Человек - это действительно самое умное из животных, населяющих планету. Однако наш ум нередко лишает нас превосходства в таких способностях, как восприятие окружающего посредством обоняния, слуха и других сенсорных ощущений. Так, большинство животных намного опережают нас, если речь идет о слуховом диапазоне. Диапазон слуха человека - это ряд частот, которые может воспринимать человеческое ухо. Попробуем понять, как работает ухо человека в отношении восприятия звука.
Диапазон слуха человека в нормальных условиях
В среднем человеческое ухо может улавливать и различать звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (20000 Гц). Однако по мере старения слуховой диапазон человека уменьшается, в частности понижается его верхняя граница. У пожилых людей она обычно намного ниже, чем у молодых, при этом максимально высокими слуховыми способностями обладают младенцы и дети. Слуховое восприятие высоких частот начинает ухудшаться с восьмилетнего возраста.
Человеческий слух в идеальных условиях
В лаборатории диапазон слуха человека определяется при помощи аудиометра, который испускает звуковые волны различной частоты, и настроенных соответствующим образом наушников. В таких идеальных условиях человеческое ухо может распознавать частоты в диапазоне от 12 Гц до 20 кГц.
Диапазон слуха у мужчин и женщин
Между слуховым диапазоном мужчин и женщин существует значительная разница. Обнаружено, что женщины по сравнению с мужчинами более чувствительны к высоким частотам. Восприятие низких частот находится у мужчин и женщин на более или менее одинаковом уровне.
Различные шкалы для указания диапазона слуха
Хотя частотная шкала является наиболее распространенной шкалой для измерения диапазона слуха человека, его также нередко измеряют в паскалях (Па) и децибелах (дБ). Однако измерение в паскалях считается неудобным, так как эта единица предполагает работу с очень крупными цифрами. Один мкПа - это расстояние, преодолеваемое звуковой волной во время колебания, которое равно одной десятой диаметра атома водорода. Звуковые волны в человеческом ухе преодолевают намного большее расстояние, что делает указание диапазона слуха человека в паскалях затруднительным.
Самый мягкий звук, который может быть распознан ухом человека, равняется примерно 20 мкПа. Шкала децибел более проста в использовании, так как она представляет собой логарифмическую шкалу, которая напрямую ссылается на шкалу Па. Она принимает 0 дБ (20 мкПа) как точку отсчета и далее продолжает сжимать эту шкалу давления. Таким образом, 20 миллионов мкПа равняются всего 120 дБ. Так получается, что диапазон человеческого уха составляет 0-120 дБ.
Слуховой диапазон значительно разнится от человека к человеку. Поэтому для выявления потери слуха лучше всего измерять диапазон слышимых звуков по отношению к опорной шкале, а не по отношению к обычной стандартизированной шкале. Тесты могут проводиться при помощи сложных инструментов для диагностики слуха, которые позволяют точно определять степень и диагностировать причины потери слуха.
Психоакустика - область науки, граничащая между физикой и психологией, изучает
данные о слуховом ощущении человека при действии на ухо физического раздражения - звука. Накоплен большой
объем данных о реакциях человека на слуховые раздражения. Без этих данных трудно получить правильное представление
о работе систем передачи сигналов звуковой частоты. Рассмотрим наиболее важные особенности восприятия
звука человеком.
Человек ощущает изменения звукового давления, происходящие с частотой 20-20 000 Гц.
Звуки с частотой ниже 40 Гц сравнительно редко встречаются в музыке и не существуют в разговорной речи.
На очень высоких частотах музыкальное восприятие исчезает и возникает некое неопределенное звуковое ощущение,
зависящее от индивидуальности слушателя, его возраста. С возрастом чувствительность слуха у человека уменьшается
и прежде всего в области верхних частот звукового диапазона.
Но было бы неправильно делать на этом основании вывод, что для пожилых людей неважна
передача звуковоспроизводящей установкой широкой полосы частот. Эксперименты показали, что люди, даже
едва воспринимающие сигналы выше 12 кГц, очень легко распознают в музыкальной передаче недостаточность
верхних частот.
Частотные характеристики слуховых ощущений
Область слышимых человеком звуков в диапазоне 20-20000 Гц ограничивается по интенсивности
порогами: снизу - слышимости и сверху - болевых ощущений.
Порог слышимости оценивается минимальным давлением, точнее, минимальным приращением
давления относительно границы чувствителен к частотам 1000-5000 Гц - здесь порог слышимости самой низкий
(звуковое давление около 2- 10 Па). В сторону низших и высших звуковых частот чувствительность слуха резко
падает.
Порог болевых ощущений определяет верхнюю границу восприятия звуковой энергии и соответствует
примерно интенсивности звука 10 Вт/м или 130 дБ (для опорного сигнала с частотой 1000 Гц).
При увеличении звукового давления увеличивается и интенсивность звука, причем слуховое
ощущение нарастает скачками, называемыми порогом различения интенсивности. Число этих скачков на средних
частотах примерно 250, на низких и высоких частотах оно уменьшается и в среднем по частотному диапазону
составляет около 150.
Поскольку диапазон изменения интенсивностей 130 дБ, то элементарный скачок ощущений в среднем по диапазону амплитуд равен 0,8 дБ, что соответствует изменению интенсивности звука в 1,2 раза. При низких уровнях слуха эти скачки достигают 2-3 дБ, при высоких уровнях они уменьшаются до 0,5 дБ (в 1,1 раза). Увеличение мощности усилительного тракта меньше чем в 1,44 раза практически не фиксируется ухом человека. При более низком звуковом давлении, развиваемом громкоговорителем, даже двукратное увеличение мощности выходного каскада может не дать ощутимого результата.
Субъективные характеристики звука
Качество звукопередачи оценивается на основе слухового восприятия. Поэтому правильно
определить технические требования к тракту звукопередачи или отдельным его звеньям можно, только изучив
закономерности, связывающие субъективно воспринимаемое ощущение звука и объективными характеристиками
звука являются высота, громкость и тембр.
Понятие высоты звука подразумевает субъективную оценку восприятия звука по частотному
диапазону. Звук принято характеризовать не частотой, а высотой тона.
Тон - это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки,
гласные звуки речи). Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого
имеют одинаковую среднюю мощность, называется белым шумом.
Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний от 20 до 20 000 Гц воспринимается
как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.
Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты,
музыкальности и тренировки его слуха. Следует отметить, что высота звука в какой-то степени зависит от
интенсивности звука (при больших уровнях звуки большей интенсивности кажутся ниже, чем слабые..
Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот
примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6
Гц.
Субъективный масштаб восприятия звука по частоте близок к логарифмическому закону.
Поэтому увеличение частоты колебаний вдвое (независимо or начальной частоты) всегда воспринимается как
одинаковое изменение высоты тона. Интервал высоты, соответствующий изменению частоты в 2 раза, называется
октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 20-20 000 Гц, он охватывает приблизительно десять
октав.
Октава - достаточно большой интервал изменения высоты тона; человек различает значительно
меньшие интервалы. Так, в десяти октавах, воспринимаемых ухом, можно различить более тысячи градаций высоты
тона. В музыке используются меньшие интервалы, называемые полутонами и соответствующие изменению частоты
приблизительно в 1,054 раза.
Октаву делят на полуоктавы и треть октавы. Для последних стандартизован следующий
ряд частот: 1; 1,25; 1,6; 2; 2,5; 3; 3,15; 4; 5; 6,3: 8; 10, являющихся границами третьоктав. Если эти
частоты расположить на равных расстояниях по оси частот, то получится логарифмический масштаб. Исходя
из этого все частотные характеристики устройств передачи звука строят в логарифмическом масштабе.
Громкость передачи зависит не только от интенсивности звука, но и от спектрального
состава, условий восприятия и длительности воздействия. Так, два звучащих тона средней и низкой частоты,
имеющие одинаковую интенсивность (или одинаковое звуковое давление), воспринимаются человеком не как одинаково
громкие. Поэтому введено понятие уровня громкости в фонах для обозначения звуков одинаковой громкости.
За уровень громкости звука в фонах принимают уровень звукового давления в децибелах такой же громкости
чистого тона частотой 1000 Гц, т.е для частоты 1000 Гц уровни громкости в фонах и децибелах совпадают.
На других частотах при одном и том же звуковом давлении звуки могут казаться более громкими или более
тихими.
Опыт работы звукорежиссеров по записи и монтажу музыкальных произведений показывает,
что для лучшего обнаружения дефектов звучания, которые могут возникнуть в процессе работы, уровень громкости,
при контрольном прослушивании следует поддерживать высоким, примерно соответствующим уровню громкости
в зале.
