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.
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.
Человека ухудшается, и со временем мы теряем способность улавливать определенную частоту .
Видео, сделанное каналом AsapSCIENCE , является своеобразным тестом возрастной потери слуха, который поможет вам узнать пределы вашей слышимости.
В видео проигрываются различные звуки, начиная с частоты 8000 Гц, что означает, что у вас не нарушен слух .
Затем частота повышается, и это указывает на возраст вашего слуха в зависимости от того, когда вы перестаете слышать определенный звук.
Итак, если вы слышите частоту:
12 000 Гц – вы младше 50-ти лет
15 000 Гц – вы младше 40-ти лет
16 000 Гц – вы младше 30-ти лет
17 000 – 18 000 – вы младше 24-лет
19 000 – вы младше 20-ти лет
Если вы хотите, чтобы тест был более точным, вам стоит настроить качество видео на формат 720p или лучше на 1080p, и слушать с наушниками.
Проверка слуха (видео)
Потеря слуха
Если вы слышали все звуки, вы, скорее всего младше 20-ти лет. Результаты зависят от сенсорных рецепторов в вашем ухе, называемых волосковые клетки , которые со временем повреждаются и дегенерируют.
Такой тип потери слуха называется нейросенсорная тугоухость . Это нарушение могут вызывать целый ряд инфекций, лекарства и аутоиммунные заболевания. Внешние волосковые клетки, которые настроены на улавливание более высоких частот, обычно погибают первыми, и потому происходит эффект потери слуха, связанный с возрастом, как было продемонстрировано в данном видео.
Слух человека: интересные факты
1. Среди здоровых людей диапазон частоты, который может уловить человеческое ухо составляет от 20 (ниже чем самая низкая нота на фортепьяно) до 20 000 Герц (выше чем самая высокоая нота на маленькой флейте). Однако верхний предел этого диапазона постоянно снижается с возрастом.
2. Люди разговаривают между собой на частоте от 200 до 8000 Гц , а человеческое ухо наиболее чувствительно к частоте 1000 – 3500 Гц
3. Звуки, которые находятся выше предела слышимости человека, называют ультразвуком , а те что ниже – инфразвуком .
4. Наши уши не перестают работать даже во сне , продолжая слышать звуки. Однако наш мозг их игнорирует.
5. Звук движется со скоростью 344 метра в секунду . Звуковой удар возникает, когда объект преодолевает скорость звука. Звуковые волны впереди и позади объекта сталкиваются и создают удар.
6. Уши - самоочищающийся орган . Поры в ушном канале выделяют ушную серу, а крошечные волоски, называемые ресничками, выталкивает серу из уха
7. Звук детского плача составляет примерно 115 дБ , и это громче, чем сигнал автомобиля.
8. В Африке есть племя Маабан, которые живут в такой тишине, что они даже в старости слышат шепот на расстоянии до 300 метров .
9. Уровень звука бульдозера , работающего вхолостую, составляет около 85 дБ (децибел), что может вызвать повреждение слуха всего после одного 8-ми часового рабочего дня.
10. Сидя перед колонками на рок-концерте , вы подвергаете себя 120 дБ, что начинает повреждать слух всего через 7,5 минут.
Проверь свой слух за 5 минут, не выходя из дома!
Частоты
Чaстота - физическая величина, характеристика периодического процесса, равна количеству повторений или возникновения событий (процессов) в единицу времени.
Как Мы знаем, человеческое ухо слышит частоты от 16 Гц до 20 000 кГц. Но это очень усреднённо.
Звук возникает по разным причинам. Звук - это волнообразное давление воздуха. Если бы не было воздуха, мы бы не слышали никакого звука. В космосе нет звука.
