О нелинейности слуха. Нелинейность слуха

Для нормального среднестатистического органа слуха человека существуют некоторые предельные (пороговые) минимальные значения физических параметров звукового поля, при которых еще существует слуховое ощущение. Таким порогом слышимости являются стандартизованная интенсивность звука I0=10...12 Вт/м2 (близкая к порогу слышимости при f=1000 Гц в тишине), а также соответствующие ей звуковое давление p0=2*10-5 Па и плотность звуковой энергии e03*10-15 Дж/м3. Порог слышимости является частнозависимым. Выше порога слышимости расположена область слышимости. На рис. 1 показана кривая порога слышимости. Там же показан и верхний порог слышимости, выше которого может наступить разрушение органа слуха - болевой порог, которому соответствует давление pmax=150...200 Па, что превосходит величину p0=2*10-5 Па в 107 раз.

Рис. 1. Кривые, ограничивающие область слышимости

Для более удобного оперирования столь значительными абсолютными величинами, но в большей степени потому, что слуховое ощущение раздражающей силы звукового сигнала пропорционально ее логарифму (согласно закону Вебера-Фехнера), чаще используются величины, называемые уровнем интенсивности звука (LI), уровнем ощущения (E), уровнем звукового давления (LP), уровнем плотности звуковой энергии (LE), которые также пропорциональны логарифму относительного значения параметра (I/I0), (p/p0), (e/e0) и измеряются в децибелах:

(1.1)

(1.2)

(1.3)

Одинаковые относительные изменения раздражающей силы вызывают одинаковые приращения слухового ощущения. Эта особенность слуха также измерена: порог заметности изменения интенсивности (DI) чистых тонов на высоких и средних уровнях ощущения Е составляет от 0,2 до 0,6 дБ, на низких уровнях ощущения он доходит до нескольких децибел, а среднее значение DI/I около 1 дБ. Таким образом, между порогом слышимости и болевым порогом слух различает несколько сотен ступеней изменения слухового ощущения.

Амплитудная разрешающая способность слуха по ощущению изменений интенсивности звука имеет еще и частотную зависимость: она наиболее высока на средних, заметно меньше на высоких и еще меньше на низких частотах.

Установлено, что уровень громкости неточно характеризует субъективное слуховое ощущение. Для преодоления этого было введено понятие уровня громкости (LG). За уровень громкости LG данного звука принимается уровень интенсивности равногромкого с ним чистого тона с частотой 1000 Гц. Единица измерения LG - фон. При бинауральном слушании (т.е. обоими ушами) чистых тонов для определения уровня громкости пользуются семейством изофон, т.е. кривыми равной громкости (рис. 2).

Рис. 2. Кривые равной громкости синусоидальных звуков

Иногда графики изофон вызывают некоторые трудности восприятия их сущности. Для упрощения понимания представлен более доступный график (рис. 3), характеризующий чувствительность слуха при различных уровнях громкости. Единицей измерения громкости принят 1 сон, соответствующий громкости тона с уровнем LG = 40 фон.

Рис. 3. Частотные характеристики чувствительности слуха при различных уровнях громкости

В таблице 1 приведены измеренные величины уровня громкости LG и громкости G для некоторых источников звука и градация громкости в музыкальных программах.

Источник звука LG, фон G, сон Улица с интенсивным движением и трамваем 75...80 11.40...17.10 Шумная улица без трамвая 60...75 4.35...11.40 Обычный средний шум на улице 55...60 3.08...4.35 Комната шумная 40...50 0.98...2.20 Комната тихая 25...30 0.20...0.36 Разговор трех человек в комнате 45...50 1.50...2.20 Оркестр 80...100 17.10...88.00 Зал при массовых сценах 75...90 11.40...59.00 Аплодисменты 60...75 4.35...11.40 Исполнение соло в студии 40...50 0.98...2.20 Форте фортиссимо 100 88.00 Фортиссимо 90 38.00 Форте 80 17.10 Меццо-форте 70 7.95 Меццо пиано 60 4.35 Пиано 50 2.20 Пианиссимо 40 0.98 Пиано пианиссимо 30 0.36 Порог слухового ощущения 0 0

Таблица 1.

Слуховой аппарат человека не способен абсолютно линейно ощущать воздействия звуков в значительном диапазоне интенсивностей. Нелинейность слуха проявляется в том, что при воздействии громких тонов с уровнем интенсивности более 40 дБ, например с частотой f1, в слуховом аппарате образуются гармоники этого тона с частотами 2f1, 3f1, 4f1 и т.д. При уровне интенсивности звука менее 40 дБ субъективные гармоники не образуются. Оптимальным уровнем, при котором заметность и порядковый номер гармоники относительно невелики, можно считать 80...90 дБ. Особенно диссонансны 7-я и 9-я гармоники. 2-я субъективная гармоники почти в 5 раз превосходит 3-ю. Этот факт иногда является основой для утверждения, что SE-усилители, в которых обычно преобладает уже объективная 2-я гармоника, более импонируют слуху, нежели РР-усилители, где доминирует 3-я объективная гармоника, к которой слух более чем в 1,5...2,0 раза чувствительнее. Термин "импонирует" следует понимать в том смысле, что слух не может отделить объективно привнесенные гармоники от собственных субъективных того же 2-го порядка, а потому их восприятие не вызывает дискомфорта. Попыткой воспользоваться этим свойством слуха явилось создание РР-усилителей со специально увеличенной 2-й гармоникой, что достигалось разбалансом драйверного каскада.

Чтобы снизить субъективные нелинейные искажения, следует не увлекаться чрезмерно громким звучанием, применять все компоненты аудиосистемы с достаточно линейными амплитудными характеристиками, применять компоненты как можно более широкополосные, особенно в сторону низких частот.