При длительном воздействии интенсивного звука чувствительность слуха постепенно снижается,
и тем больше, чем выше громкость звука. Обнаруживаемое снижение чувствительности связано с реакцией слуха
на перегрузку, т.е. с естественной его адаптацией, После некоторого перерыва в прослушивании чувствительность
слуха восстанавливается. К этому следует добавить, что слуховой аппарат при восприятии сигналов высокого
уровня привносит свои, так называемые субъективные, искажения (что свидетельствует о нелинейности слуха).
Так, при уровне сигнала 100 дБ первая и вторая субъективные гармоники достигают уровня 85 и 70 дБ.
Значительный уровень громкости и длительность его воздействия вызывают необратимые
явления в слуховом органе. Отмечено, что у молодежи за последние годы резко возросли пороги слышимости.
Причиной этого явилось увлечение поп-музыкой, отличающейся высокими уровнями громкости звучания.
Уровень громкости измеряют с помощью электроакустического прибора - шумомера. Измеряемый
звук сначала преобразуется микрофоном в электрические колебания. После усиления специальным усилителем
напряжения этих колебаний измеряют стрелочным прибором, отрегулированным в децибелах. Чтобы показания
прибора как можно более точно соответствовали субъективному восприятию громкости, прибор снабжен специальными
фильтрами, изменяющими его чувствительность к восприятию звука разных частот в соответствии с характеристикой
чувствительности слуха.
Важной характеристикой звука является тембр. Способность слуха различать его позволяет
воспринимать сигналы с большим разнообразием оттенков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря
характерным для них оттенкам становится многокрасочным и хорошо узнаваемым.
Тембр, являясь субъективным отображением сложности воспринимаемого звучания, не имеет
количественной оценки и характеризуется терминами качественного порядка (красивый, мягкий, сочный и др.).
При передаче сигнала по электроакустическому тракту возникающие искажения в первую очередь влияют на тембр
воспроизводимого звука. Условием правильной передачи тембра музыкальных звуков является неискаженная передача
спектра сигнала. Спектром сигнала называют совокупность синусоидальных составляющих сложного звука.
Простейшим спектром обладает так называемый чистый тон, в нем присутствует только
одна частота. Более интересным оказывается звук музыкального инструмента: его спектр состоит из частоты
основного тона и нескольких ""примесных" частот, называемых обертонами (высшими тонами). Обертоны
кратны частоте основного тона и обычно меньше его по амплитуде.
От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Звуки разных музыкальных
инструментов различаются по тембру.
Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом.
В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе ссоответствуюшими обертонами
Различия в тембре onpeделяются в основном низко-средне частотными составляющими сигнала,
следовательно, и большое разнообразие тембров связано с сигналами, лежащими в нижней части частотного
диапазона. Сигналы же, относяшиеся к верхней его части, по мере повышения все больше теряют свою окраску
тембра, что обусловлено постепенным уходом их гармонических составляющих за пределы слышимых частот. Это
можно объяснить тем, что в образовании тембра низких звуков активно участвуют до 20 и более гармоник,
средних 8 - 10, высоких 2 - 3, так как остальные либо слабы, либо выпадают из области слышимых частот.
Поэтому высокие звуки, как правило, по тембру беднее.
Практически у всех естественных источников звука, в том числе и у источников музыкальных
звуков, наблюдается специфическая зависимость тембра от уровня громкости. К такой зависимости приспособлен
и слух - для него является естественным определение интенсивности источника по окраске звука. Громкие
звуки обычно являются и более резкими.
Музыкальные источники звука
Большое влияние на качество звучания электроакустических систем оказывает ряд факторов,
характеризующих первичные источники звуков.
Акустические параметры музыкальных источников зависят от состава исполнителей (оркестр,
ансамбль, группа, солиста и типа музыки: симфоническая, народная, эстрадная и пр.).
Зарождение и формирование звука на каждом музыкальном инструменте имеет свою специфику,
связанную с акустическими особенностями звукообразования в том или ином музыкальном инструменте.
Важным элементом музыкального звука является атака. Это - специфический переходный
процесс, в течение которого устанавливаются стабильные характеристики звука: громкость, тембр, высота.
Любой музыкальный звук проходит три стадии -начало, середину и конец, причем и начальная, и конечная стадии
имеют некоторую продолжительность. Начальная стадия называется атакой. Длится она по-разному: у щипковых,
ударных и некоторых духовых инструментов 0-20 мс, у фагота 20-60 мс. Атака - это не просто нарастание
громкости звука от нуля до некоторого установившегося значения, она может сопровождаться таким же изменением
высоты звука и его тембра. Причем характеристики атаки инструмента неодинаковы в разных участках его диапазона
при разной манере игры: скрипка по богатству возможных выразительных способов атаки - наиболее совершенный
инструмент.
Одна из характеристик любого музыквльного инструмента - это частотный диапазон звучания.
Кроме основных частот каждый инструмент характеризуется дополнительными высококачественными составляющими
- обертонами (или, как принято в электроакустике, - высшими гармониками), определяющими его специфический
тембр.
Известно, что звуковая энергия неравномерно распределяется по всему спектру звуковых
частот, излучаемых источником.
Большинство инструментов характеризуется усилением основных частот, а также отдельных
обертонов в определенных (одной или нескольких) относительно узких полосах частот (формантах), различных
для каждого инструмента. Резонансные частоты (в герцах) формантной области составляют: для трубы 100-200,
валторны 200-400, тромбона 300-900, трубы 800-1750, саксофона 350-900, гобоя 800-1500, фагота 300-900,
кларнета 250-600.
Другое характерное свойство музыкальных инструментов - сила их звука, обусловливается
большей или меньшей амплитудой (размахом) их звучащего тела или воздушного столба (большей амплитуде соответствует
более сильное звучание и наоборот). Значение пиковых акустических мощностей (в ваттах) составляет: для
большого оркестра 70, большого барабана 25, литавр 20, малого барабана 12, тромбона 6, фортепиано 0,4,
трубы и саксофона 0,3, трубы 0,2, контрабаса 0.(6, малой флейты 0,08, кларнета, валторны и треугольника
0,05.
Отношение мощности звука, извлекаемого из инструмента при исполнении "фортиссимо",
к мощности звука при исполнении "пианиссимо" принято называть динамическим диапазоном звучания
музыкальных инструментов.
Динамический диапазон музыкального источника звука зависит от вида исполнительского
коллектива и характера исполнения.
Рассмотрим динамический диапазон отдельных источников звука. Под динамическим диапазоном
отдельных музыкальных инструментов и ансамблей (различные по составу оркестры и хоры), а также голосов
понимают отношение максимальных звуковых давлений, создаваемых данным источником, к минимальным, выраженное
в децибелах.
На практике при определении динамического диапазона источника звука обычно оперируют
только уровнями звукового давления, вычисляя или измеряя соответствующую их разность. Например, если максимальный
уровень звучания оркестра составляет 90, а минимальный 50 дБ, то говорят, что динамический диапазон равен
90 - 50= = 40 дБ. При этом 90 и 50 дБ - это уровни звукового давления относительно нулевого акустического
уровня.
Динамический диапазон для данного источника звука - величина непостоянная. Она зависит
от характера исполняемого произведения и от акустических условий помещения, в котором происходит исполнение.
Реверберация расширяет динамический диапазон, который обычно достигает максимального значения в помещениях,
имеющих большой объем и минимальное звукопоглощение. Почти у всех инструментов и человеческих голосов
динамический диапазон неравномерен по регистрам звучания. Например, уровень громкости самого низкого звука
на "форте" у вокалиста равен уровню самого высокого звука на "пиано".
Динамический диапазон той или иной музыкальной программы выражается таким же образом, как и для отдельных источников звука, но максимальное звуковое давление отмечается при динамическом ff (фортиссимо) оттенке, а минимальное при рр (пианиссимо).
Наибольшей громкости, обозначаемой в нотах fff (форте-, фортиссимо), соответствует
акустический уровень звукового давления примерно 110 дБ, а наименьшей громкости, обозначаемой в нотах
ррр (пиано-пианиссимо), примерно 40 дБ.
Следует отметить, что динамические оттенки исполнения в музыке относительны и их
связь с соответствующими уровнями звукового давления до некоторой степени условна. Динамический диапазон
той или иной музыкальной программы зависит от характера сочинения. Так, динамический диапазон классических
произведений Гайдна, Моцарта, Вивальди редко превышает 30-35 дБ. Динамический диапазон эстрадной музыки
обычно не превышает 40 дБ, а танцевальной и джазовой - всего около 20 дБ. Большинство произведений для
оркестра русских народных инструментов также имеют небольшой динамический диапазон (25-30 дБ). Это справедливо
и для духового оркестра. Однако максимальный уровень звучания духового оркестра в помещении может достигать
достаточно большого уровня (до 110 дБ).
