4.2. Восприятие частоты сигнала

Ilq кривым рис. 4.1 видно, что орган слуха сохраняет чувстви- тельность к сигналам, частоты которых лежат в широких пределах от 30 до 20 000 Гц. Такой частотный диапазон слухового восприятия почти полностью охватывает частотные диапазоны натуральных ис- точников, звука- (см. рис. 2.22). Вместе с тем следует отметить,- что при увеличении частоты постоянного по уровню сигнала его гром- кость сначала нарастает до некоторого максимума у средних час- тот, потом падает. Орган слуха, как бы осуществляет частотную кор- рекцию на низких и высоких частотах, причем тем большую, чем ниже уровень сигнала. Подтверждением этого вывода являются кри- вые рис. 4.5, показывающие, как трансформируются спектральные крийые мужского (1) и женского (2) голосов в процессе слухового восприятия. Кривые Id и #а, построенные в единицах громкости, убеждают, что спектр сложного сигнала воспринимается с замет- ными потерями низкочастотных составляющих.

Изменение частоты сигнала воспринимается слухом как измене- ние высоты звука. Высота звука, будучи, как и громкость, субъек- тивным качеством, зависит не только от частоты, сигнала, но и от ^ряда дополнительных факторов, таких, как громкость, длительность, спектральный состав звучания. Высота звука сложного сигнала оп- ределяется самой низкой (основной) частотой, или присутствующей в самом сигнале, или обусловленной формой его огибающей кривой. Если огибающая высокочастотного. сигнала изменяется с частотой 40-7-200 Гц, то сигнал воспринимается как звук, соответствующий частоте огибающей.

• Нужно подчеркнуть, что зависимость между частотой сигнала и высотой звука, т. е. между раздражением и ощущением, близко со- ответствует общим для слуха закономерностям. Так, субъективный масштаб восприятия различных по частоте сигналов с достаточной .точностью отвечает логарифмическому, и повышение звука на один и тот же_интервал (на октаву, тон) происходит при увеличении час- тоты в одно'и то же число раз (в 2 и 1,12 раза). Как показано сплошной линией на рис. 4.6, для всех сложных гармонических сиг- налов — речевых и музыкальных — изменение ступеней гармониче- ской высоты звука (Кг), соответствующих определенному музыкаль- ному интервалу (например, октаве), происходит пропорционально изменению частоты сигнала в логарифмической мере. Такое деление на интервалы, как известно, лежит в основе музыкального строя. В случае простых гармонических сигналов связь между их частотой и высотой звука, называемой мелодической, показана на рис. 4.6. пунктирной линией. Можно видеть, что эта кривая, совпадая снача-

56 ' ' . - ' ' Х-

ла с кривой гармшйческой высоты, начинает потом заметно откжь няться от нее. При девяти гармонических октавах число мелодиче- ских октав (JK_M) сокращается до 4,3, а мелодическая высота звука (в нотах), на интервале частот от 1000 до 10000 Гц увеличивается чуть больше чем на одну октаву.

Рис. 4.5. Спектры мужского (1) и жен- ского (2) голосов, выраженные в едини- цах громкости (1a, 2а)

Влияние интенсивности сигнала на высоту воспринимаемого зву- ка выражается в три, что увеличение'интенсивности простого гар-

Рис. 4.6* Зависимость гармонической (К_г) и мелодической (К_м) высоты звука (с по- октавным делением) от частоты; по верти- кали указаны номера октав

монического сигнала, при его частоте меньшей 2000 Гц, сопровож- дается понижением воспринимаемого звука» а при частоте, большей 2000 Гц, — повышением его. Такая же зависимость, хотя и менее заметно, обнаруживается и для сложных,сигналов. Кроме того, слож- ные сигналы по сравнению (ГТгростьгмй той же интенсивности и час- тоты воспринимаются слухом не только как более громкие, что уже отмечалось, но и как более высокие.

Сложные сигналы воспринимаются органом слуха как единый звук, высота которого определяется основной частотой с дополни- тельной окраской (тембром), зависящей от частоты и амплитуды гармонических составляющих. Способность слуха различать тембр

'•'••••' . -' -..••; ' ' 57

позволяет .воспринимать сигналы с большим разнообразием оттен- ков. Звучание каждого из инструментов и голосов благодаря харак- терным для них формантам становится многокрасочным, своеобыч- ным и хорошо узнаваемым. Различия в тембре определяются в ос- новном низко- и среднечастотными составляющими сигнала, следо- вательно, и большее разнообразие тембров связано с сигналами, ле- жащими в нижней части частотного диапазона. Сигналы же, относящиеся к верхней его части, по мере повыше- ния'все больше теряют свою темб- ралъную окраску, что обусловлено постепенным уходом их гармониче- ских составляющих за пределы слы- шимых частот.

Рис. 4.,7. Восприятие спектра звуча- ния треугольника при уровне 60 дБ U) и 40 дБ (2)

В силу неодинаковой чувстви- тельности слуха на разных частотах изменение уровня сигнала порожда- ет изменение тембра звучания нату- рального источника. Это видно из рис. 4.7, на котором помещен спектр звучания треугольника. Изменение его уровня отражается на спектре, а следовательно, и на тембре звучания.

Так как звучание натурального сигнала чаще всего воспринима- ется в помещениях, то наличие в них достаточно диффузного зву- кового поля, как это видно по кривым рис. 4.1, вычерченным / мел- кими штрихами, способствует выпрямлению кривых р'авной громкос- ти и лучшему восприятию высоких частот. ^

В результате ознакомления с частотным восприятием сигнала можно прийти к некоторым заключениям.

1. Основные частоты и гармоники натуральных источников сиг- нала почти полностью размещаются в диапазоне воспринимаемых частот.

2. Музыкальные интервалы и соответствующие им высоты звука связаны между собой логарифмической зависимостью.

3. Присутствие в сигналах натуральных источников характерных для них гармоник воспринимается слухом как специфическая окрас- ка, очень разнообразящая звучания, делающая различимыми их ис- , точники. Сигналы больших уровней изменяют тембральную окрас- ку благодаря гармоникам, обусловленным самим слуховым аппа- ратом.

4. Неравномерность чувствительности слухового аппарата по час- тоте приводит к тому, что низко- и высокочастотные составляющие натуральных'сигналов по мере-их приближения к границам вос- приятия уменьшаются по громкости, а для некоторых из них (на- пример, для флейты) и совсем не воспринимаются. В соответствии с этим решающее влияние на /тембр приобретают те частотные со- ставляющие, которые лежат ближе к средней области частотного диапазона. •

58

5. Чем выше по уровню становится сложный сигнал, тем больше при восприятии усиливаются низко- и высокочастотные его состав- ляющие. Это обнаруживается в том; что основная частота воспри- нимается несколько изменившейся по высоте, а влияние гармоники формант на тембр звука расширяется в сторону этих частот.

6. Повышение диффузности звукового поля способствует более равномерному восприятию частот в полосе 500-:-5000 Гц.