Восприятие тембра звука. Шум и грохот
Добавил пользователь Владимир З. Обновлено: 21.12.2024
Шумом называется беспорядочное сочетание звуков различной высоты и громкости, вызывающее неприятное субъективное ощущение и объективные изменения органов и систем.
Шум состоит из отдельных звуков и имеет физическую характеристику. Волновое распространение звука характеризуется частотой (выражается в герцах) и силой, или интенсивностью, т. е. количеством энергии, переносимой звуковой волной в течение 1 с через 1 см 2 поверхности, перпендикулярной к направлению распространения звука. Сила звука измеряется в энергетических единицах, чаще всего в эргах в секунду на 1 см 2 . Эрг равен силе в 1 дину, т. е. силе, сообщаемой массе, весом в 1 г ускорение в 1 см 2 /с.
Поскольку отсутствуют способы непосредственного определения энергии звуковых колебаний, измеряется давление, производимое на тела, на которые они падают. Единицей звукового давления является бар, отвечающий силе в 1 дину на 1 см 2 поверхности и равной 1/1 000 000 доле атмосферного давления. Речь обычной громкости создает давление в 1 бар.
Человек способен воспринимать как звук колебания с частотой от 16 до 20 000 Гц. С возрастом чувствительность звукового анализатора уменьшается, и в преклонном возрасте колебания с частотой выше 13 000—15 000 Гц не вызывают слухового ощущения.
Субъективно частота, ее увеличение воспринимаются как повышение тона, высоты звука. Обычно основной тон сопровождается целым рядом дополнительных звуков (обертонов), возникающих благодаря колебанию отдельных частей звучащего тела. Количество и сила обертонов создают определенную окраску, или тембр, сложного звука, благодаря чему удается распознать звуки музыкальных инструментов или голоса людей.
Чтобы вызвать слуховое ощущение, звуки должны обладать определенной силой. Наименьшая сила звука, которая воспринимается человеком, называется порогом слышимости данного звука.
Пороги слышимости для звуков с различной частотой неодинаковы. Наименьшие пороги имеют звуки с частотой от 500 до 4000 Гц. За пределами этого диапазона пороги слышимости повышаются, что свидетельствует о снижении чувствительности.
Увеличение физической силы звука субъективно воспринимается как повышение громкости, однако это происходит до определенного предела, выше которого ощущается болезненное давление в ушах – порог болевого ощущения, или порог осязания. При постепенном усилении энергии звука от порога слышимости до болевого порога обнаруживаются особенности слухового восприятия: ощущение громкости звука увеличивается не пропорционально росту его звуковой энергии, а значительно медленнее. Так, чтобы ощутить едва заметное приращение громкости звука, необходимо увеличить его физическую силу на 26 %. По закону Вебера—Фехнера ощущение нарастает пропорционально не силе раздражения, а логарифму его силы.
Звуки разных частот при одной и той же физической их интенсивности ощущаются ухом не как одинаково громкие. Высокочастотные звуки ощущаются как более громкие, чем низкочастотные.
Для количественной оценки звуковой энергии предложена особая логарифмическая шкала уровней силы звука в белах или децибелах. В этой шкале за нуль, или исходный уровень, условно принята сила (10 -9 эрг/см 2 × сек, или 2 × 10 -5 Вт/см 2 /с), приблизительно равная порогу слышимости звука с частотой 1000 Гц, который в акустике принимается за стандартный звук. Каждая ступень такой шкалы, получившая название бел, соответствует изменению силы звука в 10 раз. Увеличение силы звука в 100 раз по логарифмической шкале обозначается как повышение уровня силы звука на 2 бела. Приращение уровня силы звука на 3 бела соответствует увеличению абсолютной силы его в 1000 раз и т. д.
Таким образом, чтобы определить уровень силы любого звука или шума в белах, следует разделить его абсолютную силу на силу звука, принятую за уровень сравнения, и вычислить десятичный логарифм этого соотношения.
где I1 – абсолютная сила;
I0 – сила звука уровня сравнения.
Если выразить в белах громадный диапазон силы звука с частотой 1000 Гц от порога слышимости и (нулевой уровень) до болевого порога, то весь диапазон по логарифмической шкале составит 14 бел.
В связи с тем, что орган слуха способен различать прирост звука в 0,1 бел, то на практике при измерении звуков применяется децибел (дБ), т. е. единица в 10 раз меньшая, чем бел.