Эффект маскировки
Субъективная оценка громкости зависит от условий, в которых звук воспринимается
слушателем. В реальных условиях акустический сигнал не существует в абсолютной тишине. Одновременно с
ним воздействуют на слух посторонние шумы, затрудняющие звуковое восприятие, маскируюшие в определенной
мере основной сигнал. Эффект маскировки чистого синусоидального тона посторонним шумом оценивается величиной,
указываюшей. на сколько децибел повышается порог слышимости маскируемого сигнала над порогом его восприятия
в тишине.
Опыты по определению степени маскировки одного звукового сигнала другим показывают,
что тон любой частоты маскируется более низкими тонами значительно эффективнее, чем более высокими. Например,
если два камертона (1200 и 440 Гц) излучают звуки с одинаковой интенсивностью, то мы перестаем слышать
первый тон, он замаскирован вторым (погасив вибрацию второго камертона, мы снова услышим первый).
Если одновременно существуют два сложных звуковых сигнала, состоящих из определенных
спектров звуковых частот, то возникает эффект взаимной маскировки. При этом если основная энергия обоих
сигналов лежит в одной и той же области диапазона звуковых частот, то эффект маскировки будет наиболее
сильным, Так, при передаче оркестрового произведения из-за маскировки аккомпанементом партия солиста может
стать плохо разборчивой, невнятной.
Достижение четкости или, как принято говорить, "прозрачности" звучания
при звукопередаче оркестров или эстрадных ансамблей становится весьма трудным, если инструмент или отдельные
группы инструментов оркестра играют в одном или близких регистрах одновременно.
Режиссер, производя запись оркестра, обязательно учитывает особенности маскировки.
На репетициях он с помощью дирижера устанавливает баланс между силой звучания инструментов одной группы,
а также между группами всего оркестра. Ясность основных мелодических линий и отдельных музыкальных партий
достигается в этих случаях близким расположением микрофонов к исполнителям, умышленным выделением звукорежиссером
наиболее важных в данном месте произведения инструментов и другими специальными приемами звукорежиссуры.
Явлению маскировки противостоит психофизиологическоя способность органов слуха выделять
из обшей массы звуков один или несколько, несущих наиболее важную информацию. Например, при звучании оркестра
дирижер замечает малейшие неточности в исполнении партии на каком-либо инструменте.
Маскировка может существенно влиять на качество передачи сигнала. Четкое восприятие
принимаемого звука возможно в том случае, если его интенсивность существенно превышает уровень составляющих
помех, находящихся в той же полосе, что и принимаемый звук. При равномерной помехе превышение сигнала
должно быть 10- 15 дБ. Эта особенность слухового восприятия находит практическое применение, например,
при оценке электроакустических характеристик носителей. Так, если отношение сигнал-шум аналоговой грампластинки
60 дБ, то динамический диапазон записанной программы может быть не более 45- 48 дБ.
Временные характеристики слухового восприятия
Слуховой аппарат, как и любая другая колебательная система, инерционен. При исчезновении
звука слуховое ощущение исчезает не сразу, а постепенно, уменьшаясь до нуля. Время, в течение которого
ошущение по уровню громкости уменьшается на 8- 10 фон, называется постоянной времени слуха. Эта постоянная
зависит от ряда обстоятельств, а также от параметров воспринимаемого звука. Если к слушателю приходят
два коротких звуковых импульса, одинаковых пи частотному составу и уровню, но один из них запаздывает,
то они будут восприниматься слитно при запаздывании, не превышающем 50 мс. Пои больших интервалах запаздывания
оба импульса воспринимаются раздельно, возникает эхо.
Эта особенность слуха учитывается при конструировании некоторых приборов обработки
сигналов, например электронных линий задержки, ревербератов и др.
Следует отметить, что благодаря особому свойству слуха ощушение громкости кратковременного
звукового импульса зависит не только от его уровня, но и от продолжительности воздействия импульса на
ухо. Так, кратковременный звук, длящийся всего 10-12 мс, воспринимается ухом тише, чем звук такой же но
уровню, но воздействующий на слух в течение, например 150-400 мс. Поэтому при прослушивании передачи громкость
является результатом усреднения энергии звуковой волны в течение некоторого интервала. Кроме того, слух
человека обладает инерцией, в частности, при восприятии нелинейных искажений он не ощущает таковых, если
продолжительность звукового импульса меньше 10-20 мс. Именно поэтому в индикаторах уровня звукозаписывающей
бытовой радиоэлектронной аппаратуры осуществляется усреднение мгновенных значений сигнала за промежуток,
выбираемый в соответствии с временными характеристиками органов слуха.
Пространственное представление о звуке
Одной из важных способностей человека является возможность определять направление источника звука. Эта способность называется бинауральным эффектом и объясняется тем, что человек имеет два уха. Данные экспериментов показывают, откуда приходит звук: один для высокочастотных тонов, другой для низкочастотных.
До уха, обращенного к источнику, звук проходит более короткий по времени путь, чем
до второго уха. Вследствие этого давление звуковых волн в ушных каналах различается по фазе и амплитуде.
Амплитудные различия значительны только на высоких частотах, когда длина звуковой волны становится сравнимой
с размерами головы. Когда разница в амплитудах превышает пороговое значение, равное 1 дБ, то кажется,
что источник звука находится на той стороне, где амплитуда больше. Угол отклонения источника звука от
средней линии (линии симметрии) приблизительно пропорционален логарифму отношения амплитуд.
Для определения направления источника звука с частотами ниже 1500-2000 Гц существенны
фазовые различия. Человеку кажется, что звук приходит с той стороны, с которой волна, опережаюшая по фазе,
достигает уха. Угол отклонения звука от средней линии пропорционален разности времени прихода звуковых
волн к обоим ушам. Тренированный человек может заметить разность фаз при разннице во времени 100 мс.
Способность определять направление звука в вертикальной плоскости развита значительно
слабее (примерно в 10 раз). Эту особенность физиологии связывают с ориентацией органов слуха в горизонтальной
плоскости.
Специфическая особенность пространственного восприятия звука человеком проявляется
в том, что органы слуха способны ощушать суммарную, интегральную локализацию, создаваемую с помошью искусственных
средств воздействия. Например, в помещении по фронту на расстоянии 2-3 м друг от друга установлены две
АС. На таком же расстоянии от оси соединяющей системы строго по центру находится слушатель. В помешении
через АС излучаются два одинаковых по фазе, частоте и интенсивности звука. В результате идентичности звуков,
проходящих в орган слуха, человек не может их разделить, его ощущения дают представления о едином, кажущемся
(виртуальном) источнике звука, который находится строго по центру на оси симметрии.
Если теперь уменьшить громкость одной АС, то кажущийся источник переместится в сторону
более громко работающего громкоговорителя. Иллюзию перемещения источника звука можно получить не только
изменением уровня сигнала, но и искусственной задержкой одного звука относительно другого; в этом случае
кажущийся источник сместится в сторону АС, излучающей сигнал с опережением.
Для иллюстрации интегральной локализации приведем пример. Расстояние между АС 2м,
расстояние от фронтальной линии до слушателя 2 м; для того чтобы источник как бы сместился на 40 см влево
или вправо, необходимо подать два сигнала с разностью по уровню интенсивности в 5 дБ или с временным запаздыванием
в 0,3 мс. При разности уровней в 10 дБ или задержке по времени 0,6 мс источник "переместится"
на 70 см от центра.
Таким образом, если изменять создаваемое АС звуковое давление, то возникает иллюзия
перемещения источника звука. Это явление называется суммарной локализацией. Для создания суммарной локализации
применяется двухканальная стереофоническая система звукопередачи.
В первичном помешении устанавливаются два микрофона, каждый из которых работает на
свой канал. Во вторичном - два громкоговорителя. Микрофоны располагаются на определенном расстоянии друг
от друга по линии, параллельной размещению излучателя звука. При перемещении излучателя звука на микрофон
будет действовать разное звуковое давление и время прихода звуковой волны будет различно из-за неодинакового
расстояния между излучателем звуха и микрофонами. Эта разница и создает во вторичном помешении эффект
суммарной локализации, в результате чего кажущийся источник локализуется в определенной точке пространства,
находящейся между двумя громкоговорителями.
