседневной жизни, вызывают либо раздражение, либо даже боль в. ушах. Но если мощность звука, обусловливающего болезненное ощущение в ушах, понизить в десять миллионов раз, то и такой звук оказывается достаточно интенсивным, чтобы распространяться в воздухе.
Для измерения нашего субъективного восприятия звука используется логарифмическая шкала. Когда мощность одного звука в 10 раз больше мощности другого, то говорят, что интенсивность первого звука составляет 10 децибел по отношению ко второму, в 100 раз - 20 децибел, в 1000 раз - 30 децибел и т. д. Иными словами, всякий раз, когда отношение мощностей звука увеличивается в 10 раз, интенсивность звука, выраженная в децибелах, возрастает на 10. При таком подходе мы получаем не абсолютную, а лишь относительную шкалу. Необходимо как-то выделить уровень нулевой интенсивности, чтобы от него производить отсчет. Такой уровень выбран на основе субъективных показателей - это минимальный порог восприятия звука человеческим ухом, который равен 10 ~12 ватта на квадратный метр. Звук в 10 раз более мощный имеет уровень интенсивности 10 децибел, в миллион раз - 60 децибел, в 10 миллион миллионов раз, вызывающий болевое ощущение,- 130 децибел, что соответствует 10 ваттам на квадратный метр.
Имеется еще одна особенность человеческого слуха. Если к звуку определенной громкости добавить звук той же или близкой к ней частоты, то общая громкость окажется меньше математической суммы тех же громкостей. Одновременно звучащие звуки как бы компенсируют или маскируют друг друга. А звуки, далеко отстоящие по частоте, не влияют друг на друга, и их громкость оказывается максимальной. Эту закономерность композиторы используют для достижения наибольшей мощности звучания оркестра.
С точки зрения восприятия органами слуха звуков их можно разделить в основном на три категории: шум, музыка, речь. Такое разделение оправдано не только нашей привычкой к классификации явлений и предметов. Шум, музыка и речь - разные области звуковых событий,^ обладающие специфической для человека информацией. Потому-то они и изучаются разными специалистами.
Шум - бессистемное сочетание большого количества звуков, когда все эти звуки сливаются в нечто хаотическое, нестройное. Каждый из нас достаточно хорошо знаком с этим не всегда приятным явлением. Даже когда мы, занятые своими мыслями, не замечаем будто бы шума, он оказывает на нас свое воздействие, как правило, отрицательное. Час, другой, и мы чувствуем, что начинает побаливать голова, появляется слабость.
Причем нам иногда кажется, что все это происходит вроде бы беспричинно. Только уж если шум мешает нам основательно, действует на нас раздражающе, мы твердо знаем, что голова заболела от него.
Сейчас специалисты считают борьбу с шумом в городах и особенно на промышленных предприятиях одной из важнейших проблем. Речь идет, конечно, не о том, чтобы всюду стояла абсолютная тишина. Да она просто и не достижима в условиях современного города и современного производства. Более того, человек не может жить в абсолютной тишине и никогда не стремится к ней. Не случайно безмолвие сурдокамер - одно из не-^ легких испытаний для тех, кто готовится к космическим полетам. Человек, долго находящийся в абсолютной тишине, испытывает <информационный голод>, который может привести к расстройству психики. Словом, длительная абсолютная тишина так же пагубна для психики, как и беспрерывный повышенный шум. Оба эти состояния противоестественны для человека, который за миллионы лет эволюции приспособился к определенному шумовому фону - разнообразным и ненавязчивым звукам природы.
Наблюдения за состоянием здоровья рабочих шумных цехов показали, что под действием шума нарушается динамика центральной нервной системы и функции вегетативной нервной системы. Проще говоря, шум может повышать давление крови, учащать или замедлять пульс, понижать кислотность желудочного сока, кровообращение мозга, ослаблять память, снижать остроту слуха. У рабочих шумных производств отмечается боле* высокий процент заболеваний нервной и сосудистой систем, желудочно-кишечного тракта.
Одна из причин отрицательного воздействия шумов е том, что, когда мы сосредоточиваемся, чтобы лучше слышать, наш слуховой аппарат работает с большой перегрузкой. Одноразовая перегрузка не страшна, но когд мы перенапрягаемся изо дня в день, из года в год, бесследно это не проходит.
