М 2 ожно показать, что интенсивность звука I связана со звуковым давлением р и со свойствами среды :

2

Р

I= (7)

  С

здесь  плотность среды, С – скорость звука в среде.

Произведение   С характеризует среду, в которой происходит распространение звуковой энергии, и называется ее акустическим сопротивлением.

Для воздушной среды звуку эталонной интенсивности Io по формуле (7) будет соответствовать акустическая волна со звуковым давлением po = 0,0002 бар.

4.Абсолютный слуховой порог (порог слышимости).

При изучении принципов организации и функционирования любой сенсорной системы весьма важным является понятие и величина порога ощущения. Порог ощущения это наименьшая сила (интенсивность) раздражителя (стимула), способная вызвать ощущение. Величину порога ощущения можно определить в процессе проведения соответствующих психофизических пороговых экспериментов. Рассмотрим на примере слуховой системы процедуру проведения такого эксперимента.

Испытуемый человек располагается в звукоизолированном помещении для того, чтобы никакие посторонние звуки не действовали на его слуховую систему. Слышать испытуемый может только звуки (стимулы), предъявляемые ему экспериментатором. В качестве источника звука обычно используют или наушники или специальные динамики.

Реальные звуки, которые мы воспринимаем, характеризуются такими физическими параметрами как спектром (набором гармонических частот), длительностью и интенсивностью. При определении порогов слышимости используют звуки определенной фиксированной частоты и определенной фиксированной длительности. Изменяемой величиной является интенсивность звука. Экспериментатор предъявляет испытуемому звук определенной интенсивности. Задача у испытуемого очень простая: сообщить экспериментатору услышал он звук или не услышал (не обнаружил) его. После ответа испытуемого экспериментатор изменяет интенсивность звука на фиксированную величину ( на фиксированный шаг) и вновь предъявляет его испытуемому. Ответ испытуемого записывается. Эту процедуру проводят в широком диапазоне интенсивностей. Как показывают результаты такого эксперимента, диапазон интенсивностей предъявляемых звуков разбивается на три области (См. рис.1):

Рис.1

Пороговая

область

in i2 i1

Интенсивность

звука I

0 1 2

Область интенсивностей, Область интенсивностей,

при которых звук при которых испытуемый всегда

не воспринимается слышит звук (100 обнаружения)

(0 обнаружения)

Оказывается, что если интенсивность звука будет превышать некоторое значение 2, то испытуемый будет слышать звук при каждом его предъявлении. Если же интенсивности звуков будут меньше некоторого значения 1, то испытуемый не будет их воспринимать. Между значениями интенсивностей 1 и 2 располагается так называемая пороговая область или пороговая зона. В этой зоне интенсивностей обнаружение звуков будет носить вероятностный характер . При этом вероятность обнаружения будет тем больше, чем ближе интенсивность предъявляемого звука к значению 2. Величину порога слышимости определяют после построения и анализа этой вероятностной кривой обнаружения. Существуют три основных экспериментальных метода, позволяющих рассчитать и построить пороговую вероятностную кривую обнаружения: метод случайного предъявления, метод “лестница вниз” и метод “лестница вверх”. Рассмотрим подробнее процедуру пороговых измерений при использовании метода “лестница вниз”.

Пороговый эксперимент начинается с предъявления испытуемому звука, интенсивность которого i1 (см. рис.1) такова, что испытуемый всегда обнаруживает его. После этого экспериментатор уменьшает интенсивность предъявляемого звука на фиксированную величину (на фиксированную ступень) и предъявляет испытуемому звук интенсивностью i2. Ответ испытуемого записывается. Экспериментатор снова уменьшает интенсивность звука на фиксированную ступень и предъявляет его испытуемому. Ответ испытуемого записывается. Эта процедура многократно повторяется до тех пор, пока значение интенсивности предъявляемого звука не достигнет некоторого значения in (см. рис 1), лежащего в области интенсивностей при которых звук не воспринимается никогда.

Для построения вероятностной пороговой кривой необходимо выполнить не менее десятка таких проходов по шкале интенсивности.

После многократного предъявления испытуемому звуков различных фиксированных интенсивностей и после простейшей математической обработки его ответов можно построить так назаваемую пороговую S-образную кривую (См. рис. 2):

Рис.2

Вероятность 100

обнаружения

стимула (%)

50

0 I

in 1 2 i2 i1

Iпор

За величину порога (ощущения) принимают такое значение интенсивности, при которой вероятность обнаружения испытуемым стимула равняется пятидесяти процентам.