Следует сказать о биноуральной системе звукопередачи. При использовании этой системы,
называемой системой "искусственной головы", в первичном помешении размещают два отдельных микрофона,
располагая их на расстоянии друг от друга, равном расстоянию между ушами человека. Каждый из микрофонов
имеет независимый канал звукопередачи, на выходе которого во вторичном помещении включены телефоны для
левого и правого уха. При идентичности каналов звукопередачи такая система точно передает бинауральный
эффект, создаваемый около ушей "искусственной головы" в первичном помещении. Наличие головных
телефонов и необходимость пользования ими в течение длительного времени является недостатком.
Орган слуха определяет расстояние до источника звука по ряду косвенных признаков
и с некоторыми погрешностями. В зависимости от того, мало или велико расстояние до источника сигнала,
субъективная его оценка меняется под воздействием различных факторов. Было установлено, что если определяемые
расстояния невелики (до 3 м), то их субъективная оценка почти линейно связана с изменением громкости перемещающегося
по глубине источника звука. Дополнительным фактором для сложного сигнала является его тембр, который становится
все более "тяжелым"" по мере приближения источника к слушателю. Это связано со все большим усилением
обертонов низкого по сравнению с обертонами высокого регистра, вызванным происходящим при этом повышением
уровня громкости.
Для средних расстояний 3-10 м. удаление источника от слушателя будет сопровождаться
пропорциональным уменьшением громкости, причем это изменение будет одинаково относиться к основной частоте
и к гармоническим составляюшим. В результате происходит относительное усиление высокочастотной части спектра
и тембр становится более ярким.
С ростом расстояния потери энергии в воздухе будут расти пропорционально квадрату
частоты. Увеличенная потеря обертонов высокого регистра приведет к снижению тембральной яркости. Таким
образом, субъективная оценка расстояний связана с изменением его громкости и тембра.
В условиях закрытого помещения сигналы первых отражений, запаздывающие относительно
прямого на 20-40 мс, воспринимаются органом слуха как приходящие с различных направлений. Вместе с этим
все большее их запаздывание создает впечатление о значительном удалении точек, от которых происходят эти
отражения. Таким образом, по времени запаздывания можно судить об относительной удаленности вторичных
источников или, что то же, о размерах помещения.
Некоторые особенности субъективного восприятия стереофонических передач.
Стереофоническая система звукопередачи имеет ряд существенных особенностей по сравнению
с обычной монофонической.
Качество, отличающее стереофоническое звучание, объемность, т.е. естественную акустическую
перспективу, можно оценить с помощью некоторых дополнительных показателей, не имеющих смысла при монофонической
технике передачи звука. К таким дополнительным показателям следует отнести: угол слышимости, т.е. угол,
под которым слушатель воспринимает звуковую стереофоническую картину; стереофоническую разрешающую способность,
т.е. определяемую субъективно локализацию отдельных элементов звукового образа в определенных точках пространства
в пределах угла слышимости; акустическую атмосферу, т.е. эффект возникновения у слушателя ощущения присутствия
в первичном помещении, где происходит передаваемое звуковое событие.
О роли акустики помещения
Красочность звучания достигается не только с помощью аппаратуры воспроизведения звука. Даже при достаточно хорошей аппаратуре качество звучания может оказаться низким, если помещение, предназначенное для прослушивания, не обладает определенными свойствами. Известно, что в закрытом помешении возникает явление нослезвучания, называемое реверберацией. Воздействуя на органы слуха, реверберация (в зависимости от ее длительности) может улучшать или ухудшать качество звучания.
Человек, находящийся в помещении, воспринимает не только прямые звуковые волны,
создаваемые непосредственно источником звука, но и волны, отраженные потолком и стенами помещения. Отраженные
волны слышны еше некоторое время после прекращения действия источника звука.
Иногда считают, что отраженные сигналы играют только отрицательную роль, создавая
помехи восприятию основного сигнала. Однако такое представление неправильно. Определенная часть энергии
начальных отраженных эхосигналов, достигая ушей человека с малыми задержками, усиливает основной сигнал
и обогашает его звучание. Напротив, более поздние отраженные эхосигналы. время задержки которых превышает
некоторое критическое значение, образуют звуковой фон, затрудняющий восприятие основного сигнала.
Помещение прослушивания не должно иметь большое время реверберации. Жилые комнаты,
как правило, имеют малое воемя реверберации в силу ограниченности своих размеров и наличия звукопоглощающих
поверхностей, мягкой мебели, ковров, занавесок и т. п.
Различные по характеру и свойствам преграды характеризуются коэффициентом поглощения
звука, который представляет собой отношение поглощенной энергии к полной энергии падающей звуковой волны.
Для повышения звукопоглощающих свойств ковра (и снижения шумов в жилом помещении) ковер желательно вешать не вплотную к стене, а с зазором 30-50 мм).
Для нашей ориентации в окружающем мире слух играет такую же роль, как и зрение. Ухо позволяет нам общаться друг с другом при помощи звуков оно имеет специальную чувствительность к звуковым частотам речи. С помощью уха человек улавливает различные звуковые колебания воздуха. Вибрации, которые идут от предмета (источник звука), передаются через воздух играющий роль передатчика звука, улавливаются ухом. Человеческое ухо воспринимает колебания воздуха с частотой от 16 до 20 000 Гц. Вибрации с большей частотой относятся к ультразвуковым, но человеческое ухо их не воспринимает. Способность различать высокие тона с возрастом уменьшается. Способность улавливать звук двумя ушами даёт возможность определять, где он находится. В ухе колебания воздуха преобразуются в электрические импульсы, которые воспринимаются мозгом как звук.
В ухе расположен и орган восприятия движения и положения тела в пространстве - вестибулярный аппарат . Вестибулярная система играет большую роль в пространственной ориентации человека, анализирует и передаёт информацию об ускорениях и замедлениях прямолинейного и вращательного движения, а также при изменении положения головы в пространстве.
Строение уха
Исходя из внешнего строения ухо делится на три части. Первые две части уха, наружное (внешнее) и среднее, проводят звук. Третья часть - внутреннее ухо - содержит слуховые клетки, механизмы для восприятия всех трёх особенностей звука: высоты, силы и тембра.
Наружное ухо - выступающая часть наружного уха называется ушной раковиной , её основу составляет полужёсткая опорная ткань - хрящ. Передняя поверхность ушной раковины имеет сложное строение и непостоянную форму. Она состоит из хряща и фиброзной ткани, за исключением нижней части - дольки (ушной мочки) образованной жировой клетчаткой. В основании ушной раковины имеется передняя, верхняя и задняя ушные мышцы, движения которой ограничены.
Кроме акустической (звукоулавливающей) функции, ушная раковина выполняет защитную роль, предохраняя слуховой проход в барабанную перепонку от вредного воздействия окружающей среды (попадания воды, пыли, сильных воздушных потоков). Как форма, так и величина ушных раковин индивидуальны. Длина ушной раковины у мужчин 50–82 мм и ширина 32–52 мм, у женщин размеры несколько меньше. На маленькой площади ушной раковины представлена вся чувствительность тела и внутренних органов. Поэтому можно использовать её для получения биологически важной информации о состоянии любого органа. Ушная раковина концентрирует звуковые колебания и направляет их в наружное слуховое отверстие.
Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний воздуха от ушной раковины к барабанной перепонке. Наружный слуховой проход имеет длину от 2 до 5 см. его наружная треть образована хрящевой тканью, а внутренние 2/3 - костной. Наружный слуховой проход дугообразно изогнут в верхнее-заднем направлении, и легко выпрямляется при оттягивании ушной раковины вверх и назад. В коже слухового прохода находятся особые железы, выделяющие секрет желтоватого цвета (ушная сера), функция которой: защита кожи от бактериальной инфекции и инородных частиц (попадание насекомых).
Наружный слуховой проход отделяется от среднего уха барабанной перепонкой, всегда втянутой внутрь. Это тонкая соединительно-тканная пластинка, покрытая снаружи многослойным эпителием, а изнутри - слизистой оболочкой. Наружный слуховой проход служит для проведения звуковых колебаний к барабанной перепонке, которая отделяет наружное ухо от барабанной полости (среднего уха).
Среднее ухо , или барабанная полость, представляет собой небольшую заполненную воздухом камеру, которая расположена в пирамиде височной кости и отделена от наружного слухового прохода барабанной перепонкой. Эта полость имеет костные и перепончатую (барабанная перепонка) стенки.
Барабанная перепонка - это малоподвижная мембрана толщиной 0,1 мкм, сплетённая из волокон, которые идут в различных направлениях и неравномерно натянуты в разных участках. Благодаря такому строению барабанная перепонка не имеет собственного периода колебаний, что приводило бы к усилению звуковых сигналов, совпадающих с частотой собственных колебаний. Она начинает колебаться при действии звуковых колебаний, проходящих через наружный слуховой проход. Через отверстие на задней стенке барабанная перепонка сообщается с сосцевидной пещерой.
Отверстие слуховой (евстахиевой) трубы расположено в передней стенке барабанной полости и ведёт в носовую часть глотки. Благодаря этому атмосферный воздух может попадать в барабанную полость. В норме отверстие евстахиевой трубы закрыто. Оно открывается во время глотательных движений или зевания, способствуя выравниванию давления воздуха на барабанную перепонку со стороны полости среднего уха и наружного слухового отверстия, тем самым она предохраняется от разрывов, приводящих к нарушению слуха.
В барабанной полости лежат слуховые косточки . Они имеют очень маленькие размеры и соединяются в цепочку, которая простирается от барабанной перепонки до внутренней стенки барабанной полости.
Самая наружная косточка - молоточек - своей рукояткой соединена с барабанной перепонкой. Головка молоточка соединяется с наковальней, которая подвижно сочленяется с головкой стремени .
Слуховые косточки получили такие названия из-за своей формы. Косточки покрыты слизистой оболочкой. Две мышцы регулируют движение косточек. Соединение косточек такое, что способствует усилению давления звуковых волн на мембрану овального окна в 22 раза, что даёт слабым звуковым волнам приводить в движение жидкость в улитке .
Внутреннее ухо заключено в височной кости и представляет собой систему полостей и каналов, расположенных в костном веществе каменистой части височной кости. В совокупности они формируют костный лабиринт, внутри которого находится перепончатый лабиринт. Костный лабиринт представляет собой костные полости различной формы и состоит из преддверия, трёх полукружных каналов и улитки. Перепончатый лабиринт состоит из сложной системы тончайших перепончатых образований, находящихся в костном лабиринте.
Все полости внутреннего уха заполнены жидкостью. Внутри перепончатого лабиринта - эндолимфа, а жидкость, омывающая перепончатый лабиринт снаружи - перелимфа и по составу схожа со спинно-мозговой жидкостью. Эндолимфа отличается от перелимфы (в ней больше ионов калия и меньше ионов натрия) - несёт положительный заряд по отношению к перелимфе.
Предверие - центральная часть костного лабиринта, которая сообщается со всеми его частями. Сзади от преддверия расположены три костных полукружных канала: верхний, задний и латеральный. Латеральный полукружный канал лежит горизонтально, два других - под прямым углом к нему. Каждый канал имеет расширенную часть - ампулу. Внутри его содержится перепончатая ампула, заполненная эндолимфой. При движении эндолимфы во время изменения положения головы в пространстве раздражаются нервные окончания. По волокнам нерва возбуждение передаётся в головной мозг.
Улитка представляет собой спиральную трубку, образующую два с половиной оборота вокруг конусовидного костного стержня. Она является центральной частью органа слуха. Внутри костного канала улитки располагается перепончатый лабиринт, или улитковый проток, к которому подходят окончания улитковой части восьмого черепного нерва Колебания перилимфы передаются эндолимфе улиткового протока и активизирует нервные окончания слуховой части восьмого черепного нерва.
Преддверно-улитковый нерв состоит из двух частей. Преддверная часть проводит нервные импульсы от преддверия и полукружных каналов к вестибулярным ядрам моста и продолговатого мозга и далее - к мозжечку. Улитковая часть передаёт информацию по волокнам, следующим от спирального (кортиева) органа к слуховым ядрам ствола и далее - через ряд переключений в подкорковых центрах - к коре верхнего отдела височной доли полушария большого мозга.
Механизм восприятия звуковых колебаний
Звуки возникают благодаря колебаниям воздуха и усиливаются в ушной раковиной. Затем звуковая волна проводится по наружному слуховому проходу к барабанной перепонке, вызывая её колебания. Вибрация барабанной перепонки передаётся на цепь слуховых косточек: молоточек, наковальню и стремя. Основание стремени при помощи эластичной связки фиксировано к окну преддверия, благодаря чему колебания передаются на перилимфу. В свою очередь, через перепончатую стенку улиткового протока эти колебания переходят на эндолимфу, перемещение которой вызывает раздражение рецепторных клеток спирального органа. Возникающий при этом нервный импульс следует по волокнам улитковой части преддверно-улиткового нерва в головной мозг.
Перевод воспринимаемых органом слуха звуков как приятных и неприятных ощущений осуществляется в головном мозге. Нерегулярные звуковые волны формируют ощущения шума, а регулярные, ритмичные волны воспринимаются как музыкальные тоны. Звуки распространяются со скоростью 343 км/с при температуре воздуха 15–16ºС.
Понятие звука и шума. Сила звука.
Звук - физическое явление, представляющее собой распространение в виде упругих волн механических колебаний в твёрдой, жидкой или газообразной среде. Как и любая волна, звук характеризуется амплитудой и спектром частот. Амплитудой звуковой волны называется разница между самым высоким и самым низким значением плотности. Частотой звука называется количество колебаний воздуха в секунду. Частота измеряется в Герцах (Гц).
Волны с разной частотой воспринимаются нами как звук разной высоты. Звук частотой ниже 16 – 20 Гц (диапазона слышимости человека) называют инфразвуком; от 15 – 20 кГц до 1 ГГц, – ультразвуком, от 1 ГГц – гиперзвуком. Среди слышимых звуков можно выделить фонетические (речевые звуки и фонемы, из которых состоит устная речь) и музыкальные звуки (из которых состоит музыка). Музыкальные звуки содержат не один, а несколько тонов, а иногда и шумовые компоненты в широком диапазоне частот.
Шум является разновидностью звука, он воспринимается людьми как неприятный, мешающий или даже вызывающий болезненные ощущения фактор, создающие акустический дискомфорт.
Для количественной оценки звука используют усредненные параметры, определяемые на основании статистических законов. Сила звука - устаревший термин, описывающий величину, подобную интенсивности звука, но не идентичную ей. Она зависит от длины волны. Единица измерения силы звука - бел (Б) . Уровень звука чаще всего измеряют в децибелах (это 0,1Б). Человек на слух может обнаружить разницу в уровне громкости приблизительно в 1 дБ.
Для измерения акустического шума, Стивеном Орфилдом, была основана в Южном Миннеаполисе «Лаборатория Орфилд». Чтобы достичь исключительной тишины, в комнате использованы стекловолоконные акустические платформы толщиной в метр, двойные стены из изолированной стали и бетон толщиной в 30 см. Комната блокирует 99,99 процентов внешних звуков и поглощает внутренние. Эта камера используется многими производителями для тестирования громкости своих продуктов, таких как клапаны сердца, звук дисплея мобильного телефона, звук переключателя на приборной панели автомобиля. Также её используют для определения качества звука.
Звуки различной силы оказывают на организм человека различные воздействия. Так звук силой до 40 дБ оказывает успокаивающее действие. От воздействия звука 60-90 дБ возникает чувство раздражения, утомляемость, головная боль. Звук силой 95-110 дБ вызывает постепенно ослабление слуха, нервно-психический стресс, различные заболевания. Звук от 114 дБ вызывает звуковое опьянение наподобие алкогольного опьянения, нарушает сон, разрушает психику, приводит к глухоте.
В России действуют санитарные нормы допустимого уровня шума, где для различных территорий и условий нахождения человека даны предельные значения уровня шума:
· на территории мкр-она 45-55 дБ;
· в школьных классах 40-45 дБ;
· больницы 35-40 дБ;
· в промышленности 65-70 дБ.
В ночное время (23:00-7:00) уровни шума должны быть на 10 дБ меньше.
Примеры силы звука в децибелах:
· Шорох листьев: 10
· Жилое помещение: 40
· Разговор: 40–45
· Офис: 50–60
· Шум в магазине: 60
· Телевизор, крик, смех на расстоянии 1 м: 70–75
· Улица: 70–80
· Фабрика (тяжелая промышленность): 70–110
· Цепная пила: 100
· Старт реактивного самолёта: 120–130
· Шум на дискотеке: 175
Восприятие звуков человеком
Слух - способность биологических организмов воспринимать звуки органами слуха. В основе возникновения звука лежат механические колебания упругих тел. В слое воздуха, непосредственно примыкающем к поверхности колеблющего тела, возникает сгущение (сжатие) и разрежения. Эти сжатия и разрежения чередуются во времени и распространяются в стороны в виде упругой продольной волны, которая достигает уха и вызывает вблизи него периодические колебания давления, воздействующие на слуховой анализатор.
Обычный человек способен слышать звуковые колебания в диапазоне частот от 16–20 Гц до 15–20 кГц. Способность различать звуковые частоты сильно зависит от конкретного человека: его возраста, пола, подверженности слуховым болезням, тренированности и усталости слуха.
У человека органом слуха является ухо, которое воспринимает звуковые импульсы, а также отвечает за положение тела в пространстве и способность удерживать равновесие. Это парный орган, который размещается в височных костях черепа, ограничиваясь снаружи ушными раковинами. Он представлен тремя отделами: наружным, средним и внутренним ухом, каждый из которых выполняет свои конкретные функции.
Наружное ухо состоит из ушной раковины и наружного слухового прохода. Ушная раковина у живых организмов работает как приемник звуковых волн, которые затем передаются во внутреннюю часть слухового аппарата. Значение ушной раковины у человека намного меньше, чем у животных, поэтому у человека она практически неподвижна.
Складки человеческой ушной раковины вносят в поступающий в слуховой проход звук небольшие частотные искажения, зависящие от горизонтальной и вертикальной локализации звука. Таким образом, мозг получает дополнительную информацию для уточнения местоположения источника звука. Этот эффект иногда используется в акустике, в том числе для создания ощущения объёмного звука при использовании наушников или слуховых аппаратов. Наружный слуховой проход заканчивается слепо: от среднего уха он отделен барабанной перепонкой. Уловленные ушной раковиной звуковые волны ударяются в барабанную перепонку и вызывают ее колебания. В свою очередь, колебания барабанной перепонки передаются в среднее ухо.
Основной частью среднего уха является барабанная полость - небольшое пространство объемом около 1см³, находящееся в височной кости. Здесь находятся три слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремечко - они соединяются между собой и с внутренним ухом (окно преддверия), они передают звуковые колебания из наружного уха во внутреннее, одновременно усиливая их. Полость среднего уха связана с носоглоткой посредством евстахиевой трубы, через которую выравнивается среднее давление воздуха внутри и снаружи от барабанной перепонки.
Внутреннее ухо из-за своей замысловатой формы называется лабиринтом. Костный лабиринт состоит из преддверия, улитки и полукружных каналов, но непосредственное отношение к слуху имеет только улитка, внутри которой находится перепончатый канал, заполненный жидкостью, на нижней стенке которого расположен рецепторный аппарат слухового анализатора, покрытый волосковыми клетками. Волосковые клетки улавливают колебания жидкости, заполняющей канал. Каждая волосковая клетка настроена на определенную звуковую частоту.
Слуховой орган человека работает следующим образом. Ушные раковины улавливают колебания звуковой волны и направляют их в слуховой проход. По нему колебания направляются в среднее ухо и, достигнув барабанной перепонки, вызывают ее колебания. Через систему слуховых косточек колебания передаются дальше – во внутреннее ухо (звуковые колебания передаются перепонке овального окна). Колебания перепонки вызывают движение жидкости в улитке, она, в свою очередь, заставляет колебаться базальную мембрану. При движении волоконец волоски рецепторных клеток касаются покровной мембраны. В рецепторах возникает возбуждение, которое по слуховому нерву в конечном итоге передается в головной мозг, где через средний и промежуточный мозг возбуждение попадает в слуховую зону коры больших полушарий, расположенную в височных долях. Здесь происходит окончательное различение характера звука, его тона, ритма, силы, высоты и его смысла.
Влияние шума на человека
Сложно переоценить воздействие шума на состояние здоровья людей. Шум относится к тем факторам, к которым нельзя привыкнуть. Человеку лишь кажется, что он привык к шуму, но акустическое загрязнение, действуя постоянно, разрушает здоровье человека. Шум вызывает резонанс внутренних органов, постепенно изнашивая их незаметно для нас. Недаром в средние века существовала казнь "под колокол". Гул колокольного звона мучил и медленно убивал осужденного.
Долгое время влияние шума на организм человека специально не изучалось, хотя уже в древности знали о его вреде. В настоящее время ученые во многих странах мира ведут различные исследования с целью выяснения влияния шума на здоровье человека. В первую очередь от шума страдают нервная, сердечно-сосудистая системы и органы пищеварения. Существует зависимость между заболеваемостью и длительностью проживания в условиях акустического загрязнения. Рост болезней наблюдается после проживания в течение 8-10 лет при воздействии шума с интенсивностью выше 70 дБ.
Длительный шум неблагоприятно влияет на орган слуха, понижая чувствительность к звуку. Регулярное и длительное воздействие производственного шума в 85-90 дБ приводит к появлению тугоухости (постепенной потере слуха). Если сила звука выше 80 дБ, появляется опасность потери чувствительности находящихся в среднем ухе ворсинок – отростков слуховых нервов. Отмирание половины из них еще не ведет к ощутимой потере слуха. А если погибает больше половины - человек погрузится в мир, в котором не слышно шелеста деревьев, жужжания пчел. С потерей всех тридцати тысяч слуховых ворсинок человек попадает в мир безмолвия.
Шум обладает аккумулятивным эффектом, т.е. акустические раздражение, накапливаясь в организме, все сильнее угнетают нервную систему. Поэтому перед потерей слуха от воздействия шумов возникает функциональное расстройство центральной нервной системы. Особенно вредное влияние шум оказывает на нервно-психическую деятельность организма. Процесс нервно-психических заболеваний выше среди лиц, работающих в шумных условиях, нежели у лиц, работающих в нормальных звуковых условиях. Поражаются все виды интеллектуальной деятельности, ухудшаются настроение, иногда появляется ощущение растерянности, тревоги, испуга, страха , а при высокой интенсивности - чувство слабости, как после сильного нервного потрясения. В Великобритании, например, один из четырёх мужчин и одна из трёх женщин больны неврозами из-за высокого уровня шума.
Шумы вызывают функциональные расстройства сердечно-сосудистой системы. Изменения, происходящие в сердечнососудистой системе человека под воздействием шума, имеют следующие симптомы: болевые ощущения в области сердца, сердцебиение, неустойчивость пульса и артериального давления, иногда наблюдается наклонность к спазмам капилляров конечностей и глазного дна. Функциональные сдвиги, возникающие в системе кровообращения под влиянием интенсивного шума, со временем могут привести к стойким изменениям сосудистого тонуса, способствующим развитию гипертонической болезни.
Под влиянием шума изменяются углеводный, жировой, белковый, солевой обмены веществ, что проявляется в изменении биохимического состава крови (снижается уровень сахара в крови). Шум оказывает вредное влияние на зрительные и вестибулярные анализаторы, снижает рефлекторную деятельность , что часто становится причиной несчастных случаев и травм. Чем выше интенсивность шума, тем хуже человек видит и реагирует на происходящее.
Шум также влияет на способность к интеллектуальной и учебной деятельности. Например, на успеваемость учеников. В 1992 году в Мюнхене аэропорт перенесли в другую часть города. И выяснилось, что проживавшие рядом со старым аэропортом ученики, которые до его закрытия демонстрировали плохие показатели по чтению и запоминанию информации, в тишине стали показывать намного лучшие результаты. Зато в школах того района, куда аэропорт перенесли, успеваемость, наоборот, ухудшилась, а дети получили новое оправдание для плохих оценок.
Исследователи установили, что шум может разрушать растительные клетки. Например, эксперименты показали, что растения, подверженные обстрелу звуками, засыхают и гибнут. Причиной гибели является чрезмерное выделение влаги через листья: когда уровень шума превышает определённый предел, цветы буквально исходят слезами. Пчела теряет способность ориентироваться и перестаёт работать при шуме реактивного самолёта.
Очень шумная современная музыка также притупляет слух, вызывает нервные заболевания. У 20 процентов юношей и девушек, часто слушающих модную современную музыку, слух оказался притупленным в такой степени, как у 85 летних стариков. Особую опасность представляют плееры и дискотеки для подростков. Обычно уровень шума на дискотеке составляет 80–100 дБ, что сравнимо с уровнем шума интенсивного уличного движения или взлетающего в 100 м турбореактивного самолёта. Громкость звука плеера составляет 100–114 дБ. Почти так же оглушительно работает отбойный молоток. Здоровые барабанные перепонки без ущерба могут переносить громкость плеера в 110 дБ максимум в течение 1,5 мин. Французские учёные отмечают, что нарушения слуха в наш век активно распространяются среди молодых людей; с возрастом они, скорее всего, будут вынуждены пользоваться слуховыми аппаратами. Даже низкий уровень громкости мешает концентрации внимания во время умственной работы. Музыка, пусть даже совсем тихая, снижает внимание – это следует учитывать при выполнении домашней работы. Когда звук нарастает, организм производит много гормонов стресса, например, адреналин. При этом сужаются кровеносные сосуды, замедляется работа кишечника. В дальнейшем всё это может привести к нарушениям работы сердца и кровообращения. Ухудшение слуха из-за шума относится к неизлечимым заболеваниям. Восстановить поврежденный нерв хирургическим путем практически невозможно.
Негативно влияют на нас не только те звуки, которые мы слышим, но и те, которые находятся за пределами диапазона слышимости: прежде всего – инфразвук. Инфразвук в природе возникает при землетрясениях, ударах молний, при сильном ветре. В городе источники инфразвука - тяжелые станки, вентиляторы и любое оборудование, которое вибрирует. Инфразвук с уровнем до 145 дБ вызывает физическое напряжение, переутомление, головные боли, нарушения работы вестибулярного аппарата. Если инфразвук более сильный и длительный, то человек может ощущать вибрации в грудной клетке, сухость во рту, нарушения зрения, головную боль и головокружение.
Опасность инфразвука в том, что от него сложно защититься: в отличие от обычного шума, он практически не поддается поглощению и распространяется намного дальше. Для его подавления необходимо снизить звук в самом источнике с помощью специального оборудования: глушителей реактивного типа.
Полная тишина также оказывает вред на организм человека. Так, сотрудники одного конструкторского бюро, имевшего прекрасную звукоизоляцию, уже через неделю стали жаловаться на невозможность работы в условиях гнетущей тишины. Они нервничали, теряли работоспособность.
Конкретным примером воздействия шума на живые организмы, можно считать следующее событие. Тысячи не вылупившихся птенцов погибли в результате дноуглубительных работ, ведущихся немецкой компанией «Мебиус» по распоряжению Минтранса Украины. Шум от работающей техники разносился на 5-7км, оказывая негативное влияние на прилегающие территории Дунайского биосферного заповедника. Представители Дунайского биосферного заповедника и еще 3 организаций вынуждены были с болью констатировать гибель всей колонии пестроносой крачки и речной крачки, которые располагались на косе Птичья. Дельфины и киты выбрасываются на берег из-за сильных звуков военных гидролокаторов.
Источники шума в городе
Самое вредное воздействие оказывают звуки на человека в больших городах. Но даже в загородных поселках можно страдать от шумового загрязнения, вызванного работающими техническими приспособлениями у соседей: газонокосилкой, токарным станком или музыкальным центром. Шум от них может превышать предельно допустимые нормы. И все же основное загрязнение шумовое происходит в городе. Источником его в большинстве случаев являются транспортные средства. Самая большая интенсивность звуков исходит от автомагистралей, метро и трамваев.
Автотранспорт . Наибольшие уровни шума отмечаются на магистральных улицах городов. Средняя интенсивность движения достигает 2000-3000 транспортных единиц в час и больше, а максимальные уровни шума – 90-95 дБ.
Уровень уличных шумов определяется интенсивностью, скоростью и составом транспортного потока. Кроме того, уровень уличных шумов зависит от планировочных решений (продольный и поперечный профиль улиц, высота и плотность застройки) и таких элементов благоустройства, как покрытие проезжей части и наличие зелёных насаждений. Каждый из этих факторов способен изменить уровень транспортного шума до 10 дБ.
В промышленном городе обычен высокий процент грузового транспорта на магистралях. Увеличение, в общем потоке автотранспорта, грузовых автомобилей, особенно большегрузных с дизельными двигателями, приводит к росту уровней шума. Шум, возникающий на проезжей части магистрали, распространяется не только на примагистральную территорию, но вглубь жилой застройки.
Рельсовый транспорт. Повышение скорости движения поездов также приводит к значительному росту уровня шума в жилых зонах, расположенных вдоль железнодорожных путей или близ сортировочных станций. Максимальный уровень звукового давления на расстоянии 7,5 м от движущегося электропоезда достигает 93 дБ, от пассажирского – 91, от товарного состава –92 дБ.
Шум, возникающий при прохождении электропоездов, легко распространяется на открытой территории. Наиболее значительно звуковая энергия снижается на расстоянии первых 100 м от источника (в среднем на 10 дБ). На расстоянии 100-200 снижение шума равно 8 дБ, а расстоянии от 200 до 300 всего на 2-3 дБ. Основной источник железнодорожного шума – удары вагонов при движении на стыках и неровностях рельсов.
Из всех видов городского транспорта наиболее шумный трамвай . Стальные колёса трамвая при движении по рельсам создают уровень шума на 10 дБ выше, чем колёса автомобилей при соприкосновении с асфальтом. Трамвай создаёт шумовые нагрузки при работе двигателя, открывании дверей, подаче звуковых сигналов. Высокий уровень шума от движения трамвая – одна из основных причин сокращения трамвайных линий в городах. Однако трамвай обладает и целым рядом преимуществ, поэтому при снижении создаваемого им шума он может выиграть в соревновании с другими видами транспорта.
Большое значение имеет скоростной трамвай. Он может с успехом использоваться как основной вид транспорта в малых и средних городах, а в крупных – как городской, пригородный и даже как междугородный, для связи с новыми жилыми массивами, промышленными зонами, аэропортами.
Воздушный транспорт. Значительный удельный вес в шумовом режиме многих городов занимает воздушный транспорт. Нередко аэропорты гражданской авиации оказываются расположенными в непосредственной близости от жилой застройки, а воздушные трассы проходят над многочисленными населёнными пунктами. Уровень шума зависит от направления взлётно-посадочных полос и трасс пролётов самолётов, интенсивности полётов в течение суток, сезонов года, от типов самолётов, базирующихся на данном аэродроме. При круглосуточной интенсивной эксплуатации аэропортов эквивалентные уровни звука на жилой территории достигают в дневное время 80 дБ, в ночное – 78 дБ, максимальные уровни шума колеблются от 92 до 108 дБ.
Промышленные предприятия. Источником большого шума в жилых кварталах городов являются промышленные предприятия. Нарушение акустического режима отмечается в тех случаях, когда их территория непосредственно к жилым массивам. Изучение промышленного шума показало, что по характеру звучания он постоянный и широкополосный, т.е. звук различных тонов. Наиболее значительные уровни наблюдаются на частотах 500-1000 Гц, то есть в зоне наибольшей чувствительности органа слуха. В производственных цехах устанавливается большое количество разнотипного технологического оборудования. Так, ткацкие цехи могут быть охарактеризованы уровнем звука 90-95 дБ А, механические и инструментальные - 85-92, кузнечнопрессовые – 95-105, машинные залы компрессорных станций – 95-100 дБ.
Домашняя техника. С наступлением постиндустриальной эпохи всё больше и больше источников шумового загрязнения (а также электромагнитного) появляется и внутри жилища человека. Источником этого шума является бытовая и офисная техника.
Содержание статьи
СЛУХ, способность воспринимать звуки. Слух зависит от: 1) уха – наружного, среднего и внутреннего, – которое воспринимает звуковые колебания; 2) слухового нерва, передающего полученные от уха сигналы; 3) определенных отделов головного мозга (слуховых центров), в которых импульсы, переданные слуховыми нервами, вызывают осознание исходных звуковых сигналов.
Любой источник звука – струна скрипки, по которой провели смычком, столб воздуха, движущийся в органной трубе, или голосовые связки говорящего человека – вызывает колебания окружающего воздуха: сначала мгновенное сжатие, потом мгновенное разрежение. Другими словами, из каждого источника звука исходят серии чередующихся волн повышенного и пониженного давления, которые быстро распространяются в воздухе. Этот движущийся поток волн и образует звук, воспринимаемый органами слуха.
Большинство звуков, с которыми мы сталкиваемся каждый день, довольно сложны. Они порождаются сложными колебательным движениями источника звука, создающими целый комплекс звуковых волн. В экспериментах по исследованию слуха стараются выбрать как можно более простые звуковые сигналы, чтобы легче было оценить результаты. Много усилий тратится на то, чтобы обеспечить простые периодические колебания источника звука (по типу маятника). Получающийся в результате поток звуковых волн одной частоты называется чистым тоном; он представляет собой регулярную, плавную смену высокого и низкого давления.
Границы слухового восприятия.
