Психоакустика
Материал из МагВики::Справочник по автозвуку и электронике
Психоакустика
Психоаку́стика — наука, изучающая психологические и физиологические особенности восприятия звука человеком.
Во многих приложениях акустики и обработки звуковых сигналов необходимо знать, что́ люди слышат. Звук, который образуют волны давления воздуха, может быть точно измерен современным оборудованием. Однако понять, как эти волны принимаются и отображаются в нашем головном мозге — задача не такая простая. Звук — это непрерывный аналоговый сигнал, который (в предположении, что молекулы воздуха бесконечно малы) может теоретически переносить бесконечное количество информации (так как существует бесконечное число частот, содержащих информацию об амплитуде и фазе).
Понимание процессов восприятия позволяет учёным и инженерам сосредоточиться на возможностях слуха и не учитывать менее важные возможности других систем. Важно также отметить, что вопрос «что человек слышит» — не только вопрос о физиологических возможностях уха, но во многом также вопрос психологии, чёткости восприятия.
Психоакустика на службе у людей
Вы никогда не задумывались, почему музыка в различных форматах сжатия типа mp3 так мало «весит», но при этом качество звучания практически не отличается от полноценного Audio-CD? Почему мы с точностью можем определить место комнаты, где кошка уронила стакан c пивом, а вот понять, какой же автомобиль на стоянке заведен, представляет большие трудности? Почему сирены и сигнализации автомобилей так резко воспринимаются нашим слухом? Если немного задуматься, то этот список можно продолжать и дальше. Ответы на подобные вопросы дает психоакустика – наука о восприятии звука человеком.
Необходимо понимать, что вопрос о том, «что человек слышит», лежит не только в пределах его физиологических возможностей. Здесь важную роль играет психология. Для начала, стоит разобраться - что же такое звук как таковой? Если не касаться особо точных и научных определений, а рассматривать явление «на пальцах», то получится примерно следующее определение: звук - это непрерывный аналоговый сигнал (волны). Однако наш слух воспринимает частоты в определенном диапазоне, границы которого от 20 Гц до 20 000 Гц. Конечно же, эти границы несколько условны, потому что у каждого конкретного человека они могут отличаться в ту или иную сторону, но проверить это очень и очень сложно. Именно поэтому и стали принимать «стандартный» диапазон «от 20 до 20». С возрастом верхняя граница человеческого слуха снижается, и большинство взрослых людей не могут слышать звуки выше 16 КГц. Но не все так просто. Люди могут воспринимать звуки и выше 20 КГц, но уже не ухом, а органами осязания.
Многие из нас наверняка помнят первые появляющиеся видеокамеры с оптическим трансфокатором (зумом). Если оператор при съемке занимался приближением или удалением, звук мотора, двигающего линзы записывался и раздражал при просмотре. Сегодня уже вовсю используются ультразвуковые моторы. Они точно так же жужжат, только за пределами восприятия ухом! Это яркий пример, в котором используются особенности восприятия человеком звука.
Диапазон громкости воспринимаемых звуков огромен. Действительно, человек может слышать как скребёт мышь по ночам (кто же этот скр ? ) или как капает вода на другом конце квартиры, точно так же, как и звук отбойного молотка или взлетающего самолета. Громкость принято измерять в децибелах (дБ). Верхней границы диапазона слышимости нет, и за такую границу нужно брать уровень, при котором начинается разрушение слуха. Человеческий слух способен пережить кратковременный «удар» 120дБ, но вот долговременное восприятие звуков с уровнем больше 80 дБ уху противопоказано. Недаром существуют общепринятые нормы для портативных плееров, в которых указано максимальная громкость этих изделий, а некоторые производители встраивают специальные системы, ограничивающие уровень тех самых децибел. В связи с этим, я бы хотел затронуть актуальнейшую тему прослушивания музыки в метро*. Поскольку общий уровень громкости шума, издаваемого данным средством передвижения достаточно высок, приходится сильно повышать и громкость в плеере/телефоне, из-за чего можно как максимум нарушить слух, а как минимум получить постстимульное утомление.
Постстимульное утомление наступает у человека при прослушивании звуков на громкостях более 75 дБ. В результате у человека резко снижается слуховая чувствительность. Восстановление обычных порогов может продолжаться до 16 часов. Этот процесс еще называют «временным сдвигом порога слуховой чувствительности». Сильнее всего на ухо воздействуют высокие частоты.
Но выход есть – использовать специальные наушники, блокирующие внешние звуки. Сегодня они используются «по умолчанию» во многих плеерах и даже телефонах (например, SonyEricsson серии Walkman). Если же хочется более качественного звучания без лишних призвуков, придется разориться на дорогие наушники закрытого типа, например, AKG K171 или KOSS Pro4AAT, однако, это уже не походный вариант.
За нижний порог слышимости обычно берут уровень 0 дБ, но и здесь не все так просто. Более тщательные исследования нижней границы слуха показали, что минимальный порог, при котором звук остаётся слышен, зависит от частоты. Этот график получил название абсолютный порог слышимости. В среднем, он имеет участок наибольшей чувствительности в диапазоне от 1 кГц до 5 кГц, хотя с возрастом чувствительность к частотам выше 2 кГц понижается. Именно в этом среднем диапазоне наибольшей слышимости и воют ненавистные сигнализации и истошно орут сирены спецавтотранспорта.
Думаю, многие из читателей встречали на различных приборах наклейки с указанием уровня шума, издаваемого изделием. Например, это относится к различным системам охлаждения. Так вот, за тихие кулеры принимаются модели, уровень шума от которых меньше 20 дБ. Эта цифра тоже не случайна. Дело в том, что шум, издаваемый вентилятором, имеет частоту, при которой 20 дБ – та граница, ниже которой человеческому уху комфортно, а ниже 14 дБ звука можно не услышать вовсе из-за эффекта маскировки.
Чаще всего в жизни мы слышим одновременно множество звуков. Я даже не имею в виду улицу, по которой едут автомобили, идут люди, где шумят от ветра деревья. Ведь, даже дома нас не покидает некий звуковой фон: то соседи поругаются, то из окна доносятся различные шумы. Эффект маскировки состоит в том, что более громкий звук снижает восприятие более слабого вплоть до полной потери слышимости последнего. И чем ближе находятся друг от друга частоты двух этих звуков, тем больше будет заметен эффект. На самом деле, существует несколько типов звуковой маскировки, но мы не будем вдаваться в детали.
Что ж, после некоторой подготовки вернемся к нашим вопросам. Почему высокие звуки хорошо позиционируются в пространстве, а низкие плохо? Почему мы можем точно сказать, где звенит колокольчик, а вот звук большого барабана определить в пространстве не можем? Ища ответ в научной литературе, можно узнать много нужной и не очень информации, однако, все просто. Звук – это волны. Волны имеют различную длину. Высокие частоты имеют короткую волну и поэтому доходят до каждого из ушей с различной скоростью, из чего складывается бинуральное (пространственное) восприятие. В случае же с низкими частотами длина волны большая, а так как расстояние между человеческими ушами не так велико, волны воспринимаются ими практически одновременно. Именно поэтому в комплектах домашних кинотеатров колонок, отвечающих за средние и высокие частоты, две, а сабвуфер - один.
А что у нас с mp3? Почему я упомянул его, и при чем тут вообще психоакустика? Очень даже при чем! Любой из форматов сжатия с потерей информации** использует слабости нашего слуха, ведь не все характеристики звука нашим слухом вообще воспринимаются. Выкинув эту информацию, можно сильно сэкономить, что эти форматы и делают. Конечно, истинные хайфайщики не признают никаких mp3, и их можно понять – при правильных условиях, на хорошей аппаратуре в полностью заглушенной комнате услышать разницу можно, но, скажите, часто ли у вас возникают подобные условия для прослушивания музыки? Да и от самой записи много зависит. Не секрет, что некоторые из дисков (как правило, пиратских), продающихся у нас – «разжатка» из mp3, поэтому, если вы и решили прикупить любимый альбом в хорошем качестве – сходите в фирменный магазин и купите качество, а не болванку с полиграфией, на которую записали разжатый mp3.
В коммерции (электронике) часто так же используется так называемые фантомы. Это эффект, при котором человек слышит звуки в низкочастотной области, которых в реальности не было! Это происходит из-за того, что колебания базилярной мембраны в ухе не являются линейными, и в ней могут возникать колебания с различной частотой между двумя более высокочастотными. Примером устройств, использующих фантомы, являются последние модели телевизоров JVC.
Что ж, наверное, пора подвести итог. Конечно, не стоит воспринимать данную статью как серьезный научный труд, однако, для профессионалов есть множество книг на тему психоакустики. Я же попытался посмотреть на тему глазами пользователя различных девайсов и гаджетов, что, надеюсь, мне удалось. И еще – берегите слух, он того заслуживает!