При определении величины порога методом “лестница вверх” испытуемому предъявляют стимулы, начиная с интенсивности in (см. рис.2). При каждом последующем предъявлении интенсивность стимула увеличивают на фиксированную величину до тех пор, пока не достигнут такого значения интенсивности i1, которое будет заведомо больше интенсивности 2. Выполняют 1020 таких проходов, полученные результаты обрабатывают, строят пороговую кривую и определяют величину порога.

Определение порога слуха методом случайного предъявления заключается в том, что испытуемому поочередно предъявляется звук, интенсивность которого изменяется после каждого предъявления по случайному закону в диапазоне интенсивностей от in до i1. После многократного предъявления звуков обрабатывают ответы испытуемого, строят пороговую кривую и определяют величину порога. Этот метод удобен, если измерения порогов выполняются на установке, в которой используется компъютер с соответствующем програмным обеспечением.

Каждый из вышеописанных методов измерения порогов достаточно продолжителен и трудоемок. В некоторых исследованиях, когда знание и определение точного значения порогов не обязательно, а достаточным оказывается знание примерного значения порога, используют упрощенную процедуру пороговых измерений. При упрощенной процедуре определения порога используют обычно метод “лестница вниз” c ограниченным числом ступенек (шагов). Эксперимент начинают с предъявления испытуемому звука, интенсивность которого i1 (см. рис.1) такова, что испытуемый всегда обнаруживает его. После этого экспериментатор уменьшает интенсивность предъявляемого звука на фиксированную величину (на фиксированную ступень) и предъявляет испытуемому звук интенсивностью i2. Ответ испытуемого записывается. Экспериментатор снова уменьшает интенсивность звука на фиксированную ступень и предъявляет его испытуемому. Ответ испытуемого записывается. Эта процедура многократно повторяется до тех пор, пока испытуемый ответит, что он не слышит звук. Звук в этом случае, очевидно, будет такой интенсивности х, которая окажется в пороговой области (см. рис. 1). После этого ответа испытуемого экспериментатор возвращает интенсивность звука к значению i1 и вновь предъявляет испытуемому звуки методом “лестница вниз” до первого отрицательного ответа испытуемого. Обычно осуществляется три таких прохода. За величину порога принимают минимальное из трех полученных значений интенсивностей х.

Многочисленные эксперименты по изучению слуховых порогов человека во всем диапазоне воспринимаемых гармонических частот показывают, что величина порогов сильно зависит от частоты звука f : в диапазоне частот 2  4 кГц пороги оказываются минимальными (чувствительность максимальной), а в области низких и высоких частот слуховые пороги возрастают.

Графическое изображение зависимости слуховых порогов от частоты звука называется аудиограммой. На рис.3 изображена аудиограмма человека.

Рис.3

( лог .шкала)

-16

I0=10 вт  см

2

Цель данной лабораторной работы: на основе измерений порогов слуха человека для звуков различных частот построить аудиограмму и обсудить биофизические причины, определяющие ее вид.

Экспериментальная часть

Измерение порогов слуха человека на различных звуковых частотах выполняется на экспериментальной установке, блок-схема которой приведена на рис.4. Установка позволяет предъявлять испытуемому (человеку) через наушники гармонические звуки различной частоты f и длительностью 1 секунда. Интенсивность предъявляемых звуков может ступенчато изменяться в широких пределах. Для фиксации ответов испытуемого используются две кнопки ответов и две сигнальные лампочки.

Рассмотрим подробнее конструкцию экспериментальной установки и порядок выполнения лабораторной работы.

1. Конструкция установки

При нажатии экспериментатором кнопки запуска срабатывает генератор запуска, который создает одновременно два импульса напряжения (см. рис. 4). Прямоугольный импульс напряжения длительностью 1 секунда с генератора запуска поступает на генератор синусоидальных колебаний, на выходе которого в момент существования этого импульса появляется синусоидальное напряжение определенной частоты f. Это синусоидальное напряжение вначале поступает на аттенюатор (ослабитель) и затем на наушники. В наушниках создается звук частотой f. Второй короткий импульс с генератора запуска поступает на генератор импульсов и запускает его. Генератор импульсов в свою очередь создает короткий прямоугольный импульс напряжения, который поступает на сигнальную лампочку, расположенную в комнате испытуемого и включает ее. Таким образом, при нажатии на кнопку запуска в наушниках появляется звук определенной частоты и одновременно вспыхивает сигнальная лампочка.

Генератор синусоидальных колебаний имеет ручку “Установка частоты”. Вращая эту ручку и ориентируясь по шкале прибора, экспериментатор может выставить необходимую частоту звука в наушниках.

Аттенюатор служит для ступенчатого изменения амплитуды синусоидального напряжения, поступающего с генератора на наушники. Изменение этого напряжения будет приводить к изменению интенсивности звука I в наушниках.

Рис. 4

Комната экспериментатора Комната испытуемого

Генератор

синусоидальных

колебаний

Аттенюатор

Наушники

1сек

Ген. запуска

Ген. импульсов

Сигнальна

лампочка

Кнопки ответа:

Сигнальные “Да” (слышу)

лампочки “Нет” (не слышу)

Кнопка запуска

Конструктивно аттенюатор представляет собой специальный ступенчатый логарифмический делитель напряжения. Он имеет четыре рабочих переключателя с ручками и соответствующими шкалами.

В процессе выполнения данной работы используются только два средних

переключателя.

При повороте каждая ручка может занимать одно из нескольких возможных фиксированных положений. Деления всех шкал обозначены числами. Для первой (левой) шкалы это целые числа от 0 до 7. Для второй (правой) шкалы это десятые доли от 0.0 до 1.2.

При положении ручек на нулевых значениях аттенюатор не изменяет амплитуду поступающего на него гармонического напряжения. При повороте левой ручки в положение, обозначенное цифрой “1”, напряжение на выходе аттенюатора уменьшится в десять раз, то есть на одну логарифмическую единицу десятичной логарифмической шкалы. Дальнейший поворот этой ручки в положения “2”, “3” , “4” и т.д. будет приводить к уменьшению поступающего на наушники первоначального напряжения на 2, 3, 4 и так далее логарифмические единицы.

Последовательное переключение правой ручки в положение 0.1, 0.2, 0.3 и так далее будет приводить к уменьшению поступающего на наушники напряжения на 0.1, 0.2, 0.3 и так далее логарифмические единицы. Использование в данной конструкции аттенюатора логарифмических шкал позволяет легко определить (простым сложением) на сколько изменится выходное напряжение аттенюатора при совместной работе левого и правого переключателя. Так если мы выставим левый переключатель в положение 5, а правый в положение 0.4, то первоначальное напряжение на выходе аттенюатора уменьшится на 5  0.4 = 5.4 логарифмические единицы.

Таким образом, аттенюатор в экспериментальной установке позволяет в широких пределах изменять амплитуду синусоидального напряжения, поступающего на наушники.

В нашей работе в дальнейшем мы будем полагать, что интенсивность звука, создаваемого наушниками, пропорциональна напряжению, поступающему на них. С физической точки зрения это не совсем строго, однако на результатах данной работы такое предположение существенно не отразится. Учитывая это , а также приняв во внимание формулу (5), можем заключить, что аттенюатор в данной экспериментальной установке позволяет изменять интенсивность звука в наушниках в децибельной шкале.

2. Порядок выполнения лабораторной работы.

Преподаватель знакомит студентов с экспериментальной установкой и включает ее. Испытуемый располагается на рабочем месте в тихой комнате и надевает наушники. Перед испытуемым помещаются две кнопки ответа и сигнальная лампочка. Экспериментаторы находятся в другой комнате у экспериментальной установки. Вращением ручки “Установка частоты” на генераторе синусоидальных колебаний устанавливается необходимая частота f звукового сигнала. Две средние ручки переключателей аттенюатора устанавливаются в положение 0. Экспериментатор нажимает на кнопку запуска, предъявляя тем самым испытуемому на 1 секунду звуковой сигнал (одновременно вспыхивает сигнальная лампочка, расположенная перед испытуемым).

При определении слуховых порогов испытуемый руководствуется следующей инструкцией: если он услышит звук, он нажимает (кратко) на кнопку ответа “Да”, если он не услышит звук (сигнальная лампочка вспыхнет и в этом случае), то нажимает на кнопку ответа “Нет”.

При нулевом положении переключателей аттенюатора интенсивность предъявляемого звука такова, что испытуемый всегда услышит его. Он нажмет на кнопку ответа “Да”. Лампочка ответа испытуемого просигнализирует экспериментатору, что испытуемый слышал звук. Далее используется упрощенная процедура определения слухового порога (см. теоретическую часть данного описания). Каждый эксперимент протоколируем в следующем виде (цифры указаны для примера):

Ч

В протоколе отражены результаты однократ-

ного спуска по “лестнице вниз”. В этом при-

мере испытуемый не обнаружил звук, интен-

сивность которого была ниже первоначальной интенсивности на 3.4 логарифмической едини-

цы или на 34 дБ. Осуществляем еще два таких

прохода и за значение слухового порога при-

нимаем минимальную из трех предельных ин-

тенсивностей, чему соответствует максималь-

ное численное значение децибел.

астота звука f Гц

Интенсивность Ответ

Левый Правый испытуемого

перекл-ль перекл-ль

0 0 +

1 0 +

2 0 +

3 0 +

4 0 -

3 0.1 +

3 0.2 +

3 0.3 +

3 0.4 -