Какое количество и какого именно шума может вы держать человек, зависит от возраста. Молодые, как правило, выдерживают больше шума, чем пожилые, грохот оркестра или пронзительное пение, которое нра вится подростку, может совершенно вывести из себя человека в возрасте. Как же врачи и специалисты по акустике определяют уровень шума? Для измерения интенсивности звука в слуховом восприятии принята международная шкала громкости, разделенная на 13 бел, или 130 децибел. По этой шкале нулю соответствует порог слышимости, 10 децибел - шепот низкой громкости, 20 децибел - шепот средней громкости, 40 децибел - тихий разговор, 50 децибел - разговор средней громкости, 70 децибел - шум пишущей машинки, 80 децибел - шум работающего двигателя грузового автомобиля, 100 децибел - громкий автомобильный сигнал на расстоянии 5-7 метров, 120 децибел - шум работающего трактора на расстоянии одного метра и, наконец, 130 децибел - порог болевого ощущения, то есть порог выносливости уха. Установлено, что максимальные величины, будто не влияющие на организм, равны 30-35 децибелам, однако при длительном воздействии такого шума у практически здоровых людей может дать <сбой> нервная система, что выражается, как правило, нарушением сна.
Медики настойчиво продолжают исследовать влияние шума на здоровье человека. Они, например, установили, что при повышении шума увеличивается выделение адреналина. Адреналин в свою очередь влияет на работу сердца и, в частности, способствует выделению свободных жирных кислот в кровь. Для этого достаточно человеку кратковременно находиться под воздействием шума интенсивностью 60-70 децибел. Шум более 90 децибел способствует более активному выделению кортизона. А это в определенной степени ослабляет способность печени бороться с вредными для организма веществами, в том числе и с теми, которые способствуют возникновению рака.
Оказалось, что шум вреден также и для зрения человека. К такому выводу пришла группа болгарских врачей, исследовавших эту проблему. Специалисты, участвовавшие в опытах, по нескольку*часов находились в затемненных камерах, куда постоянно транслировался записанный на магнитофонную пленку шум от работы станков и механизмов. При этом было установлено, что заметно уменьшается активность сетчатки глаза, от которой зависит работа глазных нервов, а следовательно, острота зрения. Итак, шум - очень неблагоприятное явление для человека, он заметно снижает производи-1ьность умственного и физического труда. Невозможно перечислить все техногенные источники шума, от которого требуется активная защита. Но если иметь в виду уличный шум современного большого города, то его основной источник установить не столь уж трудно - это транспорт, особенно неумолчно урчащие, а то просто ревущие автомобили. В некоторых крупных городах мира шум в дневное время достигает 120-130 децибел. В Западной Европе есть города, где в течение нескольких лет жители не могут днем работать, а ночью спать - над их домами непрерывно проносятся реактивные самолеты.
Возникает вопрос, можно ли бороться с шумами и как?
В Советском Союзе борьбе с шумом, улучшению акустических условий оказывается повсеместное внимание. Самолетам, как правило, запрещено летать над городами. Шумные предприятия либо изолируют от жилых районов зелеными насаждениями, либо стараются и* вывести за городскую черту. В новых районах строят широкие проспекты, где звуки больше поглощаются, не отражаясь многократно от стен домов. В населенных пунктах запрещены звуковые сигналы всех видов транспорта (исключения оговариваются правилами дорожного движения).
Растения - хороший гаситель шума. Деревья и кустарники снижают шум на 5, 10, а иногда и на 20 деци бел. Безусловно, что эффективность зеленых насаждений зависит от их планировки и пород деревьев. Эффективны зеленые полосы между тротуаром и мостовой. На широких улицах со значительным движением транспорта рекомендуется создавать рядом с тротуарами аллеи шириной 10-12 метров. Лучше всего гасят шум липы цели.
Ели поглощают уличный шум в такой степени, что жители домов, находящихся позади такого хвойного за слона, едва ли не полностью избавляются от раздражающих шумов улицы большого города.
Специалисты, работающие в лаборатории строитель ной акустики Московского научноисследовательского института типового и экспериментального проектирования /МНИИТЭП/, предложили так называемые шумозащитные окна для жилых помещений. Они обеспечиваю снижение шума в квартирах на 44 децибела (обычно окно снижает уличный шум всего примерно на 22 децибела). Окна снабжены клапанами-глушителями, благодаря которым обеспечивается доступ свежего воздуха в помещение без существенного ухудшения противошумовой защиты.
На промышленных предприятиях тоже ведется настойчивая борьба с шумом. Для этого применяются индивидуальные средства защиты - <противошумы> и <антифоны> различной конструкции, снижающие на 30-50 процентов уровень высококачественного шума. Более эффективный путь к уменьшению шума - использование разнообразных средств звукоизоляции, звукопоглощающих покрытий.
Хороший почин в борьбе с шумом сделан на Ермолинском хлопчатобумажном объединении. Наступление на децибелы началось здесь несколько лет назад. Сотрудники Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР предложили использовать звукопоглощающие подвесные плиты - кулисы. Немало пришлось поработать ученым-гигиенистам вместе с инженерами, чтобы стали максимально эффективными эти акустические ловушки. На первых порах, например, стены облицовывали плоскими плитами. Затем стали их делать волнистыми, что дало еще больший эффект, нашли оптимальный вариант размещения кулис. Результат налицо - уровень шума снижен более чем вдвое, производительность труда повысилась, а заболеваемость ткачих уменьшилась на 30 процентов. Ермолинский вариант борьбы с шумом взят на вооружение московским шелковым комбинатом имени Розы Люксембург <Красная Роза>, столичной ткацкой фабрикой <Красные текстильщики>, Раменским текстильным комбинатом и др.