Описанный «идеальный» источник звука можно заставить колебаться быстро или медленно. Это позволяет выяснить один из главных вопросов, возникающих при исследовании слуха, а именно какова минимальная и максимальная частота колебаний, воспринимаемых человеческим ухом как звук. Эксперименты показали следующее. Когда колебания совершаются очень медленно, реже 20 полных колебательных циклов в секунду (20 Гц), каждая звуковая волна слышится отдельно и не образует непрерывный тон. С увеличением частоты колебаний человек начинает слышать непрерывный низкий тон, похожий на звук самой низкой басовой трубы органа. По мере дальнейшего возрастания частоты воспринимаемый тон становится все выше; при частоте 1000 Гц он напоминает верхнее до у сопрано. Однако и эта нота все еще далека от верхней границы человеческого слуха. Только когда частота приближается примерно к 20 000 Гц, нормальное человеческое ухо постепенно перестает слышать.
Чувствительность уха к звуковым колебаниям различных частот неодинакова. Оно особенно тонко реагирует на колебания средних частот (от 1000 до 4000 Гц). Здесь чувствительность так велика, что сколько-нибудь существенное ее увеличение оказалось бы неблагоприятным: одновременно воспринимался бы постоянный фоновый шум беспорядочного движения молекул воздуха. По мере уменьшения или увеличения частоты относительно среднего диапазона острота слуха постепенно снижается. По краям воспринимаемого диапазона частот звук, чтобы быть услышанным, должен быть очень сильным, настолько сильным, что иногда ощущается физически прежде, чем слышится.
Звук и его восприятие.
Чистый тон имеет две независимых характеристики: 1) частоту и 2) силу, или интенсивность. Частота измеряется в герцах, т.е. определяется количеством полных колебательных циклов в секунду. Интенсивность измеряется величиной пульсирующего давления звуковых волн на любую встречную поверхность и обычно выражается в относительных, логарифмических единицах – децибелах (дБ). Необходимо помнить, что понятия частоты и интенсивности применимы только к звуку как внешнему физическому раздражителю; это т.н. акустические характеристики звука. Когда мы говорим о восприятии, т.е. о физиологическом процессе, звук оценивается как высокий или низкий, а его сила воспринимается как громкость. В целом, высота – субъективная характеристика звука – тесно связана с его частотой; звуки высокой частоты воспринимаются как высокие. Также, обобщая, можно сказать, что воспринимаемая громкость зависит от силы звука: более интенсивные звуки мы слышим как более громкие. Эти соотношения, однако, не являются неизменными и абсолютными, как часто считается. На восприятие высоты звука в некоторой степени влияет его сила, а на воспринимаемую громкость – частота. Таким образом, изменив частоту звука, можно избежать изменения воспринимаемой высоты, соответствующим образом варьируя его силу.
«Минимальная заметная разница».
И с практической, и с теоретической точки зрения определение минимальной улавливаемой ухом разницы в частоте и силе звука – весьма важная проблема. Как надо изменить частоту и силу звуковых сигналов, чтобы слушающий это заметил? Выяснилось, что минимальная заметная разница определяется скорее относительным изменением характеристик звука, нежели абсолютными изменениями. Это касается и частоты, и силы звука.
Необходимое для различения относительное изменение частоты различно как для звуков разных частот, так и для звуков одной частоты, но разной силы. Можно сказать, однако, что приблизительно оно равно 0,5% в широком диапазоне частот от 1000 до 12 000 Гц. Этот процент (т.н. порог различения) несколько выше в области более высоких частот и значительно выше при более низких. Следовательно, ухо менее чувствительно к изменению частоты по краям диапазона частот, чем при средних значениях, и это часто замечают все, кто играет на рояле; интервал между двумя очень высокими или очень низкими нотами кажется меньше, чем у нот в среднем диапазоне.
Минимальная заметная разница в том, что касается силы звука, несколько другая. Для различения требуется довольно большое, около 10%, изменение давления звуковых волн (т.е. около 1 дБ), и эта величина относительно постоянна для звуков почти любой частоты и интенсивности. Однако, когда интенсивность раздражителя низка, минимальная заметная разница значительно увеличивается, особенно для тонов низких частот.
Обертоны в ухе.
Характерное свойство почти любого источника звука – то, что он не только производит простые периодические колебания (чистый тон), но совершает и сложные колебательные движения, которые дают несколько чистых тонов одновременно. Обычно такой сложный тон состоит из гармонических рядов (гармоник), т.е. из самой низкой, основной, частоты плюс обертоны, частоты которых превосходят основную в целое число раз (2, 3, 4 и т.д.). Таким образом, объект, колеблющийся с основной частотой 500 Гц, может также производить обертоны 1000, 1500, 2000 Гц и т.д. Человеческое ухо в ответ на звуковой сигнал ведет себя сходным образом. Анатомические особенности уха обеспечивают много возможностей для превращения энергии входящего чистого тона, хотя бы частично, в обертоны. А значит, даже когда источник дает чистый тон, внимательный слушатель может услышать не только основной тон, но и едва воспринимаемые один или два обертона.
Взаимодействие двух тонов.
Когда два чистых тона воспринимаются ухом одновременно, могут наблюдаться следующие варианты их совместного действия, зависящие от природы самих тонов. Они могут маскировать друг друга, взаимно уменьшая громкость. Это чаще всего происходит, когда тоны не сильно различаются по частоте. Два тона могут соединяться друг с другом. При этом мы слышим звуки, соответствующие либо разнице частот между ними, либо сумме их частот. Когда два тона очень близки по частоте, мы слышим единый тон, высота которого примерно соответствует данной частоте. Этот тон, однако, становится то громче, то тише, поскольку два слегка несовпадающих акустических сигнала непрерывно взаимодействуют, то усиливая, то гася друг друга.
Тембр.
Объективно говоря, одни и те же сложные тоны могут различаться по степени сложности, т.е. по составу и интенсивности обертонов. Субъективной характеристикой восприятия, в целом отражающей особенность звука, является тембр. Таким образом, ощущения, вызванные сложным тоном, характеризуются не только определенной высотой и громкостью, но и тембром. Некоторые звуки кажутся богатыми и полными, другие – нет. Благодаря прежде всего различиям в тембре мы среди множества звуков узнаем голоса различных инструментов. Ноту ля, взятую на рояле, легко отличить от той же ноты, сыгранной на рожке. Если, однако, умудриться отфильтровать и заглушить обертоны каждого инструмента, эти ноты нельзя будет различить.
Локализация звуков.
Человеческое ухо не только различает звуки и их источники; оба уха, работая вместе, способны довольно точно определять направление, откуда идет звук. Поскольку уши расположены с противоположных сторон головы, звуковые волны от источника звука достигают их не совсем одновременно и воздействуют с несколько разной силой. За счет минимальной разницы во времени и силе мозг довольно точно определяет направление источника звука. Если источник звука находится строго спереди, то мозг локализует его вдоль горизонтальной оси с точностью до нескольких градусов. Если источник смещен в одну из сторон, точность локализации чуть-чуть меньше. Отличить звук сзади от звука спереди, а также локализовать его вдоль вертикальной оси оказывается несколько труднее.
Шум
часто описывают как атональный звук, т.е. состоящий из различных. не связанных между собою частот и потому не повторяющий достаточно последовательно такого чередования волн высокого и низкого давления, чтобы получалась какая-то определенная частота. Однако фактически почти любой «шум» имеет свою высоту, в чем нетрудно убедиться, слушая и сравнивая обычные шумы. С другой стороны, любой «тон» имеет элементы шероховатости. Поэтому различия между шумом и тоном трудно определить в этих терминах. В настоящее время наблюдается тенденция определять шум скорее психологически, чем акустически, называя шумом просто нежелательный звук. Уменьшение шума в этом смысле стало насущной современной проблемой. Хотя постоянный сильный шум, без сомнения, приводит к глухоте, а работа в условиях шума вызывает временный стресс, все же он оказывает, вероятно, менее длительный и сильный эффект, чем ему иногда приписывают.
Аномальный слух и слух животных.
Естественным стимулом для человеческого уха является звук, распространяющийся в воздухе, однако на ухо можно воздействовать и другими способами. Всем, например, хорошо известно, что звук слышен под водой. Также, если приложить источник колебаний к костной части головы, за счет костной проводимости появляется ощущение звука. Это явление весьма полезно при некоторых формах глухоты: небольшой передатчик, приложенный непосредственно к сосцевидному отростку (части черепа, расположенной сразу за ухом), позволяет больному слышать звуки, усиливаемые передатчиком, через кости черепа за счет костной проводимости.
Конечно же, слухом обладают не только люди. Способность слышать возникает на ранних ступенях эволюции и существует уже у насекомых. Разные виды животных воспринимают звуки различных частот. Одни слышат меньший, чем человек, диапазон звуков, другие – больший. Хороший пример – собака, чье ухо чувствительно к частотам за пределами человеческого слуха. Одно из применений этого – производство свистков, звук которых не слышен человеку, но достаточен для собаки.