Мы слышим звук потому, наши уши чувствительны к изменению давления воздуха - звуковым волнам. Наиболее простой звуковой волной является короткий звуковой сигнал - вот такой:Звуковые волны, проникая в слуховой канал, приводят в колебание барабанную перепонку. Через цепь косточек среднего уха колебательное движение перепонки передаётся жидкости улитки. Волнообразное движение этой жидкости, в свою очередь, передаётся основной мембране. Движение последней влечёт за собой раздражение окончаний слухового нерва. Таков главный путь звука от его источника до нашего сознания. ТЫЦ
Когда вы хлопаете в ладоши, воздух между ладонями выталкивается и создается звуковая волна. Повышенное давление заставляет молекулы воздуха распространяться во все стороны со скоростью звука, который равен 340 м/с. Когда волна достигает уха, она заставляет вибрировать барабанную перепонку, с которой сигнал передается в мозг и вы слышите хлопок.
Хлопок - это короткое одиночное колебание, которое быстро затухает. График звуковых колебаний типичного хлопка выглядит так:Другой типичный пример простой звуковой волны - периодическое колебание. К примеру, когда звонит колокол, воздух сотрясается от периодических колебаний стенок колокола.
Так с какой же частоты начинает слышать обычное человеческое ухо? Частоту в 1 Гц оно не услышит, а лишь может увидеть на примере колебательной системы. Человеческое ухо именно слышит начиная с частот 16 Гц. То есть когда колебания воздуха воспринимает наше ухо как некий звук.
Сколько звуков слышит человек?
Не все люди с нормальным слухом одинаково слышат. Одни способны различать близкие по высоте и громкости звуки и улавливать в музыке или шуме отдельные тона. Другие же этого сделать не могут. Для человека с тонким слухом существует больше звуков, чем для человека с неразвитым слухом.
Но насколько вообще должна отличаться частота двух звуков, чтобы их можно было слышать как два разных тона? Можно ли, например, отличить друг от друга тона, если разница в частотах равна одному колебанию в секунду? Оказывается, что для некоторых тонов это возможно, а для других нет. Так, тон с частотой 435 можно отличить по высоте от тонов с частотами 434 и 436. Но если брать более высокие тона, то отличие сказывается уже при большей разности частот. Тона с числом колебаний 1000 и 1001 ухо воспринимает как одинаковые и улавливает разницу в звучании только между частотами 1000 и 1003. Для более высоких тонов эта разность в частотах ещё больше. Например, для частот около 3000 она равна 9 колебаниям.
Точно так же не одинакова наша способность отличать звуки, близкие по громкости. При частоте 32 можно расслышать только 3 звука разной громкости; при частоте 125 - уже 94 звука различной громкости, при 1000 колебаний - 374, при 8000 - снова меньше и, наконец, при частоте 16 000 мы слышим только 16 звуков. Всего же звуков, различных по высоте и громкости, наше ухо может уловить более полумиллиона! Это только полмиллиона простых звуков. Прибавьте к этому бесчисленные сочетания из двух и более тонов - созвучия, и вы получите впечатление о многообразии того звукового мира, в котором мы живём и в котором наше ухо так свободно ориентируется. Вот почему ухо считается, наряду с глазом, самым чувствительным органом чувства.
По этому для удобства представления о звуке мы используем не обычную шкалу с делениями в 1 кГц
А логарифмическую. С расширенным представлением частот от 0 Гц до 1000 Гц. Спектр частот, таким образом, можно представить в виде вот такой диаграммы от 16 до 20000 Гц.
Но не все люди, даже с нормальным слухом, одинаково чувствительны к звукам различной частоты. Так, дети обычно без напряжения воспринимают звуки с частотой до 22 тысяч. У большинства взрослых чувствительность уха к высоким звукам уже понижена до 16–18 тысяч колебаний в секунду. Чувствительность же уха у стариков ограничена звуками с частотой в 10–12 тысяч. Они часто совершенно не слышат комариного пения, стрекотания кузнечика, сверчка и даже чириканья воробья. Таким образом от идеального звука (рис. выше) по мере старения человека он уже звуки слышит в более суженом ракурсе
Приведу пример диапазона частот музыкальных инструментов
Теперь применительно к Нашей тематике. Динамику, как колебательной системе, в ввиду ряда его особенностей, не удаётся воспроизвести весь спектр частот с постоянными линейными характеристиками. В идеале это был бы широкополосный динамик, воспроизводящий спектр частот от 16 Гц до 20 кГц с одним уровнем громкости. По этому в автозвуке применяют несколько типов динамиков для воспроизведения конкретных частот.
Выглядит это пока условно вот так (для трёхполосной системы + сабвуфер).
Сабвуфер от 16 Гц до 60 Гц
Мидбас от 60 Гц до 600 Гц
Мидрендж от 600 Гц до 3000 Гц
Твитер от 3000 Гц до 20000 Гц
Восприятие звуков человеком
1. Особенности восприятия звуков ухом человека
Все программы, передаваемые по системам вещания, связи и звукозаписи предназначены для восприятия информации человеком. Поэтому требования к основным характеристикам этих систем не могут быть обоснованно сформулированы без точных сведений о свойствах слуха. Любое совершенствование системы, которое не будет ощущаться на слух, будет приводить к бессмысленной потере средств и времени. Следовательно, специалист, занимающийся разработкой или эксплуатацией систем звукозаписи и воспроизведения, должен знать основные особенности восприятия звуков ухом человека.
Орган слуха человека расположен в толще височных костей и делится на наружное ухо, среднее ухо и внутреннее ухо. К наружному уху относят ушную раковину и слуховой проход, слепо заканчивающийся барабанной перепонкой. Слуховой проход имеет слабо выраженный резонанс на частоте около 3 кГц и усиление на частоте резонанса ~ 3. Барабанная перепонка образована упругой соединительной тканью, которая колеблется под действием звуковых волн. За барабанной перепонкой находится среднее ухо, в состав которого входят: барабанная полость, заполненная воздухом; слуховые косточки и слуховая (евстахиева) труба, которая соединяет полость среднего уха с полостью глотки. Слуховые косточки: молоточек, наковальня и стремя – образуют рычажную систему, которая передаёт колебания барабанной перепонки мембране овального окна, разделяющей среднее и внутреннее ухо. Эта рычажная система трансформирует колебания барабанной перепонки с большой амплитудой скорости и небольшой амплитудой давления в колебания мембраны с малой амплитудой скорости и большой амплитудой давления. Коэффициент трансформации этой системы около 50 – 60. Барабанная полость имеет слабо выраженный резонанс на частоте ~ 1200 Гц. За мембраной овального отверстия находится внутреннее ухо, состоящее из преддверия, трех полукружных каналов и улитки, заполненных жидкостью. Полукружные каналы входят в состав органа равновесия, а улитка – в состав органа слуха. Улитка представляет собой канал длинной ~32 мм, свернутый спиралью. Канал разделен по всей длине двумя перегородками: рейснеровой мембраной и базилярной (основной) мембраной (см. рис. 1).
| По а - а |
| L" 2 |
Рисунок 2. Эквивалентная электрическая схема слухового анализатора.
Эквивалентная схема содержит ~ 140 параллельных звеньев – резонаторов, моделирующих волокна базилярной мембраны, включенные последовательно индуктивности L" i эквивалентны массе лимфы, ток в резонаторах пропорционален скорости колебаний волокон. Избирательность резонаторов невелика.
Так, для частоты 250 Гц полоса пропускания резонатора равна ~ 35 Гц (Q = 7), для частоты 1000 Гц – 50 Гц (Q = 20) и для частоты 4000 Гц – 200 Гц (Q = 20). Эти полосы пропускания характеризуют т.н. критические полоски слуха. Понятие о критических полосках слуха используется при расчете разборчивости речи и т.п.
Поскольку с одним нервным волокном связано несколько волосковых клеток, то человек может запомнить во всём частотном диапазоне не более 250 градаций, С уменьшением интенсивности звука это число уменьшается и, в среднем, составляет 150 градаций.
Соседние значения частоты отличаются не менее чем на 4 %. Что примерно совпадает с шириной критических полосок слуха (По этой причине кинофильмы, снятые со скоростью 24 кадра в секунду, можно демонстрировать по телевидению со скоростью -25 кадров в секунду. Даже искушенные музыканты не замечают разницы в звучании).
Однако, при одновременном присутствии двух колебаний ухо обнаруживает разницу в частотах ~ 0.5 Гц благодаря появлению биений.
Частота звуковых колебаний вызывает ощущение такого качества звука, которое называют высотой тона. Постепенное повышение частоты колебаний вызывает ощущение изменения тона от низкого (басового) до высокого. Высота тона описывается музыкальной нотной шкалой, однозначно связанной со шкалой частот.
Интервал между двумя частотами определяет величину изменения высоты тона. Основной единицей изменения высоты тона является октава. Одной октаве соответствует изменение частоты в два раза: 1 октава
. Число октав, на которое изменился тон можно определить так: . Октава – крупный интервал высоты тона, поэтому используют более мелкие интервалы: терции, полутоны, центы. октава = 3 терции = 12 полутонов = 1200 центов. Отношение частот: в терции - 1.26, для полутона – 1.06, для цента – 1.0006.Человек – это действительно самое умное из животных, населяющих планету. Однако наш ум нередко лишает нас превосходства в таких способностях, как восприятие окружающего посредством обоняния, слуха и других сенсорных ощущений.
Так, большинство животных намного опережают нас, если речь идет о слуховом диапазоне. Диапазон слуха человека – это ряд частот, которые может воспринимать человеческое ухо. Попробуем понять, как работает ухо человека в отношении восприятия звука.
Диапазон слуха человека в нормальных условиях
В среднем человеческое ухо может улавливать и различать звуковые волны в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц (20000 Гц). Однако по мере старения слуховой диапазон человека уменьшается, в частности понижается его верхняя граница. У пожилых людей она обычно намного ниже, чем у молодых, при этом максимально высокими слуховыми способностями обладают младенцы и дети. Слуховое восприятие высоких частот начинает ухудшаться с восьмилетнего возраста.
Человеческий слух в идеальных условиях
В лаборатории диапазон слуха человека определяется при помощи аудиометра, который испускает звуковые волны различной частоты, и настроенных соответствующим образом наушников. В таких идеальных условиях человеческое ухо может распознавать частоты в диапазоне от 12 Гц до 20 кГц.
Диапазон слуха у мужчин и женщин
Между слуховым диапазоном мужчин и женщин существует значительная разница. Обнаружено, что женщины по сравнению с мужчинами более чувствительны к высоким частотам. Восприятие низких частот находится у мужчин и женщин на более или менее одинаковом уровне.
Различные шкалы для указания диапазона слуха
Хотя частотная шкала является наиболее распространенной шкалой для измерения диапазона слуха человека, его также нередко измеряют в паскалях (Па) и децибелах (дБ). Однако измерение в паскалях считается неудобным, так как эта единица предполагает работу с очень крупными цифрами. Один мкПа – это расстояние, преодолеваемое звуковой волной во время колебания, которое равно одной десятой диаметра атома водорода. Звуковые волны в человеческом ухе преодолевают намного большее расстояние, что делает указание диапазона слуха человека в паскалях затруднительным.
Самый мягкий звук, который может быть распознан ухом человека, равняется примерно 20 мкПа. Шкала децибел более проста в использовании, так как она представляет собой логарифмическую шкалу, которая напрямую ссылается на шкалу Па. Она принимает 0 дБ (20 мкПа) как точку отсчета и далее продолжает сжимать эту шкалу давления. Таким образом, 20 миллионов мкПа равняются всего 120 дБ. Так получается, что диапазон человеческого уха составляет 0-120 дБ.
Слуховой диапазон значительно разнится от человека к человеку. Поэтому для выявления потери слуха лучше всего измерять диапазон слышимых звуков по отношению к опорной шкале, а не по отношению к обычной стандартизированной шкале. Тесты могут проводиться при помощи сложных инструментов для диагностики слуха, которые позволяют точно определять степень и диагностировать причины потери слуха.