В связи с особенностью восприятия слухового анализатора звук одинаковой громкости будет восприниматься человеком от источников шума с различными физическими параметрами. Так, звук силой в 50 дБ и частотой 100 Гц будет восприниматься как одинаково громкий со звуком с силой 20 дБ и частотой 1000 Гц.
Чтобы иметь возможность сравнивать между собой различные по частотному составу звуки различной силы в отношении их громкости, введена специальная единица громкости, называемая «фон». При этом за единицу сравнения принят звук в 1000 Гц, который считается стандартным. В нашем примере звук в 50 дБ и частотой 100 Гц будет равен 20 фонам, поскольку соответствует звуку с силой 20 дБ и частотой 1000 Гц.
Уровень шума, не вызывающий вредных последствий для уха работающих, или так называемый нормальный предел громкости при частоте 1000 Гц, соответствует 75—80 фонам. При повышении частоты колебаний звука по сравнению со стандартным предел громкости должен быть снижен, так как вредное воздействие на орган слуха увеличивается с повышением частоты колебаний.
Если тоны, составляющие шум, располагаются непрерывно в широком диапазоне частот, то такие шумы называют непрерывными, или сплошными. Если при этом сила звуков, составляющих шум, примерно одинакова, такой шум называют белым по аналогии с «белым светом», характеризующимся сплошным спектром.
Определение и нормирование шумов проводятся обычно в частотной полосе, равной октаве, полуоктаве или трети октавы. За октаву принимают диапазон частот, в которой верхняя граница частоты вдвое больше нижней (например, 40—80, 80—160 и т. д.). Для обозначения октавы обычно указывают не диапазон частот, а так называемые среднегеометрические частоты. Так, для октавы 40—80 Гц среднегеометрическая частота – 62 Гц, для октавы 80—160 Гц – 125 Гц и т. д.
По спектральному составу все шумы делят на 3 класса.
Класс 1.Низкочастотные (шумы тихоходных агрегатов неударного действия, шумы, проникающие сквозь звукоизолирующие преграды). Наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 300 Гц, за ним следует понижение (не менее чем на 5 дБ на октаву).
Класс 2.Среднечастотные шумы (шумы большинства машин, станков и агрегатов неударного действия). Наибольшие уровни в спектре расположены ниже частоты 800 Гц, и далее опять понижение не менее чем на 5 дБ на октаву.
Класс 3.Высокочастотные шумы (звенящие, шипящие, свистящие шумы, характерные для агрегатов ударного действия, потоков воздуха и газа, агрегатов, действующих с большими скоростями). Наименьший уровень шума в спектре расположен выше 800 Гц.
1) широкополосные с непрерывным спектром более 1 октавы;
2) тональные, когда интенсивность шума в узком диапазоне частот резко преобладает над остальными частотами.
По распределению звуковой энергии во времени шумы подразделяются:
Непостоянные шумы подразделяются на:
1) колеблющиеся во времени, уровень звука которых непрерывно изменяется во времени;
2) прерывистые, уровень звука которых ступенчато изменяются (на 5 дБ и более), причем длительность интервалов с постоянным уровнем составляет 1 с и более;
3) импульсные, состоящие из одного или нескольких сигналов длительностью менее 1 с каждый, при этом уровень звука изменяется не менее чем на 7 дБ.
Если после воздействия шума того или иного тона чувствительность к нему понижается (порог восприятия повышается) не более чем на 10—15 дБ, и восстановление ее происходит не более чем за 2—3 мин, следует думать об адаптации. Если изменение порогов значительно, и длительность восстановления затягивается, это свидетельствует о наступлении утомления. Основной формой профессиональной патологии, вызываемой интенсивным шумом, является стойкое понижение чувствительности к различным тонам и шепотной речи (профессиональная тугоухость и глухота).
Восприятие тембра звука. Шум и грохот
Физиология слуха: простые и сложные колебания
В связи с развитием электроакустики увеличились возможности более глубокого изучения вопросов фониатрии и аудиологии и обоснования диагностики, а также разработки эффективных методов лечения этих расстройств.
Определенный объем знаний в области физики, в частности, электроакустики является необходимым для врача, который решил посвятить себя фониатрии. Основные положения, касающиеся этих вопросов, в общих чертах будут разобраны нами в настоящем руководстве, более глубокие сведения читатель может получить из соответствующей литературы. В связи с чрезвычайно быстрым развитием технических наук и всё возрастающей их связью с медициной врачи должны внимательно следить за специальной литературой, чтобы быть в курсе новейших научных достижений.
Умение производить спектральный анализ сложных акустических раздражителей является необходимым для освоения новых методов исследования слуха, голоса и речи.
Форму волны можно представить графически, принимая во внимание величину отклонений частиц среды по отношению к пути, который проходит волна.
Простому гармоническому колебанию соответствует, так называемая, синусоида.
Примером простого колебания может служить колебание камертона, тоны аудиометра также относятся к простым колебаниям. Простое колебание характеризуют следующие величины: 1) число полных колебаний, совершаемых в течение 1 сек. или частота тона — высота; 2) амплитуда отклонения частиц — сила; 3) продолжительность полного колебания — период колебания.
Простой тон: eb и fd — амплитуды отклонения колеблющихся частиц; а—а1 = Т или периоду колебания
На рисунке представлен график простого тона в форме синусоиды. Периодом колебания называется время, в течение которого волна проходит путь од а до а1. Скорость распространения звуковой волны в воздухе при нормальном атмосферном давлении (760 мм Hg) и температуре 16° составляет 340,88 м/сек. Звуковые волны в жидкостях и твердых телах распространяются быстрее, чем в воздухе.
Звуки и шумы состоят из простых тонов, которые называются составляющими частотами. В музыке они определяются, как аликвоты, а в фонетике их называют формантами. Составляющие частоты гласных занимают строго определенное положение в акустическом спектре:
У — 200—400 цикл/сек.
О — 400—600 цикл/сек.
А — 800—1200 цикл/сек.
О — 400—600 цикл/сек, а также 2200—2600 цикл/сек.
И — 200—400 цикл/сек, а также 2800—3200 цикл/сек.
На рисунке представлена звуковая волна, возникшая в результате интерференции синусоидных тонов. В состав звука входит большое количество таких тонов. От них зависит тембр звука.
Графическое изображение звука (сплошная жирная линия). Штрих-пунктирная и пунктирная линии — составляющие частоты
В гласных составляющие частоты представляют собой кратные числа по отношению к самому низкому тону, и, следовательно, они в два, три, четыре и т.д. раз выше, чем основной тон. Составляющие тоны являются гармоническими по отношению к самому низкому тону.
Глухие согласные относятся к шумам, т.к. составляющие тоны, участвующие в их образовании не являются гармоническими по отношению к самому низкому тону.
Звонкие согласные частично являются шумами, т.к. кроме гармонических тонов в их состав входят и негармонические частоты.
Согласно Zyszkowski, гармонические составляющие тоны, частота которых не превышает 500 цикл/сек, обуславливают светлую окраску звука, в то время как более высокие гармонические частоты придают звуку шипящий характер.
Сложные колебания характеризуют следующие величины: 1) высота, которая зависит от количества колебаний, совершающихся в единицу времени, 2) сила, зависящая от амплитуды отклонения колеблющихся частиц, 3) тембр, зависящий от количества, высоты и относительной силы составляющих гармонических тонов, 4) время воздействия акустического раздражителя, необходимое для его перцепции.
Частота звука измеряется количеством полных колебаний (циклов) в секунду. Единицей измерения частоты является 1 цикл в секунду — цикл/сек. Эту единицу называют также герцем — Hz по фамилии немецкого физика Henryka Hertza. Частота обратно пропорциональна продолжительности периода колебания. 1000 цикл/сек. составляют 1 килогерц (KHz); 1000000 цикл/сек мегагерц (MHz).
Тембр сложных акустических колебаний зависит от частот тонов, участвующих в его образовании. Интенсивность и диапазон частот тонов, участвующих в образовании звуков речи и музыки, являются значительно меньшими по сравнению с диапазоном частот и интенсивности, которые может воспринять человеческое ухо.
Для правильной передачи речи необходим диапазон частот, составляющих звук тонов, от 100 цикл/сек. до 8000 цикл/сек. и интенсивность, равная приблизительно 40 дб. Для передачи музыки требуется более широкий диапазон, т.е. от 40 цикл/сек. до 14000 цикл/сек. и интенсивность — около 70 дб.
Zyszkowski указывает, что сложные тоны можно отличать благодаря различию между образующими их частотами. Например, невозможно отличить один от другого простые тоны, частота которых составляет 60 цикл/сек. и 62 цикл/сек, в то время как сложные тоны, характеризующиеся теми же частотами основного тона, можно различить благодаря разнице между их гармониками.
Частоты гармонических тонов, искажающие голос и артикулированные звуки, возникают чаще всего в резонаторных полостях. Благодаря звуковому анализу, производимому у больных, находящихся на фониатрическом лечении, удалось выяснить, что эти обертоны возникают обычно в верхнем отделе глотки, а также в резонаторах самой гортани.
Шум и грохот представляют собой хаотические колебания, но при этом отличаются видом и интенсивностью. Шум состоит из большого количества тонов, частоты которых очень незначительно отличаются одна от другой, а амплитуды колебаний имеют чаще всего одинаковую величину.
Грохоты характеризуются очень большой интенсивностью и состоят из огромного количества простых тонов. Они имеют определенный характер в том случае, если тоны, участвующие в их образовании, разделяются ритмическими промежутками времени, и при этом отдельные группы тонов усилены. Шум и грохот мешают пониманию речи и отрицательно действуют на кортиев орган, вызывая, так называемые, акустические травмы.
Если во время звучания одного тона возникает второй тон, то при определенной интенсивности второго тона первый тон может стать неслышимым вследствие заглушения его вторым тоном и, чтобы его можно было снова услышать, следует увеличить его интенсивность. Кривая порога слухового восприятия при этом перемещается в зависимости от высоты заглушающего тона, а также его интенсивности. Как указывает Zyszkowski, в присутствии заглушающего тона, например, с частотой, равной 800 цикл/сек, нижняя граница слышимости тона с частотой 1000 цикл/сек. перемещается вверх на 37 дб.
Тоны, частоты которых превышают частоты заглушающих тонов, легче заглушаются, чем тоны, имеющие низкие частоты колебаний. Способностью к заглушению обладают также шумы. Явление заглушения используется при исследованиях состояния слухового аппарата и для определения места его повреждения, о чём подробнее остановимся ниже.
Как в человеческом голосе, так и в музыке, имеются не только звуки, но и шумы, оказывающие влияние на звучание артикулированного звука и музыкального инструмента.
Все звуки, с которыми приходится встречаться в музыкальной практике, являются с музыкальной точки зрения созвучием ряда гармонических тонов, так называемых аликвотов. Тембр звука зависит от входящих в его состав гармонических тонов. Если функция слухового аппарата нарушена и человек не слышит высоких тонов, т.к. тоны, характеризующиеся высокой частотой колебаний, не действуют на его слуховой аппарат, то не получает он также представления и о полной окраске звуков или же скорее воспринимает их в искаженной форме.
Разумеется, высокие тоны, частота которых находится за пределами верхней границы слухового восприятия, не оказывают влияния на тембр звука.
Орган слуха и высота звука. Восприятие звуков в зависимости от частоты
Самая низкая частота, которая может быть воспринята человеческим ухом, составляет от 15 до 20 цикл/сек. Тоны, звуки, шумы, имеющие меньшую частоту колебаний, не могут быть услышаны. Звуки, частота колебаний которых меньше, чем 15 цикл/сек (т.е. звуки, не воспринимаемые человеческим ухом) объединяются под общим названием инфразвуков. Наивысшая частота, которую воспринимает здоровое человеческое ухо, находится в границах от 24000 цикл/сек. до 28000 цикл/сек. Периодические колебания, имеющие более высокую частоту (также не слышимые человеком), называются ультразвуками.
Между инфразвуками и ультразвуками находится область слухового восприятия. Эта область включает приблизительно 10,5 октав.
Высота звука определяется частотой колебаний первого гармонического тона, т.е. самого низкого тона.
Способность к восприятию высоких звуков зависит от возраста человека. После 50-ти лет верхняя граница области слухового восприятия начинает опускаться, примерно до 5000 цикл/сек.
Орган слуха человека обладает способностью реагировать на незначительные изменения частоты звуковой волны. В связи с этим вводится понятие о пороге слышимости звуков различной частоты, под этим определением подразумевается минимальное различие в высоте двух звуков, которое может быть воспринято человеческим ухом. Слуховой аппарат наиболее чувствителен к звукам с частотой колебаний от 1000 цикл /сек до 3000 цикл/сек, музыкальное ухо воспринимает сравнительно небольшие различия в высоте отдельных звуков, лежащих в этих пределах; т.е. порог слышимости звуков различной частоты в диапазоне 1000—3000 цикл/сек очень мал.
Диапазон слухового восприятия у животных гороздо шире, чем у человека. Собаки, например, слышат очень высокие звуки, характеризующиеся частотой колебаний, равной 30000 цикл/сек и даже 50000 цикл/сек; могут реагировать на звук специального свистка с очень большой частотой колебаний, причем человек этого звука уже не слышит.
Частицы среды, в которой осуществляется колебательное движение, оказывают давление на поверхность, на которую падает звуковая волна. Звуковое давление измеряется в барах. Бар — это давление, равное 0,987 атмосферы. В акустике пользуются значительно меньшей единицей измерения — микробаром, которому соответствует давление, производимое силой, равной 1 дине на площать в 1 сма. В аудиометрической практике звуковое давление измеряется в логарифмических относительных единицах. Соотношение энергии, заключенной в двух звуках I1 и I2 служит для измерения интенсивности звуков. Единицей измерения является децибел (дб) — 10 log I1 к I2. Таким образом, в децибелах выражается соотношение определенных величин интенсивности звуков. Децибел не является абсолютной характеристикой звука, эта величина выражает лишь соотношение двух сил. За условную единицу при измерении силы звука в относительных единицах принимается давление, равное 0,0002 дины на 1 см2 площади, что соответствует интенсивности самого слабого тона с частотой 1000 цикл/сек, слышимого нормальным ухом.
Уровни интенсивности колебаний сложных звуков и шумов в децибелах
Слабый шепот . 20
Тихая речь. 30
Речь средней громкости. 40
Громкая оркестровая музыка. 80
Громкий крик. 100
Шум самолета во время старта. 120
Абсолютной единицей измерения интенсивности звуковой волны является фон. Тон, частота которого составляет 1000 цикл и пороговая интенсивность — 2 . 10-4 (хб, служит исходным пунктом для измерений и равняется 0 фонов. Порог неприятного ощущения (смотри ниже) соответствует 130 фонам; 74 фона соответствуют 1 uбару.
Таблица уровней интенсивности в фонах
Самолет. 110
Громкая речь. 80
Пылесос . 60
Нормальная речь . 50
Разрывание бумаги . 40
Тикание часов. 20
Шопот. 10
Восприятие шума человеком
Восприятие человеком шума (звука) на практике оценивается его громкостью.
Громкость звука — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения). Громкость главным образом зависит от звукового давления и частоты звуковых колебаний. Также на громкость звука влияют его спектральный состав, локализация в пространстве, тембр, длительность воздействия звуковых колебаний и другие факторы.
Единицей абсолютной шкалы громкости является сон. Громкость в 1 сон — это громкость непрерывного чистого синусоидального тона частотой 1 кГц, создающего звуковое давление 2 мПа.
Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах — дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).
Рис. Зависимость уровня громкости от звукового давления и частоты
На рисунке выше изображено семейство кривых равной громкости, называемых также изофонами. Они представляют собой графики стандартизированных (международный стандарт ISO 226) зависимостей уровня звукового давления от частоты при заданном уровне громкости. С помощью этой диаграммы можно определить уровень громкости чистого тона какой-либо частоты, зная уровень создаваемого им звукового давления.
Например, если синусоидальная волна частотой 100 Гц создаёт звуковое давление уровнем 60 дБ, то, проведя прямые, соответствующие этим значениям на диаграмме, находим на их пересечении изофону, соответствующую уровню громкости 50 фон. Это значит, что данный звук имеет уровень громкости 50 фон.
Изофона «0 фон», обозначенная пунктиром, характеризует порог слышимости звуков разной частоты для нормального слуха.
На практике часто представляет интерес не уровень громкости, выраженный в фонах, а величина, показывающая, во сколько данный звук громче другого. Представляет интерес также вопрос о том, как складываются громкости двух разных тонов. Так, если имеются два тона разных частот с уровнем 70 фон каждый, то это не значит, что суммарный уровень громкости будет равен 140 фон.
Зависимость громкости от уровня звукового давления (и интенсивности звука) является сугубо нелинейной кривой, она имеет логарифмический характер. При увеличении уровня звукового давления на 10 дБ громкость звука возрастёт в 2 раза. Это значит, что уровням громкости 40, 50 и 60 фон соответствуют громкости 1, 2 и 4 сона. (Источник: Wikipedia)
Действие шума на человека
Шум оказывает на человека комплексное воздействие:
уровень шума 50-60 дБ воздействует на нервную систему; 60-75 дБ – влияет на сердечно-сосудистую систему и обменные процессы; 75-90 дБ- оказывает влияние на органы слуха, вызывает снижение слуховой чувствительности, влияет на ЦНС; от 90 дБ и выше - быстрое утомление и нарушение памяти. Появление утомляемости приводит к снижению внимания, росту числа ошибок и повышению уровня травматизма.
Читайте также: