Восприятие звуковых волн различной частоты и амплитуды

Мы часто оцениваем качество звучания. При выборе микрофона, программы для обработки звука или формата записи звукового файла один из самых важных вопросов - насколько хорошо будет это звучать. Но существуют различия между характеристиками звука, которые можно измерить и теми, которые можно услышать.

Тон, тембр, октава.

Мозг воспринимает звуки определённых частот. Это связано с особенностями механизма внутреннего уха. Рецепторы, расположенные на основной мембране внутреннего уха превращают звуковые колебания в электрические потенциалы, возбуждающие волокна слухового нерва. Волокна слухового нерва обладают частотной избирательностью, обусловленной возбуждением клеток кортиева органа, находящихся в разных местах основной мембраны: высокие частоты воспринимаются вблизи овального окна, низкие – у вершины спирали.

С физической характеристикой звука, частотой, тесно связана ощущаемая нами высота тона. Частота измеряется как количество полных циклов синусоидальной волны за одну секунду (герц, Гц). Это определение частоты основано на том, что у синусоидальной волны форма колебаний волн в точности сохраняется. В реальной жизни очень немногие звуки обладают таким свойством. Однако любой звук можно представить набором синусоидальных колебаний. Такой набор мы обычно и называем тоном. То есть, тон – это сигнал определенной высоты, имеющий дискретный спектр (музыкальные звуки, гласные звуки речи), в котором выделяется частота синусоидальной волны, имеющая в этом наборе максимальную амплитуду. Сигнал, обладающий широким непрерывным спектром, все частотные составляющие которого имеют одинаковую среднюю интенсивность, называют белым шумом.

Постепенное увеличение частоты звуковых колебаний воспринимается как постепенное изменение тона от самого низкого (басового) до наиболее высокого.

Степень точности, с которой человек определяет высоту звука на слух, зависит от остроты и тренировки его слуха. Ухо человека хорошо различает два близких по высоте тона. Например, в области частот примерно 2000 Гц человек может различать два тона, которые отличаются друг от друга по частоте на 3-6 Гц или даже меньше.

Спектр частот музыкального инструмента или голоса содержит последовательность равномерно расположенных пиков - гармоник. Они соответствуют частотам, кратным некоторой базовой частоте, самой интенсивной из составляющих звук синусоидальных волн.

Особый звук (тембр) музыкального инструмента (голоса) связан с относительной амплитудой различных гармоник, а воспринимаемая человеком высота тона наиболее точно передает базовая частота. Тембр, являясь субъективным отображением воспринимаемого звука, не имеет количественной оценки и характеризуется только качественно.

В «чистом» тоне присутствует только одна частота. Обычно же воспринимаемый звук состоит из частоты основного тона и нескольких '"примесных" частот, называемых обертонами. Обертоны кратны частоте основного тона и меньше его по амплитуде. От распределения интенсивности по обертонам зависит тембр звука. Более сложным оказывается спектр сочетания музыкальных звуков, называемый аккордом. В таком спектре присутствуют несколько основных частот вместе с сопутствующими обертонами.

Если частота одного звука ровно вдвое превосходит частоту другого, звуковая волна «укладывается» одна в другую. Частотное расстояние между такими звуками называется октавой. Диапазон частот, воспринимаемых человеком, 16-20 000 Гц, охватывает приблизительно десять-одиннадцать октав.

Амплитуда звуковых колебаний и громкость.

Весь спектр воспринимаемых звуков разделяется на слышимый диапазон: от 16 до 20000 Гц, инфразвуки (до 20 Гц) и ультразвуки – свыше 20000 Гц. Инфразвуки и ультразвуки человек не слышит, но это не значит, что они не оказывают на него воздействия (подробнее см. статью о воздействии инфразвука на тело). 

Слышимую часть диапазона звуков разделяют на низкочастотные звуки – до 500 Гц, среднечастотные – 500-10000 Гц и высокочастотные – свыше 10000 герц. Наиболее чувствительно ухо к сравнительно узкому диапазону среднечастотных звуков от 1000 до 4000 Гц. То есть, звуки одинаковой силы в среднечастотном диапазоне могут восприниматься как громкие, а в низкочастотном или высокочастотном - как тихие или быть вовсе не слышны. Такая особенность восприятия звука связана с тем, что звуковая информация, необходимая для существования человека – речь или звуки природы – передаётся, в основном, в среднечастотном диапазоне. Таким образом, громкость – это не физический параметр, а интенсивность слухового ощущения, субъективная характеристика звука, связанная с особенностями нашего восприятия.

Слуховой анализатор воспринимает повышение амплитуды звуковой волны за счёт увеличения амплитуды вибрации основной мембраны внутреннего уха и стимуляции всё большего числа волосковых клеток с передачей электрических импульсов с большей частотой и по большему числу нервных волокон.

Наше ухо может различать интенсивность звука в диапазоне от самого слабого шепота до самого громкого шума, что примерно соответствует увеличению амплитуды движения основной мембраны в 1 млн. раз. Однако ухо интерпретирует это громадное различие в амплитуде звука приблизительно как 10000-кратное изменение. То есть, шкала интенсивности сильно «сжата» механизмом восприятия звука слухового анализатора. Это позволяет человеку интерпретировать различия в интенсивности звука в чрезвычайно широком диапазоне.

Интенсивность звука измеряется в децибелах (дБ) (1 бел равен десятикратному увеличению амплитуды). Эту же систему применяют для определения изменения громкости.

Для сравнения можно привести примерный уровень интенсивности разных звуков: едва слышимый звук (порог слышимости) 0 дБ; шёпот около уха 25-30 дБ; речь средней громкости 60-70 дБ; очень громкая речь (крик) 90 дБ; на концертах рок и поп музыки в центре зала 105-110 дБ; рядом с взлетающим авиалайнером 120 дБ.

Величина приращения громкости воспринимаемого звука имеет порог различения. Число градаций громкости, различаемое на средних частотах, не превышает 250, на низких и высоких частотах оно резко уменьшается и в среднем составляет около 150.