Еще один путь борьбы с шумом - это замена физически изношенной и морально устаревшей техники более совершенной. Можно также применить хорошо организованный и высококачественный ремонт и модернизацию промышленного оборудования и другие меры.
Можно быть уверенным, что проблема борьбы с промышленными шумами будет в конце концов решена, ибо этого требуют социальные и экономические интересы общества.
Нормативно-технической основой комплексного решения этой проблемы является стандартизация, целенаправленная и планомерная деятельность, призванная стРого регламентировать все факторы, так или иначе порождающие шум, и установить методы и способы защиты от него. Именно этим занимаются специалисты стран - членов Совета Экономической Взаимопомощи, они разрабатывают стандарты тишины на производстве и в быту. При этом обязательно учитывается опыт, накопленный в той или иной стране, в той или иной отрасли народного хозяйства. Каждый стандарт СЭВ представляет собой синтез опыта и современных научных достижений и целиком ориентирован на использование прогрессивной техники и технологии.
Венгерские специалисты разработали стандарт <Допустимые уровни звукового давления в жилых и общественных зданиях>. Этот документ устанавливает ряд акустических пределов, благодаря которым понятие тишины обретает количественное выражение. Так, напри-! мер, тишина в квартире, по мнению медиков, участвовавших в разработке стандарта,- это 40 децибел днем и 30 децибел ночью. Для сравнения: 25 децибел дает шелест листвы на умеренном ветру, 30 децибел - тиканье часов на расстоянии 1 метра, 75-80 децибел - шум на улице небольшого города.
Ведется работа над стандартом, который установит1 предельно допустимый уровень шума в районе жилищных застроек, местах отдыха и детских игр. Нормы, заложенные в этот стандарт, будут обязательны для проектировщиков и строителей.
Разумеется, чтобы эффективно бороться с шумом; надо уметь его измерять. Но не только, нужны еще единые методы измерения и оценки. Именно это предполагается обосновать новым стандартом СЭВ на методы измерения шумов, создаваемых транспортными потоками] на улицах больших городов.
При СЭВ есть постоянная комиссия с рабочей груп-1 пой по охране труда, она координирует работу по стандартизации, ведущуюся в странах СЭВ. В 1976 году были утверждены технические нормы, ограничивающие шум на предприятиях текстильной промышленности, гд как известно, работают преимущественно женщины.
Средства и методы защиты от шума классифицирует стандарт, разработанный советскими специалистам Л стандарт, содержащий общие требования к метода измерения шума, создали специалисты ЧССР. Специалисты ГДР обосновали стандарт СЭВ <Допустимые уро ни шума на рабочих местах>, согласно которому уровень шума отныне не должен превышать 85 децибел. Конечно, это еще далеко не идеальные условия, о которых мечтают гигиенисты, тем не менее и снижение производственного шума до этого уровня на всех без исключения предприятиях привело бы к значительному оздоровлению условий труда.
Работа по стандартизации, имеющей целью борьбу с шумом, продолжается. Так, постоянная комиссия СЭВ возложила на специалистов СССР разработку проекта долгосрочной программы, направленной на всестороннюю защиту человека от вредного воздействия шума.
При слове <музыка> мы тотчас представляем себе вид искусства, специфически - с помощью звуковых художественных образов - отражающего действительность и столь же специфически воздействующего на людей - на их психику и эмоции.
К тому, что музыка - это многообразный мир особым образом организованных звуков, благодаря чему она способна выражать с достаточной полнотой эмоциональные переживания людей, их душевное состояние, мы давно привыкли. При этом как-то забывается, что к ней применимы все те характеристики, которые установлены и измерены физиками при изучении звуков вообще. Приложимы, однако, с учетом ее особенностей, потому-то она является объектом изучения не акустики вообще, а музыкальной акустики - науки, родившейся на стыке акустики, музыковедения, психологии и физиологии. Ведь музыкальный язык - это, можно сказать, очеловеченный звук и по своему происхождению, и по своему назначению.
Но еще с большим правом то же самое мы можем сказать о звуках, из которых складывается наш язык, неразрывно связанный, с мышлением, сознанием.
Таким образом, шум, музыка, звуковая речь - это как бы ступени лестницы, ведущей ко все большей и большей организованности, упорядоченности в мире звуков, ко все большей их информативности.

"Звук, ультразвук, инфразвук"

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями!