6. Изучение спектральной характеристики уха человека

Цель работы: экспериментально определить спектральную характеристику уха человека на пороге слышимости.

Приборы и оборудование: генератор низкой частоты, наушники, микрокалькулятор.

Теоретическая часть

Определим основные понятия, встречающиеся как в специализированной, так и в научно-популярной литературе..

Звуковыми называются волны, которые могут восприниматься органами слуха человека. Их частота лежит примерно от 20 Гц до 20000 Гц. Звуковые волны играют громадную роль в жизни животных и человека. Вызывая ощущение звука, они используются животными для внутривидового общения, помогают находить пищу и избегать опасности.

Важнейшими психофизическими характеристиками звука являются высота тона (зависящая от частоты волн) и громкость (зависящая от частоты и интенсивности волны).

Частота  - это число колебаний , происходящих за 1 секунду, измеряется в герцах (Гц). 1Гц - это 1 колебание за 1 с.

Интенсивность волны (I) - среднее по времени значение энергии (E),переносимое волной за 1 с через 1 м² площади поверхности (S), расположенной перпендикулярно направлению распространения волны

Интенсивность измеряется в

Звуковое давление — переменное избыточное давление, возникающее в упругой среде при прохождении через неё звуковой волны. Единица измерения — Паскаль (Па).

Мгновенное значение звукового давления в точке среды изменяется как со временем, так и при переходе к другим точкам среды, поэтому практический интерес представляет среднеквадратичное значение данной величины, связанное с интенсивностью звука:

где I – интенсивность звука; Р – звуковое давление; Z – удельное акустическое сопротивление среды;  _t – усреднение по времени.

При рассмотрении периодических колебаний иногда используют амплитуду звукового давления – для синусоидальной волны

Где Р₀₀ – амплитуда звукового давления.

Удельное акустическое сопротивление упругой среды — величина, равная отношению амплитуды звукового давления Р₀₀ в среде к колебательной скорости v её частиц при прохождении через среду звуковой волны:

Единица измерения — паскаль-секунда на метр ( ).

Удельное акустическое сопротивление можно рассчитать через плотность среды  и скорость звука c в ней:

Например, для сухого воздуха при 15°C и стандартном атмосферном давлении  = 1,225 кг/м³; c = 340,3 м/с. Таким образом, Z = 417 .

Восприятие звука связано как со строением слухового аппарата, так и с особенностями передачи сообщения по афферентным слуховым путям в слуховую зону коры головного мозга, где и происходит анализ звукового восприятия. По сути, в психоакустике мы имеем дело с двумя подходами к одному и тому же звуковому колебанию – объективным и субъективным. С одной стороны, звук – это объективное явление, которое описывается совокупностью физических характеристик – интенсивностью, частотой, спектром и т.д. Воздействуя на слух, звук вызывает раздражение, величина и характер которого зависят от указанных характеристик звука. Эти характеристики можно назвать параметрами раздражения. Раздражение вызывает субъективный эффект, который называется ощущением и слуховой копией физического явления. Поэтому слуховое ощущение можно разложить на ряд компонент, так называемых параметров ощущения. Каждый из параметров ощущения зависит в полной мере от всех параметров раздражения, но один из них является для него главным, определяющим, а другие – второстепенными. Этот главный параметр раздражения называют физическим коррелятором ощущения. Параметры раздражения можно измерить с помощью приборов, а о параметрах ощущения (громкость, высота, тембр) возможно иметь представление только на основе словесного описания их человеком, слух которого исследуют. Одним из наиболее простых опытов по установлению количественной взаимосвязи является определение пороговых величин, под которыми подразумевают такие параметры раздражения, при которых исследуемое ощущение только появляется. Рассмотрим это явление на примере порога слышимости. Не все изменения давления воспринимаются слухом как звук: существуют определенные границы слухового ощущения в зависимости от величины давления и его частоты (которые в данном случае являются параметрами раздражения). Минимальное звуковое давление, при котором только появляется слуховое ощущение, называется порогом слышимости. Он характеризует чувствительность слуха: чем выше порог, тем ниже чувствительность. Величина порога слышимости зависит от условий опыта, характера звукового сигнала и его частоты. Измерения порога слышимости осуществляются методом так называемого балансного регулирования. Суть метода заключается в том, что испытуемый, слушая чистый тон, который меняется по интенсивности, имеет возможность поменять направление изменения, как только звук станет неслышимым. Такие измерения проводятся с участием многих испытуемых, имеющих здоровый слух, в возрасте от 18 до 25 лет, причем для получения средних результатов кривые для разных испытуемых записываются на одном бланке (т.е. накладываются одна на другую). Кривая порога слышимости синусоидальных звуков, измеренная в условиях свободного поля, показана на рисунке. На графике (Рис.1): слева, по вертикали – звуковое давление, в Паскалях; по горизонтали – частота, в Герцах; справа, по вертикали – уровневая шкала в Децибелах (целесообразность введения такой шкалы мы обсудим ниже).

Как видим, область слышимых звуков ограничена по частоте диапазоном от 20Гц до 20кГц. Звуки с более низким частотным диапазоном (до 20Гц) называются инфразвуками, а с более высоким (свыше 20кГц) – ультразвуками. Звуки неслышимого диапазона частот не воспринимаются органами слуха, но вызывают реакцию организма в целом. В пределах слышимого диапазона порог слышимости изменяется в зависимости от частоты. Наибольшую чувствительность ухо человека имеет в диапазоне частот 3000 – 3500 Гц, где порог слышимости имеет наименьшую величину. Происходит это в результате резонанса столба воздуха в трубке внешнего слухового канала, когда его длина равна четверти длины звуковой волны. При этом давление возле барабанной перепонки, по сравнению с давлением у наружного края слухового аппарата, повышается в 2 - 3 раза. В области максимальной чувствительности слух воспринимает давление около 10^-5 Па. На границах слышимого диапазона в области низких и высоких частот чувствительность уха значительно понижается, что приводит к повышению порога слышимости.

Существует ограничение области слухового восприятия и со стороны громких звуков, хотя и не такое четкое, как порог слышимости. Например, синусоидальное звуковое давление с эффективным значением около 10 Па соответствует одному из порогов, так называемому порогу неприятного ощущения. При давлении 60 - 80 Па возникает ощущение давления на уши (подобно тому, что мы ощущаем в самолете, когда закладывает уши). Эта величина называется порогом осязания. Наконец, давление 150 - 200 Па причиняет боль и называется болевым порогом. При превышении этой величины или создании ударной звуковой волны возможно механическое повреждение слухового аппарата (разрыв барабанной перепонки). Частотная зависимость болевого порога приведена на рисунке 1. Если экстраполировать кривые порога слышимости и болевого порога в область инфразвуковых и ультразвуковых частот (пунктирные линии на рисунке), то они пересекутся. Это означает, что в данных областях звуковые давления высокой интенсивности достигают болевого порога, не вызывая слухового ощущения, что особенно опасно для здоровья человека. Кривые порога слышимости и болевого порога ограничивают область слухового восприятия или область слышимости. Все звуки, которые воспринимаются слухом, лежат внутри этой области. Горизонтальными штриховыми линиями на рисунке показана область речевых звуков, а вертикальными – музыкальных звуков. Как видим, эти области составляют незначительную часть всей области слышимости.

Кроме того, оказывается, что звуковое восприятие громкости звука приближенно связано с интенсивностью звука логарифмической зависимостью. Такая зависимость соответствует психофизиологическому закону Вебера-Фехнера, который является общим для всех органов чувств. Согласно этому закону прирост силы ощущения пропорционален логарифму отношения интенсивностей двух сравниваемых раздражений. Соответственно, удобно пользоваться логарифмической шкалой изменения интенсивности звука. Есть и еще одна причина, которая побуждает нас перейти к логарифмической шкале оценки интенсивностей. Сопоставим в соответствии с областью слышимости максимальное и минимальное звуковое давление, которое воспринимается слухом. Легко подсчитать, что это соотношение составляет величину порядка 10⁷. Поскольку соответствующие интенсивности пропорциональны квадратам давлений, то их отношение имеет порядок 10¹⁴. Учитывая этот огромный диапазон изменения интенсивностей, который воспринимается слухом, а также закон слухового восприятия Вебера-Фехнера, в акустике принято пользоваться не абсолютными значениями интенсивностей, а десятичным логарифмом отношения интенсивности данного звука к некоторой стандартной интенсивности, которая называется интенсивностью нулевого уровня. На практике оказалось более удобной десятая часть этой единицы, которая называется децибелом (дБ):

Логарифмическая величина N называется уровнем интенсивности звука или уровнем его звукового давления (англ. SPL, Sound Pressure Level). В качестве интенсивности нулевого уровня принята величина I₀ = 10^-12 Вт/м² и соответствующее звуковое давление P₀ = 210^-5 Па на частоте 1000 Гц.

Под громкостью звука понимают субъективную количественную меру ощущения, для которого главным параметром раздражения является звуковое давление. Громкость зависит и от других параметров раздражения, таких как спектр звука, продолжительность его действия и условия восприятия, но эта зависимость менее значительна. Величина уровня интенсивности звука не дает представления о его громкости, поскольку не учитывает частотной зависимости слухового восприятия. Два звука, которые имеют одинаковый уровень интенсивности, но разную частоту, ухом оцениваются как неодинаковые по громкости, поскольку ухо имеет различную чувствительность на разных частотах. Поэтому для сопоставления звуков по громкости введена другая величина, которая называется уровнем громкости. Под уровнем громкости L данного звука понимают уровень интенсивности эталонного звука с частотой 1000 Гц, который имеет одинаковую с данным звуком громкость. Уровень громкости измеряется в единицах, которые имеют название "фон". Число фонов, которое выражает уровень громкости какого-либо звука, совпадает с числом децибел, которые выражают уровень интенсивности равно громкого эталонного звука. Для определения уровня громкости тональных звуков пользуются семейством кривых равной громкости или изофон (рис.2). Каждая кривая этого семейства получена путем субъективного уравновешивания громкости тонального сигнала произвольной частоты с громкостью эталонного звука частотой 1000 Гц, уровень интенсивности которого в пределах одной кривой остается неизменным. При этом используется свойство слуха сравнивать звуки разной частоты по громкости. Если, к одному уху подвести звук с частотой 1000 Гц и определенной интенсивностью, а к другому звук другой частоты, но с уровнем, который регулируется, то человек легко может подобрать такой уровень другого звука, чтобы оба сигнала казались на слух равно громкими. Пользуясь кривыми равной громкости (рис.2), можно определить уровень громкости любого тонального звука, если известны уровень его интенсивности и частота.

Для всех изофон характерен минимум в области частот 3000 - 4000 Гц и повышение при снижении частоты (ниже 500Гц). Неравномерность частотной характеристики слуха максимальна при низких уровнях, то есть при восприятии таких звуков, и минимальна при высоких уровнях. Современные представления о количественной оценке громкости основаны на гипотезе, принятой большинством специалистов-акустиков. В соответствии с этой гипотезой громкость, которая воспринимается слухом, пропорциональна количеству нервных импульсов, поступающих в соответствующие мозговые центры от базилярной мембраны внутреннего уха. Изучая вопрос о том, насколько измеряемый звук громче или тише стандартного, с которым он сравнивается, предложили понятие громкости как некоторой величины ее количественной оценки (иногда применяют понятие кажущаяся громкость). Формирование шкалы громкости оказалось возможным благодаря тому, что человек легко регистрирует на слух удвоение громкости шума. Значение увеличения громкости определяется менее точно. В целом оказалось, что с достаточной для технических целей точностью закон восприятия громкости звука можно выразить таким образом: каждое увеличение уровня громкости звука на 10 фон соответствует удвоению громкости звука, воспринимаемой человеком. Таким образом, уменьшение уровня громкости на 20 фон соответствует уменьшению его громкости в 4 раза, на 30 фон - в 8 раз и т.д. За единицу громкости приняли громкость звука частотой 1000 Гц с уровнем громкости 40 фон (что приблизительно соответствует шепоту на расстоянии 30 см от источника). Эта единица называется соном. Количественная связь между уровнями громкости L и субъективной громкостью S изображено номограммой (рис.3), которая рекомендована ISO (International Organization for Standardization, Международная организация по стандартизации) как нормативная. Для сравнения громкостей двух звуков с известными уровнями громкости необходимо определить соответствующие этим уровням субъективные громкости в сонах. Отношение полученных чисел укажет, во сколько раз один звук громче другого.

В ветеринарии, кроме всего вышесказанного, необходимо учитывать, что область слышимости у одних животных (например, крупного рогатого скота, кур) мало отличается от области слышимости человека, однако у других (в частности, у собак) область слухового восприятия значительно сдвинута в область более высоких частот (до 30 кГц).

Порядок выполнения работы

1. Включите генератор звуковой частоты в сеть, поставив тумблер «сеть» в верхнее положение.

2. Установите частоту 1000 Гц . Для этого с помощью верхних рукояток наберите цифры 10,0. Рукоятку «множитель» поставьте в положение 10². Частота сигнала на выходе генератора определяется произведением цифр, отображаемых в «окнах» над верхними рукоятками, на множитель, против которого устанавливается рукоятка «множитель».

3. Установите рукоятку «ослабление» в положение 60 дб. Наденьте наушники и вращайте рукоятку «рег. громкости» до тех пор, пока громкость звука не станет минимальной. Запишите значение уровня интенсивности на пороге слышимости для данной частоты N₀. Шаг ступенчатого регулятора «ослабление» - 10 дБ; рукоятки «рег. громкости» - 1 дБ.

4. Установите частоту 125 Гц. Поставьте рукоятку «ослабление» в положение, при котором звук будет хорошо слышен. Переключая рукоятку «ослабление», а затем вращая рукоятку «рег. громкости», найдите такое положение, при котором этот же звук впервые начнет прослушиваться. Запишите значение N' Относительный уровень интенсивности N сигнала, поступающего в наушники, определяется разностью уровней ослабления сигнала на частоте 1000 Гц (в нашем случае это N₀) и N':